Abstract This thesis examined hydrological processes such as snowmelt and groundwater discharge in drained peatland areas in the boreal zone. The studied processes were measured in situ using environmental tracers. Further, performance of a treatment wetland was studied during snowmelt and high flow. A GIS model was developed to estimate groundwater seepage areas in peatland systems surrounding eskers. It was found that soil frost had a clear impact on water quality during snowmelt. This was evident as lower suspended sediments, water colour and dissolved organic carbon concentrations, among other changes. The treatment wetland was found to reduce the suspended solids load during the snowmelt period and late autumn, while reductions in phosphorus and nitrogen loads occurred during summer. A sampling algorithm was built to test how different sampling frequencies affected the estimation of suspended solid loads from the constructed wetland. The results showed increasing uncertainty for sparser sampling (from weekly to monthly sampling), but the uncertainty remained high even at weekly sampling. The GIS model was tested on two eskers and shown to give a fair estimate of groundwater discharge locations. It can thus be used for improving aquifer protection in boreal eskers related to the drainage networks surrounding them. However, to be applied more widely, further efforts are required. The findings in this thesis could be used to develop better water management policies for peat extraction areas, or other industries operating in similar soils and climate. For example, meltwater could be allowed to temporarily bypass treatment facilities in areas with deep soil frost penetration. The wetland study showed that peatland-based wetlands are a suitable approach for improving water treatment performance even under variable hydraulic loads. The uncertainty in the estimated load from a small peat extraction catchment was high, which might limit the use of such data for some purposes. Load estimation methods using the concentration data collected during previous years might be able to reduce the uncertainty, but if the uncertainty needs to be lowered substantially use of sensor technology might be the only viable approach. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja käsittelee lumensulannasta syntyvää valuntaa erilaisilla turvemailla ja pintavalutuskentän puhdistustehoa lumensulannan aikaan turvetuontantoalueella. Lisäksi työssä pohditaan miten erilainen näytteenottoohjelma vaikuttaa turvetuotantoalueilta arvioituun kiintoaine kuormitukseen ja kehitetään yleiseen paikkatietoaineistoon perustuva malli jolla on mahdollista ennustaa pohjaveden purkatumispaikkoja harjualueilla. Routaisella turvetuotantoalueelta kiintoaineen, värin ja liuenneen orgaanisen hiilen pitoisuudet olivat pieniä lumensulannan aikaan. Työssä seurattu pintavalutuskenttä vähensi kiintoainekuormitusta alapuoliseen vesistöön myös lumensulannan ja syksyn aikana. Ravinteiden osalta pintavalutuskentän toiminta oli parasta kesäaikaan, lumensulannan ja syksyn aikana havaittiin typen ja fosforin huuhtoutumista. Eri näytteenotto-ohjelmilla havaittiin olevan suuri vaikutus arvioituun kuormitukseen. Yleisesti voidaan sanoa epävarmuuden kasvavan kohti harvempaa näytteenotto väliä (viikoittainen-kuukausittainen), mutta, myös viikoittaisella näytteenotolla epävarmuus on huomattava. Kehitettyä paikka- tietomallia kokeiltiin kahdella harjulla jossa se pystyi antamaan suuntaa antavaa arvioita pohjaveden purkautumispaikoista. Työn tuloksia voidaan hyödyntää turvetuotannon tai muiden turvemailla tai niiden lähellä sijaitsevien teollisuuden vesistövaikutuksia arvioitaessa. Esimerkiksi routaisella turvemaalla voitaisiin harkita lumensulannasta aiheituvan valunnan ohijuoksutusta vesiensuojelurakenteista. Työssä todettiin myös pintavalutuskenttien toimivan vaihtelevan kuormituksen alaisena, sekä lumensulannan että syksyn aikaan. Arvioiduissa kuormituksissa erinäytteenottoväleillä havaitut suuret epävarmuudet saattavat rajoittaa laskelmien käyttöä joissakin tarkoituksissa. Epävarmuutta voidaan vähentää käyttämällä hyväksi edellisinä vuosina tehtyjä vedenlaatumittauksia. Luotettavin tapa epävarmuuden vähentämiseksi on jatkuvatoimisten vedenlaatumittareiden käyttäminen.

