Deeper understanding of relationships between flow in river sand various hydrologic elements such as rainfall, land use, and soil type is imperative to solve water related problems like droughts and floods. Advanced computer models are becoming essential in helping us understand such relationships. However, preparing such models requires huge investment of time and resources, much of which are concentrated on acquisition and curation of data. This work introduces agree and open source web Application (web App) that provides researchers with simplified access to hydrological data and modeling functionality. The web App helps in the creation of both hydrologic models, and climatic and geographic data. Free and open source platforms such as Tethys and Hydro Share were used in the development of the web Apia physics based model called TOPographic Kinematic APproximation and Integration (TOPKAPI) was used as the driving use case for which a complete hydrologic modeling service was developed to demonstrate the approach. The final product is a complete modeling system accessible through the web to create hydrologic data and run a hydrologic model for a watershed of interest. An additional model, TOPNET, was incorporated to demonstrate the generality of the approach and capability for adding other models into the framework.

The issues of conflicts between water, energy and food (often referred to as WEFnexus) has become a problem in countries where the energy system is rapidly expanding; one of those countries is Ethiopia. Ethiopia has a large potential of hydropower, which is what most of the electricity production currently comes from. However, this has proven to cause problems on other practices around or close to the power plants. An example is the Omo River basin where the development of the Gibe hydropower cascading scheme, with currently the three power plants Gibe I, I and III operating, have brought up the discussion of the downstream impact. For instance, indigenous people living in the lower parts of Omo river, practice flood recession agriculture, meaning they are depending on the seasonal floods. Further, Omo river has its outflow into Lake Turkana, Kenya, and the lake is highly dependent on the flow regime of the Omo river. Studies on the Omo river have been many, an example is the ones using Topkapi-ETH, a physically based rain-fall runoff model, that models the hydrological aspects of the river and considers, among others, water abstraction for irrigation and diversions to reservoirs for hydropower. However, the hydropower modelled worked on the basis of an averaged power demand; not necessarily reflect the actual demand. Hence, OSeMOSYS, the long-term energy optimization tool, was proposed to complement this study by modelling the energy system in Ethiopia. This current thesis had the aim to do so with the attempt to explore the possibility of a coupling between the models Topkapi-ETH and OSeMOSYS. The aim was to feed OSeMOSYS with varying water availability from Topkapi-ETH; in return, OSeMOSYS would feed Topkapi-ETH with a more realistic required energy production demand. An OSeMOSYS model was set up for Ethiopia, with national data extracted from the study The Electricity Model Base for Africa (TEMBA), disaggregating the hydropower to be able to model each of the hydropower plants in the Gibe cascading scheme individually. To couple the two models, two approaches were developed: Storage module and Reservoir module. The Storage module used the storage feature within OSeMOSYS and used the varying volume in the reservoir from Topkapi-ETH and converted it into an energy potential, as input to OSeMOSYS. The Reservoir module, on the other hand, used the external inflow (sum of all flows except upstream release), obtained from Topkapi-ETH, to the reservoir. An experimental set-up was performed to test how the OSeMOSYS model, with the two modules, would react to the input and which inputs were the driving forces affecting the electricity production. The results showed that OSeMOSYS can respond to the varying water availability received from Topkapi-ETH with the electricity production from the Gibe cascading scheme showed results reflecting this. However, there was a mismatch in the hydrological response in which OSeMOSYS did not seem to fully reflect the volume in the reservoir. For certain cases, the volume would