Long-term nutrient load management and lake restoration: Case of Säkylän Pyhäjärvi (SW Finland)

Eutrophication caused by anthropogenic nutrient pollution has become one of the most severe threats to water bodies. Nutrients enter water bodies from atmospheric precipitation, industrial and domestic wastewaters and surface runoff from agricultural and forest areas. As point pollution has been significantly reduced in developed countries in recent decades, agricultural non-point sources have been increasingly identified as the largest source of nutrient loading in water bodies. In this study, Lake Säkylän Pyhäjärvi and its catchment are studied as an example of a long-term, voluntary-based, co-operative model of lake and catchment management. Lake Pyhäjärvi is located in the centre of an intensive agricultural area in southwestern Finland. More than 20 professional fishermen operate in the lake area, and the lake is used as a drinking water source and for various recreational activities. Lake Pyhäjärvi is a good example of a large and shallow lake that suffers from eutrophication and is subject to measures to improve this undesired state under changing conditions. Climate change is one of the most important challenges faced by Lake Pyhäjärvi and other water bodies. The results show that climatic variation affects the amounts of runoff and nutrient loading and their timing during the year. The findings from the study area concerning warm winters and their influences on nutrient loading are in accordance with the IPCC scenarios of future climate change. In addition to nutrient reduction measures, the restoration of food chains (biomanipulation) is a key method in water quality management. The food-web structure in Lake Pyhäjärvi has, however, become disturbed due to mild winters, short ice cover and low fish catch. Ice cover that enables winter seining is extremely important to the water quality and ecosystem of Lake Pyhäjärvi, as the vendace stock is one of the key factors affecting the food web and the state of the lake. New methods for the reduction of nutrient loading and the treatment of runoff waters from agriculture, such as sand filters, were tested in field conditions. The results confirm that the filter technique is an applicable method for nutrient reduction, but further development is needed. The ability of sand filters to absorb nutrients can be improved with nutrient binding compounds, such as lime. Long-term hydrological, chemical and biological research and monitoring data on Lake Pyhäjärvi and its catchment provide a basis for water protection measures and improve our understanding of the complicated physical, chemical and biological interactions between the terrestrial and aquatic realms. In addition to measurements carried out in field conditions, Lake Pyhäjärvi and its catchment were studied using various modelling methods. In the calibration and validation of models, long-term and wide-ranging time series data proved to be valuable. Collaboration between researchers, modellers and local water managers further improves the reliability and usefulness of models. Lake Pyhäjärvi and its catchment can also be regarded as a good research laboratory from the point of view of the Baltic Sea. The main problem in both of them is eutrophication caused by excess nutrients, and nutrient loading has to be reduced – especially from