Abstract In the design and development of unit operations in chemical engineering, experimental testing is often very expensive or even impossible to perform. In these kinds of situations, numerical simulations offer a good approach to study process characteristics. Typically in chemical engineering, data-based modeling is applied to study the process. This requires many experiments for tuning the model parameters and validating the model. In a phenomenology-based approach, the evolution of the system is dictated by fluid and particle transport equations. These equations are independent of the process, and can therefore be applied in various systems. However, depending on the system, there are several aspects that have to be taken into account in order to choose the correct model for the problem in hand. In this work, computational fluid dynamics (CFD) and discrete element method (DEM) modeling have been applied in different unit operations in the field of chemical engineering. CFD was applied in preventing sedimentation in a tube heat exchanger, estimating the cooling efficiency of a vertical water jet onto a hot metal plate, and studying the formation of the slag free open-eye area on the steel ladle. For comparison, DEM was applied in the continuous high-shear granulation of pharmaceutical powder. The different models used in this work are reviewed, and the results are presented from the point of view of model and process development. The grid aspects in CFD simulations and the termination criteria for DEM and CFD simulations are also studied. Based on the results of this work, phenomenological modeling can be considered to be an efficient tool for unit operation design. Together with experimental work, different modeling strategies offer a powerful tool for the design and development of unit operations. / Tiivistelmä Kemiantekniikan yksikköprosessien suunnittelussa kokeellinen tutkimus on usein erittäin kallista ja joskus jopa mahdotonta toteuttaa. Tällöin mallinnus tarjoaa hyvän lähestymistavan yksikköprosessin ominaisuuksien tutkimiselle. Tyypillisesti kemianteollisuudessa, datapohjaista mallinnusmenetelmiä on käytetty systeemin ominaisuuksien tutkimiseksi. Tämä menetelmä vaatii kuitenkin paljon koetoistoja mallin parametrien virittämiseksi ja mallin validoimiseksi. Ilmiöpohjaisessa mallinnuksessa, systeemin aikakehitys määräytyy fluidi- ja partikkelivirtauksia määräävien kuljetusyhtälöiden perusteella. Nämä yhtälöt ovat prosessista riippumattomia, jolloin niitä voidaan soveltaa yleisesti mihin tahansa systeemiin. Riippuen kuitenkin tutkittavasta yksikköprosessista, eri asioita on otettava huomioon, jotta oikea malli voidaan valita kuvaamaan systeemiä. Tässä työssä virtauslaskentaa (computational fluid dynamics, CFD) ja partikkelimenetelmää (discrete element method, DEM) on käytetty erilaisten kemiantekniikan yksikköprosessien tutkimuksessa. CFD:n avulla on tutkittu putkilämmönvaihtimen sedimentaation ehkäisyä, laminaarisen suorasuihkujäähdytyksen tehokkuutta teräslevyn jäähdytyksessä, sekä senkkaprosessissa teräksen pinnalle ilmestyvän kuonasilmäkkeen muodostumista. DEM mallinnusta käytettiin lääkejauheen jatkuvatoimisen rakeistuksen tutkimuksessa. Mallinnuksessa käytetyt mallit esitellään ja niiden tulokset esitellään malli- ja prosessikehityksen näkökulmasta. Työssä on otettu myös esille mallinnustekniset asiat CFD:n vaatiman laskentahilan ja laskennan lopetuskriteerien näkökulmasta. Työssä esitettyjen tulosten perusteella voidaan todeta, että ilmiöpohjainen mallinnus on tehokas työkalu yksikköprosessien suunnittelussa. Yhdessä kokeellisen tutkimuksen kanssa, eri mallinnusmenetelmät tehostavat yksikköprosessien suunnittelua ja kehitystä.

