Modelling of vegetative filter strips in catchment scale erosin control

Selostus: Valuma-aluetason mallisovellus suojakaistojen käytöstä eroosion torjunnassa

Pohjavesihanke ja sen toteutus

Pohjavesihankkeen onnistunut toteutus vaatii tietoa useilta eri aloilta. Perustieto pohjavesistä, niiden muodostumisesta ja esiintymisestä, pohjavesiä koskevan lainsäädännön ja vedenottoon tarvittavien lupien tuntemus, pohjavesitutkimuksen eri vaiheiden hallitseminen ja tieto näiden vaiheiden kestoon, aikatauluun ja kustannuksiin vaikuttavista tekijöistä ovat kaikki onnistuneen hankkeen edellytyksiä. Tässä diplomityössä selvitetään pohjavesihankkeen eri vaiheet sekä niiden sisältö ja tarvittavat toimenpiteet vesihuoltolaitoksen kannalta.Työssä tarkastellaan yleisesti kunnallista vesihuoltoa Suomessa ja Suomen pohjavesioloja. Lisäksi tarkastellaan pohjavesiä koskevaa lainsäädäntöä sekä pohjavesialueiden kartoituksen ja luokituksen nykytilannetta. Työssä käsitellään esiintymäkohtaisen pohjavesitutkimuksen eri vaiheet menetelmineen. Pohjavesitutkimusten ja pohjavedenoton vaatimat luvat käydään läpi.Pohjavesihanke on jaettu osiin, joiden kestoa ja niihin vaikuttavia tekijöitä tarkastellaan. Lisäksi pohjavesihankkeesta on tehty esimerkkiaikataulu, jossa eri työvaiheiden vaatimat ajat esitetään suhteessa toisiinsa. Hankkeen kustannukset on jaettu henkilöstö-, materiaali- ja muihin kustannuksiin. Näiden rakenne eri työvaiheissa on selvitetty.Joensuun Veden Paavonlammen alueella Kiihtelysvaaran kunnassa tekemän esimerkkihankkeen avulla havainnollistetaan sitä, millä tavoin käyttöön otettavan pohjavesialueen ominaisuudet sekä käytettävissä oleva työvoima ja kalusto vaikuttavat kustannuksiin, aikatauluun ja eri tutkimusvaiheiden tarpeellisuuteen.Pohjavesihanketta aloitettaessa ja sen aikana on kiinnitettävä erityisesti huomiota avoimeen tiedottamiseen vaikutusalueen asukkaille ja maanomistajille. Keskeistä työn edetessä on ottaa huomioon se, että pohjavesihankkeen toteutus etenee vaiheittain aikaisempien tulosten perusteella.

Hulevesikuormitus ja sen vähentäminen rakennetulla alueella

Työssä tarkasteltiin hulevesien ravinnekuormituksen muodostumista ja kuormituksen vähentämismahdollisuuksia rakennetussa ympäristössä esimerkkialueena Sunisenlahden valuma-alue. Työn tavoitteena oli löytää ns. hotspot- alueet ja esittää valuma-alueelle osa-alueittain käsittelymenetelmä, joka soveltuu kyseisen alueen hulevesien käsittelyyn, huomioi alueen maankäytön, maastoprofiilin, maanomistuksesta ja maaperästä johtuvat rajoitukset. Sunisenlahden valuma-alue on kokonaisuudessaan rakennettua, jakautuen 24 osavaluma-alueeseen, joiden pinta-alat ja maankäyttö poikkeavat toisistaan. Alueella on kauttaaltaan sadevesiverkosto, jonka purku tapahtuu pääosin Sunisenlahdelle. Osa valuma-alueista on keskustamaisia, osa väljästi rakennettua pientaloaluetta. Joillakin valuma-alueilla on myös toimintoja, joiden hulevesien käsittely edellyttää myös haitta-aineiden poistamista. Valuma-alueella tutkittiin ravinnekuormituksen muodostumista näyttein 12 näytepisteellä. Typpikuormituksesta hulevesien osuus on noin 48 % ja fosforikuormituksesta hulevesien osuus on noin 36 %.

