TY  - THES
A1  - Mtilatila, Lucy Mphatso Ng'ombe
T1  - Climate change effects on drought, freshwater availability and hydro-power generation in an African environment
T1  - Auswirkungen des Klimawandels auf Dürre, Wasserverfügbarkeit und Wasserkrafterzeugung in einer tropischen afrikanischen Region
BT  - observations and projections for the Lake Malawi and Shire River Basins in Malawi
BT  - Datenanalysen und Projektionen für die Einzugsgebiete des Malawi-Sees und des Shire-Flusses in Malawi
N2  - The work is designed to investigate the impacts and sensitivity of climate change on water resources, droughts and hydropower production in Malawi, the South-Eastern region which is highly vulnerable to climate change. It is observed that rainfall is decreasing and temperature is increasing which calls for the understanding of what these changes may impact the water resources, drought occurrences and hydropower generation in the region. The study is conducted in the Greater Lake Malawi Basin (Lake Malawi and Shire River Basins) and is divided into three projects. The first study is assessing the variability and trends of both meteorological and hydrological droughts from 1970-2013 in Lake Malawi and Shire River basins using the standardized precipitation index (SPI) and standardized precipitation and evaporation Index (SPEI) for meteorological droughts and the lake level change index (LLCI) for hydrological droughts. And later the relationship of the meteorological and hydrological droughts is established.
While the second study extends the drought analysis into the future by examining the potential future meteorological water balance and associated drought characteristics such as the drought intensity (DI), drought months (DM), and drought events (DE) in the Greater Lake Malawi Basin. The sensitivity of drought to changes of rainfall and temperature is also assessed using the scenario-neutral approach. The climate change projections from 20 Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment (CORDEX) models for Africa based on two scenarios (RCP4.5 and RCP8.5) for the periods 2021–2050 and 2071–2100 are used. The study also investigates the effect of bias-correction (i.e., empirical quantile mapping) on the ability of the climate model ensemble in reproducing observed drought characteristics as compared to raw climate projections.
The sensitivity of key hydrologic variables and hydropower generation to climate change in Lake Malawi and Shire River basins is assessed in third study. The study adapts the mesoscale Hydrological Model (mHM) which is applied separately in the Upper Lake Malawi and Shire River basins. A particular Lake Malawi model, which focuses on reservoir routing and lake water balance, has been developed and is interlinked between the two basins. Similar to second study, the scenario-neutral approach is also applied to determine the sensitivity of climate change on water resources more particularly Lake Malawi level and Shire River flow which later helps to estimate the hydropower production susceptibility.
Results suggest that meteorological droughts are increasing due to a decrease in precipitation which is exacerbated by an increase in temperature (potential evapotranspiration). The hydrological system of Lake Malawi seems to have a >24-month memory towards meteorological conditions since the 36-months SPEI can predict hydrological droughts ten-months in advance. The study has found the critical lake level that would trigger hydrological drought to be 474.1 m.a.s.l.
Despite the differences in the internal structures and uncertainties that exist among the climate models, they all agree on an increase of meteorological droughts in the future in terms of higher DI and longer events (DM). DI is projected to increase between +25% and +50% during 2021-2050 and between +131% and +388% during 2071-2100. This translates into +3 to +5, and +7 to +8 more drought months per year during both periods, respectively. With longer lasting drought events, DE is decreasing. Projected droughts based on RCP8.5 are 1.7 times more severe than droughts based on RCP4.5.
It is also found that an annual temperature increase of 1°C decreases mean lake level and outflow by 0.3 m and 17%, respectively, signifying the importance of intensified evaporation for Lake Malawi’s water budget. Meanwhile, a +5% (-5%) deviation in annual rainfall changes mean lake level by +0.7 m (-0.6 m). The combined effects of temperature increase and rainfall decrease result in significantly lower flows on Shire River. The hydrological river regime may change from perennial to seasonal with the combination of annual temperature increase and precipitation decrease beyond 1.5°C (3.5°C) and -20% (-15%). The study further projects a reduction in annual hydropower production between 1% (RCP8.5) and 2.5% (RCP4.5) during 2021–2050 and between 5% (RCP4.5) and 24% (RCP8.5) during 2071–2100.
The findings are later linked to global policies more particularly the United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC)’s Paris Agreement and the United Nations (UN)’s Sustainable Development Goals (SDGs), and how the failure to adhere the restriction of temperature increase below the global limit of 1.5°C will affect drought and the water resources in Malawi consequently impact the hydropower production. As a result, the achievement of most of the SDGs will be compromised. 
