Rivers and aquifers are continuously exchanging water, driven by processes that occur on various temporal and spatial scales, ranging from small streambed features to large geological structures. The interaction between these two components occurs in permeable sediments below the stream channel, called the hyporheic zone. This zone is an important ecotone in which water, energy, and solutes originating from groundwater and stream water mix. The exchange fluxes through the hyporheic zone are controlled by a distribution of hierarchically nested flow cells of different sizes that are generated by a spectrum of spatial scales of the hydraulic head condition. Thus, a multiscale mathematical approach is required to reach a comprehensive understanding of the hyporheic exchange processes. Therefore, this thesis investigates the roles of regional groundwater flow and hyporheic fluxes in a nested flow system within the streambed sediment. Next, the study assesses the importance of regional and local parameters in generalizing the surface water and groundwater interaction. This division of the top-boundary condition in two scale-intervals of the sub-surface flow is arbitrary but facilitates the analytical procedure. The regional groundwater flow field is evaluated using numerical modeling, accounting for the site-specific landscape morphology and geological heterogeneity of a Swedish boreal catchment. An exact spectral solution is applied to the hyporheic flow with account taken to local streambed topography fluctuation. Combinatorial sampling of the modeled flow data and a Monte Carlo simulation are used in a sensitivity analysis to address the uncertainty in hydrostatic and dynamic head contributions to the hyporheic flow field. Then, the impact of the regional groundwater and the hyporheic flows on the nested flow system in aquatic sediment are studied through superpositioning of the flow fields. This is an efficient approach to analyze the nested flow system because the impact on individual scale intervals can be evaluated separately. Additionally, the impacts of streamflow discharge intensity on hyporheic exchange flow fields are investigated through field investigation. In this study, the hyporheic fluxes velocity at the streambed interface were generally at least one order of magnitude higher than groundwater flow velocity. This reflects the domination of hyporheic fluxes at the streambed interface, leading to significant impacts on the discharge of deeper groundwater through the hyporheic zone. Significant effects were found in flow travel time, direction and discharge areas at the streambed sediment. Thus, the upward groundwater flow contracted near the streambed surface and discharged in a fragmented pinhole pattern at the sediment–water interface. The results also indicated that the magnitude of groundwater flow and the heterogeneity of the subsurface sediment (i.e., the depth decaying hydraulic conductivity of streambed sediment) controlled the depth of hyporheic exchange flow in aquatic sediment. Furthermore, the increased stream flow intensity led to a wide range of hyporheic flow residence times in which temperature was used to evaluate stream segments with gaining and losing conditions.

Vattendrag och akviferer utbyter vatten på olika tids- och längdskalor på grund av bottenformationer och det omgivande landskapets topografi. Samspelet av flöden på olika skalor sker i de permeabla sedimenten under det strömmande ytvatten, i den så kallade hyporheiska zonen. Den hyporheiska zonen är en viktig ekoton där vatten, energi och lösta ämnen som kommer från grundvatten och strömmande ytvatten blandas. Flödet i den hyporheiska zonen är uppdelat på flödesceller i ett hierkiskt storlekssystem (spektrum) av olika storlekar som omfattar från flodbäddens formationer till det regionala landskapets topografi. Det innebär att vattendragets hyporeiska zon påverkar det storskaliga grundvattnets utströmning och tvärtom att grundvattnets utströmning påverkar den hyporeiska zonen. Således måste matematiska analyser av vattenströmningen täcka hela det breda intervallet av skalor för att uppnå en tillräcklig förståelse av det hyporheiska utbytesprocesser. I denna avhandling gjorde jag en uppdelning av det regionala grundvattenflödet och det hyporheiskt flödet och undersökte deras respektive roller för strömningsinteraktionen i vattendragens sediment, samt bedömde vikten av regionala och lokala parametrar för att generalisera ytvatten- och grundvatteninteraktionen. En särskilt viktig fråga var att dela upp randvillkoret för grundvattenytan på de två skalintervallen och samtidigt ta hänsyn till infiltrationens begränsning för grundvattenytan. Det regionala grundvattenflödet utvärderades med hjälp av numerisk modellering med hänsyn till platsspecifik landskapsmorfologi, geologisk heterogenitet i ett svenskt borealt avrinningsområde och hydrologisk information, som infiltration och vattendrasnätverket. En exakt spektral lösning applicerades på det hyporeiska flödet med hänsyn till vattendragets lokala topografi på skalor