Search

Naturvårdsverket rankar övergödningen som det allvarligaste hotet mot Östersjön. Strategin för att bekämpa övergödningen i Östersjön har varit att reducera antropogena utsläpp av fosfor och kväve från punktkällor och diffusa källor. Många forskare anser att primärproduktionen i egentliga Östersjön huvudsakligen är begränsad av kväve varför Sverige har infört ett ambitiöst och kostsamt program för avancerad kväverening på reningsverk. Andra experter hävdar istället att reducerade kväveutsläpp är meningslösa eller rent av skadliga. I ljuset av dessa fundamentalt olika åsikter och de helt motsatta strategier de innebär syftar denna studie till att försöka klargöra vilka åtgärder som borde vidtas för att minska övergödningen genom att undersöka området Himmerfjärden som ofta används som ett exempel på lyckad kväverening. Området har också studerats intensivt sedan 1970-talet. Detta arbete har använt en processbaserad dynamisk massbalansmodell för salt för att beräkna vattenutbytestider i Himmerfjärden. Flöden av vatten och näringsämnen till och från fjärden har beräknats och det har visats att bidraget av kväve och fosfor till Himmerfjärden från reningsverket är mycket marginellt jämfört med bidraget från Östersjön. Denna studie har också genom att granska litteratur och mätdata från Himmerfjärden visat att det finns goda skäl att ifrågasätta hypotesen om att primärproduktionen i Himmerfjärden skulle vara långsiktigt begränsad av kväve. Resultaten av denna studie kommer att användas i framtida massbalansmodelleringar av fosfor, kväve och cyanobakterier i Himmerfjärden. The Swedish Environmental Protection Agency has ranked eutrophication as the most severe threat to the Baltic Sea. The strategy to combat the eutrophication in the Baltic has been to reduce antrophogenous emissions of phosphorus and nitrogen from point and diffuse sources. Many scientists argue that the primary production in the Baltic proper is primarily limited by nitrogen which is why Sweden and other countries have implemented an ambitious and expensive program of advanced nitrogen removal in sewage treatment plants. Other experts argue that reduced nitrogen load to the Baltic Sea is either pointless or even harmful. In the light of these fundamentally different views and the very opposite management strategies they imply, this study aims to more bring clarity to which measures should be taken to reduce eutrophiction by investigating the area of Himmerfjärden. Himmerfjärden is often used as an example of successful removal of nitrogen and the area has been intensively monitored since the 1970’s. This work used a process-based dynamic mass balance model for salt to calculate water retention times in Himmerfjärden. Water and nutrient flows to and from the bay have been calculated. It was shown that the contribution of nutrients to Himmerfjärden from the treatment plant is small compared to the contribution from the Baltic Sea. This study showed by reviewing literature on Himmerfjärden that there are good reasons to question the hypothesis of Himmerfjärden being nitrogen limited in the long-run. The findings of this study will be used in future mass balance modelling of phosphorus, nitrogen and cyanobacteria in Himmerfjärden.

During the past few years a vast amount of research has been done to increase the understanding of the complex ecosystem of the Baltic Sea. Modelling and simulations are important tools to increase knowledge of the system. A suitable model must be simple to use and the parameters and variables needed in the model must be easy to access. In this paper a dynamical mass-balance model, CoastMab, which is validated for smaller coastal areas, has been used to predict concentrations and transports of phosphorus in three large coastal areas - the Gulf of Finland, the Gulf of Gdansk and the Gulf of Riga. CoastMab uses ordinary differential equations to regulate inflow, outflow and internal flows. To reflect seasonal variations in temperature and different types of flows the model has a temporal resolution of a month. The main purposes of this paper have been to evaluate CoastMab, predict the concentrations and the transports of phosphorus in each coastal area and to analyse how much and why the results differ from empirical data. The performed simulations show the importance of a correct calculation of the wave base. This is due to its influence on the division between surface and deep water as well as the division of areas of accumulation and areas of erosion and transport. The retention times of surface and deep water calculated by the model also is of great importance because of their direct influence on the flow of water between the study area and the sea outside the area. This together with the concentration of phosphorus determines the flow of phosphorus in and out of the study area. The dynamical mass-balance model is considered to work well in the three studied areas even though the areas are outside the model domain in several respects. Even if the predictions of the phosphorus concentration in the gulf of Riga was less accurate than in the other study areas, the prediction was inside the interval of standard deviation that has been calculated from empirical data. The major flow of phosphorus in the model was in the cross section between the Baltic proper and the modelled coastal area. Since the model is easy to use and requires only a small number of obligatory input variables it would be appealing to continue development of the model to handle coastal areas of the same size and larger than the study areas in this paper. Under senare år har mycket forskning utförts för att öka förståelsen av det komplexa ekosystem Östersjön utgör. Viktiga redskap för att öka förståelsen för systemet är modellering och simulering. För att en modell ska vara lämplig att använda är det viktigt att den inte är för komplicerad och att de parametrar och variabler som används i modellen är lättillgängliga. I detta arbete har en dynamisk massbalansmodell, CoastMab, som är validerad för mindre kustområden använts för att modellera fosforkoncentrationer och fosforflöden i tre större kustområden - Finska viken, Gdanskbukten och Rigabukten. CoastMab reglerar genom ordinära differentialekvationer inflöden, utflöden och interna flöden. För att kunna hantera säsongsvariationer i temperatur och olika typer av flöden har modellen en temporär upplösning på en månad. Syftet med arbetet har främst varit att se hur väl CoastMab predikterar fosforkoncentrationen och fosforflöden inom respektive område, samt att analysera hur mycket och varför prediktionerna skiljer sig från empiriska data. De simuleringar som utfördes visade att djupet på den teoretiska vågbasen, som modellen beräknar, är av stor betydelse eftersom den i sin tur bestämmer fördelningen yt- och djupvatten samt fördelningen av ackumulationsbottnar och erosions- och transportbottnar. De utbytestider för yt- och djupvatten som modellen beräknar är också av största vikt eftersom de har en direkt inverkan på vattenflödet mellan studerat område och havet utanför, vilket i sin tur tillsammans med fosforkoncentrationen bestämmer fosforflöden in och ut ur det studerade området. Den dynamiska massbalansmodellen kan anses fungera väl för samtliga tre studerade områden, trots att de ligger utanför modellens domän i flera avseenden. Även om prediktionen av fosforkoncentrationen i Rigabukten blev sämre än för de två övriga områdena, låg prediktionen inom det intervall för standardavvikelsen som beräknats utifrån empiriska data. De största fosforflödena i modellen förekom för samtliga områden i gränssnittet mellan egentliga Östersjön och det modellerade kustområdet. Enkelheten i att använda modellen och det låga antalet obligatoriska drivvariabler gör att den är väl värd att utveckla för att hantera områden av samma eller större storlek än de nu studerade områdena.

