Erosion and sediment transport mechanisms in drained peatland forest catchments after ditch network maintenance

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Finér, Leena, Prof., Natural Resources Institute Finland
dc.contributor.author Stenberg, Leena
dc.date.accessioned 2016-11-02T10:01:26Z
dc.date.available 2016-11-02T10:01:26Z
dc.date.issued 2016
dc.identifier.isbn 978-952-60-7054-4 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-7053-7 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/23390
dc.description.abstract It is common practice to drain peatland forests in order to obtain better conditions for tree growth. Ditch network maintenance (DNM), the cleaning of existing ditches and digging of new supplemental ditches, is needed every few decades. DNM causes some of the most harmful environmental effects of forestry due to the sediment load induced by the increased erosion in the ditch network. The main objectives of this thesis are: 1) to identify the key mechanisms inflicting erosion and sediment load following DNM, 2) to compare pin meter measurements and terrestrial laser scanning (TLS) for roughness assessment and the change detection of peatland forest ditch topography, and 3) to discuss the practical implications of the results. Two experimental areas were included in the thesis. In Santamäensuo, bank erosion induced by seepage was studied in a short-term experiment post-DNM by using artificial irrigation and pin meter measurements to quantify the changes (erosion and deposition) in the topography of a cleaned ditch bank. In Koivupuro, erosion mechanisms were monitored for two years following DNM by applying pin meter measurements and TLS for the change detection of ditch topography, as well as simultaneously measuring discharge and suspended sediment (SS) load at the main catchment and sub-catchment outlets. A paired catchment method was applied using a nearby reference catchment to estimate the impact of DNM on the SS load. Reference catchments were also utilized to assess the changes in unit hydrographs caused by DNM. The results indicate that several interacting processes and mechanisms affect erosion and sediment generation from the ditch network. Subaerial processes, such as frost and desiccation, prepare the bank for erosion. Bank erosion had an important role in producing sediment in the network, while the role of bed erosion was more modest. In the area of thin peat layer, erosion was the highest during the winter-spring period, while in the peat ditches, most of the erosion occurred during the summer time. Erosion inside the ditch network was significantly higher than the SS load at the catchment outlet, indicating that there is a vast potential of easily transportable sediments deposited at the ditch bed. Vegetation started to develop in the first summer following DNM stabilizing the banks and reducing sediment transport. The hydro- graph analysis showed that DNM increased the discharge peaks and shortened the mean transit times in the catchment. The timing of the peak was more influenced by the proportion of the drained area of the catchment. There were differences in the results, but both methods (pin meter measurements and TLS) indicated that more erosion and higher roughness occurred in the ditch with a thin peat layer, especially in the fine-textured mineral soil part of the ditch bank, which emphasizes the importance of avoiding cleaning areas of thin peat where possible. en
dc.description.abstract Suometsiä ojitetaan puuston kasvuolosuhteiden parantamiseksi. Kunnostusojitusta, eli olemassa olevien ojien puhdistusta ja täydennysojien kaivamista, tarvitaan muutaman vuosikymmenen välein. Kunnostusojitus lisää ojien eroosiota ja kiintoaineen kulkeutumista alapuolisiin vesistöihin, minkä vuoksi se on ympäristön kannalta yksi metsätalouden haital- lisimmista toimenpiteistä. Väitöskirjan päätavoitteina on 1) tunnistaa tärkeimmät eroosioon ja kiintoaineen kulkeutumiseen liittyvät mekanismit kunnostusojituksen jälkeen, 2) verrata neulareliefimittausten ja maalaserkeilauksen soveltuvuutta ojien topografian muutosten ja pinnan karkeuden mittaamiseen ja 3) tarkastella tulosten merkitystä käytännön kannalta. Kunnostusojituksen vaikutuksia tutkittiin kahdella koealueella. Santamäensuolla (Karkkilassa) mitattiin lyhytaikaisessa kokeessa veden tihkumisen aiheuttamaa luiskaeroosiota neulareliefillä lisäämällä eroosioriskiä keinotekoisen kastelun avulla. Koivupuron valuma-alueella (Sotkamossa) eroosiomekanismeja tutkittiin