Pyhäjärvi

Kartan esitystekniikka: maastokartta

Lake sediment research as a part of lake management - case studies and implications from southern Finland

In Finland one of the most important current issues in the environmental management is the quality of surface waters. The increasing social importance of lakes and water systems has generated wide-ranging interest in lake restoration and management, concerning especially lakes suffering from eutrophication, but also from other environmental impacts. Most of the factors deteriorating the water quality in Finnish lakes are connected to human activities. Especially since the 1940's, the intensified farming practices and conduction of sewage waters from scattered settlements, cottages and industry have affected the lakes, which simultaneously have developed in to recreational areas for a growing number of people. Therefore, this study was focused on small lakes, which are human impacted, located close to settlement areas and have a significant value for local population. The aim of this thesis was to obtain information from lake sediment records for on-going lake restoration activities and to prove that a well planned, properly focused lake sediment study is an essential part of the work related to evaluation, target consideration and restoration of Finnish lakes. Altogether 11 lakes were studied. The study of Lake Kaljasjärvi was related to the gradual eutrophication of the lake. In lakes Ormajärvi, Suolijärvi, Lehee, Pyhäjärvi and Iso-Roine the main focus was on sediment mapping, as well as on the long term changes of the sedimentation, which were compared to Lake Pääjärvi. In Lake Hormajärvi the role of different kind of sedimentation environments in the eutrophication development of the lake's two basins were compared. Lake Orijärvi has not been eutrophied, but the ore exploitation and related acid main drainage from the catchment area have influenced the lake drastically and the changes caused by metal load were investigated. The twin lakes Etujärvi and Takajärvi are slightly eutrophied, but also suffer problems associated with the erosion of the substantial peat accumulations covering the fringe areas of the lakes. These peat accumulations are related to Holocene water level changes, which were investigated. The methods used were chosen case-specifically for each lake. In general, acoustic soundings of the lakes, detailed description of the nature of the sediment and determinations of the physical properties of the sediment, such as water content, loss on ignition and magnetic susceptibility were used, as was grain size analysis. A wide set of chemical analyses was also used. Diatom and chrysophycean cyst analyses were applied, and the diatom inferred total phosphorus content was reconstructed. The results of these studies prove, that the ideal lake sediment study, as a part of a lake management project, should be two-phased. In the first phase, thoroughgoing mapping of sedimentation patterns should be carried out by soundings and adequate corings. The actual sampling, based on the preliminary results, must include at least one long core from the main sedimentation basin for the determining the natural background state of the lake. The recent, artificially impacted development of the lake can then be determined by short-core and surface sediment studies. The sampling must be focused on the basis of the sediment mapping again, and it should represent all different sedimentation environments and bottom dynamic zones, considering the inlets and outlets, as well as the effects of possible point loaders of the lake. In practice, the budget of the lake management projects of is usually limited and only the most essential work and analyses can be carried out. The set of chemical and biological analyses and dating methods must therefore been thoroughly considered and adapted to the specific management problem. The results show also, that information obtained from a properly performed sediment study enhances the planning of the restoration, makes possible to define the target of the remediation activities and improves the cost-efficiency of the project.

Säkylän Pyhäjärven vesitase ja säännöstely

Engl. summary: The water balance and regulation of Lake Pyhäjärvi

"Litrasev viinapulloj ja séittemätóista kalijjaa" : Diftongin reduktio ja geminaatio erään pyhäjärvisistä nuorista koostuvan ryhmän puhekielessä

