Aineiden kulkeutumismallin kehittäminen ja soveltaminen typen prosessien kuvaamiseen peltomittakaavassa

Suomessa pintavesiin kulkeutuvasta ihmisperäisestä typpikuormituksesta lähes 60 % on peräisin maataloudesta. Salaojitetuissa savimaissa erilaiset suuret huokoset eli makrohuokoset mahdollistavat nopean veden virtauksen sekä liuenneiden typpifraktioiden kulkeutumisen pellon pintaosista salaojiin. Savipeltojen hydrologiaa ja aineiden kulkeutumista kuvaavia malleja tarvitaan ravinnekuormitukseen vaikuttavien tekijöiden arvioimiseen.

Tässä tutkimuksessa kehitettiin geneerinen, kolmiulotteinen, aineiden kulkeutumista kuvaava numeerinen malli. Kehitystyössä käytettiin hydrologista ja veden laadun aineistoa Etelä-Suomessa sijaitsevalta Nummelan koekentältä, joka kuuluu Salaojitustekniikat ja pellon vesitalouden optimointi -hankkeeseen. Kulkeutumismalli integroitiin osaksi kolmiulotteista hydrologista FLUSH-mallia, jolla voidaan kuvata veden virtausta ja eroosiota salaojitetuilla savimailla pohjoisilla leveysasteilla. Kehitetyllä aineiden kulkeutumismallilla voidaan simuloida useiden eri aineiden samanaikaisia prosesseja savimatriisissa ja makrohuokosissa. Simuloitavat aineet kulkeutuvat huokossysteemissä sekä niiden välillä advektio- ja dispersiomekanismien avulla. Pellon pinnalla aineen kulkeutumista kuvataan advektiolla. Maaperässä aineiden pidättymistä maapartikkeleihin voidaan kuvata lineaarisella, Freundlichin tai Langmuirin isotermeillä. Aineiden välille voidaan luoda reaktioketjuja, joissa hajoava aine muuttuu toiseksi aineeksi, ja hajoamisreaktioita voidaan säätää kosteus- ja lämpötilarajoittimilla. Pintakulkeutumista kuvaava osittaisdifferentiaaliyhtälö ratkaistaan iteroimalla. Maaperän kolmiulotteista kulkeutumista kuvaava osittaisdifferentiaaliyhtälöpari ratkaistaan vertikaalisessa suunnassa pentadiagonaalisella matriisialgoritmilla ja horisontaalisessa suunnassa iteroimalla. Kehitetty numeerinen ratkaisu rinnakkaistettiin MPI-rajapinnan avulla.

Geneerinen aineiden kulkeutumismalli muokattiin kuvaamaan typen prosesseja. Kehitetyn typpimallin toimintaa arvioitiin soveltamalla sitä kasvukauden jälkeisinä syyskausina (2008 ja 2011) Nummelan koekentän savipeltolohkoille (1,3 ja 3,4 ha). Simulaatioilla tutkittiin ammoniumin- ja nitraattitypen kulkeutumista pinta- salaoja- ja pohjavesivaluntaan 1D maaprofiilissa. Sovelluksessa fraktioiden kulkeutumiseen vaikuttivat mineralisaatio-, nitrifikaatio- ja denitrifikaatioreaktiot sekä ammoniumtypen pidättyminen tasapainotilassa. Mallilla pystyttiin kuvaamaan nitraattitypen pitoisuuksien dynamiikkaa salaojavalunnassa, ja ammoniumtyppipitoisuuksissa saavutettiin mittausten mukainen kertaluokka. Kulkeutumismallin prosessien kuvausta arvioitiin myös herkkyysanalyysillä. Mallin lateraalisten komponenttien toiminnan varmistamiseksi typpimallia sovellettiin myös 3D simulaatioissa koko peltoalueelle (9,2 ha).In Finland, almost 60% of anthropogenic nitrogen (N) load originates from agriculture. In clayey fields, large pores, i.e. macropores, enable preferential flow and transport of dissolved nitrogen fractions from the tillage layer to subsurface drains. Models, which are able to describe hydrology and solute transport in clayey fields, are needed to evaluate factors that affect nutrient loading from cultivated fields.

In this study, a new, generic, three-dimensional (3D) numerical model was developed to describe solute transport on the field surface and underlying soil layers. Hydrological and water quality data from the Nummela experimental field in southern Finland was applied in the development phase. The transport model was integrated into the 3D hydrological FLUSH model, which simulates water flow and soil erosion in clayey, subdrained cultivated fields in northern latitudes. The solute transport model can simultaneously describe movement and reactions of several solutes in the soil matrix and macropore systems. Transport of solutes is simulated with advection and dispersion mechanisms in the pore systems, and the same transport processes are applied to depict mass exchange between the pore systems. Solute transport on the field surface is described with advection. Adsorption of solutes in the subsurface system is based on the equilibrium adsorption approach using linear, Freudlich or Langmuir isotherm. It is possible to create reaction chains between solutes, where decaying solute is transformed into another solute in the simulation. The reaction processes can be adjusted with moisture and heat based limiters. The partial differential equation that describes overland transport is solved by iteration. Equations for the 3D transport in the subsurface profile are solved with the pentadiagonal matrix algorithm and horizontal fluxes by iteration. The numerical model was parallelized with the MPI application interface.

An N transport model was developed from the generic solute transport model. The model was evaluated by simulating N processes during two autumn periods (2008 and 2011) in clayey field sections (1,3 and 3,4 ha) in the Nummela field. Simulations described transport of ammonium and nitrate in 1D soil profiles. N fractions were lost via tillage layer runoff, drainflow and horizontal groundwater outflow. In the application, transport of nitrogen fractions was affected by mineralisation, nitrification and denitrification reactions together with equilibrium sorption of ammonium. The model was able to simulate the dynamic increase of nitrate concentration in drainflow in the autumns, and the simulated ammonium concentrations in the drainflow were in the same order of magnitude as the concentrations derived from water sample analysis. Processes of the transport model were also evaluated with a sensitivity analysis, and the functioning of the lateral components was tested by conducting 3D simulations of nitrogen transport in the whole Nummela field area (9,2 ha).

Keywords: solute transport, FLUSH, modeling, nitrogen