The results show that it is of great importance that a further development of hydro energy on the Shire River should take into account the effects of climate change. The information generation is important for decision making more especially supporting the climate action required to fight against climate change. The frequency of extreme climate events due to climate change has reached the climate emergency as saving lives and livelihoods require urgent action.
N2  - Ziel der Arbeit ist es, die Auswirkungen und die Sensitivität des Klimawandels auf die Wasser¬ressourcen, Dürren und die Wasserkrafterzeugung in Malawi zu untersuchen, einer Region im Südosten Afrikas, die besonders anfällig für den Klimawandel ist. Es ist zu beobachten, dass die Niederschläge abnehmen und die Temperaturen steigen, was Untersuchungen nahelegt, inwiefern sich diese Veränderungen auf die Wasserressourcen, Dürren und die Wasserkraft¬erzeugung in der Region auswirken können. Die Studie wird im Flussgebiet des Malawi-Sees (Einzugsgebiet des Malawi-Sees und des Shire-Flusses) durchgeführt und ist in drei Projekte unterteilt. In der ersten Studie werden die Variabilität und die Trends von meteorologischen und hydrologischen Dürren im Zeitraum 1970-2013 im Malawi-See- und Shire-Flusseinzugs¬gebiet anhand des standardisierten Niederschlagsindexes (SPI) und des standardisierten Niederschlags- und Verdunstungsindexes (SPEI) für meteorologische Dürren und des Indexes für die Veränderung des Seespiegels (LLCI) für hydrologische Dürren untersucht. Anschließend wird der Zusammenhang zwischen meteorologischen und hydrologischen Dürren hergestellt. 
In der zweiten Studie wird die Dürreanalyse in die Zukunft ausgedehnt, indem die potenzielle künftige meteorologische Wasserbilanz und die damit verbundenen Dürremerkmale wie Dürre¬intensität (DI), Dürremonate (DM) und Dürreereignisse (DE) im Einzugsgebiet des Malawisees untersucht werden. Die Empfindlichkeit der Dürre gegenüber Veränderungen der Nieder¬schlags¬menge und der Temperatur wird anhand des „Szenario-neutralen“ Ansatzes bewertet. Es werden die Projektionen des Klimawandels aus 20 „Coordinated Regional Climate Downscaling Experiment“	 Modellen für Afrika auf der Grundlage von zwei Szenarien (RCP4.5 und RCP8.5) für die Zeiträume 2021-2050 und 2071-2100 verwendet. Die Studie untersucht auch die Auswirkung der Fehlerkorrektur (via „empirical quantile mapping) auf die Möglichkeit des Klimamodell-Ensembles, beobachtete Dürrecharakteristika im Vergleich zu den Originaldaten der Klimaprojektionen wieder¬zugeben. 
In der dritten Studie wird die Sensitivität der wichtigsten hydrologischen Variablen und der Wasserkrafterzeugung auf den Klimawandel in den Einzugsgebieten des Malawi-Sees und des Shire-Flusses untersucht. In der Studie wird das meso-skalige hydrologische Modell (mHM) angepasst, welches in den Einzugsgebieten des Malawisees und des Shire-Flusses getrennt angewendet wird. Ein spezielles Modell für den Malawisee, welches sich auf die Wellenver¬formung im See und dessen Wasserbilanz, wurde entwickelt und wurde mit den beiden Einzugsgebieten gekoppelt. Ähnlich wie in der zweiten Studie wird auch hier der Szenario-neutrale Ansatz angewandt, um die Sensitivität des Klimawandels auf die Wasserressourcen zu bestimmen, insbesondere auf den Wasserstand im Malawisee und den Durchfluss des Shire-Flusses, was später zur Abschätzung der Anfälligkeit der Wasserkraft-produktion nötig ist.

Die Ergebnisse lassen erwarten, dass meteorologische Dürren aufgrund von Niederschlags-rückgang zunehmen, was durch einen Temperaturanstieg (und dadurch erhöhte Verdunstung) noch verschärft wird. Das hydrologische System des Malawi-Sees scheint ein >24-monatiges „meteorologisches Gedächtnis“ zu haben, da mit den 36-monatigen SPEI-Indizes, hydrologische Dürren zehn Monate im Voraus vorhersagbar sind. Die Studie ergab zudem, dass der kritische Seespiegel zur Auslösung hydrologische Dürren bei 474,1 m+NN liegt. 
