Abstract Dam building for hydropower production, dredging for log floating and drainage of peatlands have massively affected migrating salmonid populations in Finland. Increased sedimentation and changes in hydraulic conditions have destroyed the majority of spawning and rearing habitats in freshwater brooks and dam building has stopped migration upstream at river mouths. This thesis examines the current state of drained forest brooks, possibilities for restoration and methods to assist migration in rivers used for hydropower. Drainage down to the mineral soil has caused massive erosion and sedimentation in headwater brooks. The surface layer of a sand bed is constantly moving, preventing vegetation growth, while shortcuts created during drainage increase flow velocity and reduce retention time. The cross-sectional and longitudinal profiles become homogeneous and biodiversity is severely reduced. A simple wooden brook restoration structure was developed in laboratory experiments. Fish migration problems past a hydropower dam and reproduction possibilities offered by a natural-like bypass channel were studied in the river Oulujoki, the mouth of which was blocked by a hydropower dam in the late 1940s. Public pressure for remedial structures has grown since then and was given a boost after a fishway was opened at Merikoski, in the river mouth, in 2003. This thesis examined the next dam upstream, Montta at Muhos, which was studied separately as a partial and sole natural-like bypass. A natural-like bypass can offer stable conditions for spawning and rearing and can be designed precisely, through water flow and habitat modelling, to match desired conditions. The most important section in a fishway is ultimately the entrance. Fishway discharge is often merely a fraction of whole river discharge and the attractivity of the entrance can be increased by pumping additional discharge to the lowest part of the fishway. The hydraulics of a twin-slot vertical slot fishway were studied here by laboratory flume testing and 2D water flow modelling. Water flow and habitat modelling proved to be good tools in designing partly natural-like bypasses. However, fish behaviour should be closely monitored in any natural-like fishways already built, in order to verify the results of habitat modelling. / Tiivistelmä Jokien patoaminen vesivoiman tuotantoon, ruoppaaminen puunuiton helpottamiseksi sekä latvapurojen ojitukset metsän kasvun edistämiseksi ovat voimakkaasti vaikuttaneet vaeltavien lohikalakantojen vaellus- ja lisääntymismahdollisuuksiin. Muuttuneet hydrauliset olosuhteet ja lisääntynyt sedimentaatio ovat tuhonneet lohikalojen lisääntymisalueet ja patoaminen on katkaissut ylösvaelluksen lisääntymispaikoille. Väitöstyö koostuu viidestä artikkelista, joissa esitellään uusia menetelmiä ja ratkaisuja lohikalojen vaelluksen ja lisääntymisen ennallistamiseksi. Kaksi artikkelia keskittyy ojituksesta kärsivien latvapurojen nykytilaan, kunnostusmahdollisuuksiin sekä kunnostusrakenteen kehittämiseen. Paikoin ojituksen seurauksena on ollut massiivinen mineraalimaan eroosio ja hienon hiekan sedimentoituminen puroihin. Puroihin on kertynyt paksuja hiekkakerroksia, joiden pintakerros on jatkuvassa liikkeessä. Pintakerroksen jatkuva liike estää kasvillisuuden kasvamisen. Osittain ojitus on myös oikaissut puroja, jolloin virtausnopeudet ovat kasvaneet ja veden viipymä lyhentynyt. Purojen pituus- ja poikkileikkauksen vaihtelu ja biodiversiteetti ovat on vähentyneet huomattavasti. Laboratoriokokeissa kehitettiin yksinkertainen puusta rakennettava kunnostusrakenne hiekoittuneiden purojen kunnostamiseksi. Kolme artikkelia käsittelee Oulujokea, kalateiden suunnittelua ja kalatierakenteita. Vuonna 2003 rakennettu Merikosken kalatie kasvatti paineita kalatierakentamiseen Oulujoen muille voimalaitoksille. Erityisesti väitöstyö keskittyi Montan voimalaitoksen ohitukseen suunniteltuun kalatiehen, jota tutkittiin virtausmallinnuksen avulla kokonaan ja osittain luonnonmukaisena ohitusuomana. Luonnonmukainen ohitusuoma voidaan suunnitella toimimaan kutukanavan tyyppisenä uomana, jonka tarkoitus on tarjota vakaat virtausolosuhteet lohikalojen lisääntymistä varten. Virtaus- ja habitaattimallinnuksen avulla uoma voidaan suunnitella tarkasti haluttujen virtausolosuhteiden mukaisesti. Kalatien toimivuuden kannalta tärkeintä on että kalat löytävät kalatien sisäänkäynnin. Kalatien virtaama on usein vain murto-osa koko joen virtaamasta, joten sisäänkäynnin houkuttavuutta voidaan lisätä lisävettä pumppaamalla. Kaksirakoisen pystyrakokalatien hydrauliikkaa tutkittiin sekä laboratorio- että virtausmallilla.