be zero, indicating it would not store any water but instead use all incoming water directly for energy production. Hence, with respect to the results presented in this study, one can conclude that OSeMOSYS is prone to respond to changes in water availability. However, due to the incompatibility in the hydrological perspective in regard to the volume, the coupling is not complete. Before such a complete coupling can be achieved one needs to understand why OSeMOSYS does not reflect the hydrological characteristics. If this can be solved, then a feedback of the required energy production in the Gibe hydropower plants ought to be sent back to Topkapi-ETH. / Konflikten mellan vatten, energi och mat (ofta benämnt WEF-nexus) har blivit ett problem i länder där energisystemet snabbt utvecklas; ett av dessa länder är Etiopien. Etiopien har stor potential i vattenkraft, från vilket den största delen av elektriciteten kommer ifrån idag. Däremot har detta visat skapa problem kring andra verksamheter runtomkring eller i närheten av kraftverken. Ett exempel är Omo RIVER BASIN, beläget i sydvästra Etiopien. Exploateringen av Gibe vattenkraftverk i en kaskad schema, idag med de tre kraftverket Gibe I, IO och III i bruk, har skapat diskussion kring påverkan nedströms. Till exempel så bot Urbefolkningen i den nedre delen av Omo floden, där de utövar så kallad flood recession jordbruk, vilket innebär att de är beroende av säsonger av översvämningar för att bevattna marken. Vidare, Omo floden har sitt utflöde in i Lake Turkana, Kenya, och skön är starkt beroende av flödesregimen i Omo floden. Studier kring Omo floden har varit manga, ett exempel är de som har använt sig av Topkapi-ETH, en fysikaliskt baserad nederbörd yt-avrinnings modell, som modellerat de hydrologiska aspekterna I floden och tar hänsyn till, bland annat, extrahering av vatten i bevattningssyfte och diversion till vattenkraftsdam. Dock modellerade vattenkraftverken med utgångspunkt från ett uppskattat energibehov; nödvändigtvis inte det faktiska behovet. Således föreslogs att OSeMOSYS, en LONGTERM energi optimerings modell, skulle komplimentera denna studie genom att modellera energisystemet i Etiopien. Den här uppsatsen hade som avsikt att testa de föregående med en ansats att undersöka möjligheten att sammankoppla de två modellerna Topkapi-ETH and OSeMOSYS. Målet var att förse OSeMOSYS med en varierad vatten tillgänglighet från Topkapi-ETH; i retur skulle OSeMOSYS förse Topkapi-ETH med ett mer realistiskt energiproduktions behov. En modell i OSeMOSYS skapades för Etiopien, med nationella data extraherad från studien The Electricity Model Base for Africa (TEMBA), där vattenkraftverk disaggregerades för att kunna modellera varje kraftverk I Gibe kaskad schema enskilt. För att sammankoppla de två modeller skapades två tillvägagångssätt: Lagrings modul och Reservoar modul. Magasin modulen använde en lagrings funktion i OSeMOSYS med en funktion av den varierande volym i en reservoar från Topkapi-ETH som omvandlades till en potentiell energi. Reservoar modulen däremot använde externt inflöde (summan av alla flöden förutom upströms utflöde), taget från Topkapi-ETH till reservoaren. Ett försök sattes upp för att testa hur OSeMOSYS modellen, med de två modulerna, skulle reagera till indata och vilken indata som är drivande och påverkar produktionen av elektricitet. Resultaten visade att OSeMOSYS kan besvara ett varierade vatten tillgänglighet kommen från Topkapi-ETH där produktionen av elektricitet från Gibe kaskad schema återspeglade detta. Däremot fanns en missanpassning i den hydrologiska responsen där OSeMOSYS inte fullt ut avspeglade volymen i reservoaren. I vissa fall var volymen noll, vilket tyder på att inget vatten kan lagras utan allt inkommande vatten går direkt till turbiner för produktion av energi. Således, med avseende på resultaten presenterade i den här studien, kan en dra slutsatsen att OSeMOSYS kan svara på variationer i vatten tillgängligheten. Däremot, på grund av missanpassning i hydrologiska perspektivet med avseende på volmen, så är inte sammankopplingen mellan modellerna fullständig. Före en sådan fullständig sammankoppling kan uppnås måste en förstår varför OSeMOSYS inte återspeglar denna hydrologiska karaktär. Om detta kan förstås, så kan en feedback av den fordrade energiproduktionen i Gibe vattenkraftverken återsändas tillbaka till Topkapi-ETH.