| Přispěvatelé: |
University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Geosciences and Geography, Geologian ja geokemian osasto, Helsingin yliopisto, matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta, geotieteiden ja maantieteen laitos, Helsingfors universitet, matematisk-naturvetenskapliga fakulteten, institutionen för geovetenskaper och geografi, Krishnamurthy, Rama V., Karhu, Juha |
| Popis: |
Access to clean water is a growing global concern, and understanding all the different processes affecting the quantity and quality of both surface and groundwater is crucial to meeting this increasing demand for water. Information on the carbon contents of surface water systems is also essential for understanding the carbon balance of the entire atmosphere. Whether surface waters serve as a source or a sink of carbon can have an effect on atmospheric changes in CO2 at a global scale. Better knowledge of the carbon cycle in rivers is, therefore, an important part of preparing for changes due to the increase in the CO2 concentration of the atmosphere. In addition, studying the carbon contents of river water increases our understanding of the vulnerability of catchments, and helps to enhance the quality of drinking water. Stable isotopes are natural tracers. The stable isotopic composition of oxygen and hydrogen in water can be used to monitor the travel times and routes of surface and groundwater by utilising the fractionation effects caused by temperature on precipitation, and evaporation on surface water. The isotopic composition of dissolved inorganic carbon in the river water can be used to investigate the origin of carbon, which provides implications for the organic and inorganic processes transferring carbon into the water. In this study, stable isotopes are utilized together with multiple chemical analyses and modelling methods to further understand the processes that control the hydrosphere. The two main aims are: 1) to establish the conditions under which the stable isotopic composition of hydrogen and oxygen in water can be used to determine mean residence times (MRT), and 2) to better understand the processes controlling the dissolved carbon contents in artificial and natural water systems, in order to use this understanding to help maintain and improve the quality of the water. The study sites included two rivers, the Vantaanjoki and the Kokemäenjoki River, in southern and southwestern Finland, respectively, and a managed aquifer recharge (MAR) site at Virttaankangas in southwestern Finland. The mean residence time of water was determined for both rivers and the MAR site using the isotopic composition of oxygen in water. The results suggested that isotope based MRT determination is applicable in simple systems with known water sources. This was the case for the Vantaanjoki River, where the water mainly comes from two distinct sources: base flow and surface flow during spring flooding. The mean residence time of the snow cover, and the water in the flooding event, could be determined by the isotope method. The base flow component was too old to be dated by this method. At the Virttaankangas MAR site, the two known components were local groundwater and infiltrated water, the latter being suitable for MRT determination. The carbon budget of the Vantaanjoki River showed signs of both base flow influence and photosynthesis and decay taking place in the river channel. Human induced changes played a minor role in the inorganic carbon balance. Decay of organic material could also be perceived at Virttaankangas MAR site, where the organic matter in the infiltrated water is microbially decomposed into inorganic form. This process could be monitored by combining the isotopic technique with geochemical modelling. The beginning of the decomposition was delayed compared to most MAR sites, which may be due to an uncommonly high pH of the water in the aquifer, caused by calcite dissolution. These results confirm that there are many applications for isotopic methods. The annual isotope signal in precipitation is a good tool for determining the MRT, especially in two component systems. The isotopic composition of