Abstract The study focused on geological and ecological development of ten lacustrine basins in the Hailuoto – Oulunsalo – Lumijoki siltstone and claystone area of Muhos, and two lacustrine basins in the Kuivaniemi – Simo area of Svecokarelian schists and gneisses. The study on water quality, soil and sediment geochemistry, and sediment diatom assemblages of natural lacustrine basins, provide background values, which can be used in assessing the state of the water body in environmental studies. Water quality of the ten water bodies was monitored for 14 years. Water samples were studied for 28 different parameters. Soil and sediment geochemistry was studied on seven lacustrine basins by three different extraction methods. Extracts were analysed for ten parameters. The sediment diatom species were examined from five water bodies in accuracy of 1 cm thick layers. In the study area new water bodies are forming mainly in two different ways: isolation of marine bights and damming of dune ponds. The water bodies could be classified into five different groups based on water quality, sediment geochemistry, and sediment diatom assemblages. These also represent the different developmental stages of the lacustrine basins of the land uplift coast. Parameters of the water quality data could be divided into two main groups: electrolyte group and nutrient group. The water bodies studied segregated into two main categories: coastal and inland water bodies. The concentrations of electrolytes and nutrients were characteristically higher in the coastal water bodies compared to the inland water bodies. During the monitoring period eutrophication of the water bodies and significant seasonal variations of water quality were observed. According to the water quality data and diatom indices the prevailing conditions in the coastal water bodies were eutrophic; and in the inland water bodies ranging from mesotrophic to oligotrophic. The lacustrine basins were grouped mainly in accordance with their geochemical provinces. The geochemical gradients of soil, water quality and sediment in the chronosequence of the catchments on Hailuoto Island showed that when marine influence decreased, the lacustrine basins of the land uplift coast were observed to be oligotrophying, acidifying, and terrestrializating naturally. / Tiivistelmä Tutkimus keskittyi kymmenen Hailuodon, Oulunsalon, ja Lumijoen Muhos-muodostuman hiekka- ja savikivialueen järvialtaan sekä kahden Iin ja Simon svekokarelisen liuske- ja gneissialueen järvialtaan geologisen ja ekologisen kehityksen selvittämiseen. Luonnonmukaisesti kehittyneen järviallassarjan veden laadun, maaperän ja sedimentin geokemian sekä sedimentin piileväkoostumuksen tutkimus tarjoaa tausta-arvoja, joita voidaan hyödyntää arvioitaessa vesialueen tilaa ympäristötutkimuksissa. Kymmenen vesialtaan veden laatua seurattiin 14 vuoden ajan. Vesinäytteistä analysoitiin 28 eri parametria. Seitsemän järvialtaan valuma-alueen maaperän ja sedimentin geokemiaa tutkittiin käyttäen kolmea erilaista uutosmenetelmää. Uutoksista analysoitiin 10 parametria. Viiden vesialtaan sedimentin piilevälajisto tutkittiin 1 cm:n kerrostarkkuudella. Tutkimusalueella uusia vesialtaita muodostuu pääasiassa kahdella tavalla: merenlahdekkeiden kuroutumisen ja dyynilampien patoutumisen seurauksena. Vesialtaat voitiin luokitella veden laadun, sedimentin geokemian ja piilevälajiston perusteella viiteen eri ryhmään, jotka edustivat myös maankohoamisrannikon järvialtaiden eri kehitystasoja. Vedenlaatuaineiston parametrit voitiin jakaa kahteen pääryhmään: elektrolyyttiryhmä ja ravinneryhmä. Tutkittavat altaat erottuivat kahteen pääluokkaan: ranta-altaat ja sisämaan altaat. Tunnusomaista ranta-altaille verrattuna sisämaan altaisiin oli korkeammat elektrolyyttien ja ravinteiden pitoisuudet. Seurantajaksolla havaittiin ranta-altaiden luontaista rehevöitymistä sekä merkitseviä veden laadun vuodenaikakohtaisia vaihteluita. Vedenlaatuaineiston ja piileväindeksien mukaan vallitsevat olosuhteet rannan vesialtaissa olivat eutrofiset ja sisämaan vesialtaissa mesotrofisista oligotrofisiin. Järvialtaat ryhmittyivät lähinnä geokemiallisten provinssiensa mukaisesti. Hailuodon valuma-alueiden maaperän, veden laadun ja sedimentin geokemialliset gradientit osoittivat, että merellisen vaikutuksen vähetessä maankohoamisrannikon järvialtaat luontaisesti karuuntuvat, happamoituvat ja soistuvat.