Trotz der Unterschiede in internen Strukturen und Unsicherheiten der verschiedenen Klimamodelle, stimmen sie darin überein, dass meteorologische Dürren in der Zukunft in Form von höheren DI und längeren Ereignissen (DM) zunehmen werden. Die DI würde im Zeitraum 2021-2050 um +25 % bis +50 % und im Zeitraum 2071-2100 um +131 % bis +388 % zunehmen. Dies bedeutet 3 bis 5 bzw. 7 bis 8 Dürremonate mehr pro Jahr in beiden Zeiträumen. Bei länger anhaltenden Dürreereignissen nehmen die DE ab. Die prognostizierten Dürren auf der Grundlage des RCP8.5 sind 1,7-mal schwerer als die Dürren auf der Grundlage des RCP4.5. 
Es wird auch festgestellt, dass ein jährlicher Temperaturanstieg von 1°C den mittleren See-spiegel und den Abfluss um 0,3 m bzw. 17 % verringert, was auf die Bedeutung einer verstärk¬ten Verdunstung für den Wasserhaushalt des Malawisees hinweist. Eine Abweichung von +5 % (-5 %) bei den jährlichen Niederschlägen verändert den mittleren Seespiegel um +0,7 m (-0,6 m). Die kombinierten Auswir¬kungen des Temperaturanstiegs und des Niederschlagsrück¬gangs führen zu einem deutlich geringeren Durchfluss im Shire River. Das hydrologische Regime des Flusses kann sich bei einer Kombination aus jährlicher Temperaturerhöhung und Niederschlagsabnahme um mehr als 1,5°C (3,5°C) und -20% (-15%) von mehrjährig zu saisonal ändern. Die Studie prognostiziert ferner einen Rückgang der jährlichen Wasserkraft¬produktion zwischen 1 % (RCP8.5) und 2,5 % (RCP4.5) im Zeitraum 2021-2050 und zwischen 5 % (RCP4.5) und 24 % (RCP8.5) im Zeitraum 2071-2100. 
Die Ergebnisse werden letztlich mit der globalen Politik in Verbindung gebracht, insbesondere mit dem Pariser Abkommen des Rahmenübereinkommens der Vereinten Nationen über Klima-änderungen (UNFCCC) und den Zielen für nachhaltige Entwicklung (SDGs) der Vereinten Nationen (UN). Zudem damit, wie sich die Nichteinhaltung der Begrenzung des Temperatur-anstiegs auf 1,5°C auf die Dürre und die Wasserressourcen in Malawi auswirken wird, was wiederum Auswirkungen auf die Wasserkraftproduktion hat. Infolgedessen wird die Erreichung der meisten SDGs gefährdet sein. 
Die Ergebnisse zeigen, dass es von großer Bedeutung ist, dass bei der weiteren Entwicklung der Wasserkraft am Shire River die Auswirkungen des Klimawandels berücksichtigt werden sollten. Die Generierung von Informationen ist wichtig für die Entscheidungsfindung, insbesondere für die Unterstützung von Klimaschutzmaßnahmen, die zur Bekämpfung des Klimawandels erforderlich sind. Die Häufigkeit extremer Klimaereignisse aufgrund des Klimawandels hat einen kritischen Punkt erreicht, so dass die Rettung von Leben und die Bewahrung der Lebensgrundlagen dringende Maßnahmen erfordert.
KW  - climate change
KW  - Klimaänderung
KW  - Malawi
KW  - water balance
KW  - Wasserbilanz
KW  - drought
KW  - Dürre
KW  - water resources
KW  - Wasserressourcen
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-599298
ER  - 
TY  - THES
A1  - Herbrich, Marcus
T1  - Einfluss der erosionsbedingten Pedogenese auf den Wasserund Stoffhaushalt ackerbaulich genutzter Böden der Grundmoränenbodenlandschaft NO-Deutschlands - hydropedologische Untersuchungen mittels wägbarer Präzisionslysimeter
T1  - Effects of erosion-affected soil evolution on water and dissolved carbon fluxes, soil hydraulic properties, and crop development of soils from a hummocky ground moraine landscape - hydropedological analysis using high precision weighing lysimeters
N2  - In the arable soil landscape of hummocky ground moraines, an erosion-affected spatial differentiation of soils can be observed. Man-made erosion leads to soil profile modifications along slopes with changed solum thickness and modified properties of soil horizons due to water erosion in combination with tillage operations. Soil erosion creates, thereby, spatial patterns of soil properties (e.g., texture and organic matter content) and differences in crop development. However, little is known about the manner in which water fluxes are affected by soil-crop interactions depending on contrasting properties of differently-developed soil horizons and how water fluxes influence the carbon transport in an eroded landscape. To identify such feedbacks between erosion-induced soil profile modifications and the 1D-water and solute balance, high-precision weighing lysimeters equipped with a wide range of sensor technique were filled with undisturbed soil monoliths that differed in the degree of past soil erosion. Furthermore, lysimeter effluent concentrations were analyzed for dissolved carbon fractions in bi-weekly intervals.