Element speciation and behaviour in metal-rich Boreal river and estuarine systems using ultrafiltration and chemical modelling

The bioavailability of metals and their potential for environmental pollution depends not simply on total concentrations, but is to a great extent determined by their chemical form. Consequently, knowledge of aqueous metal species is essential in investigating potential metal toxicity and mobility. The overall aim of this thesis is, thus, to determine the species of major and trace elements and the size distribution among the different forms (e.g. ions, molecules and mineral particles) in selected metal-enriched Boreal river and estuarine systems by utilising filtration techniques and geochemical modelling. On the basis of the spatial physicochemical patterns found, the fractionation and complexation processes of elements (mainly related to input of humic matter and pH-change) were examined. Dissolved (<1 kDa), colloidal (1 kDa-0.45 μm) and particulate (>0.45 μm) size fractions of sulfate, organic carbon (OC) and 44 metals/metalloids were investigated in the extremely acidic Vörå River system and its estuary in W Finland, and in four river systems in SW Finland (Sirppujoki, Laajoki, Mynäjoki and Paimionjoki), largely affected by soil erosion and acid sulfate (AS) soils. In addition, geochemical modelling was used to predict the formation of free ions and complexes in these investigated waters. One of the most important findings of this study is that the very large amounts of metals known to be released from AS soils (including Al, Ca, Cd, Co, Cu, Mg, Mn, Na, Ni, Si, U and the lanthanoids) occur and can prevail mainly in toxic forms throughout acidic river systems; as free ions and/or sulfate-complexes. This has serious effects on the biota and especially dissolved Al is expected to have acute effects on fish and other organisms, but also other potentially toxic dissolved elements (e.g. Cd, Cu, Mn and Ni) can have fatal effects on the biota in these environments. In upstream areas that are generally relatively forested (higher pH and contents of OC) fewer bioavailable elements (including Al, Cu, Ni and U) may be found due to complexation with the more abundantly occurring colloidal OC. In the rivers in SW Finland total metal concentrations were relatively high, but most of the elements occurred largely in a colloidal or particulate form and even elements expected to be very soluble (Ca, K, Mg, Na and Sr) occurred to a large extent in colloidal form. According to geochemical modelling, these patterns may only to a limited extent be explained by in-stream metal complexation/adsorption. Instead there were strong indications that the high metal concentrations and dominant solid fractions were largely caused by erosion of metal bearing phyllosilicates. A strong influence of AS soils, known to exist in the catchment, could be clearly distinguished in the Sirppujoki River as it had very high concentrations of a metal sequence typical of AS soils in a dissolved form (Ba, Br, Ca, Cd, Co, K, Mg, Mn, Na, Ni, Rb and Sr). In the Paimionjoki River, metal concentrations (including Ba, Cs, Fe, Hf, Pb, Rb, Si, Th, Ti, Tl and V; not typical of AS soils in the area) were high, but it was found that the main cause of this was erosion of metal bearing phyllosilicates and thus these metals occurred dominantly in less toxic colloidal and particulate fractions. In the two nearby rivers (Laajoki and Mynäjoki) there was influence of AS soils, but it was largely masked by eroded phyllosilicates. Consequently, rivers draining clay plains sensitive to erosion, like those in SW Finland, have generally high background metal concentrations due to erosion. Thus, relying on only semi-dissolved (<0.45 μm) concentrations obtained in routine monitoring, or geochemical modelling based on such data, can lead to a great overestimation of the water toxicity in this environment. The potentially toxic elements that are of concern in AS soil areas will ultimately be precipitated in the recipient estuary or sea, where the acidic metalrich river water will gradually be diluted/neutralised with brackish seawater. Along such a rising pH gradient Al, Cu and U will precipitate first together with organic matter closest to the river mouth. Manganese is relatively persistent in solution and, thus, precipitates further down the estuary as Mn oxides together with elements such as Ba, Cd, Co, Cu and Ni. Iron oxides, on the contrary, are not important scavengers of metals in the estuary, they are predicted to be associated only with As and PO4.

