Ympäristön monitorointi ja mallintaminen

1. Ympäristön monitorointi ja mallintaminen FT Hannu Poutiainen MAMK

2. Kurssin sisällöstä ja rakenteesta • Kevään kurssi YMPMOMITT ---- katsottiin ohjelmistoja, tätä jatketaan (niin että pärjää myös ilman em kurssia pohjille) • 50 % luokkavarauksista • Jonkin verran myös mittaustekniikkaa sisältöihin (ryhmällä ei ole erillistä Mittaustekniikan kurssia..correct me ifI´mwrong!) • Pari käytännön harjoitusta/demoa • Ohjelmisto-osuuksissa pakollinen läsnäolo 70 %:ssa tunneista • Jaksolla 5 mallintamisasiaa matemaattisesta näkövinkkelistä per Eino Sarkola

3. Koemateriaalina Moodlen sisällöt • Mukana Open hankeraportti ja SYKE Ympäristön seuranta Suomessa 2009–2012, käymme tunnilla läpi ympäristön seurannan uutta strategiaa ja seurataan sen kehitystä. • Koe tiistaina 14.10.2014 (Hannu P osuus)

4. Ympäristön monitorointi • Ympäristön seurannalla tarkoitetaan ”Seurattavien muuttujien toistuvaa mittaamista ajallisten ja paikallisten vaihteluiden ja muutosten toteamiseksi” . • Ympäristön seurannalla pyritään selvittämään sekä luonnolliset että ihmisen toiminnasta johtuvat muutokset ympäristön tilassa. • Seurantaa tehdään ympäristön eri lohkoilla (maaperä, vesi, eliöt jne.) ja laajoilla maantieteellisillä alueilla. • Parhaimmillaan seurantojen tulisi kattaa kaikki ympäristön tilaan vaikuttavat yhteiskunnan toiminnot. Seuranta on pitkäjänteistä toimintaa, jossa tietoja kerätään pitkiä aikoja samoista paikoista käyttäen samoja menetelmiä. • Tuloksia käytetään mm. arvioitaessa ja valvottaessa lupien noudattamista, informoitaessa tiedotusvälineitä ja kansalaisia sekä kerättäessä tietoja kansainvälisten sopimusten mukaisesti.

5. Ympäristön monitorointi • Seurantatulosten luotettavuus paranee havaintosarjojen pidentyessä. • Esimerkkejä pitkäaikaisista seurannoista ovat jo 1800-luvulla aloitetut hydrologiset seurannat ja 1920- luvulla aloitetut metsävarojen inventoinnit. • Pitkäaikaisten seurantojen tuloksia on voitu käyttää esimerkiksi happamoitumis- ja rehevöitymistutkimuksissa sekä Itämereen tulevaa kuormitusta ja siinä tapahtuvia muutoksia selvitettäessä. • Tietojen käsittely ja raportointi ovat seurannan keskeiset osat.

6. Ympäristön monitorointi • Ympäristön seuranta jaetaan usein seuraavasti: • Luonnonvarojen seuranta • Paineiden seuranta • Ympäristön tilan seuranta • Ympäristöpolitiikan ja toimenpiteiden seuranta (ympäristövasteet)

7. Mitä ja miksi? Raaka-aineiden hyödyntäminen Uudet teknologiat

8. Monitorointi haastavaa;Biologiset parametrit • Eliöidenrakenne, kasvu, alkuperä, esiintyminen, taksonomia, fysiologia. • Erityisentärkeääymmärtäälajinekologiaankuuluvat/vaikuttavattekijät • Esim. Sumppukokeet • Eläimillävoi olla sekäabiottisiaettäbioottisiastressitekijöitä

9. Abioottiset stressitekijät • Valo (säteily) • Lämpötila • Paine • Ympäristönlaatu tekijät • pH

10. Biottiset stressitekijät • Bakteerit, virukset, sienet, parasiitit • Kilpailu • Saalistajat • Ruuanmääräjalaatu • Kaikkivaikuttavatpopulaationrakenteeseen, ravintoverkkoihinelikokosysteemintoimintaan. • Jokaisellalajillaomaekologinenlokero (niche)

