TY - THES A1 - Pohle, Ina T1 - Analyse der potenziellen Auswirkungen von Klima- und Landnutzungsänderungen auf den natürlichen Wasserhaushalt und die Wassermengenbewirtschaftung der Lausitz T1 - Analysis of potential impacts of climate and land use changes on the natural water balance and on the water resources management of Lusatia N2 - In den Lausitzer Flusseinzugsgebieten bestehen aufgrund eines verhältnismäßig geringen natürlichen Wasserdargebots und durch die Auswirkungen des Braunkohlebergbaus bzw. dessen abrupten Rückgangs in den 1990er Jahren Probleme hinsichtlich der Bereitstellung von Wasser in ausreichenden Menge und Qualität für die vielfältigen Nutzungen. Vor diesem Hintergrund sind die Auswirkungen potenzieller Klima- (ansteigende Temperaturen und sinkende Niederschläge) und Landnutzungsänderungen (weiterer Rückgang des Braunkohlebergbaus sowie verstärkter Anbau agrarischer Energiepflanzen) auf die regionalen Wasserressourcen von besonderem Interesse. Es stellt sich die Frage, in welchem Ausmaß wasserwirtschaftliche Engpässe möglicherweise verschärft werden bzw. durch gezielte Anpassungsmaßnahmen ausgeglichen werden können. Voraussetzung zur Ableitung von Anpassungsmaßnahmen sind ortsspezifische Antworten hinsichtlich der möglichen Auswirkungen von Klima- und Landnutzungsänderungen auf den natürlichen 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 für die Analyse wurden mit dem ökohydrologischen Modellsystem SWIM für die Einzugsgebiete von Schwarzer Elster, Dahme, Spree (bis Pegel Große Tränke) und Lausitzer Neiße (bis Pegel Steinbach) je ein Modell zur Simulation des natürlichen Wasserhaushalts aufgebaut. Der klassische Ansatz zur Modellparametrisierung durch Kalibrierung anhand beobachteter Abflüsse ist aufgrund der starken anthropogenen Überprägung des Abflussgeschehens durch Braunkohlebergbau und Wasserwirtschaft erschwert. Daher erfolgte zunächst eine Kalibrierung für weniger überprägte Teileinzugsgebiete, anschließend wurden die Modellparameter durch Regionalisierung auf die Gesamtgebiete übertragen. Bei Simulationen mit SWIM für Klimaszenarien mit ansteigender Jahresmitteltemperatur zeigen sich Zunahmen der potenziellen Verdunstung um bis zu 30 % im langjährigen Mittel. Aufgrund der in diesen Szenarien projizierten Abnahme der Niederschlagsjahressummen steigt die mittlere reale Verdunstung nur um bis zu 10 %, weiterhin ergibt sich ein Rückgang der Jahresmittel von Abfluss und Grundwasserneubildung um bis zu 60 %. Ein Rückgang des Grundwasserabsenkungstrichters und damit die Vergrößerung der abflusswirksamen Einzugsgebietsfläche mindert die Auswirkungen der klimatischen Änderungen geringfügig. Bei einem verstärkten Anbau von Winterraps ergeben sich bei gleichem Klimaszenario aufgrund verringerter realer Verdunstung höhere Abflüsse und Grundwasserneubildungsraten im Vergleich zu Winterweizen als Referenzvariante. Die Ergebnisse der natürlichen Wasserhaushaltskomponenten spiegeln hohe Bandbreiten der Klimaprojektionen wider. Unsicherheiten bestehen weiterhin in der hydrologischen Reaktion auf geänderte klimatische Bedingungen, wie Vergleiche der Ergebnisse von SWIM mit denen des hydrologischen Modells EGMO aufzeigen. Im Vergleich dazu sind die mit den Landnutzungsänderungen verbundenen Unsicherheiten eher von untergeordneter Bedeutung. Durch den Rückgang der natürlichen Abflüsse und von Sümpfungswassereinleitungen ergeben sich in der Simulation der Wassermengenbewirtschaftung mit WBalMo Abnahmen der bewirtschafteten Abflüsse um bis zu 50 %. Das hätte zur Folge, dass die Nutzeransprüche nicht mehr ausreichend erfüllt werden können. Es zeigte sich, dass die negativen Auswirkungen der Klima- und Landnutzungsänderungen durch wasserwirtschaftliche Maßnahmen innerhalb des Untersuchungsgebiets, wie zum Beispiel eine geänderte Speicherbewirtschaftung, nicht ausreichend gemindert werden, die Überleitung von Wasser aus der Elbe jedoch eine geeignete Anpassungsoption darstellt. Die Unsicherheiten bezüglich der natürlichen Wasserhaushaltskomponenten ziehen in der Simulation der Wassermengenbewirtschaftung hohe Bandbreiten der Ergebnisse nach sich. Der Ansatz der ensemblegestützten Analyse erlaubt es, Auswirkungen potenzieller Klima- und Landnutzungsänderungen auf die natürlichen Wasserhaushaltskomponenten und die Wassermengenbewirtschaftung abzuschätzen und damit verbundene Unsicherheiten zu berücksichtigen sowie mögliche Anpassungsoptionen zu identifizieren. N2 - In the Lusatian river catchments, the allocation of water in sufficient quantity and of adequate quality for various purposes is constrained by relatively low natural water availability as well as by the consequences of lignite mining and its rapid decrease in the 1990s. Thus, the impacts of potential climate (increasing temperature and decreasing precipitation) and land use changes (further decrease of the mining activities and an increasing cultivation of arable energy crops) on water resources