This thesis raises the problem with acid mine drainage around the closed mine Finngruvan.The purpose of the investigation was to compare metal content in surface water in the areaand its catchments between year 2010 and 2003, also to make calculation of specific runoffand metal load, furthermore determine the recipients in the area. Surface water samplingwhere preformed at the same place as 2003 and also at a few other places of interest. Adigital elevation file were used in GIS to calculate the area of the watersheds in the region,observations in the field where also made. The collected data were used to make comparisons,calculations and conclusions. The result showed that the surface water 2010 had somewhatlower metal concentrations. The metal load calculation shows that most metals leak in thesouthern basin, but significant leakage also occurs in the western basin. The receptors in theregion are Hånsjön, Abbortjärn and Garphytteån. Conclusion to confirm the results in thisinvestigation, continuous surface water sampling is needed.

Temporary streams and their dynamics have often been largely overseen in hydrological research and there is relatively little knowledge about how the occurrence of flow in these streams varies temporally and spatially. Temporary streams are important from a hydro- logical perspective because they affect water quantity and quality in downstream peren- nial reaches, and from an ecological perspective because they provide habitat to unique species. In order to gain knowledge about these important streams, this maser thesis was conducted, within the Msc program in Water and Environmental Engineering at Uppsala University and the Swedish University of Agricultural Sciences, in collaboration with the Hydrology and Climate group at the University of Zurich. In this study, the temporal and spatial variation of the temporary streams in a small pre-Alpine catchment in Switzerland were investigated, both in terms of the presence of flowing water and stream chemistry. The 20 ha Studibach catchment is typical for the pre-Alpine area, with frequent precipi- tation. The streams in the lower part of the Studibach catchment were mapped in the field during September 2020. The temporal and spatial variations of the presence of flow and stream chemistry within the stream network was investigated in September and October 2020 during varying weather conditions. During ten field campaigns the flow state of the streams was classified and the Electrical Conductivity (EC) of the streams was mea- sured approximately every 20 meter. The findings from the field campaigns were related to topographic indices, in particular the Topographic Wetness Index (TWI) and Upslope Accumulated Area (A), in order to see how topography influenced the presence of stream- flow and stream EC. The results show a high temporal and spatial variation in both stream chemistry and streamflow. The active network length expanded by a factor of two in re- sponse to precipitation events. The stream EC also had a large spatial variation, and the streams in the southeast part of the catchment had a higher EC than the other streams. This spatial variation is expected to reflect the large variability in groundwater EC within the catchment. The spatial variation of the streamflow demonstrated a difference between the north-middle and the south part of the catchment, where the south part responded quicker to events and drained and retracted faster after the event. The findings also indicate that topographic indices can predict the occurrence of flow in the stream network, with sites with higher topographic index values having a higher probability of flowing water in the stream. Topography also influences the stream chemistry. The variation in stream chem- istry was smaller for sites with higher values for the topographic indices, something that can be explained by the Representative Elementary Area (REA) concept, because sites with higher topographic index values are located further downstream and water at these locations is a mixture of the smaller streams that feed these streams. / Temporära bäckar och dess dynamik har länge varit förbisedda inom hydrologisk forskn- ing, och en djupgående kunskap rörande temporära och rumsliga variationer saknas. Tem- porära bäckar är viktiga utifrån ett hydrologisk perspektiv eftersom de påverkar både kvantitet och kvalitet på vattnet nedströms, och från ett ekologiskt perspektiv eftersom de bidrar med habitat till unika arter. Detta examensarbete har genomförts för att öka kunskapen kring dynamiken i dessa temporära nätverk. Examensarbetet genomfördes inom Civilingenjörsprogrammet i Miljö och Vattenteknik vid Uppsala Universitet och Sveriges Lantbruksuniversitet, i ett samarbete med Hydrologi- och Klimatgruppen vid University of Zurich. Studien har undersökt temporära och rumsliga variationer i ett tem- porärt bäcknätverk med avseende på flöden och kemin i vattnet, i ett mindre pre-alpint avrinningsområde i centrala Schweiz. Bäckarna i den nedre delen av avrinningsområdet Studibach karterades i fält för hand med karta och kompass under september 2020. Avrin- ningsområdet är på 20 ha och räknas som typiskt för ett pre-Alpint område, med frekvent nederbörd. Tio fältkampanjer genomfördes där temporära och rumsliga variationer un- dersöktes genom klassificering av flöden och mätningar av Elektrisk Konduktivitet (EC) i bäckarna ungefär var 20e meter, under september och oktober 2020 i varierande väder- förhållanden. Resultaten från fältkampanjerna relaterades till de topografiska indexen Topographic Wetness Index (TWI) och Upslope Accumulated Area (A) för att undersöka hur topografin påverkar flöden och bäckkemin. Studien kom fram till att bäckarna i den nedre delen av Studibach visar både en temporär och en rumslig variation för både flöde och bäckkemi. De aktiva bäckarna i nätverket visade på en expansion med en faktor två som svar på nederbörd. En rumslig variation för flödet påträffades även mellan den södra och nord-centrala delen av nätverket där den södra svarade snabbare mot event och även drogs ihop snabbare. Kemin i bäckvattnet visade på en stor rumslig variation, med högt EC i den sydöstra delen av avrinningsområdet, vilket förmodas bero på den stora rumsliga variationen av EC i grundvattnet. Resultaten visar även på att topografiska index kan till viss del förutspå flöden i bäckarna, där platser med högre topografiska index har högre sannolikhet att det flödar i bäcken. Topografin påverkar även bäckkemin. Variationen i bäckkemin var mindre för platser med högre topografiska index, vilket kan förklaras med Representative Elementary Area (REA) konceptet, eftersom platser med högre to- pogragiska index värden återfinns längre nedströms och vattnet på dessa platser är en blandning av de mindre bäckarna som tillför vattnet till de större.