The water balance components measured by high precision lysimeters varied from the most eroded to the less eroded monolith up to 83 % (deep drainage) primarily caused due to varying amounts of precipitation and evapotranspiration for a 3-years period. Here, interactions between crop development and contrasting rainfall interception by above ground biomass could explain differences in water balance components. Concentrations of dissolved carbon in soil water samples were relatively constant in time, suggesting carbon leaching was mainly affected by water fluxes in this observation period. For the lysimeter-based water balance analysis, a filtering scheme was developed considering temporal autocorrelation. The minute-based autocorrelation analysis of mass changes from lysimeter time series revealed characteristic autocorrelation lengths ranging from 23 to 76 minutes. Thereby, temporal autocorrelation provided an optimal approximation of precipitation quantities. However, the high temporal resolution in lysimeter time series is restricted by the lengths of autocorrelation.
Erosion-induced but also gradual changes in soil properties were reflected by dynamics of soil water retention properties in the lysimeter soils. Short-term and long-term hysteretic water retention data suggested seasonal wettability problems of soils increasingly limited rewetting of previously dried pore regions. Differences in water retention were assigned to soil tillage operations and the erosion history at different slope positions. The threedimensional spatial pattern of soil types that result from erosional soil profile modifications were also reflected in differences of crop root development at different landscape positions. Contrasting root densities revealed positive relations of root and aboveground plant characteristics. Differences in the spatially-distributed root growth between different eroded soil types provided indications that root development was affected by the erosion-induced soil evolution processes.
Overall, the current thesis corroborated the hypothesis that erosion-induced soil profile modifications affect the soil water balance, carbon leaching and soil hydraulic properties, but also the crop root system is influenced by erosion-induced spatial patterns of soil properties in the arable hummocky post glacial soil landscape. The results will help to improve model predictions of water and solute movement in arable soils and to understand interactions between soil erosion and carbon pathways regarding sink-or-source terms in landscapes.
N2  - Hydropedologische Wechselwirkungen zwischen Wasserflüssen und erosionsbedingten Veränderungen im Profilaufbau ackerbaulich genutzter Böden treten insbesondere in der Jungmoränenlandschaft auf, die sich durch eine überwiegend flachwellige bis kuppige Topographie auszeichnet. Mit der dynamischen Veränderung von Bodenprofilen, wie etwa der veränderten Solumtiefe und Horizontabfolgen, sowie deren Verteilungen in der Landschaft gehen Veränderungen in den bodenhydraulischen Eigenschaften einher. Über deren Auswirkungen auf den Wasser- und Stoffhaushalt ist bislang nur wenig bekannt.
Im Rahmen dieser Dissertation wurden kontinuierliche Messungen aus vier Jahren (2011 bis 2014) unter Verwendung von wägbaren Lysimetern in der ackerbaulich genutzten Bodenlandschaft Nordostdeutschlands (Uckermark) erhoben. Dabei sollte die zentrale Frage, inwieweit die erosionsbedingte Pedogenese, in Wechselwirkung mit der pflanzenbaulichen Nutzung, den Wasser- und Kohlenstoffhaushalt beeinflusst, beantwortet werden. Ziel dieser Arbeit war es, 1D-Wasserflüsse und Austräge an gelöstem Kohlenstoff für unterschiedlich erodierte Bodenprofile zu quantifizieren. Damit einhergehend wurden Untersuchungen zu hydraulischen Bodeneigenschaften sowie möglichen Veränderungen im System Boden-Pflanze (Wurzeluntersuchungen) durchgeführt. Um derartige Veränderungen zwischen unterschiedlich erodierten Böden beschreiben zu können, wurden Bodenmonolithe in ungestörter Lagerung entnommen und in Lysimeteranlagen installiert. Zudem erfolgte eine Instrumentierung der einzelnen Lysimeter mit verschiedener Sensorik, u.a. um Wassergehalte und Matrixpotentiale zu messen. Für stoffhaushaltliche Untersuchungen wurden darüber hinaus Konzentrationen der gelösten Kohlenstofffraktion in der Bodenlösung in 14-tägigen Intervallen bestimmt.   