DIC, together with that of oxygen and hydrogen, can be applied to study surface flow base flow interaction in river catchments. Oxidative decomposition of DOC in MAR can be monitored using δ13CDIC together with geochemical modelling in cases where there are other sources contributing to the DIC. Puhtaan veden saatavuuden turvaaminen on kasvava globaali huolenaihe. Veden laatuun ja määrään vaikuttavien prosessien ymmärtäminen onkin avainasemassa, kun kasvavaan kysyntään yritetään vastata. Pintavesien hiilitase vaikuttaa koko ilmakehän hiilitaseeseen ja tätä kautta ilmastonmuutokseen joko sitä hidastavasti tai kiihdyttävästi, joten sen vaikutukset yltävät paikallisista maailmanlaajuisiin. Näin ollen vesistöissä tapahtuvan hiilen kiertokulun ymmärtäminen auttaa valmistautumaan ilmakehän kasvavan hiilidioksidikuorman aiheuttamiin muutoksiin. Lisäksi hiilen kiertokulku jokisysteemeissä antaa tietoa valuma-alueiden haavoittuvuudesta ja helpottaa juomaveden laadun seurantaa ja parantamista. Stabiilit isotoopit ovat luonnollisia merkkiaineita. Hapen ja vedyn isotooppikoostumusta voidaan käyttää veden viipymän ja kulkeutumisreittien selvittämisessä tutkimalla lämpötilan ja haihtumisen aiheuttamaa fraktioitumista. Liuenneen epäorgaanisen hiilen isotooppikoostumusta voidaan puolestaan hyödyntää hiilen lähteen selvittämiseen, mikä auttaa ymmärtämään hiiltä veteen tuottavia orgaanisia ja epäorgaanisia prosesseja. Tässä tutkimuksessa stabiileja isotooppeja on käytetty yhdessä kemiallisten analyysimenetelmien ja mallinnuksen kanssa tavoitteena hydrosfäärissä tapahtuvien prosessien parempi ymmärtäminen. Tutkimuksen kaksi päätavoitetta olivat: 1) määritellä reunaehdot tilanteille, joissa hapen ja vedyn isotooppikoostumusta voidaan käyttää onnistuneesti veden keskimääräisen viipymän selvittämiseen, ja 2) tuottaa tietoa keinotekoisten ja luonnollisten vesijärjestelmien hiilitaseen ymmärtämiseksi auttamaan veden laadun parantamisessa ja valvonnassa. Tutkimuksen kohteina oli kaksi jokea, Vantaanjoki ja Kokemäenjoki, Etelä- ja Lounais-Suomessa, sekä Virttaankankaan tekopohjavesilaitos Lounais-Suomessa. Veden keskimääräinen viipymä määritettiin molemmista joista sekä tekopohjavesilaitoksen imeytysvedestä käyttäen hapen stabiileja isotooppeja. Tuloksista kävi ilmi, että menetelmä toimii yksinkertaisissa vesistöissä, joissa veden muodostavat komponentit tunnetaan hyvin. Tällainen tilanne on esimerkiksi Vantaanjoessa, jossa jokivesi muodostuu kahdesta komponentista: pohjavedestä sekä kevättulvan kuljettamasta pintavalunnasta. Tässä tapauksessa laskettu kesimääräinen viipymä kuvastaa lumipeitteen viipymää eteläisessä Suomessa. Jokiveden pohjavesikomponentti on liian vanha tällä menetelmällä ajoitettavaksi. Virttaankankaan tapauksessa kaksi tunnettua komponenttia olivat luonnollinen pohjavesi ja imeytetty tekopohjavesi. Näistä jälkimmäisen keskimääräinen viipymä oli mahdollista selvittää isotooppimenetelmää käyttäen. Vantaanjoen hiilitaseessa näkyivät sekä pohjavesivaikutus että yhteyttämisen ja hajoamisen vuosittainen sykli. Ihmistoimet näkyivät epäorgaanisessa hiilitaseessa ainoastaan erittäin paikallisesti. Myös Virttaankankaalla mikrobien aiheuttama orgaanisen aineksen hajoaminen näkyi liuenneen epäorgaanisen hiilen koostumuksessa. Tämän prosessin seuraamiseksi oli isotooppimenetelmä yhdistettävä geokemialliseen mallinnukseen. Orgaanisen aineksen hajoamisen alku oli Virttaankankaalla viivästynyt muihin tekopohjavesilaitoksiin verrattuna, mahdollisesti kalsiitin liukenemisen aiheuttamasta epätavallisen korkeasta pH:sta johtuen. Tulokset vahvistavat, että isotooppi-menetelmille on paljon käyttöä. Sadannan isotooppikoostumuksen vuosittaiset vaihtelut ovat hyvä keino selvittää keskimääräinen viipymä soveltuvissa, kahden komponentin vesissä. Liuenneen epäorgaanisen hiilen isotooppikoostumus, yhdessä hapen ja vedyn kanssa, auttaa selvittämään pinta- ja pohjaveden välisiä vuorovaikutuksia vesistöissä. Liuenneen orgaanisen hiilen hajoamista tekopohjavesilaitoksilla voidaan seurata yhdistämällä isotooppimenetelmät geokemialliseen mallinnukseen tapauksissa, joissa useammat lähteet vaikuttavat liuenneen epäorgaanisen hiilen isotooppikoostumukseen. |