Chlorinated aliphatic hydrocarbons (CAH´s) were used widely within dry cleaning facilities and for metal degreasing until their toxicity was discovered. PCE is still used as dry cleaning liquid. Today CAH´s are found in soil environment at places where they have been used in the past. The CAH-concentration in trees growing on contaminated land has quite recently received attention as a cheap and effective way of assessing the extent of a CAH-contamination. The method has however, not been put into use in Sweden. The aim of the study has been to investigate whether the CAH-concentration in tree cores could be used to delineate the spread of CAH in a soil environment under Swedish conditions in different seasons. The aim has also been to gain an understanding of the uptake process, as well as to identify the limitations of the method and important issues to consider when sampling. Trees were sampled in March and June on Helgö 1:25, 1:26 in Växjö, Småland. Metal degreasing earlier conducted at this site has lead to the CAH contamination of soil and groundwater (PCE, TEC c-DACE). Mostly PCE, TCE, and chloroform were detected in tree cores. The CAH concentration was higher in June. Using the sum of PCE+TCE+c-DCE in trees to delineate the spread gave a result that was quite consistent with a delination done based on groundwater sampling. The uptake of CAH by trees is governed by the uptake of water at the root. The water usage, together with the origin of the water used is important for the ability of the tree to take up CAH. The CAH concentration within trees is also dependent on the chemical properties of the compound (Log kow, solubility etc), the concentration of the compound in the soil as well as degradation processeses. The position and height of sampling in the trees, tree species as well as tree size are important factors to consider when sampling. Sampling during summer is preferred when the concentration of CAH in trees is likely to be higher. The analysis of CAH in tree cores has potential to be used as a screening tool in soil investigations under Swedish conditions. It is a cheap and easy to use method, which would be a good complement to other investigative measures. However, an increased understanding of the processes involved, together with more analysis are needed., as this is a new method. Klorerade lösningsmedel (CAH) användes i stor omfattning som bl a kemtvättmedel och avfettningsmedel tills dess att deras toxiska egenskaper blev kända. Perkloretylen (PCE) används än idag som kemtvättmedel. CAH återfinns ofta i markmiljö på de platser där de tidigare använts. Analys av CAH-koncentration i trädkärnor har uppmärksammats som en billig och effektiv metod för att översiktligt bedöma utbredningen av dessa föroreningar. Metoden har inte tidigare använts i Sverige. Syftet med detta examensarbete är att undersöka om trädprovtagning kan användas för att bedöma utbredningen av föroreningar i markmiljö under svenska förhållanden vid olika årstider. Analyserade CAH-halter i träd har jämförts med tidigare registrerade halter av CAH i grundvatten. Syftet har också varit att beskriva CAH-upptaget i träd, undersöka metodens begränsningar samt att sammanfatta viktiga aspekter vid provtagning. Provtagningar av träd har genomförts under mars och juni på fastigheterna Helgö 1:25 och 1:26 i Växjö, där tidigare metallavfettning har medfört att mark och grundvattnet förorenats av CAH; perkloretylen (PCE), trikloretylen (TCE) och nedbrytningsprodukten dikloretylen (c1,2-DCE). Vid analys av trädkärnor detekterades främst PCE, TCE samt TCM (kloroform). Koncentrationen av CAH var högre i juni. Halten PCE+TCE+c-DCE i trädproverna gav en översiktlig bild av föroreningssituationen som överensstämde väl med de grundvattenprover som tidigare tagits på fastigheten. CAH tas upp i vattenlöst fas vid trädens rötter. Trädets vattenbehov och vilket vatten det utnyttjar är därför viktigt för dess möjlighet att ta upp CAH. Ämnets kemiska egenskaper (log kow, flyktighet, mm.), samt förekomst och nedbrytning påverkar den halt som registreras i trädet. Vid provtagning bör provtagningspunkternas höjd över marken och position, trädart samt trädstorlek beaktas. Provtagning under sommaren är att föredra eftersom halterna då är högre. Jämförelsen med grundvattenprovtagning visar att metoden har potential att användas i Sverige för att bedöma utbredningen av en CAH-förorening i markmiljö. Den är enkel att använda och kan vara ett alternativ på platser där konventionella metoder är svåra att genomföra. En ökad förståelse för involverade processer, samt utökade undersökningar av metoden är nödvändiga då metoden är ny.

Rock groundwater has always caused major problems when tunnelling. Water leaking into tunnels can cause large problems, not only on the construction itself but also on the environment. A continuous water leakage can lead to a declining water supply, and geotechnical problems can occur as subsidence in the ground. Therefore it is of great importance to predict the consequences that can appear in the surroundings due to a declining groundwater surface. The aim of the study was to investigate different methods for predicting leakage and changes in groundwater level due to tunnelling excavations in rock. This thesis was performed by comparing mathematical methods, actual groundwater changes and results from preliminary investigations. Investigations were made for three railway tunnels planned by Botniabanan AB. Varvsbergstunneln (2 km), Åsbergstunneln (1 km) and Strannebergstunneln (1.4 km) all situated in the surroundings of Örnsköldsvik. During the time this thesis was performed, all tunnels have been fully excavated. This thesis has emphasised difficulties in predicting groundwater behaviour as tunnelling excavations are made in rocks. The reason is the complex characteristics of rocks. The conductivity seems to be the parameter that is most difficult to determine with a high accuracy, and hence the accuracy shows in the results. Also the result is affected by the chosen mathematical method. Although careful preliminary investigations are made, it is hard to determine the rock characteristics with such accuracy that leakage and groundwater level changes can be predicted with high precision. However, mathematical methods are a good supplement when determining groundwater influences around railway tunnels in rock. Vatten i berg har ofta inneburit stora problem vid tunnelbyggen. Vatten som läcker in i tunnlar kan orsaka stora problem på såväl konstruktionen som miljön och dessutom kan ett stort inflöde medföra stabilitetsproblem. Om vatten läcker in kontinuerligt kan omgivningarna dräneras så att vattentillgången minskar och geotekniska problem kan uppstå i form av sättningar i marken. Det är därför av stor vikt att prediktera inläckaget och de konsekvenser som kan uppstå på omgivningen till följd av en grundvattensänkning. Syftet med arbetet har varit att undersöka olika metoder för att förutspå inläckage och nivåförändring av grundvatten i samband med tunnelbygge i berggrund. Arbetet utfördes genom att en jämförelse gjordes mellan matematiska metoder, verkliga grundvattenförändringar samt resultat från förundersökningar. Undersökningar gjordes för tre järnvägstunnlar som är projekterade av Botniabanan AB. Varvsbergstunneln (2 km), Åsbergstunneln (1 km) samt Strannebergstunneln (1.4 km) som alla är belägna i närheten av Örnsköldsvik. Under examensarbetets gång har man hunnit driva igenom samtliga tre tunnlar. Examensarbetet har påvisat svårigheterna i att förutspå grundvattnets beteende vid tunnelbyggen i berggrund. Detta beror på att berggrunden är ett komplext byggnadsmaterial vars egenskaper är svåra att bestämma. Konduktiviteten tycks vara den parameter som är svårast att bestämma med hög noggrannhet, och noggrannheten avspeglas i resultatet. Dessutom beror resultatet av vilken beräkningsmetod som väljs. Trots utförliga förundersökningar är det alltså svårt att bestämma bergets egenskaper med sådan noggrannhet att inläckage och nivåförändring av grundvatten kan förutspås med stor precision. Dock är matematiska metoder bra hjälpmedel för att bestämma grundvattenpåverkan kring järnvägstunnlar i berg.

Mosquitoes are found in extremely large numbers in the lower parts of the River Dalälven. In the year 2000 the mosquito nuisance was especially high, resulting in foundation of the Biological mosquito control project. Since 2001 mosquito larvae are controlled by using a biological pesticide BTI (Bacillus thuringiensis ssp israelensis). The mosquito fauna in the area is dominated by flood water mosquitoes, a group of mosquitoes that are very aggressive and form new generations of mosquitoes during every single flooding event during the summer. To be able to efficiently control the mosquitoes it is essential to know the extension and locality of the flooding. A flooding event is evaluated by how high the water level will reach and at which time the top of the hydrograph is accruing. There is a need for a tool for short time prediction of flooding events in the Nedre Dalälven region. In this study a hydraulic model in the software HEC-RAS has been used, here called HEC-RAS NEDA. The hydraulic model came up with good results when predicting water surface levels. The validation process made from figures of a period with large amplitude in water levels showed that the modelled water level was within ± 0,05 m from the observed water stands. It is a stable model that can handle 100-year flows with quick changes in the flow. The correspondence is good concerning the water levels and it functions well when studying the top of the hydrograph. HEC-RAS NEDA is an accurate and easy to manage tool for prediction of flooding in the lake of Bysjön, Österviken and Färnebofjärden. Modelled results have been compared with the model made by Swedish meteorological and hydrological institute on the request of Räddningsverket. The results from the two models shows large discrepancies, probably because of low accuracy data entered into the model from Räddningsverket. Räddningsverket has used the Geographical Sweden Data height data bank´and I used the height data from a laser scanned digital terrain model. Area studies have also been made according to how the area of the water surface changes with the water stand. These studies show that during the flood in year 2000, 55 km2 was flooded based on laserscanning in Färnebofjärden. Mygg förekommer i extremt stora antal i området kring nedre delen av Dalälven. År 2000 var myggplågan särskilt stor vilket medförde att projekt Biologisk Myggkontroll bildades. Myggbekämpning har bedrivits i Nedre Dalälven sedan 2001 med ett biologiskt bekämpningsmedel, Bacillus thuringiensis ssp israelensis (BTI). Områdets myggfauna domineras av så kallade översvämningsmygg, en grupp stickmyggor som är mycket aggressiva och bildar nya generationer efter varje enskild översvämning under sommaren. För en effektiv bekämpning av mygglarverna krävs att man vet översvämningens omfattning och lokalisering. En översvämning bedöms med avseende på hur högt vattenståndet når samt vid vilken tidpunkt hydrografens toppvärde inträffar. Det finns ett behov av ett verktyg som kan utföra korttidsprognoser av översvämningar i Nedre Dalälven. I denna studie har en hydraulisk modell i programvaran HEC-RAS använts, här kallad för HEC-RAS NEDA. Den hydrauliska modellen fungerar bra till att användas för prediktering av vattenstånd i Nedre Dalälven. Valideringen av modellen mot värden under en testperiod med stor amplitud i vattenståndet visade att modellerade vattenstånd var inom ± 0,05 m från de uppmätta värdena. Modellen är stabil och klarar av att hantera 100-årsflöden med snabba flödesfluktuationer. HEC-RAS NEDA är ett noggrant och lätthanterligt predikteringsverktyg för översvämningar i Bysjön, Österviken och Färnebofjärden. Överensstämmelsen är god gällande nivån av vattenståndet och den fungerar bra för att studera hydrografens topp temporärt. Modellerade resultat har jämförts med karteringar som Sveriges meteorologiska och hydrologiska institut har gjort på Räddningsverkets begäran. Resultaten skiljer sig betydligt mellan HEC-RAS NEDA och Räddningsverkets modell, troligen på grund av att Räddningsverket har stora svagheter i indata till modellen. Räddningsverket har använt Geografiska Sverige Data-Höjddata och modellen HEC-RAS NEDA är framtagen med höjddata från en digital terrängmodell baserad på laserscanning. Areella studier i GIS över hur arean av vattenspegeln förändras med vattenståndet visar att Färnebofjärden under augusti år 2000 lade 55 km2 under vatten.

