Tidsserieanalys av grundvattennivåer i olika hydrogeologiska miljöer i Sverige

Abstract

Variations in groundwater levels result from several complex hydrological processes (such as precipitation, evapotranspiration and groundwater-surface water interactions), and the groundwater response depends on factors including topography and physical properties related to the geology of the aquifer. By studying time series of hydrogeological data, such as groundwater levels and precipitation, information can be provided on groundwater-related processes such recharge, storage and discharge. Time series analysis can therefore be an effective method for increasing hydrogeological understanding of an aquifer. While there is knowledge of groundwater level variations in Swedens alluvial aquifers, few studies have applied time series analysis to groundwater level variations from aquifers in bedrock.

This thesis presents a time series analysis of groundwater levels from bedrock wells located in various hydrogeological settings in Sweden. The aim was to analyse variations of groundwater levels and their correlation with precipitation in relation to their hydrogeological environments. The analysis was performed on time series data from 21 wells measured with four-hour frequency over a four-year period (2020-2024), obtained from the Geological Survey of Sweden (SGU). To characterise the groundwater level variability, Seasonal and Trend decomposition using Loess (STL) was applied, which separates the time series into three components: seasonal, trend and residual. The relative importance of the components was then quantified using their variance ratios. Furthermore, the memory effect of the groundwater levels and their correlation with precipitation were investigated using auto-correlation and cross-correlation functions. The cross-correlation was applied to the entire length of the time series and to three-month sliding windows that were moved along the time series. In addition, the hydrogeological environments where the wells are located were characterised to interpret differences and similarities in the results.

The results showed that wells, primarily in crystalline bedrock overlain by thin soil layers of sandy till, were characterised by high seasonal and residual components, as well as a short memory effects. The cross-correlation function generally exhibited a well-defined peak with a rapid and strong response to precipitation. This is thought to be primarily due to good hydraulic connection with the atmosphere and low storage in the soil layers and bedrock. A gradual transition to wells in predominantly sedimentary bedrock overlain by thicker soil layers consisting of either low permeable, fine-grained soils or coarse-grained permeable soils was observed. These wells generally exhibited a stronger trend, lower residuals and a longer memory effect. Their cross-correlation functions showed a slowly rising correlation to a plateau which then gradually declined, generally a longer response time and lower correlation with precipitation were identified. This could be due to slower recharge and emptying of the aquifers because of a more limited atmosphere-groundwater connection, a thicker unsaturated zone and greater storage, which significantly attenuates and delays the impact of precipitation on groundwater levels.

Popular Abstract (Swedish)

Varför mäter vi grundvattennivåer? Grundvattennivåer stiger och sjunker som ett svar på flera, ofta överlappande, faktorer. Några av de viktigaste är nederbörd, avdunstning och växternas upptag. Hur snabbt eller långsamt grundvattennivån svarar på dessa faktorer beror i sin tur på fysiska faktorer kopplade till grundvattenmagasinets geologi och läge i terrängen. Genom att analysera hur grundvattennivåer varierar över tid går det därmed att öka förståelsen för hur olika grundvattenmagasin fungerar och påverkas av dessa faktorer. Detta kan i sin tur ge en bättre bild av grundvattnets nybildning, mängd och rörelse genom marken.

I Sverige utgör grundvatten i berg en viktig resurs, särskilt för den enskilda dricksvattenförsörjningen där bergborrade brunnar är en av de vanligaste brunnstyperna. Det har dock inte tidigare gjorts någon omfattande tidsserieanalys på grundvattennivåer i berg. Mot denna bakgrund analyseras grundvattennivåer från bergborrade brunnar i olika delar av Sverige. Syftet var att undersöka grundvattennivåernas variation över tid och samband med nederbörd i förhållande till deras olika hydrogeologiska miljöer.

Detta har genomförts med hjälp av olika tidsserieanalysmetoder. Säsongs- och trenduppdelning med Loess (STL) användes för att beskriva grundvattennivåernas variation genom att tidsserierna delades upp i tre komponenter med olika tidsskala: återkommande årstidsvariationer, långsamma variationer och kortvariga variationer. Därutöver tillämpades autokorrelationsfunktioner för att kvantifiera grundvattennivåernas minneseffekt, det vill säga ett mått på hur länge grundvattennivåerna ”minns” tidigare händelser som har påverkat grundvattennivåerna. Vidare beskrev korskorrelationsfunktioner nederbördens tidsfördröjda samband med grundvattennivåerna.

Resultaten av detta arbete belyser hur grundvattennivåvariationer i berg och deras respons på nederbörd påverkas starkt av flera förmodligen samverkande faktorer relaterade till deras hydrogeologiska miljöer. De visar dessutom hur en kombination av tidsserieanalysmetoder kan utgöra ett resurseffektivt angreppssätt för att skapa en bättre inledande förståelse av grundvattenmagasin i olika miljöer vid relativt begränsad datatillgång.

Grundvattennivåerna hos brunnar i kristallina bergarter, överlagrade främst av tunna genomsläppliga lager av sandig morän, dominerades av återkommande och kortvariga variationer. Detta sammanföll med ett kort minne samt en snabb och stark respons på nederbörd, förmodligen till följd av att jord- och berglagren har låg förmåga att lagra vatten. Det tunna genomsläppliga jordlagret i kombination med ytligt grundvatten innebar dessutom en god kontakt mellan markytan och grundvattnet. Ett annat mönster framträdde hos brunnar i sedimentära bergarter med mäktigare jordlager av antingen täta finkorniga jordarter eller grovkorniga jordarter. Grundvattennivåerna i dessa brunnar kännetecknades till större del av långsammare variationer och längre minne. Deras samband med nederbörd var dessutom generellt svagare och mer tidsfördröjt. En möjlig förklaring är att deras miljöer i större uträckning dämpar och fördröjer nederbördens påverkan på grundvattennivåer. För det första innebär de täta jordlagren att nederbörd infiltrerar från mer avlägsna områden. Det kan leda till att det tar längre tid för effekterna av nederbörd att göra sig synlig hos grundvattennivån vid brunnarna. För det andra medför en högre lagringsförmåga i berg- och grovkorniga jordlager att mer vatten behöver tillföras magasinet för en given nivåförändring. Slutligen, om grundvattenytan dessutom ligger djupare kan tiden det tar för nederbörden att nå grundvattnet påverkas. I vilken grad dessa olika faktorer påverkar resultaten beror till stor del på brunnarnas platsspecifika mark- och bergförhållanden.

• author: Järlefors, Victor
• supervisor: Alfredo Mendoza
• organization: Civil Engineering (M.Sc.Eng.); Division of Engineering Geology
• alternative title: Time series analysis of groundwater levels in various hydrogeological environments in Sweden
• course: VTGM05 20261
• year: 2026
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Tidsserieanalys, Korskorrelation, Autokorrelation, Grundvattennivåer
• report number: ISRN LUTVDG/(TVTG-5199)/1-71/(2026)
• language: Swedish
• additional info: Examiner: Gerhard Barmen
• id: 9240495
• date added to LUP: 2026-06-24 14:30:54
• date last changed: 2026-06-24 14:30:54