| 1. |
|
|
| 2. |
|
|
| 3. |
- Blösch, Günter, et al.
(author)
-
Twenty-three unsolved problems in hydrology (UPH) - a community perspective
- 2019
-
In: Hydrological Sciences Journal. - : Informa UK Limited. - 0262-6667 .- 2150-3435. ; 64:10, s. 1141-1158
-
Journal article (peer-reviewed)abstract
- This paper is the outcome of a community initiative to identify major unsolved scientific problems in hydrology motivated by a need for stronger harmonisation of research efforts. The procedure involved a public consultation through online media, followed by two workshops through which a large number of potential science questions were collated, prioritised, and synthesised. In spite of the diversity of the participants (230 scientists in total), the process revealed much about community priorities and the state of our science: a preference for continuity in research questions rather than radical departures or redirections from past and current work. Questions remain focused on the process-based understanding of hydrological variability and causality at all space and time scales. Increased attention to environmental change drives a new emphasis on understanding how change propagates across interfaces within the hydrological system and across disciplinary boundaries. In particular, the expansion of the human footprint raises a new set of questions related to human interactions with nature and water cycle feedbacks in the context of complex water management problems. We hope that this reflection and synthesis of the 23 unsolved problems in hydrology will help guide research efforts for some years to come.
|
|
| 4. |
- Ceola, Serena, et al.
(author)
-
Adaptation of water resources systems to changing society and environment : a statement by the International Association of Hydrological Sciences
- 2016
-
In: Hydrological Sciences Journal. - : Taylor & Francis Group. - 0262-6667 .- 2150-3435. ; 61:16, s. 2803-2817
-
Research review (peer-reviewed)abstract
- We explore how to address the challenges of adaptation of water resources systems under changing conditions by supporting flexible, resilient and low-regret solutions, coupled with on-going monitoring and evaluation. This will require improved understanding of the linkages between biophysical and social aspects in order to better anticipate the possible future co-evolution of water systems and society. We also present a call to enhance the dialogue and foster the actions of governments, the international scientific community, research funding agencies and additional stakeholders in order to develop effective solutions to support water resources systems adaptation. Finally, we call the scientific community to a renewed and unified effort to deliver an innovative message to stakeholders. Water science is essential to resolve the water crisis, but the effectiveness of solutions depends, inter alia, on the capability of scientists to deliver a new, coherent and technical vision for the future development of water systems.
|
|
| 5. |
- Ejhed, Helene, et al.
(author)
-
Feasibility study of net load of metals : Particulate fraction and retention of metals in lakes and rivers
- 2011
-
Reports (other academic/artistic)abstract
- Belastning av metaller på vattenmiljön beror på bruttobelastning från primära och sekundära källor, men även på transport och fastläggning av metallerna inom vattenmiljön. Målet i denna studie var att undersöka möjligheten att använda retentionsmodeller/metoder för att beräkna nettobelastning av metaller på nationell skala med relativt hög upplösning. Detta för att uppfylla krav på internationell rapportering från Sverige. I denna studie har fokus lagts på litteraturstudier av retentionsprocesserna av metaller, test av två retentionsmodeller och en massbalansmetod. Dessutom har speciellt fokus lagts på att tillföra kunskap om partiklar, kolloider och lösta former av metaller i svenska vattendrag och sjöar.Studier av metallretention som finns redovisade i litteraturen visar att det är stor variation i resultaten, från ett par procent upp till nära 100 %. Retentionen är i de flesta studier fördelad enligt: Pb>Cd, Zn, Cu> Ni, Cr. Retentionen i Mälaren har i en studie beräknats till max 60 % för Cd , 50 % för Zn och 30 % för Cu. I en annan studie har retentionen i Vättern beräknats för Cd till 60 % och för Hg till 97 %. Avrinningsområdena till de stora sjöarna är inte fullständigt övervakade med avseende på tillförseln av metaller, vilket innebär att tester av retentionsmodellerna inte kunde genomföras i denna studie. Fastläggning av metaller sker genom lagring