Modeling, assessments and cost-effectiveness analysis of constructed wetlands and active methods for the treatment of runoff from agricultural areas – Final report of the Active Wetlands Interreg IVA project

Suomessa ja Virossa tutkittiin pieniin kosteikkoihin tai ja pelto-ojiin asennettavien kemikaalikäsittelyjen
(aktiivikosteikko) toimivuutta maataloudesta peräisin olevan fosforin pidättämisessä. Tässä Active Wetlands
-hankkeen osaraportissa mallinnettiin koelaitteistojen erikokoisilla sijaintivaluma-alueilla saavuttamia
fosforin pidättämistuloksia, ja verrattiin tuloksia samoille valuma-alueille tehtyjen kosteikkosimulaatioiden
(”perinteiset” maatalouden vesiensuojelukosteikot) kanssa. Lisäksi arvioitiin aktiivi- ja perinteisten kosteikkojen kustannustehokkuutta.

Mallinnus tehtiin viidelle kohdealueelle Suomessa ja yhdelle koealueelle Virossa. Käytetyt mallit olivat päivittäistä aika-askelta käyttävä prosessipohjainen SWAT, empiirinen VIHMA ja paikkatietoon perustuva RasterMode malli. Mallien lähtötietoina käytettiin saatavissa olevaa GIS- ja muuta valuma-aluetietoa ja niiden parametrit valittiin aikaisempien tutkimusten ja tässä hankkeessa tehtyjen kokeiden tulosten perusteella.

SWAT mallilla tehty kosteikkojen sijoittelustrategian simulointi osoitti, että useiden kosteikkojen perustaminen valuma-alueen eri osiin oli selvästi tehokkaampaa kuin rakentaa yksi suuri kosteikko valuma-alueen purkupisteeseen. Molemmissa tapauksissa kokonaiskosteikkoala valuma-alueella oli samansuuruinen. Myös kemikaaliannostelijan kustannustehokkuuteen sijoituspaikan valinnalla on ratkaiseva merkitys. Korkean fosforipitoisuuden valumavesiä käsiteltäessä niin luontaisten prosessien kautta pidättyvän kuin kemikaalilla saostetunkin fosforin määrä on huomattavasti suurempi kuin silloin, kun valumaveden fosforipitoisuus on alhainen. Siten niin rakennetut kosteikot kuin kemikaalikäsittelytkin tulisi sijoittaa mahdollisimman lähelle kuormituslähteitä. Tässä suhteessa ”hotspot” kuormittajiin, kuten navetat, maitohuoneet, hevostallit jne. kannattaa kiinnittää erityistä huomiota. Raster-Mode malli osoittautui käyttökelpoiseksi kosteikkojen suunnitteluapuvälineeksi ja hyödylliseksi myös arvioitaessa fosforin pidättymistä. Tulosten perusteella sekä perinteiset rakennetut kosteikot että aktiiviset toimenpiteet ovat kustannustehokkaita vesiensuojelumenetelmiä sillä edellytyksellä, että ne on suunniteltu ja toteutettu huolellisesti ja sijoitettu oikeisiin paikkoihin.

—————————-

Abstract
In this project—conducted in Finland and Estonia—we studied different applications i.e. active measures, that can be used to boost the retention of dissolved phosphorus (P) in agricultural wetlands and field ditches. In this report, we show results from the catchment-scale modeling and assessments to estimate the cost-efficiency of active measures and constructed wetlands in retaining the P escaped from agriculture.

Modelling was conducted in five target areas in Finland and one in Estonia. The used models included process-based catchment scale SWAT model using a daily time step, empirical VIHMA model and catchment scale RasterMode model calculating annual P concentrations in surface waters. Available GIS- and other data from the catchments were used as input and parameters for the model were set according to the previous studies and P retention results of this project.

Wetland location strategy, as studied by SWAT model, showed that establishing several constructed wetlands on the upper reach of a catchment was much more effective than constructing one large wetland at the outlet of the same catchment. In both cases the total area occupied by constructed wetlands was equal. In terms of active measures, doser site selection was also crucial to cost-effectiveness. With diluted waters P precipitation will be substantially lower than with waters rich in P. Thus, locating constructed wetlands and active wetlands near the sources of loading is highly recommended. In this respect, “hotspots” such as cowsheds, milk houses, horse stables etc. should be of special interest when sites are selected. RasterMode model was observed as a useful tool for wetland planning and for estimating P retention of the selected measures.

Both traditional constructed wetlands and active measures, when decently implemented and wisely located, are cost-effective alternatives for water protection and thus worth serious consideration. However, because their cost-effectiveness depends greatly on suitable places, they cannot be recommended everywhere.

Keywords: phosphorus, wetlands, modeling, cost-efficiency, chemical amendments, phosphate retention, agriculture, runoff, eutrophication