Der Wasserhaushalt von sechs gering bis stark erodierten Parabraunerden unterschied sich im Hinblick auf die bilanzierten Wasserhaushaltskomponenten deutlich. Anhand dieser Ergebnisse liegt die Vermutung nahe, dass die dynamischen Veränderungen im Gefüge- und Profilaufbau (in Abhängigkeit von der Bodenerosion) einen Effekt auf die Wasserbilanzen aufweisen. Über die mehrjährige Messperiode von 2011 bis 2014 konnte für das mit einer stark erodierten Parabraunerde gefüllte Lysimeter ein circa 83 Prozent höherer Abfluss als für das Lysimeter mit einer wenig erodierten Parabraunerde gemessen werden. Somit variierte der Abfluss am unteren Rand in Abhängigkeit zum Erosionsgrad. Neben dem unterschiedlichen Abflussverhalten variierten die Bodenmonolithe innerhalb der Lysimeter ebenfalls in den Evapotranspirations- und Niederschlagsmengen, hervorgerufenen durch die Differenzierung in den Horizontabfolgen, -mächtigkeiten und deren Einfluss auf die bodenhydraulischen Eigenschaften in Abhängigkeit vom Pflanzenbewuchs. Aufgrund der homogen verteilten Stoffkonzentrationen des gelösten organischen und anorganischen Kohlenstoffs am unteren Rand waren Kohlenstoffausträge maßgeblich von den Wasserflüssen abhängig. Als Grundlage der Lysimeter-basierten Wasserhaushaltsanalyse diente ein im Rahmen dieser Dissertation entwickeltes Auswertungsverfahren von kontinuierlichen Gewichtsänderungen unter Berücksichtigung der zeitlichen Autokorrelation. Um eine mögliche Periodizität in zeitlich hochaufgelösten Änderungen des Lysimeterwaagensystems zu ermitteln, fand eine Autokorrelationsfunktion in der Zeitreihenanalyse von vier saisonalen Messzeiträumen Anwendung. Die Ergebnisse der Arbeit deuten darauf hin, dass hochaufgelöste Lysimeterzeitreihen in einem Bereich von circa 30 min bis circa 60 min zeitlich autokorreliert sind. Die ermittelten Autokorrelationslängen bieten wiederum eine Möglichkeit zur Annäherung von (optimalen) Zeitintervallen für die Niederschlagsberechnung, basierend auf Änderungen in den Wiegedaten. Im Vergleich zu einem Kippwaagenregenmesser nahe der Lysimeterstation überstiegen die ermittelten Niederschlagsmengen der Lysimeter in Bodennähe die der in zwei Metern Höhe erfolgten Messung deutlich. 
Zur Charakterisierung der zeitlichen (Hysterese), als auch räumlichen (erosionsbedingter Pedogenese) Veränderungen der bodenhydraulischen Eigenschaften der Lysimeterböden  wurden kontinuierliche Datenreihen des Wassergehaltes und Matrixpotentials analysiert. Die daraus abgeleiteten Wasserretentionskurven wurden in 3 Messtiefen (10, 30, 50 cm) unter Feldbedingungen ausgewertet und mit Labormessungen von Bodenkernen verglichen. Sowohl zwischen den unterschiedlich erodierten Bodenprofilen als auch zwischen den Feld- und Labormessungen waren Unterschiede in den Wasserretentionseigenschaften ersichtlich. Innerhalb eines Jahres (eingeschränkte Benetzbarkeit) sowie zwischen den Jahren (Veränderung der Porenmatrix) zeigten die Ergebnisse zudem eine zeitliche Veränderung der Wasserretentionseigenschaften. Diese dynamische Variabilität der Wasserretention wiederum unterliegt der räumlichen Heterogenität von Bodeneigenschaften, wie Textur und Lagerungsdichte. Für die Interpretation der unterschiedlichen bodenhydraulischen Eigenschaften sowie im Hinblick auf Veränderungen im Wasserhaushalt von ackerbaulich genutzten Lysimetern spielt das System Boden-Pflanze eine bedeutende Rolle. Diesbezüglich wurden Biomasse- und Wurzeluntersuchungen an unterschiedlich erodierten Böden durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse verdeutlichen, dass  erosionsbedingte Veränderungen im Profilaufbau beziehungsweise Horizonteigenschaften die Wurzelentwicklung beeinflussen können. Zudem stehen die Durchwurzelungsraten an grundwasserbeeinflussten Senkenstandorten in enger Beziehung zum Grundwasserstand (insbesondere im Frühjahr). Die oberirdisch beobachteten Unterschiede in der Biomasse korrelierten stark mit den ermittelten Wurzeldichten (Winterweizen), dies lässt vermuten, dass eine Abschätzung der Wurzelentwicklung mittels oberirdischer Biomasse möglich ist.
