Abstract A key challenge in Integrated Water Resources Management (IWRM) is determination of environmental flow (EF). This is relevant in all water use scenarios and river regulation work. Water use and management alter water availability for ecosystems and the timing and distribution of runoff. Increased water consumption and allocation of water to different types of consumption impose pressures on aquatic ecosystems, affecting their status and ability to deliver important services, well–known examples being the Aral Sea in Asia and Lake Chad in Africa. This thesis presents new methods to determine the impacts of hydraulic structures on the flow regime of lakes and rivers. Methods to quantify different characteristics of flow in a non–dimensionless way are also presented. These tools allow more environment–based regulation of flow regimes. By using three main flow characteristics of river regime (magnitude, timing and intra–annual), three impact factors, MIF (magnitude impact factor), TIF (timing impact factor) and VIF (variation impact factor), were developed. Combining these impact factors produced a new river impact (RI) index to assess the impacts of hydraulic structure using monthly flow data. Based on RI variations, a classification was developed rating impacts along a scale from ‘Low’ to ‘Drastic’. The importance of climate patterns and river flow regime in controlling lake levels was examined. The lake simulation results were compared using a new index, Degree of Lake Wetness (DLW) and lake response time to changes in hydrology or climate was evaluated. Environmental flow allocation and optimisation of annual EF distribution are critical for ecosystem health. Flow release from reservoirs can be partly supplemented or compensated for by natural runoff from downstream (residual) catchment areas. In a new hydrological approach, optimal intra–annual flow regime for EF can be estimated while considering water inflow from the downstream residual sub-catchment. This thesis provides methods and indices to help quantify river and lake regimes, better understand the possible impacts of changes and manage these impacts optimally. This knowledge is crucial for decision making about EF regimes and achieving water release patterns from dams and hydropower that minimise the hydrological, morphological and biological impacts. / Tiivistelmä Integroidun vesivarojen suunnittelun ja hallinnan (IWRM) yhtenä haasteena on ympäristövirtaaman määrittäminen valuma–alue-tasolla. Tämä on tärkeää arvioitaessa säännöstelyn ja vesirakentamisen ympäristövaikutuksia. Vedenkäyttö ja hallinta muuttavat veden saatavuutta jokiekosysteemissä ja virtaaman vuosittaista ajoittumista sekä jakautumista eri kuukausien välillä. Vesivarojen lisääntyvä käyttö eri tarkoituksiin voi vaikuttaa vesiekosysteemeihin ja niiden tuottamiin ekosysteemipalveluihin. Aral–järvi Aasiassa ja Chad–järvi Afrikassa ovat hyviä esimerkkejä veden liiallisesta käytöstä ja ympäristönäkökulman huomiotta jättämisestä. Väitöstyön keskeisin tavoite oli kehittää menetelmiä, joilla voidaan arvioida miten vesirakentaminen vaikuttaa jokien virtaamiin ja järvien vedenpintoihin. Jotta vesistövaikutuksia voidaan yleistää, menetelmät kehitettiin dimensiottomiksi. Nämä menetelmät luovat perustan ympäristöystävällisemmällä vesistöjen virtaamien säännöstelylle. Käyttäen kuukausittaista keskivirtaamaa ja kolmea tyypillisintä virtaamaluokkaa (suuruus, ajoittuminen ja vuodenaikainen vaihtelu), määritettiin uusi yhdistetty jokivaikutusindeksi (RI). Tämän indeksin avulla voitiin lopulta arvioida vesirakentamisen vaikutusta. Perustuen RI-indeksiin, usean joen vesirakentamisen vaikutuksia arvioitiin luokittelemalla vaikutukset vähäisiksi tai merkittäviksi. Työssä tarkasteltiin ilmaston vaihtelun ja jokien virtaamaolosuhteiden vaikutusta järvien vedenpintoihin. Järvisimuloinnin tuloksia verrattiin puolestaan käyttäen indeksiä, joka kuvaa järvessä tapahtuvia muutoksia suhteessa hydrologisiin ja ilmastollisiin olosuhteisiin. Väitöskirja käsittelee myös ympäristövirtaamien (EF) keskeisiä kysymyksiä: vedenkäytön jakautumista ja vuosittaisen virtaaman optimointia ympäristövirtaaman näkökulmasta. Työssä käytetään uutta hydrologista lähestymistapaa arvioimaan ympäristövirtaaman optimoitua kausivirtaamavaihtelua. Tässä lähestymistavassa vesivarastoaltaista lähtevää virtaamaa voidaan osittain täydentää tai kompensoida alapuoliselta valuma–alueelta tulevalla virtaamalla. Väitöstyön tulokset lisäävät ymmärrystä vesivarojen kestävästä käytöstä. Lisäksi työssä kehitetyillä menetelmillä voidaan määrittää ja optimoida jokien ja järvien virtaamaolosuhteita erilaisissa tilanteissa. Väitöstyö tarjoaa uusia käytäntöjä päätöksentekoon liittyen ympäristövirtaamaolosuhteisiin ja -jakaumiin vesivoima- ja vedenkäyttökysymyksissä ottaen huomioon hydrologiset, morfologiset ja biologiset rajoitteet.

