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BTU
Studien zum Einfluss des zukünftigen Klimawandels auf das Abflussgeschehen fokussieren oft auf die Fortpflanzung von Unsicherheiten in Modellkaskaden, berücksichtigen meist jedoch
die Wasserressourcenbewirtschaftung nur ungenügend. Wir untersuchten den Einfluss der Wasserressourcenbewirtschaftung auf die Abflussvariabilität und die Fortpflanzung von Unsicherheiten von Klimaprojektionen auf Abflusssimulationen in den Einzugsgebieten von
Spree (bis Pegel Große Tränke: 6200 km²) und Schwarzer Elster (5700 km²). Die Einzugsgebiete ähneln sich hinsichtlich Klima, Topographie, Boden und Landnutzung, jedoch ist das Spreeeinzugsgebiet stärker durch den Braunkohletagebau und die damit verbundenen Bewirtschaftung geprägt und durch einen höheren Speicherausbaugrad gekennzeichnet. Um zwischen Bewirtschaftungseinflüssen und meteorologischen Einflüssen zu separieren, wurden für den Zeitraum 1961-2005 beobachtete Abflüsse mit durch das Modell SWIM rekonstruierten natürlichen (d.h. ohne Bewirtschaftungseinfluss) Abflüssen der Vergangenheit verglichen. Mögliche Einflüsse des Klimawandels wurden für den Zeitraum 2018-2052 auf Grundlage von 3 Szenarien des statistischen Regionalmodells STAR (je 100 Realisierungen) mit SWIM (natürliche Abflüsse) und dem Langfristbewirtschaftungsmodell WBalMo (bewirtschaftete Abflüsse) modelliert. Die Analyse erfolgte mit Fokus auf Saisonalität, Oszillation, Verteilung und räumliche Variabilität der Abflüsse. Der Vergleich zwischen beobachteten
und natürlichen Abflüssen der vergangenen Jahrzehnte zeigt, dass die zwischenjährliche Abflussvariabilität im Spreeeinzugsgebiet stärker durch Grubenwassereinleitungen als durch natürliche hydrologische Prozesse bestimmt wurde. Zusätzlich führt der höhere Speicherausbaugrad dazu, dass die kurzzeitliche und saisonale Variabilität im Spreeeinzugsgebiet geringer als im Einzugsgebiet der Schwarzen Elster ist. Simulationen mit Klimaszenarien, welche
steigende Jahresmitteltemperaturen und einen Rückgang der Niederschlagsjahressummen enthalten, führen zu deutlichen Abflussrückgängen. Die Unterschiede der natürlichen Abflüsse
beider Einzugsgebiete sind gering, die Unsicherheiten der Klimaprojektionen werden durch die hydrologische Modellierung verstärkt. Die natürlichen und bewirtschafteten Abflüsse
der Schwarzen Elster unter Klimawandel unterscheiden sich kaum. Im Spreeeinzugsgebiet zeigt sich eine deutliche Verringerung der Variabilität und Unsicherheiten unter Klimawandel von den natürlichen zu den bewirtschafteten Abflüssen. Die Analysen zeigen, dass effektive Wasserressourcenbewirtschaftung die Abflussvariabilität verringern kann und damit auch
dazu beitragen kann, die sich aus Klimawandelprojektionen ergebenden Unsicherheiten zu vermindern. Einzugsgebiete mit einem hohen Ausbaugrad weisen weniger Vulnerabilität bezüglich klimatischer Änderungen auf. Dies unterstreicht die Bedeutung von Wasserresourcenbewirt-schaftungfür die Anpassung an den Klimawandel.
Climate change impact studies are associated with error propagation and amplification of uncertainties through model chains from global climate models down to impact (e.g. hydrological) models. The effect of water management, which reduces discharge variability, is often not considered in climate change impact studies. Here, we investigated how water resources management influences discharge variability and uncertainty propagation of climate change scenarios by combining the analyses of observed flow records and model-based climate change impact simulations. Two neighbouring catchments, the Schwarze Elster River (Germany) and the Spree River (Germany and Czech Republic) which are similar in climate, topography and land use, but different in terms of water resources management were chosen as study area. The intense water resources management in the Spree River catchment includes a high reservoir capacity, water use in terms of mining discharges and water withdrawals by power plants as well as water transfers.