Abstract Wastewater treatment is facing challenges due to the stricter legislation and increasing variety in the quantity and quality of the influent. In addition, for economic reasons the use of resources should be efficient. Therefore new automated monitoring tools and methods along with intelligent use of the gathered data are required to increase knowledge on the treatment process and to receive predictive information on the quality of the effluent that can be used to assist in optimizing the process operation. Predicting the effluent quality is difficult, as the complex treatment process includes several simultaneous nonlinear mechanisms and the relevant continuous information on the floc morphology is commonly missing, even though the flocculation process holds the key role in efficient wastewater treatment. Automated optical monitoring is able to reveal new valuable information on wastewater continuously, fast, objectively, and with minimal labor contribution. The main aim of this research was to develop predictive models for the quality parameters of treated wastewater at two full-scale wastewater treatment processes utilizing optical monitoring results. The actual predictive information was enabled using the measurements from the beginning of the process in model development alone. The optimal subsets of the model variables were sought by variable selection methods. The research also shows how utilization of the process measurements and the optical monitoring variables separately and together affect the modeling accuracy. The quality of the effluent in municipal and industrial wastewater treatment processes can be predicted in varying operating conditions by utilizing optical monitoring and process measurements. The prediction accuracy is sufficient to reveal the level of and changes in effluent quality. Thus, process operation can be optimized, more efficiently purified wastewater can be achieved, and environmental damage, health-related risks, and economic losses can be minimized. / Tiivistelmä Jätevedenkäsittely kohtaa tulevaisuudessa haasteita tiukentuvan lainsäädännön sekä lisääntyvän jätevesimäärän ja laatuvaihteluiden vuoksi. Lisäksi taloudellisista syistä resurssien käytön pitäisi olla mahdollisimman tehokasta. Tämän vuoksi tarvitaan uusia automaattisia monitorointivälineitä ja -menetelmiä sekä kerätyn datan älykästä käyttöä lisäämään tietoa käsittelyprosessista ja ennustamaan käsitellyn jäteveden laatua prosessin ohjauksen optimoimiseksi. Käsitellyn jäteveden laadun ennustaminen on vaikeaa, sillä monimutkainen käsittelyprosessi sisältää useita yhtäaikaisia epälineaarisia mekanismeja ja olennainen jatkuva-aikainen tieto flokkien morfologiasta puuttuu, vaikka flokkausprosessi on keskeisessä asemassa jätevedenpuhdistuksen tehokkaan toiminnan kannalta. Automaattisen optisen monitoroinnin avulla saadaan uutta hyödyllistä tietoa jätevedestä jatkuva-aikaisesti, nopeasti, objektiivisesti ja vähäisellä työpanoksella. Tämän tutkimustyön päätavoite oli kehittää ennustemalleja kahden täysikokoisen jätevesilaitoksen käsitellyn jäteveden laatuparametreille hyödyntäen automaattista optista monitorointia. Malleissa käytettiin vain prosessin alkuosan mittauksia, jotta malleilla olisi todellinen kyky ennakoida käsitellyn jäteveden laatu. Mallien optimaaliset tulomuuttujat etsittiin muuttujavalinta-algoritmeilla. Tutkimus näyttää myös, miten prosessimittausten ja optisen monitoroinnin muuttujien hyödyntäminen yhdessä ja erikseen vaikuttaa mallien tarkkuuteen. Optisen monitoroinnin hyödyntäminen yhdessä prosessimittausten kanssa mahdollistaa käsitellyn jäteveden laadun ennustamisen vaihtelevissa olosuhteissa sekä teollisessa että kunnallisessa jätevedenkäsittelylaitoksessa. Mallinnustarkkuus on riittävä laatuparametrien tason ja muutosten esittämiseen ja käytettäväksi apuna prosessin ohjauksessa. Tällöin jäteveden puhdistusprosessi tehostuu ja ympäristövahingot, terveysriskit ja taloudelliset menetykset voidaan minimoida.

Abstract The CAS-OB (composition adjustment by sealed argon bubbling - oxygen blowing) process is used in secondary steelmaking to adjust the composition and temperature of the steel melt. The steel melt can be heated by oxidizing aluminium in process which feeds aluminium particles and oxygen to the melt surface. Oxygen is in fed by a top lance, which is an important part of many metallurgical processes and is typically used to deliver oxygen to steel melt surface by supersonic blowing. Because observing and measuring the metallurgical processes is challenging due to the high temperature, numerical models predicting the processes are especially important. In this thesis, both top lances and the heat-up stage of the CAS-OB process were studied, and numerical models were constructed. CFD (computational fluid dynamics) were used to study top lances. A turbulence model was adjusted for supersonic flows with experimental data from literature. The CAS-OB process model involves chemical reactions and fluid flows. In order to keep the computation times reasonable, a full fluid flow calculation is not included in the model but is calculated in advance. Heat and mass