Diss. (sammanfattning) Stockholm : Stockholms universitet, 2010. / At the time of the doctoral defence, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 1: Submitted. Paper 3: Accepted. Paper 5: In progress. Härtill 5 uppsatser.

Water has always had a controlling influence on the earth’s evolution. Understanding and modelling the large-scale hydrological cycle is important for climate prediction and water-resources studies. In recent years large-scale hydrological models, including the WASMOD-­M evaluated in the thesis, have increasingly become a main assessment tool for global water resources. The monthly version of WASMOD-M, the starting point of the thesis, revealed restraints imposed by limited hydrological and climate data quality and the need to reduce model-structure uncertainties. The model simulated the global water balance with a small volume error but was less successful in capturing the dynamics. In the last years, global high-quality, high-resolution topographies and hydro­graphies have become available. The main thrust of the thesis was the development of a daily WASMOD-M making use of these data to better capture the global water dynamics and to parameter­ise local non-linear processes into the large-scale model. Scale independency, parsimonious model structure, and computational efficiency were main concerns throughout the model development. A new scale-independent routing algorithm, named NRF for network-response function, using two aggregated high-resolution hydrographies, HYDRO1k and HydroSHEDS, was developed and tested in three river basins with different climates in China and North America. The algorithm preserves the spatially distributed time-delay information in the form of simple network-response functions for any low-resolution grid cell in a large-scale hydrological model. A distributed runoff-generation algorithm, named TRG for topography-derived runoff generation, was developed to represent the highly non-linear process at large scales. The algorithm, when inserted into the daily WASMOD-M and tested in same three basins, led to the same or a slightly improved performance compared to a one-layer VIC model, with one parameter less to be calibrated. The TRG algorithm also offered a more realistic spatial pattern for runoff generation. The thesis identified significant improvements in model performance when 1) local instead of global climate data were used, and 2) when the scale-independent NRF routing algorithm was used instead of a traditional storage-based routing algorithm. In the same time, spatial resolution of climate input and choice of high-resolution hydrography have secondary effects on model performance. Two high-resolution topographies and hydrographies were used and compared, and new tech­niques were developed to aggregate their information for use at large scales. The advantages and numerical efficiency of feeding high-resolution information into low-resolution global models were highlighted. / Vatten har alltid varit en nyckelfaktor för jordens utveckling. Att förstå och kunna modellera det storska­liga vattenkretsloppet är betydelsefullt såväl för klimatförutsägelser som för studier av vattenresur­ser. På senare år har storskaliga hydrologiska modeller, däribland WASMOD-M som utvärderas i denna avhand­ling, i ökande utsträckning kommit att användas som huvudverktyg för utvärdering av globala vattenresurser. Den månatliga versionen av WASMOD-M, avhandlingens startpunkt, användes för att påvisa inskränk­ningar som låg i begränsande hydrologi- och klimatdata liksom behovet av att minska model­lens strukturella osäkerheter. Modellen simulerade den globala vattenbalansen med ett mycket litet volymfel (avrinningens långtidsmedelvärde) men var mindre lyckosam att efterlikna dynamiken. Under se­nare tid har globala topografiska och hydrografiska data med hög rumslig upplösning och kvalitet blivit tillgängliga. Avhandlingens huvudsakliga drivkraft var att utveckla WASMOD-M med hjälp av dessa data i syfte att bättre fånga den globala vattendynamiken och för att parametrisera lokala ickelin­jära processer i den storskaliga modellen. Under hela modellutvecklingen har skaloberoende, lågparametrise­rad modellstruktur och numerisk beräkningseffektivitet varit viktiga bivillkor. En ny skaloberoende svarstidsalgoritm, benämnd NRF (network-response function), som utnyttjar två aggregerade högupplösta hydrografier, HYDRO1k och HydroSHEDS, utvecklades och provades i tre avrinningsområden med olika klimat i Kina och Nordamerika. Algoritmen bevarar den rumsligt fördelade informationen om koncentrationstider i form av enkla responsfunktioner för vattendragsnä­tet för godtyckliga lågupplösta beräkningsrutor in en storskalig hydrologisk modell. En distribuerad algoritm för avrinningsbildning, benämnd TRG (topography-derived runoff genera­tion), utvecklades för att representera den höggradigt ickelinjära processen i större skalor. Algoritmen användes i den dagliga WASMOD-M och provades i samma tre avrinningsområden som ovan. Modellprestanda blev lika bra eller bättre än en enlagers VIC-modell fast med en parameter mindre att kalibrera. TRG-algoritmen gav ett rimligare rumsligt mönster för avrinningsbildningen. Avhandlingen har identifierat påtagliga förbättringar i modellprestanda när 1) lokala i stället för globala klimatdata användes och 2) när NRF, den skaloberoende svarstidsalgoritmen användes i stället för en traditionell magasinsbaserad svarstidsalgoritm. Samtidigt har klimatdatas rumsliga upplösning och val av högupplöst hydrografi en andra ordningens inverkan på modellprestanda. Två högupplösta topografier och hydrografier användes och jämfördes, och nya tekniker utveckla­des för att aggregera deras informationsinnehåll i stora skalor. Fördelarna och den numeriska beräkningsef­fektiviteten av högupplöst information i lågupplösta globala modeller har belysts.