The analysis of historical flow records focusses on variability indices (Parde index, Richards-Baker-Flashiness Index, Interquartile Ratio and Baseflow Index). The climate change impact simulations were carried out using a model cascade of (i) the statistical regional model STAR (100 stochastically generated realizations each for 3 scenarios with different prescribed temperature trend), (ii) the hydrological models SWIM and EGMO, and (iii) the water resources management model WBalMo.
The analysis of the observed discharges reveals that the annual discharge variability in the Spree catchment is dominated by mining activities rather than natural rainfall-runoff processes. Due to the high reservoir capacity in the Spree catchment its discharge is characterised by less seasonality and short-term variability compared to the Schwarze Elster. Simulations with climate change scenarios assuming increasing temperature and decreasing precipitation result in pronounced reductions of discharge in both catchments. The differences in potential natural discharges between the Schwarze Elster and the Spree catchments as projected by the hydrological models SWIM and EGMO are marginal. The uncertainties related to the climate projection are propagated through the hydrological models. In the Schwarze Elster catchment, the managed discharges simulated by WBalMo are comparable to the potential natural discharges. In the Spree River however, the short-term variability is moderated by water resources management and managed discharge under climate change is less affected by amplification of uncertainties through model chains.
The results of the study, which combines the analyses of observed flow records and model-based climate change impact simulations, imply that generally, effective water resources management reducing discharge variability hence also reduces uncertainty related to climate change impacts on river discharge. Catchments with a high storage ratio are thus less vulnerable to changing climate conditions. This underlines the role of water resources management in coping with climate change impacts. Yet, due to decreasing reservoir volumes in drought periods, reservoir management alone cannot compensate strong changes in climate conditions over long time periods.
Trend analysis on observations and model-based climate change simulations are two commonly used methods for climate change detection and impact analysis. Here we propose an integrated assessment and interpretation of climate change impacts as a prerequisite for stakeholder outreach and planning of suitable climate change adaptation measures. The assessment includes (i) identifying trends in mete-orological and hydrological observations and their nature, (ii) analysing the relation between the mete-orological drivers and generated run-off as an integrated catchment response and (iii) analysing how hitherto changes agree with the simulations by regional climate models (RCMs). The Lusatian river catchments of Spree and Schwarze Elster, characterised by high anthropogenic impact (e.g. mining activities) and low natural water yield, serve as study areas. The results of this study suggest that in-creases in observed temperature and potential evapotranspiration are robust while observed precipitation remained nearly unchanged (1963–2006). The RCMs agree on simulating a temperature increase but simulate opposing trends for precipitation for both past (1963–2006) and future (2018–2060) periods, the latter inducing differences in the hydrological response (actual evapotranspiration and run-off). For stakeholder outreach, we communicated a range of potential future climates and identified the statistical RCMs (STAR, WettReg) as warm and dry scenarios, and the dynamical RCMs (REMO, CCLM) as wet scenarios. Ultimately, the combined analysis of trends in observations and simulation models can be beneficial for stakeholder outreach and may increase their willingness to plan and implement suitable climate change adaptation strategies which are urgently needed within the Lusatian river catchments.
Climate change impact assessments form the basis for the development of suitable climate change adaptation strategies. For this purpose, ensembles consisting of stepwise coupled models are generally used [emission scenario global circulation model downscaling approach (DA) bias correction impact model (hydrological model)], in which every item is affected by considerable uncertainty. The aim of the current study is (1) to analyse the uncertainty related to the choice of the DA as well as the hydrological model and its parameterization and (2) to evaluate the vulnerabil-ity of the studied catchment, a subcatchment of the highly anthropogenically impacted Spree River catchment, to hydrological change. Four different DAs are used to drive four different model configurations of two conceptually different hydrological models (Water Balance Simulation Model developed at ETH Zürich and HBV-light). In total, 452 simulations are carried out. The results show that all simulations compute an increase in air temperature and potential evapotranspiration. For precipitation, runoff and actual evapotranspiration, opposing trends are computed depending on the DA used to drive the hydrological models. Overall, the largest source of uncertainty can be attributed to the choice of the DA, especially regarding whether it is statistical or dynamical. The choice of the hydrological model and its parameterization is of less importance when long-term mean annual changes are compared. The large bandwidth at the end of the modelling chain may exacerbate the formulation of suitable climate change adaption strategies on the regional scale.