kahden kunnostusojitusta seuranneen vuoden ajan. Ojatopografian muutoksia mitattiin neulareliefillä ja maalaserkeilaimella ja tuloksia verrattiin virtaaman ja kiintoainekonsentraation avulla määritettyyn kiintoainekuormaan valuma-alueen sekä sen sisään rajatun alivaluma-alueen purkupisteissä. Kunnostusojituksen vaikutusta kiintoainekuormaan arvioitiin kalibrointikausi-vertailualue-menetelmän avulla. Vertailualueita käytettiin myös yksikkövaluntakäyrän muutosten arviointiin. Tulosten mukaan eroosioon ja kiintoainekuorman kertymiseen vaikuttavat useat vuorovaikutteiset mekanismit ja prosessit. Ojan luiskassa, vesirajan yläpuolella tapahtuvat subaeeriset prosessit, kuten routiminen ja kuivuminen, lisäävät luiskan eroosioherkkyyttä. Luiskaeroosion merkitys kiintoainekuormitukselle oli pohjaeroosiota suurempi. Ohutturpeisella alueella eroosio oli suurimmillaan talven ja kevään aikana. Sen sijaan paksuturpeisella alueella eroosiota tapahtui eniten kesällä. Ojaverkon sisäiset eroosiomäärät olivat selvästi suurempia kuin valuma-alueen kiintoainekuormitus, mikä viittaa ojaverkon pohjalle kasautuneeseen ja mahdollisesti myöhemmin helposti veden mukana kulkeutuvaan kiintoaineeseen. Kasvillisuuden kehittyminen kunnostusojitusta seuraavana kesänä stabiloi ojien reunoja. Valuntapiikit kasvoivat kunnostusojituksen jälkeen, mutta niiden ajoitus ei juuri muuttunut. Kunnostusojitusta enemmän ajoitukseen vaikutti ojitetun pinta-alan osuus valuma-alueesta. Neulareliefin ja maalaserkeilaimen avulla lasketut eroosiomäärät poikkesivat toisistaan, mutta molempien mukaan eroosio ja pinnan karkeus olivat suurempia ohutturpeisella alueella. Eroosiota tapahtui etenkin hienorakeisesta kivennäismaasta, minkä vuoksi olisi tärkeää mahdollisuuksien mukaan välttää kunnostusojitusta ohutturpeisilla alueilla, joilla ojat yltävät eroosioherkkään kivennäismaahan. fi
dc.format.extent 76 + app. 65
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 202/2016
dc.relation.haspart [Publication 1]: Stenberg, L., Finér, L., Nieminen, M., Sarkkola, S., Koivusalo, H. 2015. Quantification of ditch bank erosion in a drained forested catchment. Boreal Environment Research 20: 1–18. ISSN 1239-6095.
dc.relation.haspart [Publication 2]: Stenberg, L., Tuukkanen, T., Finér, L., Marttila, H., Piirainen, S., Kløve, B., Koivusalo, H. 2015. Ditch erosion processes and sediment transport in a drained peatland forest. Ecological Engineering 75: 421–433. ISSN 0925-8574. DOI: 10.1016/j.ecoleng.2014.11.046
dc.relation.haspart [Publication 3]: Tuukkanen, T., Stenberg, L., Marttila, H., Finér, L., Piirainen, S., Koivusalo, H., Kløve, B. 2016. Erosion mechanisms and sediment sources in a peatland forest after ditch cleaning. Accepted for publication in Earth Surface Processes and Landforms. ISSN: 1096-9837. DOI: 10.1002/esp.3951
dc.relation.haspart [Publication 4]: Stenberg, L., Tuukkanen, T., Finér, L., Marttila, H., Piirainen, S., Kløve, B., Koivusalo, H. 2016. Evaluation of erosion and surface roughness in peatland forest ditches using pin meter measurements and terrestrial laser scanning. Earth Surface Processes and Landforms 41: 1299–1311. ISSN 1096-9837. DOI: 10.1002/esp.3897
dc.subject.other Environmental science en
dc.title Erosion and sediment transport mechanisms in drained peatland forest catchments after ditch network maintenance en
dc.title Kunnostusojituksen vaikutus eroosioon ja kiintoaineen kulkeutumiseen metsäojitetuilla soilla fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Insinööritieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Engineering en
dc.contributor.department Rakennetun ympäristön laitos fi
dc.contributor.department Department of Built Environment en
dc.subject.keyword ditch network maintenance en
dc.subject.keyword erosion en
dc.subject.keyword peatland drainage en
dc.subject.keyword sediment transport en
dc.subject.keyword eroosio fi
dc.subject.keyword kiintoainekuormitus fi
dc.subject.keyword kunnostusojitus fi
dc.subject.keyword suometsät fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-7054-4
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Koivusalo, Harri, Prof., Aalto University, Department of Built Environment, Finland
dc.opn Evans, Martin, Prof., University of Manchester, UK
dc.contributor.lab Water and Environmental Engineering en
dc.rev Lawler, Damian, Prof., Coventry University, UK
dc.rev Futter, Martyn, Associate Prof., Swedish University of Agricultural Sciences, Sweden
dc.date.defence 2016-11-18


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account