som inte förekom i den regionala grundvattenanalysen. Graden av osäkerhet i det hydrostatiska och dynamiska bidragen till det hyporheiska flödet undersöktes genom en kombinatorisk indata av bottentopografi och den s.k. ”damping factor” som beskriver ytans form i förhållande till bottens form (Monte Carlo-simulering). Effekterna av det regionala grundvattenflödet på det hierkiska flödessystemet i den hyporeiska zonen studerades genom att superponera flödesfälten. Superponeringen blir ett effektivt tillvägagångssätt för att analysera flödessystemens interaktion eftersom de två skalintervallen kan utvärderas separat. Den hyporheiska flödeshastigheten befanns i normalfallet vara minst en storleksordning högre än grundvattenflödeshastigheten. Detta återspeglar att det hyporheiska flödet dominerar över grundvattenutströmning i bottensedimenten och ger en betydande inverkan på grundvattenflödets residenstid genom den hyporeiska zonen, riktning och det djupa grundvattnets utströmning genom bottensedimentet. Det utströmmande grundvattnet uppvisade en markant “kontraktion” eller ”konvergens” på grund av det hyporeiska flödet och utströmningsområdena begränsades till fragmenterade, små områden som är fördelade längs botten. Resultaten indikerade att både intensiteten på grundvattenflödet i förhållande till grundvattenutströmningen och heterogeniteten hos sedimentet kontrollerade hur djupt det hyporheiska flödet nådde. Dessutom ledde den ökade flödesintensiteten till ett bredare spektrum av hyporeiska flödestransporttider. I ett fältförsök användes temperaturmätningar för att utvärdera utbredningen av utströmningsområden. Vidare så undersöktes effekterna av en plötslig vattenståndsökning på det hyporheiska flödet med hjälp av en fältstudie där en dammlucka öppnades plötsligt och skapade en flodvåg.

Stream water that flows into and out of streambeds is called hyporheic exchange flow (HEF).It continuously interacts with groundwater and thereby affect the water quality of local streamreaches as well as downstream recipients by providing an environment where solutes andenergy can be retained and degraded. Because of anthropogenic activities, many streams andrivers have been physically, chemically and biologically degraded during the last centuries andnatural functions, such as HEF, have to some extent been lost. The general aim of this thesiswas to advance the understanding of the physical controls of HEF in small streams and toinvestigate how HEF influences solute reactive transport in streambeds and surface waternetworks before and after stream restoration. To reach the aim, the consistency and deviationbetween HEF parameters evaluated with two common approaches were investigated in tendifferent alluvial streams with low discharge, shallow depth and moderate slope. The twoapproaches were: 1) developing and using a deductive hydro-mechanical model to assessed therelationship between the multiscale streambed geomorphology and the reach scale averageHEF parameters, and 2) evaluating HEF parameters from in-stream tracer tests using a 1Dlongitudinal transport model. The relatively high consistency between the approaches connectstheories that previously have been relatively fragmented and provides a tool for upscaling(parameterizing) of HEF in solute transport models over stream networks based onindependent observations of stream topography, streambed sediment properties and in-streamhydraulics. Applying the modelling framework at the network scale and supporting it withcomprehensive datasets provided information regarding physical mechanisms and spatialvariability of HEF as well as its influence on longitudinal solute transport. Specifically, thefractal properties of the water surface profile were shown to represent the average HEF velocitywell. Furthermore, hydraulic head variations over shorter wavelengths (0.1-5 m) were found todrive the main part of the HEF and the static hydraulic head variations dominated over dynamichydraulic head variations as drivers of HEF in all investigated streams. Moreover, this thesishighlights the importance of the hyporheic zone as a bio-chemical and mechanical filter forstream water. It shows that common engineered stream restorations can influence HEF andimprove the water quality in local stream reaches as well as downstream recipients. Specifically,the thesis presents exact solutions to the nitrogen transport, which shows that the mass removalof nitrogen in the hyporheic zone is either transport or reaction limited and that the maximalremoval rate corresponds to an optimal hyporheic residence time and a typical denitrificationDamköhler number. The results also show that potential exists to reduce the agriculturalnitrogen load to the Baltic Sea by stream restorations that optimize the hyporheic residencetimes. However, the large spatiotemporal variability in the potential between reaches stressesthe importance for further studies on which processes that are driving HEF under specifichydromorphologic conditions and careful design of stream restoration measures at each localstream reach.

