Modellering av vattenkvalitet

Är vattnet tillräckligt rent?

vqual

Vattenkvalitet är viktig för människan av många anledningar. En jordbrukare kan vara bekymrad över salter i vatten som används för att bevattna åkrarna, en fiskare över vilka fiskarter som lever i en flod, en simmare över skadliga bakterier eller giftiga alger, och det angår oss alla vad som finns i det vatten vi dricker och använder varje dag och hur det kan förändras i framtiden. Vi studerar dessa förhållanden och processerna som påverkar vad som finns i våra vattendrag och sjöar.

God vattenkvalitet är avgörande för människors välbefinnande och för vår miljö. Vattenkvaliteten har försämrats med en befolkning som växer i många områden. Ramdirektivet för vatten i Europa, Clean Water Act i USA och annan liknande lagstiftning över hela världen sätter upp miljömål för vattendrag och sjöar och syftar till att uppnå god kvalitet på dessa vatten och förhindra ytterligare försämring. Vår forskning stöder dessa ansträngningar och bidrar också till delmål inom FN:s 6:e mål för hållbar utveckling: Rent vatten och sanitet, som t ex att förbättra vattenkvaliteten och skydda och återställa ekosystem.

Beräkningsmodeller är viktiga verktyg för att förstå vattenkvalitetsfrågor, och de kompletterar observationerna där data inte finns tillgängliga. SMHI:s forskning inom vattenkvalitet är inriktad på utveckling av modellen Hydrological Predictions for the Environment (HYPE), dess tillämpningar och deras användning för att svara på både vetenskapliga och praktiska frågor om vattenhantering. Vi fokuserar på vattentemperatur, sediment och näringsämnen och expanderar till andra som t ex smittämnen, försaltning, kisel och plast. Vi har tillämpat våra vattenkvalitetsmodeller i olika områden på regional skala (den europeiska kontinenten) via nationella tillämpningar i Sverige och Storbritannien, avrinningsområden i Sydafrika, USA och Finland, och även globalt med vår World Wide-HYPE-modell. Dessa modeller har varit framgångsrika när det gäller att återskapa större rumsliga mönster av genomsnittliga koncentrationer, medan vår nuvarande forskning fokuserar på att förbättra beskrivningen av hur koncentrationerna varierar inom och mellan olika år. Vi ansvarar också för en svensk nationell tillämpning av HYPE (S-HYPE) och har en viktig roll i de svenska sammanställningarna av näringsämnesbelastning (PLC).

Våra erfarenheter av vattenkvalitetsbedömningar och nära nationella och internationella tvärvetenskapliga samarbeten, i tillägg till våra nationella, regionala och globala verktyg, ger oss en unik möjlighet att utreda vattenkvalitetsförändringar och dess effekter och att utöka den nuvarande kunskapen inom många relaterade områden.

Forskning- och utvecklingsfrågor

Datadriven modellutveckling: Hur kan vi använda observerade koncentrationer, avrinningsegenskaperna och andra informationskällor mer effektivt i modellutvecklingen? Hur kan vi öka vår förståelse av orsaker till och effekter av förändringar i vattenkvaliteten lokalt och globalt? Hur kan vi sedan använda denna bättre förståelse för att bekräfta modellens resultat i olika regioner eller områden som saknar observationer, och för att förbättra våra modelleringsmetoder? Vi undersöker dessa frågor genom att analysera observerade vattenkvalitetsdata och utforska olika tekniker för att anpassa modellens parametrar och att utvärdera resultat.

Mänsklig påverkan: Hur påverkar människan vattenkvaliteten? Detta innefattar t.ex. klimatförändringar, socioekonomiska förhållanden, dammar och kraftproduktion, avloppsvatten och förorenat vatten från städer, liksom åtgärder för att motverka problemen. Vilken påverkan är störst? Hur kan vi bedöma effekterna och även säkerheten i bedömningen? Vi studerar de sätt genom vilka sådana aktiviteter påverkar vattenkvaliteten. Att förbättra beskrivningen av dessa processer i våra modelleringsverktyg är en del av detta arbete.

