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.