Browsing by study line "Hydrogeologia ja ympäristögeologia"

The construction of the Savio railway tunnel caused an unexpectedly large decrease in the groundwater heads in part of the observation points in the vicinity of the railway tunnel after the completion of the tunnel construction work. The study aimed to investigate the ability of the groundwater model to forecast such groundwater drawdown caused by a railway tunnel in the urban areas of East Hakkila, Kaskela and Hakunila. The uncertainty of the groundwater model and its sensitivity to certain parameters were studied and analyzed. The groundwater model was built using the GMS (Groundwater Modeling System) numerical groundwater modeling program. For the groundwater flow model, the bedrock mesh was built in Leapfrog Geo - program based on gravimetric measurements and rotary drilling. The groundwater model was calibrated manually and automatically to correspond to the groundwater heads measured in the area. The circumstances after the construction of the railway tunnel were then simulated. The model-calculated groundwater heads were compared to the observed groundwater heads and the observed tunnel leakage. Sensitivity analysis was performed for the horizontal conductivity parameters and recharge parameters of the model. The groundwater model before the construction of the tunnel mimicked the measured groundwater heads and flow directions in the study area. The simulation of the time after the construction of the tunnel caused groundwater drawdown of 0-16 meters at 0-730 meters from the railway tunnel. In the simulation of the time after tunnel construction, the groundwater heads calculated by the model differed by 0,01-24 meters from measured groundwater heads. According to the results of the sensitivity analysis, the model was most sensitive to changes in the horizontal conductivity of the upper bedrock layer and granite. The recharge parameters and soil layer had a marginal impact on the groundwater model. The uncertainty of the model was affected by the few measurement points in relation to the size of the area and the absence of field measurements of the hydraulic conductivity of the parameters. To reduce the uncertainty, the model should be calibrated based on the measured conductivity values of the bedrock. Despite the uncertainty, computational models give indications of the direction of change and are important tools in questions related to nature and the built environment.

As a part of constructing the upcoming repository for spent nuclear fuel ONKALO®, Posiva Oy is investigating the hydrogeological structures of Olkiluoto bedrock. Posiva Flow Log (PFL) drillhole measurements are an important part in characterization of bedrock’s hydraulic properties. The measurements are conducted both from the surface and in the study site of ONKALO tunnel network. Results are used widely at the site from the planning of construction to the water conducting fracture characterization. PFL equipment are capable of measuring groundwater flow originating from a single fracture which enables small scale detection of transmissive fractures in bedrock. Equipment measures temperature variations in a water flow inside an isolated test section to determine the flow rate. Several other equipment for groundwater flow measurement are introduced to highlight the accuracy of PFL. Fractures measured with PFL DIFF were 3D modelled in twelve ONKALO pilot holes (ONK-PH13-20, ONK-PH23, ONK-PH26 and ONK-PH28-29) using FracMan software suitable for fracture network modelling. 3D model described the fracture locations with fracture orientation and pilot hole transmissive fracture traces projected to tunnel walls. Brittle fault zone intersection between the chosen pilot holes were also modelled. Three of the pilot holes (ONK-PH23, ONK-PH28 and ONK-PH29) were selected for the fracture correlation. Pilot hole transmissive fractures were connected with tunnel wall water leaking fractures located with systematic mapping and water leakage mapping. Criteria for connecting the fractures were fracture location, water leakage and fracture orientation. Structure intersections with brittle fault zones were studied individually for each pilot hole. 433 meters of ONKALO tunnels were included in the correlation with total 20 of pilot hole transmissive fractures and 18 tunnel wall water leaking fractures according to systematic mapping. 100 % of ONK-PH23, 75 % of ONK-PH28 and 16,7 % of ONK-PH29 pilot hole transmissive fractures were correlated with tunnel wall water leakages in the corresponding depths. Counterparts were found for nine fractures of total 20 studied fractures based on the listed attributes. Fracture correlation was unsuccessful with 11 of the observed transmissive fractures. Study produced new data for the possible fracture correlations and hydraulic connections were produced in the pilot hole areas. Views and opinions described in this thesis are interpretation of the author and do not necessarily represent Posiva’s views.