Interception av snö eller regn på trädkronor är en viktig del av det hydrologiska kretsloppet. Upp till en tredjedel av all snö som faller över skogsområden når aldrig marken på grund av stora avdunstningsförluster av interceptionsförrådet, vilket minskar vårflöden i älvar. Goda prognoser av dessa flöden är viktiga för vattenkraftsindustrin. För att kunna förbättra modeller, i vilka interceptions-avdunstningsprocessen ingår, krävs lämpliga mätmetoder för interceptionförrådet av snö. Syftet med detta arbete var att undersöka om impulsradarutrustning kan användas för att mäta interceptionsförrådet av snö på barrträd. Metoden bygger på att mäta hastigheten och utsläckningen hos en elektromagnetisk impulsvåg, vilken skickas från en sändarantenn genom ett avsnitt skog till en mottagarantenn. Både utsläckningen och hastigheten påverkas av snö och vatten på trädens kronor, och kan med så kallade blandningsformler relateras till mängd vatten. Blandningsformler beskriver de elektromagnetiska egenskaperna hos heterogena material. Laboratorietester visade att interception av flytande vatten på små trädkronor gav upphov till förändringar av impulsvågens hastighet och utsläckning mätbara med radarutrustningen. Uppskattningar av mängden intercepterat vatten från radarmätningarna gav en överskattning jämfört med oberoende referensmätningar, däremot stämde relativa variationer väl överens mellan mätningarna. Tydliga samband mellan impulsvågens utsläckning och mängden intercepterat vatten kunde inte bestämmas från experimenten. Utsläckningsresultaten var svårtolkade och lämpliga blandningsformler hittades inte i litteraturen. Metoden testades även en vecka i fält i norra Sverige. Trots att installationen inte var den bästa visade resultaten ändå god överensstämmelse mellan uppskattade förändringar av interceptionsförrådet från radarmätningarna, och observerade väderförändringar samt oberoende referensmätningar med en trädvågsanordning. Resultaten tyder på att metoden kan ge goda uppskattningar av interceptionsförrådet, då en väl fungerande installation av utrustningen används och efter att vidare kalibreringsförsök genomförts. Interception of rain or snow in forest canopies is an important component of the hydrological cycle. Up to one third of the total winter precipitation never reaches the ground in forest areas due to evaporation losses of intercepted snow, which reduces spring-time water flow in rivers. Accurate spring flow predictions are important for the hydro-power industry. Appropriate measurement methods of intercepted snow are needed in order to improve models involving the interception evaporation process. The aim of this study was to explore the possibilities of an impulse radar system to measure the snow interception storage on coniferous trees. The method is based on measurements of the velocity and attenuation of an electromagnetic impulse wave, generated in a transmitting antenna and sent through a forest section and detected by a receiving antenna. The attenuation and velocity is affected by ice and water in the canopy air space, and can be related to amounts of water using so-called mixing formulas that describe the average electromagnetic properties of heterogeneous materials. Controlled laboratory measurements on small canopies showed that interception of liquid water was well above the detectable limits of the radar system, with respect to both attenuation and velocity changes. Estimations of the mass of intercepted water based on velocity changes overestimated the reference measurements, but relative variations were well captured. No clear relation could be found between amount of water on canopies and impulse wave attenuation from the experiments. The attenuation results were difficult to interpret, and appropriate mixing formulas were not found in the literature. The method was further tested for one week under field conditions in northern Sweden. In spite of a non-optimal equipment installation results of estimated changes of the interception storage showed a good agreement with observed weather variations and reference measurements using a tree weighing device. The method can have good conditions to give correct estimations of the snow interception storage, using appropriate installation and further calibration measurements.

The coupled transport of water and heat, involving freezing and thawing, in the road structure and its immediate environment is important to consider for optimal design and maintenance of roads and when assessing solute transport, of e.g. de-icing salt, from roads. The objective of this study was to develop mechanistic models, and measurement techniques, suitable to describe and understand water flow and heat flux in road structures exposed to a cold climate. Freezing and thawing was accounted for by implementing new routines in two numerical models (HYDRUS1D/2D). The sensitivity of the model output to changes in parameter values and operational hydrological data was investigated by uncertainty and sensitivity analyses. The effect of rainfall event characteristics and asphalt fractures on the subsurface flow pattern was investigated by scenario modelling. The performance of water content reflectometers (WCR), measuring water content, was evaluated using measurements in two road structure materials. A numerical model was used to simulate WCR sensor response. The freezing/thawing routines were stable and provided results in agreement with laboratory measurements. Frost depth, thawing period, and freezing-induced water redistribution in a model road was greatly affected by groundwater level and type of subgrade. The simulated subsurface flow patterns corresponded well with published field observations. A new method was successful in enabling the application of time domain reflectometer (TDR) calibration equations to WCR output. The observed distortion in sampling volume for one of the road materials could be explained by the WCR sensor numerical model. Soil physical, hydrological, and hydraulic modules proved successful in simulating the coupled transport of water and heat in and on the road structure. It was demonstrated in this thesis that numerical models can improve the interpretation and explanation of measurements. The HYDRUS model was an accurate and pedagogical tool, clearly useful in road design and management.

One of many applications of geohydraulic modelling is assessing the suitability of a site to host a nuclear waste repository. This modelling task is complicated by scale-dependent heterogeneity and coupled thermo-hydro-mechanical (THM) processes. The objective here was to develop methods for (i) upscaling flow and transport in fractured media from detailed-scale data and (ii) accounting for THM-induced effects on regional-scale transport. An example field data set was used for demonstration. A systematic framework was developed where equivalent properties of flow, transport, and stress-effects were estimated with discrete fracture network (DFN) modelling, at some block scale, and then transferred to a regional-scale stochastic continuum (SC) model. The selected block scale allowed a continuum approximation of flow, but not of transport. Instead, block-scale transport was quantified by transit time distributions and modelled with a particle random walk method at the regional scale. An enhanced SC-upscaling approach was developed to reproduce the DFN flow results more simply. This required: (i) weighting of the input well-test data by their conductivity-dependent test volumes and (ii) conductivity-dependent correlation structure. Interestingly, the best-fitting correlation structure resembled the density function of DFN transmissivities. Channelized transport, over distances exceeding the block scale, was modelled with a transport persistence length. A linear relationship was found between this persistence length and the macroscale dispersion coefficient, with a slope equal to a representative mean block-scale dispersion coefficient. A method was also developed to combine well-test data and rock-mechanical data in estimating fracture transmissivities, and its application was demonstrated. Finally, an overall sequential THM analysis was introduced allowing the estimation of the significance of waste-related thermo-mechanical (TM) effects on regional transport; here TM effects are calculated separately and their impact on fracture transmissivities were incorporated into the hybrid framework. For the particular case, their effects on regional-scale transport were small.