agriculture. Mitigation measures are also similar in both cases.Ihmisen aiheuttamasta ravinnekuormituksesta johtuva rehevöityminen on yksi pahimmista vesistöjä uhkaavista ilmiöistä. Ravinteet kulkeutuvat vesiin ilmalaskeumana, teollisuuden ja yhdyskuntien jätevesissä sekä maatalous- ja metsäalueilta tulevissa valumavesissä. Kehittyneissä maissa pistekuormitus on merkittävästi vähentynyt viime vuosikymmeninä, ja hajakuormituksen, erityisesti maatalouden, on todettu olevan merkittävin vesistöjen ravinnekuormittaja. Tässä tutkimuksessa Säkylän Pyhäjärveä ja sen valuma-aluetta käytetään esimerkkinä pitkäjänteisestä, vapaaehtoisuuteen perustuvasta yhteistyömallista järven ja valuma-alueen vesien tilan parantamiseksi. Pyhäjärvi sijaitsee Lounais-Suomen intensiivisesti viljellyllä alueella. Järvellä toimii yli 20 ammattikalastajaa, sen vettä käytetään raakavetenä ja myös virkistyskäyttö on monipuolista ja intensiivistä. Pyhäjärvi on erinomainen esimerkki isosta, matalasta rehevöitymisen oireista kärsivästä järvestä, jonka tilaa pyritään määrätietoisesti parantamaan muuttuvissa olosuhteissa. Ilmastonmuutos on yksi suurimmista vesiensuojelun haasteista niin Pyhäjärvellä kuin muissakin vesistöissä. Tulokset osoittavat, että ilmastollinen vaihtelu vaikuttaa valunnan ja ravinnekuormituksen määriin sekä niiden vuodenaikaisuuksiin. Havainnot tutkimusalueelta koskien lämpimien talvien vaikutusta ravinnekuormitukseen ovat linjassa IPCC:n ilmastonmuutosskenaarioiden kanssa. Paitsi ravinnekuormituksen vähentäminen, myös ravintoketjukunnostus (biomanipulaatio) on keskeinen keino veden laadun hallinnassa. Ravintoketjun rakenne on kuitenkin häiriintynyt leutojen talvien, lyhyen jääpeiteajan ja vähäisen kalansaaliin vuoksi. Talvinuottauksen mahdollistavalla jääpeitteellä ja sen pituudella on suuri merkitys Pyhäjärven veden laadun ja ekosysteemin kannalta, sillä muikkukanta on yksi ravintoketjua ja järven tilaa säätelevistä tekijöistä. Ravinnekuormituksen vähentämiseksi ja maatalouden valumavesien käsittelemiseksi kehitettyjä uusia menetelmiä, esimerkiksi hiekkasuodattimia, on testattu kenttäolosuhteissa. Suodatintekniikka osoittautui käyttökelpoiseksi menetelmäksi ravinteiden vähentämiseksi, mutta kehitystyötä on edelleen jatkettava. Hiekkasuodattimien ravinteiden poistoa voidaan tehostaa erilaisilla ravinteita sitovilla yhdisteillä, esimerkiksi kalkkipohjaisilla materiaaleilla. Pyhäjärven ja sen valuma-alueen pitkäkestoiset hydrologiset, kemialliset ja biologiset seuranta- ja tutkimusaikasarjat ovat vesiensuojelun perusta ja niiden avulla lisätään ymmärrystä monimutkaisista järven ja valuma-alueen fysikaalisista, kemiallisista ja ekologisista vuorovaikutussuhteista. Kenttäolosuhteissa tehtyjen mittausten lisäksi Pyhäjärveä ja sen valuma-aluetta on tutkittu erilaisilla mallinnusmenetelmillä. Mallien kalibroinnissa ja validoinnissa pitkät ja monipuoliset aikasarjat osoittautuivat arvokkaiksi. Mallintajien, tutkijoiden ja käytännön vesiensuojelun toteuttajien yhteistyöllä voidaan edelleen parantaa mallien luotettavuutta ja hyödynnettävyyttä. Pyhäjärveä valuma-alueineen voidaan tarkastella myös Itämeren kaltaisena luonnonlaboratoriona. Ylimääräisten ravinteiden aiheuttama rehevöityminen on molempien ongelma, ja ravinnekuormitusta on molemmissa tapauksissa vähennettävä – erityisesti maataloudesta. Vähentämismenetelmät ovat niin ikään samoja.Siirretty Doriast

