This study aimed at describing the characteristics of daily precipitation and discharge extremes in the Adige river basin at the city of Trento. Annual maximum series for the period 1975−2014 were analyzed in terms of trends, seasonality indices and L-moments. A Mann-Kendall trend analysis showed a weak but significant signal of decreasing ex-tremes; the percentages of sites with significant negative trends were overall larger than the significance levels. Precipitation extremes were characterized primarily by autumn storms, while floods had a stronger seasonality with peaks occurring predominantly in June and July which indicated that the timing not solely explained by rainfall maxima. The Adige basin was found to be a homogenous region with respect to precipitation, but the results did not support a corresponding assumption for discharge. A regional fre-quency analysis was performed for precipitation data and found both the Pearson type III and generalized normal distributions to be adequate regional frequency distributions. The extreme daily precipitation at Trento with a 100-year return period was estimated to be between 114 and 148 mm/d. / Egenskaperna hos extremvärden av dygnsnederbörd och -vattenföring i Adigeflodens av-rinningsområde vid staden Trento undersöktes. Serier med årsmaxima för perioden 1975–2014 analyserades med avseende på trender, säsongsindex och L-moment. Trendanalys med Mann-Kendallmetod antydde en svag men signifikant signal om minskande extrem-värden, då andelen mätstationer med signifikant negativa trender överlag var större än signifikansnivån. Den extrema nederbörden karakteriserades huvudsakligen av höststor-mar, medan vattenföringen hade en starkare säsongsbundenhet då maxima inträffade främst under juni och juli. Vattenföringens extremvärden kunde därmed inte enbart för-klaras av nederbördsmaxima. Avrinningsområdet kunde betraktas som en homogen reg-ion för nederbörd, men resultaten gav inte stöd åt ett motsvarande antagande för vatten-föring. En regional frekvensanalys genomfördes för nederbördsdata och visade att Pear-son typ III och den generaliserade normalfördelningen var lämpliga regionala sannolik-hetsfördelningar. Över Trento uppskattades den extrema dygnsnederbörden med en åter-komstperiod på 100 år till mellan 114 och 148 mm/d.

Water is essential for human well-being and healthy ecosystems, but population growth and changes in climate and land-use are putting increased stress on water resources in many regions. To ensure water security, knowledge about the spatiotemporal distribution of these resources is of great importance. However, estimates of global water resources are constrained by limitations in availability and quality of data. This thesis explores the quality of both observational and modelled data, gives an overview of models used for large-scale hydrological modelling, and explores the possibilities to deal with the scarcity of data by prediction of flow-duration curves. The evaluation of the quality of observational data for large-scale hydrological modelling was based on both hydrographic data, and model forcing and evaluation data for basins worldwide. The results showed that a GIS polygon dataset outperformed all gridded hydrographic products analysed in terms of representation of basin areas. Through a screening methodology based on the long-term water-balance equation it was shown that as many as 8–43% of the basins analysed displayed inconsistencies between forcing (precipitation and potential evaporation) and evaluation (discharge) data depending on how datasets were combined. These data could prove disinformative in hydrological model inference and analysis. The quality of key hydrological variables from a numerical weather prediction model was assessed by benchmarking against observational datasets and by analysis of the internal land-surface water budgets of several different model setups. Long-term imbalances were found between precipitation and evaporation on the global scale and between precipitation, evaporation and runoff on both cell and basin scales. These imbalances were mainly attributed to the data assimilation system in which soil moisture is used as a nudge factor to improve weather forecasts. Regionalisation, i.e. transfer of