Many valuable ecosystems such as springs, wetlands, lakes and rivers depend on the presence of groundwater. These ecosystems, known as groundwater dependent ecosystems (GDEs), are biodiversity hotpots and provide important habitats for many endangered species. In recent decades, groundwater over-abstraction, contamination and climate change have put serious pressure on groundwater resources and groundwater-dependent ecosystems. This has shifted water management towards fully-integrated approach in which groundwater, surface water bodies and dependent ecosystems are treated as one management unit. The current EU legislation and the corresponding Finnish laws require assessment of the impacts of various land uses and groundwater abstraction to GDEs. The role of groundwater in GDEs is not, however, in many cases thoroughly understood. For this reason, groundwater-surface water (GW-SW) interactions and their dynamics need further investigation. Integrated groundwater-surface water modelling is a unique method to study connections between surface water and groundwater, and thus it is a potential tool for evaluation of various anthropogenic or climatic effects on GDEs.

The aim of this thesis was to examine the performance of fully-integrated physically-based GW-SW modelling to simulate groundwater dependent ecosystems in a case study of the Kälväsvaara esker aquifer located in Northern Finland. The target was to create a model of the geologically complex esker and its adjacent areas that captures all type of GDEs present in the area i.e. fens, kettle hole lakes, streams and springs without their prior definition to the model. The study investigated how the model should be scaled and what information is needed to replicate the studied GDEs. For this purpose, a simple model was built using the fully-integrated physically-based GW-SW code HydroGeoSphere. The model was run in steady-state and it was calibrated manually by the try-and-error method. The model did not include the forestry ditch systems and it assumed homogeneity within various zones of overland and porous domains. The effect of evapotranspiration was represented in a lumped manner through the term of effective rainfall. The model results were evaluated by comparing the simulation outputs with the field measurements and expected trends for the variables where data was not available.

The employed model reproduced relatively well the measured groundwater and lake levels as well as other spatially-distributed variables such as saturation, water depths and GW-SW exchange fluxes. Majority of lakes, wetlands and streams emerged during simulations in a natural way as a result of geological and topographical conditions. In contrast, small scale GDEs such as springs were not so well represented by the model, indicating that small-scale GDEs are more challenging to model in a physically-based manner without detailed information on the geology around these water bodies. The overall good consistency between simulations and observations demonstrated that the fully-integrated physically-based GW-SW modelling can be a viable method to simulate various boreal groundwater dependent ecosystems, making it feasible tool to study effects of anthropogenic actions, such as pumping or climate change, on GDEs. The spatial and temporal analysis of exchange fluxes under various scenarios could enhance our understanding about the dynamic behavior of GDEs, role of groundwater in these ecosystems and their sensitivity to deterioration under transient hydrological and climatic stresses.

Monet arvokkaat ekosysteemit, kuten lähteet, kosteikot, järvet ja joet riippuvat pohjaveden läsnäolosta. Nämä ekosysteemit, niin sanotut pohjavedestä riippuvaiset (PV) ekosysteemit, ovat luonnon monimuotoisuudeltaan rikkaita ja tarjoavat tärkeitä elinympäristöjä monille uhanalaisille lajeille. Viime vuosikymmeninä liiallinen pohjavedenotto, pohjaveden saastuminen ja ilmastonmuutos ovat aiheuttaneet vakavia paineita pohjavesivaroille sekä pohjavedestä riippuvaisille ekosysteemeille. Tämän seurauksena vesitalous on siirtynyt kohti täysin integroitua mallia, jossa pohjavesiä, pintavesiä ja PV-ekosysteemejä käsitellään yhtenä vesienhoitoalueena. Nykyinen EU-lainsäädäntö ja vastaavat Suomen lait edellyttävät eri maankäytön ja pohjavedenoton vaikutusten arviointia PV-ekosysteemeihin. Pohjaveden rooli PV-ekosysteemeissä on kuitenkin monesti tuntematon. Tästä syystä tarvitaan lisätutkimuksia pinta- ja pohjaveden vuorovaikutuksista ja niiden dynamiikasta. Täysin integroitu numeerinen pohjavesi-pintavesi virtausmallintaminen on ainutlaatuinen menetelmä tutkia pinta- ja pohjavesien yhteyksiä, ollen täten potentiaalinen työkalu arvioimaan ihmistoiminnan ja ilmaston vaikutusta PV-ekosysteemeihin.

Diplomityön tavoitteena oli tutkia integroidun numeerisen pohjavesi-pintavesi virtausmallinnuksen kykyä simuloida PV-ekosysteemiä Pohjois-Suomessa sijaitsevan Kälväsvaaran tapauksessa. Tarkemmin, työn tarkoituksena oli luoda malli geologisesti monimutkaiselle harjulaajentumalle ja sen lähialueille siten, että alueella esiintyvät erityyppiset PV-ekosysteemit kuten letot, suppalammet, purot ja lähteet muodostuvat malliin ilman niiden erillistä määrittelyä mallin rakentamisvaiheessa. Tutkimuksessa selvitettiin myös, miten mallia pitäisi mitoittaa ja mitä tietoja tarvitaan mallintamaan alueen PV-ekosysteemejä. Tätä varten rakennettiin yksinkertainen malli käyttäen täysin integroitua numeerista pohjavesi-pintavesi HydroGeoSphere-virtausmalliohjelmistoa. Malli ajettiin ajan suhteen muuttumattomassa tilassa (steady-state) ja se kalibroitiin manuaalisesti yritys-ja-erehdys menetelmällä. Malliin ei sisällytetty erikseen metsäojituksia ja lisäksi maanpinnallisten ja maanalaisten vyöhykkeiden oletettiin olevan homogeenisia. Kokonaishaihdunnan vaikutukset huomioitiin keskitetyllä tavalla tehokassadannan termiä käyttäen. Mallin tuloksia arvioitiin vertailemalla simulaatioita kenttämittausten, tai havaintojen puuttuessa, odotettujen trendien suhteen.

Rakennettu malli jäljensi suhteellisen hyvin pohjaveden ja järvien pintojen havainnot sekä muita alueellisesti jakautuneita muuttujia kuten maan suhteellista kosteutta, pintavesien syvyyttä ja pinta- ja pohjavesien välistä vuota. Suurin osa alueen järvistä, kosteikoista ja puroista muodostui simulaatioiden aikana luonnollisella tavalla geologisten ja topografisten olosuhteiden seurauksena. Sen sijaan pienen mittakaavan PV-ekosysteemit kuten lähteet eivät olleet yhtä hyvin edustettuna mallin tuloksissa. Tämä viittaa siihen, että pienimuotoiset PV-ekosysteemit ovat haastavampia mallintaa fysikaalispohjaisella tavalla ilman yksityiskohtaista tietoa vesistöjä ympäröivästä geologiasta. Kaiken kaikkiaan hyvä yhtäpitävyys simulaatiotulosten ja havaintojen välillä osoittaa, että täysin integroitu pinta- ja pohjavesi mallinnus on soveltuva tapa simuloida eri PV-ekosysteemejä. Täten se on toteuttamiskelpoinen työkalu arvioimaan ihmistoiminnan kuten vedenoton tai ilmastonmuutoksen vaikutusta PV-ekosysteemeihin. Alueellinen ja ajallinen pinta- ja pohjavesien välinen analyysi erilaisissa skenaarioissa voisi lisätä tietoutta PV-ekosysteemien dynaamisesta käyttäytymisestä, pohjaveden roolista niissä ja niiden mahdollisesta heikentymisestä ajan suhteen muuttuvien hydrologisten- ja ilmastollisten rasitusten alla.