Tutkielmassa tarkastellaan erään 16- ja 17-vuotiaista syntyperäisistä pyhäjärvisistä nuorista tytöistä ja pojista koostuvan sosiaalisen ryhmän puhekieltä diftongin reduktion ja geminaatioilmiöiden kautta. Geminaatioilmiöistä tarkastellaan yleisgeminaatiota ja itämurteiden erikoisgeminaatiota mutta pääpaino on itämurteiden erikoisgeminaatiossa. Tutkimuspaikkakunta Pyhäjärvi sijaitsee maantieteellisesti Pohjois-Pohjanmaalla mutta kuuluu lingvistisesti savolaismurteisiin. Tutkielman tavoitteena on selvittää, kuinka elinvoimaisia tarkasteltavaksi valitut piirteet ovat sekä kuinka paljon ja miten ne varioivat ryhmän puhekielessä. Aineistoa analysoidaan pääasiassa kvantitatiivisesti. Kvalitatiivisesti piirteiden käyttöä tarkastellaan etenkin vuorovaikutuksen mutta myös sukupuolen näkökulmasta. Tutkittavia kielenoppaita on kuusi: kolme tyttöä ja kolme poikaa. Tytöt ovat lukio- ja pojat ammattikouluopiskelijoita. Kielenoppaiden muodostama ryhmä pohjautuu yläkouluaikaisiin ystävyyssuhteisiin ja oli jo olemassa ennen aineistonkeruuta. Tutkielman aineistona on 5 tuntia ryhmän jäsenten välisiä keskusteluja: 2,5 tuntia tyttöjen keskistä keskustelua, 1,5 tuntia poikien keskustelua ja 1 tunti keskustelua, jossa kaikki ryhmän jäsenet olivat läsnä koko ryhmän kesken. Kukin keskustelu on tallennettu sekä ääni- että videonauhalle. Nauhoitukset on tehty maalis- ja toukokuussa 2010. Tutkielman kvantitatiivinen analyysi perustuu korvakuulolla tehtyihin mittauksiin ja niihin perustuviin absoluuttisiin frekvensseihin. Sekä diftongin reduktio että molemmat geminaatioilmiöt ovat ryhmän puhekielessä elinvoimaisia piirteitä, joskin diftongin reduktion kohdalla esiintyminen on labiilia. Etenkin yleisgeminaatio on ryhmän puhekielessä, myös idiolekteittain katsottuna, taajaan esiintyvä ja lähes varioimaton piirre: geminoituminen esiintyy täysgeminaattana lähes aina yleisgeminaation sallivissa konteksteissa. Geminoituminen on vahvempaa ensi- kuin jälkitavuissa. Sen sijaan sekä diftongin reduktio että itämurteiden erikoisgeminaatio varioivat ryhmän puhekielessä yleiskielisten ja eriasteisten murteellisten varianttien välillä. Suurin osa diftongeista, niin i-, u- kuin y-loppuisistakin, esiintyy yleiskielisessä muodossa ja redusoituessaan reduktion lievässä asteessa. Itämurteiden erikoisgeminaation mahdollistavissa konteksteissa yleiskielisiä variantteja on niin ikään murrevariantteja enemmän. Murrevarianttien enemmistö on täysgeminaatallisia. Tutkielmassa selviää lisäksi, että eri diftongien ja konsonanttien välillä on ryhmän puhekielessä eroja sekä piirteiden asteittaisessa että määrällisessä esiintymisessä, samoin kuin eri äänneympäristöissä esiintymisessäkin. Myös idiolektien välillä on eroja diftongin reduktion ja itämurteiden erikoisgeminaation esiintymisessä. Aineisto osoittaa, että sekä diftongin reduktion että itämurteiden erikoisgeminaation esiintymisessä on selviä leksikaalisia rajoitteita kielenoppaiden puheessa. Kun diftongi ai tai ei muodostaa lekseemin yksin (ai dialogipartikkelina ja ei kieltosanana), se on yleiskielinen. Diftongi äi puolestaan esiintyy poikkeuksellisen vahvana varianttina affektisissa yhteyksissä lekseemissä äiti. Affektisuus vaikuttaa liittyvän myös konsonanttiyhtymien lj, rp ja rv jälkikomponenttien geminoitumiseen vahvistavasti lekseemeissä kaljaa, turpaan ja hirvee. Tarkasteluun valittujen puhekielen piirteiden esiintymisessä voi havaita säännönmukaisuutta myös lauserakennetta ja kielenkäyttöä laajemmin tarkastelemalla. Referoinnin ja tarinankerronnan yhteydessä diftongin reduktion ja itämurteiden erikoisgeminaation käyttö yleistyy ja vahvistuu. Vahvistuminen on puhetilanteen ja keskusteluun osallistuvien vuorovaikutustehtävien motivoimaa. Tällöin on kyse selvästä murteella tyylittelystä. Itsekorjauksen ja liitepartikkelin -kO avulla muodostettujen kysymysten yhteydessä piirteet puolestaan esiintyvät aineistossa yleiskielisinä. Yleisgeminaatioon edellä mainitut eivät näytä vaikuttavan. Sukupuolten välillä on huomattavissa eroja tarkasteltujen kielenpiirteiden esiintymisessä ja käytössä. Tutkielma osoittaa, että pojat ovat tarkasteluun valittujen kielenpiirteiden valossa jonkin verran tyttöjä murteellisempia. Sukupuolten välisiä murteellisuuseroja voidaan selittää etenkin opiskelupaikkakunnan, koulutuksen, sosiaalisten kontaktien, kielenkäytön tapojen ja vuorovaikutustehtävien avulla. Tutkimus tarjoaa tietoa nykypuhesuomen variaatiosta kolmen puhekielen piirteen kautta. Työ jättää paljon tarkasteltavaa myös tämän tutkielman jälkeiselle tutkimukselle. Edelleen selvitettäväksi jäävät monet muut kielenpiirteet ryhmän puhekielessä. Erityisen mielenkiintoinen tutkimuskohde olisi persoonapronominien variaatio (minä ~ mä ~ mää). Luonnollinen jatke tutkielmalle olisi myös ryhmän reaaliaikainen seuraaminen valittujen kielenpiirteiden osalta.