In this study the practical work with the EU Water Framework starts on the island of Gotland. 33 lakes and 32 streams have been characterized and classified regarding to their ecological status. The aim with the characterisation is to create a uniform discription of all waterbodies and a comparable estimation for the future. The aim with the classification is both to study the waterbodies ecological status and to gain knowledge of where the resources should be concentrated so that the ecological status in all waterbodies will be good in 2015. The characterisation has been done according to the EU Water Framework Directive, and the factors that have been applied are the mean depth and area of the lake. The length and size on the catchment area are the factors that have been used on streams. The classification is issued from biological, chemical and hydromorphological elements. The biological elements in both lakes and streams are fish and benthic macroinvertebrates. The chemical elements in lakes consist of total phosphorus, total nitrogen, quotient total nitrogen/total phosphorus, chemical oxygen demand, alkalinity and pH-value. The chemical elements in streams consist of area-specific losses of total phosphorus and total nitrogen, chemical oxygen demand, alkalinity and pH-value. The hydromorphological elements are lakes that are regulated, streams that have been straightened out and streams that have something stopping sawing fish. The result of the characterisation shows five different sea types: large and deep seas, meanlarge and deep seas, meanlarge and shallow seas, small and deep seas as well as small and shallow seas. The result from the classification shows that 26 lakes have high or good ecological status. However, this still means that the seven lakes Asträsk, Bogeviken, Bondansträsk, Fridträsk, Inre Stockviken, Mjölhatteträsk and Paviken have moderate ecological status. 15 streams have good or high ecological status, while nine have moderate status. These nine streams are Burgsvikenån, Gothemsån, Ireån, Halorån, Lummelundaån, Närkån, Snoderån, Vägumeån as well as Västergarnsån. The ecological status could not be decided in eight streams, due to the low number of facts. All lakes and streams with moderate ecological status, except Bondansträsk, have recieved this estimation as a result of the high substance of nutrients. While fish in Bondansträsk is not good, the lake recieved the estimation moderate status. I detta examensarbete inleds det praktiska arbetet med ramdirektivet för vatten på Gotland. I enlighet med vattendirektivet har 33 gotländska sjöar och 32 gotländska vattendrag karakteriserats och klassificerats utifrån ekologisk status. Syftet med karakteriseringen är att skapa en enhetlig beskrivning av samtliga vattenförekomster, vilket ger ett jämförbart underlag inför fortsatta bedömningar av sjöar och vattendrag på Gotland. Syftet med klassificeringen är att dels ta reda på den ekologiska statusen för gotländska ytvatten, dels att få kunskap om var resurserna bör läggas för att en god ekologisk status skall uppnås till år 2015. Karakteriseringen utfördes enligt vattendirektivets system B, och de faktorer som användes är maxdjup och sjöarea för sjöar samt längd och avrinningsområdets area för vattendrag. Detta resulterade i fem sjötyper: stora och djupa sjöar, stora och grunda sjöar, mellanstora och grunda sjöar, små och djupa sjöar samt små och grunda sjöar. Vattendragen indelades i fyra typer: långa vattendrag med stort avrinningsområde, långa vattendrag med mellanstort avrinningsområde, korta vattendrag med mellanstort avrinningsområde samt korta vattendrag med litet avrinningsområde. Klassningen utgick, i enlighet med vattendirektivet, från biologiska, kemiska och hydromorfologiska faktorer. Den biologiska klassningen i både sjöar och vattendrag gjordes med utgångspunkt från fisk och bottenfauna. Den kemiska bedömningen i sjöar gjordes utifrån totalfosfor, totalkväve, fosfor/kväve-kvot, kemisk syreförbrukning, alkalinitet och pH-värde. För vattendrag har arealspecifik förlust av fosfor och kväve, kemisk syreförbrukning, alkalinitet och pH-värde använts. Den hydromorfologiska bedömningen gjordes med hänsyn tagen till rätning av vattendrag, vandringshinder i vattendrag samt reglering av sjöar. Resultatet av klassificeringen visar att hela 26 av de 33 undersökta gotländska sjöarna har hög eller god ekologisk status, och sju sjöar, Asträsk, Bogeviken, Bondansträsk, Fridträsk, Inre Stockviken, Mjölhatteträsk och Paviken, har måttlig ekologisk status. 15 av de 32 undersökta vattendragen har hög eller god ekologisk status, medan nio vattendrag, Burgsvikenån, Gothemsån, Ireån, Halorån, Lummelundaån, Närkån, Snoderån, Vägumeån samt Västergarnsån, har måttlig ekologisk status. Vidare har ekologisk status inte kunnat bestämmas för åtta vattendrag, då inte tillräckligt med data funnits för att kunna genomföra en rättvis bedömning. Samtliga sjöar och vattendrag som har måttlig ekologisk status, förutom Bondansträsk, har erhållit denna bedömning på grund av alltför höga halter respektive transporter av näringsämnena kväve och fosfor. Bondansträsk har fått detta omdöme eftersom tillstånd och avvikelse från jämförvärde för fisk inte är helt bra.

A global climate change may have large impacts on water resources on regional and global scales. General circulation models (GCMs) are the most used tools to evaluate climate-change scenarios on a global scale. They are, however, insufficiently describing the effects at the local scale. This thesis evaluates different approaches of statistical downscaling of precipitation from large-scale circulation variables, both concerning the method performance and the optimum choice of predictor variables. The analogue downscaling method (AM) was found to work well as “benchmark” method in comparison to more complicated methods. AM was implemented using principal component analysis (PCA) and Teweles-Wobus Scores (TWS). Statistical properties of daily and monthly precipitation on a catchment in south-central Sweden, as well as daily precipitation in three catchments in China were acceptably downscaled. A regression method conditioning a weather generator (SDSM) as well as a fuzzy-rule based circulation-pattern classification method conditioning a stochastical precipitation model (MOFRBC) gave good results when applied on Swedish and Chinese catchments. Statistical downscaling with MOFRBC from GMC (HADAM3P) output improved the statistical properties as well as the intra-annual variation of precipitation. The studies show that temporal and areal settings of the predictor are important factors concerning the success of precipitation modelling. The MOFRCB and SDSM are generally performing better than the AM, and the best choice of method is depending on the purpose of the study. MOFRBC applied on output from a GCM future scenario indicates that the large-scale circulation will not be significantly affected. Adding humidity flux as predictor indicated an increased intensity both in extreme events and daily amounts in central and northern Sweden.

