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.

Abstract The purpose of the study was to examine the cold-induced effects on pineal and thyroid hormones, as well as the associations of these hormones with psychological performance and to determine how psychological performance could be affected by demographic, anthropometric, physiological or biochemical measures during cold acclimatisation. The feasibility of urinary melatonin (MT), rather than 6-sulphatoxymelatonin (aMT6s), as an indicator of MT secretion was also examined. In the laboratory study, seasonal cold acclimatisation, its effects on hormones and their associations with mood and cognition were assessed in 15 young urban subjects exposed to cold in winter or summer in bright or dim light. In the field study, the associations of mood and cognition with demographic, anthropometric, physiological and biochemical measures were determined in healthy, euthyroid subjects (n = 133) in Antarctica in the beginning and at the end of summer and winter seasons. In both seasons, simple task performance was consistently impaired in the cold in experimental and field conditions. In complex tasks, negative, positive and mixed effects were observed. In the experimental study, serum MT and thyroid hormone levels were positively associated with mood. MT was negatively associated with simple task performance. Free triiodothyronine (T3) and thyrotropin (TSH) had mixed effects on simple task performance. TSH was positively associated with complex task performance. In the field study, higher age was associated with impaired cognition, especially in complex task performance. Total T3 was positively associated with mood and total thyroxine (T4) with complex task accuracy. Both urinary MT and aMT6s were good indicators of MT secretion, but the variation was smaller for MT. In conclusion, the associations of serum MT, TSH and thyroid hormone levels with mood and cognition found in experimental and field conditions are consistent with the psychological changes associated with the onset and consequent stages of the previously established polar T3 syndrome. In the field study, cognition and mood were associated with subject’s age and gender, which seemed to affect the physiological changes during acclimatisation to cold and darkness in Antarctica. / Tiivistelmä Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää kylmäaltistuksen aiheuttamia muutoksia käpy- ja kilpirauhasen hormonien tasoissa, hormonien yhteyttä psyykkiseen toimintakykyyn sekä demografisten, antropometristen, fysiologisten ja biokemiallisten tekijöiden yhteyttä psyykkiseen toimintakykyyn kylmäakklimatisaation aikana. Lisäksi verrattiin virtsan melatoniinin (MT) ja 6-sulfatoksimelatoniinin (aMT6s) soveltuvuutta MT-erityksen kuvaajina. Laboratoriotutkimuksessa selvitettiin talveen liittyvää kylmäsopeutumista, sen vaikutusta hormonitasoihin ja näiden yhteyttä mielialaan ja älylliseen toimintakykyyn 15 nuorella miehellä, jotka altistettiin kylmälle talvella ja kesällä sekä kirkkaassa että hämärässä valossa. Kenttäkokeessa Antarktiksella selvitettiin mielialan ja älyllisen toimintakyvyn sekä demografisten, antropometristen, fysiologisten ja biokemiallisten tekijöiden välistä yhteyttä terveillä henkilöillä (n =  133) kesä- ja talvikauden alussa ja lopussa. Suoriutuminen yksinkertaisista tehtävistä huononi kylmässä kesällä ja talvella sekä laboratorio- että kenttäoloissa. Kylmä vaikutti monimutkaisista tehtävistä suoriutumiseen vaihtelevasti. Laboratoriotutkimuksessa seerumin MT- ja kilpirauhashormonitasot korreloivat positiivisesti mielialan kanssa. MT korreloi negatiivisesti yksinkertaisista tehtävistä suoriutumisen kanssa. Vapaa trijodotyroniini (T3) ja tyrotropiini (TSH) korreloivat vaihtelevasti yksinkertaisista tehtävistä suoriutumisen kanssa. TSH korreloi positiivisesti monimutkaisista tehtävistä suoriutumisen kanssa. Kenttätutkimuksessa korkeampi ikä oli yhteydessä huonontuneeseeen älylliseen toimintakykyyn erityisesti monimutkaisissa tehtävissä. T3:n kokonaismäärä korreloi positiivisesti mielialan ja tyroksiinin (T4) kokonaismäärä monimutkaisista tehtävistä suoriutumisen kanssa. Sekä virtsan MT että aMT6s olivat hyviä MT-erityksen mittareita, mutta MT:ssa vaihtelu oli pienempää. Laboratorio- ja kenttäolosuhteissa havaitut MT:n, TSH:n ja kilpirauhashormonien yhteydet mielialaan ja älylliseen toimintakykyyn vahvistavat aiemmin havaittuja tuloksia polaarisen T3 -oireyhtymän synnystä ja oireyhtymän eri vaiheisiin liittyvistä psyykkisistä muutoksista. Kenttätutkimuksessa mieliala ja älyllinen toimintakyky olivat yhteydessä koehenkilön ikään ja sukupuoleen, jotka puolestaan voivat vaikuttaa fysiologisiin muutoksiin kylmään ilmastoon ja pimeyteen sopeutumisen aikana.

