Vantaanjoen valuma-alueen hydrologinen mallintaminen

Thumbnail Image

Files

master_Korteniemi_Veera_2025.pdf (4.23 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-12-23

Department

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Water and Environmental Engineering

Language

fi

Pages

77

Series

Abstract

The river Vantaanjoki passes through mixed land used area, where about half a million people live in the watershed area. The catchment area is characterized by large flow variations due to its small size and low lake percentage. The Vantaanjoki river serves as a backup water source for the needs of the City of Helsinki. Hydrological modelling of the river basin is motivated by the questions related to the sustainable use of water resources and water quality. The main objective of this work was to develop a hydrological model describing precipitation-runoff relationship at the catchment level. The precipitation-runoff model is based on the widely used HBV model and considers the main forms of land use in sub-catchment areas, which are fields, forests, and urban areas. The runoff of the sub-catchment areas serves as input for the model describing the Vantaanjoki riverbeds. The materials used in the work included open spatial data of the Finnish Environment Institute on catchment area divisions, channel network, and land use forms, as well as time series on flows. The precipitation and temperature data were retrieved from the Finnish Meteorological Institute. HBV models of land use forms were calibrated and validated using previous research data. The SCE-UA algorithm was used to optimize the parameters. In the next phase, the objective was to model the flow of the entire Vantaanjoki river catchment area and evaluate it against the measured flow. The final objective was to produce hypothetical scenarios of the impact of land use changes on river flow. The scenarios were field, forest and urban scenarios, where the catchment area consisted of only one form of land use. The HBV model parameters were produced for the three land use forms with the help of the optimization algorithm. The parameters differed from each other and were mostly logical in comparison with each other. During the calibration and validation phases, snow water equivalent and runoff corresponded to the observations both very well and satisfactorily according to the type of land use, but limited calibration data caused uncertainty in the results. The flow modelling yielded both good and satisfactory results, but ignoring the hydraulic impact of lakes reduced the accuracy of the model in the vicinity of the lakes. The model overestimated flows, which was probably due to the way channel flow was calculated. In scenario modelling, the forest scenario had the highest annual evaporation and the lowest annual runoff. In the field scenario, spring runoff started earlier and grew larger than in other scenarios, and in the urban scenario, annual runoff was highest and runoff response was fastest. The reliability of the results was partly impaired by model simplifications and parameter uncertainty.

Vantaanjoki laskee Etelä-Suomessa läpi vaihtelevan maankäyttöalueen ja sen valuma-alueella asuu noin puoli miljoonaa ihmistä. Valuma-alueelle ovat tyypillisiä suuret virtaamavaihtelut sen pienen koon ja vähäjärvisyyden vuoksi. Vantaanjoki toimii varavesilähteenä Helsingin kaupungin tarpeisiin. Vantaanjoen hydrologisen mallintamisen taustalla on tarve vastata vesivarojen kestävään käyttöön ja vedenlaatuun liittyviin kysymyksiin. Työn päätavoitteena oli kehittää hydrologinen malli, joka kuvaa sadanta-valuntasuhteita valuma-aluetasolla. Sadanta-valuntamallin pohjana on yleisesti käytetty HBV-malli ja siinä huomioidaan osavaluma-alueiden päämaankäyttömuodot, joita ovat pellot, metsät ja kaupunkialueet. Osavaluma-alueiden valunta toimii syötteenä Vantaanjoen uomia kuvaavalle mallille. Työssä käytettiin Suomen ympäristökeskuksen avoimia paikkatietoaineistoja valuma-aluejaoista, uomaverkostosta, ja maankäyttömuodoista sekä aikasarjoja virtaamista. Lisäksi kerättiin sadanta- ja lämpötila-aineistot Ilmatieteen laitoksen avoimista lähteistä. Maankäyttömuodoille parametrisoidut HBV-mallit kalibroitiin ja validoitiin käyttäen aiempia tutkimusaineistoja. Parametrien optimointiin käytettiin SCE-UA algoritmia. Seuraavassa vaiheessa tavoitteena oli mallintaa koko Vantaanjoen valuma-alueen virtaama ja arvioida sitä mitattua virtaamaa vastaan. Lopuksi tavoitteena oli tuottaa hypoteettisia skenaarioita maankäytön muutoksien vaikutuksesta jokivirtaamaan. Skenaariot olivat pelto-, metsä- ja kaupunkiskenaario, joissa valuma-alue koostuu vain yhdestä maankäyttömuodosta. Työssä tuotettiin maankäyttömuodoille HBV-malliparametrit optimointialgoritmin avulla. Parametrit erosivat toisistaan ja olivat suurilta osin loogisia keskinäisessä vertailussa. Kalibrointi- ja validointivaiheessa lumen vesiarvo- ja valuntatulokset vastasivat havaintoja sekä todella hyvin että tyydyttävästi maankäyttömuodon mukaan, mutta vähäiset kalibrointiaineistot aiheuttivat tuloksiin epävarmuutta. Virtaamien mallinnus antoi sekä hyviä että tyydyttäviä tuloksia, mutta järvien vaikutuksen huomiotta jättäminen heikensi mallin tarkkuutta järvien läheisyydessä. Malli yliarvioi virtaamia, minkä arvioitiin johtuvan uomavirtaaman laskentatavasta. Skenaariomallinnuksessa metsäskenaariossa oli suurin vuotuinen haihdunta ja pienin vuotuinen valunta. Peltoskenaariossa kevätvalunta alkoi aiemmin ja kasvoi suuremmaksi kuin muissa skenaarioissa, ja kaupunkiskenaariossa vuotuinen valunta oli suurin ja valunnan vaste nopein. Tulosten luotettavuutta heikensivät mallin yksinkertaistukset ja parametrien epävarmuus.

Description

Supervisor

Koivusalo, Harri

Thesis advisor

Salo, Heidi

Keywords

Vantaanjoki, HBV-malli, konseptuaalinen sadanta-valuntamalli, automaattinen kalibrointi, maankäytön muutoksen vaikutukset, hydrologinen mallintaminen

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202501221629

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG