Aerial thermal infrared imaging and baseflow filtering analysis for river baseflow estimation in Lake Pyhäjärvi catchment, SW Finland

Abstract

Säkylän Pyhäjärven kahden laskujoen, Pyhäjoen ja Yläneenjoen, pohjavirtaamaa arvioitiin infrapunakuvauksen (TIR) ja Baseflow- analyysin avulla. Heinäkuussa 2011 tehdyssä helikopteriavusteisessa TIR-kuvauksessa jokisysteemeissä ja niiden varsilla havaittiin yhteensä lähes 200 pohjaveden purkautumiskohtaa. Pohjaveden purkautumiseen liittyvät lämpötila-anomaliat jaettiin viiteen eri luokkaan, jotka olivat 1) lähde/ lähteiköt, 2) kylmä sivu-uoma, 3) diffuusi purkaus jokiuomaan, 4) kosteikko/ tihkupinta, 5) tunnistamaton anomalia. Tutkituista joista tehtiin myös lämpötila-analyysi, jossa havaittiin, että molemmissa jokisysteemeissä vesi lämpenee yläjuoksulta alajuoksulle. Pohjavirtaamaan osuutta arvioitiin myös Baseflow- ohjelmiston avulla. Ohjelmisto erottaa joen virtaamasta pohjavirtaaman osuuden signaalin prosessointiin perustuvan silmukoivan filtteröinnin avulla. Vuosien 2010-2013 pohjavirtaaman keskimääräiseksi osuudeksi saatiin Baseflow- ohjelmistolla 70 % Pyhäjoelle ja 54 % Yläneenjoelle. Samankaltaisia tutkimustuloksia on esitetty myös aiemmin julkaistuissa Pyhäjoen ja Yläneenjoen pohjavesiosuuksia käsittelevissä tutkimuksissa. Suurempi pohjavirtaama, pienempi jokiveden lämpötila ja laaja-alaiset pohjaveden purkautumisanomaliat osoittavat, että pohjaveden osuus Pyhäjoessa on suurempi kuin Yläneenjoessa. TIR- tutkimuksen tuloksia sekä pohjavirtaamalle laskettuja osuuksia on syytä tarkastella kriittisesti. TIR- aineistoista saadut tulokset kuvaavat vain hetkellisiä olosuhteita ja havaitut pohjaveden purkautumispaikat perustuvat kuva-aineiston tulkintaan. TIR- aineistosta tehtyyn lämpötila-analyysiin ja pohjaveden purkautumispaikkojen havainnointiin liittyy myös paljon epävarmuustekijöitä. Pohjavirtaama-analyysin tuloksia täytyy tulkita varoen, sillä pohjavirtaaman suodattaminen virtaama-aineistosta perustuu puhtaasti signaalien prosessointiin. Lämpökamera-aineiston tulokset ja pohjavirtaaman arvioinnista saadut tulokset osoittavat kuitenkin, että pohjaveden vaikutus on havaittavissa sekä Pyhäjoessa että Yläneenjoessa. Pohjaveden vaikutus tutkituissa joissa on erilainen. Pohjaveden suurempi osuus (70 %) Pyhäjoessa liittyy Pyhäjoen valuma-alueen karkearakeisempaan maaperään. Infrapuna-aineiston perusteella pohjaveden osuutta Pyhäjoessa lisää erityisesti kaksi suurta yläjuoksun lähdettä: Myllylähde ja Kankaanranta, jotka liittyvät Säkylä-Virttaankankaan harjukompleksiin. Yläneenjoella, missä pohjaveden osuus oli arvioitu pienemmäksi (54 %) ja pohjaveden purkautumisanomaliat pistemmäisemmiksi, joen lähellä on vain kaksi pienempää moreenivaltaista pohjavesialuetta. Lisäksi Yläneenjoen maaperässä on enemmän hienorakeisempia sedimenttejä kuin Pyhäjoella.

The two input rivers of Säkylä’s Lake Pyhäjärvi: Pyhäjoki and Yläneenjoki, were studied with aerial thermal infrared imaging (TIR) analysis and baseflow program, in order to estimate the baseflow in the two rivers. From the helicopter- assisted TIR survey made in July 2011, almost 200 groundwater discharge sites were located in the two studied rivers. The groundwater discharge anomalies were categorized in 5 different classes: 1) spring/springs, 2) cold channel connected to the main channel, 3) diffuse discharge to river, 4) wetland/ wide seepage, 5) unknown anomaly. In addition, a temperature analysis was performed from the studied rivers. In both rivers, pattern of increasing river water temperature from headwaters towards river outlet were discovered with temperature analysis. The baseflow share estimate was made with baseflow filtering program which uses recursive digital filter for signal processing. Mean baseflow share estimation from four years: 2010-2013, were 70 % for River Pyhäjoki and 54 %, for River Yläneenjoki. Larger baseflow portion, lower river water temperature and wide diffuse discharge areas of River Pyhäjoki indicate that Pyhäjoki is more groundwater contributed than River Yläneenjoki. Previous studies made from the Lake Pyhäjärvi catchment have signs of higher groundwater share in River Pyhäjoki catchment, as well. However, TIR and baseflow estimation results of this study have to be dealt with caution. TIR results represent momentary circumstances and GWD locations are interpretations. There are also many factors increasing the uncertainty of the temperature analysis and observations of GWD anomalies. The results of baseflow analysis has to be interpreted carefully too because baseflow filtering is pure signal processing. However, this study shows that River Pyhäjoki and River Yläneenjoki have groundwater contribution. There is a difference in groundwater share in the two studied rivers. In River Pyhäjoki the larger groundwater share (70 %) is related to coarser grained glacial deposits in the river catchment. In TIR results, the influence of headwaters of the River Pyhäjoki, fed by two large springs: Myllylähde and Kankaanranta were emphasized. The two feeding springs are connected to the Säkylä-Virttaankangas esker complex. In River Yläneenjoki catchment, where GW portion was estimated to be smaller (54 %) and GW anomalies where mostly discrete, there are only two little till groundwater areas near the river channel and the catchment is characterized by finer sediments than River Pyhäjoki catchment.