Abstract This thesis describes the development of a new precipitation index-based conceptual water balance model with parameters easily regionalized through the functional relationship with catchment and climate attributes. It also presents a simple method for improving model dynamics for streamflow simulations in a non-stationary climate. The model was developed for streamflow modelling and prediction in high-latitude catchments, where model parameter regionalization is difficult due to limited availability of hydrological data for the region. The model couples a snow accumulation and melt formulation with a current precipitation index (CPI) formulation to simulate daily precipitation in runoff hydrograph pattern from catchments with seasonal snow cover. Using new runoff conversion factors CT and Lf, and a threshold flow factor ThQ, the simulated CPI hydrograph is converted into daily runoff and routed using the transformation function Maxbas. The model was developed in Microsoft Excel workbook and tested in 32 catchments in Finland, a region with considerable seasonal snow cover. The results showed that the model can adequately simulate and reproduce the dynamics of daily runoff from catchments where the underlying physical conditions are not known. In addition, incorporating temperature conditions influencing inter-annual variability in streamflow into the model structure improved its structural dynamics, thereby improving its performance in a non-stationary climate. Most model parameters showed strong relationships with observable catchment characteristics, climate characteristics, or both. The parameter functional relationships derived from the model parameter-catchment relationships produced equally good model results when applied to independent test catchments used as mock-ungauged catchments. Inclusion of snow-water equivalent records and use of multiple objective functions for snow-water equivalent and runoff simulations during model optimization helped reduce the effect of parameter equifinality, making it easier to determine optimal parameter values. The current precipitation index (CPIsnow) model is a parsimonious tool for predicting streamflow in data-limited high-latitude regions. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja käsittelee yksinkertaisen sadantaan perustuvan konseptuaalisen vesitasemallin kehitystä ja soveltamista boreaalisille valuma-alueille sekä malliin liittyvää alueellista parametrisointia valuma-alueominaisuuksien ja ilmastoaineiston perusteella. Hydrologinen malli on luotu laskemaan ja ennustamaan valuntaa pohjoisille valuma-alueille, joilta on vähän hydrologista tietoa. Malli yhdistää lumen kertymisen ja sulannan tunnettuun sadantaindeksiin perustuvaan malliin (CPI) ja edelleen simuloi päivittäisen hydrografin valuma-alueille, joilla on selkeä lumipeitteinen ajanjakso. Malli laskee MaxBas funktion avulla CPI:llä muodostetun hydrografin päivittäiseksi valunnaksi valuntaan liittyvien malliparametrien CT ja Lf sekä virtaaman kynnysarvon ThQ avulla. Malli kehitettiin Excel-ympäristössä ja sitä testattiin 32 valuma-alueella Suomessa. Valuma-alueet edustivat maantieteellisesti kattavasti alueita, joilla esiintyy tyypillisesti kausittainen lumipeite. Saadut tulokset osoittivat, että kehitetty malli simuloi ja tuottaa päivittäisen valunnan riittävällä tarkkuudella valuma-alueille, vaikka hydrologista ja fysikaalista tietoa alueilta olisi niukasti. Useimmat malliparametrit olivat vahvasti riippuvaisia joko valuma-alue ominaisuuksista tai ilmastollisista parametreista tai molemmista. Parametrien funktionaalinen yhteys muodostettiin valuma-alueiden ominaisuuksien perusteella ja testattiin riippumattomalla valuma-aluejoukolla hyvin tuloksin. Malliparametrien samatavoitteellisuutta eli ekvifinaliteettiä voitiin vähentää huomioimalla mallissa lumen vesiarvomittaukset sekä hyödyntämällä useita parametrisia funktioita. Tällöin myös optimaalisten parametrien löytyminen nopeutui ja helpottui. Tämän väitöstyön pohjalta syntynyt uusi sadannan indeksiin pohjautuva laskentamalli (CPIsnow) mahdollistaa valunnan arvioinnin pieniltä valuma-alueilta, joilta on niukasti aineistoa saatavilla ja joissa lumen sulanta ja kertyminen ovat keskeisiä hydrologisia prosesseja.

The aim of this thesis was to test and evaluate whether parameter regionalization of a hydrological model can be used to model the impact of forest clearcutting on streamflow in Sweden. This is an important task to be able to perform water management and impact assessments adequately. The HBV conceptual rainfall-runoff model was applied for 218 Swedish catchments of different sizes that were spread across the country and covered a wide range of different forest cover percentages. The modelling approach included calibration of the model for each catchment using a genetic algorithm and then associating the resulting optimal parameter values with the percentage of forest cover. The obtained relationship between different model parameters and forest cover was validated with help of a paired catchment study site in northern Sweden where a clear cut was done in 2006: calibrated optimal parameter sets of pre- and post-clearcutting conditions were compared to parameter sets obtained from the Sweden-wide analysis. Correlations were found for about half of the fifteen hydrological model parameters, but the validation with the paired catchment study site could only partially confirm these obtained relationships. The results suggest that the adopted parameter regionalization approach is too basic. However, some of the results seem promising and emphasize the need for further research and development of the approach to provide a more reasonable method to model the impact of forest clearcutting on streamflow. / Det huvudsakliga målet med detta examensarbete var att testa och utvärdera om parameterregionalisering av en hydrologisk modell kan vara en lämplig metod för att modellera och kvantifiera påverkan från skogsavverkning på vattenbalansen i Sverige. Detta är en viktig uppgift för att kunna hantera våra vattenresurser och utföra konsekvensanalyser på ett tillfredsställande sätt. En konceptuell hydrologisk modell tillämpades på 218 avrinningsområden av olika storlekar och som var geografiskt utspridda i hela Sverige där även andelen skog i avrinningsområdena hade ett brett spektrum. Den använda modelleringsmetoden innefattade kalibrering av varje avrinningsområde genom att använda en genetisk algoritm, varefter de optimala parametervärdeana korrelerades mot andelen skog i avrinningsområdet. Idén med denna metod är att använda dessa potentiella samband för att justera modellparametrarna och därmed simulera en skogsavverkning. De erhållna sambanden mellan modellparametrarna och skogstäcket validerades med hjälp av data från en försöksstudie i norra Sverige där en skogsavverkning gjordes under 2006. Skillnaden mellan de bäst fungerande parametervärdena före och efter skogsavverkningen jämfördes med de tidigare sambanden från andra avrinningsområden i Sverige. Signifikant korrelation hittades för ungefär hälften av de 15 hydrologiska modellparametrarna, men valideringen mot den riktiga skogsavverkningen kunde bara delvis bekräfta de erhållna sambanden. Resultaten visar att detta sätt att använda parameterregionalisering antagligen är för grundläggande. Vissa resultat är ändå lovande och fortsatt forskning och utvidgning av metoden är nödvändig för att kunna tillhandahålla en rimlig metod för att kvantifiera en skogsavverknings effekter på vattenbalansen.