Integrated modelling of groundwater-surface water interactions in the boreal landscape

Abstract

The interactions between groundwater (GW) and surface water (SW) play an essential role in boreal landscapes but are poorly understood due to measurement challenges. This thesis was dedicated to a unique method for studying GW-SW interactions – fully-integrated physicallybased hydrological modelling. The main aim of this thesis was to investigate how these models could be used to study GW-SW interactions in boreal landscapes with a focus on groundwaterdependent peatlands, and lakes, springs and streams.

This thesis demonstrates the vast potential of using fully-integrated modelling to study GWSW interactions but also depicts the challenges linked to accurate modelling of GW-SW exchange.

Publication I examined the model parameter sensitivity of a large-scale boreal glaciofluvial Kälväsvaara aquifer-Olvassuo aapa mire system using a global sensitivity approach – an elementary effect (Morris) method. The analysis demonstrated that the most significant parameters are glaciofluvial soil hydraulic conductivity and anisotropy ratio. Numerous other parameters were also found to be important, with their sensitivities varying spatially, highlighting the need for diverse datasets for model calibration and validation.

Publication II studied the impact of peat depth representation and other simulation and environmental settings on spatial GW-SW fluxes in a hypothetical mineral soil-peatland hillslope. The numerical experiments identified how peat depth distribution, topographic slope, and the contrast in hydraulic conductivity play essential roles in the GW-SW exchange's emergence and spatial magnitude.

Publication III tested the ability of a fully-integrated model to identify the main features of the measured GW-exfiltration patterns in a sub-arctic study site of Pallaslompolo located in Finnish Lapland. The simulation results were compared with non-conventional field observations of spatial stable water isotopes and drone-derived thermal infrared mosaics. The simulations successfully reproduced more than 50% of GW-dependent locations identified with stable isotopes and more than two-thirds of sites derived from thermal infrared imaging. However, only modelling could quantitatively reveal temporal variability in GW-SW exchange and reversals of flow direction.

Pinta- ja pohjaveden välisellä vuorovaikutuksella on keskeinen rooli boreaalisissa ympäristöissä, mutta sen mittaaminen on haasteellista, joten vuorovaikutusta ymmärretään huonosti. Väitöskirjassa hyödynnetään täysin integroitua fysikaalisperusteista hydrologista mallia ilmiön tutkimusmenetelmänä. Väitöskirjan päätavoitteena on tarkastella, miten integroituja malleja voidaan käyttää pinta- ja pohjavesivuorovaikutusten tutkimuksessa boreaalisissa ympäristöissä, erityisesti pohjavesiriippuvaisissa soissa, järvissä, lähteissä ja puroissa.

Väitöskirjassa osoitettiin, että täysin integroidulla mallinnuksella on suurta potentiaalia pinta- ja pohjavesien välisten vuorovaikutusten tutkimuksessa, mutta myös haasteita, jotka liittyvät täsmälliseen virtausten mallinnukseen.

Artikkeli I tarkasteli mallin parametriherkkyyttä Kälväsvaaran-Olvassuon ympäristössä käyttäen globaalia herkkyysanalyysia (Morrisin menetelmä). Analyysi osoitti, että merkittävämmät muuttujat ovat akviferin maaperän hydraulinen johtavuus sekä hydraulisen johtavuuden anisotropia. Lisäksi havaittiin myös muita tärkeitä parametrejä, joiden herkkyys tosin vaihteli alueellisesti, mikä osaltaan korostaa monipuolisten aineistojen merkitystä mallin kalibroinnissa ja validoinnissa.

Artikkelissa II käsiteltiin turvekerrosten syvyyden sekä muiden simulaatio- ja ympäristötekijöiden vaikutuksia pinta- ja pohjavesien vuorovaikutukseen hypoteettisessa mallinnusskenaariossa mineraali-turvemaassa. Mallinnus osoitti, että turvekerrosten syvyysjakauma, maanpinnan kaltevuus ja kontrasti hydraulisessa johtavuudessa ovat keskeisiä tekijöitä pinta- ja pohjaveden välisten vuorovaikutusten muodostumisessa sekä niiden alueellisessa jakautumisessa.

