@phdthesis{Gaedeke2014, author = {G{\"a}deke, Anne}, title = {Climate and land use change impacts on water resources in the Lusatian river catchments (Germany) - Analysis and assessment considering modelling uncertainties}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-32519}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2014}, abstract = {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.}, subject = {Land use change; Climate change impact assessment; Trend analysis; Lausitzer Flusseinzugsgebiete; Trendanalyse; Klimawandelimpaktanalyse; Landnutzungswandel; Unsicherheit; Uncertainty; Lusatian river catchments; Spree; Schwarze Elster; Einzugsgebiet; Klima{\"a}nderung; Klimamodell; Wasserwirtschaft; Landnutzung}, language = {en} } @phdthesis{Pohle2014, author = {Pohle, Ina}, title = {Analyse der potenziellen Auswirkungen von Klima- und Landnutzungs{\"a}nderungen auf den nat{\"u}rlichen Wasserhaushalt und die Wassermengenbewirtschaftung der Lausitz}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-32262}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2014}, abstract = {In den Lausitzer Flusseinzugsgebieten bestehen aufgrund eines verh{\"a}ltnism{\"a}ßig geringen nat{\"u}rlichen Wasserdargebots und durch die Auswirkungen des Braunkohlebergbaus bzw. dessen abrupten R{\"u}ckgangs in den 1990er Jahren Probleme hinsichtlich der Bereitstellung von Wasser in ausreichenden Menge und Qualit{\"a}t f{\"u}r die vielf{\"a}ltigen Nutzungen. Vor diesem Hintergrund sind die Auswirkungen potenzieller Klima- (ansteigende Temperaturen und sinkende Niederschl{\"a}ge) und Landnutzungs{\"a}nderungen (weiterer R{\"u}ckgang des Braunkohlebergbaus sowie verst{\"a}rkter Anbau agrarischer Energiepflanzen) auf die regionalen Wasserressourcen von besonderem Interesse. Es stellt sich die Frage, in welchem Ausmaß wasserwirtschaftliche Engp{\"a}sse m{\"o}glicherweise versch{\"a}rft werden bzw. durch gezielte Anpassungsmaßnahmen ausgeglichen werden k{\"o}nnen. Voraussetzung zur Ableitung von Anpassungsmaßnahmen sind ortsspezifische Antworten hinsichtlich der m{\"o}glichen Auswirkungen von Klima- und Landnutzungs{\"a}nderungen auf den nat{\"u}rlichen Wasserhaushalt und die Wassermengenbewirtschaftung. Diese wurden mit einem Ensemble aus den regionalen Klimamodellen STAR und WettReg, Landnutzungsszenarien in Bezug auf Braunkohlebergbau und Energiepflanzenanbau, den hydrologischen Modellen SWIM und EGMO sowie dem Langfristbewirtschaftungsmodell WBalMo untersucht. Als Grundlage f{\"u}r die Analyse wurden mit dem {\"o}kohydrologischen Modellsystem SWIM f{\"u}r die Einzugsgebiete von Schwarzer Elster, Dahme, Spree (bis Pegel Große Tr{\"a}nke) und Lausitzer Neiße (bis Pegel Steinbach) je ein Modell zur Simulation des nat{\"u}rlichen Wasserhaushalts aufgebaut. Der klassische Ansatz zur Modellparametrisierung durch Kalibrierung anhand beobachteter Abfl{\"u}sse ist aufgrund der starken anthropogenen {\"U}berpr{\"a}gung des Abflussgeschehens durch Braunkohlebergbau und Wasserwirtschaft erschwert. Daher erfolgte zun{\"a}chst eine Kalibrierung f{\"u}r weniger {\"u}berpr{\"a}gte Teileinzugsgebiete, anschließend wurden die Modellparameter durch Regionalisierung auf die Gesamtgebiete {\"u}bertragen. Bei Simulationen mit SWIM f{\"u}r Klimaszenarien mit ansteigender Jahresmitteltemperatur zeigen sich Zunahmen der potenziellen Verdunstung um bis zu 30 \% im langj{\"a}hrigen Mittel. Aufgrund der in diesen Szenarien projizierten Abnahme der Niederschlagsjahressummen steigt die mittlere reale Verdunstung nur um bis zu 10 \%, weiterhin ergibt sich ein R{\"u}ckgang der Jahresmittel von Abfluss und Grundwasserneubildung um bis zu 60 \%. Ein R{\"u}ckgang des Grundwasserabsenkungstrichters und damit die Vergr{\"o}ßerung der abflusswirksamen Einzugsgebietsfl{\"a}che mindert die Auswirkungen der klimatischen {\"A}nderungen geringf{\"u}gig. Bei einem verst{\"a}rkten Anbau von Winterraps ergeben sich bei gleichem Klimaszenario aufgrund verringerter realer Verdunstung h{\"o}here Abfl{\"u}sse und Grundwasserneubildungsraten im Vergleich zu Winterweizen als Referenzvariante. Die Ergebnisse der nat{\"u}rlichen Wasserhaushaltskomponenten spiegeln hohe Bandbreiten der Klimaprojektionen wider. Unsicherheiten bestehen weiterhin in der hydrologischen Reaktion auf ge{\"a}nderte klimatische Bedingungen, wie Vergleiche der Ergebnisse von SWIM mit denen des hydrologischen Modells EGMO aufzeigen. Im Vergleich dazu sind die mit den Landnutzungs{\"a}nderungen verbundenen Unsicherheiten eher von untergeordneter Bedeutung. Durch den R{\"u}ckgang der nat{\"u}rlichen Abfl{\"u}sse und von S{\"u}mpfungswassereinleitungen ergeben sich in der Simulation der Wassermengenbewirtschaftung mit WBalMo Abnahmen der bewirtschafteten Abfl{\"u}sse um bis zu 50 \%. Das h{\"a}tte zur Folge, dass die Nutzeranspr{\"u}che nicht mehr ausreichend erf{\"u}llt werden k{\"o}nnen. Es zeigte sich, dass die negativen Auswirkungen der Klima- und Landnutzungs{\"a}nderungen durch wasserwirtschaftliche Maßnahmen innerhalb des Untersuchungsgebiets, wie zum Beispiel eine ge{\"a}nderte Speicherbewirtschaftung, nicht ausreichend gemindert werden, die {\"U}berleitung von Wasser aus der Elbe jedoch eine geeignete Anpassungsoption darstellt. Die Unsicherheiten bez{\"u}glich der nat{\"u}rlichen Wasserhaushaltskomponenten ziehen in der Simulation der Wassermengenbewirtschaftung hohe Bandbreiten der Ergebnisse nach sich. Der Ansatz der ensemblegest{\"u}tzten Analyse erlaubt es, Auswirkungen potenzieller Klima- und Landnutzungs{\"a}nderungen auf die nat{\"u}rlichen Wasserhaushaltskomponenten und die Wassermengenbewirtschaftung abzusch{\"a}tzen und damit verbundene Unsicherheiten zu ber{\"u}cksichtigen sowie m{\"o}gliche Anpassungsoptionen zu identifizieren.}, subject = {Hydrologie; Wasserbewirtschaftung; Klima{\"a}nderungen; Landnutzungs{\"a}nderungen; Anpassungsoptionen; Adaptation strategies; Hydrology; Climate change; Land use change; Water management; Lausitz; Hydrologie; Klima{\"a}nderung; Wasserwirtschaft; Landnutzung; Anpassung}, language = {de} }