TY  - THES
A1  - Hesse, Cornelia
T1  - Integrated water quality modelling in meso- to large-scale catchments of the Elbe river basin under climate and land use change
T1  - Integrierte Gewässergütemodellierung in mittel- bis großskaligen Einzugsgebieten der Elbe unter dem Einfluss von Klima- und Landnutzungsänderungen
N2  - In einer sich ändernden Umwelt sind Fließgewässerökosysteme vielfältigen direkten und indirekten anthropogenen Belastungen ausgesetzt, die die Gewässer sowohl in ihrer Menge als auch in ihrer Güte beeinträchtigen können. Ein übermäßiger Eintrag von Nährstoffen verursacht etwa Massenentwicklungen von Algen und Sauerstoffdefizite in den Gewässern, was zum Verfehlen der Ziele der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) führen kann. In vielen europäischen Einzugsgebieten und auch dem der Elbe sind solche Probleme zu beobachten.
Während der letzten Jahrzehnte entstanden diverse computergestützte Modelle, die zum Schutz und Management von Wasserressourcen genutzt werden können. Sie helfen beim Verstehen der Nährstoffprozesse und Belastungspfade in Einzugsgebieten, bei der Abschätzung möglicher Folgen von Klima- und Landnutzungsänderungen für die Wasserkörper, sowie bei der Entwicklung eventueller Kompensationsmaßnahmen. Aufgrund der Vielzahl an sich gegenseitig beeinflussenden Prozessen ist die Modellierung der Wasserqualität komplexer und aufwändiger als eine reine hydrologische Modellierung. Ökohydrologische Modelle zur Simulation der Gewässergüte, einschließlich des Modells SWIM (Soil and Water Integrated Model), bedürfen auch häufig noch einer Weiterentwicklung und Verbesserung der Prozessbeschreibungen.
Aus diesen Überlegungen entstand die vorliegende Dissertation, die sich zwei Hauptanliegen widmet: 1) einer Weiterentwicklung des Nährstoffmoduls des ökohydrologischen Modells SWIM für Stickstoff- und Phosphorprozesse, und 2) der Anwendung des Modells SWIM im Elbegebiet zur Unterstützung eines anpassungsfähigen Wassermanagements im Hinblick auf mögliche zukünftige Änderungen der Umweltbedingungen. Die kumulative Dissertation basiert auf fünf wissenschaftlichen Artikeln, die in internationalen Zeitschriften veröffentlicht wurden.
Im Zuge der Arbeit wurden verschiedene Modellanpassungen in SWIM vorgenommen, wie etwa ein einfacher Ansatz zur Verbesserung der Simulation der Wasser- und Nährstoffverhältnisse in Feuchtgebieten, ein um Ammonium erweiterter Stickstoffkreislauf im Boden, sowie ein Flussprozessmodul, das Umwandlungsprozesse, Sauerstoffverhältnisse und Algenwachstum im Fließgewässer simuliert, hauptsächlich angetrieben von Temperatur und Licht. Auch wenn dieser neue Modellansatz ein sehr komplexes Modell mit einer Vielzahl an neuen Kalibrierungsparametern und steigender Unsicherheit erzeugte, konnten gute Ergebnisse in den Teileinzugsgebieten und dem gesamten Gebiet der Elbe erzielt werden, so dass das Modell zur Abschätzung möglicher Folgen von Klimavariabilitäten und veränderten anthropogenen Einflüssen für die Gewässergüte genutzt werden konnte. 
Das neue Fließgewässermodul ist ein wichtiger Beitrag zur Verbesserung der Nährstoffmodellierung in SWIM, vor allem für Stoffe, die hauptsächlich aus Punktquellen in die Gewässer gelangen (wie z.B. Phosphat). Der neue Modellansatz verbessert zudem die Anwendbarkeit von SWIM für Fragestellungen im Zusammenhang mit der WRRL, bei der biologische Qualitätskomponenten (wie etwa Phytoplankton) eine zentrale Rolle spielen. Die dargestellten Ergebnisse der Wirkungsstudien können bei Entscheidungsträgern und anderen Akteuren das Verständnis für zukünftige Herausforderungen im Gewässermanagement erhöhen und dazu beitragen, ein angepasstes Management für das Elbeeinzugsgebiet zu entwickeln.