Adaptive MCMC methods with applications in environmental and geophysical models

This work presents new, efficient Markov chain Monte Carlo (MCMC) simulation methods for statistical analysis in various modelling applications. When using MCMC methods, the model is simulated repeatedly to explore the probability distribution describing the uncertainties in model parameters and predictions. In adaptive MCMC methods based on the Metropolis-Hastings algorithm, the proposal distribution needed by the algorithm learns from the target distribution as the simulation proceeds. Adaptive MCMC methods have been subject of intensive research lately, as they open a way for essentially easier use of the methodology. The lack of user-friendly computer programs has been a main obstacle for wider acceptance of the methods. This work provides two new adaptive MCMC methods: DRAM and AARJ. The DRAM method has been built especially to work in high dimensional and non-linear problems. The AARJ method is an extension to DRAM for model selection problems, where the mathematical formulation of the model is uncertain and we want simultaneously to fit several different models to the same observations. The methods were developed while keeping in mind the needs of modelling applications typical in environmental sciences. The development work has been pursued while working with several application projects. The applications presented in this work are: a winter time oxygen concentration model for Lake Tuusulanjärvi and adaptive control of the aerator; a nutrition model for Lake Pyhäjärvi and lake management planning; validation of the algorithms of the GOMOS ozone remote sensing instrument on board the Envisat satellite of European Space Agency and the study of the effects of aerosol model selection on the GOMOS algorithm.

Pohjavesivarat aktiiviseen hyötykäyttöön eteläisessä Satakunnassa ja Laitilassa

Pohjavedet aktiiviseen hyötykäyttöön eteläisessä Satakunnassa ja Laitilassa kehittämissuunnitelma laadittiin Varsinais-Suomen ELY-keskuksen koordinoimana yhdessä Euran, Köyliön ja Säkylän kuntien sekä Harjavallan, Kokemäen, Laitilan ja Rauman kaupunkien, Satakuntaliiton, Varsinais-Suomen liiton ja Pyhäjärvi-instituutin yhteishankkeena. Suunnittelu tehtiin Sweco Ympäristö Oy:n sekä alikonsultteina toimineiden Vesi-instituutti Wanderin ja Suomen Pohjavesitekniikka Oy:n toimesta. Kehittämissuunnitelman tavoitteena on yhdyskuntien vedentarpeen turvaaminen määrällisesti ja laadullisesti myös tulevaisuudessa, hyvälaatuisen pohjaveden käytön lisääminen alueella (korvata huonolaatuiset pohjavesilähteet ja mahdollisesti myös pintavesilähteet)sekä hyvien pohjavesivarojen hyödyntäminen niin, että se antaisi mahdollisuudet teollisuuden ja erityisesti biotalouden kehittämiselle koko suunnittelualueella. Suunnitelmassa on löydetty sekä yhdyskuntien vedenhankintaa että elinkeinoelämän turvaamista ja kehittämistä palveleva ratkaisu. Vedenhankinnan kehittämisen ensimmäisessä vaiheessa turvataan yhdyskuntien lisäveden- ja varavedentarpeet rakentamalla kolmeuutta vedenottamoa; Kokemäen Risteelle, Köyliön Ristolaan ja Säkylän Porsaanharjulle. Lisäksi toteutetaan näihin liittyvät uudet vesijohtoyhteydet mukaan lukien varavesiyhteys Harjavallan ja Kokemäen välille. Ratkaisu parantaa nykyisen elinkeinoelämän toimintaedellytyksiä alueella ja mahdollistaa myös yritysten kehittymistä ja kasvua jo lähitulevaisuudessa. Ensimmäinen vaihe mahdollistaa lisäksi uudenlaisen vesibisneksen käynnistämisen suunnittelualueella. Ensimmäisen vaiheen rakentamiskustannukset ovat 11,0 milj. € ja toteutusaikataulu 2 – 5 vuotta. Alueellista yhteistyötä kehitetään perustamalla Ristolan ottamoa varten kuntien yhteinen osakeyhtiömuotoinen tukkuvesilaitos. Vedenhankinnan jatkokehittelyllä kohti tekopohjavesilaitosta vedenhankintaa saadaan entisestään alueellistettua ja optimoitua. Tekopohjavesilaitos mahdollistaa pintaveden käytöstä luopumisen ja turvaa vedenhankinnan varmuutta jopa alueen ulkopuolella. Alueelliseen tekopohjavesilaitoksen käyttöön siirtyminen luo alueen elinkeinoelämälle uusia toimintamahdollisuuksia. Laitoksenkapasiteetista riippuen mahdollisuuksia on jopa veden laajamittaiseen vientiin asti. Tähän tarkoitukseen juuri eteläisen Satakunnan ja Laitilan muodostama alue on yksi vahvimpia alueita Suomessa. Tekopohjavesilaitoksen rakentamiskustannukset ovat noin 24 – 53 milj. €. Alueen pitkäjännitteinen kehittäminen vaatii toimivaa yhteistyöorganisaatiota, jolle on tämän suunnitelman puitteissa luotu hyvät lähtökohdat jatkaa aloitettua työtä.