i sedimenten. Flera artiklar omfattar framgångsrik användning av uppehållstid för vattnet för att beskriva retentionen med modeller och pekar på vikten av kornstorlek i sediment samt mängden partikulärt bundna metaller. Fortsatt arbete bör fokusera på de parametrarna.Den partikulära fraktionen av metallerna Al, Fe, Ni, Cu, Zn och Pb i svenska sjöar och vattendrag har undersökts i denna studie baserat på två metoder; empirisk regression med linjär regression och PLS analys, respektive kemisk speciering med hjälp av programmet VisualMinteq. Linjär regression visades vara den mest användbara metoden för att beräkna partikulärt bunden fraktion av metallerna och bör användas tills att en förbättrad kemisk karakterisering av metallerna blir tillgänglig. Regressionsmetoden fungerar bra för att bestämma partikulär koncentration av Al, Fe och Pb, acceptabelt för Zn och Ni, men dåligt för Cu. Utöver detta har en begränsad studie genomförts av förändringen av Pb kolloidala specier, järnhydroxider och organiskt kol, mellan uppströms och nedströms platser baserat på det nationella miljöövervakningsprogrammet ”Omdrevssjörna” (tidigare Riksinventeringen). Resultaten tyder på att förluster av organiskt material från markanvändning kan ha betydande påverkan på belastning av Pb. Fastläggning av organiskt bundet Pb i vattendragen var större än minerogent bundet Pb. Fortsatta studier av dessa observationer vid andra platser och med andra metaller rekommenderas starkt.Två dynamiska processbaserade metallretentionsmodeller, Lindström och Håkanson-modellen samt QWASI-modellen, har i denna studie framgångsrikt testats avseende metallerna Pb, Cd, Zn och Cu i tre sjöar. En massbalansmodell (FlowNorm) har också framgångsrikt testats i sex vattendrag. Det fanns bara ett fåtal nationellt tillgängliga sjödata enligt urvalet, med flera års övervakning av metallkoncentrationen i inflöde samt utflöde. Antalet sjöar med data kan utökas genom utökade urvalskriterier som föreslås i denna studie för fortsatt arbete med kalibrering och validering av modeller. Båda retentionsmodellerna Lindström och Håkanson samt QWASI gav jämförbara resultat, speciellt av koncentrationen i utflödet. Koncentrationen från sjöarna Innaren och Vidöstern beskrivs bra för alla metaller av båda modellerna. Båda modellerna har däremot beräknat koncentrationen i utflödet från sjön Södra Bergundasjön mycket högre än uppmätt medianhalt. Skillnaden beror troligtvis på överskattad bruttobelastning till Södra Bergundasjön. Testet visar nyttan av retentionsberäkningarna för att validera och korrigera bruttobelastning av metallerna. Lindström och Håkanson-modellen testades vidare i denna studie genom en känslighets- och en osäkerhetsanalys. Modellen var mest känslig för variationen i bruttobelastning. Nyttan av de dynamiska modellerna har vidare testats, som verktyg för att förutsäga effekten av eventuella förändringar av belastningen, vilket illustreras genom scenarioberäkningar i denna studie av Innaren och Vidöstern. Lindström och Håkanson-modellen kräver färre indata än QWASI och rekommenderas för fortsatt arbete.Enbart ett fåtal provplatser var lämpliga för retentionsmodellering med FlowNormprogrammet för vattendrag, och ännu färre data fanns tillgängligt för att beräkna den potentiella retentionen av metaller längs med vattendragen. För att kunna beräkna metallretentionen längs vattendragen på nationell nivå behövs ett annat urvalskriterie än de krav som ställts i denna studie. De platser som fanns tillgängliga för denna studie, visade dock att retention av metaller sker i vattendragen till olika grad. Fortsatt arbete bör därför beakta retention av metaller i både sjöar och vattendrag.Rekommendationer för fortsatt arbete:- Linjär regressionsmodell fungerar bäst för beräkning av den partikulära fraktionen av metaller och bör användas tillsvidare.- Ytterligare undersökningar av kolloidala och partikulära fraktioner, liknande den som genomförts för Pb i denna studie, rekommenderas för andra platser och metaller, vilket även innebär följande rekommendationer för att utöka underlagen: --Provtagning av sediment i de områden där den synoptiska provtagningen ägde rum.- Provtagning av filtrerade och ofiltrerade prover i de områden där den synoptiska provtagningen ägde rum.- Fortsatt arbete med retention av metaller rekommenderas starkt för att förbättra beräkningarna av bruttobelastningen av metallerna.- Öka antalet platser för kalibrering och validering genom föreslagna urvalskriterier.- Tillämpa Lindström och Håkanson-modellen på nationell nivå.
|
|
| 6. |
- Ejhed, Helene, et al.