11. Ekologiaa • Systeemi todella monimutkainen • Usein emme kuitenkaan ymmärrä kuinka systeemi toimii. • Mitä ylemmäs ravintoverkoissa menemme (yksilötaso-populaatiotaso-yhteisötaso), sitä epävarmempia olemme johtopäätöksissämme. • Tästä syystä ekologinen ajattelu/ymmärrys on erityisen tärkeää. • Kaikki ei ole kemiaa, vaan mukana biologisesti hyvin monimuotoinen joukko erilaisia yksilöitä.

12. Miksi ympäristön monitorointia • Ihmisen elinympäristön vaikutuksia elämisen laatuun, terveyteen ja turvallisuuteen ymmärretään yhä paremmin. • Tämä luo tarpeita täsmällisestä tiedosta ympäristön muuttumisesta sekä ympäristön tilasta lokaalisti ja reaaliaikaisesti. • Ympäristöntilan monipuolinen arviointi erilaisin mittaus- ja analyysimenetelmin on tiedonjalostuksen ensimmäinen askel. • Seuraavaksi tietoon voidaan liittää paikkatietoa, sitä voidaan ristiintaulukoida ja sen ristikkäisiä vaikutuksia selittää tapauskohtaisesti.

13. Kansallinen järjestelmä on uudistumassa • Suomessa tällä hetkellä tehtävät valtakunnalliset ympäristön seurannat on esitetty julkaisussa ''Ympäristön seuranta Suomessa 2009–2012" (Niemi, 2009). Julkaisussa esitellään ympäristöhallinnon ja 13 valtion laitoksen tekemä ympäristön seuranta. Se antaa yleiskuvan maassamme harjoitettavasta ympäristön seurannasta. • Uudistuksen keskeisin päämäärä on muuttaa ympäristön tilan seurantoja ja korvata työvoimavaltaisia seurantoja ajallisesti ja alueellisesti kattavilla seurantamenetelmillä, tai niitä tukevilla menetelmillä, joissa täysimääräisesti hyödynnetään uusia teknologioita ja mahdollistetaan säädöksien edellyttämä tiedon tuotanto nykyistä vähäisemmillä voimavaroilla.

14. Aikataulutus • Strateginen ympäristön tilan seurantojen kehittämishanke vaiheistuu seuraavasti: Vaihe I, Suunnittelu tehty • Tavoitteena laatia seurantaohjelma vuosille 2013–2016 ottaen mahdollisimman paljon huomioon ympäristön tilan seurannan strategian linjauksia Vaihe II (2013–2016) toteutus 1.4.2013–31.12.2016 eli menossa • Toteutuksen kuluessa otetaan käyttöön uusia seurantamenetelmiä pilotteina erillisrahoituksella tutkimusprojekteissa • Tavoitteena uudistaa seurantaohjelma 2017–2020 seurannan strategian mukaiseksi

15. Uudistusta tehdään hankemuodossa • Ympäristöseurannoista informaation yhdistämiseen: MONITOR2020 - laatua, palvelukykyä ja vaikuttavuutta • MONITOR2020-ohjelman tehtävänä on kehittää ympäristön seurantatiedon tuotantoa ja parantaa tuotetun tiedon vaikuttavuutta. • MONITOR 2015 -hankkeen tehtävänä on kehittää seurannan vaikuttavuutta ja kustannustehokkuutta parantamalla metodiikkaa, prosesseja, verkostoitumista, tiedon laatua ja käyttö, jakelua sekä hyödyntämistä .

16. Ohjelman tärkein tavoite on uudistaa ympäristön seurannat asiakkaiden tarpeiden mukaisiksi .Tavoitteena on poistaa aiemmin erillisinä toimineiden seurantojen päällekkäisyydet, yhdentää erillisseurannat toiminnallisesti yhtenäiseksi kokonaisuudeksi ja muuttaa parhaiksi havaitut käytännöt seurannan yleisiksi toimintatavoiksi.