transfer correlations are calculated with CFD, and the results are then used in the process simulation model. Chemical reactions are calculated based on the law of mass action and thermodynamics. The results were validated with industrial measurements. The CAS-OB heat-up stage model can be used in its current state in process development, and in the future for online control of the process. The CFD model for the top lance can be applied to a lance in any other process. / Tiivistelmä CAS-OB-prosessia (composition adjustment by sealed argon bubbling - oxygen blowing) käytetään teräksen valmistuksessa sulan teräksen koostumuksen ja lämpötilan säätämiseen. Terässulaa voidaan tarvittaessa lämmittää syöttämällä alumiinikappaleita ja happea sulan pinnalle. Hapen syöttö tapahtuu yliäänilanssilla, jota käytetään monissa metallurgisissa prosesseissa, yleensä toimittamaan happea sulan pinnalle yliäänisellä puhalluksella. Metallurgisten prosessien havainnointi ja mittaaminen ovat haastavia korkeiden lämpötilojen vuoksi, joten numeeriset mallit ovat erityisen tärkeitä prosessien ennustamisessa. Tässä työssä on tutkittu yliäänilansseja ja CAS-OB-prosessin lämmitysvaihetta ja luotu niille numeeriset mallit. Yliäänilanssien tutkimiseen käytettiin numeerista virtauslaskentaa (CFD, computational fluid dynamics). Lanssien mallinnusta varten olemassa olevaa turbulenssimallia muokattiin paremmin yliäänivirtausta kuvaavaksi kirjallisuudesta löytyvän mittaustiedon perusteella. CAS-OB-prosessimallissa huomioidaan virtaus ja kemialliset reaktiot. Koska laskenta-ajat haluttiin pitää käytännöllisinä, virtauslaskentaa ei suoriteta mallissa, vaan se tehdään etukäteen. Aineen- ja lämmönsiirtokertoimet lasketaan CFD-laskennalla, ja tuloksia käytetään prosessimallissa. Kemialliset reaktiot lasketaan perustuen massavaikutuksen lakiin ja termodynamiikkaan. CAS-OB-mallin tulokset on validoitu terästehtaalla tehtyjen kokeiden perusteella. Mallia voidaan käyttää nykyisessä muodossaan prosessin kehityksessä ja tulevaisuudessa myös prosessin ohjauksessa. Yliäänilanssin CFD-mallia voidaan soveltaa myös muihin metallurgisiin prosesseihin.

Abstract Composition Adjustment by Sealed argon bubbling – Oxygen Blowing (CAS-OB) process is a ladle treatment process that was developed for chemical heating and alloying of steel. The main stages of the process are heating, (possible) alloying and reduction of slag. The CAS-OB process aims for homogenization and control of the composition and temperature of steel. In this dissertation, a mathematical reaction model was developed for the slag reduction stage of the CAS-OB process. Slag reduction is carried out by applying vigorous bottom stirring from porous plugs at the bottom of the ladle. Due to the bottom stirring a circular steel flow is induced which disrupts top slag layer and due to shear stress at the steel-slag interface small slag droplets are detached. This induces an immense increase in the interfacial area between steel and slag which provides favourable conditions for the reduction reactions. In order to model reduction reactions, a sub-model for describing the interfacial area was needed. For this the slag droplet formation was studied using computational fluid dynamics (CFD) and based on these studies, a sub-model for droplet formation was developed. The model for the reduction stage of the CAS-OB process takes into account not only the reaction during the reduction but also the heat transfer between the phases, ladle and surroundings. The reduction stage model was validated using validation data obtained from the CAS-OB station of the SSAB Raahe steel plant in Finland. It was concluded that the model was able to predict steel and slag compositions as well as the steel temperature very well. / Tiivistelmä CAS-OB -prosessi on sulametallurgiassa käytettävä senkkakäsittelyprosessi, joka on kehitetty teräksen kemialliseen lämmittäseen ja seostukseen. CAS-OB-prosessin pääprosessivaiheet ovat lämmitysvaihe, mahdollinen seostusvaihe ja kuonan pelkistysvaihe. CAS-OB -prosessilla tavoitellaan teräksen koostumuksen homogenisointiin ja lämpötilan kontrollointiin. Tässä tutkimuksessa kehitettiin matemaattinen reaktiomalli CAS-OB -prosessin kuonan pelkistysvaiheen kuvaamiseen. Kuonan pelkistys tapahtuu senkan pohjassa olevien huuhtelutiilien avulla suoritettavan voimakkaan kaasuhuuhtelun avulla. Pohjahuuhtelu aiheuttaa kiertävän teräsvirtauksen senkassa. Teräsvirtaus irrottaa teräksen päällä olevasta kuonakerroksesta pisaroita ja kuonan ja teräksen välinen reaktiopinta-ala kasvaa voimakkaasti. Tämä tarjoaa suotuisat olosuhteet pelkistysreaktiolle senkassa. Pelkistysreaktioiden mallintamiseksi tässä työssä kehitettiin CFD-simulaatioiden avulla alimalli, jonka avulla voidaan kuvata teräksen ja kuonan välisen pinta-alan suuruutta. Pelkistysvaiheen mallissa huomioidaan reaktioiden lisäksi myös systeemissä tapahtuva lämmösiirto. Pelkistysmalli validoitiin mittausdatalla, joka hankittiin SSAB Raahen terässulaton CAS-OB -asemalla järjestetyssä validointikampanjassa. Tutkimuksessa havaittiin, että malli kykenee hyvin ennustamaan teräksen ja kuonan koostumuksen sekä teräksen lämpötilan.