Variational ensemble Kalman filtering applied to data assimilation problems in computational fluid dynamics

One challenge on data assimilation (DA) methods is how the error covariance for the model state is computed. Ensemble methods have been proposed for producing error covariance estimates, as error is propagated in time using the non-linear model. Variational methods, on the other hand, use the concepts of control theory, whereby the state estimate is optimized from both the background and the measurements. Numerical optimization schemes are applied which solve the problem of memory storage and huge matrix inversion needed by classical Kalman filter methods. Variational Ensemble Kalman filter (VEnKF), as a method inspired the Variational Kalman Filter (VKF), enjoys the benefits from both ensemble methods and variational methods. It avoids filter inbreeding problems which emerge when the ensemble spread underestimates the true error covariance. In VEnKF this is tackled by resampling the ensemble every time measurements are available. One advantage of VEnKF over VKF is that it needs neither tangent linear code nor adjoint code. In this thesis, VEnKF has been applied to a two-dimensional shallow water model simulating a dam-break experiment. The model is a public code with water height measurements recorded in seven stations along the 21:2 m long 1:4 m wide flume’s mid-line. Because the data were too sparse to assimilate the 30 171 model state vector, we chose to interpolate the data both in time and in space. The results of the assimilation were compared with that of a pure simulation. We have found that the results revealed by the VEnKF were more realistic, without numerical artifacts present in the pure simulation. Creating a wrapper code for a model and DA scheme might be challenging, especially when the two were designed independently or are poorly documented. In this thesis we have presented a non-intrusive approach of coupling the model and a DA scheme. An external program is used to send and receive information between the model and DA procedure using files. The advantage of this method is that the model code changes needed are minimal, only a few lines which facilitate input and output. Apart from being simple to coupling, the approach can be employed even if the two were written in different programming languages, because the communication is not through code. The non-intrusive approach is made to accommodate parallel computing by just telling the control program to wait until all the processes have ended before the DA procedure is invoked. It is worth mentioning the overhead increase caused by the approach, as at every assimilation cycle both the model and the DA procedure have to be initialized. Nonetheless, the method can be an ideal approach for a benchmark platform in testing DA methods. The non-intrusive VEnKF has been applied to a multi-purpose hydrodynamic model COHERENS to assimilate Total Suspended Matter (TSM) in lake Säkylän Pyhäjärvi. The lake has an area of 154 km2 with an average depth of 5:4 m. Turbidity and chlorophyll-a concentrations from MERIS satellite images for 7 days between May 16 and July 6 2009 were available. The effect of the organic matter has been computationally eliminated to obtain TSM data. Because of computational demands from both COHERENS and VEnKF, we have chosen to use 1 km grid resolution. The results of the VEnKF have been compared with the measurements recorded at an automatic station located at the North-Western part of the lake. However, due to TSM data sparsity in both time and space, it could not be well matched. The use of multiple automatic stations with real time data is important to elude the time sparsity problem. With DA, this will help in better understanding the environmental hazard variables for instance. We have found that using a very high ensemble size does not necessarily improve the results, because there is a limit whereby additional ensemble members add very little to the performance. Successful implementation of the non-intrusive VEnKF and the ensemble size limit for performance leads to an emerging area of Reduced Order Modeling (ROM). To save computational resources, running full-blown model in ROM is avoided. When the ROM is applied with the non-intrusive DA approach, it might result in a cheaper algorithm that will relax computation challenges existing in the field of modelling and DA.