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 Water in the coastal areas of Ostrobothnia typically contains high levels of humus, iron and manganese. Organic matter and iron contained in groundwater form compounds that make water treatment more difficult. The treatment process of such water usually resembles that used in a traditional chemical water treatment plant. This kind of chemical treatment process is, however, an expensive alternative in view of the resources of a small or a medium-sized treatment plant. The aim of this research was to find out whether ozonation and oxidation with hydrogen peroxide can be used for the treatment of water containing high amounts of organic matter. Ozone is rather widely used in surface water plants for the final treatment of water. The most common applications include the disinfection and oxidation of substances that cause unpleasant taste and odour in water. This research deals with the use of ozone for the treatment of groundwater containing iron and manganese. Since ozone is a powerful oxidizer, it is able to oxidize iron and manganese contained in water into an insoluble form. Also a noticeable amount of organic matter is precipitated in the same process. However, in some of the researched cases the precipitate was so fine that it was impossible to separate it with traditional methods. A combination of ozonation and microfiltration proved to be a successful form of treatment when dealing with this type of water. Ozonation increased the AOC of water in all of the researched cases. The content of bromide is reasonably low in Finnish groundwater. The median measured in coastal Northern Ostrobothnia was 0.025 mgl-1. With the used ozone dosage, the bromate formed in the process stayed below the limit value of 10 μgl-1. Therefore it can be stated that the formation of bromate does not hinder ozone treatment from becoming a more common form of water treatment in Finland. However, the formation of bromate must be taken into consideration, especially if ozonation is made in hig pH. Hydrogen peroxide can be used as an alternative chemical in the oxidation and precipitation processes of iron in groundwater. The chemical is used for the oxidation of iron before filtration. If the formed precipitate is fine, microfiltration or flocking chemical can be used to remove the precipitate. / Tiivistelmä Pohjanmaan rannikkoseudun pohjavesille on tyypillistä korkeat rauta- ja mangaanipitoisuudet yhdistettynä suureen humuspitoisuuteen. Orgaaninen aine muodostaa pohjaveden raudan kanssa yhdisteitä, jotka vaikeuttavat vedenkäsittelyn toimintaa. Kyseisten vesien käsittely lähestyy yleensä perinteistä kemiallista pintavesilaitosta. Kuitenkin pienten ja keskisuurten vesilaitosten resursseihin nähden täydellinen kemiallinen käsittely on kallis vaihtoehto. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää otsonoinnin ja vetyperoksidihapetuksen käyttökelpoisuutta näiden runsaasti orgaanista ainetta sisältävien vesien käsittelyssä. Otsonoinnin yleisimmät sovellutukset ovat hajua ja makua aiheuttavien aineiden hapettaminen ja desinfiointi. Tässä tutkimuksessa selvitettiin otsonin käyttöä rauta- ja mangaanipitoisten pohjavesien käsittelyssä. Otsoni saa voimakkaana hapettimena vedessä olevan raudan ja mangaanin hapettumaan ei liukoiseen muotoon. Samalla kerasaostui huomattava määrä orgaanista ainetta. Kuitenkin muodostuva sakka on joissain tapauksissa niin hienojakoista, että sen erottaminen perinteisin menetelmin on mahdotonta. Näiden ns. ongelmavesien käsittelyssä saatiin hyviä tuloksia otsonoinnin ja mikrosuodatuksen yhdistelmällä. Otsonointi nosti huomattavasti kaikkien tutkittujen vesien AOC-pitoisuutta. Bromidipitoisuudet suomen pohjavesissä olivat kohtuullisia. Pohjanmaan rannikkoseudun pohjavesien bromidipitoisuuksien mediaani oli 0,025 mgl-1. Kaikilla vesillä käytännön otsoniannostuksilla syntyvät bromaattimäärät alittivat 10 μgl-1 raja-arvon. Bromaattiongelma ei ole este otsonikäsittelyn yleistymiselle Suomessa. Se on kuitenkin tiedostettava, varsinkin, jos otsonointi tehdään korkeassa pH:ssa. Vetyperoksidi on vaihtoehtoinen kemikaali pohjaveden raudan hapettamiseen ja saostamiseen. Vetyperoksidia voidaan käyttää raudan saostamiseen ennen suodatusta. Mikäli muodostuva sakka on hienojakoista, voidaan sakanerotus tehdä mikrosuodatuksella tai käyttää hyväksi flokkauskemikaaleja.