TY  - THES
A1  - Niehoff, Daniel
T1  - Modellierung des Einflusses der Landnutzung auf die Hochwasserentstehung in der Mesoskala
N2  - Seit 1990 waren mehrere der großen Flussgebiete Mitteleuropas wiederholt von extremen Hochwassern betroffen. Da sowohl die Landoberfläche als auch die Flusssysteme weiter Teile Mitteleuropas in der Vergangenheit weitreichenden Eingriffen ausgesetzt gewesen sind, wird bei der Suche nach den Ursachen für diese Häufung von Extremereignissen auch die Frage nach der Verantwortung des Menschen hierfür diskutiert. Gewässerausbau, Flächenversiegelung, intensive landwirtschaftliche Bodenbearbeitung, Flurbereinigung und Waldschäden sind nur einige Beispiele und Folgen der anthropogenen Eingriffe in die Landschaft. Aufgrund der Vielfalt der beteiligten Prozesse und deren Wechselwirkungen gibt es allerdings bislang nur Schätzungen darüber, wie sehr sich die Hochwassersituation hierdurch verändert hat. Vorrangiges Ziel dieser Arbeit ist es, mit Hilfe eines hydrologischen Modells systematisch darzustellen, in welcher Weise, in welcher Größenordnung und unter welchen Umständen die Art der Landnutzung auf die Hochwasserentstehung Einfluss nimmt. Dies wird anhand exemplarischer Modellanwendungen in der hydrologischen Mesoskala untersucht. Zu diesem Zweck wurde das deterministische und flächendifferenzierte hydrologische Modell wasim-eth ausgewählt, das sich durch eine ausgewogene Mischung aus physikalisch begründeten und konzeptionellen Ansätzen auszeichnet. Das Modell wurde im Rahmen dieser Arbeit um verschiedene Aspekte erweitert, die für die Charakterisierung des Einflusses der Landnutzung auf die Hochwasserentstehung wichtig sind: (1) Bevorzugtes Fließen in Makroporen wird durch eine Zweiteilung des Bodens in Makroporen und Bodenmatrix dargestellt, die schnelle Infiltration und Perkolation jenseits der hydraulischen Leitfähigkeit der Bodenmatrix ermöglicht. (2) Verschlämmung äußert sich im Modell abhängig von Niederschlagsintensität und Vegetationsbedeckungsgrad als Verschlechterung der Infiltrationsbedingungen an der Bodenoberfläche. (3) Das heterogene Erscheinungsbild bebauter Flächen mit einer Mischung aus versiegelten Bereichen und Freiflächen wird berücksichtigt, indem jede Teilfläche je nach Versiegelungsgrad in einen unversiegelten Bereich und einen versiegelten Bereich mit Anschluss an die Kanalisation aufgeteilt wird. (4) Dezentraler Rückhalt von Niederschlagswasser kann sowohl für natürliche Mulden als auch für gezielt angelegte Versickerungsmulden mit definierten Infiltrationsbedingungen simuliert werden. Das erweiterte Modell wird exemplarisch auf drei mesoskalige Teileinzugsgebiete des Rheins angewandt. Diese drei Gebiete mit einer Fläche von zwischen 100 und 500 km² wurden im Hinblick darauf ausgewählt, dass jeweils eine der drei Hauptlandnutzungskategorien Bebauung, landwirtschaftliche Nutzung oder Wald dominiert. Für die drei Untersuchungsgebiete sind räumlich explizite Landnutzungs- und Landbedeckungsszenarien entworfen worden, deren Einfluss auf die Hochwasserentstehung mit Hilfe des erweiterten hydrologischen Modells simuliert wird. Im Einzelnen werden die Auswirkungen von Verstädterung, Maßnahmen zur Niederschlagsversickerung in Siedlungsgebieten, Stilllegung agrarisch genutzter Flächen, veränderter landwirtschaftlicher Bodenbearbeitung, Aufforstung