N2  - In a changing world facing several direct or indirect anthropogenic challenges the freshwater resources are endangered in quantity and quality. An excessive supply of nutrients, for example, can cause disproportional phytoplankton development and oxygen deficits in large rivers, leading to failure of the aims requested by the Water Framework Directive (WFD). Such problems can be observed in many European river catchments including the Elbe basin, and effective measures for improving water quality status are highly appreciated.
In water resources management and protection, modelling tools can help to understand the dominant nutrient processes and to identify the main sources of nutrient pollution in a watershed. They can be effective instruments for impact assessments investigating the effects of changing climate or socio-economic conditions on the status of surface water bodies, and for testing the usefulness of possible protection measures. Due to the high number of interrelated processes, ecohydrological model approaches containing water quality components are more complex than the pure hydrological ones, and their setup and calibration require more efforts. Such models, including the Soil and Water Integrated Model (SWIM), still need some further development and improvement.
Therefore, this cumulative dissertation focuses on two main objectives: 1) the approach-related objectives aiming in the SWIM model improvement and further development regarding nutrient (nitrogen and phosphorus) process description, and 2) the application-related objectives in meso- to large-scale Elbe river basins to support adaptive river basin management in view of possible future changes. The dissertation is based on five scientific papers published in international journals and dealing with these research questions.
Several adaptations were implemented in the model code to improve the representation of nutrient processes including a simple wetland approach, an extended by ammonium nitrogen cycle in the soils, as well as a detailed in-stream module, simulating algal growth, nutrient transformation processes and oxygen conditions in the river reaches, mainly driven by water temperature and light. Although this new approaches created a highly complex ecohydrological model with a large number of additional calibration parameters and rising uncertainty, the calibration and validation of the SWIM model enhanced by the new approaches in selected subcatchment and the entire Elbe river basin delivered satisfactory to good model results in terms of criteria of fit. Thus, the calibrated and validated model provided a sound base for the assessment of possible future changes and impacts in climate, land use and management in the Elbe river (sub)basin(s).
The new enhanced modelling approach improved the applicability of the SWIM model for the WFD related research questions, where the ability to consider biological water quality components (such as phytoplankton) is important. It additionally enhanced its ability to simulate the behaviour of nutrients coming mainly from point sources (e.g. phosphate phosphorus). Scenario results can be used by decision makers and stakeholders to find and understand future challenges and possible adaptation measures in the Elbe river basin.
KW  - Elbe
KW  - SWIM
KW  - Wassergütemodellierung
KW  - water quality modelling
KW  - Nährstoffe
KW  - nutrients
KW  - Nährstoffretention
KW  - nutrient retention
KW  - Flussprozesse
KW  - in-stream processes
KW  - climate change
KW  - land use change
KW  - Klimaänderung
KW  - Landnutzungsänderung
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-422957
ER  - 
TY  - THES
A1  - Aich, Valentin
T1  - Floods in the Niger River Basin in the face of global change
T1  - Hochwasser im Niger Einzugsgebiet im Kontext des Globalen Wandels
BT  - analysis, attribution and projections
BT  - Analyse, Zuschreibung und Projektionen
N2  - In the last decade, the number and dimensions of catastrophic flooding events in the Niger River Basin (NRB) have markedly increased. Despite the devastating impact of the floods on the population and the mainly agriculturally based economy of the riverine nations, awareness of the hazards in policy and science is still low. The urgency of this topic and the existing research deficits are the motivation for the present dissertation.