Abstract Despite the great amount of in-stream restorations conducted in the past decades there is still a disturbing lack of knowledge about the outcome of these measures. The overall goal of this study was to assess the effect of enhanced streambed heterogeneity on the ecology of stream salmonids and stream retention efficiency. Substratum heterogeneity is often considered as one of the most important limiting factors for organisms living in running waters. Winter ecology of rivers has not been broadly studied regardless of the general belief that wintertime conditions strongly influence the survival and population size of stream salmonids. In an experimental study, the paucity of wintertime habitat in simplified channels caused temporary mass loss in age-0 trout. In late spring, channelized stream trout performed catch-up growth with potentially negative effects on long-term fitness. A management implication of this study is that increasing cover availability by in-stream restoration structures may enhance the long term success of juvenile salmonids although the short term effects were minor. Densities of salmon parr in the River Kiiminkijoki showed no response to streambed restoration. Suitable habitat area for salmon parr increased after restoration under summer conditions. However, restoration-induced benefits to winter habitats were marginal, with one study reach indicating even negative values. Most of the areas with good habitat values were located along river margins, indicating that restoration measures had only limited impact on the mid-sections of the river channel. Dredging of small streams may have caused depletion of allochthonous organic matter due to the reduction of retentive structures. In a leaf release experiment, moss cover enhanced retentiveness as well as did various restoration structures (boulders, large wood). Only a very high amount of wood clearly enhanced retention capacity. This underlines the importance of wood as an effective retention structure in headwater streams. This study indicates that habitat complexity as such may be less important than life-stage specific habitat requirements of fish (e.g. cover for overwintering salmonids). Importantly, restoration may only be successful if the measures used target the limiting factor(s) of the ecosystem or the species; for salmonids, habitat complexity does not seem to be this factor. / Tiivistelmä Uiton jälkeisten kunnostustoimenpiteiden määrä Suomessa on ollut huomattava, mutta vaikutusten arviointi, pelkästään kalastonkin kannalta, on jäänyt vähäiselle huomiolle. Tässä työssä selvitettiin kunnostusten merkitystä lohen ja taimenen poikasvaiheille, huomioiden etenkin pohjan rakenteellisen monimuotoisuuden vaikutus. Työssä selvitettiin myös kunnostusten vaikutuksia lehtikarikkeen pidätyskykyyn, joka on erityisesti latvapurojen ekosysteemien tärkeimpiä perustoimintoja. Lohikalojen talviekologinen tutkimus on viime aikoihin saakka ollut vähäistä, vaikka talviolosuhteiden uskotaan rajoittavan pohjoisten virtavesien eliöstön elinmahdollisuuksia. Kokeellisessa työssä rännimäisissä uomissa talvehtiminen aiheutti taimenenpoikasille tilapäisen painon alenemisen ja nopean kompensaatiokasvun loppukeväällä. Kompensaatiokasvu voi vaikuttaa negatiivisesti koko kalan eliniän, joten kunnostusten tuoma hyöty sopivien suojapaikkojen lisääntymisenä voi edesauttaa lohikalojen pitkäaikaista menestymistä. Kiiminkijoella lohenpoikasten tiheydet eivät muuttuneet kunnostuksen myötä ja vuosien välinen vaihtelu oli kuuden vuoden seurantajaksolla huomattavan suurta. Elinympäristömallinnuksen perusteella soveltuvan elinympäristön lisäys ei ollut merkittävää, koska etenkin talviaikaisten alueiden puute jäi huomattavaksi. Suurin osa soveltuvasta elinympäristöstä sijaitsi joen reuna-alueilla, joten kunnostusvaikutus joen keskiosaan jäi odotettua pienemmäksi. Uittoperkaus on voinut johtaa latvavesien ekosysteemien köyhtymiseen maalta tulevan orgaanisen aineksen pidättymiskyvyn vähentyessä. Kokeellisen työn perusteella kuitenkin nykypäivän tilanne vuosikymmeniä uiton loppumisen jälkeen osoittautui lähes yhtä pidättäväksi kuin nykyisin käytetyt kunnostusrakenteet (kivi tai puu). Kunnostusrakenteeseen tulisi lisätä huomattava määrä puuta, jotta lehtikarike pidättyisi korkeallakin virtaamatasolla. Tulosten perusteella elinympäristöjen muuttaminen monimuotoisemmiksi ei takaa kunnostustoimien onnistumista, sillä etenkin kalapopulaatioita rajoittavat yleensä useat tekijät. Jos kuitenkin elinympäristö on populaatiota rajoittava resurssi ja sitä pystytään lisäämään (kuten talviaikaiset suojapaikat), voidaan kunnostuksella saada näkyviä tuloksia. On ilmeistä, että kunnostustoimien tulisi olla nykyistä kattavampia ja paremmin suunnattuja rajoittaviin tekijöihin, jotta tulokset näkyisivät.