Integrated modelling of Global Change impacts in the German Elbe River Basin

• Main Author: Hattermann, Fred Fokko
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Universität Potsdam 2005
• Subjects: Hydrologie; Modellierung; Einzugsgebiet; Mathematisches Modell; Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung; integrierte hydrologische Modellierung; Klimaänderung; Wasserqualität; Landnutzungsänderung; Ertragsänderung; integrated hydrolocal modelling; climate change impacts; water quality; land use change; ecohydrology; Earth sciences
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-6052; http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2005/605/

The scope of this study is to investigate the environmental change in the German 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. <br><br> The Elbe region is representative of humid to semi-humid landscapes in central 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 precipitation is lower than 500 mm. It is most likely that water quantity problems 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. <br><br> The investigations have been done using the eco-hydrological model SWIM (Soil and Water Integrated Model), which has been embedded in a model framework of climate and agro-economic models. A global scenario of climate and agro-economic change has been regionalized to generate transient climate forcing 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 development 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. <br><br> The average trend of the regional climate change scenario indicates a decrease in mean annual precipitation up to 2055 of about 1.5 %, but with high uncertainty (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 in conjunction with the change in temperature leads to severe impacts on groundwater recharge and river flow. Increasing temperature induces longer vegetation periods, and the seasonality of the flow regime changes towards longer low flow spells 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. <br><br> The simulation results for the Nuthe subbasin of the Elbe indicate that retention 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 retention of nitrate in the Nuthe basin is due to the long residence time of water in the subsurface (about 40 years), with good conditions for denitrification, and due to nitrate retention and plant uptake in wetlands and riparian zones. <br><br> The concluding result of the study is that the natural environment and communities 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. === Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Auswirkungen des Globalen Wandels auf den Wasserkreislauf im deutschen Teil des Elbeeinzugsgebietes. Der Fokus liegt dabei auf Wassermengen- und Wasserqualitätsproblemen. <br><br> Die Elbe liegt im Zentrum Europas im Übergangsbereich zwischen ozeanischen und kontinentalen Klimaten, wo die Wasserverfügbarkeit in den Sommermonaten den limitierenden Faktor für das Pflanzenwachstum und die landwirtschaftlichen Erträge bildet. Dies gilt insbesondere für die Lössgebiete im Lee des Harzes, wo die jährlichen Niederschläge unter 500 mm liegen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass sich die Wassermengenprobleme in Zukunft noch verstärken werden, denn sowohl das beobachtete als auch das für die Zukunft projizierte Klima in der Region zeigen höhere Temperaturen und fallende Niederschläge, besonders im Sommer. Ein weiteres Problem ist die hohe Nährstoffbelastung der Flüsse und Seen im Elbeeinzugsgebiet. Anfang der neunziger Jahre war die Elbe eine der am stärksten belasteten Flüsse in Europa. Obwohl die Einträge besonders aus Punktquellen durch den Rückgang der Industrie und den Bau von neuen Kläranlagen seitdem gefallen sind, gelangen trotzdem noch große Nährstoffmengen aus diffusen Quellen in die Gewässer. <br><br> Die Untersuchungen wurden unter Anwendung des ökohydrologischen Modells SWIM (Soil and Water Integrated Model) durchgeführt, welches über Schnittstellen mit Klimamodellen und agroökonomischen Modellen verbunden wurde. Ein globales Szenario des Klimawandels und des landwirtschaftlichen Wandels wurde regionalisiert, um so die geänderten Randbedingungen für den Szenarienzeitraum zu erhalten. Simulationen mit SWIM dienten dann dazu, die geänderten Randbedingungen in Änderungen im Wasserhaushalt und in den landwirtschaftlichen Erträgen zu transformieren. Außerdem wurde das Langzeitverhalten von Nährstoffen im Untersuchungsgebiet modelliert. Besonderer Wert wurde dabei darauf gelegt, die Unsicherheit der Szenarienergebnisse zu quantifizieren. <br><br> Der mittlere Szenarientrend zeigt eine Reduzierung der mittleren jährlichen Niederschläge bis zum Jahre 2055 um ungefähr 1.5 %, wobei die Ergebnisse mit einer großen Unsicherheit behaftet sind: die Spannweite der Niederschläge in den Szenarienrealisationen liegt zwischen -15.3 % und +14.8 %. Die Erwärmung unter Szenarienbedingungen mit ungefähr 1.4 K ist weniger unsicher. Diese relativ geringen Änderungen habe starke Auswirkungen auf den Wasserhaushalt im Elbegebiet: durch die steigenden Temperaturen wird die Vegetationszeit verlängert, und die Niedrigabflussperiode im Sommer wird sich in den Herbst ausdehnen. Insgesamt wird unter dem mittleren Szenarientrend die Wasserverfügbarkeit um ca. 15 % abnehmen. Außerdem werden sich durch die steigenden Temperaturen die Anbaubedingungen für wärmeliebende Ackerfrüchte in der Landwirtschaft verbessern. Die Unsicherheit des Klimatrends ist dort am größten, wo auch die lokalen Änderungen am größten sind. <br><br> Die Simulationsergebnisse für das Nuthe-Teileinzugsgebiet der Elbe zeigen, das Retentionsprozesse im Untergrund und in den Feucht- und Auengebieten einen starken Einfluss auf die Wasserqualität und die Nitratkonzentration der Oberflächengewässer haben, da sie durch ihre Lage im Einzugsgebiet eine Schnittstelle zwischen dem umliegenden Einzugsgebiet und den Flüssen und Seen bilden. Die relativ hohe Umsetzung von Nitrat im Einzugsgebiet der Nuthe kann dadurch erklärt werden, dass Nitrat eine relativ lange Aufenthaltszeit im Grundwasser (im Mittel 40 Jahre) mit einer hohen Nitratumsetzungsrate hat, und durch die guten Denitrifizierungsbedingungen in den Feucht- und Auengebieten. Dazu kommt noch, dass große Nitratmengen durch die Pflanzen in den Feuchtgebieten aus dem Grundwasser aufgenommen werden. <br><br> Zusammenfassend kann man sagen, das sich die Ökosysteme und die Gesellschaft im Elbeeinzugsgebiet unter Szenarienbedingungen auf niedrigere Wasserverfügbarkeit einstellen müssen. Die Wasserqualität wird sich grundsätzlich zwar weiter verbessern, aber aufgrund der langen Verweilzeit der Nährstoffe im Grundwasser wird dies insbesondere in den Teileinzugsgebieten, in denen die geochemischen Bedingungen für einen hohen Nährstoffumsatz nicht gegeben sind, noch relativ lange dauern.