Globala processer och transportvägar: Vilka är de viktigaste processer och transportvägar som bidrar till att skapa, omvandla och transportera olika ämnen som påverkar vattnets kvalitet i vattendrag och sjöar i stor skala? Vi utforskar dessa frågor genom att analysera hur processerna och transportvägarna skiljer sig åt i olika områden med hjälp av modeller som innehåller ett stort antal områden.

Synergier mellan vattenkvalitet och vattenflöden: Vi vet att en bra beskrivning av vattenflöden är viktig för vattenkvalitetsmodellering. Här undersöker vi hur beräkningar av vattenkvalitet kan ge bättre förståelse och beräkning av vattenflöden. Vi undersöker sätt att förena båda kvalitet och kvantitet för att hitta den bästa beskrivningen av verkligheten i våra modeller.

Våra främsta publikationer inom detta fokusområde

Arheimer, B., Dahné, J., Donnelly, C., Lindström, G., Strömqvist, J. (2012). Water and nutrient simulations using the HYPE model for Sweden vs. the Baltic Sea basin – influence of input-data quality and scale. Hydrology research 43(4):315-329. doi.org/10.2166/nh.2012.010

Arheimer, B., Nilsson, J. and Lindström, G. (2015). Experimenting with Coupled Hydro-Ecological Models to Explore Measure Plans and Water Quality Goals in a Semi-Enclosed Swedish Bay. Water 7(7):3906-3924. doi.org/10.3390/w7073906.

Bartosova, A., Capell, R., Olesen, J.E., Jabloun, M., Refsgaard, J.C., Donnelly, C., Hyytiainen, K., Pihlainen, S., Zandersen, M., Arheimer, B., 2019. Future socioeconomic conditions may have a larger impact than climate change on nutrient loads to the Baltic Sea. Ambio 48, 1325–1336. doi.org/10.1007/s13280-019-01243-5

Donnelly, C, Andersson, J.C.M. and Arheimer, B., (2016). Using flow signatures and catchment similarities to evaluate a multi-basin model (E-HYPE) across Europe. Hydr. Sciences Journal 61(2):255-273, doi.org/10.1080/02626667.2015.1027710

Hundecha, Y., Arheimer, B., Donnelly, C., and Pechlivanidis, I. (2016). A regional parameter estimation scheme for a pan-European multi-basin model. J. Hydrol: Regional Studies 6: 90-111, doi.org/10.1016/j.ejrh.2016.04.002

Lindström, G., Pers, C.P., Rosberg, R., Strömqvist, J., Arheimer, B. (2010). Development and test of the HYPE (Hydrological Predictions for the Environment) model – A water quality model for different spatial scales. Hydrology Research, 41(3-4), 295-319.doi.org/10.2166/nh.2010.007

Pers, C., Temnerud, J. and G. Lindström, (2016). Modelling water, nutrients, and organic carbon in forested catchments: a HYPE application. Hydrological Processes, 30(18):3252-3273, doi.org/10.1002/hyp.10830

Sokolova, E., Lindström, G., Pers, C., Strömqvist, J., Sternberg Lewerin, S., Wahlström, H. & Sörén, K. (2018) Water quality modelling: microbial risks associated with manure on pasture and arable land. Journal of Water and Health.

Strömqvist, J., Arheimer, B., Dahné, J., Donnelly, C. and Lindström, G. 2011. Water and nutrient predictions in ungauged basins – Set-up and evaluation of a model at the national scale. Hydrological Sciences Journal, 57:2, 229-247doi.org/10.1080/02626667.2011.637497

Strömbäck, L., Pers, C., Strömqvist J., Lindström G. & Gustavsson, J. (2018) A web based analysis and scenario tool for eutrophication of inland waters for Sweden and Europe Environmental Modelling and Software. doi.org/10.1016/j.envsoft.2018.07.012