Abstract

Groundwater-dependent ecosystems (GDEs) are aquatic or terrestrial ecosystems that rely directly or indirectly on groundwater (GW). Recent European and Finnish legislation requires better consideration of these systems in GW management. The main aim of this thesis was to develop new methods for GDE classification and management, by testing environmental tracer methods in different environments. New information about GW-surface water interactions was obtained and novel methods for GDE classification and management were developed for lakes, peatlands, streams, and springs. Stable water isotopes proved to be an efficient tool for determining the GW dependence of lakes. An iterative isotope mass balance method was applied for 67 lakes situated in the Rokua esker aquifer area. Stable water isotopes also showed potential in determining the GW dependence of a peatland surface horizon. A study conducted in peatlands adjacent to Viinivaara esker aquifer indicated that the GW dependence of peatlands can vary significantly and that GW-dependent areas can extend outside current GW protection areas. Thermal images proved useful in pinpointing clear GW seepage locations in peatlands. For streams, a novel stream tracer index method was developed to evaluate GW dependence based on GW volume in streams, thermal properties of streams, and stream water quality. The method was tested in three streams discharging from Viinivaara and Rokua aquifers and was found to efficiently capture spatial variations in GW dependence. In Oulanka region, hydrological and chemical characterization and statistical methods were used to classify springs into different types. Spring altitude and δ2H value were identified as useful proxies for spring water chemistry. The methods developed in this thesis can be helpful when classifying and studying GDEs and applying environmental tracer methods in various environments. Knowing the GW dependence of an ecosystem, the impacts of possible GW table decline caused by e.g., GW abstraction, drainage, and/or climate change can be evaluated. For large-scale applications, GDE classification methods have to be practical, effective, and low-cost. Combined use of stable water isotopes and other tracers can be especially effective for characterizing ecosystem hydrology on different temporal and spatial scales.

Tiivistelmä

Pohjavedestä riippuvat ekosysteemit (GDE) ovat vesi- tai maaekosysteemejä, jotka ovat suoraan tai epäsuorasti riippuvaisia pohjavedestä. Euroopan Unionin ja Suomen lainsäädännön mukaan pohjavesien hallinnassa tulisi ottaa paremmin huomioon GDEt. Tämän työn tavoitteena oli kehittää uusia menetelmiä näiden ekosysteemien luokitteluun ja hallintaan. Luonnollisia merkkiainemenetelmiä soveltaen saatiin uutta tietoa pohjavesi-pintavesi vuorovaikutuksesta ja kehitettiin uusia menetelmiä GDE-luokitteluun järville, soille, puroille ja lähteille. Veden stabiilit isotoopit osoittautuivat tehokkaaksi työkaluksi järvien pohjavesiriippuvuuden määrittämisessä. Iteratiivista isotooppimassatase-menetelmää käytettiin 67 Rokuan järven pohjavesiriippuvuuden selvittämiseen. Veden stabiileilla isotoopeilla pystyttiin myös määrittämään suon pinnan pohjavesiriippuvuus. Viinivaaran harjun viereisen suoalueen tutkimus näytti, että suon pohjavesiriippuvuus voi vaihdella merkittävästi ja pohjavedestä riippuvia alueita löytyy myös nykyisten pohjavesirajojen ulkopuolelta. Lisäksi soilla havaittiin selkeitä pohjavedenpurkupaikkoja lämpökamerakuvauksen avulla. Puroille kehitettiin uusi menetelmä, jolla niiden pohjavesiriippuvuutta voidaan arvioida perustuen pohjaveden määrään puroissa, puroveden lämpötilaominaisuuksiin ja puroveden laatuun. Menetelmää testattiin Viinivaaran ja Rokuan harjuista purkautuville puroille ja sillä havaittiin pohjavesiriippuvuuden vaihtelevan purojen eri osissa. Oulangan lähteitä luokiteltiin eri tyyppeihin hydrologisen ja kemiallisen karakterisoinnin ja tilastollisten menetelmien avulla. Lähteiden altitudin ja δ2H-arvon havaittiin ennustavan lähdeveden kemiallista koostumusta. Tässä tutkimuksessa kehitetyt menetelmät voivat olla hyödyllisiä GDE-luokittelussa, eri ekosysteemien tutkimisessa ja luonnollisten merkkiainemenetelmien soveltamisessa eri ympäristöissä. Kun ekosysteemin pohjavesiriippuvuus tiedetään, voidaan arvioida pohjavedenotosta, ojituksesta ja/tai ilmaston muutoksesta mahdollisesti aiheutuvan pohjavedenpinnan laskun vaikutuksia. Suuressa mittakaavassa, GDE-luokittelumenetelmien tulee olla käytännöllisiä, tehokkaita ja halpoja. Veden stabiilien isotooppien ja muiden merkkiaineiden yhdistetty käyttö vaikuttaa olevan tähän erityisen tehokas työkalu, jolla voidaan ymmärtää ekosysteemien hydrologiaa eri temporaalisissa ja spatiaalisissa mittakaavoissa.