Integrated modelling of global cange impacts in the German Elbe river basin [Elektronische Ressource] / Fred Fokko Hattermann

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• Publié par: universitat_potsdam
• Publié le: 01 janvier 2005
• Nombre de lectures: 20
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 12 Mo

Extrait

INTEGRATEDMODELLINGOFGLOBAL
CHANGEIMPACTSINTHEGERMANELBE
RIVERBASIN
.
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.)
in der Wissenschaftsdisziplin Geo¨okologie
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultat¨
der Universit¨at Potsdam
durch Dipl.-Geook¨ ol. Fred Fokko Hattermann
September 2005.
Gutachter:
1. Gutachter: Prof. Dr. Axel Bronstert (Universit¨at Potsdam)
2. Gutachter: Prof. Dr. Nicola Fohrer (Universit¨at Kiel)
3. Gutachter: Dr. Valentina Krysanova (Potsdam Institut fur¨ Klimafolgen-
forschung)Danksagung
AndieserStellem¨ochteichinsbesondereValentinaKrysanovadanken,derHaupt-
betreuerin meiner Arbeit, die die Idee zu dieser Studie hatte und mich w¨ahrend
meinerT¨atigkeitimmermitgroßemInteresseunterstutzte.¨ OhneIhreumfassende
Unterstut¨ zung und fachliche Begeleitung wa¨re diese Arbeit nicht m¨oglich gewe-
sen.
Weiter gilt mein Dank Axel Bronstert, der mir mit fachlichem und freundschaft-
lichem Rat immer zur Seite stand und unburokr¨ atisch die Betreuung meiner
Arbeit an der Universit¨at ub¨ ernahm.
Mein Dank gilt auch Nicola Fohrer, die, wenn auch aus der Ferne, meinen ”wis-
senschaftlichen Werdegang” von Anfang an begleitete.
Danken m¨ochte ich Frank Wechsung, der immer fur¨ eine interessante Diskussion
zu haben war.
Weiterm¨ochteichmeinenKollegenamPotsdamInstitutfur¨ Klimafolgenforschung
danken, ohne die die Arbeit in dieser Form nicht entstanden w¨are.
Wolfgang Cramer m¨ochte ich fur¨ seine Unterstut¨ zung und seinen freundschaft-
lichen Rat danken, Alfred Becker fur¨ die sch¨onen Stunden im Bur¨ o und auf den
Dienstreisen.
AlisonSchlumsundStephenSitchdankeichfur¨ dieKorrekturenundAnregungen.
NichtzuletztsondernvorallenDingengiltmeinDankmeinenElternundClaudia,
die mir mit nie nachlassender Geduld immer liebevoll zur Seite standen.Summary
ThescopeofthisstudyistoinvestigatetheenvironmentalchangeintheGerman
part of the Elbe river basin, whereby the focus is on two water related problems:
having too little water and having water of poor quality.
TheElberegionisrepresentativeofhumidtosemi-humidlandscapesincentral
Europe, where water availability during the summer season is the limiting factor
for plant growth and crop yields, especially in the loess areas, where the annual
precipitationislowerthan500mm. Itismostlikelythatwaterquantityproblems
will accelerate in future, because both the observed and the projected climate
trend show an increase in temperature and a decrease in annual precipitation,
especially in the summer. Another problem is nutrient pollution of rivers and
lakes. In the early 1990s, the Elbe was one of the most heavily polluted rivers
in Europe. Even though nutrient emissions from point sources have notably
decreased in the basin due to reduction of industrial sources and introduction of
new and improved sewage treatment facilities, the diffuse sources of pollution are
still not sufficiently controlled.
The investigations have been done using the eco-hydrological model SWIM
(Soil and Water Integrated Model), which has been embedded in a model frame-
work of climate and agro-economic models. A global scenario of climate and
agro-economic change has been regionalized to generate transient climate forc-
ing data and land use boundary conditions for the model. The model was used
to transform the climate and land use changes into altered evapotranspiration,
groundwater recharge, crop yields and river discharge, and to investigate the de-
velopment of water quality in the river basin. Particular emphasis was given to
assessing the significance of the impacts on the hydrology, taking into account
in the analysis the inherent uncertainty of the regional climate change as well as
the uncertainty in the results of the model.
Theaveragetrendoftheregionalclimatechangescenarioindicatesadecrease
inmeanannualprecipitationupto2055ofabout1.5%,butwithhighuncertainty
(covering the range from -15.3 % to +14.8 %), and a less uncertain increase in
temperature of approximately 1.4 K. The relatively small change in precipitation
inconjunctionwiththechangeintemperatureleadstosevereimpactsonground-
water recharge and river flow. Increasing temperature induces longer vegetation
periods, and the seasonality of the flow regime changes towards longer low flowspells in summer. As a results the water availability will decrease on average of