Tehokalastuksen vaikutukset Lappajärvessä : Kalastus elinkeinoksi Lappajärvellä -hankkeen vuosien 2001-2006 seurannan loppuraportti

Lappajärven, Etelä-Pohjanmaan suurimman järven, ekologinen tila on heikentynyt ja se luokitellaan nykyisin tyydyttäväksi. Rehevöityminen, 1990-luvun muikkukato ja yhteiskunnan rakennemuutos ovat vähentäneet kalastajien ja kalansaaliin määrää. Ammattikalastuksen edellytysten parantamiseksi toteutettiin vuosina 2001–2004 ”Kalastus elinkeinoksi Lappajärvellä” – hanke. Hankkeen vaikutuksia kalastoon ja järven ekosysteemiin seurattiin vuosina 2001–2006. Kokonaissaalis vuosina 2001–2004 oli 1655 tonnia (n. 29 kg/ha/vuosi). Vaikka saalistavoitetta (2100 tn) ei täysin saavutettu, oli hankkeella runsaasti myönteisiä, joskin osin vähäisiä tai epävarmoja vaikutuksia järven tilaan ja kalastoon. Kalastajien yksikkösaaliit etenkin kuhan ja isokokoisen ahvenen osalta nousivat hankkeen alussa. Loppuvuosina yksikkösaaliiden kehitys oli osittain ristiriitaista. Ulapan taloudellisesti vähempiarvoinen kalasto, varsinkin kuorekanta harveni selvästi. Muikku puolestaan lisääntyi ja pysyi runsaana. Kuhan ja isokokoisen ahvenen lisääntymistä selittivät pääosin lämpimät kesät ja kuhan onnistuneet istutukset. Petokalat, etenkin kuha, voivat osaltaan säädellä Lappajärven ulapan planktonsyöjäkalojen kantoja ja toisaalta estää särjen siirtymistä ulapalle. Tehokalastuksen loputtua alkoi näkyä merkkejä kalakantojen palautumisesta takaisin kohti lähtötilannetta. Rantavyöhykkeellä hankkeen vaikutukset jäivät selvästi vähäisemmiksi kuin ulapalla. Eläinplankton lisääntyi hieman ylemmissä vesikerroksissa, mutta tilanne alkoi palautua ennalleen hankkeen jälkeen. Sinileväkukinnot vaikuttivat vähentyneen hankkeen aikana, tosin kukintojen voimakas vaihtelu vaikeutti arviointia. Tehokalastus ja vesiensuojelun tehostuminen vähensivät fosforipitoisuuksia, tosin myös vähäsateiset vuodet vaikuttivat vähenemiseen. Pitoisuuksien lasku jatkui hankkeen jälkeen. Hanketta edeltänyt klorofyllipitoisuuksien kasvusuuntaus pysähtyi ja pitoisuustaso vakiintui. Tehokalastus pienensi klorofylli/fosfori-suhdetta ja vähensi sisäistä kuormitusta, mutta vaikutus alkoi heiketä hankkeen loputtua. Typpipitoisuuksiin, veden väriin tai näkösyvyyteen kalastus ei vaikuttanut. Tehokalastuksella voidaan parantaa Lappajärven tilaa, mutta kalastuksen on oltava jatkuvaa. Saalistavoitteeksi voisi riittää n. 20-30 kg/ha vuodessa, mutta samalla on jatkettava ulkoisen kuormituksen vähentämistä. Kalastuksen tulisi kohdistua arvokalojen lisäksi myös vähempiarvoisiin kalalajeihin ja samalla on tuettava petokalakantojen vahvistumista.

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.

Peruskoulun yläkouluvalinnat Turussa. Perheiden yläkouluvalintojen rakentuminen äitien puheissa ja toimissa