Eutrophication and harmful substances of anthropogenic origin threaten the state of the Baltic Sea and especially its geochemistry and oxygen levels near the seafloor. Water exchange between the Baltic Sea and the Atlantic Ocean can affect oxygen circulation and sedimentation rates, but they are considered very sporadic and it is unclear how the water circulation and flow rates affect element concentrations and sediment deposition in the near seafloor environments. One of the less studied basins is the Western Gulf of Finland and its seafloor environment. During the 2019 voyage, the seafloor located to the south of the city of Hanko was investigated through bathymetric sounding tools and other measurements in which element concentration and sediment deposition rate data was acquired. The sounding revealed a large channel cutting the seafloor which was hypothesized to influence the nearbottom conditions. The obtained data consisted of samples from 13 short, 40 cm sediment cores which were analysed for 137Cs activity, organic content, and grain size distribution. The goal of the thesis was to determine the intensity of water exchange taking place in the seabed channels between the mid-Baltic Sea and the Western Gulf of Finland and investigate the effect of the seafloor channel and flow rates on sediment and element deposition, their relationships, and how they affect the overall conditions in the study area. These relationships were analyzed through spatial and statistical methods by utilizing GIS-tools to interpolate the data obtained from the study locations by using the Inverse Distance Weighting (IDW) method, and by multielement analyses in the R-environment, namely Principal Component Analysis (PCA) and Partial Least Regression (PLS) to analyze grain size and element concentration correlations and combine them with obtained flow rate data. The results showed strong correlation in flow rate intensities between the Western Gulf of Finland and the mid-Baltic Sea, and they are strongly linked with sedimentation and element deposition rates. However, no long-term trend was identified for the seafloor channel velocity frequencies. The Cs-activity shows stronger sedimentation activity on the western side of the seafloor channel. The overall element and sediment deposition in the study area was largely controlled by monthly and seasonal current velocity fluctuations among other processes. The element concentration comparison showed weakened oxygen conditions in the study area with increased eutrophication and carbon burial since the 1950s. The principal Component Analysis showed smaller grain sizes (0.15 - 2 mm) having a stronger influence on the datasets with Mo, N, and C providing largest variation in the data. Interpolation showed oxygen, pH, and H2S to have more fluctuation in the study area, which can indicate changes in the vertical gradients in each sample point. It could also be determined that other measured concentrations, such as temperature, turbidity, and salinity do not respond very sensitively to water inflow fluctuations or sedimentation rate changes. The results indicate that harmful substances and eutrophication are most likely going to increase in the near-bottom environment in the Western Gulf of Finland, contributed by anthropogenic activity. Water exchange is likely to become more and more uneven, thus affecting the flow rate effects to the sediment deposition in the Baltic Sea. Further studies are needed to link these processes to large-scale global changes and the general state of changes happening in the Baltic Sea and its surrounding areas. The seafloor of the Western Gulf of Finland could also be studied further to gain a better understanding of longer timescale changes on the seafloor channel currents, and element and sediment deposition rates.