The thesis is an initial detailed assessment of the increasing flood risk in the NRB. The research strategy is based on four questions regarding (1) features of the change in flood risk, (2) reasons for the change in the flood regime, (3) expected changes of the flood regime given climate and land use changes, and (4) recommendations from previous analysis for reducing the flood risk in the NRB.
The question examining the features of change in the flood regime is answered by means of statistical analysis. Trend, correlation, changepoint, and variance analyses show that, in addition to the factors exposure and vulnerability, the hazard itself has also increased significantly in the NRB, in accordance with the decadal climate pattern of West Africa. The northern arid and semi-arid parts of the NRB are those most affected by the changes.
As potential reasons for the increase in flood magnitudes, climate and land use changes are attributed by means of a hypothesis-testing framework. Two different approaches, based on either data analysis or simulation, lead to similar results, showing that the influence of climatic changes is generally larger compared to that of land use changes. Only in the dry areas of the NRB is the influence of land use changes comparable to that of climatic alterations.
Future changes of the flood regime are evaluated using modelling results. First ensembles of statistically and dynamically downscaled climate models based on different emission scenarios are analyzed. The models agree with a distinct increase in temperature. The precipitation signal, however, is not coherent. The climate scenarios are used to drive an eco-hydrological model. The influence of climatic changes on the flood regime is uncertain due to the unclear precipitation signal. Still, in general, higher flood peaks are expected. In a next step, effects of land use changes are integrated into the model. Different scenarios show that regreening might help to reduce flood peaks. In contrast, an expansion of agriculture might enhance the flood peaks in the NRB. Similarly to the analysis of observed changes in the flood regime, the impacts of climate- and land use changes for the future scenarios are also most severe in the dry areas of the NRB.
In order to answer the final research question, the results of the above analysis are integrated into a range of recommendations for science and policy on how to reduce flood risk in the NRB. The main recommendations include a stronger consideration of the enormous natural climate variability in the NRB and a focus on so called “no-regret” adaptation strategies which account for high uncertainty, as well as a stronger consideration of regional differences. Regarding the prevention and mitigation of catastrophic flooding, the most vulnerable and sensitive areas in the basin, the arid and semi-arid Sahelian and Sudano-Sahelian regions, should be prioritized. Eventually, an active, science-based and science-guided flood policy is recommended. The enormous population growth in the NRB in connection with the expected deterioration of environmental and climatic conditions is likely to enhance the region´s vulnerability to flooding. A smart and sustainable flood policy can help mitigate these negative impacts of flooding on the development of riverine societies in West Africa.
N2  - Während des vergangenen Jahrzehnts nahmen die Anzahl und die Ausmaße von katastrophalen Hochwassern im Einzugsgebiet des Nigerflussess (NEZG) deutlich zu. Trotz der verheerenden Auswirkungen der Hochwasserkatastrophen auf die Menschen und die hauptsächlich auf Landwirtschaft basierende Wirtschaft der Anrainerstaaten wird das Thema von Politik und Wissenschaft noch kaum beachtet.
Die vorliegende Dissertation ist die erste ausführliche Analyse des steigenden Hochwasserrisikos im NEZG. Die Forschungsstrategie basiert auf vier Fragen nach (1) der Art der Veränderungen des Hochwasserrisikos, (2) den Ursachen der Veränderungen im Hochwasserregime, (3) den zukünftigen Entwicklungen im Hochwasserregime hinsichtlich der erwartenden Klima- und Landnutzungswandel und (4) den aus den Untersuchungen abgeleiteten Empfehlungen zur Reduzierung des Hochwasserrisikos im NEZG.
Die Frage nach den Merkmalen der Veränderungen im Hochwasserrisiko wurde mithilfe von statistischen Untersuchungen beantwortet. Die Analysen zeigen, dass neben den Risikofaktoren Exponiertheit und Verwundbarkeit auch die Hochwasserstände selbst im NEZG in den letzten Jahrzehnten signifikant und entsprechend der typischen dekadischen Klimamuster Westafrikas angestiegen sind.