Artikkeli III testasi täysin integroidun mallin kykyä tunnistaa pohjaveden purkautumisen ajallista ja alueellista vaihtelua subarktisella Pallaslompolon tutkimusalueella. Simulaation tuloksia vertailtiin kentällä mitattuihin veden stabiilien isotooppien aineistoon sekä droonilla kuvattuihin lämpökamerakuviin. Simuloinnit onnistuivat havaitsemaan yli 50 % pohjavedestä riippuvaisista alueista, jotka identifioitiin veden stabiilien isotooppien avulla, sekä yli kaksi kolmasosaa paikoista, jotka oli tunnistettu lämpökamerakuvien avulla. Ainoastaan mallinnuksen avulla pystyttiin kuitenkin havaitsemaan pinta- ja pohjaveden vuot ja niiden ajallinen vaihtelu, sekä muutokset virtaussuunnissa.

<div lang="en" class="abs"> <p class="abs_header">Original papers</p> <ol type="I"> <li> <p>Jaros, A., Rossi, P. M., Ronkanen, A.-K., &amp; Kl&oslash;ve, B. (2019). Parameterisation of an integrated groundwater-surface water model for hydrological analysis of boreal aapa mire wetlands. Journal of Hydrology, 575, 175&ndash;191. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.04.094 <a href="https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.04.094">https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.04.094</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019061420609">Self-archived version</a></p> </li> <li> <p>Autio, A., Ala‐Aho, P., Ronkanen, A., Rossi, P. M., &amp; Kl&oslash;ve, B. (2020). Implications of peat soil conceptualization for groundwater exfiltration in numerical modeling: A study on a hypothetical peatland hillslope. Water Resources Research, 56(8), e2019WR026203. https://doi.org/10.1029/2019WR026203 <a href="https://doi.org/10.1029/2019WR026203">https://doi.org/10.1029/2019WR026203</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20201214100585">Self-archived version</a></p> </li> <li> <p>Autio, A., Ala-Aho, P., Rossi, P. M., Ronkanen, A.-K., Aurela, M., Lohila, A., Korpelainen, P., Kumpula, T., Kl&ouml;ve, B., &amp; Marttila, H. (2023). Groundwater exfiltration pattern determination in the sub-arctic catchment using thermal imaging, stable water isotopes and fully-integrated groundwater-surface water modelling. Journal of Hydrology, 626, 130342. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.130342 <a href="https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.130342">https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.130342</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202402061591">Self-archived version</a></p> </li> </ol> </div>

<div lang="fi" class="abs"> <p class="abs_header">Osajulkaisut</p> <ol type="I"> <li> <p>Jaros, A., Rossi, P. M., Ronkanen, A.-K., &amp; Kl&oslash;ve, B. (2019). Parameterisation of an integrated groundwater-surface water model for hydrological analysis of boreal aapa mire wetlands. Journal of Hydrology, 575, 175&ndash;191. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.04.094 <a href="https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.04.094">https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.04.094</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019061420609">Rinnakkaistallennettu versio</a></p> </li> <li> <p>Autio, A., Ala‐Aho, P., Ronkanen, A., Rossi, P. M., &amp; Kl&oslash;ve, B. (2020). Implications of peat soil conceptualization for groundwater exfiltration in numerical modeling: A study on a hypothetical peatland hillslope. Water Resources Research, 56(8), e2019WR026203. https://doi.org/10.1029/2019WR026203 <a href="https://doi.org/10.1029/2019WR026203">https://doi.org/10.1029/2019WR026203</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20201214100585">Rinnakkaistallennettu versio</a></p> </li> <li> <p>Autio, A., Ala-Aho, P., Rossi, P. M., Ronkanen, A.-K., Aurela, M., Lohila, A., Korpelainen, P., Kumpula, T., Kl&ouml;ve, B., &amp; Marttila, H. (2023). Groundwater exfiltration pattern determination in the sub-arctic catchment using thermal imaging, stable water isotopes and fully-integrated groundwater-surface water modelling. Journal of Hydrology, 626, 130342. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.130342 <a href="https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.130342">https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2023.130342</a></p> <p><a href="https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202402061591">Rinnakkaistallennettu versio</a></p> </li> </ol> </div>