are of major interest. The fundamental question is to what extent the already existing deficits in water management are exacerbated and whether they can be mitigated by adaptation measures. In order to derive adaptation measures, site-specific results regarding the possible impacts of climate and land use changes on the natural water balance as well as on water resources management are necessary. Therefore, an ensemble consisting of the regional climate models STAR and WettReg, land use scenarios in terms of lignite mining and energy crop production, the hydrological models SWIM and EGMO, as well as the long term water management model WBalMo is used. As a prerequisite for the analysis, the ecohydrological model SWIM was set up for the catchments of the Schwarze Elster River, the Dahme River, the Spree River (up to Große Tränke gauge) and the Lusatian Neisse River (up to Steinbach gauge) each in order to simulate natural water balance components. The traditional approach of calibrating hydrological models based on time series of observed discharges is aggravated due to the strong impacts of mining and water management on discharge. Therefore, in a first step the models were calibrated for subcatchments with only minor anthropogenic influence on discharge. In a second step, the model parameters were transferred to the entire catchments via regionalization. In climate scenarios with increasing temperature, SWIM simulates increases in the potential evapotranspiration of up to 30 % on the long term average. As declining precipitation is projected in these scenarios, the actual evapotranspiration increases by 10 % on average only, whereas discharge and groundwater recharge decline by up to 60 %. The declining ground water depression cone and thus the increase of the catchment area contributing to runoff only slightly alleviates the effects of climate change. An increasing cultivation of winter oil seed rape results in slightly reduced actual evapotranspiration and therefore in increased discharge and ground water recharge compared to simulations with the same climate scenario and winter wheat as reference crop. Overall, the simulation results of the natural water balance components reflect high bandwidths of the climate projections. Further uncertainties are added by the hydrological reaction to changing climate conditions, as shown by comparing the results of SWIM with those of the hydrological model EGMO. In comparison, the uncertainties related to land use changes are minor. Due to decreasing natural discharges as well as decreasing mining discharges, which are released into the rivers, simulations with WBalMo show declining managed discharges by 50 % on the long term average. As a consequence, the demands of the water users cannot be satisfied sufficiently. The impacts of climate and land use changes cannot be adequately mitigated by adaptation measures in terms of an altered management within the study region, e.g. reservoir management. A transfer of water from the Elbe River to the study region, however, might be a feasible option to alleviate negative climate and land use change impacts. The uncertainties associated with the simulation of natural discharges also cause high bandwidths in the simulation of water management regarding climate and land use scenarios as well as hydrological models. The ensemble-based analysis allows the assessment of (1) potential climate and land use change impacts on the natural water balance components as well as on the water resources management in the Lusatian river catchments, (2) uncertainties in these impacts and (3) feasible adaptation options. KW - Hydrologie KW - Wasserbewirtschaftung KW - Klimaänderungen KW - Landnutzungsänderungen KW - Anpassungsoptionen KW - Adaptation strategies KW - Hydrology KW - Climate change KW - Land use change KW - Water management KW - Lausitz KW - Hydrologie KW - Klimaänderung KW - Wasserwirtschaft KW - Landnutzung KW - Anpassung Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-32262 ER - TY - THES A1 - Wei, Shouke T1 - On the use of game theoretic models for water resources management T1 - Über die Anwendung spieltheoretischer Modelle zur Wasserbewirtschaftung N2 - Water quality degradation and water scarcity are two serious problems, and water resources management related to those problems usually involves conflicts. In the absence of market and exclusive property rights, those conflicts are unavoidable. Game theory is an appropriate approach to simulate and resolve such conflicts. The overall objective of this research is to develop a practical methodology and mechanism to promote the maximization of public welfare from a socio-economic and environmental perspective using game theory. There are three main goals: 1) to use game theory to illustrate and analyze phenomena of water resources management, 2) to set up non-cooperative and cooperative game theoretic simulation models of water