information from data-rich areas to data-sparse areas, is a necessity in hydrology because of a lack of observed data in many areas. In this thesis, the possibility to predict flow-duration curves in ungauged basins was explored by testing several different methodologies including machine learning. The results were mixed, with some well predicted curves, but many predicted curves exhibited large biases and several methods resulted in unrealistic curves. / Vatten är en förutsättning för människors och ekosystems hälsa, men befolkningsökning och förändringar av klimat och markanvändning förväntas öka trycket på vattenresurserna i många regioner i världen. För att kunna säkerställa en god tillgång till vatten krävs kunskap om hur dessa resurser varierar i tid och rum. Tillförlitligheten hos skattningar av globala vattenresurser begränsas dock både av begränsad tillgänglighet av och kvalitet hos observerade data. Denna avhandling utforskar kvaliteten av såväl observations- som modellbaserade data, ger en överblick över modeller som används för storskalig hydrologisk modellering och utforskar möjligheterna att förutsäga varaktighetskurvor som ett sätt att hantera bristen på data i många områden. Utvärderingen av observationsbaserade datas kvalitet baserades på hydrografiska data och driv- och utvärderingsdata för storskaliga hydrologiska modeller. Resultaten visade att en uppsättning data över hydrografin baserad på GIS-polygoner representerade avrinningsområdesareorna bättre än alla de som byggde på rutor. En metod baserad på långtidsvattenbalansen identifierade att kombinationen av drivdata (nederbörd och potentiell avdunstning) och utvärderingsdata (vattenföring) var fysiskt orimlig för så många som 8–43 % av de analyserade avrinningsområdena beroende på hur olika datauppsättningar kombinerades. Sådana data kan vara desinformativa för slutsatser som dras av resultat från hydrologiska modeller och analyser. Kvaliteten hos hydrologiskt viktiga variabler från en numerisk väderprognosmodell utvärderades dels genom jämförelser med observationsdata och dels genom analys av landytans vattenbudget för ett flertal olika modellvarianter. Resultaten visade obalanser mellan långtidsvärden av nederbörd och avdunstning i global skala och mellan långtidsvärden av nederbörd, avdunstning och avrinning i både modellrute- och avrinningsområdesskala. Dessa obalanser skulle till stor del kunna förklaras av den data assimilering som görs, i vilken markvattenlagret används som en justeringsfaktor för att förbättra väderprognoserna. Regionalisering, som innebär en överföring av information från områden med god tillgång på mätdata till områden med otillräcklig tillgång, är i många fall nödvändig för hydrologisk analys på grund av att mätdata saknas i många områden. I denna avhandling utforskades möjligheten att förutsäga varaktighetskurvor för avrinningsområden utan vattenföringsdata genom flera metoder inklusive maskininlärning. Resultaten var blandade med en del kurvor som förutsas väl, och andra kurvor som visade stora systematiska avvikelser. Flera metoder resulterade i orealistiska kurvor (ickemonotona eller med negativa värden).

Knowledge about spatial and temporal variability of hydrological processes is central for sustainable water-resources management, and such knowledge is created from observational data. Hydrologic models are necessary for prediction for time periods and areas lacking data, but are affected by observational uncertainties. Methods for estimating and accounting for such uncertainties in water-resources modelling are of high importance, especially in regions such as Central America. Observational uncertainties were addressed in three ways in this thesis; quality control, quantitative estimation and development of model-evaluation techniques that addressed unquantifiable uncertainties. A first step in any modelling study should be the quality control and concurrent analysis of the representativeness of the observational data. In the characterisation of the precipitation regime in the Choluteca River basin in Honduras, four different quality problems were identified and 22% of the daily data had to be rejected. The monitoring network was found to be insufficient for a comprehensive characterisation of the high