Summary Revealing the hydrological impact of sediment structures promises a better understanding of the influence of the spatial variability of sediment properties on the hydrological patterns and processes at the catchment scale. To improve the knowledge of structure-process interactions in initial ecosystems, the 6-ha artificial Chicken Creek Catchment in Germany was investigated by the Transregional Collaborative Research Centre 38 (SFB/TRR 38). Sediment structures called pour-ribs, which are dumped by stackers during the construction process, lead to differently compacted sediment zones, which increase the spatial variability of sediments’ hydraulic properties. Although levelled afterwards by bulldozers, the majority of these structures remain in the subsurface. To analyse the effects of pour-ribs on the hydrological catchment’s behaviour, the process-based spatially distributed Water balance Simulation Model (WaSiM-ETH) was applied. The results show that the consideration of pour-ribs improves the runoff simulation and significantly affects the simulated soil moisture patterns and, thereby, the initial stage of the ecosystem development. Compacted zones act as hydraulic barriers and inhibit subsurface lateral water flow, whereas non-compacted zones constitute areas with increased water storage capacity. Both effects cause reduced catchment runoff. Moreover, disregarding of the pour-ribs was identified as a source of model uncertainty in previous studies. A further outcome of this study is the importance of a global sensitivity analysis as a tool for model improvement. Finally, the results stress the importance of considering the variability of sediment properties for hydrological modelling at the catchment scale.
Abschätzung möglicher Folgen des Klimawandels auf die regionalen Wasserressourcen der Lausitz
(2013)
Das ökohydrologische Modell SWIM wurde für die Gesamteinzugsgebiete der Dahme, der
Schwarzen Elster und die Einzugsgebiete der Spree bis zum Pegel Große Tränke und der Lausitzer
Neiße bis zum Pegel Steinbach aufgebaut und parametrisiert. Aufgrund starker anthropogener
Beeinflussung durch Braunkohleförderung und Wasserbewirtschaftung ist der klassische
Ansatz der Kalibrierung hydrologischer Modelle an den Endpegeln der Einzugsgebiete nicht
möglich. Der in dieser Studie genutzte Ansatz ist daher, SWIM für Teileinzugsgebiete zu kalibrieren
und zu validieren und die sensitivsten Modellparameter zu regionalisieren. Zur Verifizierung
der Kalibrierung wurden für unbeeinflusste Teileinzugsgebiete Modellergebnisse von SWIM mit
denen von WaSim-ETH und HBV light verglichen. Der Regionalisierungsansatz wurde durch
Vergleich mit diesen Modellen in einem anthropogen stärker beeinflussten Teileinzugsgebiet und
unter Berücksichtigung langjähriger natürlicher und naturalisierter Abflüsse verifiziert. Zwischen
den Simulationsergebnissen von SWIM, HBV light und WaSim-ETH zeigen sich unter Antrieb
der Szenarien WettReg A1B und STAR 2K nur geringe Unterschiede. Hingegen wirkt sich die
Wahl des Regionalen Klimamodells deutlich auf die Simulationsergebnisse aus. Simulationen für
die Gesamteinzugsgebiete im Untersuchungsgebiet zeigen einen deutlichen Rückgang von Abfluss
und Grundwasserneubildung für WettReg A1B. Das Szenario STAR 0K führt zu sehr geringen
Änderungen dieser Wasserhaushaltskomponenten in den Einzugsgebieten der Dahme, der
Schwarzen Elster und der Spree, während die Szenarien STAR 2K und STAR 3K zu deutlichen
Rückgängen beider Größen führen. Im Einzugsgebiet der Lausitzer Neiße wird für die STARSzenarien
ein Anstieg des Abflusses bei Verringerung der Grundwasserneubildung simuliert.