The organotin compound tributyltin (TBT) has been used as a biocide on boats for anti-fouling paint and has been banned 1993 on all boats in Sweden. Storage sites for boats are therefore a contamination source, hull scraping and painting contribute to littering and spread to the waterbodies ultimately accumulating in Brunnsviken’s sediments. TBT is toxic in very small amounts for organism’s nerve-, immune- and production system and therefore becomes a threat to the bays ecosystem. The concentration of TBT in Brunnsviken’s sediments exceed acceptable threshold levels of what is considered hazardous to the environment. TBT bind to sediments and particles and are transported by the water currents, it is therefore of great importance to know the flow dynamics in Brunnsivken to get a larger understanding for the spread and accumulation of TBT. The origin and dissemination of TBT have to be evaluated for the right action to be made. According to new directive from EU, all surface waters must reach good chemical status. Whit in the frame of this Bachelor thesis and on behalf of the environmental administration Stockholm City, a field study has been conducted, regarding Brunnsviken’s water dynamics. The aim has been to see if a flow pattern could be found and explain the spread and high levels of the pollution of TBT in the northern parts of Brunnsviken’s sediments. Field investigations have been conducted using sonde and current floater in order to determine the stratification of water bodies and their propensity to behave vertically based on temperature, salinity and turbity. A second parameter was also considered in order to account for flow velocity and flow direction. High-resolution measurements were performed at 11 transects in Brunnsviken to determine if there are any geographical differences that could account for the spread of TBT. Calculations were made regarding volumetric flow, transport time and mass load at each transect, which was subsequently compared to turnover time previously established by the Swedish Metrological and Hydrological Institute (SMHI) and previous studies by Karlsson (2016) with longer time reference were used, in order to corroborate the momentary high-resolution results from this study, by integrating them into a broader perspective. The results elucidate geographical variations in different water bodies in regards to temperature, salinity and turbidity. A pronounced stratification was identified in waterbodies located in the southern- and middle parts of the bay, whereas the northern part was less well defined as stratified, indicative of a more homogenous water body. The direction of flow appeared to move toward Brunnsivken’s central region with a relatively uniform flow velocity throughout the bay. No conclusions regarding a spread of TBT form south to north have been drawn. This is because the narrowest point in Brunnsviken, which separates the north form the south, have the lowest transport time and mass transport values. However, interactions of water bodies with different origins seems play an important role in the central parts of the bay and mixing in the northern regions has been found, which may explain the spread of suspended matter and TBT between the central and northern parts. Proposal of further studies has been made in order to get a better understanding of the high level of TBT in the northern parts of Brunnsivken, providing preliminary evidence where the result of this study can be used as a foundation. / Den organiska tennföreningen tributyltenn (TBT) har används som biocid i båtbottenfärger och är sedan 1993 helt förbjuden i Sverige. Båtuppläggningsplatser ses som en föroreningskälla i och med skrovskarpning och bottenfärgmålning, vars spill sprids vidare till Brunnsvikens vatten och avsätts i dess bottensediment. TBT är ett hormonstörande ämne som är skadlig för organismers nervsystem, immunförsvar och fortplantningssystem vid mycket små koncentrationer och ses därför som ett hot mot vikens ekosystem. Halten TBT i Brunnsvikens sediment överstiger de Svenska riktvärdena för kemisk status. Vattnets strömningsförhållanden är därför viktiga att förstå då de påverkar transporten och avsättningen av sediment och partikelbundet TBT. Dess ursprung och spridning måste därför undersökas för att rätt åtgärder skall kunna framtas för att nå god kemisk status till år 2027, i enlighet med EUs ramdirektivför vatten (2000/60/EC). Inom ramen för detta kandidatarbete och på uppdrag av miljöförvaltningen i Stockholm stad, har en fältstudie utförts gällande Brunnsvikens vattendynamik för att se om det förekommer strömningsmönster som kan förklara spridningen och de svårförklarade höga halterna av TBT i vikens norra delar. Fältundersökningar har utförts där sond- och strömkors har använts för att ta reda på hur skiktningen i vattenmassorna ser ut för att vidare kunna beräkna strömningshastigheter och flödesriktning i de olika vattenmassorna. Högupplösta mätningar utfördes längs 11 transekter i Brunnsviken för att se om det förekommer geografiska skillnader i vattenmassorna som kan förklara spridningen av TBT. Enklare överslagsberäkningar utfördes gällande vattenföring, transporttid och masstransport vid vardera transekt. Beräkningar gällande vattenföring och transporttider har kompletterats med omsättningstider från Sveriges metrologiska och hydrologiska institut (SMHI) och tidigare utredningar av Karlsson (2016) med längre tidupplösning, för att bädda in de egna mätningarna i ett bredare perspektiv och för att se om dessa kan stödja de momentana resultaten från denna studie. Vid mättillfällena observerades variationer i vattenmassorna i de olika delarna i viken gällande temperatur, salinitet och tubiditet, med en tydligare skiktning i vikens södra och mellersta delar jämfört med de norra delarna. Strömningsriktningen ser ut att röra sig mot vikens mellersta delar, vilket möjligen kan förklaras av utpumpning av vatten som sker i dessa områden. Hastigheterna är relativt jämn i hela viken förutom i de norra delarna. Baserat på resultaten i denna studie, har inga slutsatser gällande spridning från söder till norr har kunnat göras då vikens smalaste delar som även separerar delarna åt visar sig ha lägsta transporttiderna och masstransporterna. Det har dock hittats interaktioner mellan ett möjligt möte av vattenmassor i vikens mellersta delar och en effektiv omblandning i vikens norra delar som skulle kunna förklara en spridning av suspenderat material och där med TBT från de mellersta till de norra delarna. Förslag på fortsatta studier har gjorts för att kunna få en större förståelse för de höga halterna av TBT i vikens norra delar, där resultat från denna studie kan användas som underlag.