17. Open hanke esimerkkinä mahdollisuuksista • https://www.theseus.fi/handle/10024/79464 • Open-hankkeessa vahvistettiin jatkuvatoimista ympäristömonitorointiin liittyvää osaamista, koulutusta ja TKI-toimintaa Mikkelin ammattikorkeakoulussa, sekä selvitettiin etämonitorointilaitteiden luotettavuutta (validointi ja verifiointi) ja käytettävyyttä erilaisten ympäristökohteiden mittaamiseen ja opetuskäyttöön. Hankkeen aikana testattiin vesistö- ja jätevesien tarkkailuun soveltuvia laitteita, jatkuvatoimista sää-asemaa havaintojen lisätietojen tuottajana sekä kaasu- ja meluanalysaattoreita. Hankkeen aikana tuotettiin myös ympäristödatan tietokanta, Obshare-pilvipalvelu. • Hankkeen keskeisimmät tulokset osoittavat, että etämonitorointilaitteet soveltuvat erilaisten ympäristökohteiden mittaamisen. Automaattimittauksilla voidaan puuttua esimerkiksi vesiensuojelullisiin ongelmakohteisiin tuottamalla dataa jatkuvasti kustannustehokkaasti. Laitteiden huoltoon ja kalibrointiin tulee kuitenkin kiinnittää huomiota, jotta tulokset ovat asianmukaisia. Laitteet soveltuvat hyvin opetuskäyttöön mutta mittauskohteet on valittava huolella huomioiden huoltokäynnit ja opetusryhmien liikkuminen.

18. Miksi ympäristön monitorointia • Suuremman tietomäärän kertyessä tapauskohtaisesta tiedosta voidaan muodostaa empiirisiä malleja, joiden antamat tuloksia voidaan tukea syvällisellä tieteellisellä tutkimuksella ja malleilla. • Riittävän tutkimuksen ja ajallisen tiedon kattavuuden ansiosta mallit voivat myös ennustaa tulevaa kehitystä. Näiden tulevaa kehitystä ennustavien mallien tai harvan mittaus- ja monitorointi verkon välisen tilanteen arvioinnin tarkentuessa voidaan tuottaa myös täsmätietoa. • HUOM. Mallit aina malleja. Malli on niin hyvä kuin sen heikoin lenkki

19. Mittaus- ja monitorointimenetelmistä • Teollisuusautomaatiossa on 90-luvulla tapahtunut voimakas kehitys näytettä keräävistä menetelmistä kohti on-line-mittauksia. • On-line-mittaukseton liitetty prosessin valvonta- ja ohjausjärjestelmiin aluksi laitoskohtaisesti ja myöhemmin kattaen yrityksen kaikkia laitoksia. • On-linemittausten suosio automatiikan sovelluksissa on luonut mahdollisuuksia myös etämonitorointiin ympäristösovelluksissa. Teollisuusautomatiikassa sovelletaan osin myös ulkoistettua mittausten huoltoa ja kunnossapitoa. • Ympäristömonitoroinnissa on jo osin tapahtunut mittausten huollon ja kunnossapidon ulkoistus, ympäristömittauspalvelut tulevat perässä….. Teollisuuden päästömittaukset on ollut palveluliiketoimintaa jo pitkään (esim. Pöyry Environment), nyt esim vesiensuojeluyhdistysten yksityistäminen.

20. Mittaus- ja monitorointimenetelmistä • Ympäristömonitoroinnissa kerätään näytteitä myös lentokoneita ja laivoja käyttäen. Näistä toimista Suomessa tunnetuimpia ovat rajavartiolaitoksen ja SYKEn yhteistyössä suorittama öljypäästöjen valvonta Itämerellä. • Merentutkimusalus Aranda taas kerää näytteitä tutkimusmatkoillaan kohteista, joita ei voi mitata etämittauksina tai joiden kerääminen vaati erityistä asiantuntemusta. • Satelliittimittauksien tuottamaa tietoa käytetään runsaasti säähavainnoinnissa, mutta myös muissa ympäristösovelluksissa.

