Pinta- ja salaojavalunnan muodostuminen peltolohkolla – savipellon vesitaseen mallitarkastelu

Työn tavoitteena oli mallintaa veden virtausreittejä savipellolla ja arvioida virtausreittien perusteella pellon eri osien huuhtoutumisherkkyyttä.

Mallinnus toteutettiin FLUSH-mallilla, jolla voidaan kuvata veden virtausta salaojitetulla savipellolla. Mallituloksia käytettiin myös mittausaineiston luotettavuuden arviointiin. Koelohkona toimi Vihdissä sijaitseva Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskuksen tutkimuspelto. Lisäksi työn tavoitteena oli verrata mallinnettuja maankosteuksia maaperään asennettujen Soil Scout -sensorien mittaustuloksiin ja arvioida sensorien ja mallin tuottamien maankosteuksien järkevyyttä.

Malli kalibroitiin käyttäen mittauksia ajanjaksolta 1.5. – 21.11.2010. Salaojavalunnan osalta malli tuotti valuntapiikkejä kesällä, joita ei ollut mitattu. Syksyn mallinnetut salaojavaluntahuiput eivät yltäneet mitattujen tasolle. Mallin validointiin käytettiin SYKE:n salaojavalunnan mittauksia ajalta 1.5. – 31.12.2011. Mallinnetut salaojavalunnat vastasivat dynamiikaltaan hyvin mitattua valuntaa, mutta malli aliarvioi systemaattisesti valunnan määrää.

Kalibroidulla mallilla tutkittiin veden virtausreittejä pellon pinnalla ja maaperässä. Tarkastelujaksoksi valittiin kasvukauden ulkopuolinen jakso. Tulosten perusteella veden virtaus oli voimakkaasti riippuvaista maan kaltevuudesta ja makrohuokoisuudesta.

Alueilla, joiden makrohuokoisuus oli pieni, vesi lammikoitui pellon pinnalle, jolloin syntyi pintavirtailua. Veden virtausnopeus maan pinnalla oli suurinta kaltevilla pinnoilla. Maaperässä tapahtuvaa virtausta tutkittiin makrohuokosissa tapahtuvan virtauksen avulla. Mallin mukaan 98 % salaojiin ja 63 % avo-ojiin kulkeutuvasta vedestä kulki makrohuokosia pitkin.

Tarkastelukerrokseksi valittiin muokkauskerroksen alaosa, sillä mallitulosten perusteella virtaus oli nopeinta pohjamaan eli jankon pinnalla. Jankon tiivistyminen oli selvästi havaittavissa. Alueilla, joilla makrohuokoisuus oli pieni, virtausnopeus oli matala huolimatta maan kaltevuudesta. Veden virtaussuunta oli pääosin suoraan alaspäin, mutta kaltevilla alueilla virtausta tapahtui myös osittain horisontaalisessa suunnassa.

Mallinnetut virtausreitit eivät eronneet merkittävästi kesä- ja syyskauden tai vuosien välillä. Saatuja virtauskarttoja verrattiin vuoden 2011 satokarttaan. Satokartan perusteella rinteen alaosassa oli keskimääräistä matalampi sato. Matala satotaso tarkoittaa myös matalaa ravinteiden hyväksikäyttöastetta, jolloin ravinteet ovat alttiita huuhtoutumiselle. Alueilla, joilla mallinnettu veden nopeus makrohuokosissa oli koelohkon suurinta, oli myös matala satotaso, joten näillä alueilla riski ravinteiden huuhtoutumiseen on suurempi kuin muilla alueilla.

————-

The aim of this study was to model the flow paths of surface runoff and subsurface flow in agricultural field and use the model results to estimate leaching potential of different parts of the field. Modelling was done using FLUSH-model which is a physics-based model that can simulate runoff in clayey, subsurface drained agricultural fields. The model results were also used to evaluate the quality of the measurements. The modelled field is situated in Vihti, Southern Finland, and it is part of the research farm of MIT Agrifood Finland.

The model was calibrated using measured runoff from 1 May 2010 to 21 November 2010. During the summer the model produced subsurface drain flow peaks that were not measured. In autumn the level of modelled subsurface flow peaks did not reach the measured peaks. The model was validated using subsurface flow data from 1 May 2011 to 31 December 2011. Modelled subsurface flow dynamics corresponded well with the measurements. The amount of runoff was systematically underestimated by the model which resulted difference between the measured and modelled cumulative runoff.

The calibrated model was used to investigate flow paths on the field surface and in the soil. The period outside the growing season was chosen for examination. Results of the modelling showed that flow velocity was dependent on slope and macro porosity. In areas where macro porosity was low water started to pond on the field surface which resulted in overland flow. Flow velocity was fastest on sloped areas. Subsurface flow paths inside the field area were investigated by studying simulated flow velocities in macro pores. According to the model 98 % and 63 % of drain flow and surface runoff, respectively, originated from macrospores.

Compaction of subsoil was visible from the model results. Flow velocities were highest just above the tillage pan in the depth of 0.20 m. On the areas where macro porosity was low, the flow velocity was also low despite the slope gradient. The direction of the flow was mainly vertical with the exception of sloped area where flow was partly horizontal.

Results of the simulated flow paths did not differ significantly between seasons or years and thus results were compared to the measured yield in 2011. Sloped areas which had high flow velocity in macro pores also had low crop yield. These areas have therefore increased risk for nutrient leaching as low yield means that some of the nutrients are not used by plants and stay in the soil.