Riku Eskelinen, Public Defence, 24.3.2017

Riku Eskelinen, Public Defence, 24.3.2017

Aihe: Vesienhallintaa turvemailla

Title:Runoff generation and load estimation in drained peatland areas

Link to the thesis

Abstract

This thesis examined hydrological processes such as snowmelt and groundwater discharge in drained peatland areas in the boreal zone. The studied processes were measured in situ using environmental tracers. Further, performance of a treatment wetland was studied during snowmelt and high flow. A GIS model was developed to estimate groundwater seepage areas in peatland systems surrounding eskers.

It was found that soil frost had a clear impact on water quality during snowmelt. This was evident as lower suspended sediments, water colour and dissolved organic carbon concentrations, among other changes. The treatment wetland was found to reduce the suspended solids load during the snowmelt period and late autumn, while reductions in phosphorus and nitrogen loads occurred during summer. A sampling algorithm was built to test how different sampling frequencies affected the estimation of suspended solid loads from the constructed wetland. The results showed increasing uncertainty for sparser sampling (from weekly to monthly sampling), but the uncertainty remained high even at weekly sampling. The GIS model was tested on two eskers and shown to give a fair estimate of groundwater discharge locations. It can thus be used for improving aquifer protection in boreal eskers related to the drainage networks surrounding them. However, to be applied more widely, further efforts are required.

The findings in this thesis could be used to develop better water management policies for peat extraction areas, or other industries operating in similar soils and climate. For example, meltwater could be allowed to temporarily bypass treatment facilities in areas with deep soil frost penetration. The wetland study showed that peatland-based wetlands are a suitable approach for improving water treatment performance even under variable hydraulic loads. The uncertainty in the estimated load from a small peat extraction catchment was high, which might limit the use of such data for some purposes. Load estimation methods using the concentration data collected during previous years might be able to reduce the uncertainty, but if the uncertainty needs to be lowered substantially use of sensor technology might be the only viable approach.

 

Tiivistelmä

Tämä väitöskirja käsittelee lumensulannasta syntyvää valuntaa erilaisilla turvemailla ja pintavalutuskentän puhdistustehoa lumensulannan aikaan turvetuontantoalueella. Lisäksi työssä pohditaan miten erilainen näytteenottoohjelma vaikuttaa turvetuotantoalueilta arvioituun kiintoaine kuormitukseen ja kehitetään yleiseen paikkatietoaineistoon perustuva malli jolla on mahdollista ennustaa pohjaveden purkatumispaikkoja harjualueilla.

Routaisella turvetuotantoalueelta kiintoaineen, värin ja liuenneen orgaanisen hiilen pitoisuudet olivat pieniä lumensulannan aikaan. Työssä seurattu pintavalutuskenttä vähensi kiintoainekuormitusta alapuoliseen vesistöön myös lumensulannan ja syksyn aikana. Ravinteiden osalta pintavalutuskentän toiminta oli parasta kesäaikaan, lumensulannan ja syksyn aikana havaittiin typen ja fosforin huuhtoutumista. Eri näytteenotto-ohjelmilla havaittiin olevan suuri vaikutus arvioituun kuormitukseen. Yleisesti voidaan sanoa epävarmuuden kasvavan kohti harvempaa näytteenotto väliä (viikoittainen-kuukausittainen), mutta, myös viikoittaisella näytteenotolla epävarmuus on huomattava. Kehitettyä paikka- tietomallia kokeiltiin kahdella harjulla jossa se pystyi antamaan suuntaa antavaa arvioita pohjaveden purkautumispaikoista.

Työn tuloksia voidaan hyödyntää turvetuotannon tai muiden turvemailla tai niiden lähellä sijaitsevien teollisuuden vesistövaikutuksia arvioitaessa. Esimerkiksi routaisella turvemaalla voitaisiin harkita lumensulannasta aiheituvan valunnan ohijuoksutusta vesiensuojelurakenteista. Työssä todettiin myös pintavalutuskenttien toimivan vaihtelevan kuormituksen alaisena, sekä lumensulannan että syksyn aikaan. Arvioiduissa kuormituksissa erinäytteenottoväleillä havaitut suuret epävarmuudet saattavat rajoittaa laskelmien käyttöä joissakin tarkoituksissa. Epävarmuutta voidaan vähentää käyttämällä hyväksi edellisinä vuosina tehtyjä vedenlaatumittauksia. Luotettavin tapa epävarmuuden vähentämiseksi on jatkuvatoimisten vedenlaatumittareiden käyttäminen.

Viimeksi päivitetty: 20.3.2017