Vulnerability and impacts on peatlands and groundwater by tunnelling in crystalline rocks

Abstract

The overall aim of the thesis was to contribute to improve the understanding and basis for assessments of environmental consequences and vulnerability of peatlands to morphological effects and hydrological changes caused by water leakage to tunnels, particularly in boreal catchments with crystalline bedrock, thin till covers and peatlands in depressions. The thesis focuses on five subtopics, runoff generation and regulation in fens, impacts of leakage to a bedrock tunnel on peatland morphology, on peatland hydrology and on bedrock hydrology, and the vulnerability concept in Environmental Impact Assessments (EIAs). Generation and regulation of summer runoff were studied in a pristine fen by hydrometric measurements and investigations of electrical conductivity, water isotopic and hydrochemical components of stream water to provide basis for comparison and understanding of impacts on peatland hydrology of groundwater drainage as well as insight into water deliveries from catchment peatlands to areas potentially impacted by leakage to tunnels. The results demonstrated two modes of runoff generation with water release from acrotelm during low-flow contrasting predominance of overland flow during rainfall-runoff events. Low-flow originated mainly from peat storage water and this storage was renewed during episodic events, whereas storm-flow originated from upland water flowing through the fen. Water levels increased with increasing runoff and temporary water storage on the fen surface attenuated and delayed flow peaks. Attenuation and retardation of storm-flow in fens by temporary surface storage will depend on the geometric properties of both storage sections and sections controlling the outflow. Assessments and modelling of hydrological effects of peatlands on catchment runoff for low-flows and high-flows should be based on the dominating runoff generating processes in the current mode. A reservoir routing model adapted for flat fens simulated attenuation in runoff events well, and it is suggested that the model should be tested for a broader range of peatlands.

Formålet med avhandlingen har vært å bidra til å bedre forståelsen og grunnlaget for vurdering av miljøkonsekvenser og myrarealers sårbarhet for morfologiske endringer og hydrologiske forandringer forårsaket av vannlekkasje til tunneler, spesielt i boreale nedbørfelt med krystallinsk berggrunn, sparsomt morenedekke og myrer i forsenkninger. Avhandlingen fokuserer på fem deltemaer, danning og regulering av avrenning fra myr, påvirkning av lekkasje til en fjelltunnel på myrmorfologi, på myrhydrologi og på bergrunnshydrologi, og sårbarhetsbegrepet i konsekvensutredninger (KU). Danning og regulering av avrenning ble studert i ei minerogen myr i naturtilstand ved hydrometriske målinger og undersøkelser av elektrisk ledningsevne, isotop- og hydrokjemiske komponenter i bekkevann for å gi grunnlag for sammenligning og forståelse av effekter på myrers hydrologi av grunnvannsdrenering, samt innsikt i tilsig fra myrer i nedbørfelt til arealer potensielt påvirket av tunneler. Resultatene viste to modi for avrenningsdanning i myr, med vannavgivelse fra acrotelm ved liten vannføring, mens overflateavrenning dominerte under avrenningsepisoder. Under liten vannføring stammet vannet hovedsakelig fra lagret vann i myra og dette lageret ble fornyet under avrenningsepisoder, mens episodeavrenning stammet fra vann fra nedbørfeltet som rant gjennom myra. Vannivået økte med økende vannføring og midlertidig vannlagring på myroverflata dempet og forsinket flomtopper. Demping og tilbakeholdelse av flomtopper i myrer vil avhenge av de geometriske egenskapene til både lagringsområdene og områdene som kontrollerer utstrømningen. Vurdering og modellering av hydrologiske effekter på nedbørfeltavrenning for lavvannsføring og episodeavrenning bør baseres på dominerende avrenningsgenererende prosesser i den aktuelle modus. En modell for reservoar-ruting tilpasset flate minerogene myrer simulerte demping av episodeavrenning bra, og det er foreslått at modellen bør testes for et bredere utvalg myrer.