conflicts in a river basin, and 3) to apply the game theoretic simulation approach into water conflicts involved in the Hanjiang River Basin (HRB) in China. In the case of HRB, the Municipalities of Beijing, Hanzhong, Ankang and Shangluo, Shiyan and the Cities of Xixia and Xichuan are defined as the main players. For each main player, industry, households and agriculture are defined as the sub-players. Statistical and econometric regression modeling methods are used to formulate payoff functions of the players. The models are evaluated by forecasting and scenarios analyses. Cost-benefit Analysis (CBA) and demand-supply principle (DSP) are applied to compare the game outcomes. Economic valuation methods (EVMs) are applied to the value transformation. Scenario analysis is also employed to analyze the future risks and uncertainties. The main results prove that the non-cooperative game will cost all players an overall loss, though it yields benefits to some players. However, cooperative game results show that there is an overall benefit, though some players have loss. Comparing with the results of non-cooperative and cooperative games, it finds that cooperation makes all the players better off though some players are worse off. Scenario results illustrate that player one and his sub-players have serious water deficits even in the optimistic scenario. Thus, cooperation with other players is the dominant strategy for this player. The risks of non-cooperation come from some other players and sub-players. The game theoretic simulation approach and results benefit not only different groups of water stakeholders, but also decision makers to make policies on water quantity allocation, water quality protection, water pricing as well as ecological loss compensation. N2 - Die Verschlechterung der Wasserqualität und die Verknappung des Wassers sind zwei schwerwiegende Probleme der Wasserbewirtschaftung, die häufig zu Konflikten führen. Ohne eine geeignete Definition von Eigentumsrechten bzw. ohne einen Wassermarkt sind Konflikte unvermeidlich. Die Spieltheorie ist ein geeigneter Ansatz zur Simulation und Lösung solcher Konflikte. Das Gesamtziel dieser Forschung ist die Entwicklung einer praktikablen Methodik, um mit Hilfe der Spieltheorie eine Optimierung der öffentlichen Wohlfahrt zu realisieren. Dies umfasst soziale und wirtschaftliche Aspekte ebenso wie auch Aspekte der Umwelt. Es gibt drei wesentliche Ziele: 1) Die Darstellung von Phänomenen der Wasserbewirtschaftung mit Hilfe der Spieltheorie; 2) die Modellierung und Simulation von Konflikten der Wasserwirtschaft durch kooperative und nicht-kooperative Spiele; 3) die Anwendung der Spieltheorie zur Lösung von Konflikten zwischen verschiedenen Gewässernutzungen in dem Hanjiang-Flussgebiet (EHF). Im Fall von EHF stellen die Städte Beijing, Hanzhong, Ankang, Shangluo und Shian, Xixia und Xichuan die Hauptspieler dar. Für jeden Hauptspieler werden wiederum Industrie, Haushalt und Landwirtschaft als Sub-Spieler definiert. Die Auszahlungsfunktionen der Spieler werden durch statistische und ökonometrische Regressionsmodelle berechnet. Die Modelle werden mit Hilfe von Prognosen und Szenarien bewertet. Für den Vergleich der Spiele (oder Simulationen) wird die Kosten-Nutzen-Analyse und das Angebot-Nachfrage-Prinzip angewendet. Die Werttransformation wird auf der Grundlage wirtschaftlicher Bewertungsmethoden eingeschätzt. Risiken und Unsicherheiten werden durch die Erstellung von Zukunftsszenarien analysiert. Die Resultate zeigen, dass die nichtkooperativen Spiele zu einem Gesamtverlust führen, obwohl sie für einige Spieler vorteilhaft sind. Umgekehrt lassen die Ergebnisse der kooperativen Spiele einen Gesamtvorteil erkennen, wenngleich sie für einige Spieler zu Verlusten führen. Insgesamt kann anhand des Vergleiches der nichtkooperativen und der kooperativen Spiele ein Gemeinschaftsvorteil durch Zusammenarbeit festgestellt werden, obwohl dies für einige Spieler von Nachteil ist. Die Ergebnisse der Szenarienanalysen zeigen, dass sogar im optimistischen Szenario eine Wasserknappheit für Spieler 1 und seine Sub-Spieler auftritt. Deshalb ist die Zusammenarbeit für diesen Spieler und seine Sub-Spieler die beste Strategie. Das Risiko fehlender Zusammenarbeit wird durch andere Spieler und Sub-Spieler verursacht. Die Methoden der Spieltheorie ermöglichen Verbesserungen sowohl für verschiedene Interessengruppen als auch im gemeinschaftlichen Rahmen bis hin zur politischen Ebene. Dies umfasst die Wasserverteilung, den Schutz der Wasserqualität, die Festlegung von Wasserpreisen und die Abschätzung und Kompensation ökologischer Kosten. KW - China KW - Wasserwirtschaft KW - Spieltheorie KW - Simulation KW - Wasserbewirtschaftung KW - Konflikte KW - Spieltheorie KW - Simulation KW - Szenarioanalysen KW - Water resources KW - Conflicts KW - Game theory KW - Simulation KW - Scenario analysis Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-5869 ER -