Abstract Peatland drainage affects about half the peatland area in Finland. Drainage changes natural peatland hydrology and affects water quality through effects on peat decomposition, mineralization, and enhanced mobilization. Runoff water from degraded peatlands transports metals and nutrients and impairs downstream water quality. Peatland restoration through drain blocking can reverse or minimize the negative effects and return degraded peatlands to their natural state over time. In this thesis, a before-after-control-impact study was applied at national scale to 44 boreal peatlands representative of a south-north boreal climate gradient, to study peatland watertable and pore water quality responses to drainage and restoration. Runoff dynamics, watertable levels, and associated characteristics were studied after peatland forestry drainage and subsequent restoration at seven sites. Analysis of watertable-related hydrological responses of 24 drained and restored sites and 19 undisturbed control sites revealed that restoration generally returned watertable levels and fluctuations at restored sites to near-undisturbed levels. This created favorable high-watertable conditions under which peatland species typically flourish. Examination of drainage/restoration effects on local geochemical conditions by studying pore water quality at the same sites revealed that, compared with undisturbed sites, forestry drainage increased dissolved organic carbon (DOC), total phosphorus (Ptot), and total nitrogen (Ntot). Nutrient concentrations continued to increase in the first year after restoration because of significant peatland disturbance, but DOC and nutrient concentrations declined to near-undisturbed levels over time. Watertable level, soil and air temperature, peatland class, and trophic level influenced pore water quality. An investigation of catchment-scale runoff processes in response to drainage and restoration revealed the complexity of runoff dynamics in peatlands. The amount of event runoff water varied between sites, but disturbed sites had higher mean runoff efficiency than undisturbed sites. Raising the watertable increased mean runoff efficiency compared with drained and undisturbed control sites, as shown by higher mean event runoff coefficient. In periods of no rainfall, low flow in all treatment conditions (disturbed, restored, undisturbed) was similar. During rainfall, the drainage networks at disturbed sites created short flow paths and water reached the outlets faster. Watertable-related storage (i.e., specific yield) at disturbed sites was significantly smaller than at other sites, but restoration raised the watertable to near-undisturbed levels into the layer of less decomposed and significantly higher specific yield. Comparing the success of restoration against peatland ecological functions revealed some improvements to restoration techniques that could improve restoration efficiency. However, better hydrological indicators of peatland disturbance are needed. / Tiivistelmä Suomessa on ojitettu iso pinta-ala turvemaita. Ojituksen seurauksena turvemaiden hydrologia on muuttunut ja valumavesien laatu heikentynyt orgaanisen aineksen hajoamisen, mineralisaation ja ravinteiden liikkeellelähdön seurauksena. Valumavedet sisältävät usein metalleja ja ravinteita, jotka heikentävät alapuolisten vesistöjen laatua ja ekologista tilaa. Turvemaiden ennallistaminen ojia tukkimalla tai patoamalla voi vähentää näitä haitallisia vaikutuksia ja palauttaa suoekosysteemin luonnollisen toiminnan ajan saatossa. Tässä väitöstyössä hyödynnettiin kansallista soiden ennallistamisen monitorointiverkostoa, jossa on vedenlaadusta, valunnasta ja vesipintojen korkeudesta aineistoa ennen ja jälkeen soiden ennallistamisen sekä vastaavaa aineistoa luonnontilaisilta vertailualueilta. Tämä aineisto mahdollisti ojituksen ja ennallistamisen hydrologisten vaikutusten tutkimisen ”Ennen-Jälkeen-Kontrolli” – asetelmalla. Tutkimuksessa oli 44 tutkimuskohdetta, jotka edustivat kattavasti Suomen eri ilmastovyöhykkeitä. Näistä seitsemällä kohteella tutkittiin myös valunnan muodostumisen dynamiikkaa turvemetsätalousmailla, ennallistetuilla soilla sekä luonnontilaisilla soilla. Tutkimuksen havaittiin, että ennallistamisen seurauksena vesipintojen taso ja vaihtelu palautui (24 kohdetta) lähelle luonnon tilaa (19 kohdetta). Tulos osoittaa, että kunnostus mahdollistaa suoekosysteemille tyypillisten kasvien palautumisen. Vedenlaatuun liittyvät selvitykset sen sijaan osoittivat, että ojituilla alueilla liuennut orgaaninen hiili (DOC), kokonaisfosfori (Ptot) ja kokonaistyppi (Ntot) pitoisuudet olivat korkeita huokosvesissä. Ravinnepitoisuudet kohosivat edelleen ensimmäisenä vuotena ennallistamisen jälkeen, sillä varsinaiset ennallistamistoimet (puiden kaato, ojien tukkiminen) aiheuttivat häiriötä alueella. Tästä huolimatta DOC ja ravinnepitoisuudet laskivat lähemmäksi luonnontilaisia vertailualueita seuraavina vuosina. Aineiston perusteella, vesikorkeus, maaperän ja ilman lämpötila, suotyyppi ja suon ravinnetaso vaikuttivat veden laatuun. Valunnan vasteet valuma-alueella osoittivat monimutkaisia valunta-sadantaprosesseja turvemailla. Nuoren veden osuus valunnasta sateiden jälkeen vaihteli suuresti tutkimuskohteilla, mutta ojitetuilla/myöhemmin ennallistetuilla kohteilla oli keskimääräistä suurempi valunnan osuus kuin luonnontilaisilla vertailualueilla. Vesikorkeuden nosto ennallistuksessa lisäsi valunnan määrää verrattuna ojitettuun tilanteeseen tai luonnontilaiseen tilanteeseen. Ajanjaksoilla, ilman sadantaa, valuntaprosessit olivat hyvin samankaltaiset ojitetuilla ja myöhemmin ennallistetuilla sekä luonnontilaisilla vertailualueilla. Sateiden jälkeen ojaverkosto muodosti lyhyitä virtausreittejä ja viipymää valuma-alueella. Vesivarastoa kuvaava ominaisantoisuus oli ojitetuilla aluilla merkittävästi heikompi kuin luonnontilaisilla kohteilla. Ennallistaminen vedenkorkeutta nostamalla sen sijaan näkyi merkittävästi korkeampana ominaisantoisuutena. Tätä selittää heikommin maatunut turvekerros suon pinnalla. Työn tulokset edistävät tietoa suokunnostuksen hydrologiasta. Tuloksia voidaan käyttää arvioimaan ja suunnittelemaan soiden ennallistamisen toimenpiteitä ja vaikutuksia.