The increased temperatures in the Arctic accelerate the loss of land based ice stored in glaciers. The Greenland Ice Sheet is the largest ice mass in the Northern Hemisphere and holds ~10% of all the freshwater on Earth, equivalent to ~7 metres of global sea level rise. A few decades ago, the mass balance of the Greenland Ice Sheet was poorly known and assumed to have little impact on global sea level rise. The development of regional climate models and remote sensing of the ice sheet during the past decade have revealed a significant mass loss. To monitor how the Greenland Ice Sheet will affect sea levels in the future requires understanding the physical processes that govern its mass balance and movement. In the southeastern and central western regions, mass loss is dominated by the dynamic behaviour of ice streams calving into the ocean. Changes in surface mass balance dominate mass loss from the Greenland Ice Sheet in the central northern, southwestern and northeastern regions. Little is known about what the hydrological system looks like beneath the ice sheet; how well the hydrological system is developed decides the water’s impact on ice movement. In this thesis, I have focused on radar sounding measurements to map the subglacial topography in detail for a land-terminating section of the western Greenland Ice Sheet. This knowledge is a critical prerequisite for any subglacial hydrological modelling. Using the high-resolution ice thickness and bed topography data, I have made the following specific studies: First, I have analysed the geological setting and glaciological history of the region by comparing proglacial and subglacial spectral roughness. Second, I have analysed the subglacial water drainage routing and revealed a potential for subglacial water piracy between adjacent subglacial water catchments with changes in the subglacial water pressure regime. Finally, I have looked in more detail into englacial features that are commonly observed in radar sounding data from western Greenland. In all, the thesis highlights the need not only for accurate high-resolution subglacial digital elevation models, but also for regionally optimised interpolation when conducting detailed hydrological studies of the Greenland Ice Sheet. / De ökade temperaturerna i Arktis påskyndar förlusten av landbaserad is lagrad i glaciärer och permafrost. Grönlands inlandsis är den största ismassan på norra halvklotet och lagrar ca 10% av allt sötvatten på jorden, vilket motsvarar ca 7 meter global havsnivåhöjning. För ett par decennier sedan var inlandsisens massbalans dåligt känd och antogs ha liten inverkan på dagens havsnivåhöjning. Utvecklingen av regionala klimatmodeller och satellitbaserad fjärranalys av inlandsisen har under de senaste decenniet påvisat en betydande massförlust. För att förutse vilken inverkan inlandsisen har på framtida havsnivåhöjningar krävs en förståelse för de fysikaliska processerna som styr dess massbalans och isrörelse. I de sydöstra och centrala västra delarna av inlandsisen domineras massförlusten av dynamiska processer i isströmmar som kalvar ut i havet. Massförlusten i de centrala norra, sydvästra och nordöstra delarna domineras av isytans massbalans. Ytterst lite är känt om hur det hydrologiska systemet ser ut under inlandsisen; hur väl det hydrologiska systemet är utvecklat avgör vattnets påverkan på isrörelsen. I denna doktorsavhandling har jag använt markbaserade radarmätningar för att kartlägga den subglaciala topografin för en del av den västra landbaserade inlandsisen. Denna kunskap är en viktig förutsättning för att kunna modellera den subglaciala hydrologin. Med hjälp av rumsligt högupplöst data över istjockleken och bottentopografin har jag gjort följande specifika studier: Först har jag analyserat de geologiska och glaciologiska förhållandena i regionen genom att jämföra proglacial och subglacial spektralanalys av terrängens ytojämnheter. Sedan har jag analyserat den subglaciala vattenavrinningen och påvisat en potential för att avrinningsområdena kan ändras beroende på vattentryckförhållandena på botten. Slutligen har jag tittat mer i detalj på englaciala radarstrukturer som ofta observerats i radardata från västra Grönland. Sammanfattningsvis belyser avhandlingen behovet av inte bara noggranna rumsligt högupplösta subglaciala digitala höjdmodeller, utan även regionalt optimerad interpolering när detaljerade hydrologiska studier ska utföras på Grönlands inlandsis.