Espoossa Nuuksion kansallispuiston lähettyvillä sijaitsevan Suomen luontokeskus Haltian kävijämäärät ovat jatkuvasti nousseet sen avaamisesta lähtien. Nuuksion geologinen historia on todella mielenkiintoinen, ja sitä voisi tulevaisuudessa saada luontokeskuksen kävijöiden tietoisuuteen. Alueen geologista historiaa tutkitaan tässä tutkielmassa laajasta näkökulmasta ottaen huomioon erityisesti viime jääkauden loppuvaiheen vaikutus alueen maa- ja kallioperään sekä selvittämällä jääkauden jälkeisen maaperän, ilmaston ja kasvillisuuden kehitystä. Erityistä huomiota kiinnitetään alueelta löytyvään pieneen suohon, jonka kehitystä selvitettiin siitepölyanalyysin sekä raekoon ja orgaanisen aineksen määrän muutosten avulla. Suon keskeltä kairatusta profiilista tehtiin lisäksi kolme ajoitusta, jotta sen syvyysulottuvuus saatiin kiinnitettyä aikaan. Samalla saatiin ikä suoaltaan turpeen muodostumiselle. Uurrehavaintojen sekä rannansiirtymisen avulla pyritään selvittämään suoaltaan ja Haltian ympäristön kehitystä. Rannansiirtymisaineiston perusteella tuotettiin karttoja ja video, jotka havainnollistavat alueella vallinneen muinaisen Itämeren vaiheiden vaikutusta maisemankehitykseen. Uurteiden perusteella jäätikkö virtasi alueen yli ensin pohjoisluoteesta ja lopuksi luoteesta. Suoaltaan pohjalla tavataan karkeampaa materiaalia soraisesta diamiktonista karkeaan silttiin, joka viittaa Baltian jääjärven laskeneen äkillisesti valtamerenpinnan tasolle. Tuotetusta rannansiirtymiskäyrästä selviää, että tutkittava suo on kuroutunut Yoldiamerestä noin 11 400 vuotta sitten. Alueelta löytyvän muinaisrantakivikon alatason perusteella Ancylusjärvivaiheen maksimi sijaitsee Nuuksiossa korkeudella 65 m mpy. Suosta löytyneet siitepölyt kertovat alueella vallinneen aluksi metsätön ja avoin kasvillisuus, jossa vähitellen koivut lisääntyivät. Koivun ollessa valtapuulajina ei alueen ympäristö kuitenkaan ollut vielä täysin metsittynyt suuren ei-puumaisten maakasvien osuuden perusteella. Leppä yleistyi alueella 10 300–9 800 vuotta sitten. Lehmus saapui alueelle 8 500–8 300 vuotta sitten ilmaston lämmetessä. Ilmasto alkoi tästä hieman yli 2 000 vuotta myöhemmin kuitenkin vähitellen viilentyä, ja kuusi yleistyi alueella noin 5 100–4 600 vuotta sitten. Tällöin jalopuut väistyivät vähitellen kuusen tieltä. Metsä muuttui kuusen saapumisen myötä ensin havupuuvaltaiseksi ja lopulta nykyisenlaiseksi sekametsää muistuttavaksi metsäksi. Suoaltaan umpeenkasvu ja sitä kautta soistuminen alkoivat sen reunoilta, ja umpeenkasvu oli todennäköisesti pääosin pohjanmyötäistä. Suoaltaan keskiosat ovat soistuneet kokonaan viimeistään 3 300 vuotta sitten turpeen silmämääräisesti määritetyn alaosan ajoitusiän ollessa 3 375 ± 30 vuotta. Suon turve muuttui lopullisesti saravaltaisesta rahkavaltaiseksi aikaisintaan 2 250 vuotta sitten.