A distributed hydrological rainfall-runoff model has been developed using a GIS integrated with a dynamic programming module (PCRaster). The model has been developed within the framework of the EU-project TWINBAS at IVL Swedish Environmental Research Institute, and is intended for use in WATSHMAN – a tool for watershed management developed at IVL. The model simulates runoff from a catchment based on daily mean values of temperature and precipitation. The GIS input data consist of maps with soil type, land-use, lakes, rivers and a digital elevation model. The model is a hybrid between a conceptual and a physical model. The snow routine uses the degree-day method, the evapotranspiration routine uses the Blainey-Criddle equation, the infiltration routine is based on Green-Ampt, groundwater is modelled assuming a linear reservoir and the flow routing is done with the kinematic wave equation combined with Manning’s equation. The GIS and the hydrologic model are embedded in one another, allowing calculation of each parameter in each grid cell. The output from the model consists of raster maps for each time step for a pre-defined parameter, or a time series for a parameter at a specified grid cell. The flow network is generated from the digital elevation model and determines the water flow on the grid scale. The smallest possible grid size is thus obtained from the resolution of the digital elevation model. In this implementation the grid size was 50 m x 50 m. The raster structure of the model allows for easy use of data from climate models or remotely sensed data. The model was evaluated using the River Kölstaån catchment, a part (110 km2) of the Lake Mälaren catchment, which has its outflow in central Stockholm, Sweden. The integration of the GIS and the hydrologic model worked well, giving significant advantages with respect to taking lakes and land-use into account. The evaluation data consisted of observed run-off for the period 1981 to 1991. The result from the calibration period shows a great variation in Reff (Nash & Sutcliffe) between the years, the three best years having Reff-values of 0.70 – 0.80. The Reff-value for the entire calibration period was 0.55 and 0.48 for the validation period, where again there was great variation between different years. The volume error was 0.1 % for the calibration period and -21 % for the validation period. The evapotranspiration was overestimated during the validation period, which is probably a result of excess rain during the calibration period. The results are promising and the model has many advantages – especially the integrated GIS-system – compared to the present WATSHMAN model. It could be further developed by introducing a second groundwater storage and refining the evapotranspiration and infiltration routine. Given the promising results, the model should be evaluated in other larger and hillier areas and preferably against more distributed data. En helt distribuerad GIS-baserad hydrologisk modell för modellering i avrinningsområden på lokal/regional skala har byggts upp i PCRaster. Arbetet utfördes på IVL Svenska Miljöinstitutet AB inom ramen för EU-projektet TWINBAS, som har som mål att identifiera kunskapsluckor inför implementeringen av EU:s ramdirektiv för vatten. Modellen är tänkt att användas i WATSHMAN (Watershed Management System), IVLs verktyg för vattenplanering i avrinningsområden där bland annat källfördelningsberäkningar och åtgärdsanalyser ingår. Den uppbyggda modellen är en hybrid mellan en fysikalisk och en konceptuell hydrologisk modell och predikterar vattenföring på pixelnivå i avrinningsområden. Simuleringen drivs av dygnsmedelvärden för temperatur och nederbörd och modellen tar hänsyn till markanvändning, jordart, topografi och sjöar. De modellekvationer som används är grad-dagsmetoden för snö, Blainey-Criddle för evapotranspiration, Green-Ampt för infiltration, linjärt magasin för grundvatten och Mannings ekvation för flödesrouting. Det geografiska informationssystemet och den hydrologiska modellen är helt integrerade, vilket gör att alla parametervärden beräknas för varje enskild pixel. Som utdata ger modellen en rasterkarta för varje tidssteg för en i förväg bestämd parameter, eller tidsserier över parametervärden i definierade punkter. Vattnet transporteras i ett utifrån höjdmodellen genererat flödesnätverk och vattnets flödesväg bestäms därmed på pixelnivå. Minsta möjliga pixelstorlek bestäms således utifrån höjdmodellens upplösning, och var vid denna tillämpning 50 m gånger 50 m. Modellens uppbyggnad med raster gör det enkelt att använda data från klimatmodeller eller fjärranalys. Avrinningsområdet för Kölstaån, ett biflöde till Köpingsån i Mälardalen, har använts för att utvärdera modellen. Integreringen av GIS och hydrologisk modell fungerade mycket väl och gav stora fördelar t ex vad gäller att ta hänsyn till sjöar och markanvändning. Modellen kalibrerades med data från åren 1981 till 1986 och det erhållna volymfelet var då 0,1 % och Reff-värdet (Nash & Sutcliffe) 0,55. Stora variationer erhölls dock mellan åren; för de tre bästa åren låg Reff-värdet mellan 0,70 och 0,80. Ett mycket kraftigt nederbördstillfälle samt regleringar i huvudfåran av vattendraget ligger troligtvis bakom de mindre väl beskrivna åren. Även under valideringsperioden (1987 till 1991) fungerade modellen väl, så när som på att avdunstningen överskattades på vårarna (antagligen beroende av det stora regnet under kalibreringen), och Reff-värde och volymfel hamnade på 0,48 respektive -21 %, även här med stora variationer mellan åren. Resultaten är lovande och modellen har många fördelar jämfört med den nuvarande WATSHMAN-modellen. Den skulle kunna förbättras ytterligare genom att dela upp grundvattnet i två magasin samt förfina evapotranspirations- och infiltrationsrutinerna. Den höjdmodellsbaserade modellen bör utvärderas även i andra mer kuperade områden samt mot mer distibuerade data.

Övergödning utgör ett av de allvarligaste hoten mot Östersjöns miljö. Storleken av näringsbelastningen till havet behöver därför bestämmas med hjälp av tillgängliga matematiska modeller. Modellen ”Generalised Watershed Loading Functions” (GWLF), en ickedistribuerad parametermodell som uppskattar hydrologi och månatlig näringsbelastning, tillämpades på avrinningsområdet till Daugava som mynnar i Östersjön. Syftet med studien var att genom modellering av historisk transport av näringsämnen till Östersjön ta fram parametrar och indata som sedan kan användas vid applicering av GWLF på omkringliggande avrinningsområden. Data från 1990-talet användes för kalibrering av modellen och data från 1980-talet för validering. Årlig kvävebelastning modellerades med R2värdet 0,78 för kalibreringsperioden. Modellerad årlig kvävebelastning för valideringsperioden underskattades med ungefär 30 % vilket troligen beror på att kvävekoncentrationer i grundvatten och ytavrinning minskade mellan 1980- och 1990-talen. Fosforbelastningen underskattades jämfört med rapporterade värden vilket troligen beror på att enskilda avlopp inte inkluderades och att rapporterade punktutsläpp är för låga. Modifikationer av modellen föreslås för prediktion av näringsbelastningar under lång tid och behovet av harmoniserad, uppdaterad och lättillgänglig data för näringstransportsmodellering diskuteras. Eutrophication is one of the most serious threats to the Baltic Sea environment. Nutrient loading into the sea therefore needs to be quantified by available mathematical models. The Generalised Watershed Loading Functions (GWLF), a lumpedparameter model that predicts hydrology and monthly nutrient loads, was applied to the Daugava River Basin, discharging into the Baltic Sea. The aim of the study was to model historic transport of nutrients into the Baltic Sea and thereby produce estimates of parameters and input data needed for a spatial extension of the GWLF to surrounding river basins. Calibration data were taken from the 1990’s and validation data from the 1980’s. Yearly nitrogen loads were modelled with an R2 value of 0.78 for the calibration period. Predicted yearly nitrogen loads for the validation period were about 30 % lower than reported values, probably depending on decreasing groundwater and runoff concentrations between the 1980’s and 1990’s. Phosphorus loads were underestimated compared to reported values, the main reason probably being the exclusion of septic systems and too low reported point sources. Modifications of the model are suggested for longterm predictions of nutrient loads and the need for harmonised, uptodate and generally accessible data for nutrient transport modelling discussed.