sowie von Sturmschäden in Wäldern untersucht. Diese Eingriffe beeinflussen die Interzeption von Niederschlag, dessen Infiltration, die oberflächennahen unterirdischen Fließprozesse sowie, zum Beispiel im Fall der Kanalisation, auch die Abflusskonzentration. Die hydrologischen Simulationen demonstrieren, dass die Versiegelung einer Fläche den massivsten Eingriff in die natürlichen Verhältnisse darstellt und deshalb die stärksten (negativen) Veränderungen der Hochwassersituation hervorbringt. Außerdem wird deutlich, dass eine bloße Änderung des Interzeptionsvermögens zu keinen wesentlichen Veränderungen führt, da die Speicherkapazität der Pflanzenoberflächen im Verhältnis zum Volumen hochwasserauslösender Niederschläge eher klein ist. Stärkere Veränderungen ergeben sich hingegen aus einer Änderung der Infiltrationsbedingungen. Die Grenzen der entwickelten Methodik zeigen sich am deutlichsten bei der Simulation veränderter landwirtschaftlicher Bewirtschaftungsmethoden, deren mathematische Beschreibung und zahlenmäßige Charakterisierung aufgrund der Komplexität der beteiligten Prozesse mit großen Unsicherheiten behaftet ist. Die Modellierungsergebnisse belegen darüber hinaus, dass pauschale Aussagen zum Einfluss der Landnutzung auf die Hochwasserentstehung aufgrund der entscheidenden Bedeutung der klimatischen und physiographischen Randbedingungen unzulässig sind. Zu den klimatischen Randbedingungen zählen sowohl Niederschlagsintensität und -dauer als auch die Feuchtebedingungen vor einem hochwasserauslösenden Niederschlag. Die physiographischen Randbedingungen sind von der geomorphologischen und geologischen Ausstattung des Gebiets vorgegeben. Weiterhin muss der räumliche und zeitliche Maßstab, über den Aussagen getroffen werden, klar definiert sein, da sich mit steigender Einzugsgebietsgröße die relative Bedeutung sowohl der verschiedenen Niederschlagstypen als auch der physiographischen Eigenschaften verschiebt. Dies wird in der vorliegenden Arbeit im Gegensatz zu vielen anderen Untersuchungen konsequent berücksichtigt. In Abhängigkeit von Randbedingungen und räumlichen Maßstab sind aufgrund der gewonnen Erkenntnisse folgende Aussagen zum Einfluss von Landnutzungsänderungen auf die Hochwasserentstehung möglich: (1) Für intensive konvektive Niederschlagsereignisse mit tendenziell geringer Vorfeuchte ist der Einfluss der Landnutzung größer als für langanhaltende advektive Niederschläge geringer Intensität, da im ersten Fall veränderte Infiltrationsbedingungen stärker zum Tragen kommen als bei kleinen Niederschlagsintensitäten. (2) In kleinen Einzugsgebieten, wo kleinräumige Konvektivzellen zu Hochwassern führen können, ist der Einfluss der Landnutzung dementsprechend größer als in großen Flussgebieten wie dem Rheingebiet, wo vor allem langanhaltende advektive Ereignisse (unter Umständen verbunden mit Schneeschmelze) relevant sind. (3) In Gebieten mit guten Speichereigenschaften wie mächtigen, gut durchlässigen Böden und gut durchlässigem Gesteinsuntergrund ist der Einfluss der Landnutzung größer als in Gebieten mit geringmächtigen Böden und geringdurchlässigem Festgestein. Dies ist darin begründet, dass in Gebieten mit guten Speichereigenschaften bei einer Verschlechterung der Infiltrationsbedingungen mehr Speicherraum für Niederschlag verloren geht als in anderen Gebieten.