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.

Water constraints for humans and nature are gaining more and more public attention as a critical environmental dilemma that needs to be addressed. When aquifers and rivers are running dry, the debate refers to an ongoing “world water crisis”. This thesis focuses on the water and agricultural production complexity in a global, regional and local perspective during different phases of development. It addresses the river basin closing process in light of consumptive water use changes, land use alterations, past and future food production in waterscarce developing countries in general, and a south Indian case study basin in particular, the Bhavani basin in Tamil Nadu. The study focuses on early phases of global agricultural development and addresses consumptive use and river depletion in response to land use change and irrigation expansion. It shows that focus must be shifted from a water use to a consumptive water use notion that considers both green and blue water resources. The Bhavani basin development trajectory reveals a dynamic interplay between land and water resources and different socio-political groups during the “green revolution” period. The present system has emerged as a step-by-step adaptation in response to hydro-climatic variability, human demands and infrastructure constraints. The study reveals three kinds of basin closure: allocation closure; hydrological closure; and perception wise closure. Many concerted actions on multiple scales have contributed to an increasing water use complexity even after closure. The study shows the extent to which natural variability hides creeping changes, and that the “average year” is a deceptive basis for water allocation planning. Future consumptive water requirements to feed growing populations in the developing world is analysed with a back-casting country-based approach. The study shows a doubling of water requirements by 2050 and how the challenge can be halved by increased water productivity. Since blue water accessibility for irrigation clearly will be insufficient, additional green water has to be acquired by horizontal agricultural expansion into other terrestrial ecosystems. The task will be substantial and increase the importance of global food trade. / Vattenbrist för människor och ekosystem är en mer och mer uppmärksammad miljöfråga. Sjunkande grundvattennivåer och uttorkade floder gör att många talar om en ”global vattenkris”. Denna avhandling fokuserar på de komplexa sambanden mellan vatten och jordbruksproduktion utifrån ett globalt, regionalt och lokalt perspektiv under olika utvecklingsfaser under fyra sekler. Den redogör för hur avrinningsområden överintecknas och slutligen ”stängs” för ytterligare vattenutvinning. Effekterna av ökad vattenutvinning i relation till historisk och framtida matproduktion analyseras generellt i utvecklingsländer med vattenbrist, och i detalj i en fallstudie i Bhavani avrinningsområde i Tamil Nadu i södra Indien. Studien visar för den tidiga jordbruksutvecklingen på global nivå hur förändrad markanvändning och bevattningsexpansion leder till förändrad balans mellan evapotranspiration och avrinning, med uttorkning av vattendrag som följd. Den visar vidare vikten av ett paradigmskifte där fokus flyttas från vattenanvändning till ”konsumerande” vattenanvändning, och som inkluderar både grönvatten- och blåvattenresurser. Analysen av Bhavaniområdets utvecklingskurva under det senaste seklets jordbruksutveckling visar på ett dynamiskt växelspel mellan land- och vattenresurser och mellan olika samhällsgrupper. Den nuvarande vattenanvändningssituationen har stegvis växt fram som en respons på hydroklimatisk variabilitet, människors behov och infrastrukturbegränsningar. Studien påvisar att ett avrinningsområde kan ses som ”stängt” på tre skilda sätt: när flödet är överintecknat, när utflödet sinar, och när vattenanvändare upplever att behoven överstiger tillgången. Även efter ”stängning” har etablering och intensifiering av vattenutvinning fortsatt och resulterat i ett alltmer komplext och sammanflätat vattenanvändningsmönster. Studien visar vidare hur hög hydroklimatisk variabilitet, dels gör att ”genomsnittlig vattentillgång” är förledande vid planering av vattenfördelning i ett avrinningsområde, och dels döljer smygande kumulativa effekter av ökad vattenutvinning. Slutligen anlyseras ländervis framtida vattenbehov för att möta matbehovet i världens utvecklingsländer, vilket visar på en fördubbling fram till 2050. Tack vare ökad vattenproduktivitet kan behovet emellertid halveras. Endast en bråkdel av det resterande behovet kan mötas genom ökad bevattning, dvs. med mera blåvatten. En stor del av vattenbehovet måste istället täckas med mera grönvatten via uppodling av andra terrestra ekosystem. Uppgiften innebär en betydande utmaning och global handel med jordbruksprodukter kommer att öka avsevärt i betydelse.