Tutkimuksessa tarkastellaan peruskoulun yläkouluvalintoja Turussa. Tarkastelun keskiössä ovat vuonna 1997 syntyneiden turkulaislasten vanhempien yläkouluvalintaa koskeva yleinen sekä omaan lapseen kiinnittyvä puhe ja toimijuus paikallisessa institutionaalisessa kouluvalintatilassa sekä vanhempien lapsen koulutukseen ja kouluvalintaan liittämät perustelut, merkitykset, arvot ja arvostukset. Tämän lisäksi tutkimuksessa tarkastellaan puheesta ja toimista rakentuvia perheiden kouluvalintastrategioita, joita peilataan äitien koulutuksellisiin ja sosiaalisiin resursseihin sekä paikalliseen toimintapolitiikkaan. Tutkimus ei kerro ainoastaan paikallisessa kontekstissa tapahtuvista kouluvalinnoista, vaan laajemmin yhteiskunnassa vallitsevista hierarkioista ja arvoista sekä koulutukseen ja sosioekonomiseen asemaan linkittyvistä normatiivisista toimintatavoista. Tutkimuksessa käytetään haastattelu- ja kyselyaineistoja. Aineistot kerättiin osana kahta laajempaa Suomen Akatemian rahoittamaa Helsingin ja Turun yliopistojen kanssa yhteistyössä tehtyä tutkimusprojektia Vanhemmat ja kouluvalinta – Perheiden koulutusstrategiat, eriarvoistuminen ja paikalliset koulupolitiikat suomalaisessa peruskoulussa (VAKOVA) 2009–2012 sekä Parents and School Choice. Family Strategies, Segregation and School Policies in Chilean and Finnish Basic Schooling (PASC) 2010–2013. Tutkimusaineistot koostuvat 87 turkulaisäidin haastattelusta ja kyselyaineistosta. Kyselyaineiston analyysissä on käytetty kuvailevia tilastollisia menetelmiä, ja sitä käytetään ensisijaisesti taustoittamaan haastatteluaineistoa. Haastatteluaineiston analyysi perustuu pääasiallisesti teema-analyysiin, mutta toimija-asema-analyysin osalta myös diskursiiviseen lähestymistapaan. Haastatteluaineiston pohjalta esiin nousseiden lasten koulutusta ja kouluvalintoja koskevien kuvausten perusteella perheiden yläkouluvalinnat jaettiin kolmeen erityyppiseen valintastrategiaan: perinteiseen lähikouluvalintastrategiaan (n=41), ambivalenttiseen kouluvalintastrategiaan (n=23) ja päämäärätietoiseen kouluvalintastrategiaan (n=23). Jokainen kolmesta strategiasta piti sisällään kahdenlaista toimijuutta kouluvalintakentällä. Ryhmittely kouluvalintastrategioittain ja toimija-asemittain perustui äitien puhetapaan kouluvalinnoista ja yleisemmin koulutukseen liitetyistä merkityksistä ja arvoista sekä konkreettiseen toimintaan kouluvalinnan suhteen. Lähikouluvalintastrategiaa suosivien jälkeläiset siirtyivät koulunsa yleisluokalle. Perheet toimivat valintakentällä kaupungin rajaavan toimintapolitiikan ohjaamina, jolloin kouluvalinta näytti passiiviselta. Osoitteenmukaiseen kouluun siirtymistä perusteltiin praktisilla syillä; koulumatkan pituudella, kulkuyhteyksillä ja lapsen kaverisuhteilla. Hyvinvointivaltion edellytykseksi nähtiin kaikille taattu samanvertainen koulutus ja edelleen luotettiin perinteistä peruskoulua määrittävään mahdollisuuksien tasa-arvoon. Koulutuksen yhdeksi tärkeäksi tehtäväksi nähtiin lapsen kasvattaminen hyvinvoivaksi ja onnelliseksi. Vanhempien toiminta oli perinteisen kouluvalintastrategian mukaista. Ambivalenttista kouluvalintastrategiaa käyttävistä perheistä toiminta kouluvalintakentällä oli kahtalaista. Äidit joko harkitsivat kouluvalintoja tai vertailivat kouluja ja niihin pääsymahdollisuuksia realistisesti tasapainoillen ohjaavan ja mahdollistavan toimintapolitiikan välimaastossa. Tärkeintä oli olla tietoinen kaupungin kouluvalintapolitiikasta sekä siitä, että valinnoilla voi olla merkitystä jälkikasvun koulupolulle. Eri vaihtoehtojen punnitsemisen jälkeen päädyttiin useimmin lähikoulun painotettuun opetukseen. Lapsen peruskoulutusta haluttiin rikastaa painotetulla opetuksella ja hänen toivottiin pääsevän motivoituneeseen ja oppimismyönteiseen koululuokkaan. Valintoja tehtiin paikallisen toimintapolitiikan puitteissa lapsen parasta toivoen. Koulutuksen tehtäväksi nähtiin lapsen intellektuaalinen kasvu kiedottuna koulutuksen tuottamaan hyvinvointiin ja onnellisuuteen. Perheiden valintastrategiaksi muodostui ambivalenttinen strategia motivoituneen oppimisympäristön löytämiseksi. Päämäärätietoista kouluvalintastrategiaa käyttävät vanhemmat hyödynsivät aktiivisesti erilaisia reittejä tiettyihin yläkouluihin pääsemiseksi. Ennakoivien perheiden lapset olivat opiskelleet sellaisessa alakoulussa, joka ei kuulunut yläkoulun oppilasalueelle, mutta takasi lapselle reitin suosittuun yläkouluun. Määrätietoisten perheissä havahduttiin valintoihin puolestaan yläkouluun siirryttäessä, jolloin koulupaikkaa haettiin sopivimman painotetun opetuksen ja koulun maineen mukaan pois lähiyläkoulusta. Lähikoulu -periaate koettiin epäoikeudenmukaiseksi, sillä lapsella tulee olla oikeus toteuttaa omia kykyjään ja lahjakkuuttaan valikoidussa oppilasryhmässä ja perheillä mahdollisuus valita lapsen koulu. Paikallinen toimintapolitiikka ei näyttänyt rajaavan vanhempien kouluvalintoja. Koulutuksen tarkoitukseksi nähtiin intellektuaalinen kasvu ja akateemissivistävä tehtävä. Päämäärätietoisen kouluvalintavalintastrategian tavoitteena oli perheelle sopivan habituksen takaaminen. Paikallinen toimintapolitiikka mahdollisti vanhempien erilaisten kouluvalintastrategioiden rakentumisen ohjaten ensisijaisesti lähiyläkouluun, mutta samalla mahdollistaen koulun valinnan toissijaisen haun kriteerein. Kouluvalintastrategioihin ja toimintatapaan kouluvalintakentällä kytkeytyi vanhempien koulutukseen liittämät arvot sekä kulttuuriset ja sosiaaliset resurssit ja se, miten niitä käytettiin.