N2  - Since 1990, several of the large European river basins were affected repeatedly by extreme floods. As both the landscape and the river systems in large parts of Central Europe have undergone major changes in the past, during the search for the causes of this accumulation of extreme events also the impact of human activities on flooding has been discussed. River training, surface sealing, intensive agricultural land-use, consolidation of farmland, and damages to forests are only some examples and consequences of the anthropogenic interferences with the landscape. But due to the diversity of the processes and factors involved, by now it can only be estimated how far the flood situation has changed by these interferences. Therefore, the main target of this thesis is to describe systematically in which way, to what extent and under which circumstances the land-use exerts an influence on storm-runoff generation and subsequently the discharge of rivers. This is investigated by means of exemplary model applications at the hydrological meso-scale. For this task, the deterministic and distributed hydrological model wasim-eth was chosen due to its well-balanced mixture of physically-based and conceptual approaches. In the framework of this thesis, the model has been extended in order to cope with several phenomena which are important when aiming at a characterization of the influence of land-use on flood generation: (1) Preferential flow in macropores is treated by a division of the soil into macropores and a soil matrix. This so-called double-porosity approach allows for fast infiltration and percolation beyond the hydraulic conductivity of the soil matrix. (2) Siltation expresses itself within the model as a deterioration of infiltration conditions at the soil surface, depending on precipitation intensity and the degree of vegetation covering. (3) The heterogeneous appearance of built-up areas, consisting of both sealed areas and pervious areas, is taken into account by dividing each partial area into an unsealed part and a sealed part which is connected to the sewer system. (4) Decentralized storage can be simulated for natural depressions as well as for specific infiltration measures with defined infiltration conditions. The extended model is exemplarily applied to three meso-scale tributaries of the Rhine river. These three catchments with an area of between 100 and 500 km² were chosen with regard to their prevailing land-use, one of them being heavily urbanized, one dominated by agricultural use, and one being mainly forested. For these three catchments, spatially explicit land-use and land-cover scenarios were developed. The impact of these scenarios on storm-runoff generation is being simulated using the extended hydrological model. In this context, namely urbanization, infiltration measures in settlement areas, conversion of farmland to set-aside areas, altered agricultural management practices, affor estation and storm damages in forests are taken into account. These changes influence the interception of rainfall, its infiltration into the soil, the subsurface flow processes next to the soil surface as well as, for example in the case of sewer systems, also runoff concentration. The hydrological simulations demonstrate that sealing of the soil surface is the most intensive intervention in the natural conditions among the ones which are mentioned above. Therefore it results in the strongest (negative) changes of the flooding situation in a catchment. In addition to that, the simulations show that a simple alteration in the interception capacity does not yield significant changes in catchment response, because the storage capacity of vegetation surfaces is rather low compared to the volume of storm events which normally lead to significant floods. More pronounced changes arise from modifications in the infiltration conditions. The limits of the methodology which was chosen for this thesis become obvious when simulating altered agricultural management practices. Due the complexity of the processes involved, mathematical description and parameterization is difficult and therefore afflicted with high uncertainty. In addition to that, the modelling results prove that global statements on the influence of land-use on flood generation are illegitimate because of the paramount importance of the climatic and physiographic boundary conditions. Climatic boundary conditions are precipitation intensity and duration as well as the moisture conditions before a storm event. The physiographic boundary counditions are given by the geomorphological and geological catchment properties. Furthermore, with increasing scale there is a shift in the relative importance of the different types of rainfall as well as the different geophysical catchment properties. Therefore, the spatial and temporal scale for which the results are valid have to be clearly defined. This is taken into account consequently within this thesis – in contrast to many other studies on this topic. Depending on boundary conditions and spatial scale, the findings allow the following statements regarding the influence of land-use changes on storm-runoff generation: (1) For intensive convective storm events with generally low antecedent soil moisture, the influence of land-use is greater than for long-lasting advective storm events with low rainfall intensities, because in the first case changes in the infiltration conditions are more important than during times of low precipitation intensities. (2) In small catchments, where small-scale convective cells can lead to a flood, the influence of land-use is accordingly greater than in large river basins like the Rhine basin, where long-lasting advective rainfalls (possibly in combination with snowmelt) are relevant. (3) In areas with good storage conditions like thick, permeable soils and pervious rock underneath, the influence of land-use is greater than in areas with thin soils and only slightly permeable bedrock. This is due to the fact that in case of deteriorating infiltration conditions, more storage space for precipitation is lost in areas with good storage conditions than in other areas.
KW  - Hochwasser
KW  - Landnutzungsänderung
KW  - Hydrologische Modellierung
KW  - Versiegelung
KW  - Landwirtschaft
KW  - Forstwirtschaft
KW  - Niederschlagsversickerung
Y1  - 2001
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000148
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  - 
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  - 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  -