Ilman saastuminen on maailmanlaajuinen ongelma ja ihmisen toiminta lisää merkittävästi kohonneita epäpuhtauksia ilmakehässä. Merkittävimpiä päästölähteitä ovat fossiilisten polttoaineiden käyttö, energiantuotanto, teollisuus, maatalous, kotitaloudet ja jätehuolto. Happamoittava rikki-, typpi- ja ammoniumlaskeuma on ollut yksi suuri ongelma lisääntyneiden päästöjen myötä, mutta erityisesti rikin ja typen oksidien päästöjä on pystytty vuoden 1990 tasosta vähentämään onnistuneesti. Vuonna 1975 aloitettiin valtakunnallinen lumen seurantatutkimus 53 eri pohjaveden seuranta-asemalla. Tämän tutkielman tarkoituksena oli tarkastella valituilla asemilla talviaikaisen ilmaperäisen laskeuman pitoisuuksia ja havainnoida niiden mahdollisia vaikutuksia alueen pohjaveteen. Lisäksi haluttiin tarkastella, sopiiko tämänkaltainen pitkäaikainen seuranta-aineisto tilastolliseen tarkasteluun. Seuranta-asemista valittiin kuusi asemaa siten, että ne kattavat Suomen maantieteellisesti mahdollisimman laajasti, asemia olisi sekä hiekka- että moreenialueilla ja näytteenotto olisi aloitettu ainakin osalla asemista jo vuonna 1975. Asemista päädyttiin valitsemaan Valkealan, Parikkalan, Haapajärven, Kuusamon, Lumiahon ja Sodankylän asemat. Aineisto saatiin valmiina Suomen ympäristökeskukselta ja se on saatavissa myös pohjavesitietojärjestelmästä (POVET). Lumi- ja pohjavesinäytteistä mitatuista muuttujista valittiin ne, joita oli mitattu molemmista näytetyypeistä tarpeeksi pitkältä aikaväliltä tilastollisen tarkastelun onnistumiseksi. Analyysituloksia tarkasteltiin ensin asemakohtaisesti, jonka jälkeen lumi- ja pohjavesinäytteille tehtiin erilaisia tilastollisia analyyseja: ei-parametrinen ja parametrinen t-testi, pääkomponenttianalyysi sekä korrelaatioanalyysi. Lisäksi aineistoa tarkasteltiin visuaalisesti laskeuman ja pohjaveden välillä mahdollisesti esiintyvien yhteyksien löytämiseksi. Selvin yhteys laskeuman ja pohjaveden välillä löytyi happamoittavan laskeuman ja pohjaveden happamoitumista indikoivien muuttujien välillä. Happamoittavan kuormituksen lasku näkyi pH:n sekä alkaliniteettipitoisuuden nousuna ja sulfaattipitoisuuden laskuna. Raskasmetallipitoisuuksissa havaittiin myös yhteys laskeuman ja pohjaveden välillä. Muiden muuttujien osalta selvää yhteyttä pitoisuuksissa ei havaittu. Laskeuman ja muiden pohjaveden koostumukseen vaikuttavien tekijöiden suhteen arviointi havaittiin hankalaksi, mutta esimerkiksi metsähakkuiden vaikutus pohjaveden nitraattipitoisuuksiin löydettiin. Jotta tilastollinen tarkastelu oli luotettavaa, tuli aineistosta ensin poistaa tai korjata erilaisista virhelähteistä johtuvat poikkeamat. Aineiston todettiin sisältävän monia erilaisia virhelähteitä liittyen näytteenottoon, näytteiden analysointiin ja tuloksien kirjaamiseen. Lisäksi muutokset määritysrajoissa, mittaustarkkuuksissa ja menetelmien tarkkuuksissa vuosien varrella tuli ottaa huomioon. Ennen tilastollista käsittelyä virheet ja poikkeamat tuli havaita sekä korjata tai poistaa. Toimiviksi jo toteutetuiksi parannuksiksi todettiin Suomen ympäristökeskuksen vuonna 2013 julkaisema laatusuositus ympäristöhallinnon vedenlaaturekistereihin vietäville tiedoille sekä vuoden 2016 jälkeinen keskitetympään analysointimalliin siirtyminen. Poikkeamiin aineistossa voisi kuitenkin jatkossa kiinnittää huomiota jo analyysivaiheessa ja erityisesti tuloksia kirjatessa, jotta aikaa vieviltä korjausprosesseilta jatkossa vältyttäisiin. Korjausten jälkeen aineisto on kuitenkin hyvin käyttökelpoista ja mahdollistaa laajamittaisenkin laskeuman ja pohjavesien pitoisuuksien tilastollisen tarkastelun.