Over an extended period of time there have been plans to establish a shared facility in Lennheden to extract groundwater from the Badelunda esker to provide drinking water for the cities of Borlänge and Falun. The city of Falun is dissatisfied with the quality of its drinking water and the city of Borlänge is concerned about the risk of contamination of its existing groundwater supply at its current location. To provide a basis for a decision on this issue, the company Midvatten AB has been commissioned to perform hydrogeological investigations in the area of Lennheden. The purpose of this thesis is to design a functional groundwater model of the area between Lennheden, place of planned extraction, and Övre Tjärna, place of existing extraction, to get a better understanding of the groundwater situation in the area. A groundwater model enables simulations of different scenarios in risk assessment and contaminant transport. The aim of the thesis is that the model can be used as an aid in Midvatten’s investigations in Lennheden and that it also can be used in future projects in the area. The model has been made in Processing Modflow 5.3 and encompasses an area of 19,5 × 11 km along the Badelunda esker and the river Dalälven between Djurmo and Frostbrunnsdalen. The model has 6 layers and a cell resolution of 50 × 50 meters and 50 × 100 meters. The physical parameters of the model are comprised from different hydrological and geological investigations in the area. The Badelunda esker and the river Dalälven totally dominate the groundwater situation in the area. A large part of the work in the thesis has been focused on the calibration of the horizontal hydraulic conductivity in the esker and the vertical hydraulic conductivity in the riverbed of Dalälven. The calibration of the model implies a vertical hydraulic conductivity of 0,01 – 0,1 md-1 in the riverbed of Dalälven, depending on the riverbed thickness. Between Bäsna and Övre Tjärna, simulated and observed groundwater levels correspond well. The transport time of the water in the esker, simulated in PMPATH, also corresponds well with estimated transport times. The model can be used for simpler studies of contaminant transport. Simulation of the pumping test in Lennheden gives a good correspondence eastward in the esker from Lennheden to Övre Tjärna. Westward in the esker, from Lennheden to Bäsna, the draw down is sharper than observed. Possible reasons for the sharper draw down is an underestimation of the bulk of the esker and that the vertical hydraulic conductivity of the riverbed is set too low between Lennheden and Bäsna. In order to improve the model, the most important step should be to thoroughly investigate the river Dalälven with regards to vertical hydraulic conductivity in the riverbed and riverbed thickness. Under en längre tid har det funnits planer på att upprätta en ny, gemensam vattentäkt för Borlänge och Falu kommun i Badelundaåsen i Lennheden nordväst om Borlänge stad. Falu kommun är missnöjd med vattenkvaliteten i sin ytvattentäkt och Borlänge är oroad över riskerna med att ha sin nuvarande vattentäkt i Badelundaåsen lokaliserad i nära anslutning till riksväg 70 och järnvägen. Beslut i frågan ska tas under 2006 och Midvatten AB har fått i uppdrag att genomföra geohydrologiska undersökningar i och runt Lennheden som underlag till beslutet. Syftet med det här examensarbetet är att skapa en fungerande grundvattenmodell för området mellan Lennheden, plats för planerat vattenuttag, och Övre Tjärna, plats för befintligt vattenuttag, för att få en större förståelse för grundvattenmagasinet. En grundvattenmodell möjliggör simulering av olika scenarion så som föroreningstransport i grundvattnet och bestämning av skyddsområden. Målet är att modellen ska kunna användas som ett komplement i Midvattens undersökningar och även användas i framtida projekt i området. Modellen är gjord i Processing Modflow 5.3 och omfattar ett 19,5 × 11 km stort område längs Badelundaåsen och Dalälven mellan Djurmo och Frostbrunnsdalen. Modellen består av 6 lager där cellernas upplösning är 50 × 50 meter och 50 × 100 meter. De fysiska parametrar som modellen är uppbyggd av är sammanställda från olika hydrologiska och geologiska undersökningar som har utförts i området de senaste 30 åren. Badelundaåsen och Dalälven är de två komponenter som totalt dominerar grundvattensituationen i området. En stor del av arbetet har fokuserats på kalibreringen av den horisontella hydrauliska konduktiviteten i åsen och den vertikala hydrauliska konduktiviteten i Dalälvens botten. I modellen är den vertikala hydrauliska konduktiviteten i Dalälvens botten kalibrerad till intervallet 0,01 – 0,1 md-1 beroende på bottnens mäktighet. På sträckan mellan Bäsna och Övre Tjärna så fungerar modellen bra. Simulerade och observerade grundvattennivåer stämmer väl överens. Även vattnets transporttider i åsen, simulerade i PMPATH, stämmer väl överens med uppskattade transporttider. Modellen kan användas för enklare studier av ämnestransport. Vid simulering av provpumpningen i Lennheden så är överensstämmelsen god österut i åsen, från Lennheden till Övre Tjärna. Västerut i åsen, från Lennheden till Bäsna, är avsänkningen av grundvattennivån för kraftig. Möjliga orsaker till den för kraftiga avsänkningen är att åsens utbredning är underskattad och att Dalälvens botten har en för lågt ansatt vertikal hydraulisk konduktivitet längs sträckan Lennheden – Bäsna. Den klart viktigaste åtgärden för att förbättra modellen skulle vara att grundligt undersöka Dalälven, särskilt längs sträckan Djurmo – Båtsta, med avseende på dess bottens vertikala hydrauliska konduktivitet och mäktighet.

Certain types of waste, e.g. bottom ash originating from municipal solid waste incineration (MSWI bottom ash) can be used as road construction materials. A potential problem is the possibility of substances leaching out of the road and spreading in the surrounding groundwater. The aim of this master’s thesis is to conclude whether hydrogeological type settings can be employed to, based on local conditions, provide an estimate of the probable spreading of these substances in the surrounding groundwater, and whether certain types of soils can be identified as being less suitable for the localization of a MSWI bottom ash road. A hydrogeological type setting is defined as a mappable unit with similar hydrogeological properties. An advantage of this approach would be that mainly existing maps and surveys could form the basis for the assessment. The work has been performed by placing a hypothetical road construction in different hydrogeological type settings. The expected patterns of spreading has then been evaluated using theoretical reasoning and analytical and numerical models. The method can be used. In the report various type settings are defined. In several cases further information will be required to render possible a more exact estimate of the spreading. By locating the road on less permeable soils to reduce the local spreading of substances in groundwater, a greater proportion of the water will be drained as surface water. Thus it becomes important to take into account surface water transport aswell. In the report a procedure to estimate the maximum concentrations in groundwater at locations situated downstream the road is presented. This estimate could be used as basis for a more balanced valuation of appropriateness, e.g. by relating the estimated concentrations to background values. Vissa typer av avfall, exempelvis slaggrus (sorterad bottenaska från avfallsförbränning), kan användas som vägbyggnadsmaterial. Ett potentiellt problem är möjligheten att ämnen lakas ut ur vägen och sprids i omgivande grundvatten. Syftet med detta examensarbete är att avgöra om hydrogeologiska typmiljöer kan användas för att, utifrån omgivningens förutsättningar, ge en bild av hur den vidare spridningen av dessa ämnen i omgivande grundvatten sannolikt ser ut, och om vissa typer av mark kan pekas ut som mindre lämpade för lokalisering av en slaggrusväg. En hydrogeologisk typmiljö definieras som ett område möjligt att avgränsa med avseende på karakteristiska hydrogeologiska förhållanden. En fördel med angreppssättet skulle vara att underlagsmaterialet till bedömningen då kan utgöras av i huvudsak befintligt kartmaterial. Studien har utförts genom att en hypotetisk vägkonstruktion placerats in i olika hydrogeologiska typmiljöer. De troliga spridningsscenarierna har sedan utvärderats genom teoretiska resonemang, samt genom användande av analytiska och numeriska modeller. Metodiken går att använda och i rapporten definieras olika typmiljöer. I flera fall kommer platsspecifik kunskap behöva inhämtas för en närmare beskrivning av spridningsbilden. Genom placering av vägen på tätare mark för att minska lokal spridning av ämnen i grundvatten kommer en större andel av vattnet att avledas som ytvatten. Därmed blir det viktigt att även inhämta kunskap om transport med ytvatten. I rapporten presenteras också en metod för uppskattning av maximala halter i grundvatten nedströms en väg. Denna metod kan användas som underlag för en mer nyanserad värdering av lämplighet, genom att de uppskattade halterna relateras till bakgrundsvärden eller lämpliga riktvärden.