(author)
-
Nettobelastning av metaller i Dalälven
- 2012
-
Reports (other academic/artistic)abstract
- Belastning och utsläpp av metaller till vatten rapporteras inom ett flertal internat-ionella rapporteringar; årligen till HELCOM och OSPAR samt vart tredje år till EEA WISE SoE Emissions. Cd, Pb, Hg och Ni ingår i listan av prioriterade ämnen enligt dotterdirektivet (2008/105/EG) till EUs ramdirektiv för vatten (2000/60/EG). För att analysera utsläpp och transport av metaller till inlandsvatten och havet måste källorna, men även avskiljning (retentionen) från källan till havet beräknas. En av de viktigaste indataparametrarna för att beräkna retention av metallerna är partikulär andel av metallerna i vatten.Syftet med detta projekt var att beräkna retention av metaller under transport från källan till havet i ett helt huvudavrinningsområde, Dalälven. Syftet var vidare att ta fram bättre regressionsekvationer som kan skatta andel partikulär metall med ytter-ligare styrande data utöver de kemiska parametrar som användes i tidigare studier och som kan ta hänsyn till förutsättningarna i Dalälvens avrinningsområde. Detta arbete bygger vidare på en tidigare testad retentionsmodell och framtagna regress-ionsekvationer för partikulär andel metaller (Lindström och Håkanson 2001, Ejhed m.fl.2011) och bruttobelastning (utsläpp vid källan) av metaller beräknat för avrin-ningsområden i hela Sverige (Ejhed m.fl., 2010). De metaller som hanterades i projektet var de prioriterade ämnena Cd, Hg, Pb och Ni, samt Cu och Zn som prio-riterades av Naturvårdsverket.För att förbättra regressionsekvationer för beräkning av andel partikulära metaller och anpassa till Dalälvens avrinningsområde utökades den befintliga miljööver-vakningen i Dalälven genom detta projekt med provtagning och analys av metaller i ofiltrerade prover både vid de redan befintliga provplatserna och vid ytterligare fem provplatser, i samråd med länsstyrelsen i Dalarna. Både flödesdata, andra ke-midata och markanvändning studerades för att bestämma vilka faktorer som styr andel metaller i partikulär form. Ekvationer togs fram för beräkning av andel me-taller i löst form för alla ovan nämnda metaller. Tillsammans med totalhalterna kan andel metaller i partikulär form skattas för alla metallerna i alla områden.Av analysen framgår att det finns stora skillnader för partikulär respektive löst andel för de olika metallerna och de olika områdena. Den största källan till variat-ion är dock pH. I sura vatten så som Lill-Fämtan är nästan alla metaller i löst form medan i mer alkaliska områden så som Dalälven Älvkarleby finns mycket större andel metaller i partikulär form. Vatten med större tillrinningsområden har oftast högre pH värden eftersom bidragen av välbuffrat grundvatten är större. Detta gäller också för sjöar med längre uppehållstider. Områden med stor andel åkermark och låg terräng uppvisar också högre andel metaller i partikulär form (Holen). Detta härrör förmodligen av mobilisering av större andel partiklar än i de andra vatten-dragen. Regressionerna som framtogs i denna rapport verka vara någorlunda uni-versella för alla studerade områden och påverkas inte av markanvändning eller om områdena är påverkade. Andel partikulära metaller varierar från 12% för Cu till 92% för Hg.En förenklad retentionsmodell utvecklades baserat på sjöarea, medeldjup, medel-tillrinning, partikulär andel metaller och fallhastighet för metallerna i Dalälvens avrinningsområde. Nettobelastningen och transport mellan delavrinningsområdena i Dalälven ner till havet beräknades genom att använda uppsättningen av HYPE-modellen baserat på Svenskt vattenarkiv 2010_2. Retentionsmodellens tillförlitlig-het testades genom att jämföra beräknad retention med motsvarande uppmätta värden i tre sjöar i Dalälvens avrinningsområde. Det konstaterades att den förenk-lade modellansatsen tämligen väl beskriver retentionen för de undersökta metaller-na. Den