Abstract Oversampling data converters based on Delta-Sigma modulation are a popular solution for modern high-resolution applications. In the design of digital-to-analog or analog-to-digital Delta-sigma converters there are common obstacles due to the difficulties on predicting and verifying their performance. Being a highly nonlinear system, a Delta-Sigma modulator’s (DSM) quantization noise and therefore the spurious tones are difficult to analyze and predict. Multi-bit DACs can be used to improve the performance and linearize the behavior of DSMs. However, this will give rise to the need for linearizing the multi-bit DAC. A popular DAC linearization method, data weighted averaging (DWA) shapes the DAC mismatch noise spectrum. There are many variants of DWA, for low-pass and band-pass DSMs. This thesis proposes a generalization which integrates a few published variants into one, broader DWA scheme. The generalization enables expanding the tone-suppression studies into a larger concept. The performance of one- or multibit DSMs is usually verified by simulations. This thesis proposes a simulation-based qualification (characterization) method that can be used to repeatedly verify and compare the performance of multibit DSM with a DAC mismatch shaping or scrambling scheme. The last contribution of this thesis is a very simple model for tonal behavior. The model enables accurate prediction of spurious tones from both DSMs and DWA-DACs. The model emulates the tone behavior by its true birth-mechanism: frequency modulation. The proposed prediction model for tone-behavior can be used for developing new tone-cancelation methods. Based on the model, a DWA linearization method is also proposed. / Tiivistelmä Delta-Sigma modulaatio on suosituin tekniikka ylinäytteistävissä datan muuntimissa. Riippumatta toteutustarkoituksesta (analogia-digitaali- tai digitaali-analogia-muunnos), Delta-Sigma (DS) modulaatiossa on yleisesti tunnettuja käyttäytymisen ennustamiseen liittyviä ongelmia. Nämä ongelmat ovat peräisin modulaattorin luontaisesta epälineaarisuudesta: DS-muunnin on nimittäin vahvasti epälineaarinen takaisinkytketty systeemi, jonka harhatoistojen ennustaminen ja analysointi on erittäin hankalaa. Yksibittisestä monibittiseen DS-muuntimeen siirryttäessä muuntimen suorituskyky paranee, ja muuntimen kohinakäyttäytyminen on lineaarisempaa. Tämä kuitenkin kostautuu tarpeena linearisoida DS-muuntimen digitaali-analogia (D/A) muunnin. Tällä hetkellä tunnetuin linearisointimenetelmä on nimeltään DWA (data weighted averaging) algoritmi. Tässä työssä DWA:lle ja sen lukuisille varianteille esitellään eräänlainen yleistys, jonka avulla algoritmia voidaan soveltaa sekä alipäästö- että kaistanpäästö-DS-muuntimelle. Kuten tunnettua, DS-modulaattorin analyyttinen tarkastelu on raskasta. Yksi- ja monibittisten DS-muuntimien suunnitellun käyttäytymisen varmistaminen tapahtuukin yleensä simulointien avulla. Työssä esitetään simulointiperiaate, jolla voidaan kvalifioida (karakterisoida) monibittinen DS-muunnin. Tarkemmin, kvalifioinnin kohteena on DWA:n kaltaiset D/A -muuntimien linearisointimentelmät. Kyseessä on pyrkimys ennen kaikkea toistettavaan menetelmään, jolla eri menetelmiä voidaan verrata nopeasti ja luotettavasti. Tämän väitöstyön viimeinen kontribuutio on matemaattinen malli harhatoistojen syntymekanismille. Mallilla sekä DS-muunnoksen että DWA-D/A -muunnokseen liittyvät harhatoistot voidaan ennustaa tarkasti. Harhatoistot mallinnetaan yksinkertaisella havaintoihin perustuvalla FM-modulaatiokaavalla. Syntymekanismin mallinnus mahdollistaa DS-muuntimien ennustettavuuden ja täten auttaa harhatoiston kumoamismenetelmien kehittämistä. Työssä esitetään yksi matemaattisen mallin avulla kehitetty DWA-D/A -muunnoksen linearisointimenetelmä.