Abstract Peat starts to decompose more rapidly after drainage, due to exposure to oxygen. While methane (CH4) emissions tend to decrease after drainage, carbon dioxide (CO2) and nitrous oxide (N2O) emissions from drained peatlands are considerable, especially the if the area is used for cultivation. Drainage and subsequent land management change the physical characteristics and thus hydrology and thermal conductivity of the soil, which affects greenhouse gas production. This thesis examined CH4 and N2O emissions and respiration from a peatland complex in Northern Finland, including a cultivated peatland, a forested peatland, a peat extraction site and a pristine mire. Chambers were used during the snow-free period and the snow gradient method during winter. Peat physical properties at the sites were also measured. The DRAINMOD model was used to assess measured peat hydraulic conductivity compared with the values needed to fit observed groundwater depth fluctuations. Effects of mineral soil content, drainage conditions and temperature on thermal conductivity of peat were examined and well-known equations for thermal conductivity of organic soils were tested. Respiration was highest in the cultivated study site, and this site and the peat extraction site were major sources of N2O. The pristine site was a large source of CH4 during the growing season. During winter, the peat extraction site and the cultivated site emitted CH4. The results suggested that raising mean groundwater level from 60 cm to 40 cm could potentially mitigate the greenhouse gas emissions at the cultivated site. Soil hydraulic conductivity at the drained sites was found to be better predicted by land use type than by soil physical parameters. Hydraulic conductivity values needed for DRAINMOD were at least one order of magnitude higher than those observed in field measurements. This demonstrates the potential role of land use and macropore flow in controlling hydrological processes in peat soils. The samples with the highest mineral soil content and bulk density had the highest thermal conductivity, especially at above-zero temperatures. The best equation for predicting thermal conductivity for unfrozen and frozen mineral soil-enriched peat soils was the Brovka-Rovdan equation, but the deVries equation performed fairly well for unfrozen soils. Soil water content and vegetation cover strongly influenced soil thermal regime. / Tiivistelmä Turve alkaa hajota nopeammin ojituksen jälkeen happipitoisuuden lisääntyessä maassa. Metaanin (CH4) päästöt ovat yleensä vähäisiä ojituksen jälkeen, kun taas hiilidioksidin (CO2) ja typpioksiduulin (N2O) päästöt erityisesti viljellyiltä turvemailta voivat olla merkittäviä. Ojitus ja sen jälkeinen maankäyttö vaikuttavat maan fysikaalisiin ominaisuuksiin ja siten alueen hydrologiaan ja maan lämmönjohtavuuteen, mikä vaikuttaa kasvihuonekaasujen muodostumiseen. Tässä tutkimuksessa mittasimme CH4- ja N2O-päästöjä ja respiraatiota (talvella lumigradientti-menetelmällä ja kasvukauden aikana kammiomenetelmällä) turvemaa-alueella Pohjois-Suomessa. Koealue sisälsi turvepellon, turvemetsän, turvetuotantoalueen ja luonnontilaisen suon. Mittasimme alueilla myös maan fysikaalisia ominaisuuksia. DRAINMOD-mallia käytettiin saatujen hydraulisen johtavuuden mittausarvojen mallinnukseen sopivuuden tarkasteluun. Maan mineraaliaineksen osuuden, ojituksen ja lämpötilan vaikutusta turpeen lämmönjohtavuuteen tutkittiin ja testattiin eräiden tunnettujen lämmönjohtavuusmallien toimivuutta. Respiraatio oli suurinta turvepellolla ja turvetuotantoalue ja pelto olivat merkittäviä N2O-lähteitä. Suo oli sulan maan aikana merkittävä CH4-lähde. Talvella turvetuotantoalue ja pelto olivat CH4-lähteitä. Tutkimus viittasi siihen, että pohjavedenpinnan nostaminen turvepellolla 60 cm tasosta 40 cm tasoon voisi vähentää kasvihuonekaasupäästöjä. Maankäyttö ennusti hydraulista johtavuutta paremmin kuin fysikaaliset parametrit. DRAINMOD-malliin tarvittiin vähintään kertaluokkaa suurempia arvoja kuin kentällä mitatut. Tutkimus viittasi maankäytön ja macrohuokosten mahdollisesti merkittävään vaikutukseen turvemaa-alueiden hydrologiassa. Lämmönjohtavuus oli korkein näytteissä, joissa mineraalimaan osuus ja kiintotiheys olivat korkeita, erityisesti sulissa näytteissä. Brovka & Rovdan- malli oli paras näiden näytteiden kuvaamiseen mutta myös de Vries-malli toimi kohtalaisen hyvin sulille näytteille. Lämmönjohtavuus oli vähemmän merkittävä maan lämpötilojen kannalta kuin maan vesipitoisuus ja kasvillisuuspeite.

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.

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.