Hydrological and hydraulic design of peatland drainage and water treatment systems for optimal control of diffuse pollution

Abstract Peatland drainage for forestry, agriculture and peat extraction results in runoff rich in organic matter, sediments and nutrients. This has a significant effect on downstream ecosystems. Therefore, water purification using sedimentation basins and wetlands is required in environmental permits for peat extraction in Finland, to reduce downstream impacts. Due to increasingly strict environmental regulations, more advanced water purification methods need to be developed. Using field measurements, laboratory experiments and hydrological/hydraulic modelling, this thesis sought to develop new methods based on: i) more refined hydrological information related to runoff and pollutant load control and ii) hydraulic design of sedimentation basins used in chemical purification. The hydrology of three peatland forestry and two drained peat extraction areas in northern Finland was studied and simulated using the DRAINMOD 6.1 hydrological model. Watertable depth (WTD) and drainage outflow were recorded continuously during several years and the data were used for model calibration and validation. Despite some under- and over-estimation of certain events, WTD fluctuations were simulated quite accurately for all peatland areas. The results demonstrated that DRAINMOD 6.1 can satisfactorily simulate WTD fluctuations in a cold climate such as northern Finland, but the model did not simulate drainage outflow adequately. Chemical treatment facilities were optimised using 3D computational fluid dynamic (CFD) models. COMSOL Multiphysics 5.1 was employed to evaluate the influence of inlet design on treatment efficiency in commonly used treatment basins without any barrier, and for optimization of barrier design through gravity-driven hydraulic flocculators. The results showed that inlet design had a significant effect on treatment efficiency. Several barrier designs were simulated and the best combination was tested for different distances between barriers, to find a geometry ratio and flow depth producing optimal mixing conditions for the treatment process.Tiivistelmä Turvemaiden ojitus metsätaloutta, maataloutta ja turvetuotantoa varten lisää orgaanisen aineen, kiintoaineineen ja ravinteiden huuhtoutumista alapuolisiin vesistöihin. Lisääntyneellä kuormituksella voi olla merkittäviä vaikutuksia vesiekosysteemeihin, minkä vuoksi turvetuotannon ympäristöluvissa vaaditaan valumavesien puhdistamista mm. laskeutusaltaiden ja pintavalutuskenttien avulla. Tiukentuneiden vesiensuojelumääräysten vuoksi tarvitaan uusia vesiensuojelumenetelmiä sekä tulee tehostaa jo käytössä olevien menetelmien toimintaa. Tämän työn tavoitteena on suositella uusia menetelmiä perustuen I) entistä tarkempaan hydrologiseen tietoon valunnasta ja vesistökuormituksesta ja II) kemiallisen vesienpuhdistuksen yhteydessä käytettävien laskeutusaltaiden hydrauliseen suunnitteluun. Tämä väitöstyö rakentuu maastossa ja laboratoriossa tehtyjen tutkimusten sekä hydrologisen/hydraulisen mallinnuksen varaan. Valuma-alueiden hydrologiaa tutkittiin ja mallinnettiin kolmella turvemetsäalueella ja kahdella turvetuotantoalueella Pohjois-Suomessa. Ojituksen hydrologisten vaikutusten arviointiin käytettiin DRAINMOD 6.1 ohjelmaa, jonka kalibrointia ja validointia varten kerättiin jatkuvatoimisilla antureilla aineistoa pohjaveden pinnankorkeuksista ja virtaamasta useiden vuosien ajalta. Mallin avulla voitiin pohjaveden pinnan vaihtelut kuvata yleisesti melko hyvin kaikilla tutkimusalueilla yksittäisistä sadanta-valuntatapahtuminen yli- tai aliarvioinneista huolimatta. Saadut tulokset osoittavat, että DRAINMOD 6.1 ohjelmalla voidaan riittävällä tarkkuudella simuloida pohjaveden pinnan vaihteluita kylmässä ilmastossa, kuten Pohjois-Suomessa, mutta malli ei soveltunut hyvin ojitusalueelta lähtevän valunnan tarkkaan määrittämiseen. Kemiallisen vesienpuhdistusrakenteiden optimointiin käytettiin COMSOL Multiphysics 5.1 ohjelmaa, jolla voidaan toteuttaa ja laskea veden virtauksia kolmessa dimensiossa (computational fluid dynamic, CFD, model). Mallilla arvioitiin kemikalointialtaan tuloaukon rakenteen vaikutuksia tyypillisesti kemikaloinnissa käytetyn allasrakenteen puhdistustehokkuuteen. Lisäksi mallilla mitoitettiin virtausesteitä optimaalisen sekoittumisolosuhteiden saamiseksi ja puhdistustehokkuuden parantamiseksi painovoimaisesti toimivissa flokkausaltaissa (hidas sekoitus). Saadut tulokset osoittavat, että laskeutusaltaiden tuloaukon rakenteella on merkittävä vaikutus kemikaloinnissa saavutettuun puhdistustehokkuuteen. Lisäksi työssä esitettiin optimaalisia virtausesteiden mitoituksia (geometria, esteiden välinen etäisyys, virtaussyvyys yms.) puhdistuksen kannalta parhaiden mahdollisten sekoitusolosuhteiden saavuttamiseksi