Abstract Barkhausen noise measurement is an intriguing non-destructive testing method suitable for ferromagnetic materials. It is based on the stochastic movements of magnetic domain walls when the tested sample is placed in an external varying magnetic field. Barkhausen noise is typically utilised so that some features are calculated from the signal and then compared with the studied material properties. Typical features are, for example, the root-mean-square value (RMS), peak height, width and position. Better utilisation of the method, however, requires quantitative predictions of material properties. The aim of this thesis is to study and select a suitable methodology for the quantitative prediction of material properties based on Barkhausen noise measurement. The prediction considered is divided into four steps: feature generation, feature selection, model identification and model validation. In feature generation, a large set of features is calculated with different mathematical procedures. This feature set is explored in the feature selection step to find the most significant features in terms of predictions. A model with the selected features is identified and some independent data are usually used for model validation. This thesis presents the developed procedures required in feature generation and the results of the studies using different feature selection strategies and modelling techniques. The studied feature selection methods are forward selection, simulated annealing and genetic algorithms. In addition, two-step algorithms are investigated where a pre-selection step is used before the actual selection. The modelling techniques used are multivariable linear regression, partial least squares regression, principal component regression and artificial neural networks. The studies also consider the use and effect of different objective functions. The results of the studies show that the proposed modelling scheme can be used for the prediction task. The models identified mainly include reasonable terms and the prediction accuracy is fairly good considering the challenge. However, the application of Barkhausen noise measurement is very case-dependent and thus conflicts may occur. Furthermore, the changes in unmeasured material properties may lead to the unexpected behaviour of some features. The results show that linear models are adequate for capturing the major interactions between material properties and Barkhausen noise but indicate that the use of neural networks would lead to better model performance. The results also show that genetic algorithms give better selection results but at the expense of the computational cost. / Tiivistelmä Barkhausen-kohina-mittaus on ferromagneettisille materiaaleille soveltuva materiaalia rikkomaton testausmenetelmä. Mittaus perustuu magneettisten alueiden välisten rajapintojen stokastisiin liikkeisiin, kun testattava kappale asetetaan vaihtuvaan magneettikenttään. Tyypillisesti Barkhausen-kohina-mittaussignaalista lasketaan piirteitä, joita sitten verrataan tutkittaviin materiaaliominaisuuksiin. Usein käytettyjä piirteitä ovat signaalin keskineliön neliöjuuri (RMS-arvo) sekä piikin korkeus, leveys ja paikka. Menetelmää voidaan soveltaa paremmin, jos tutkittavia materiaaliominaisuuksia voidaan ennustaa kvantitatiivisesti. Tämän tutkimuksen tavoitteena on tutkia ja valita menetelmiä, jotka soveltuvat materiaaliominaisuuksien kvantitatiiviseen ennustamiseen Barkhausen-kohina-mittauksen perusteella. Ennustusmallit luodaan neljässä vaiheessa: piirteiden laskenta, piirteiden valinta, mallin identifiointi ja mallin validointi. Piirteiden laskennassa yhdistellään erilaisia matemaattisia laskutoimituksia, joista tuloksena saadaan suuri joukko erilaisia piirteitä. Tästä joukosta valitaan ennustukseen soveltuvimmat piirteiden valinta -vaiheessa. Tämän jälkeen ennustusmalli identifioidaan ja viimeisessä vaiheessa sen toimivuus todennetaan riippumattomalla testausaineistolla. Väitöskirjassa esitetään piirteiden laskentaan kehitettyjä algoritmeja sekä mallinnustuloksia käytettäessä erilaisia piirteiden valintamenetelmiä ja mallinnustekniikoita. Tutkitut valintamenetelmät ovat eteenpäin valinta, taaksepäin eliminointi, simuloitu jäähtyminen ja geneettiset algoritmit. Väitöskirjassa esitellään myös kaksivaiheisia valintamenettelyjä, joissa ennen varsinaista piirteiden valintaa suoritetaan esivalinta. Käytetyt mallinnustekniikat ovat monimuuttujaregressio, osittainen pienimmän neliösumman regressio, pääkomponenttiregressio ja neuroverkot. Tarkasteluissa huomioidaan myös erilaisten kustannusfunktioiden vaikutukset. Esitetyt tulokset osoittavat, että käytetyt menetelmät soveltuvat materiaaliominaisuuksien kvantitatiiviseen ennustamiseen. Identifioidut mallit sisältävät pääasiassa perusteltavia termejä ja mallinnustarkkuus on tyydyttävä. Barkhausen-kohina-mittaus on kuitenkin erittäin tapauskohtainen ja täten ristiriitoja kirjallisuuden kanssa voidaan joskus havaita. Näihin ristiriitoihin vaikuttavat myös ei-mitattavat muutokset materiaaliominaisuuksissa. Esitetyt tulokset osoittavat, että lineaariset mallit kykenevät ennustamaan suurimmat vuorovaikutukset materiaaliominaisuuksien ja Barkhausen-kohinan välillä. Tulokset kuitenkin viittaavat siihen, että neuroverkoilla päästäisiin vielä parempiin mallinnustuloksiin. Tulokset osoittavat myös, että geneettiset algoritmit toimivat piirteiden valinnassa paremmin kuin muut tutkitut menetelmät.