The boreal forests represent 8 % of all forested areas on the earth and have a significant role in the control of greenhouse gases and an impact on global climate change. The main objective of this thesis is to increase the understanding of how evaporation and heat-flux processes in the boreal forest zone are affecting the regional and global climate. A meteorological mesoscale model with an advanced land-surface parameterization has been utilized to study aggregation of fluxes of water vapour and heat. The model has been compared against four other methods for flux estimation in a southern boreal landscape. The results show that the mesoscale model is successfully reproducing 24-hour averages of fractionally weighted mast measurements of sensible and latent heat flux. The model was also evaluated against in-situ observations of surface fluxes and other meteorological variables. The results reveal that a correct initialization of soil moisture is crucial to simulate a realistic partitioning of the sensible and latent heat fluxes. Significant differences in surface fluxes and friction velocities between two apparently similar forest sites indicate the need for careful assessment of areal representativity when comparing mesoscale model results with in-situ observations. A parameterization for the absorption of solar radiation of high-latitude sparse forests was implemented and tested in the model that significantly improved the simulation of high wintertime midday sensible heat fluxes. A scheme for heat storage in vegetation was also implemented which improved the results, but the scheme needs further evaluation for high latitude forests. Two commonly used strategies for the description of land-surface heterogeneity, the effective parameter approach and the mosaic approach, were tested in the mesoscale model against airborne observations of sensible and latent heat fluxes. The results show that the mosaic approach produces better results especially when small lakes are present in model grid-squares. Norra halvklotets barrskogsbälte representerar 8 % av all skogsbeklädd mark på jorden och har stor betydelse för kontrollen av växthusgaser och påverkan på globala klimatförändringar. Syftet med denna avhandling är att öka förståelsen av hur avdunstning och värmeflöden i den boreala skogszonen påverkar klimatet regionalt och globalt. En meteorologisk mesoskalemodell med en avancerad landyteparameterisering har använts för att studera aggregering av avdunstning och värmeflöden. Modellen jämfördes med fyra andra metoder för uppskattning av värmeflöden i den boreala skogszonens södra delar. Resultaten visade att mesoskalemodellen reproducerar 24-timmarsmedelvärden av sensibelt och latent värmeflöde från areellt viktade mastmätningar med bra resultat. Modellen utvärderades även mot markbaserade mätningar av sensibelt och latent värme och andra meteorologiska variabler. Resultaten visar att en korrekt initialisering av markvatteninnehållet är avgörande för att simulera en realistisk uppdelning av de sensibla och latenta värmeflödena. Markanta skillnader i markyteflöden och friktionshastigheter mellan två liknande skogsmätstationer påvisar nödvändigheten av en noggrann bedömning av den areella representativiteten när man jämför resultat från mesoskalemodellen med markbaserade mätningar. En parameterisering för absorption av solstrålning i glesa skogsbestånd på höga breddgrader infördes och testades i modellen vilket markant förbättrade simuleringen av de höga sensibla värmeflöden som observerats vid middagstid på vintern. Ett uttryck för att beskriva värmelagring i vegetationen infördes också vilket förbättrade resultaten, men uttrycket behöver vidare utvärdering för skogsbestånd på höga breddgrader. Två ofta använda strategier för att beskriva markytans heterogenitet, effektiva parametermetoden och mosaikmetoden, testades i mesoskalemodellen mot flygburna observationer av sensibla och latenta värmeflöden. Resultaten visar att mosaikmetoden ger bättre resultat särskilt när mindre sjöar förekommer i modellrutorna.

This thesis compares different methods for risk assessment of a creosote contaminated site in Vansbro, Dalarna. In a complementary study the importance of using representative data for calibration and validation of stationary groundwater models is discussed. The time dependency between surface water levels and groundwater levels on the site in Vansbro is evaluated by step response analysis. The results show that the groundwater levels reflect only long-term variation in the surface water levels. Hence the use of such long-term means for calibration and validation of the stationary groundwater models is the only theoretically defendable alternative. As a first step in the comparison of risk assessment methods the degree of contamination is evaluated on the basis of generic guideline values for contaminated soils, developed by the Swedish Environmental Protection Agency. The guidelines specifically developed for contaminated petrol stations are also taken into consideration. Secondly, a site-specific evaluation is carried out. The transport of contaminants from the soil to the on-site groundwater and nearby surface water is calculated using the mathematical models behind the aforementioned guideline values. The calculated groundwater concentrations show a poor agreement with observed data and the thesis points out several possible explanations of this deviation. A sensitivity analysis is carried out and the influence of biodegradation during the transport in the aquifer is evaluated. The results indicate that the deviation between observed and calculated groundwater concentrations cannot be explained by the absence of biodegradation in the mathematical models, but rather by other simplifications and uncertainties in estimated model parameters. Finally, a risk assessment is made on the basis of observed groundwater concentrations instead of observed soil concentrations as in the assessments above. Observed groundwater concentrations are compared with guideline values for groundwater on contaminated sites. The risk of negative environmental effects in the surface water is evaluated based on the estimated inflow of contaminated groundwater and its concentration of contaminants. The inflow is estimated from the interpolation of observed groundwater levels as well as with two numerical groundwater models of varying hydrogeological complexity: a three-dimensional flow model developed in Visual MODFLOW and a two-dimensional flow model developed in TWODAN. The models are compared with respect to the calculated inflows of contaminated groundwater into the surface water body as well as their ability to reproduce observed groundwater levels. The results indicate that the differences between the models, with respect to the calculated inflows, are of lesser importance to the risk assessment in comparison with the uncertainties associated with other parameters. The choice to base the assessment on observed contaminant concentrations in either the soil or the groundwater is shown to be of crucial importance. I detta examensarbete jämförs olika metoder att bedöma de hälsomässiga och miljömässiga risker som föreligger med ett kreosotförorenat markområde i Vansbro, Dalarna. I en kompletterande undersökning belyses vikten av att stationära grundvattenmodeller kalibreras och valideras mot tidskompatibla indata. Tidsberoendet mellan yt- och grundvattennivåer på området i Vansbro studeras genom stegsvarsanalys. Resultaten visar att grundvattennivåerna på området anpassar sig mycket långsamt efter rådande ytvattennivåer. Grundvattennivåerna återspeglar således medelvärden av ytvattennivåerna över en mycket lång tidsperiod. Därför är användandet av sådana medelvärden för kalibrering och validering av modellerna det enda teoretiskt försvarbara alternativet. Som ett första steg i jämförelsen mellan olika riskbedömningsmetoder utvärderas föroreningssituationen baserat på uppmätta föroreningskoncentrationer i jorden och med hjälp av Naturvårdsverkets generella samt branschspecifika riktvärden för förorenad mark. Därefter genomförs en platsspecifik riskbedömning. Föroreningstransporten från markområdet till grundvattnet samt till ett närbeläget ytvatten beräknas med de matematiska modeller som användes av Naturvårdsverket vid framtagandet av ovannämnda riktvärden. Beräknade grundvattenkoncentrationer jämförs med uppmätta koncentrationer och resultaten visar på stora avvikelser. En känslighetsanalys utförs och inverkan av biologisk nedbrytning i akviferen utvärderas. Resultaten tyder på att avvikelsen mellan uppmätta och beräknade grundvattenkoncentrationer ej förklaras av att biologisk nedbrytning inte beaktas i modellerna utan att avvikelsen härrör från andra förenklingar och från osäkerheter i indata. Slutligen genomförs en platsspecifik riskbedömning, motsvarande den ovan, men denna gång utifrån uppmätta föroreningskoncentrationer i grundvattnet. De uppmätta grundvattenkoncentrationerna jämförs direkt mot Naturvårdsverkets riktvärden för grundvatten på förorenade områden. Risken för negativa ekologiska effekter i ytvattnet utvärderas utifrån det beräknade inflödet av förorenat grundvatten samt dess koncentration. Inflödet beräknas överslagsmässigt utifrån interpolerade grundvattennivåer samt med två numeriska grundvattenmodeller av olika hydrogeologisk komplexitet: en tredimensionell flödesmodell uppbyggd i Visual MODFLOW och en tvådimensionell modell uppbyggd i TWODAN. Grundvattenmodellerna jämförs med avseende på det beräknade inflödet och med avseende på deras förmåga att beskriva observerade grundvattenförhållanden.Resultaten tyder på att skillnaden i det, med de olika metoderna, beräknade inflödet är av liten betydelse för riskbedömningen i förhållande till osäkerheter förknippade med övriga parametrar. Störst betydelse för riskbedömningen får valet att utgå från uppmätta föroreningskoncentrationer i antingen jorden eller grundvattnet.

Rural people around the 4 km2 Orathupalayam Dam in southern India live in one of India’s most polluted areas. The people were once restricted mainly by scarcity of water but today they cannot drink their well water or cultivate their soil. The dam, created to store floodwater from the Noyyal River, also stores effluent water from the more than 700 dyeing and bleaching industries situated in the town of Tiruppur, 20 km upstream. Although most industries have treatment plants they do not treat total dissolved solids (TDS) and thus NaCl becomes one of the major components of the effluent. 75 to 100 million litres of effluents are released every day. Through water sampling in open and bore wells, and with the help of GPS, ArcView and Surfer it could be concluded that high TDS levels and concentrations of Cl-, Ca2+, Mg2+ and Na+ were associated with the dam. A definite spatial pattern of the spreading of polluted water could be determined. Water from the dam was fed to the ground water all around the dam and also affected the groundwater more than 4 km to the southeast. Soil samples and interviews with farmers made it clear that land irrigated with dam water or affected well water soon became uncultivable. The water destroyed the soil structure and seeds did not germinate after irrigation with polluted water. Through interviews it could be concluded that the local people around the dam paid a large part of the externalities of the polluting activities of the textile industries in terms of negative health effects and lost agricultural land, water resources, fishing and working opportunities. These problems have mostly been caused by the high salt concentration in the effluents but it is unclear to what extent other substances have caused or might cause harmful effects to the environment, people and animals.

