Land use changes have altered natural hydrological pathways and biogeochemical cycling of carbon, nitrogen and phosphorus, among other elements, affecting the quality of aquatic ecosystems such as rivers, lakes and coastal areas. In this dissertation, the spatial and temporal trends of water quality variation in Finnish managed watersheds was studied by applying methods of multivariate statistics, time-series analysis, ecohydrological modeling and high-resolution geospatial data. The results show the complex effects of current land use, particularly agriculture, on stream water quality. New emerging trends of nutrient concentrations and loads were detected in the time-series analysis, such as an increase in the concentrations and loads of dissolved reactive phosphorus and total nitrogen, and a decrease in suspended sediment concentration in streams. This might be linked to the current erosion reduction strategy of land management for water protection. An ecohydrological modeling assessment showed an increasing downstream nutrient export from agricultural watershed under climate change scenarios. The modeling results also showed a potential nutrient export reduction by restoring potential biogeochemical hotspot areas - wet areas or areas prone to water saturation. These areas can function as nutrient sinks and enhance the watershed resiliency. High-resolution geospatial data allowed easier and more accurate mapping of wet areas as well as the extracting of their hydraulic characteristics. However, the ecohydrological models involved several sources of uncertainties, which need to be carefully addressed with extensive observational data, expert knowledge of model parameter definitions, proper modeling unit selection and empirical knowledge of the functioning of the studied watershed system. The results of this dissertation highlight the importance of combined methods for watershed management research, and the proper identification of the biophysical processes in the modeling of non-point pollutant sources; this can in turn lead to an efficient water protection measure, and restoring biogeochemical hotspot areas within the watershed.Vedenlaadun alueellisten ja ajallisten vaihteluiden mallintaminen viileän vyöhykkeen valuma-alueilla.
Maankäytön muutokset ovat vaikuttaneet luonnollisiin hydrologisiin prosesseihin sekä hiilen, typen ja fosforin biogeokemiallisiin kiertoihin. Nämä puolestaan vaikuttavat vesiekosysteemien tilaan joissa, järvissä ja rannikkoalueella. Väitöstutkimuksessa tutkittiin vedenlaadun alueellisia ja ajallisia muutoksia suomalaisessa maaseutumaisemassa käyttäen monimuuttujamenetelmiä, aikasarja-analyysejä, ekohydrologista mallinnusta ja erotuskyvyltään tarkkoja paikkatietoaineistoja. Tulokset todentavat maatalouteen kytkeytyvien maankäytön piirteiden kompleksisia vaikutuksia jokivesien laatuun. Aikasarja-analyysit osoittivat myös aiemmin tuntemattomia trendejä jokivesien ravinteiden määrissä ja pitoisuuksissa, esimerkkeinä liuenneen reaktiivisen fosforin määrän ja pitoisuuden lisääntyminen sekä sedimenttisuspension väheneminen; molemmat eroosion vähentämiseen tähtäävien vesiensuojelutoimien seurauksena. Ekohydrologinen mallinnus osoitti myös sen, että ravinteiden huuhtoutuminen maatalousvaltaisilla valuma-alueilla lisääntyy ilmastonmuutoksen seurauksena. Tulokset kannustavat biogeokemiallisten avainalueiden, kuten kosteikkojen ja vettä keräävien painanteiden kunnostamiseen, jolloin ravinteiden huuhtoutuminen vähenee. Ravinnenieluina toimiessaan ne voivat myös parantaa valumaalueen ekologista kestävyyttä ja palautumiskykyä. Tutkimuksessa osoitettiin myös erotuskyvyltään tarkkojen paikkatietoaineistojen hyödyllisyys avainalueiden kartoituksessa ja alueiden hydrologisten ominaisuuksien tunnistamisessa. Ekohydrologiseen mallinnukseen sisältyy toisaalta myös epävarmuustekijöitä, joihin tulisi paneutua vielä kattavammin hyödyntäen asiantuntijatietoa parametrien täsmentämisessä, määrittämällä tarkennettuja mallinnusyksiköitä tai hyödyntäen empiirisiä tutkimustietoja valuma-alueen toiminnasta. Väitöstutkimus osoittaa myös sen, miten erilaisten tutkimusmenetelmien yhdistely vahvistaa valuma-aluetarkastelua ja siihen liittyen erilaisten biofysikaalisten prosessien ymmärtämistä ja keskeisten päästölähteiden mallintamista. Näin muodoin yhdistelmämenetelmien käyttö tukee entistä tehokkaampien vesiensuojelutoimien kehittämistä ja valumaalueiden biogeokemiallisten avainalueiden kunnostamistaModelado de las tendencias temporales y espaciales de la calidad del agua en cuencas hidrográficas boreales manejados.
El cambio del uso del suelo ha alterado los procesos hidrológicos naturales y los ciclos biogeoquímicos del carbono, el nitrógeno y el fósforo, entre otros elementos, afectando directamente la calidad de los ecosistemas acuáticos como los ríos, lagos y zonas costeras. En esta disertación, las tendencias espaciales y temporales de la variación de la calidad del agua en cuencas hidrográficas finlandesas se estudiaron mediante la aplicación de métodos de estadística multivariante, análisis de series de tiempo, modelos ecohidrológicos y datos geoespaciales de alta resolución. Los resultados muestran los efectos complejos del uso actual del suelo, particularmente la agricultura, en la calidad del agua de los ríos y corrientes. Se detectaron nuevas tendencias emergentes de concentraciones y cargas de nutrientes en el análisis de series temporales, como un aumento en la concentración y carga del fósforo disuelto reactive y nitrógeno total, y una disminución en la concentración de sedimentos en suspensión en los ríos y corrientes. Esto podría estar vinculado a la estrategia actual de manejo del suelo, orientado a la reducción de la erosión para la protección del agua. Una evaluación a través de modelización ecohidrológica mostró un aumento de la exportación de nutrientes aguas abajo de la cuenca agrícola bajo escenarios de cambio climático. Los resultados de la modelización también mostraron una posible reducción de la exportación de nutrientes mediante la restauración de posibles zonas críticas biogeoquímicas: áreas húmedas o áreas propensas a la saturación de agua. Estas áreas pueden funcionar como sumideros de nutrientes y mejorar la resiliencia de la cuenca. Los datos geoespaciales de alta resolución permitieron un fácil y más preciso cartografiado de las áreas húmedas, así como la extracción de sus características hidráulicas. Sin embargo, los modelos ecohidrológicos involucraron varias fuentes de incertidumbre, que deben abordarse cuidadosamente con bastantes datos de observación, conocimiento experto de las definiciones de los parámetros del modelo, selección adecuada de la unidad de modelado y conocimiento empírico del funcionamiento del sistema de la cuenca estudiada. Los resultados de esta disertación destacan la importancia de los métodos combinados para la investigación de gestión de cuencas hidrográficas y la identificación adecuada de los procesos biofísicos en la modelización de fuentes contaminantes difusas; esto a su vez puede conducir a una medidaeficiente de protección del agua, y restauración de áreas claves de alta función biogeoquímica dentro de la cuenca