Als potentielle Ursachen des Hochwasseranstiegs werden Klima- und Landnutzungswandel untersucht. Zwei verschiedene Ansätze, basierend auf Daten sowie auf Simulationen, führen zu ähnlichen Ergebnissen und zeigen, dass der Einfluss der Klimaveränderungen im Allgemeinen größer als der des Landnutzungswandels ist.
Das zukünftige Hochwasserrisiko wird anhand des öko-hydrologisches Modells SWIM abgeschätzt. Der Einfluss des Klimawandels auf das Hochwasserregime ist auf Grund des problematischen Niederschlagssignals unsicher. Tendenziell werden aber höhere Maximalabflüsse erwartet. Der Effekt der Landnutzungsänderung beeinflusst das Hochwasserverhalten ebenfalls stark, besonders in den trockenen Gebieten. Verschiedene Szenarien zeigen, dass Renaturierung hülfe, Hochwasserspitzen zu kappen. Eine Ausweitung der Agrarflächen dagegen würde die Hochwässer im NEZG weiter verstärken
Zentrale Empfehlungen sind eine stärkere Einbeziehung der enorm starken natürlichen Klimavariabilität im NEZG und eine Fokussierung auf sogenannte „no-regret“ Anpassungsstrategien. Dabei sollte den verwundbarsten Regionen des Einzugsgebiets, den ariden und semi-ariden Regionen, Priorität eingeräumt werden. Die enorme Bevölkerungszunahme im NEZG verbunden mit der zu erwartenden Verschlechterung der Umwelt- und Klimabedingungen wird mit hoher Wahrscheinlichkeit auch die Verwundbarkeit bezüglich Hochwässer weiter ansteigen lassen. Eine vernünftige und nachhaltige Hochwasserpolitik kann helfen, die negativen Folgen auf die Entwicklung der Anrainerstaaten des Nigerflusses abzumindern.
KW  - flood
KW  - Niger
KW  - climate change
KW  - land use change
KW  - Hochwasser
KW  - Niger
KW  - Klimawandel
KW  - Landnutzungswandel
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-91577
ER  - 
TY  - THES
A1  - Post, Joachim
T1  - Integrated process-based simulation of soil carbon dynamics in river basins under present, recent past and future environmental conditions
T1  - Prozessbasierte Modellierung der Bodenkohlenstoffdynamik in Flusseinzugsgebieten unter heutigen und zukünftigen Umweltbedingungen
N2  - Soils contain a large amount of carbon (C) that is a critical regulator of the global C budget. Already small changes in the processes governing soil C cycling have the potential to release considerable amounts of CO2, a greenhouse gas (GHG), adding additional radiative forcing to the atmosphere and hence to changing climate. Increased temperatures will probably create a feedback, causing soils to release more GHGs. Furthermore changes in soil C balance impact soil fertility and soil quality, potentially degrading soils and reducing soils function as important resource. Consequently the assessment of soil C dynamics under present, recent past and future environmental conditions is not only of scientific interest and requires an integrated consideration of main factors and processes governing soil C dynamics. To perform this assessment an eco-hydrological modelling tool was used and extended by a process-based description of coupled soil carbon and nitrogen turnover. The extended model aims at delivering sound information on soil C storage changes beside changes in water quality, quantity and vegetation growth under global change impacts in meso- to macro-scale river basins, exemplary demonstrated for a Central European river basin (the Elbe). As a result this study: ▪ Provides information on joint effects of land-use (land cover and land management) and climate changes on croplands soil C balance in the Elbe river basin (Central Europe) presently and in the future. ▪ Evaluates which processes, and at what level of process detail, have to be considered to perform an integrated simulation of soil C dynamics at the meso- to macro-scale and demonstrates the model’s capability to simulate these processes compared to observations. ▪ Proposes a process description relating soil C pools and turnover properties to readily measurable quantities. This reduces