Assessing nutrient and sediment transport for Water Framework Directive purposes using the SWAT model - a case study in SW Finland

The ecological status of lake Pyhäjärvi, located in south-western Finland, may be classified as moderate due to its elevated nutrient concentrations and algal biomass production. Thus, the Yläneenjoki river basin, accounting for >50% of the total phosphorus loading to the lake, was chosen as the Finnish test catchment in the Benchmark models for the Water Framework Directive project. One aim of the project was to test the suitability of models like the catchment scale model SWAT for the assessment of nutrient and sediment transport and management options needed to meet the surface water quality requirements

Jokiuoman kartoitus ja virtausolosuhteiden mallinnus tukena perkauksen suunnittelussa: esimerkkinä Eurajoki

Dredging has a significant effect on sediment transportation, water quality and flow conditions in a river channel. However, often the effects of dredging are not studied carefully in advance. One reason for this is the lack of suitable study approach. Studies on river dynamics require high quality geometric models of riverbed, banks and floodplain. Accurate terrain and bathymetric data are also crucial components of reliable hydraulic modelling. In this study, we created an approach to model the presumable impacts of dredging. We modelled high discharges and annual flooding magnitudes in Eurajoki River, SW Finland in its current form and after dredging. As the low-sloped channel is heavily vegetated, the aim of the dredging is to improve flow conditions by removing sediment and vegetation within a reach of 8 km. First, we created a geometric model of the riverine environment by combining riverbank topography from national Airborne Laser Scanning (ALS) data by the Finnish National Land Survey and bathymetry, gathered with an Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP). The ADCP was attached to a kayak to enable access to shallow areas as well. This way, we were able to model the geometry of the fluvial forms within a few centimetres’ accuracy. Next, we modified the model of the river geometry using GIS software according to the dredging plan. Finally, we used a 2D Computational Fluid Dynamics to model the current and after dredging flow conditions during various flow events. We analysed the effects on dredging on the flood magnitudes and flow conditions based on the models and compared these to the present situation. These models offer improvements on river management and observing the effects on dredging.</p

Uudet menetelmät ympäristöntutkimuksessa ja seurannassa – pilottina Säkylän Pyhäjärvi

Vesistöalueiden ja vesivarojen hoidon ja suojelun tutkimuksessa tulevat jatkossa vieläkin enemmän korostumaan kokonaisvaltaiset ratkaisut, joilla etsitään kestäviä ja taloudellisia ratkaisuja vesiensuojeluongelmiin. Ilmastonmuutoksen myötä lisääntyvät leudot talvet aiheuttavat haasteita sekä hajakuormituksen vähentämistavoitteille että ympäristön seurannalle. Ympäristöntutkimuksessa ja -seurannassa tarvitaan uusien menetelmien käyttöönottoa, mutta menetelmät vaativat kehitystyötä, testausta ja validointia. Tekesin rahoittaman CatchLake-hankkeen päätavoitteena oli uusien menetelmien testaaminen pilottialueen mittakaavassa. Alueena oli vesihuollon ja virkistyskäytön kannalta merkittävä Säkylän Pyhäjärvi valuma-alueineen. Hanke koostui kolmesta toisiaan täydentävästä osasta: mallinnuksesta, mittauksista valuma-alueella ja järvellä, sekä kaukokartoituksesta. Julkaisussa tarkastellaan uutta tietoa ympäristöntutkimuksessa ja seurannassa, sekä pohditaan uuden tiedon käyttöä, sovelluksia sekä mahdollisia kehityssuuntia

Ecosystem change in the large and shallow Lake Säkylän Pyhäjärvi, Finland, during the past ~400 years : implications for management

Lake Sakylan Pyhajarvi has been an important fishing site and drinking water source for the local population for centuries. The lake has undergone significant changes: (1) the water level was lowered in the 1600s and in the 1850s; (2) planktivorous coregonid fish were successfully introduced in the early 1900s; (3) nutrient input from intensified agriculture has increased since the 1950s and (4) the effects of the current variable climate on the lake and its catchment have become more evident since the 1990s. We determined the phases of oligotrophication, eutrophication and recovery and elucidated the ecosystem changes by combining palaeolimnological records with detailed neolimnological data. The sedimentary diatom and cladoceran assemblages first showed a relatively eutrophic period followed by oligotrophic periods, linked with the artificial changes in water level and consequent shifts in macrophyte abundance. The oligotrophic period in the early 1900s is thought to represent the target trophic state for the lake. After the 1950s, introduction of vendace resulted in higher planktivory reflected by an increased relative abundance of small-bodied pelagic cladocerans. Signs of eutrophication occurred due to increased nutrient load. During the last 10 years, signs of recovery have been recorded. A complex history such as that of Lake Pyhajarvi illustrates the difficulties in selecting management targets, and the risk of setting false targets, for lakes based solely on monitoring data-both neolimnological and palaeolimnological approach are needed.Peer reviewe

Olkiluoto biosphere description 2012

Posiva-raportti, tehtävänumero 721511