Kunskap om grundvattenbildningen är nödvändig för att man ska kunna förutsäga konsekvenserna av grundvattenuttag och underjordsbyggande. Grundvattenbildningen i berggrunden är dock svår att uppskatta. Syftet med avhandlingen var att öka förståelsen av grundvattenbildningen i kristallin berggrund, att undersöka hur grundvattenbildningen ska uppskattas samt att utveckla nya modeller för att beskriva grundvattenbildningen. Studien grundades på tre angreppssätt: grundvattendatering med freoner (CFC), geohydrauliska observationer och matematisk modellering. Koncentrationerna av CFC-11 och CFC-113 befanns vara låga i det undersökta berggrundvattnet, vilket i kombination med låga syrgashalter tyder på anaerob nedbrytning. Koncentrationerna av CFC-12 och tritium överensstämde ganska väl, vilket betyder att den skenbara åldern kan vara den sanna åldern. Resultaten tyder på att CFC-datering inte är pålitlig i skogsmiljöer med finkornigt jordtäcke. Vid nederbörd observerades ett snabbt gensvar i den hydrauliska potentialen i den studerade bergakviferen, trots det 10 m mäktiga moräntäcket. En avsevärd del av de observerade potentialvariationerna befanns vara belastningseffekter, som inte innebar någon magasinsförändring eller något vattenflöde. Berggrundens belastningseffektivitet uppskattades, ur potentialens svar på lufttrycksförändringar, till 0,95. Ytbelastningen beräknades från mätningar av lufttryck, vatten i jordtäcket och snö. Omkring 20 % av årstidsvariationen hos den hydrauliska potentialen uppskattades bero på enbart belastningsförändringar. En enkel begreppsmässig modell kunde användas för att simulera den observerade hydrauliska potentialen. För att beskriva enskilda grundvattenbildningstillfällen på bästa sätt var det nödvändigt att ta hänsyn till effekten av ytbelastningen. Numeriska experiment gjordes med en modell av en jord–bergprofil. När berget modellerades som ett heterogent kontinuum bildades omättade zoner i berget vid stora hydrauliska gradienter. Fenomenet uppträdde i områden där låggenomsläppliga zoner låg uppströms höggenomsläppliga zoner, och ledde till minskad hydraulisk konduktivitet i berget. Knowledge about the groundwater recharge is essential for the prediction of impacts of groundwater withdrawal and underground construction. Recharge in the bedrock is, however, difficult to estimate. The objectives of this thesis were to increase the understanding of groundwater recharge in crystalline bedrock, to investigate how the recharge could be estimated, and to develop new models to describe the recharge. The study was based on three approaches: groundwater dating using chlorofluorocarbons (CFCs), geohydraulic field measurements, and mathematical modelling. Low concentrations of CFC-11 and CFC-113 were found in the bedrock groundwater, which in combination with low dissolved-oxygen levels indicated anaerobe degradation. The CFC-12 and tritium concentrations agreed fairly well, which means that apparent ages could be true ages. The results suggest that CFC dating may not be reliable at forested, humid sites covered by fine-grained soil. A quick response in hydraulic head to precipitation was observed in the studied bedrock, despite the 10-m thick till cover. A substantial portion of observed head variations was found to be loading effects, involving no storage changes or water flow. The loading efficiency of the bedrock was estimated, from the air-pressure response, to be 0.95. The surface loading was calculated from measurements of air pressure, water in the soil, and snow. About 20% of the seasonal variation of the hydraulic head was estimated to be related to loading changes only. A simple conceptual model could be used to simulate the observed hydraulic heads. The loading effect had to be included to properly describe individual recharge events. Numerical experiments were performed with a soil–bedrock profile. When the rock was modelled as a heterogeneous continuum, unsaturated zones developed at high hydraulic gradients. The phenomenon appeared in areas where low-conductive zones were located upstream of high-conductive zones, decreasing the effective hydraulic conductivity of the material.

Kunskap om grundvattenbildningen är nödvändig för att man ska kunna förutsäga konsekvenserna av grundvattenuttag och underjordsbyggande. Grundvattenbildningen i berggrunden är dock svår att uppskatta. Syftet med avhandlingen var att öka förståelsen av grundvattenbildningen i kristallin berggrund, att undersöka hur grundvattenbildningen ska uppskattas samt att utveckla nya modeller för att beskriva grundvattenbildningen. Studien grundades på tre angreppssätt: grundvattendatering med freoner (CFC), geohydrauliska observationer och matematisk modellering. Koncentrationerna av CFC-11 och CFC-113 befanns vara låga i det undersökta berggrundvattnet, vilket i kombination med låga syrgashalter tyder på anaerob nedbrytning. Koncentrationerna av CFC-12 och tritium överensstämde ganska väl, vilket betyder att den skenbara åldern kan vara den sanna åldern. Resultaten tyder på att CFC-datering inte är pålitlig i skogsmiljöer med finkornigt jordtäcke. Vid nederbörd observerades ett snabbt gensvar i den hydrauliska potentialen i den studerade bergakviferen, trots det 10 m mäktiga moräntäcket. En avsevärd del av de observerade potentialvariationerna befanns vara belastningseffekter, som inte innebar någon magasinsförändring eller något vattenflöde. Berggrundens belastningseffektivitet uppskattades, ur potentialens svar på lufttrycksförändringar, till 0,95. Ytbelastningen beräknades från mätningar av lufttryck, vatten i jordtäcket och snö. Omkring 20 % av årstidsvariationen hos den hydrauliska potentialen uppskattades bero på enbart belastningsförändringar. En enkel begreppsmässig modell kunde användas för att simulera den observerade hydrauliska potentialen. För att beskriva enskilda grundvattenbildningstillfällen på bästa sätt var det nödvändigt att ta hänsyn till effekten av ytbelastningen. Numeriska experiment gjordes med en modell av en jord–bergprofil. När berget modellerades som ett heterogent kontinuum bildades omättade zoner i berget vid stora hydrauliska gradienter. Fenomenet uppträdde i områden där låggenomsläppliga zoner låg uppströms höggenomsläppliga zoner, och ledde till minskad hydraulisk konduktivitet i berget. Knowledge about the groundwater recharge is essential for the prediction of impacts of groundwater withdrawal and underground construction. Recharge in the bedrock is, however, difficult to estimate. The objectives of this thesis were to increase the understanding of groundwater recharge in crystalline bedrock, to investigate how the recharge could be estimated, and to develop new models to describe the recharge. The study was based on three approaches: groundwater dating using chlorofluorocarbons (CFCs), geohydraulic field measurements, and mathematical modelling. Low concentrations of CFC-11 and CFC-113 were found in the bedrock groundwater, which in combination with low dissolved-oxygen levels indicated anaerobe degradation. The CFC-12 and tritium concentrations agreed fairly well, which means that apparent ages could be true ages. The results suggest that CFC dating may not be reliable at forested, humid sites covered by fine-grained soil. A quick response in hydraulic head to precipitation was observed in the studied bedrock, despite the 10-m thick till cover. A substantial portion of observed head variations was found to be loading effects, involving no storage changes or water flow. The loading efficiency of the bedrock was estimated, from the air-pressure response, to be 0.95. The surface loading was calculated from measurements of air pressure, water in the soil, and snow. About 20% of the seasonal variation of the hydraulic head was estimated to be related to loading changes only. A simple conceptual model could be used to simulate the observed hydraulic heads. The loading effect had to be included to properly describe individual recharge events. Numerical experiments were performed with a soil–bedrock profile. When the rock was modelled as a heterogeneous continuum, unsaturated zones developed at high hydraulic gradients. The phenomenon appeared in areas where low-conductive zones were located upstream of high-conductive zones, decreasing the effective hydraulic conductivity of the material.