the number of model parameters, enhances the comparability of model results to observations, and delivers same performance simulating long-term soil C dynamics as other models. ▪ Presents an extensive assessment of the parameter and input data uncertainty and their importance both temporally and spatially on modelling soil C dynamics. For the basin scale assessments it is estimated that croplands in the Elbe basin currently act as a net source of carbon (net annual C flux of 11 g C m-2 yr-1, 1.57 106 tons CO2 yr-1 entire croplands on average). Although this highly depends on the amount of harvest by-products remaining on the field. Future anticipated climate change and observed climate change in the basin already accelerates soil C loss and increases source strengths (additional 3.2 g C m-2 yr-1, 0.48 106 tons CO2 yr-1 entire croplands). But anticipated changes of agro-economic conditions, translating to altered crop share distributions, display stronger effects on soil C storage than climate change. Depending on future use of land expected to fall out of agricultural use in the future (~ 30 % of croplands area as “surplus” land), the basin either considerably looses soil C and the net annual C flux to the atmosphere increases (surplus used as black fallow) or the basin converts to a net sink of C (sequestering 0.44 106 tons CO2 yr-1 under extensified use as ley-arable) or reacts with decrease in source strength when using bioenergy crops. Bioenergy crops additionally offer a considerable potential for fossil fuel substitution (~37 PJ, 1015 J per year), whereas the basin wide use of harvest by-products for energy generation has to be seen critically although offering an annual energy potential of approximately 125 PJ. Harvest by-products play a central role in soil C reproduction and a percentage between 50 and 80 % should remain on the fields in order to maintain soil quality and fertility. The established modelling tool allows quantifying climate, land use and major land management impacts on soil C balance. New is that the SOM turnover description is embedded in an eco-hydrological river basin model, allowing an integrated consideration of water quantity, water quality, vegetation growth, agricultural productivity and soil carbon changes under different environmental conditions. The methodology and assessment presented here demonstrates the potential for integrated assessment of soil C dynamics alongside with other ecosystem services under global change impacts and provides information on the potentials of soils for climate change mitigation (soil C sequestration) and on their soil fertility status.
N2  - Böden speichern große Mengen Kohlenstoff (C) und beeinflussen wesentlich den globalen C Haushalt. Schon geringe Änderungen der Steuergrößen des Bodenkohlenstoffs können dazu führen, dass beträchtliche Mengen CO2, ein Treibhausgas, in die Atmosphäre gelangen und zur globalen Erwärmung und dem Klimawandel beitragen. Der globale Temperaturanstieg verursacht dabei höchstwahrscheinlich eine Rückwirkung auf den Bodenkohlenstoffhaushalt mit einem einhergehenden erhöhten CO2 Fluss der Böden in die Atmosphäre. Weiterhin wirken sich Änderungen im Bodenkohlenstoffhaushalt auf die Bodenfruchtbarkeit und Bodenqualität aus, wobei eine Minderung der Bodenkohlenstoffvorräte wichtige Funtionen des Bodens beeinträchtigt und folglich den Boden als wichtige Ressource nachhaltig beinflusst. Demzufolge ist die Quantifizierung der Bodenkohlenstoffdynamik unter heutigen und zukünftigen Bedingungen von hohem Interesse und erfordert eine integrierte Betrachtung der wesentlichen Faktoren und Prozesse. Zur Quantifizierung wurde ein ökohydrologisches Flusseinzugsgebietsmodell erweitert. Ziel des erweiterten Modells ist es fundierte Informationen zu Veränderungen des Bodenkohlenstoffhaushaltes, neben Veränderungen der Wasserqualität, der Wasserverfügbarkeit und des Vegetationswachstums unter Globalem Wandel in meso- bis