spatiotemporal variability of the precipitation regime. Quantitative estimations of data uncertainties can be made when sufficient information is available. Discharge-data uncertainties were estimated with a fuzzy regression for time-variable rating curves and from official rating curves for 35 stations in Honduras. The uncertainties were largest for low flows, as a result of measurement uncertainties and natural variability. A method for calibration with flow-duration curves was developed which enabled calibration to the whole flow range, accounting for discharge uncertainty and calibration with non-overlapping time periods for model input and evaluation data. The method compared favourably to traditional calibration in a test using two models applied in basins with different runoff-generation processes. A post-hoc analysis made it possible to identify potential model-structure errors and periods of disinformative data. Flow-duration curves were regionalised and used for calibration of a Central-American water-balance model. The initial model uncertainty for the ungauged basins was reduced by 70%. Non-representative precipitation data were found to be the main obstacle to comprehensive regional water-resources modelling in Central America. These methods bridged several problems related to observational uncertainties in water-balance modelling. Estimates of prediction uncertainty are an important basis for all types of decisions related to water-resources management. / Kännedom om hur hydrologiska processer varierar i tid och rum är grundläggande för hållbar vattenresursförvaltning och skapas utifrån observerade data. Hydrologiska modeller är nödvändiga för att förutsäga vattenbalansen för tidsperioder och områden utan data, men påverkas av observationsosäkerheter. Metoder för att hantera sådana osäkerheter i vattenresursmodellering är av stor betydelse i regioner såsom Centralamerika. Observationsosäkerheter hanterades på tre olika sätt i denna avhandling; kvalitetskontroll, kvantitativ uppskattning och utveckling av modellutvärderingsmetoder för beaktande av icke kvantifierbara osäkerheter. Ett viktigt första steg är kvalitetskontroll och samtidig analys av datas representativitet. Vid karaktäriseringen av nederbördsregimen i Cholutecaflodens avrinningsområde i Honduras identifierades fyra olika kvalitetsproblem och 22 % av data sorterades bort. Stationsnätet var otillräckligt för en fullödig karaktärisering av nederbördsregimens variationer i tid och rum. Dessa var mycket stora som ett resultat av komplexiteten hos de nederbördsgenererande mekanismerna. Kvantitativ uppskattning av observerade datas osäkerhet kan göras när tillräcklig information är tillgänglig. Osäkerheter i vattenföringsdata uppskattades dels vid beräkning av vattenföring med en oskarp regression för en tidsvariabel avbördningskurva, dels från en analys av officiella avbördningskurvor från 35 stationer i Honduras. Osäkerheten var i båda fallen högst vid låga flöden som ett resultat av högre mätosäkerheter samt större naturlig variabilitet än vid höga flöden. En metod för modellkalibrering med varaktighetskurvor utvecklades och gjorde det möjligt att kalibrera för hela flödesintervallet samtidigt, ta hänsyn till osäkerheter i vattenföringsdata samt kalibrera med icke överlappande driv- och utvärderingsdata. Metoden testades med två olika modeller i två avrinningsområden med olika avrinningsbildningsprocesser, och visade goda resultat jämfört med traditionell modellkalibrering. En post hoc-analys gjorde det möjligt att identifiera troliga modellstrukturfel och perioder med disinformativa data. Varaktighetskurvor regionaliserades och användes för kalibrering av en regional vattenbalansmodell för Centralamerika, varvid den initiala modellosäkerheten minskades med 70 %. Icke representativa nederbördsdata identifierades som det största hindret för regional vattenresursmodellering i Centralamerika. De metoder som utvecklades i detta arbete gör det möjligt att överbrygga ett flertal problem orsakade av bristfällig tillgänglighet och kvalitet av data och leder därmed till en förbättrad uppskattning av osäkerheten i vattenbalanssimuleringar. Sådana osäkerhetsskattningar är ett viktigt underlag vid alla typer av förvaltningsbeslut som rör vattenresurser.