Spatial modeling techniques for mapping and characterization of acid sulfate soils

Acid sulfate (a.s.) soils constitute a major environmental issue. Severe ecological damage results from the considerable amounts of acidity and metals leached by these soils in the recipient watercourses. As even small hot spots may affect large areas of coastal waters, mapping represents a fundamental step in the management and mitigation of a.s. soil environmental risks (i.e. to target strategic areas). Traditional mapping in the field is time-consuming and therefore expensive. Additional more cost-effective techniques have, thus, to be developed in order to narrow down and define in detail the areas of interest. The primary aim of this thesis was to assess different spatial modeling techniques for a.s. soil mapping, and the characterization of soil properties relevant for a.s. soil environmental risk management, using all available data: soil and water samples, as well as datalayers (e.g. geological and geophysical). Different spatial modeling techniques were applied at catchment or regional scale. Two artificial neural networks were assessed on the Sirppujoki River catchment (c. 440 km2) located in southwestern Finland, while fuzzy logic was assessed on several areas along the Finnish coast. Quaternary geology, aerogeophysics and slope data (derived from a digital elevation model) were utilized as evidential datalayers. The methods also required the use of point datasets (i.e. soil profiles corresponding to known a.s. or non-a.s. soil occurrences) for training and/or validation within the modeling processes. Applying these methods, various maps were generated: probability maps for a.s. soil occurrence, as well as predictive maps for different soil properties (sulfur content, organic matter content and critical sulfide depth). The two assessed artificial neural networks (ANNs) demonstrated good classification abilities for a.s. soil probability mapping at catchment scale. Slightly better results were achieved using a Radial Basis Function (RBF) -based ANN than a Radial Basis Functional Link Net (RBFLN) method, narrowing down more accurately the most probable areas for a.s. soil occurrence and defining more properly the least probable areas. The RBF-based ANN also demonstrated promising results for the characterization of different soil properties in the most probable a.s. soil areas at catchment scale. Since a.s. soil areas constitute highly productive lands for agricultural purpose, the combination of a probability map with more specific soil property predictive maps offers a valuable toolset to more precisely target strategic areas for subsequent environmental risk management. Notably, the use of laser scanning (i.e. Light Detection And Ranging, LiDAR) data enabled a more precise definition of a.s. soil probability areas, as well as the soil property modeling classes for sulfur content and the critical sulfide depth. Given suitable training/validation points, ANNs can be trained to yield a more precise modeling of the occurrence of a.s. soils and their properties. By contrast, fuzzy logic represents a simple, fast and objective alternative to carry out preliminary surveys, at catchment or regional scale, in areas offering a limited amount of data. This method enables delimiting and prioritizing the most probable areas for a.s soil occurrence, which can be particularly useful in the field. Being easily transferable from area to area, fuzzy logic modeling can be carried out at regional scale. Mapping at this scale would be extremely time-consuming through manual assessment. The use of spatial modeling techniques enables the creation of valid and comparable maps, which represents an important development within the a.s. soil mapping process. The a.s. soil mapping was also assessed using water chemistry data for 24 different catchments along the Finnish coast (in all, covering c. 21,300 km2) which were mapped with different methods (i.e. conventional mapping, fuzzy logic and an artificial neural network). Two a.s. soil related indicators measured in the river water (sulfate content and sulfate/chloride ratio) were compared to the extent of the most probable areas for a.s. soils in the surveyed catchments. High sulfate contents and sulfate/chloride ratios measured in most of the rivers demonstrated the presence of a.s. soils in the corresponding catchments. The calculated extent of the most probable a.s. soil areas is supported by independent data on water chemistry, suggesting that the a.s. soil probability maps created with different methods are reliable and comparable.