makroskaligen Flusseinzugsgebieten bereitzustellen. Dies wird am Beispiel eines zentraleuropäischen Flusseinzugsgebietes (der Elbe) demonstriert. Zusammenfassend ergibt diese Arbeit: ▪ eine Quantifizierung der heutigen und zukünftigen Auswirkungen des Klimawandels sowie von Änderungen der Landnutzung (Bodenbedeckung und Bodenbearbeitung) auf den Bodenkohlenstoffhaushalt agrarisch genutzter Räume im Einzugsgebiet der Elbe. ▪ eine Beurteilung welche Prozesse, und zu welchem Prozessdetail, zur integrierten Simulation der Bodenkohlenstoffdynamik in der meso- bis makroskala zu berücksichtigen sind. Weiterhin wird die Eignung der Modellerweiterung zur Simulation dieser Prozesse unter der Zuhilfenahme von Messwerten dargelegt. ▪ darauf begründet wird eine Prozessbeschreibung vorgeschlagen die die Eigenschaften der Bodenkohlenstoffspeicher und deren Umsetzungsrate mit in der betrachteten Skala zur Verfügung stehenden Messdaten und Geoinformationen verbindet. Die vorgeschlagene Prozessbeschreibung kann als robust hinsichtlich der Parametrisierung angesehen werden, da sie mit vergleichsweise wenigen Modelparametern eine ähnliche Güte wie andere Bodenkohlenstoffmodelle ergibt. ▪ eine umfassende Betrachtung der Modell- und Eingangsdatenunsicherheiten von Modellergebnissen in ihrer räumlichen und zeitlichen Ausprägung. Das in dieser Arbeit vorgestellte Modellsystem erlaubt eine Quantifizierung der Auswirkungen des Klima- und Landnutzungswandels auf den Bodenkohlenstoffhaushalt. Neu dabei ist, dass neben Auswirkungen auf den Bodenkohlenstoffhaushalt auch Auswirkungen auf Wasserverfügbarkeit, Wasserqualität, Vegetationswachstum und landwirtschaftlicher Produktivität erfasst werden können. Die im Rahmen dieser Arbeit dargelegten Ergebnisse erlauben eine integrierte Betrachtung der Auswirkungen des Globalen Wandels auf wichtige Ökosystemfunktionen in meso- bis makro-skaligen Flusseinzugsgebieten. Weiterhin können hier gewonnene Informationen zur Potentialabschätzung der Böden zur Linderung des Klimawandels (durch C Festlegung) und zum Erhalt ihrer Fruchtbarkeit genutzt werden.
KW  - Kohlenstoff
KW  - Stickstoff
KW  - Anthropogene Klimaänderung
KW  - Bioenergie
KW  - Unsicherheit
KW  - Ökohydrologie
KW  - Ökosystemmodellierung
KW  - Landnutzungsänderung
KW  - Modellsensitivität
KW  - eco-hydrology
KW  - Ecosystem modelling
KW  - Carbon
KW  - Nitrogen
KW  - land use change
KW  - climate change
KW  - terrestrial carbon balance
KW  - model uncertainty
Y1  - 2006
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-11507
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hattermann, Fred Fokko
T1  - Integrated modelling of Global Change impacts in the German Elbe River Basin
T1  - Integrierte Modellierung der Auswirkungen des Globalen Wandels auf den deutschen Teil des Elbeinzugsgebietes
N2  - 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.  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.  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.  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.  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.  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.
N2  - 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.  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.  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.  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.  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.  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.
KW  - Hydrologie
KW  - Modellierung
KW  - Einzugsgebiet
KW  - Mathematisches Modell
KW  - Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung
KW  - integrierte hydrologische Modellierung
KW  - Klimaänderung
KW  - Wasserqualität
KW  - Landnutzungsänderung
KW  - Ertragsänderung
KW  - integrated hydrolocal modelling
KW  - climate change impacts
KW  - water quality
KW  - land use change
KW  - ecohydrology
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-6052
ER  -