Lusatia is one of the driest regions in Germany: already under current climate conditions the climatic water balance is negative. Due to excessive open-cast lignite mining activities the water balance of the catchments of the rivers Spree, Schwarze Elster, and Lusatian Neisse is profoundly disturbed. Potential changes of future climate and land use conditions will certainly impact the natural hydrologic conditions and consequently water management measures have to be adjusted in order to alleviate the water tense situation. Simulations of the Soil and Water Integrated Model (SWIM) for subcatchments without influence of lignite mining and water management driven by scenarios of the Statistical Analogue Resampling scheme (STAR) assuming a further temperature increase of 0 K, 2 K and 3 K, respectively, showed an aggravation of the situation: Due to higher potential evaporation natural discharge is decreased especially in the vegetation period.
The objective of this study is to assess potential climate change impact for the catchments of the rivers Spree, Schwarze Elster, and Lusation Neisse. Due to the strong anthropogenic impact on the discharge, the traditional approach of calibrating hydrological models based on time series of observed discharges is constrained. In order to estimate potential climate and land use change impacts for the named river catchments SWIM was first calibrated for subcatchments without influence of mining activities and water management. In a second step, the model was set up for the all catchments using model parameter regionalization. Climate change impacts were estimated using climate scenarios STAR (3 scenarios, 100 realisations each) and WettReg (3 scenarios, 10 realisations each). Land use change was considered for several scenarios focusing on the reduction of the groundwater depression cone caused by lignite mining and on a potentially increased cultivation of agricultural energy crops. Both, changes in quasi-natural river discharges at certain gauge stations and temporally and spatially distributed changes of water balance components, were analyzed in order to estimate whether climate or land use changes will be the dominant reason for potential changes of water resources. The simulated discharges will later be used as input data for the long term water management model WBalMo in order to assess potential climate and land use change impacts on water users and managed discharges as a prerequisite for climate and land use change adaptation strategies.
In anthropogenically heavily impacted river catchments, such as the Lusatian river catchments Spree and Schwarze Elster in Germany, the robust assessment of potential impacts of climate change on the regional water resources is of high relevance for water resources management. Large uncertainties inherent in future scenarios may, however, reduce the willingness of regional stakeholders to develop and implement suitable adaptation strategies to climate change.
This thesis proposes the use of an integrated framework consisting of i) an ensemble based modelling approach and ii) the incorporation of measured and simulated meteorological and hydrological trends to consider uncertainties in climate change impact assessments. In addition, land use, as the most responsive catchment characteristic to buffer potential climate change impacts, is considered as one suitable trigger for climate change adaptation.
The ensemble based modelling approach consists of the meteorological output of four climate downscaling approaches (DAs): two dynamical and two statistical. These DAs drive different model configurations of the two conceptually different hydrological models WaSiM ETH and HBV light. The objective of incorporating measured meteorological trends into the analysis was twofold: trends in measured time series can i) be regarded as harbinger for future change and ii) serve as a mean to validate the results of the DAs. In order to evaluate the nature of the trends, both gradual (Mann Kendall test) and step changes (Pettitt test) are considered as well as temporal and spatial correlations in the data. The suitability of land use change as an adaptation strategy to climate change is evaluated in the form of different land use change scenarios: i) extreme scenarios where the entire catchment is parameterised as coniferous forest and uncultivated land and ii) scenarios of changes in crop cultivation and ii) a combination of a change in crop cultivation and forest conversion. As study areas serve three almost natural subcatchments of the Spree and Schwarze Elster (Germany).
