Hydrological trends and connections from catchment to lake in northern conditions

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2019-01-28
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Water and Environmental Engineering (WAT)
Language
en
Pages
68 + 10
Series
Abstract
Lake Pesiöjärvi and its catchment form a middle-sized forested basin in eastern Finland with broad and long hydrological observations and datasets. This work utilised these datasets to study two separate entities. The first objective was to research trends in meteorological, hydrological and hydrochemical time series with Mann-Kendall trend and Sen’s slope tests. The relation of the observed trends to changing climate and land use was also studied. For this purpose a land use analysis was made, which compared the past and present situation of land cover and forestry practices in the catchment. Second objective was study the role of groundwater flow in the water budget of the lake. The analysis was performed with a simple water budget calculation. Evaporation was estimated by correcting Class A pan measurements with coefficients derived with bulk aerodynamic method. The calculation utilised evaporation raft measurements from the lake. In addition, the sensitivity of the water budget analysis to the magnitude of evaporation was inspected by comparing two additional evaporation estimates. The trend analysis revealed positive trends in winter and springtime mean discharge and annual and spring minimum discharge. In addition, precipitation and air temperature showed positive trends in early winter. Annual maximum observed snow water equivalent and lake ice break-up date exhibited negative trends. Total nitrogen concentration had positive trends in lake surface in summer and lake bottom in winter. An up-stream Lake Pieni-Pesiöjärvi exhibited positive trend for total nitrogen in winter for the entire water pillar and negative trend in lake surface in spring. The land cover analysis revealed a decrease of 0-9 km2 or 0-8 % of catchment area in peatland forest and similar increase in forest in mixed or mineral soil. The major transformer of land was estimated to be peatland drainage. The relatively small changes in the catchment land cover lead to the conclusion that the observed trends could be attributed to changing climate. The annual average of groundwater inflow to lake was 27 000 m3/d, which was 25 % of the net inflow (sum of all input and loss terms apart from the lake discharge). The flow rate against the area of the lake was 2,1 mm/d. The intra-annual variation of groundwater inflow was observed to follow variations in groundwater table elevation and lake water level. The variation of the percentual share of groundwater flow in the water budget was mostly governed by surface runoff and snowmelt. The used evaporation estimate had only minor effect on the annual average values of groundwater inflow, but was found to alter the intra-annual variation during summer and change the locations of the annual peak and low values.

Kainuussa sijaitsevalla Pesiöjärven valuma-alueella on suoritettu monipuolista hydrologista seurantaa 1980-luvulta asti. Tämän työn ensimmäisenä tavoitteena oli koota yhteen olemassa olevia aineistoja ja selvittää näkyykö alueen meteorologisissa, hydrologissa ja hydrokemiallissa havaintoaineistossa ajallisia muutoksia. Menetelminä käytettiin Mann-Kendallin trendi- ja Senin kulmakerrointestiä. Jotta mahdollisten muutosten syitä voitaisiin työssä arvioida, suoritettiin laaja maanpeite- ja maankäyttöanalyysi, missä verrattiin aikasarjojen alun ja nykyisen maanpeitteen ja maankäytön muutosta. Työn toisena tavoitteena oli arvioida pohjavesivalunnan osuutta Pesiöjärven vesitaseesta. Analyysin pohjana käytettiin yksinkertaista vesitase-analyysiä. Järvihaihduntaa arvioitiin korjaamalla astiahaihduntahavaintoja kertoimilla, jotka oli laskettu aerodynaamisella menetelmällä. Laskennassa hyödynnettiin Pesiöjärvellä käytössä olleen haihdunta-lautan havaintoaikasarjoja. Lisäksi vesitaseen herkkyyttä haihdunnan suuruuteen tutkittiin vertailemalla kahta vaihtoehtoista haihdunta-arviota. Trendianalyysi paljasti nousevia trendejä talven ja kevään kuukausien keskivirtaamissa sekä vuosittaisten ja kevään jaksojen alivirtaamissa. Lisäksi sadanta ja ilman lämpötila osoittivat nousevia trendejä alkutalvesta. Talven suurimmat havaitut lumen vesiarvot ovat pienentyneet ja jäänlähtö on aikaistunut havaintojaksolla. Kokonaistypen konsentraatiossa havaittiin nouseva trendi pintavedessä kesällä ja pohjan lähettyvillä talvella. Osavaluma-alueella sijaitsevan Pieni-Pesiöjärven kokonaistypen konsentraatiossa havaittiin nouseva trendi vesipatsaan keskiarvossa talvella ja laskeva trendi pintavedessä keväällä. Maanpeiteanalyysissä havaittiin turvemaametsän pinta-alan pienentyneen 0-9 km2, mikä on 0-8 % valuma-alueen pinta-alasta ja vastaavasti metsäisen seka- ja mineraalimaan alan kasvaneen. Merkittävin tekijä maanpeitteen muutoksessa oli turvemetsien ojitus. Suhteellisen pienet muutokset maanpeitteessä johtivat päätelmään, että havaitut trendit johtuvat ilmastotekijöistä. Järveen tulevan pohjavesivalunnan vuosikeskiarvoksi saatiin 27 000 m3/d, joka oli 25 % nettotulovirtaamasta (tulo- ja häviökomponenttien summa poisluettuna järven lähtövirtaama). Järven pinta-alaan suhteutetuksi valunnaksi saatiin 2,1 mm/d. Vuodensisäisen pohjavesivalunnan vaihtelun todettiin seuraavan pohjaveden ja järven vedenpintojen korkeuksien vaihteluita. Merkittävin tekijä pohjavesivalunnan prosentuaalisen osuuden vaihtelussa suhteessa vesitaseeseen oli pintavalunta. Käytetyllä haihdunta-arviolla oli vähäinen vaikutus pohjavesivalunnan vuosikeskiarvoon, mutta sen havaittiin vaikuttavan merkittävästi vuodensisäiseen vaihteluun ja muuttavan vuoden suurimman ja pienimmän arvon ajankohtia.
Description
Supervisor
Koivusalo, Harri
Thesis advisor
Koskela, Jarkko
Keywords
catchment hydrology, trend analysis, climate change, land use, groundwater-surface water interaction, lake water budget
Other note
Citation