The chemistry of a stream is the result of different transport routes of the precipitation and the processes it undergoes in the catchment area to the stream. The transport route can involve natural processes in the ground, called diffuse sources, or some more anthropogenic sources titled point sources. In the stream, this chemistry is affected by dilution and different sources and sinks of substances. From Hovgårdens waste facility, a point source situated in Tomtaåns water catchment (20 km NE of Uppsala), waste water is released in the nearby Hovgårdsbäcken stream, bringing various metals, salts and nutrient salts. This is then transported to Lissån stream and further on to Tomtaån stream. Before connecting to Lissån, Tomtaån flows through a rural landscape without known larger point sources. This project has two purposes, one is to investigate if substance concentrations in the water changes on its transport along Hovgårdsbäcken, Lissån and Tomtaån streams and why. The other is to determine whether the mass transport from Tomtaån stream is significant for the water chemistry compared to Lissån stream. This project is based on substance concentrations measured by Uppsala Vatten AB from 2009-2014 and the writers’ own measurements from spring of 2016. The substances concerned in this project are N-tot, P-tot, NH4+, PO43-, Fe, SO42-, NO3-. The samplings made by Uppsala Vatten AB does not include Tomtaån upstream the inflow from Lissån. To obtain the size of the mass transport of Tomtaån, modelled substance concentrations along with surface types from GIS have been used. A mass balance was then calculated. The reliability of these values are then discussed. The own measurements included discharge measurements and water sampling to carry out analysis of pH, alkalinity as well as anions Cl-, SO42- and NO3-. The results showed that for Fe, P-tot and PO43-, the values were peaking after the inflow of Lissån to Tomtaån, meaning that these ones come in higher values from Tomtaån than Hovgården. N-tot, NH4+ and SO42- decrease in concentration along the transport which indicates the opposite for Fe, P-tot and PO43-. The mass transport calculated with the modelled values indicates an absurd deficit, which brings the conclusion that these are not reliable. / Ett vattendrags kemi är ett resultat av nederbördens olika transportvägar och dess processer i avrinningsområdet. Transportvägen kan innefatta naturliga processer i mark, så kallade diffusa utsläpp, och mer antropogena källor som har en bestämd utsläppspunkt, vilka benämns som punktkällor. Väl i vattendraget påverkar utspädning, källor och sänkor ämnenas halter. Från Hovgårdens avfallsanläggning, en punktkälla som ligger i Tomtaåns avrinningsområde (2 mil nordost om Uppsala), rinner avfallsvatten ut i den närliggande Hovgårdsbäcken med en rad olika typer av metaller, salter och närsalter. Detta transporteras vidare till Lissån vars flöde går ihop med Tomtaån. Tomtaån rinner innan sammanflöde med Lissån genom ett jordbrukslandskap utan större kända punktkällor men där diffusa utsläppskällor kommer till uttryck. Projektet har två syften, det ena är att undersöka om ämneshalterna i vattnet på sin transport längsmed Hovgårdsbäcken, Lissån och Tomtaån förändras och varför. Det andra är att slå fast om masstransporten från Tomtaån är betydande för vattenkemin jämfört med Lissån. Till grund för projektet ligger ämneshalter tagna vid olika punkter av Uppsala Vatten AB år 2009-2014 respektive prover tagna av författarna våren 2016. Ämnen som ligger i fokus är; N-tot, P-tot, NH4+, PO43-, Fe, SO42-, NO3-. Uppsala Vattens provtagningar innefattar inte Tomtaån uppströms. För att få fram storleken på Tomtaåns masstransport, har istället schablonvärden och markanvändningsareor tagna ur GIS använts. Med dessa schablonvärden och de empiriskt uppmätta halterna från Uppsala Vatten har massbalansberäkningen sedan gjorts. Vi kommer föra en diskussion om denna metod var tillförlitlig eller ej. Av författarna mättes vattenföring och vattenprover togs, vilka analyserades för pH och alkalinitet såväl som anjonerna: Cl-, SO42- and NO3-. Resultatet visade att ämneshalterna för Fe, P-tot and PO43- var högst efter Lissåns inflöde med Tomtaån. Vilken betyder att vattenkemin påverkas mer av Tomtaån än Hovgården. Resterande ämnen minskar i halt längsmed transporten, Hovgården bidrar med högst ämneshalt och Tomtaån påverkar vattenkemin genom utspädning. Masstransporten beräknad med schablonvärden indikerar ett massivt orimligt underskott, bedömningen är att schablonhalter ej är tillförlitliga.