The results of the ensemble based climate change impact analysis show that depending on the type (dynamical or statistical) of DA used, opposing trends in precipitation, actual evapotranspiration and discharge are simulated in the scenario period (2031 2060). While the statistical DAs simulate a decrease in future long term annual precipitation, the dynamical DAs simulate a tendency towards increasing precipitation. The trend analysis suggests that measured precipitation has not changed significantly during the period 1961 2006. Therefore, the strong decrease in precipitation simulated by the statistical DAs should be interpreted as a rather dry future scenario. The dynamical DAs, on the other hand, are too wet in the reference period and needed to be statistically bias corrected which destroys the physical consistency between the parameters. Concerning temperature, measured and simulated trends agree on a positive trend. The uncertainty related to the hydrological model within the climate change modelling chain is comparably low when long term averages are considered but increases during low flow events. The proposed framework of combining an ensemble based modelling approach with trend analysis on measurements is a promising approach to gain more confidence into the final results of climate change impact assessments and to obtain an increased process understanding of the interrelation between climate and water resources.
In terms of climate change adaptation, land use alternatives can have a considerable impact on the water balance components as the analysis of the extreme scenarios revealed. The scenarios of changes in crop cultivation in combination with forest conversion show, however, that the impact on the long term annual water balance is comparably low. An intra annual shift in the water balance components can be triggered which makes these scenarios suitable to reduce low flow risks during the summer. Overall, land use change can serve as one part of an integrated climate change adaptation strategy. Such as strategy needs, depending on the severity of the climate change impact, to include other, especially technical measures of water resources management, such as additional water storage, different strategies to manage the existing and new reservoirs. It may also consider additional water transfers from neighbouring, more water rich, river catchments. Regional adaptation planning needs also to consider problems related to water quality which are a consequence of the long term mining activities in the Lusatian river catchments. Last but not least, adaptation strategies should not only consider climate but also other aspects of global change.
The water balance of the Rivers Spree, Schwarze Elster and Lusatian Neisse is profoundly disturbed due to large-scale open-cast lignite mining activities and water management. Together with continental climate conditions this affects
water resources and water users in the region. Driven by scenarios of the regional climate model STAR which assume increasing temperature and decreasing precipitation, two hydrological models, the Soil and Water Integrated Model
SWIM and the catchment model EGMO simulate declining natural discharges in the region. Thus, decreasing managed discharges are simulated with the long term water management model WBalMo. The refinement of the simulation time step of WBalMo from months to weeks improves the consideration of climate variability and is also associated with higher simulated managed discharges in
early summer. Management scenarios in terms of a reduced outlet capacity of a mining lake reservoir result in higher releases from other reservoirs and slightly
reduced summer discharges in downstream river sections.
Klimaänderungen und sozioökonomische Entwicklungen können Konsequenzen für die Wassermengenbewirtschaftung und die Wasserbeschaffenheit nach sich ziehen. Zur Abschätzung der Auswirkungen regionaler Entwicklungen wurde in dieser Studie eine Modellkaskade aus (i) den hydrologischen Modellen SWIM und EGMO, (ii) dem Langfristbewirtschaftungsmodell WBalMo und (iii) dem Wassergütemodell GGM entwickelt, implementiert und angewandt. Die Modellkaskade bietet zudem die Möglichkeit,Anpassungsoptionen der Wassermengen– und –gütebewirtschaftung einzubeziehen.
Als Untersuchungsgebiet dient das Einzugsgebiet der Spree, in dem in Folge des jahrzehntelangen Braunkohlebergbaus und dessen Rückgangs seit den 1990er Jahren vielfältige Herausforderungen hinsichtlich Wassermenge und –beschaffenheit bestehen (z. B. niedrige pH-Werte in den Tagebauseen, hohe Sulfatkonzentrationen in den Tagebauseen und Vorflutern).
Die grundlegende Fragestellung ist, ob sich die bestehenden Wassermengen– und beschaffenheitsprobleme unter zukünftig potenziell trockeneren Bedingungen verschärfen bzw. wie sie durch Anpassungsmaßnahmen gelindert werden können. Als klimatischer Antrieb der Modellkaskade werden stochastisch generierte Zeitreihen (Realisierungen) des Regionalen Klimamodells STAR genutzt. Die Realisierungen des Szenarios STAR 0K werden im Sinne einer Referenzvariante der rezenten klimatischen Bedingungen verwendet, um die Konsequenzen des Rückgangs von Bergbauaktivitäten separat zu betrachten. Zur Ermittlung der Sensitivität der Wasserressourcen gegenüber einer potenziell trockeneren Zukunft dient das Szenario STAR 2K, bei dem eine weitere Erhöhung der Jahresmitteltemperatur um 2 K sowie im Mittel eine Abnahme des Jahresniederschlages projiziert wird. Die Betrachtung der sozioökonomischen Entwicklung der Region wird anhand eines Bewirtschaftungsszenarios betrachtet, welches von einem weiteren Rückgang der Bergbauaktivitäten in der Region ausgeht.
