Stage-discharge equations for lakes without disharge measurements Simon Andersson In 2015 all lakes, rivers, coastal water and groundwater should be of good ecological statusaccording to the water framework directive from the European Union. In the process ofimproving the quality of Swedish water bodies, knowledge of where problems occur isneeded in order to utilize the resources optimally. The ability of lakes to store water is animportant factor since it controls the flow of water through the country. A stage-dischargeequation is a mathematical relation between discharge from a lake and its water level. Bybetter understanding of stage-discharge equations for lakes, their storage capacity can bedescribed better in hydrological models. This master thesis aims to evaluate methods for determining stage-discharge equations forlakes where a variable amount of field measurements is available. The methods developed inthe project were evaluated by comparison with measured stage-discharge equations made bySMHI (Swedish Meteorological and Hydrological Institute). First, relations between lakeproperties and stage-discharge equations were evaluated. In the second part of the project,tests were made to observe if a stage-discharge equation could be developed from data ofwater levels in a lake and modeled inflow to the lake. Finally, possibilities of estimatingstage-discharge equation through Sjölyftet were evaluated. Sjölyftet is a project financed bythe Swedish Public Employment Service in which unemployed people in Sweden makesimple hydrological measurements for SMHI. The results showed that the use of the same constant standard parameters for all lakes in thestage-discharge equation gives large errors. The use of catchment areas, lake areas and outletwidths gave better results than applying constant standard parameters in stage-dischargeequations. The best method for estimating stage-discharge equations was obtained whenmeasurements of water level for lakes where used. The measurements from Sjölyftet couldnot be evaluated properly because validation data were missing. Although, the data collectedfrom Sjölyftet might be useful in the future.

Sveriges geologiska undersökning (SGU) ansvarar för den nationella övervakningen av grundvattennivåer. I Grundvattennätet finns drygt 300 mätstationer där grundvattennivåer observeras två gånger varje månad. Grundvattensituationen i Sverige och grundvattenmagasinens fyllnadsgrad presenteras med kartor som konstrueras med data från de uppmätta grundvattennivåerna. För att öka detaljgraden i kartorna syftade detta arbete till att undersöka om beräkningar från den hydrologiska beräkningsmodellen S-HYPE kunde användas för att fylla ut med data där mätningar inte finns tillgängliga. Arbetet utfördes genom korrelationsanalyser mellan uppmätta och beräknade grundvattennivåer för att avgöra noggrannheten i S-HYPEs beräkningar av grundvattennivåer. Korrelationsanalyserna visade vilka egenskaper hos mätstationerna (miljövariabler) som gav upphov till avvikelser mellan beräknade och uppmätta nivåer. Två typer av modellerade grundvattennivåer har jämförts med uppmätta grundvattennivåer i SGUs Grundvattennät; grundvattennivåer som beräknas med avseende på arealandelarna av jordklasser och markanvändningen i varje delavrinningsområde (viktade medelgrundvattennivåer), samt grundvattennivåer som beräknas separat för varje specifik jordklass i ett delavrinningsområde. Resultaten visade att jordartsspecifikt beräknade nivåer gav bättre korrelation med uppmätta nivåer. Vidare analyser visade att S-HYPE beräknade nivåer i jordklassen grovjord med stor osäkerhet och att jordklassen kunde behöva delas upp för att öka modellens noggrannhet. En stark korrelation erhölls med beräknade nivåer i moränjordar där omättade zonen generellt är liten. Alla miljövariabler påverkade korrelationen mer eller mindre. Den känsligaste faktorn var dock den omättade zonens mäktighet, vilket visade sig då beräknade grundvattennivåer från S-HYPE blev för snabbreagerande när avståndet till grundvattennivån var stort. Speciellt tydligt blev det vid snösmältningen på våren då stor grundvattenbildning sker och mycket vatten under kort tid perkolerar till grundvattnet. / The geological survey of Sweden (SGU) is responsible for the national monitoring of groundwater levels. In the Groundwater network there are just over 300 stations where groundwater levels are measured twice each month. The groundwater situation in Sweden and the “degree of filling” of groundwater are presented with maps made with data from measured groundwater levels. To increase the amount of information in the maps, this work intended to examine if calculated data from the hydrological model S- HYPE could be used to fill the spatial and temporal gaps where measured data were not available. The work was performed with correlation analyzes to determine the accuracy of the calculated groundwater levels from S-HYPE. Correlation analyses indicated which site characteristics (environmental variables) of the monitoring stations that caused possible deviations in the correlation. Two types of modeled groundwater levels were compared to measured levels; groundwater levels that were calculated with respect to the proportions of soil classes and land uses in each sub-basin (weighted mean groundwater levels), and groundwater levels that were calculated separately for a specific soil class. The results showed that levels calculated for specific soils gave better correlation with measured levels. Further analyzes showed that S- HYPE calculated levels in coarse soils with considerable uncertainty and that this soil class needs to be better defined. A strong correlation was obtained with the calculated levels in till soils. All environmental variables influenced the correlation to some degree. The thickness of the unsaturated zone, however, was the most sensitive factor in the correlation, which was evident because the calculated groundwater levels from S- HYPE were too fast-responding when the groundwater level was deep. This became particularly clear during the spring snowmelt, when groundwater recharge is large, and a large amount of water percolates to the groundwater zone.