Abstract Peatland drainage for forestry, agriculture and peat extraction results in runoff rich in organic matter, sediments and nutrients. This has a significant effect on downstream ecosystems. Therefore, water purification using sedimentation basins and wetlands is required in environmental permits for peat extraction in Finland, to reduce downstream impacts. Due to increasingly strict environmental regulations, more advanced water purification methods need to be developed. Using field measurements, laboratory experiments and hydrological/hydraulic modelling, this thesis sought to develop new methods based on: i) more refined hydrological information related to runoff and pollutant load control and ii) hydraulic design of sedimentation basins used in chemical purification. The hydrology of three peatland forestry and two drained peat extraction areas in northern Finland was studied and simulated using the DRAINMOD 6.1 hydrological model. Watertable depth (WTD) and drainage outflow were recorded continuously during several years and the data were used for model calibration and validation. Despite some under- and over-estimation of certain events, WTD fluctuations were simulated quite accurately for all peatland areas. The results demonstrated that DRAINMOD 6.1 can satisfactorily simulate WTD fluctuations in a cold climate such as northern Finland, but the model did not simulate drainage outflow adequately. Chemical treatment facilities were optimised using 3D computational fluid dynamic (CFD) models. COMSOL Multiphysics 5.1 was employed to evaluate the influence of inlet design on treatment efficiency in commonly used treatment basins without any barrier, and for optimization of barrier design through gravity-driven hydraulic flocculators. The results showed that inlet design had a significant effect on treatment efficiency. Several barrier designs were simulated and the best combination was tested for different distances between barriers, to find a geometry ratio and flow depth producing optimal mixing conditions for the treatment process. / Tiivistelmä Turvemaiden ojitus metsätaloutta, maataloutta ja turvetuotantoa varten lisää orgaanisen aineen, kiintoaineineen ja ravinteiden huuhtoutumista alapuolisiin vesistöihin. Lisääntyneellä kuormituksella voi olla merkittäviä vaikutuksia vesiekosysteemeihin, minkä vuoksi turvetuotannon ympäristöluvissa vaaditaan valumavesien puhdistamista mm. laskeutusaltaiden ja pintavalutuskenttien avulla. Tiukentuneiden vesiensuojelumääräysten vuoksi tarvitaan uusia vesiensuojelumenetelmiä sekä tulee tehostaa jo käytössä olevien menetelmien toimintaa. Tämän työn tavoitteena on suositella uusia menetelmiä perustuen I) entistä tarkempaan hydrologiseen tietoon valunnasta ja vesistökuormituksesta ja II) kemiallisen vesienpuhdistuksen yhteydessä käytettävien laskeutusaltaiden hydrauliseen suunnitteluun. Tämä väitöstyö rakentuu maastossa ja laboratoriossa tehtyjen tutkimusten sekä hydrologisen/hydraulisen mallinnuksen varaan. Valuma-alueiden hydrologiaa tutkittiin ja mallinnettiin kolmella turvemetsäalueella ja kahdella turvetuotantoalueella Pohjois-Suomessa. Ojituksen hydrologisten vaikutusten arviointiin käytettiin DRAINMOD 6.1 ohjelmaa, jonka kalibrointia ja validointia varten kerättiin jatkuvatoimisilla antureilla aineistoa pohjaveden pinnankorkeuksista ja virtaamasta useiden vuosien ajalta. Mallin avulla voitiin pohjaveden pinnan vaihtelut kuvata yleisesti melko hyvin kaikilla tutkimusalueilla yksittäisistä sadanta-valuntatapahtuminen yli- tai aliarvioinneista huolimatta. Saadut tulokset osoittavat, että DRAINMOD 6.1 ohjelmalla voidaan riittävällä tarkkuudella simuloida pohjaveden pinnan vaihteluita kylmässä ilmastossa, kuten Pohjois-Suomessa, mutta malli ei soveltunut hyvin ojitusalueelta lähtevän valunnan tarkkaan määrittämiseen. Kemiallisen vesienpuhdistusrakenteiden optimointiin käytettiin COMSOL Multiphysics 5.1 ohjelmaa, jolla voidaan toteuttaa ja laskea veden virtauksia kolmessa dimensiossa (computational fluid dynamic, CFD, model). Mallilla arvioitiin kemikalointialtaan tuloaukon rakenteen vaikutuksia tyypillisesti kemikaloinnissa käytetyn allasrakenteen puhdistustehokkuuteen. Lisäksi mallilla mitoitettiin virtausesteitä optimaalisen sekoittumisolosuhteiden saamiseksi ja puhdistustehokkuuden parantamiseksi painovoimaisesti toimivissa flokkausaltaissa (hidas sekoitus). Saadut tulokset osoittavat, että laskeutusaltaiden tuloaukon rakenteella on merkittävä vaikutus kemikaloinnissa saavutettuun puhdistustehokkuuteen. Lisäksi työssä esitettiin optimaalisia virtausesteiden mitoituksia (geometria, esteiden välinen etäisyys, virtaussyvyys yms.) puhdistuksen kannalta parhaiden mahdollisten sekoitusolosuhteiden saavuttamiseksi.