Im Verlauf des Zeitraums 2018 2052 zeigen sich im Szenario STAR 0K nur geringe Auswirkungen auf das natürliche Wasserdargebot, die bewirtschafteten Abflüsse gehen durch sinkende Sümpfungswassereinleitungen leicht zurück. Im Szenario STAR 2K geht das natürliche Wasserdargebot zurück und die wasserwirtschaftlichen Speicher werden stärker in Anspruch genommen. Die bewirtschafteten Abflüsse in der Region sinken, was negative Konsequenzen für die Erfüllung von Nutzeransprüchen nach sich zieht. Die Wahrscheinlichkeit, dass die Tagebauseen wiederversauern und die Sulfatkonzentrationen ansteigen, nimmt im Szenario STAR 2K im Vergleich zu STAR 0K zu.
Wasserwirtschaftliche Anpassungsoptionen wurden hinsichtlich ihrer Konsequenzen für Wassermenge und beschaffenheit analysiert. Durch die Überleitung von Wasser aus der Elbe können die Wassermengen und beschaffenheitsprobleme gelindert werden. Die In Lake Neutralisation von Tagebauseen kann lokale Probleme der Wasserbeschaffenheit mindern.
Does water management reduce the uncertainty of projected climate change impacts on river discharge?
(2015)
In den Flusseinzugsgebieten von Schwarzer Elster, Dahme, Spree und Lausitzer Neiße wurden die Auswirkungen von klimatischen Änderungen auf natürliche und bewirtschaftete Abflüsse mittels eines Modellensembles aus regionalen Klimamodellen, hydrologischen Modellen und einem Langfristbewirtschaftungsmodell untersucht. Für Teileinzugsgebiete wurden unter Nutzung von Klimavariablen der Regionalen Klimamodelle STAR und WettReg mit den hydrologischen Modellen SWIM, EGMO, WaSiM-ETH und HBV-light abnehmende natürliche Abflüsse simuliert. Die mit dem Klimaszenario verbundenen Unsicherheiten sind dabei größer als jene aufgrund der Wahl des hydrologischen Modells. Die Auswirkungen möglicher Entwicklungen der Braunkohleförderung und -verstromung wurden im Sinne eines Szenarios der Entwicklung der Grundwasserabsenkungstrichter mit SWIM simuliert. Diese Auswirkungen sind denen der klimatischen Änderungen untergeordnet. Die hydrologischen Modelle SWIM und EGMO wurden für die Gesamteinzugsgebiete aufgebaut und parametrisiert. Die mit diesen Modellen unter STAR-Szenarien simulierten natürlichen Abflüsse dienten als Eingangsdaten für die Wasserbewirtschaftungsmodellierung mit WBalMo.
Aufgrund von abnehmenden natürlichen Abflüssen und unter der Annahme eines Szenarios zur Entwicklung der Braunkohleförderung und -verstromung, bei dem die Fläche der Grundwasserabsenkungstrichter, aber auch die Sümpfungswassermengen zurückgehen, wurden abnehmende bewirtschaftete Abflüsse simuliert. Auch bei diesen überwiegen im Gesamtjahr die mit den Klimaszenarien verbundenen Unsicherheiten, wobei insbesondere im Jahresverlauf die Ergebnisse mit den hydrologischen Modellen deutlich unterschiedlich sind. Die Studie liefert im Ergebnis eine Bandbreite denkbarer Entwicklungsszenarien, welche als Grundlage für Klimawandelanpassungsmaßnahmen der regionalen Wasserbewirtschaftung dienen können.