Abstract Argon-oxygen decarburisation (AOD) is the most common unit process for refining stainless steel. The AOD process consists of multiple stages, in which the rate of processing is determined by complex reaction mechanisms. The main objective of this work was to study the chemical rate phenomena in selected process stages. For this purpose, an extensive literature review was conducted to clarify the main assumptions of the existing reaction models. Based on the literature review, a new categorisation of the models was proposed. In addition, a literature review was conducted to identify the main phenomena that affect the reaction kinetics in the AOD process. In this work, based on the law of mass action, a novel kinetic approach and its application for modelling of parallel mass transfer controlled reactions were studied. The developed approach enables the simultaneous solution of the chemical equilibrium and mass transfer rate which controls it. A simplified reaction model was employed for studying the effect of mass transfer rates and residual affinity on the constrained equilibrium at the reaction interface. An earlier-proposed AOD model was extended with two phenomenon-based sub-models. The top-blowing model is based on the assumption that reactions take place simultaneously at the surface of the cavity formed by the momentum of the gas jet and on the surface of the metal droplets caused by the shear force of the gas jet. The reduction model describes the reactions during the reduction stage of the AOD process by assuming that all reactions take place between the metal bath and emulsified slag droplets. The results obtained with the models were in good agreement with the measurement data collected from a steel plant. Owing to their phenomenon-based structure, the developed models are well-suited for the analysis of both existing and new production practices. / Tiivistelmä Argon-happimellotus (AOD) on yleisin ruostumattoman teräksen valmistamiseen käytettävä yksikköprosessi. AOD-prosessi koostuu useista vaiheista, joissa prosessointinopeutta määrittävät monimutkaiset reaktiomekanismit. Tutkimuksen päätavoitteena oli tutkia kemiallisia nopeusilmiöitä valituissa prosessivaiheissa. Tähän liittyen tehtiin kattava kirjallisuuskatsaus, jonka tavoitteena oli tunnistaa olemassa olevien reaktiomallien pääoletukset. Kirjallisuuskatsauksen pohjalta esitettiin uusi mallien kategorisointi. Lisäksi tehtiin kirjallisuuskatsaus, jonka tavoitteena oli tunnistaa tärkeimmät reaktiokinetiikkaan vaikuttavat ilmiöt AOD-prosessissa. Tässä työssä tutkittiin uudenlaista massavaikutuksen lakiin perustuvaa lähestymistapaa sekä sen soveltamista rinnakkaisten aineensiirron rajoittamien reaktioiden mallinnukseen. Kehitetty lähestymistapa mahdollistaa kemiallisen tasapainotilan sekä sitä rajoittavan aineensiirron samanaikaisen ratkaisun. Aineensiirtonopeuksien ja jäännösaffiniteetin vaikutusta reaktiopinnalla vallitsevaan rajoitettuun tasapainotilaan tutkittiin käyttämällä yksinkertaistettua reaktiomallia. Aiemmin kehitettyä AOD-mallia laajennettiin kahdella ilmiöpohjaisella alimallilla. Lanssipuhallusmalli perustuu oletukseen, että reaktiot tapahtuvat samanaikaisesti kaasusuihkun liikemäärän muodostaman tunkeuman ja kaasusuihkun leikkausvoiman aiheuttamien metallipisaroiden pinnalla. Pelkistysmalli kuvaa AOD-prosessin pelkistysvaiheen aikana tapahtuvia reaktioita olettaen, että kaikki reaktiot tapahtuvat terässulan ja emulgoituneiden kuonapisaroiden välillä. Malleilla saadut tulokset vastasivat hyvin terästehtaalta kerättyä mittausaineistoa. Ilmiöpohjaisen rakenteensa ansiosta kehitetyt mallit soveltuvat hyvin sekä olemassa olevien että uusien tuotantopraktiikoiden analysoimiseen.

