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

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Warsta, Lassi, Dr., Aalto University, Finland
dc.contributor.author Turunen, Mika
dc.date.accessioned 2017-04-07T09:00:37Z
dc.date.available 2017-04-07T09:00:37Z
dc.date.issued 2017
dc.identifier.isbn 978-952-60-7378-1 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-7379-8 (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/123456789/25042
dc.description.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. en
dc.description.abstract 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. fi
dc.format.extent 106 + app. 72
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 67/2017
dc.relation.haspart [Publication 1]: Turunen, M., Warsta, L., Paasonen-Kivekäs, M., Nurminen, J., Myllys, M., Alakukku, L., Äijö, H., Puustinen, M., Koivusalo, H., 2013. Modeling water balance and effects of different subsurface drainage methods on water outflow components in a clayey agricultural field in boreal conditions. Agricultural Water Management 121, 135–148. DOI: 10.1016/j.agwat.2013.01.012
dc.relation.haspart [Publication 2]: Turunen, M., Warsta, L., Paasonen-Kivekäs, M., Nurminen, J., Koivusalo, H., 2015. Simulating water balance and evapotranspiration in a subsurface drained clayey agricultural field in high-latitude conditions. Acta Agriculturae Scandinavica, Section B—Soil & Plant Science 65(sup1), 44–57.DOI: 10.1080/09064710.2014.975834
dc.relation.haspart [Publication 3]: Turunen, M., Warsta, L., Paasonen-Kivekäs, M., Nurminen, J., Alakukku, L., Myllys, M., Koivusalo, H., 2015. Effects of terrain slope on long-term and seasonal water balances in clayey, subsurface drained agricultural fields in high latitude conditions. Agricultural Water Management 150, 139–151. DOI: 10.1016/j.agwat.2014.12.008
dc.relation.haspart [Publication 4]: Turunen, M., Warsta, L., Paasonen-Kivekäs, Koivusalo, H. Computational assessment of sediment balance and suspended sediment transport pathways in subsurface drained clayey soils. Revised manuscript. Under review at Soil & Tillage Research (submitted on 7 Oct 2016).
dc.subject.other Environmental science en
dc.title Assessing water and sediment balances in clayey agricultural fields in high-latitude conditions en
dc.title Vesi- ja kiintoainetaseiden määritys savipelloilla pohjoisissa olosuhteissa 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 drainage en
dc.subject.keyword preferential flow en
dc.subject.keyword groundwater outflow en
dc.subject.keyword erosion en
dc.subject.keyword sediment transport en
dc.subject.keyword dual-permeability model en
dc.subject.keyword 3D model en
dc.subject.keyword hydrological connection en
dc.subject.keyword maankuivatus fi
dc.subject.keyword oikovirtaus fi
dc.subject.keyword pohjavesivalunta fi
dc.subject.keyword eroosio fi
dc.subject.keyword kiintoaineen kulkeutuminen fi
dc.subject.keyword monihuokosmalli fi
dc.subject.keyword 3D malli fi
dc.subject.keyword hydrologinen yhteys fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-7378-1
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 Jansson, Per-Erik, Prof. Emeritus, KTH Royal Institute of Technology, Sweden
dc.contributor.lab Water and Environmental Engineering en
dc.rev Nieber, John L., Prof., University of Minnesota, USA
dc.rev Øygarden, Lillian, Dr., Bioforsk, Norway
dc.date.defence 2017-04-28


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