21. Ympäristön monitorointi • Ympäristömittaukset ja -monitorointi kattaa useita erilaisia kohteita. Ympäristömittaus ja -monitorointi on katsottu kattavan seuraavat osa-alueet. • Ilmanlaatumittaukset • Päästömittaukset • Sisävesimittaukset • Merivesimittaukset • Maaperä ja pohjavesi • Säteily TEHTÄVÄ: Tutustu Suomen ympäristökeskuksen nettisivuilla olevaan jaotteluun (ainakin:http://www.syke.fi/fi-FI/Tutkimus__kehittaminen/Tutkimus_ja_kehittamishankkeet/Hankkeet/Ymparistoseurannoista_informaation_yhdistamiseen_MONITOR_2020__laatua_palvelukykya_ja_vaikuttavuutta)

22. ILMA • Ilmanlaadunmittaus ja -monitorointi on aiemmin hoidettu pääasiassa päästöjä mittaamalla, sillä ilmapäästöjen leviämiseen vaikuttavat lähinnä päästöjen muuntuminen, esimerkiksi kemiallisten reaktioiden tai sateen seurauksena, sekä ilmavirtaukset. • Ilmanlaadun tarkkailu kaupungeissa lisääntyi Euroopassa ja USA:ssa vakavien ilmansaasteongelmien ja niiden aikana havaittujen terveysvaikutusten myötä.

23. VESI • Vesistöjen seuranta on kuitenkin hyvin pirstaloitunut eri vastuutahojen välille. • Ensinnäkin vesistöt jaetaan sisä-, meri- ja pohjavesiin. Näiden vesien seurannasta vastaavat eri tahot, vaikka seurattavat suureet ovat suurelta osin samoja ja käytettävä teknologia voisi olla hyvin samankaltaista. • Nykyisin samoista kohteista eri tarkoituksiin kerättävien näytteiden analytiikkaa tehdään eri vastuutahojen hallinnoimana, jolloin toiminnassa on tiettyä päällekkäisyyttä.

24. VESI • Vesistöjen mittauksissa kehitetty teknologia on Suomessa edistynyttä, sillä puu- ja paperiteollisuus on tarvinnut erilaisia prosessivesien ja lietteiden mittauksia jo vuosikymmeniä. • Puu- ja paperiteollisuuden vesistöihin kohdistunut suojelutoiminta alkoi 60-luvulla silloisen uuden vesilain tullessa voimaan. Ensimmäiset määrälliset rajoitteet tulivat voimaan 70-luvulla biologiselle hapenkulutukselle ja kiintoaineiden määrälle.

25. VESI: Velvoitetarkkailut • Vesien tilaa seurataan jatkuvasti valtakunnallisilla ja alueellisilla seurannoilla ja vesistöjen velvoitetarkkailulla. • Valtakunnallisen ohjelman rungon muodostavat joki-, järvi- ja rannikkovesien tilan seurannat. Noin 550 havaintopaikalta määritetään 20–40 muuttujaa useita kertoja vuodessa. • Alueellisessa seurannassa ja velvoitetarkkailussa veden laatua seurataan lähes 5000 järvi-, rannikko- tai jokikohteessa.

26. VESI: velvoitetarkkailut • Havaintotiheydet ja analysoitavien muuttujien määrät vaihtelevat selvitettävän ongelman mukaan. Seurannan ja tarkkailun tulokset tallennetaan SYKEn ylläpitämään valtakunnalliseen rekisteriin, johon on kertynyt yli 21 miljoonaa tulosta 1960-luvulta alkaen. • Luokitustyössä 2000–2003 käytettiin 5 370 järvi-, 3 900 joki- ja 1 100 merihavaintopaikan tietoja. Tuloksia näiltä vuosilta on kaikkiaan 2,6 miljoonaa. • 2013 luokituksen ajantasaistus.

