University of Oulu

Temporal and spatial variation in the status of acid rivers and potential prevention methods of AS soil-related leaching in peatland forestry

Saved in:
Author: Saarinen, Tuomas
Organizations: University of Oulu Graduate School
University of Oulu, Faculty of Technology, Department of Process and Environmental Engineering
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 1.4 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526201108
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2013
Publish Date: 2013-05-14
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in Kaljusensali (Auditorium KTK112), Linnanmaa, on 24 May 2013, at 12 noon
Tutor: Professor Bjørn Kløve
Research Professor Erkki Ala-Saarela
Reviewer: Professor Markku Yli-Halla
Doctor Anne Laine
Opponent: Doctor Pasi Peltola
Description:

Abstract

This thesis examines temporal and spatial variations in the status of different rivers and streams of western Finland in terms of acidity and sources of acid load derived from the catchment area. It also examines the monitoring of acid runoff water derived from maintenance drainage in peatland forestry and suggests potential mitigation methods.

A total of 17 river basins of different sizes in western Finland were selected for study, including rivers affected by both drainage of agricultural AS soils and forested peatlands. Old data from 1911–1931 were available, but most data were from the 1960s onwards and were taken from the HERTTA database. During 2009–2011, pH and conductivity measurements and water sampling were conducted. Biological monitoring for ecological classification was conducted in the Sanginjoki river system during 2008 and 2009. Three peatland forestry sites were selected to study acid leaching via pH and EC measurements and water sampling. Fluctuations in groundwater level in different drainage conditions were simulated and acid leaching was investigated in laboratory experiments in order to replicate a situation where the groundwater level drops and allows oxidation of sulphidic materials.

It was found that river pH decreased and metal concentrations increased with runoff. The highest acidity observed coincided with periods of intense drainage in the 1970s and after dry summers in the past decade. Together with pH, electric conductivity and sulphate in river water were identified as suitable indicators of AS soils in a catchment, because they directly respond to acid leaching derived from AS soils. Acidity derived from organic acids was clearly observed in catchments dominated by forested peatlands and wetlands. Temporal and spatial variations in ecological status were observed, but monitoring at whole-catchment scale and during consecutive years is needed to increase the reliability of the results.

Simulations on the potential effects of maintenance drainage in peatland forestry on runoff water quality showed a clear risk of oxidation of sulphidic materials during dry summers. This can be prevented mainly by avoiding too deep drainage. Knowledge of the hydrochemical impacts of acidic load derived from AS soils and drained peatlands is necessary for land use planning and sustainable water management of river basins affected by these soils.


Tiivistelmä

Tutkimuksessa tarkastellaan Suomen länsirannikon happamuudesta kärsivien jokivesistöjen tilan ajallista ja paikallista vaihtelua. Tutkimuskohteena on sekä happamien sulfaattimaiden että ojitettujen turvemaiden jokivesistöjä. Tutkimuksessa tarkastellaan myös sulfidipitoisilta metsäojitetuilta turvemailta valuvaa happamuutta sekä ehdotetaan tällaisille kohteille soveltuvia keinoja huuhtouman ehkäisemiseksi.

Tutkimukseen valittiin 17 erikokoista jokivesistöä, joiden valuma-alueella on sekä happamia sulfaattimaita että metsäojitettuja turvemaita. Varhaisin väitöskirjaan sisällytetty aineisto on vuosilta 1911–1931. HERTTA-tietokannasta poimittiin aineistoa happamuusmuuttujista 1960-luvulta alkaen. Vuosina 2009–2011 suoritettiin pH- ja sähkönjohtavuusmittauksia sekä otettiin vesinäytteitä Siika- ja Pyhäjoen valuma-alueen joista sekä näiden välissä sijaitsevien pienempien valuma-alueiden joista. Ekologisen tilan selvittämiseksi otettiin biologiset näytteet Sanginjoen valuma-alueen joista ja puroista vuosien 2008 ja 2009 aikana. Kunnostusojituskohteilla seurattiin pH:n ja sähkönjohtavuuden muutoksia kokoojaojissa sekä otettiin vesinäytteitä. Pohjaveden pinnan vaihtelua selvitettiin sekä kenttämittauksilla että mallinnuksen avulla. Laboratoriokokeen avulla selvitettiin sulfidien hapettumista.

Metallipitoisuudet nousivat ja pH laski valumien kasvaessa. 1970-luvulla toteutetut salaojitukset heijastuivat jokien happamuuden kasvuna. Myös viime vuosikymmenen kuivat kesät näkyivät veden happamuuden lisääntymisenä syksyn ylivirtaamatilanteissa. Veden pH, sähkönjohtavuus sekä sulfaatti ilmensivät happamien sulfaattimaiden esiintymistä valuma-alueella. Orgaanisista hapoista peräisin olevaa happamuutta havaittiin valuma-alueilla, joilla on runsaasti ojitettuja turvemaita. Ekologisen tilan ajallisen ja paikallisen vaihtelun vuoksi seurantaa tulisi toteuttaa peräkkäisinä vuosina sisällyttäen tarkasteluun valuma-alueen eri jokia ja puroja.

Kunnostusojitukset voivat aiheuttaa happamuutta, jos ojitus ulottuu sulfidikerrokseen. Riski on olemassa poikkeuksellisen kuivina kesinä. Sulfidien hapettumista voidaan ehkäistä välttämällä liian syvien ojien kaivamista. Maatalouskäytössä olevilta happamilta sulfaattimailta ja ojitetuilta turvemailta peräisin olevan huuhtouman vaikutukset tulee tuntea, jotta valuma-alueiden maankäyttöä ja vesiensuojelua voidaan toteuttaa tehokkaasti.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-0110-8
ISBN Print: 978-952-62-0109-2
Issue: 448
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.