största avvikelsen noteras för Cu där den genomsnittliga retentionen un-derskattas med 16 procentenheter medan det för Zn och Pb skiljer 8 procentenheter mellan empiriskt och modellerat värde. Den sammanlagda retentionen för metal-lerna till havet varierar från 35% för Cu till 78% för Hg. Den inbördes skillnaden mellan olika metaller beror av deras varierande partikelbundna förekomst.Detta projekt har tagit fram en generell modell som med fördel skulle kunna appli-ceras och testas på andra avrinningsområden. Modellen kräver inte särskilt mycket indata, vilket kan anses vara en fördel då mycket indata sällan finns att tillgå i hu-vuddelen av Sveriges avrinningsområden. Modellen ger beräknad nettobelastning av källor till metaller och transport genom avrinningsområden, vilket är aktuellt och efterfrågat för påverkansanalys enligt ramdirektivet för vatten.Modellresultaten visar att beräkningar av retention och nettobelastning är ett nyttigt verktyg för att verifiera resultat av bruttobelastning och redovisning av källor till belastning. Det blev tydligt att det saknas källor i beräkningen av bruttobelastning-en i Dalälvens avrinningsområde. Det troliga är att läckage från gamla gruvdepo-nier saknas, men även att lokala variationer med högre läckage från diffusa källor kan orsaka skillnaden i uppmätt flodtransport och beräknad belastning.
|
|
| 7. |
- Guerrero, José-Luis, 1977-, et al.
(author)
-
Exploring the hydrological robustness of model-parameter values with alpha shapes
- 2013
-
In: Water resources research. - : American Geophysical Union (AGU). - 0043-1397 .- 1944-7973. ; 49:10, s. 6700-6715
-
Journal article (peer-reviewed)abstract
- Estimation of parameter values in hydrological models has gradually moved from subjective, trial-and-error methods into objective estimation methods. Translation of nature's complexity to bit operations is an uncertain process as a result of data errors, epistemic gaps, computational deficiencies, and other limitations, and relies on calibration to fit model output to observed data. The robustness of the calibrated parameter values to these types of uncertainties is therefore an important concern. In this study, we investigated how the hydrological robustness of the model-parameter values varied within the geometric structure of the behavioral (well-performing) parameter space with a depth function based on α shapes and an in-depth posterior performance analysis of the simulations in relation to the observed discharge uncertainty. The α shape depth is a nonconvex measure that may provide an accurate and tight delimitation of the geometric structure of the behavioral space for both unimodal and multimodal parameter-value distributions. WASMOD, a parsimonious rainfall-runoff model, was applied to six Honduran and one UK catchment, with differing data quality and hydrological characteristics. Model evaluation was done with two performance measures, the Nash-Sutcliffe efficiency and one based on flow-duration curves. Deep parameter vectors were in general found to be more hydrologically robust than shallow ones in the analyses we performed; model-performance values increased with depth, deviations to the observed data for the high-flow aspects of the hydrograph generally decreased with increasing depth, deep parameter vectors generally transferred in time with maintained high performance values, and the model had a low sensitivity to small changes in the parameter values. The tight delimitation of the behavioral space provided by the α shapes depth function showed a potential to improve the efficiency of calibration techniques that require further exploration. For computational reasons only a three-parameter model could be used, which limited the applicability of this depth measure and the conclusions drawn in this paper, especially concerning hydrological robustness at low flows.
|
|
| 8. |
|
|
| 9. |
- Guerrero, Jose-Luis, et al.