Abstract Water resources management calls for methods to simultaneously manage groundwater (GW) and surface water (SW) systems. These have traditionally been considered separate units of the hydrological cycle, which has led to oversimplification of exchange processes at the GW-SW interface. This thesis studied GW hydrology and the previously unrecognised connection of the Rokua esker aquifer with lakes and streams in the area, with the aim of identifying reasons for lake water level variability and eutrophication in the Rokua esker. GW-SW interactions in the aquifer were first studied with field methods. Seepage meter measurements showed substantial spatial variability in GW-lake interaction, whereas transient variability was more modest, although present and related to the surrounding aquifer. Environmental tracers suggested that water exchange occurs in all lakes in the area, but is of varying magnitude in different lakes. Finally, GW-SW interaction was studied in peatland catchments, where drainage channels in the peat soil presumably increased groundwater outflow from the aquifer. Amount and rate of GW recharge were then estimated with a simulation approach developed explicitly to account for the physical characteristics of the Rokua esker aquifer. This produced a spatially and temporally distributed recharge estimate, which was validated by independent field techniques. The results highlighted the impact of canopy characteristics, and thereby forestry management, on GW recharge. The data collected and the new understanding of site hydrology obtained were refined into a fully integrated surface-subsurface flow model of the Rokua aquifer. Simulation results compared favourably to field observations of GW, lake levels and stream discharge. A major finding was of good agreement between simulated and observed GW inflow to lakes in terms of discharge locations and total influx. This thesis demonstrates the importance of using multiple methods to gain a comprehensive understanding of esker aquifer hydrology with interconnected lakes and streams. Importantly, site-specific information on the reasons for water table variability and the trophic status of Rokua lakes, which is causing local concern, is provided. As the main outcome, various field and modelling methods were tested, refined and shown to be suitable for integrated GW and SW resource management in esker aquifers. / Tiivistelmä Vesivarojen hallinnassa tarvitaan menetelmiä pohja- ja pintaveden kokonaisvaltaiseen huomioimiseen. Pohja- ja pintavesiä tarkastellaan usein erillisinä osina hydrologista kiertoa, mikä on johtanut niiden välisten virtausprosessien yksinkertaistamiseen. Tässä työssä selvitettiin Rokuan pohjavesiesiintymän hydrologiaa ja hydraulista yhteyttä alueella oleviin järviin ja puroihin. Tutkimuksessa pyrittiin osaltaan selvittämään syitä harjualueen järvien pinnanvaihteluun ja veden laatuongelmiin. Kenttätutkimuksissa todettiin voimakasta alueellista vaihtelua järven ja pohjaveden vuorovaikutuksessa. Pohjaveden suotautumisen ajallinen vaihtelu puolestaan oli vähäisempää, mutta havaittavissa, ja kytköksissä järveä ympäröivän pohjavesipinnan vaihteluihin. Merkkiaineet vesinäytteistä viittasivat vastaavan vuorovaikutuksen olevan läsnä myös muissa alueen järvissä, mutta suotautuvan pohjaveden määrän vaihtelevan järvittäin. Turvemailla tehdyt mittaukset osoittivat pohjaveden purkautuvan ojaverkostoon ja ojituksen mahdollisesti lisäävän ulosvirtaamaa pohjavesiesiintymästä. Pohjaveden muodostumismäärää ja -nopeutta tutkittiin numeerisella mallinnuksella, joka kehitettiin huomioimaan harjualueelle ominaiset fysikaaliset tekijät. Mallinnus tuotti arvion ajallisesti ja alueellisesti vaihtelevasta pohjaveden muodostumisesta, joka varmennettiin kenttämittauksilla. Tuloksissa korostui kasvillisuuden, ja sitä kautta metsähakkuiden, vaikutus pohjaveden muodostumismääriin. Hydrologiasta kerätyn aineiston ja kehittyneen prosessiymmärryksen avulla Rokuan harjualueesta muodostettiin täysin integroitu numeerinen pohjavesi-pintavesi virtausmalli. Mallinnustulokset vastasivat mittauksia pohjaveden ja järvien pinnantasoista sekä purovirtaamista. Työn merkittävin tulos oli, että mallinnetut pohjaveden purkautumiskohdat ja purkautumismäärät alueen järviin vastasivat kenttähavaintoja. Tämä työ havainnollisti, että ymmärtääkseen pohjaveden ja siitä riippuvaisten järvien ja purojen vuorovaikutusta harjualueella on käytettävä monipuolisia tutkimusmenetelmiä. Työ toi lisätietoa Rokuan harjualueen vesiongelmien syihin selittäen järvien vedenpinnan vaihtelua ja vedenlaatua pohjavesihydrologialla. Väitöstyön tärkein anti oli erilaisten kenttä- ja mallinnus-menetelmien soveltaminen, kehittäminen ja hyödylliseksi havaitseminen harjualueiden kokonaisvaltaisessa pinta- ja pohjavesien hallinnassa.

