Key drivers of stream water quality along an urban-rural transition - a watershed-scale perspective

Visa fullständig post

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2920-8
Titel: Key drivers of stream water quality along an urban-rural transition - a watershed-scale perspective
Author: Taka, Maija
Medarbetare: Helsingfors universitet, matematisk-naturvetenskapliga fakulteten, institutionen för geovetenskaper och geografi
Nivå: Doktorsavhandling (sammanläggning)
Tillhör serie: Department of Geosciences and Geography A - URN:ISSN:1798-7911
Abstrakt: Detecting trends in stream water quality is one of the key objectives of environmental monitoring. Identifying factors controlling stream water pollutants is challenging due to the diversity of potential sources, pathways, and processes. Natural processes regulating the water quality of a watershed are often affected by anthropogenic activities, resulting in the redistribution of runoff from base flow to storm flow and the introduction of new pollutant sources. Despite the observed consequences of urbanization, a lack of understanding of the factors simultaneously controlling water quality is among the biggest gaps in our current knowledge of hydrogeography. Moreover, prevailing discussions of land-cover effects often neglect the potential contribution of other factors, such as surficial deposits, in stream water concentrations. This thesis aims to 1) examine the most influential watershed properties determining spatial variation in stream water quality; 2) identify key water quality and watershed variables controlling stream biotic responses (i.e. diatom community composition); 3) investigate the effects of multiscale temporal variation on urban runoff in cold climatic regions; and 4) evaluate whether advanced statistical methods are applicable in hydrogeographical modeling of small watersheds. To fulfill these objectives, spatial watershed-scale analyses were conducted using modern non-parametric approaches and theory-driven methods such as structural equation modeling. This thesis is based on unique data sets of both multibasin and multiyear sampling and spatial data from the Helsinki region, southern Finland. A combination of GIS-based approaches and statistical analyses revealed significant links and novel insights into complex relationships between water quality and spatial biogeophysical properties of the surrounding landscape. The importance of land cover was emphasized throughout the thesis. Under base flow conditions the significance of soil type was mainly controlled by land cover. Further, this thesis demonstrates how land cover and stream water quality strongly determine the spatial assemblages of aquatic biota, as elevated pollutant levels were linked to decreased species richness and dominance of more tolerant species of diatom taxa. From a temporal perspective, the results suggest that urban runoff pollution is a chronic phenomenon, and is controlled by both runoff volume (summer) and pollutant sources (winter). Both the divergent temporal behavior and dominant role of diffuse pollution sources indicated challenges for stream water management practices. Based on the observed substance levels, year-round runoff treatment in urban areas is highly recommended. Finally, this thesis increases our knowledge of stream water quality variation in space and time. In this thesis, key local phenomena in contemporary hydrogeography were identified with a spatial modeling framework. The inclusion of indirect effects into the models improved our understanding of these systems, thus emphasizing the importance of simultaneously studying multiple concurrent processes.Yksi ympäristötutkimuksen tärkeimmistä tavoitteista on tunnistaa virtavesien, kuten purojen ja jokien laadun vaihtelu. Tärkeimpien vedenlaatua säätelevien ympäristötekijöiden tunnistaminen on kuitenkin vaikeaa aineiden lukuisten lähteiden, kulkeutumisreittien ja prosessien takia. Ihmistoiminta vaikuttaa myös luonnollisiin vedenlaatua sääteleviin tekijöihin valuma-alueella, muuttaen virtaamaa pohjavalunnasta enemmän sateiden yhteyteen, ja tuottaen uusia haitta-ainelähteitä. Vaikka kaupungistumisen vaikutukset ympäristöön ovat kiistattomia, emme juurikaan tunne eri ympäristötekijöiden yhteisvaikutusta vaikutusta vedenlaatuun. On myös huomionarvoista, että tieteellinen keskustelu maanpeitteen vaikutuksista vedenlaatuun poissulkee usein muiden, kuten maaperätekijöiden vaikutukset virtavesien pitoisuuksiin. Tutkimuksen tavoitteena on 1) tunnistaa virtavesien laadun alueellista vaihtelua vahvimmin säätelevät tekijät 2) tunnistaa tärkeimmät elollisia vedenlaatuindikaattoreita säätelevät valuma-alue- ja vedenlaatutekijät, 3) tutkia kylmän ilmaston kaupungin virtavesien (huleveden) ajallista vaihtelua ja 4) arvioida, voiko nykyaikaisia tilastollisia menetelmiä soveltaa pienten valuma-alueiden alueellisessa mallinnuksessa. Tutkimus perustuu moderneihin ja teorialähtöisiin menetelmiin, kuten rakenneyhtälömalliin. Työssä sovelletaan sekä alueellisesti laajaa että ajallisesti kattavaa mittausaineistoa Helsingin seudulta, Etelä-Suomesta. Työssä käytetyt paikkatietopohjaiset lähestymistavat ja tilastolliset analyysit tuottivat uutta tietoa tärkeistä vedenlaadun ja ympäristötekijöiden monimutkaisista suhteista. Maanpeitteen tärkeys vedenlaatua säätelevänä tekijänä korostui läpi tutkielman. Sateettomana aikana eli pohjavaluntatilanteissa maaperän tärkeys vedenlaadulle oli vahvasti maanpeitteen säätelemä. Tulokset osoittavat, miten sekä maanpeite että vedenlaatu molemmat vaikuttavat virtavesien eliölajirunsauteen. Vesien korkeat ainepitoisuudet olivat suoraan yhteydessä pienempään lajirunsauteen ja enemmän tolerantteihin lajeihin. Ajallisesti tarkasteltuna kaupunkivesien korkeat pitoisuudet ovat jatkuva ongelma viitaten krooniseen ympäristöongelmaan. Pitoisuuksien ajallinen vaihtelu on kesäaikaan vahvasti virtaaman ja talviaikaan ainelähteiden säätelemä. Sekä virtavesien laadun voimakas ajallinen vaihtelu, että hajakuormituksen suuri merkitys ovat merkittäviä haasteita virtavesien kestävälle hallinnalle. Tulosten perusteella kaupunkialueiden hulevedet tarvitsisivat ympärivuotista käsittelyä ennen niiden purkamista muihin vesiin. Lopuksi, työ lisäsi ymmärrystämme virtavesien laadun alueellisesta ja ajallisesta vaihtelusta. Tutkimuksessa tunnistettiin tärkeimmät paikalliset hydrogeografiset ilmiöt soveltaen alueellisen mallintamisen menetelmiä. Epäsuorien vaikutusten tarkastelu lisäsi ymmärrystämme näistä monimutkaisista systeemeistä, korostaen sitä, miten tärkeää on tarkastella useita prosesseja samanaikaisesti.
Permanenta länken (URI): URN:ISBN:978-951-51-2920-8
http://hdl.handle.net/10138/176908
Datum: 2017-03-31
Subject: maantiede
Rights: Publikationen är skyddad av upphovsrätten. Den får läsas och skrivas ut för personligt bruk. Användning i kommersiellt syfte är förbjuden.


Filer under denna titel

Total number of downloads: Loading...

Filer Storlek Format Granska
keydrive.pdf 3.004Mb PDF Granska/Öppna

Detta dokument registreras i samling:

Visa fullständig post