Abstract A conceptual framework was developed to assess how changes in temperature and precipitation affect sub-surface hydrology, groundwater recharge, groundwater quantity and quality. A conceptual and statistical approach was developed to predict groundwater level variations. Daily rainfall, snowmelt and evapotranspiration values were generated with a novel conceptual hydrological model developed in this study. These values were cross-correlated with observed groundwater levels to find representative time lags and significant correlations. A statistical model linking rainfall, snowmelt, evapotranspiration and groundwater level was then developed and validated. The model simulated seasonal variations in groundwater level very accurately. A sequential approach was developed to assess surface water-groundwater interactions. The simulated surface water level estimated with the WSFS model and recharge estimated with CoupModel were linked to the groundwater flow model MODFLOW. Groundwater, surface water and snow samples were collected to study the chemical composition of groundwater in an unconfined esker aquifer in Northern Finland. Concentrations of Ca2+, Cl-, NO3-N and SiO2 and electrical conductivity were determined. Water quality in the main aquifer was found to be similar to that in the perched groundwater. Solute concentrations generally decreased during and immediately after snowmelt periods, indicating the importance of snowmelt input for groundwater quality. In the perched groundwater, NO3-N concentration increased with elevated groundwater level, indicating a nitrogen source on the land surface. The Cl- concentration in groundwater decreased when the surface water level rose higher than groundwater level. According to simulation results for the A1B climate change scenario, groundwater recharge is projected to increase in winter months due to increased snowmelt and decreased soil frost depth. The spring snowmelt peak in late spring will decrease. This will reduce aquifer storage in early spring, increasing the vulnerability to summer droughts. It is projected that flow regimes between unconfined aquifers and surface water may change, affecting water quantity and possibly quality in groundwater systems. / Tiivistelmä Tässä työssä kehitettiin konseptuaalinen viitekehysmalli, jolla voidaan arvioida kuinka muutokset lämpötilassa ja sadannassa vaikuttavat hydrologiaan, pohjaveden muodostumiseen, pohjaveden määrään ja laatuun. Tässä työssä kehitettiin ja yhdistettiin konseptuaalinen ja tilastomatemaattinen regressiomalli, jolla voidaan simuloida pohjaveden pinnankorkeuden muutoksia. Konseptuaalisella mallilla laskettiin päivittäinen sadanta, lumen sulanta ja haihdunta. Havaitut pohjaveden pinnankorkeudet korreloitiin sadannan, lumen sulannan ja haihdunnan kanssa, jotta löydettiin merkitsevät korrelaatiot tyypillisillä viiveillä. Lopuksi tilastollinen regressiomalli, joka yhdistää sadannan, lumen sulannan, haihdunnan ja pohjaveden pinnankorkeuden, kalibroitiin ja validoitiin. Kehitetyllä mallilla onnistuttiin simuloimaan vuodenaikainen pohjaveden pinnankorkeus. Yhdensuuntainen mallinnusmenetelmä kehitettiin arvioimaan pinta- ja pohjaveden vuorovaikutusta. Menetelmässä pintaveden korkeus ja pohjaveden muodostuminen linkitettiin ajan suhteen muuttuvina reunaehtoina pohjavedenvirtauksen mallinnusohjelmaan MODFLOW. Simuloidut pintaveden pinnankorkeudet saatiin Suomen ympäristökeskuksen vesistömallijärjestelmästä ja pohjaveden muodostuminen simuloitiin 1D lämmön- ja aineensiirtomallilla, CoupModel. Pudasjärven Törrönkankaan pohjavesimuodostumasta, Pudasjärvestä, Kivarinjoesta ja lumesta kerättiin näytteet ja niistä määritettiin Ca2+, Cl-, NO3-N ja SiO2 pitoisuudet sekä sähkönjohtavuus. Pitoisuudet pohja- ja salpavedessä olivat hyvin samanlaiset. Pitoisuudet yleisesti pienenivät, kun pohjaveden pinnankorkeus nousi etenkin keväisin lumien sulamisen jälkeen. Ainoastaan salpavedessä NO3-N pitoisuus kasvoi, kun pohjaveden pinnankorkeus nousi. Tämä johtuu todennäköisesti salpaveden yläpuolella olevasta NO3-N lähteestä. Cl- pitoisuus pohjavedessä pieneni, kun pintaveden korkeus nousi korkeammalle kuin pohjavesi. A1B ilmastoskenaariossa pohjaveden muodostumisen ennakoidaan lisääntyvän talvikuukausina. Tämä johtuu lumen sulannan lisääntymisestä ja roudan vähenemisestä. Keväinen lumen sulamisen huippu voi mahdollisesti pienentyä ja johtaa pohjavesivarojen pienentymiseen keväisin. A1B ilmastoskenaariossa pinta- ja pohjaveden vuorovaikutus voi myös muuttua ja siten vaikuttaa pohjaveden määrään ja mahdollisesti myös laatuun.