Abstract During the past half century several large lakes in Finland have experienced notable changes in their ecological condition, induced mainly by water level regulation, eutrophication and land use transformation. The objective of this thesis was the quantification of the spatiotemporal changes of aquatic macrophytes in Finland during the second half of the 1900s. Mapped aquatic macrophyte cover from historic (1947–1963) and present day (1996–2000) aerial photographs, additional macrophyte data and several environmental variables were used to identify the main determinants of aquatic macrophyte distribution, abundance and change. Furthermore, factors influencing the littoral paludification process were identified. The study was conducted in 24 boreal lakes (41–1116 km2) with multisource vegetation data. Selected environmental variables of water level regulation, eutrophication and geomorphology were collected and analyzed. More than 402 km of littoral shoreline in historic and present day aerial photographs was analyzed with stereoscopic visual interpretation. A total of 474 habitat level study sites were used to examine the determining environmental factors of occurrence, abundance and change of emergent vegetation. Finally, 289 vegetation transects were performed in order to study the occurrence, types and main determinants of littoral paludification. Water level regulation was found to be the primary factor behind aquatic macrophyte vegetation development at the whole lake level. The major vegetation changes were determined by the mean water level rise or reduction, decreased fluctuation range and reduced spring flood. The vegetation response was less pronounced in a lake with water level regulation similar to natural fluctuation. Eutrophication influenced aquatic macrophytes at the site level. Land use variables of tributary and agriculture, indicating nutrient increment, corresponded positively with vegetation occurrence and abundance. Geomorphology explained vegetation development at the habitat level. Clay and related deposits and the shore slope specified the vegetation occurrence and affected the abundance of vegetation. Water level regulation, eutrophication, clay and shallowness were found to influence paludification. Helophyte species, common reed (Phragmites australis) and water horsetail (Equisetum fluviatile), dominated the emergent vegetation in the studied lakes. / Tiivistelmä Viimeisen puolen vuosisadan aikana suomalaisiin suurjärviin on kohdistunut lukuisia muutoksia, jotka ovat vaikuttaneet järvien ekologiseen tilaan. Muutoksia ovat aiheuttaneet pääasiallisesti vesistöjen säännöstely, rehevöityminen sekä maankäytön muuttuminen. Tämän väitöskirjan tarkoituksena on analysoida noin viimeisten 50 vuoden aikana suomalaisissa suurjärvissä tapahtunutta ranta- ja vesikasvillisuuden pitkäaikaismuutosta. Historiallisilla (1947–1963) ja nykyisillä (1996–2000) ilmakuvilla, muilla kasvillisuusaineistoilla sekä useilla ympäristömuuttujilla tunnistettiin keskeisiä tekijöitä, jotka vaikuttivat kasvillisuuden esiintymiseen, runsauteen ja muutokseen. Tämän lisäksi tutkittiin rantojen pysyvän umpeenkasvun kehitysprosessia. Tutkimusta varten kasvillisuudesta kerättiin monilähdeaineistoa kaikilta Suomen päävaluma-alueilta yhteensä 24 eri järveltä, joiden koko vaihteli 41–1116 km2:n välillä. Tämän lisäksi useita vesistöjen säännöstelyn, rehevöitymisen ja geomorfologian ympäristömuuttujia kerättiin ja analysoitiin. Stereoskooppisella visuaalisella ilmakuvatulkinnalla tutkittiin yli 402 kilometriä rantaviivaa historiallisista ja nykyisistä ilmakuvista. Ilmaversoisen ranta- ja vesikasvillisuuden esiintymistä, runsautta ja historiallista muutosta analysoitiin 474 habitaattitason tutkimuspisteellä. Rantojen pysyvän umpeenkasvun esiintymistä, umpeenkasvun eri tyyppejä ja sitä määrittäviä tekijöitä tutkittiin 289 kasvilinjalla. Tutkimuksen tuloksena havaittiin, että järvitasolla vesistöjen säännöstely oli tärkein kasvillisuuden historialliseen kehitykseen vaikuttava tekijä. Huomattavimmat kasvillisuusmuutokset määräytyivät keskiveden noston, pienentyneen säännöstelyvälin, vähentyneen kevättulvan ja lasketun keskiveden tason seurauksena. Kasvillisuusmuutokset eivät olleet niin selviä, jos säännöstely muistutti luonnontilaista säännöstelyä. Rehevöityminen vaikutti ranta- ja vesikasvillisuuteen paikallisesti. Ravinteisuutta ilmentävät maankäytön muuttujat, ojat sekä maanviljelys, lisäsivät kasvillisuuden esiintymistä ja runsautta. Geomorfologiset tekijät selittivät kasvillisuuden kehitystä habitaattitasolla. Savinen maaperä sekä rannan mataluus lisäsivät vesi- ja rantakasvillisuuden esiintymistä sekä kasvillisuuden runsautta. Vesistöjen säännöstely, rehevöityminen, savinen maaperä sekä rannan mataluus lisäsivät rantojen pysyvää umpeenkasvua. Ilmaversoiset kasvilajit, järviruoko (Phragmites australis) ja järvikorte (Equisetum fluviatile), hallitsivat kasvillisuutta tutkituissa järvissä.