Diplomityön tarkoituksena oli määrittää veden stabiilien isotooppien avulla Rokuan harjun pinta- ja pohjavesien vuorovaikutussuhteita. Vedenpintojen lasku on ollut ongelmana useissa Rokuan harjun pohjavesistä riippuvaisissa järvissä. Tutkimuksessa käytettävät vesinäytteet kerättiin Euroopan unionin rahoittaman GENESIS-projektin yhteydessä. Näytteitä otettiin Rokuan alueen järvistä, lammista, pohjavesistä, joista ja ojista sekä sadannasta vuosina 2010–2012. Yhteensä näytepisteitä oli 42 ja näytteitä kerättiin talvella, keväällä, kesällä ja syksyllä. Näytteiden isotooppikoostumukset (δ-arvot) analysoitiin Picarro L2120-i-analysaattorilla, jonka toiminta perustuu lasersäteen absorptioon väliaineessa.

Veden stabiilit isotoopit, ¹⁸O ja ²H, ovat luonnollisia merkkiaineita, joita voidaan käyttää hydrologisissa tutkimuksissa ja joiden käyttö perustuu niiden fraktioitumiseen hydrologisessa kierrossa. Isotooppiarvoja käytettiin määrittämään Rokuan alueelle LMWL-suora eli paikallinen meteoristen vesien suora sadanta-aineiston perusteella (δ²H = 7,60 δ¹⁸O + 6,70). Pintavesien ja pohjavesien δ-arvojen avulla määritettiin haihduntasuora (δ²H = 4,93 δ18O − 30,20) ja pohjavesien avulla pohjavesisuora (δ²H = 7,59 δ¹⁸O + 4,79). Suorat kertovat veden stabiilien isotooppien keskinäisen riippuvuussuhteen. Sadannan keskimääräinen isotooppikoostumus Rokuan alueella oli: δ¹⁸O = −13,82 ‰ ja δ²H = −98,3 ‰ ja Rokuan harjun pohjaveden keskimääräinen isotooppikoostumus oli: δ¹⁸O = −13,22 ‰ ja δ²H = −95,5 ‰.

Pinta- ja pohjavesien δ-arvojen havaittiin eroavan toisistaan riittävästi, jotta veden stabiileja isotooppeja voidaan käyttää määrittämään pinta- ja pohjavesien suhteita Rokuan harjun järvissä. Isotooppiarvojen perusteella konseptualisoitiin järvien vesitaseita ja havaittiin haihdunnan fraktioivan vaikutuksen vaihtelevan järvissä. Ahveroisen järven pohjavesikomponentit määritettiin aikavälille 28.5.–7.8.2009 (GWin = 290 mm ja GWout = 316 mm). Isotooppiarvojen vuodenaikaisvaihtelua tarkasteltiin erikseen järvissä, pohjavesissä sekä joissa ja ojissa. Selvintä vuodenaikaisvaihtelu oli järvissä.

Lisäksi työssä vertailtiin piidioksidin ja veden stabiilien isotooppien käyttöä merkkiaineena. Rokuan alueella voitiin piidioksidin avulla tarkentaa pohjaveden virtausaikaa ja virtaussysteemejä isotooppituloksiin nähden. Isotooppimenetelmä sopi sitä vastoin paremmin järvien vesitaseiden määrittämiseen.

Järvien isotooppikoostumusten perusteella voitiin erottaa järvet (Jaakonjärvi, Kolmonen, Loukkojärvi, Saarijärvi ja Soppinen), joissa haihdunta on fraktioinut veden stabiileja isotooppeja enemmän kuin muissa tarkastelluissa järvissä. Tämä viittaa siihen, että veden viipymäajat näissä järvissä ovat pitkiä. Viipymäajalla on merkitystä siihen, miten hyvin järvet kestävät ravinnekuormitusta. Rokuan alueelle määritettyjä LMWL-suoraa, pohjavesisuoraa ja haihduntasuoraa voidaan käyttää jatkossa myös muissa hydrologisissa merkkiainetutkimuksissa, joissa käytetään veden stabiileja isotooppeja Rokuan ympäristössä. Suorien sovellettavuus heikkenee kauempana Rokuasta, sillä isotooppien suhteellinen jakauma vaihtelee alueittain.

The aim of this Master Thesis was to determine the surface water and groundwater interactions of Rokua esker area using stable isotopes of water. Water decline has been a problem in many groundwater dependent lakes in Rokua. The water samples used in this study were collected as a part of the GENESIS project funded by European Union. Lakes, ponds, groundwater, streams and precipitation were sampled during the years 2010–2012. The sampling program consisted of 42 measurement points which were sampled in winter, spring, summer and autumn. Stable isotopes of water (δ values) were analyzed from the water samples using Picarro L2120-i analyzer which utilizes the absorption of laser beam in medium.

The stable isotopes of water, ¹⁸O and ²H, are natural tracers that can be used in hydrological studies and their application is based on their fractionation in the hydrological cycle. Isotopic values of precipitation were used to determine the local meteoric water line (LMWL) of Rokua esker area (δ²H = 7.60 δ¹⁸O + 6.70). Based on the δ values of surface and groundwaters the evaporation line was determined (δ²H = 4.93 δ¹⁸O − 30.20). The δ values of groundwaters were used to formulate the groundwater line (δ²H = 7.59 δ¹⁸O + 4.79). The lines tell the interdependence between the stable isotopes of water. The mean annual isotopic composition of precipitation in the Rokua area and the mean isotopic composition of the groundwater of Rokua esker were: δ¹⁸O = −13.82 ‰, δ²H = −98.3 ‰ and δ¹⁸O = −13.22 ‰, δ²H = −95.5 ‰, respectively.

The δ values of surface waters and groundwaters were found to differ sufficiently so that the isotope method can be used to determine surface water and groundwater ratios in the lakes of Rokua esker. On the basis of the isotopic values the water balances of lakes were conceptualized and it was found that the fractionation effect of evaporation varied with the lakes. The groundwater components of Lake Ahveroinen were determined in the time period of 28.5.–7.8.2009 (GWin = 290 mm ja GWout = 316 mm). The seasonal variation of the isotopic values was studied separately in the lakes, the groundwater and the streams. The most apparent seasonal variation was observed in the lakes.

In addition, the use of silica and the stable isotopes of water as tracers were compared. In case of Rokua esker aquifer, water flow times and flow systems were possible to study more specifically by using silica. On the other hand, the stable isotopes of water can be used better to determine the water balances of lakes.

The isotopic compositions of lakes can be used to separate the lakes (Jaakonjärvi, Kolmonen, Loukkojärvi, Saarijärvi and Soppinen) where evaporation has fractionated the stable isotopes of water more than in the other examined lakes indicating long residence time. The long residence time of water can affect how well lakes can stand for nutrient loadings. LMWL, evaporation and groundwater lines of Rokua area can be used in the future in other hydrological isotopic tracer studies in the surroundings of Rokua. The applicability of the lines is reduced when they are used farther away from Rokua, as the relative distribution of the stable isotopes of water varies by regions.