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Lysimeterstudie komplexe Wechselwirkungen zwischen dem pedogenetischen Zustand erodierter Böden und dem Wasserhaushalt, den bodenhydraulischen Eigenschaften sowie der Wurzelentwicklung angebauter Kulturen. Zudem leisten die ermittelten unterschiedlichen Austragsraten an gelöstem Kohlenstoff einen Beitrag zur Abschätzung der langfristigen, in die Tiefe fortschreitenden Entkalkung sowie zur Beantwortung der Fragestellung, ob ackerbaulich genutzte Böden eher als Quell- oder als Senkenterm für Kohlendioxid fungieren.
KW  - Lysimeter
KW  - Wasserhaushalt
KW  - Kohlenstoff
KW  - lysimeter
KW  - water balance
KW  - carbon
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-408561
ER  - 
TY  - THES
A1  - Roers, Michael
T1  - Methoden zur Dynamisierung von Klimafolgenanalysen im Elbegebiet
T1  - Methods for a dynamisation of climate impact studies in the Elbe River basin
BT  - Aktualisierung von Szenarienstudien zu den Auswirkungen des Klimawandels und fortlaufende Überprüfung ökohydrologischer Modellergebnisse
BT  - actualisation of scenario studies on impacts of climate change and continuous verification of ecohydrological model results
N2  - Die Elbe und ihr Einzugsgebiet sind vom Klimawandel betroffen. Um die Wirkkette von projizierten Klimaveränderungen auf den Wasserhaushalt und die daraus resultierenden Nährstoffeinträge und -frachten für große Einzugsgebiete wie das der Elbe zu analysieren, können integrierte Umweltmodellsysteme eingesetzt werden. Fallstudien, die mit diesen Modellsystemen ad hoc durchgeführt werden, repräsentieren den Istzustand von Modellentwicklungen und -unsicherheiten und sind damit statisch. 
 
Diese Arbeit beschreibt den Einstieg in die Dynamisierung von Klimafolgenanalysen im Elbegebiet. Dies umfasst zum einen eine Plausibilitätsprüfung von Auswirkungsrechnungen, die mit Szenarien des statistischen Szenariengenerators STARS durchgeführt wurden, durch den Vergleich mit den Auswirkungen neuerer Klimaszenarien aus dem ISI-MIP Projekt, die dem letzten Stand der Klimamodellierung entsprechen. Hierfür wird ein integriertes Modellsystem mit "eingefrorenem Entwicklungsstand" verwendet. Die Klimawirkungsmodelle bleiben dabei unverändert. Zum anderen wird ein Bestandteil des integrierten Modellsystems – das ökohydrologische Modell SWIM – zu einer "live"-Version weiterentwickelt. Diese wird durch punktuelle Testung an langjährigen Versuchsreihen eines Lysimeterstandorts sowie an aktuellen Abflussreihen validiert und verbessert.
 
Folgende Forschungsfragen werden bearbeitet: (i) Welche Effekte haben unterschiedliche Klimaszenarien auf den Wasserhaushalt im Elbegebiet und ist eine Neubewertung der Auswirkung des Klimawandels auf den Wasserhaushalt notwendig?, (ii) Was sind die Auswirkungen des Klimawandels auf die Nährstoffeinträge und -frachten im Elbegebiet sowie die Wirksamkeit von Maßnahmen zur Reduktion der Nährstoffeinträge?, (iii) Ist unter der Nutzung (selbst einer sehr geringen Anzahl) verfügbarer tagesaktueller Witterungsdaten in einem stark heterogenen Einzugsgebiet eine valide Ansprache der aktuellen ökohydrologischen Situation des Elbeeinzugsgebiets möglich?