27. HERTTA • Ympäristöhallinto käyttää HERTTA ympäristötiedon hallintajärjestelmää. SYKEn hallinnoima HERTTA sisältää vesivarojen ja ympäristön seurantaa, ympäristön kuormituksen valvontaa, luonnonsuojelua sekä alueiden käytön suunnittelua ja ohjausta palvelevia tietojärjestelmiä. • Hertassa hyödynnetään monipuolisesti ympäristöhallinnon paikkatietoaineistoja.

28. OIVA • Oiva-palvelu - Ympäristö- ja paikkatietopalvelu asiantuntijoille • Ympäristönsuojelun tietojärjestelmä Vahtiin ja ympäristötiedon hallintajärjestelmä Herttaan sisältyvät vapaan käyttöoikeuden piiriin kuuluvat aineistot on koottu Oiva-palveluun. Palvelu tarjoaa ympäristöhallinnon tietojärjestelmiin tallennettua tietoa vesivaroista, pintavesien tilasta, pohjavesistä, eliölajeista, ympäristön kuormituksesta ja alueiden käytöstä sekä ympäristöön liittyviä paikkatietoaineistoja. • Oiva-palveluun tietoja ovat tuottaneet ja keränneet sekä valtion ympäristöhallinnon virastot, erityisesti Elinkeino-, liikenne- ja ympäristökeskukset (ELY) ja Suomen ympäristökeskus, että muut tahot. Palvelulla ympäristöhallinto haluaa edistää ympäristötiedon saatavuutta ja käyttöä. http://wwwp2.ymparisto.fi/scripts/oiva.asp

29. MAAPERÄ • Maaperän seuranta poikkeaa muista seurattavista suureista siinä, että seurantakohteet pysyvät lähes paikallaan. • Toisaalta maaperän laatua on vaikea havainnoida muuten kuin paikallisilla mittauksilla tai luotauksilla. Jonkin verran on käytetty myös maan pinnanmuotojen kaukokartoitusta. • Maaperän laadun seuranta ja inventointi on pitkälti Geologisen tutkimuskeskuksen ja maa-aineksen osalta kuntien hallinnoimaa.

30. MAAPERÄ • Maaperän kunnosta ja kunnostuksesta vastaa maan omistaja. Maaperän mittauksiin liittyy myös maatalouden tarpeet, jotka liittyvät esimerkiksi lannoitustarpeen selvittämiseen ja maaperässä olevien haitallisten aineiden määrittämiseen.

31. Säteily • Säteilymittaukset ja säteilytasojen raportointi on Suomessa järjestetty Säteilyturvakeskuksen toimesta. Säteilytasojen julkisen raportoinnin järjestämisen paineet kasvoivat 1986 tapahtuneen Tsernobylin ydinvoimalaonnettomuuden jälkeen. • Niinpä nykyään jopa Venäjällä ydinvoimaloiden läheiset taajamat saavat lähes reaaliaikaista tietoa säteilyn määrästä kotiseudullaan.

32. STUK • Suomen säteilyturvakeskus STUK vastaa ydinturvallisuus- ja säteilyturvallisuus valvonnasta sekä tutkii säteilyn esiintymisestä, säteilyn vaikutuksista ja säteilyn haittojen ehkäisemisestä. • STUK valvoo myös ympäristön säteilyä. Tavoitteena on saada yksityiskohtaista tietoa väestön altistumisesta.

33. STUK • Jatkuvan valvonnan avulla voidaan myös varmistaa, että STUK pystyy reagoimaan nopeasti poikkeaviin säteilytilanteisiin ja tuottamaan tietoa suojelutoimien pohjaksi. • STUKin säteilyvalvonta perustuu sekä kotimaiseen lainsäädäntöön että Euroopan unionin määräyksiin. Sen valvonnassa on mm. automaattinen ulkoista säteilyä mittaava valvontaverkko, jossa on noin 290 asemaa.