The Håga river, located west of the Swedish city Uppsala, is currently without a proper gauging station. Knowing the streamflow is nonetheless important to, for example, be able to calculate the nutrient transport in the river. This project aimed to evaluate different indirect methods of streamflow estimation to investigate how they perform, in particular in relation to SMHI’s S-HYPE model. Two of the methods used were based on transferring streamflow of nearby catchments to Håga, either by using relationships between the mean and standard deviation of the streamflow time series (MOVE), or by simply scaling relative to catchment size (DAR). Furthermore, a hydrological model, HBV, was calibrated for Håga using different amounts and types of calibration data. All the methods were then compared to streamflow data from a previously active gauging station in Håga.  It was found that the overall best method to estimate the streamflow in Håga was using the MOVE method with one particular donor catchment. However, the performance of the simpler MOVE and DAR methods varied a lot from catchment to catchment. HBV was found to be able to produce better performing simulations than S-HYPE, despite being a simpler model. Even HBV-calibrations using alternative or limited data could perform rather well, although rarely at the level of a calibration utilising all available streamflow data. A big uncertainty of the study was the fact that the most recent available validation data for the Håga catchment was from two decades ago, when the old gauging station was decommissioned. Most likely the methods that worked well during the 90s would work well today as well, but this is a matter that could be studied further. / Hågaån, ett vattendrag som ligger väster om Uppsala, saknar i nuläget en mätstation för vattenföring. Att känna till flödet är dock ändå intressant, bland annat för att kunna beräkna näringstransporten i ån. Syftet med detta projekt var därmed att utvärdera och jämföra olika metoder för att uppskatta vattenflödet i Hågaån, särskilt för att undersöka hur de presterade i jämförelse med SMHI:s S-HYPE-modell. Två av metoderna som användes för detta baserades på att överföra flöden från närliggande vattendrag till Håga, antingen genom att använda förhållanden mellan medelvärde och standardavvikelse för flödes-datan (MOVE), eller genom att bara utgå från skillnader i områdenas storlek (DAR). Utöver det kalibrerades även den hydrologiska modellen HBV för Håga med olika typer och mängder av kalibreringsdata. Alla metoderna jämfördes sedan med data från en mätstation som tidigare funnits i Hågaån. Resultaten visade att den över lag bästa metoden för att uppskatta flödet i Håga var MOVE-metoden i kombination med ett av de närliggande vattendragen. Hur väl dessa simplare MOVE- och DAR-metoder presterade varierade dock mycket beroende på vilket vattendrag som användes som donator. Det visade sig även att det gick att erhålla bättre resultat med HBV än de som gavs av S-HYPE, trots att HBV är en enklare modell. Även HBV-kalibreringar baserade på alternativ eller begränsad data kunde producera välpresterande simulationer, dock sällan på samma nivå som den kalibrering som använt all tillgänglig flödesdata. En stor osäkerhet i projektet kretsar kring att den nyaste tillgängliga valideringsdatan från Hågaån var över två decennier gammal, då den mätstation som funnits stängdes ner. Med stor sannolikhet kommer metoderna som fungerade väl under 90-talet även fungera bra i modern tid, men detta är något som kräver vidare studier.