Geochemistry and water quality of Lake Qarun, Egypt

Water geochemistry is a very important tool for studying the water quality in a given area. Geology and climate are the major natural factors controlling the chemistry of most natural waters. Anthropogenic impacts are the secondary sources of contamination in natural waters. This study presents the first integrative approach to the geochemistry and water quality of surface waters and Lake Qarun in the Fayoum catchment, Egypt. Moreover, geochemical modeling of Lake Qarun was firstly presented. The Nile River is the main source of water to the Fayoum watershed. To investigate the quality and geochemistry of this water, water samples from irrigation canals, drains and Lake Qarun were collected during the period 2010‒2013 from the whole Fayoum drainage basin to address the major processes and factors governing the evolution of water chemistry in the investigation area. About 34 physicochemical quality parameters, including major ions, oxygen isotopes, trace elements, nutrients and microbiological parameters were investigated in the water samples. Multivariable statistical analysis was used to interpret the interrelationship between the different studied parameters. Geochemical modeling of Lake Qarun was carried out using Hardie and Eugster’s evolutionary model and a model simulated by PHREEQC software. The crystallization sequence during evaporation of Lake Qarun brine was also studied using a Jänecke phase diagram involving the system Na‒K‒Mg‒ Cl‒SO4‒H2O. The results show that the chemistry of surface water in the Fayoum catchment evolves from Ca- Mg-HCO3 at the head waters to Ca‒Mg‒Cl‒SO4 and eventually to Na‒Cl downstream and at Lake Qarun. The main processes behind the high levels of Na, SO4 and Cl in downstream waters and in Lake Qarun are dissolution of evaporites from Fayoum soils followed by evapoconcentration. This was confirmed by binary plots between the different ions, Piper plot, Gibb’s plot and δ18O results. The modeled data proved that Lake Qarun brine evolves from drainage waters via an evaporation‒crystallization process. Through the precipitation of calcite and gypsum, the solution should reach the final composition "Na–Mg–SO4–Cl". As simulated by PHREEQC, further evaporation of lake brine can drive halite to precipitate in the final stages of evaporation. Significantly, the crystallization sequence during evaporation of the lake brine at the concentration ponds of the Egyptian Salts and Minerals Company (EMISAL) reflected the findings from both Hardie and Eugster’s evolutionary model and the PHREEQC simulated model. After crystallization of halite at the EMISAL ponds, the crystallization sequence during evaporation of the residual brine (bittern) was investigated using a Jänecke phase diagram at 35 °C. This diagram was more useful than PHREEQC for predicting the evaporation path especially in the case of this highly concentrated brine (bittern). The predicted crystallization path using a Jänecke phase diagram at 35 °C showed that halite, hexahydrite, kainite and kieserite should appear during bittern evaporation. Yet the actual crystallized mineral salts were only halite and hexahydrite. The absence of kainite was due to its metastability while the absence of kieserite was due to opposed relative humidity. The presence of a specific MgSO4.nH2O phase in ancient evaporite deposits can be used as a paleoclimatic indicator. Evaluation of surface water quality for agricultural purposes shows that some irrigation waters and all drainage waters have high salinities and therefore cannot be used for irrigation. Waters from irrigation canals used as a drinking water supply show higher concentrations of Al and suffer from high levels of total coliform (TC), fecal coliform (FC) and fecal streptococcus (FS). These waters cannot be used for drinking or agricultural purposes without treatment, because of their high health risk. Therefore it is crucial that environmental protection agencies and the media increase public awareness of this issue, especially in rural areas.