Skip to main content
Login | Suomeksi | På svenska | In English

Geochemical characterization of Lake Pyhäjärvi catchment and potential applicability of hydrogeochemical separation in understanding groundwater-surface water interaction

Show full item record

Title: Geochemical characterization of Lake Pyhäjärvi catchment and potential applicability of hydrogeochemical separation in understanding groundwater-surface water interaction
Author(s): Karesvuori, Tommi
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Geosciences and Geography
Discipline: Geology
Language: English
Acceptance year: 2015
Abstract:
Lake Pyhäjärvi, the largest lake in southwestern Finland, has been under considerable external nutrient loading for the past decades. Rivers Pyhäjoki and Yläneenjoki are the only major input rivers of the lake and are the source of most of the external nutrient loading to the lake. The hydrogeochemistry of the Lake Pyhäjärvi catchment, as well as the catchments of the two input rivers, and groundwater-surface water interaction were evaluated using a wide array of geochemical tracers (major ions, dissolved silica, stable isotopes of oxygen and hydrogen, electrical conductivity and radon-222). Additionally, the feasibility of using mass balance based methods to separate river waters of the two input rivers to their respective source components was evaluated independently with each tracer analysed. In the context of this study, stable isotopes alone were deemed plausible and were only usable in the River Pyhäjoki catchment as there was not enough difference between river water and precipitation (new water) stable isotope proportions in River Yläneenjoki. Employing the stable isotopes of oxygen, mass balance based modelling was attempted to separate the hydrograph of River Pyhäjoki to its end-members (new water and old water). Based on the obtained data, the hydrogeochemical content of the surface waters of each subcatchment (Pyhäjärvi, Pyhäjoki and Yläneenjoki) differed significantly. Additionally, the groundwaters were clearly distinguished from surface waters. Differences were most apparent in stable isotope proportions as well as dissolved silica, and in the case of groundwaters in radon-222 concentrations. This categorization was further supported by a hierarchical cluster analysis. Surface waters showed varying signs of evaporation, whereas groundwaters retained the stable isotope characteristics of mean annual precipitation. Dissolved silica concentrations appeared to be mostly affected by the amount of easily soluble silica in the sediment, water residence time, as well as biological uptake in the surface waters. Lithology seemed to be the controlling factor in radon concentrations, with areas of granitic bedrock having the highest concentrations. The hydrograph separation of River Pyhäjoki gave results between 66–88% of old water in the river at the time of sampling, consisting likely mostly of groundwater. Though this result corresponds well with recent similar studies in the area, there were considerable sources of uncertainty, therefore making the result best thought of as indicative. However, there was clear evidence of groundwater-surface water interaction in all of the subcatchments of Lake Pyhäjärvi, with clear evidence of groundwater discharging into the lake, lake water infiltrating into an aquifer near the shore of the lake, as well as signs of groundwater discharging into the two input rivers.
Lounais-Suomen suurin järvi, Säkylän Pyhäjärvi, on kärsinyt merkittävästä ulkoisesta ravinnekuormituksesta viimeisten vuosikymmenten aikana. Suurin osa ulkoisesta ravinnekuormituksesta kulkeutuu järveen Pyhäjoen ja Yläneenjoen mukana. Pyhäjärven valuma-alueen sekä järveen laskevien kahden joen valuma-alueiden hydrogeokemiaa ja pintavesi-pohjavesi vuorovaikutusta tarkasteltiin käyttäen laajaa kirjoa geokemiallisia muuttujia (pääionit, liuennut silikaatti, hapen ja vedyn stabiilit isotoopit, sähkönjohtavuus ja radon-222 radioisotooppi). Lisäksi arvioitiin massatasapainoon perustuvien menetelmien käyttöä Pyhäjoen ja Yläneenjoen vesien erottamiseksi lähtökomponentteihinsa käyttäen analysoituja geokemiallisia muuttujia. Stabiilit isotoopit osoittautuivat lopulta ainoiksi käyttökelpoisiksi muuttujiksi tähän tarkoitukseen tämän tutkimuksen yhteydessä ja olivat sovellettavissa ainoastaan Pyhäjoen valuma-alueella. Yläneenjoen valuma-alueella jokiveden ja sadeveden isotooppisuhteissa ei ollut riittävää eroa. Hapen stabiileja isotooppeja käytettiin Pyhäjoen veden separoimiseksi päätejäsenikseen (uusi vesi ja vanha vesi) massatasapainomallinnusta (hydrografinen separointi) käyttäen. Saatujen hydrogeokemiallisten tulosten perusteella Pyhäjärven, Pyhäjoen sekä Yläneenjoen valuma-alueiden pintavedet erosivat toisistaan merkittävästi. Lisäksi pohjavedet erosivat selkeästi pintavesistä. Tätä jaottelua tuki myös hierarkkinen klusterianalyysi, joka kategorisoi eri alavaluma-alueiden pintavedet omiksi ryhmikseen sekä pohjavedet ja lähdevedet omiksi ryhmikseen. Selkeimmät erot olivat havaittavissa stabiilien isotooppien suhteissa sekä liuenneen silikaatin ja radon-222:n pitoisuuksissa. Pintavesissä oli vaihtelevasti merkkejä haihtumisesta, kun taas pohjavedet säilyttivät vuotuisen keskimääräisen sateen isotooppikoostumuksen. Liuenneen silikaatin määrään näytti vaikuttavan helposti liukenevan silikaatin määrä maaperässä, veden residenssiaika ja pintavesissä biologinen kulutus (piilevät). Kallioperä vaikutti olevan kontrolloiva tekijä radon pitoisuuksissa. Korkeimmat pitoisuudet olivat graniittisilla alueilla. Pyhäjoesta tehty hydrografinen separointi antoi vanhan veden osuudeksi 66–88%, joka koostui todennäköisesti pääasiassa pohjavedestä. Vaikka tulos vastaa hyvin alueelta aikaisemmista tutkimuksista saatuja tuloksia, on otettava huomioon, että tutkimuksessa oli merkittäviä epävarmuustekijöitä. Tästä johtuen tulosta kannattaa ajatella suuntaa antavana. Tästä huolimatta pintavesi-pohjavesi vuorovaikutuksesta on selviä todisteita Pyhäjärven, Pyhäjoen ja Yläneenjoen valuma-alueilla. Tulokset osoittivat, että pohjavettä purkautuu Pyhäjärveen ja toisaalta järvivettä imeytyy myös pohjaveteen. Myös Pyhäjokeen ja Yläneenjokeen purkautuvasta pohjavedestä löytyi selviä viitteitä.


Files in this item

Files Size Format View
Pro_gradu_Tommi_Karesvuori.pdf 3.244Mb PDF

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record