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 Groundwater, a key part of the hydrological cycle, is under increasing pressure from different land uses and changing climate. However, less attention has been paid to integrated groundwater management than surface waters. This thesis combined hydrological and socio-economic research for the case study of the Rokua esker aquifer in order to update current concepts of groundwater management. The Rokua area contains groundwater-dependent lakes and a periodic water level decline has raised concerns about the future of these lakes. Peatland drainage in the vicinity of the aquifer has been accused of changing the aquifer conditions. Groundwater discharge from the esker aquifer to drained peatland was studied to identify relevant hydrological processes for groundwater-surface water interactions. The results revealed a connection between the aquifer and the peatland whereby groundwater can enter the ditches through seepage or preferential flow. Modeling was used to determine critical factors in the management of the esker aquifer-peatland system. The results showed that climate and land use can affect esker groundwater, while peatland drainage in the vicinity can have similar impacts to groundwater abstraction and drought. Peatland restoration by filling in drainage ditches could possibly restore the aquifer groundwater levels. However, for the Rokua aquifer, which will possibly experience less severe dry periods in the future, extensive drainage restoration is currently too major, uncertain, and expensive a measure relative to the expected benefits. Multi-criteria decision analysis was used to identify ways of facilitating stakeholder involvement and learning in groundwater management. The results obtained with this participatory process confirmed that it can foster learning on complicated groundwater issues and collaboration in a process encompassing disputes and diverse interests. The decision analysis process led to the initiation of dialogue on more integrated management, where the preferences of all stakeholders were discussed and taken into account. Overall, this thesis shows how different aspects of aquifer management, such as land use, climate, ecological and economic values, and stakeholder preferences, can all be taken into account using a combined method which reduces the mistrust between opposing interests through research and information, resulting in more robust future planning. / Tiivistelmä Pohjaveteen, hydrologisen kierron avainosaan, kohdistuu kasvavia paineita eri maankäytön muodoista ja ilmastonmuutoksesta. Pohjaveden hallintaan ei kuitenkaan ole kiinnitetty tarvittavaa huomiota. Tässä väitöstyössä yhdistettiin hydrologista ja sosioekonomista tutkimusta Rokuan harjualueella pohjaveden hallintakonseptin päivittämiseksi. Rokuan alueella on useita pohjavedestä riippuvaisia järviä, joiden vedenpinta on kausittain laskenut voimakkaasti. Pintojen lasku on kasvattanut paikallisten huolta järvien tilasta. Harjua ympäröivät metsäojitetut turvemaat, ja ojituksia on syytetty pohjaveden tilan ja sitä kautta myös järvien tilan heikkenemisestä. Työn ensimmäisessä osassa tutkittiin pohjaveden hydrologisia purkautumisprosesseja harjun pohjavesiesiintymästä ojitetulle suoalueelle. Tulokset osoittivat hydraulisen yhteyden akviferin ja turvemaan välillä: pohjavesi pääsi purkautumaan metsäojiin joko suotautumalla tai turpeen kaksoishuokoisuusrakenteiden kautta. Seuraavassa vaiheessa työtä pohjavesimallinnusta käytettiin määrittämään kriittisiä pohjaveden tilaan vaikuttavia tekijöitä pohjavesi-turvemaa-systeemissä. Mallinnustulosten perusteella niin ilmasto kuin maankäyttökin vaikuttavat kumpikin suoraan pohjaveden pinnankorkeuden tilaan. Turvemaiden ojituksilla pohjavesialueella voi olla samoja vaikutuksia pohjaveden pinnankorkeuden tasoihin kuin pohjaveden otolla tai kuivilla kausilla. Turvemaiden ennallistaminen ojia täyttämällä voi osittain palauttaa vedenpinnan tasoja pohjavesialueella. Rokuan harjualueen tapauksessa suuren mittakaavan oja-alueiden ennallistaminen todettiin kuitenkin liian epävarmaksi ja kalliiksi toimenpiteeksi hyötyihin nähden, varsinkin jos kuivien kausien vaikutus suurilla harjualueilla heikkenee tulevaisuudessa sademäärien kasvun myötä. Työn kolmannessa osassa käytettiin monitavoitearviointia eri sidosryhmien osallistamiseen ja oppimiseen pohjavesien hallinnassa. Osallistavasta prosessista saadut tulokset vahvistivat, että menetelmää voidaan käyttää oppimisen edesauttamiseen vaikeissa pohjavesiasioissa sekä yhteistyön muodostamiseen ristiriitaisessa ja monimutkaisessa tapauksessa. Monitavoitearvioinnin prosessi johti keskustelun avaukseen yhtenäisemmän suunnittelun puolesta, joka ottaa huomioon eri sidosryhmien näkökulmat ja tuo ne osaksi keskustelua. Tämä väitöstyö osoitti miten eri pohjavesialueen hallintaan tarvittavat näkökulmat, kuten maankäyttö, ilmasto, ekologiset ja ekonomiset arvot, sekä sidosryhmien mielipiteet voidaan kaikki ottaa huomioon yhdistämällä eri metodeja. Näin tutkimuksella ja informoinnilla vähennetään epäluottamusta eri intressitahojen välillä ja luodaan pohja vakaammalle pohjavesialueiden tulevaisuuden suunnittelulle.