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.
In dieser Studie wird der Einfluss von Klima- und Landnutzungsänderungen mit zwei
hydrologischen Modellen auf den Wasserhaushalt in einem Teileinzugsgebiet der Spree untersucht. Der
Einfluss des Klimawandels auf den Wasserhaushalt wurde mit dem Wasserhaushalts-Simulations-Modell
(WaSiM-ETH) analysiert. Um eine große Bandbreite an möglichen Entwicklungen abzubilden, wurden die
meteorologischen Größen von 100 Realisierungen des regionalen Klimamodells STAR zum Antrieb von
WaSiM-ETH verwendet. Die Ergebnisse zeigen im langjährigen Mittel einen Niederschlagsrückgang um
7,1 % sowie eine Zunahme der potentiellen und tatsächlichen Verdunstung um 17,6 % bzw. 4 %. Infolgedessen
nehmen der Abfluss um 37,2 % und die Grundwasserneubildung um 22 % ab. Außerdem sinkt die
Bodenfeuchte in der Wurzelzone in den Monaten Juli bis September von 69 % nutzbare Feldkapazität
(nFK) auf 52 % nFK, was zu leichtem Trockenstress bei Ackerkulturen mit hohem Wasserbedarf in dieser
Periode führen kann. Um den Einfluss von Landnutzungsänderungen, wie bspw. einen verstärkten Anbau
von Energiepflanzen (Raps, Mais, Sorghum), auf den Wasserhaushalt abzuschätzen, wurde das ökohydrologische
Modell SWIM (Soil and Water Integrated Model) verwendet. Bei den Energiepflanzen verringert
sich die jährlich simulierte tatsächliche Verdunstung im Mittel um 10,3 %, wohingegen sich der jährliche
Abfluss um 31,2 % und die Grundwasserneubildung um 33 % erhöhen. Insbesondere die Energiepflanzen
Mais und Sorghum besitzen im Hochsommer einen hohen Wasserbedarf, was eine zusätzliche Bewässerung
erforderlich machen kann. Die Auswirkungen des Klimawandels auf den Wasserhaushalt können
diese Entwicklung weiter verschärfen. Da es sich bei den Ergebnissen um Modellierungen handelt, dürfen
diese nicht als sicher, sondern unter den getroffenen Annahmen als repräsentativ für die wahrscheinliche
zukünftige Entwicklung des Wasserhaushalts unter dem zu erwartenden Klima- und Landschaftswandels
verstanden werden.