34. Biologiset uhat • Biologisten uhkien seurannalla tarkoitetaan tässä esimerkiksi pandemian uhan luovaa virusta tai ihmisen tahallisesti levittämää biologista vaara-ainetta. • Biologisten uhkien samoin biologisten ympäristöindikaattorien mittaaminen ja monitorointi on usein haastavaa ja aikaa vievää. • Bioteknologian kehittyessä tälläkin alalla ovat mittausmenetelmät kehittyneet viime vuosina nopeaa vauhtia. Kehityksen katalysaattorina on ollut mm. DNA-testauksen välttämättömyys monille bioteknologian prosesseille. • Käymme läpi biosensorit erikseen.

35. ELY-keskusten luonnonvara yksiköt • Ympäristöministeriön hallinnoimat alueelliset ELY-keskuksettarjoavat tuotteita sekä asiantuntija- ja tietopalveluja yritysten, yhteisöjen ja kuntien sekä muiden hallinnon alojen käyttöön. • Lisäksi ELY-keskuksetvälittävät ympäristötietoa tiedotusvälineille ja kansalaisille sekä kansainvälisille yhteistyökumppaneille mm. koulutustapahtumien ja seminaarien muodossa.

36. Yhdistykset ym. • Maaperän tutkimus- ja kunnostusyhdistys ry eli MUTKU • Merentutkimuslaitos osana SYKEä • Suomen Geoteknillinen Yhdistys ry • Ilmansuojeluyhdistys ry • Suomen Vesifoorumi (FWF) • Suomen Vesiensuojeluyhdistysten liitto ry

37. Vesiensuojelu yhdistykset • Alueelliset vesiensuojeluyhdistykset harjoittavat jatkuvaa ympäristömonitorointia. Vesiensuojeluyhdistysten toiminnan pääosan muodostavat velvoitetarkkailuihin liittyvät tutkimukset. Ympäristölainsäädännössä on määrätty, että tietyt edellytykset täyttävän teollisen toimijan, jätevedenpuhdistuslaitoksen tai muun vastaavia potentiaalisia ympäristövaikutuksia aiheuttavan toimijan on haettava toiminnalleen ympäristölupaa.

38. Kansalaisjärjestöt • Ympäristöalan kansalaisjärjestöt kuten WWF, Suomen luonnonsuojeluliitto ja Greenpeace, eivät juuri itse tee ympäristömittauksia ja -monitorointia katsottavaa tietoa. • Järjestöjen suora tiedonkeruu liittyy lähinnä uhanalaisten lajien seurantaan ja vaihtuviin teemalajeihin. Lisäksi järjestöillä on epäsäännöllisesti paikallisia hankkeita, joissa seurataan erilaisia paikallisia ilmiöitä. Esimerkiksi Suomen luonnonsuojeluliiton piirijärjestöillä on Hangon seudulla käynnissä edistyksellinen lepakoihin kohdistuva tutkimushanke. Eräs Luonnonsuojeluliiton laajempaa yleisöä mahdollisesti kiinnostava hanke on pilottivaiheessa oleva Coast Watch, jossa vapaaehtoiset tarkastavat määrättynä viikonloppuna itse valitsemansa puolen kilometrin merenrantapätkän. Tästä tiedosta kootaan yhteenveto, jolla kartoitetaan Suomen rannikon roskaantumisen tilaa.

39. Lintutieteelliset yhdistykset • Lintutieteelliset yhdistykset ovat eräs ympäristöä ahkerasti tarkkaileva toimijaryhmä. Alan harrastajat ovat luoneet omia verkostojaan havaintotietojen viestimiseksi. Lintujen havaintotiedot ja kiinnostavat ilmiöt kuten syys- ja kevätmuutot voisivat kiinnostaa suurempaakin yleisöä, jos niihin liittyvät tiedot olisivat helpommin saatavissa. http://www.tiira.fi/ Tiirankin uudistustyö on käynnissä