(author)
-
Temporal variability in stage-discharge relationships
- 2012
-
In: Journal of Hydrology. - : Elsevier BV. - 0022-1694 .- 1879-2707. ; 446, s. 90-102
-
Journal article (peer-reviewed)abstract
- Although discharge estimations are central for water management and hydropower, there are few studies on the variability and uncertainty of their basis; deriving discharge from stage heights through the use of a rating curve that depends on riverbed geometry. A large fraction of the world's river-discharge stations are presumably located in alluvial channels where riverbed characteristics may change over time because of erosion and sedimentation. This study was conducted to analyse and quantify the dynamic relationship between stage and discharge and to determine to what degree currently used methods are able to account for such variability. The study was carried out for six hydrometric stations in the upper Choluteca River basin, Honduras, where a set of unusually frequent stage-discharge data are available. The temporal variability and the uncertainty of the rating curve and its parameters were analysed through a Monte Carlo (MC) analysis on a moving window of data using the Generalised Likelihood Uncertainty Estimation (GLUE) methodology. Acceptable ranges for the values of the rating-curve parameters were determined from riverbed surveys at the six stations, and the sampling space was constrained according to those ranges, using three-dimensional alpha shapes. Temporal variability was analysed in three ways: (i) with annually updated rating curves (simulating Honduran practices), (ii) a rating curve for each time window, and (iii) a smoothed, continuous dynamic rating curve derived from the MC analysis. The temporal variability of the rating parameters translated into a high rating-curve variability. The variability could turn out as increasing or decreasing trends and/or cyclic behaviour. There was a tendency at all stations to a seasonal variability. The discharge at a given stage could vary by a factor of two or more. The quotient in discharge volumes estimated from dynamic and static rating curves varied between 0.5 and 1.5. The difference between discharge volumes derived from static and dynamic curves was largest for sub-daily ratings but stayed large also for monthly and yearly totals. The relative uncertainty was largest for low flows but it was considerable also for intermediate and large flows. The standard procedure of adjusting rating curves when calculated and observed discharge differ by more than 5% would have required continuously updated rating curves at the studied locations. We believe that these findings can be applicable to many other discharge stations around the globe.
|
|
| 10. |
- Gustavsson, Hanna, et al.
(author)
-
Osäkerhetsanalys av kväveretention i HBV-NP-modellen
- 2012
-
Reports (other academic/artistic)abstract
- Kväve från olika källor som reningsverk, dagvatten och atmosfärsdeposition trans-porteras med vattnet genom mark, sjöar och vattendrag mot havet. På vägen redu-ceras en del kväve genom biogeokemiska processer som växtupptag, denitrifikation och sedimentation. Denna retention är svår att mäta men kan skattas med vatten-kvalitetsmodeller som matematiskt beskriver dessa processer.Svenska MiljöemissionsData (SMED) ansvarar för de svenska beräkningarna som ligger till grund för rapporteringen av Sveriges belastning på Östersjön genom HELCOM: PLC-Annual och PLC-Periodical. I PLC-Annual beräknas retention av kväve och fosfor med SMHIs vattenkvalitetsmodell HBV-NP (Brandt, 1990; Ar-heimer och Brandt, 1998).Inom arbetet med svensk vattenförvaltning används beräkningsresultat från PLC5-rapporteringen i brist på observerade data. Modellresultat är behäftade med osäker-het som ett resultat av osäkerheter i såväl data som modellens beskrivning av verk-ligheten. Få studier har undersökt osäkerhet i modellering av kvävebelastning och kväveretention. Efter rapporteringen till PLC5 gjordes inom SMED ett försök att kvantifiera osäkerhet i bruttobelastning till följd av osäkerhet i indata i PLC5-beräkningarna (Widén-Nilsson m.fl., 2010). Studien visade att de olika indatakäl-lorna bitvis är behäftade med stora osäkerheter, vilket även kan få stort genomslag på den totala bruttobelastningen. För att på sikt komma fram till osäkerhetsintervall för de