Assessing water and sediment balances in clayey agricultural fields in high-latitude conditions

Abstract

Comprehensive knowledge of hydrological processes controlling water flow, erosion and transport of substances is a prerequisite for the design of water management procedures for sustainable crop production. Knowledge gaps currently exist regarding hydrological processes and flow paths of water and sediment in subdrained clayey soils in high-latitude conditions. This thesis aimed to quantify the dominating water and sediment balance components in subdrained clayey soils in different drainage, topographic and hydrometeorological conditions. Moreover, the thesis aimed to quantify the dominating erosion processes and evaluate the capability of a three-dimensional (3D) dual-permeability model to tackle the preceding objectives. The simulation results and data covered a range of experimental conditions and produced a closure of water and sediment balances. Lateral preferential groundwater outflow, which has not been quantified in previous studies, was shown to form a major water balance component, and terrain slope was shown to control its magnitude. Due to the groundwater flow processes, field areas were linked to non-local processes. Topography of the field areas and the surrounding areas were shown to have an impact on the hydrological effects of drainage installations. Evapotranspiration (ET) dominated the annual water balances. However, the results suggested that standard ET estimation methods have to be adjusted to accurately estimate ET in high-latitude conditions. During the growing seasons, groundwater outflow formed the highest outflow component. Most water and sediment outflow occurred outside the growing seasons when ET was minimal. Drain discharge was the highest outflow component during the dormant seasons, and subsurface components dominated the water outflow. The results suggest that tillage layer runoff (TLR) typically occurred due to saturation a excess mechanism. Typically, soil frost did not have a high impact on runoff generation, although occasionally frost conditions increased the amount of TLR. Subsurface transport pathways dominated the sediment loads. Load via subdrains formed the highest load component, and load via groundwater outflow contributed to the simulated load generation. Simulations provided a quantification of sediment balances and demonstrated that the majority of the eroded particles at the field surface did not form load. Three model structures demonstrated how structural uncertainties can impact the simulation results. The 3D dual-permeability approach was found to be a suitable method for water and sediment balance analyses. More detailed analyses would require detailed data on hydraulic properties in deep soil layers and erosion and sediment transport processes within the fields. The results suggest that the design of drainage and water protection measures should focus more on subsurface flow and load pathways.

Veden virtausta, eroosiota ja aineiden kulkeutumista hallitsevien prosessien tunteminen on ennakkoedellytys tehokkaiden ja ympäristön kannalta kestävien vesienhallintatoimenpiteiden suunnittelulle. Nykyisellään hydrologisten prosessien tuntemuksessa pohjoisten ilmasto-olosuhteiden salaojitetuissa savimaissa on puutteita. Tämän työn tavoitteena oli estimoida hallitsevat vesi- ja kiintoainetaseen komponentit salaojitetuilla savipelloilla erilaisissa maankuivatuksen, topografian ja hydrometeorologian olosuhteissa. Tavoitteena oli myös määrittää hallitsevat eroosioprosessit ja arvioida kolmiulotteisen (3D) monihuokosmallin soveltuvuutta vesi- ja kiintoainetaseiden sekä eroosioprosessien estimoimiseen savipelloilla. Simulaatio- ja mittaustulokset kahdelta koekentältä tuottivat arvion vesi- ja kiintoainetaseista. Horisontaalisten oikovirtausreittien kautta virtaava pohjavesivalunta osoittautui laskelmissa oleelliseksi vesitaseen komponentiksi, jonka määrää kontrolloi maaston topografia. Pohjavesivaluntaprosessien vuoksi peltoalueet kytkeytyivät niitä ympäröiviin alueellisiin hydrologisiin systeemeihin. Siten tutkittujen peltojen ja niitä ympäröivien alueiden topografia vaikutti monitoroitujen alojen hydrologiaan. Evapotranspiraatio hallitsi vuotuisia vesitaseita. Tulosten mukaan standardimenetelmiä täytyy kuitenkin kalibroida, jotta ne pystyvät arvioimaan haihduntaa tarkasti pohjoisissa olosuhteissa. Kasvukausien aikana pohjavesivalunta muodosti suurimman valuntakomponentin. Suurin osa valunnasta ja kuormista tapahtui kasvukauden ulkopuolella ja salaojavalunta muodosti suurimman valuntakomponentin. Pintakerrosvaluntaa tapahtui pääasiassa maaperän vesivaraston kyllästymisen yhteydessä. Maan jäätymisellä ei ollut suurta vaikutusta valuntojen muodostumiseen, mutta yksittäisinä keväinä routa lisäsi pintakerrosvalunnan muodostumista. Suurin osa kiintoainekuormasta muodostui maanpinnan alapuolisia virtausreittejä pitkin. Salaojien kautta tuleva kuorma muodosti suurimman kuormituskomponentin ja huomattava osa laskennallisesta kuormasta tapahtui pohjavesivalunnan kautta. Simulaatiot muodostivat arvion kiintoainetaseista ja osoittivat, että suuri osa maan pinnalla erodoituneesta materiaalista ei muodostanut kuormaa. Kolme mallirakennetta demonstroivat kuinka rakenteelliset epävarmuudet voivat vaikuttaa simulaatiotuloksiin. 3D monihuokosmalli osoittautui sopivaksi menetelmäksi vesi- ja kiintoainetaseiden analyyseihin. Kattavampi analyysi vaatisi syvien maakerrosten hydraulisten ominaisuuksien tarkempaa määrittämistä ja peltolohkojen sisäisiä mittaushavaintoja eroosiosta sekä kiintoaineen kulkeutumisesta. Tulosten mukaan maankuivatuksen ja vesiensuojelun suunnittelun tulisi fokusoitua aiempaa enemmän maanpinnan alapuolisiin virtaus- ja kuormitusreitteihin.