Vattendrag utgör en volumetrisk liten men viktig del av den hydrologiska cykeln.Vattendrag fungerar som snabba transportleder för vatten, lösta ämnen och energioch ytvattnet interagerar även kontinuerligt med utströmmande grundvatten i den såkallade hyporheiska zonen, vilket är sedimenten närmast vattendragen. Flödet avytvatten in och ut ur den hyporheiska zonen kallas hyporheiskt utbyte och kanpåverka vattenkvalitén i det lokala vattendraget och i nedströms recipienter genomatt skapa förutsättningar för retention och nedbrytning. På grund av antropogenaaktiviteter har många vattendrag blivit fysikaliskt, kemiskt och biologiskt nedbrytna,och naturliga funktioner såsom hyporheiskt utbyte har gått förlorade. För att skyddavattendrag från fortsatt destruktion, och för att restaurera vattendrag och förbättravattenkvalitén i lokala vattendrag och nedströms recipienter krävs en ökad fysikaliskförståelse och tillförlitliga modeller för prognosering av hyporheiskt utbyte. Trots attden hyporheiska zonen studerats ingående under de senaste decennierna misslyckasofta befintliga modeller med att inkludera alla väsentliga temporala och spatiala skalor,och de är därför svårt att generalisera resultaten för större avrinningsområden. Detgenerella syftet med denna avhandling var att öka den fysikaliska förståelsen för hurflödet genom den hyporheiska zonen i små vattendrag drivs och att undersöka hurdet hyporheiska utbytet påverkar ämnestransporten i små enskilda vattendrag ochnätverk av vattendrag. Dessutom syftade avhandlingen till att undersöka betydelsenav restaurering av vattendrag för det hyporheiska utbytet och transporten av kväve ismå jordbruksdiken. Metoderna som användes i den här avhandlingen inkluderarbåde omfattande undersökningar i fält och semi-analytisk matematisk modellering.Ett ramverk av modeller etablerades, vilket inkluderade både en deduktiv,hydromekanisk modell som utvärderar korrelationen mellan den flerdimensionellabottentopografin och hydrologin i ett vattendrag och det hyporheiska utbytet, samten endimensionell longitudinell transportmodell som inducerar de parametrar sombeskriver det hyporheiska utbytet från spårämnesförsök i vattendrag. Dessa tvåmodeller kors-validerades i tio lokala vattendrag och ramverket av modeller användessedan på nätverks-skalan i två studier, då understött med omfattande observationer.

Resultaten visar att hyporheiskt utbyte kan ha stor inverkan på ämnestransporten inätverk av vattendrag samt på det utströmmande grundvattnets flödesmönster.Resultaten underbygger dessutom tidigare studier som visar att fördelningen avhydraulisk tryckhöjd längsmed vattendragens botten till stor del kontrollerar dethyporheiska utbytet i små alluviala vattendrag med lågt flöde, litet djup, och måttliglutning. Bottens och ytvattnets longitudinella profilers fraktala egenskaper är särskiltbetydande för den hyporheiska utbyteshastigheten. Inmätningar av bottentopografinoch ytvattenprofilen i tio små alluviala vattendrag visade att det var de longitudinellavariationerna i hydraulisk tryckhöjd över korta våglängder (0.1-5m) som drevmajoriteten av det hyporheiska utbytet, samt att variationer i den hydrostatiskatryckhöjden var viktigare än variationer i den hydrodynamiska tryckhöjden. Det etablerade modellramverket visade också att nedbrytningen av kväve i denhyporheiska zonen i huvudsak beror på balansen mellan flödet av vatten tillsedimenten och transporttiden däri. Specifikt visar studien att det existerar ettoptimalt Damkhölers tal, definierat som produkten mellan medeluppehållstiden i denhyporheiska zonen, och denitrifikationshastigheten längsmed hyporheiskaflödeslinjer, som motsvarar den optimala nedbrytningshastigheten av kväve, givet enkonstant ratio mellan djupet på den hyporheiska zonen och vattendjupet ivattendraget. Det betyder att nedbrytningshastigheten av kväve i vattendragenantingen är transport eller reaktionsbegränsad, och när det nuvarande Damlkhölerstal bestämdes för alla små vattendrag i jordbruksområden i Sverige, varierade dennabegränsning både mellan vattendrag och mellan olika flödessituationer. Den storaspatiotemporala variationen i potentialen pekar på behovet av en hög lokal förståelseför de processer som faktiskt driver det hyporheiska utbytet samt noggrann ochplatsspecifik design av specifika åtgärder. Modellering visade att om detta görs finnspotential att minska mängden kväve som transporteras till Östersjön genom attförstärka det hyporheiska utbytet i små, alluviala vattendrag.