nationella nettobelastningsberäkningarna behöver osäkerheten i retentions-beräkningarna också studeras.Syftet med denna studie var att identifiera och kvantifiera de största osäkerheterna i retentionsberäkningarna för PLC5-rapporteringen. Projektet avgränsades till att endast omfatta analyser av kväve. Öreälven, Helge å, Rönne å och Skräbeån valdes ut för studien baserat på datatillgång.Flera olika typer av osäkerheter som påverkar den modellerade retentionen stude-rades. Först analyserades kalibreringsmetodens inverkan genom manuell kalibre-ring av modellen av flera oberoende modellerare samt med en Monte Carlo-analys. Vid Monte Carlo-analysen kördes modellen 5 000 gånger med slumpmässigt valda värden för retentionsparametrarna. Av de 5 000 simuleringarna valdes de 1 000 simuleringarna med bäst överrensstämmelse mellan observerat och simulerat kväve ut. Urvalet baserades på ett utvärderingskriterium som mätte andel av tiden som de simulerade värdena var innanför osäkerheten i de observerade värdena. Osäkerhet-en i de observerade kvävekoncentrationerna var ibland betydande. Analysen visade att många olika kombinationer av parametervärden gav jämförbara resultat. Inga simuleringar var innanför de observerade osäkerhetsgränserna vid alla tidpunkter och generellt sett beskrev modellen dynamiken i oorganiskt kväve bättre än för totalkväve och organiskt kväve. PLC5-simuleringarna jämförde sig i flera fall väl med de bästa simuleringarna från Monte Carlo-analysen. HAVS- OCH VATTENMYNDIGHETEN Rapport8För Helge å och Rönne å var skillnaden i retention liten mellan de olika manuella kalibreringarna och beräkningen i PLC5. Skillnaden mellan de tre oberoende kalibreringarna var störst för det avrinningsområde som hade lägst antal observationspunkter, Öreälven skiljde sig ca 10 % jämfört med den beräknade totala retentionen enligt PLC5. Den manuella kalibreringen utvärderades även i ett proxy-basin test i ett närliggande område, Skräbeån, som ligger öster om Helge å. Skillnaden i medelretentionen 1984–2004 för Skräbeån, med kalibreringsparametrar för Helge å, var som högst 12 % mellan högsta och lägsta beräkningsscenario. Jämförelsen visar på vikten av mätdata att kalibrera modellen mot för att begränsa osäkerheter på grund av olika kalibreringsmetodik.Resultatet från den första analysen användes sedan till att undersöka effekten av olika förändrade förutsättningar; ett högbelastande och ett lågbelastande scenario för förändrad bruttobelastning, scenarier för förändrad jordart samt för förändrad grödofördelning. Samma metodik som i den tidigare studien av Widén-Nilsson m.fl. (2010) användes för att skatta osäkerheten i bruttobelastning och effekten på de simulerade resultaten var störst i Öreälven som normalt hade lägst retention.Utifrån resultat från den manuella kalibreringen, beräknades två olika scenarier för förändrat läckage från jordbruksmark där jordarten hade en finare respektive grövre textur jämfört med PLC5. Jordartsanalysen med det höga läckaget kompletterades för Rönne å med en analys av en förändrad grödofördelning. Scenarier med föränd-rad fördelning av jordarter gav en försumbar effekt på den totala retentionen i alla huvudavrinningsområden. I Rönne å gav förändrad gröda en effekt på i genomsnitt 5 %.Osäkerhet i vattenföringsdata beräknades utifrån avvikelsen mellan uppmätt och från avbördningskurvan beräknad vattenföring. Osäkerheterna låg inom ett inter-vall av -50 till +30 %, med de största osäkerheterna för de lägsta och högsta flö-dena. Effekten av denna osäkerhet i vattenföring på de simulerade resultaten var i vissa fall stor, för en station var skillnaden i medelretention omkring 20 %.Förändringen av sjöretention analyserades i varje PLC-område genom att sjöyta respektive djup varierades med ±10 % och ±30 %. Osäkerheter i form av förändrad sjöyta var mer avgörande i små PLC-områden. Där får små sjöar förhållandevis större betydelse än i stora områden.Sammanfattningsvis visade studien på vikten av osäkerhetsanalys vid modellka-librering och vikten av kvantifiering av överrensstämmelsen med observationsdata, såväl som vikten av observationsdata för att begränsa osäkerheter i simulerade resultat. Osäkerheter i indata och fysikaliska parametrar i modellen får särskild betydelse i oövervakade områden där modellkalibreringen inte kan kompensera för sådana osäkerheter.
|
|