the scenario simulations by approximately 15 %. The increase in temperatures
will improve the growth conditions for temperature limited crops like maize. The
uncertainty of the climate trend is particularly high in regions where the change
is the highest.
The simulation results for the Nuthe subbasin of the Elbe indicate that reten-
tion processes in groundwater, wetlands and riparian zones have a high potential
to reduce the nitrate concentrations of rivers and lakes in the basin, because they
are located at the interface between catchment area and surface water bodies,
where they are controlling the diffuse nutrient inputs. The relatively high reten-
tionofnitrateintheNuthebasinisduetothelongresidencetimeofwaterinthe
subsurface (about 40 years), with good conditions for denitrification, and due to
nitrate retention and plant uptake in wetlands and riparian zones.
The concluding result of the study is that the natural environment and com-
munities in parts of Central Europe will have considerably lower water resources
under scenario conditions. The water quality will improve, but due to the long
residence time of water and nutrients in the subsurface, this improvement will be
slower in areas where the conditions for nutrient turn-over in the subsurface are
poor.Zusammenfassung
ZieldervorliegendenArbeitistdieUntersuchungderAuswirkungendesGlobalen
Wandels auf den Wasserkreislauf im deutschen Teil des Elbeeinzugsgebietes. Der
Fokus liegt dabei auf Wassermengen- und Wasserqualit¨atsproblemen.
¨DieElbeliegtimZentrumEuropasimUbergangsbereichzwischenozeanischen
undkontinentalenKlimaten, wodieWasserverfugba¨ rkeitindenSommermonaten
den limitierenden Faktor fur¨ das Pflanzenwachstum und die landwirtschaftlichen
Ertr¨age bildet. Dies gilt insbesondere fur¨ die L¨ossgebiete im Lee des Harzes, wo
die j¨ahrlichen Niederschl¨age unter 500 mm liegen. Es ist sehr wahrscheinlich,
dass sich die Wassermengenprobleme in Zukunft noch verst¨arken werden, denn
sowohl das beobachtete als auch das fur¨ die Zukunft projizierte Klima in der
Region zeigen h¨ohere Temperaturen und fallende Niederschl¨age, besonders im
Sommer. Ein weiteres Problem ist die hohe N¨ahrstoffbelastung der Fluss¨ e und
Seen im Elbeeinzugsgebiet. Anfang der neunziger Jahre war die Elbe eine der
am st¨arksten belasteten Flus¨ se in Europa. Obwohl die Eintr¨age besonders aus
Punktquellen durch den Ruc¨ kgang der Industrie und den Bau von neuen Kl¨aran-
lagen seitdem gefallen sind, gelangen trotzdem noch große N¨ahrstoffmengen aus
diffusen Quellen in die Gew¨asser.
DieUntersuchungenwurdenunterAnwendungdeso¨kohydrologischenModells
SWIM(SoilandWaterIntegratedModel)durchgefuhr¨ t,welchesub¨ erSchnittstel-
len mit Klimamodellen und agro¨okonomischen Modellen verbunden wurde. Ein
globales Szenario des Klimawandels und des landwirtschaftlichen Wandels wurde
regionalisiert,umsodiege¨andertenRandbedingungenfur¨ denSzenarienzeitraum
zuerhalten. SimulationenmitSWIMdientendanndazu,diege¨andertenRandbe-
¨dingungen in Anderungen im Wasserhaushalt und in den landwirtschaftlichen
Ertr¨agenzutransformieren. AußerdemwurdedasLangzeitverhaltenvonN¨ahrstof-
fen im Untersuchungsgebiet modelliert. Besonderer Wert wurde dabei darauf
gelegt, die Unsicherheit der Szenarienergebnisse zu quantifizieren.
Der mittlere Szenarientrend zeigt eine Reduzierung der mittleren j¨ahrlichen
Niederschl¨age bis zum Jahre 2055 um ungef¨ahr 1.5 %, wobei die Ergebnisse mit
einer großen Unsicherheit behaftet sind: die Spannweite der Niederschl¨age in den
Szenarienrealisationenliegtzwischen-15.3%und+14.8%. DieErw¨armungunter
Szenarienbedingungen mit ungef¨ahr 1.4 K ist weniger unsicher. Diese relativ
¨geringen Anderungen habe starke Auswirkungen auf den Wasserhaushalt im El-begebiet: durchdiesteigendenTemperaturenwirddieVegetationszeitverl¨angert,
und die Niedrigabflussperiode im Sommer wird sich in den Herbst ausdehnen.
Insgesamt wird unter dem mittleren Szenarientrend die Wasserverfug¨ barkeit um
ca. 15 % abnehmen. Außerdem werden sich durch die steigenden Temperaturen
die Anbaubedingungen fur¨ w¨armeliebende Ackerfruc¨ hte in der Landwirtschaft
verbessern. Die Unsicherheit des Klimatrends ist dort am gr¨oßten, wo auch die
¨lokalen Anderungen am großt¨ en sind.
Die Simulationsergebnisse fur¨ das Nuthe-Teileinzugsgebiet der Elbe zeigen,
das Retentionsprozesse im Untergrund und in den Feucht- und Auengebieten
einen starken Einfluss auf die Wasserqualit¨at und die Nitratkonzentration der
Oberfl¨achengew¨asserhaben,dasiedurchihreLageimEinzugsgebieteineSchnitt-