Die aktuellen Szenarien bestätigen die Richtung, jedoch nicht das Ausmaß der Klimafolgen: Die Rückgänge des mittleren jährlichen Gesamtabflusses und der monatlichen Abflüsse an den Pegeln bis Mitte des Jahrhunderts betragen für das STARS-Szenario ca. 30 %. Die Rückgänge bei den auf dem ISI-MIP-Szenario basierenden Modellstudien liegen hingegen nur bei ca. 10 %. Hauptursachen für diese Divergenz sind die Unterschiede in den Niederschlagsprojektionen sowie die Unterschiede in der jahreszeitlichen Verteilung der Erwärmung. Im STARS-Szenario gehen methodisch bedingt die Niederschläge zurück und der Winter erwärmt sich stärker als der Sommer. In dem ISI-MIP-Szenario bleiben die Niederschläge nahezu stabil und die Erwärmung im Sommer und Winter unterscheidet sich nur geringfügig.

Generell nehmen die Nährstoffeinträge und -frachten mit den Abflüssen in beiden Szenarien unterproportional ab, wobei die Frachten jeweils stärker als die Einträge zurückgehen. Die konkreten Effekte der Abflussänderungen sind gering und liegen im einstelligen Prozentbereich. Gleiches gilt für die Unterschiede zwischen den Szenarien. Der Effekt von zwei ausgewählten Maßnahmen zur Reduktion der Nährstoffeinträge und -frachten unterscheidet sich bei verschiedenen Abflussverhältnissen, repräsentiert durch unterschiedliche Klimaszenarien in unterschiedlich feuchter Ausprägung, ebenfalls nur geringfügig.

Die Beantwortung der ersten beiden Forschungsfragen zeigt, dass die Aktualisierung von Klimaszenarien in einem ansonsten "eingefrorenen" Verbund von ökohydrologischen Daten und Modellen eine wichtige Prüfoption für die Plausibilisierung von Klimafolgenanalysen darstellt. Sie bildet die methodische Grundlage für die Schlussfolgerung, dass bei der Wassermenge eine Neubewertung der Klimafolgen notwendig ist, während dies bei den Nährstoffeinträgen und -frachten nicht der Fall ist. 

Die zur Beantwortung der dritten Forschungsfrage mit SWIM-live durchgeführten Validierungsstudien ergeben Diskrepanzen am Lysimeterstandort und bei den Abflüssen aus den Teilgebieten Saale und Spree. Sie lassen sich zum Teil mit der notwendigen Interpolationsweite der Witterungsdaten und dem Einfluss von Wasserbewirtschaftungsmaßnahmen erklären. Insgesamt zeigen die Validierungsergebnisse, dass schon die Pilotversion von SWIM-live für eine ökohydrologische Ansprache des Gebietswasserhaushaltes im Elbeeinzugsgebiet genutzt werden kann. SWIM-live ermöglicht eine unmittelbare Betrachtung und Beurteilung simulierter Daten. Dadurch werden Unsicherheiten bei der Modellierung direkt offengelegt und können infolge dessen reduziert werden. Zum einen führte die Verdichtung der meteorologischen Eingangsdaten durch die Verwendung von nun ca. 700 anstatt 19 Klima- bzw. Niederschlagstationen zu einer Verbesserung der Ergebnisse. Zum anderen wurde SWIM-live beispielhaft für einen Zyklus aus punktueller Modellverbesserung und flächiger Überprüfung der Simulationsergebnisse genutzt.

Die einzelnen Teilarbeiten tragen jeweils zur Dynamisierung von Klimafolgenanalysen im Elbegebiet bei. Der Anlass hierfür war durch die fehlerhaften methodischen Grundlagen von STARS gegeben. Die Sinnfälligkeit der Dynamisierung ist jedoch nicht an diesen konkreten Anlass gebunden, sondern beruht auf der grundlegenden Einsicht, dass Ad-hoc-Szenarienanalysen immer auch pragmatische Vereinfachungen zugrunde liegen, die fortlaufend überprüft werden müssen.
N2  - The Elbe River basin is affected by climate change. To analyse the chain of effects of projected climate change on the water balance and the resulting nutrient emissions and loads in large river basins such as the Elbe, integrated environmental model systems can be applied. Case studies that are conducted ad hoc with these model systems represent the current state of model developments and uncertainties - therefore, they are static.

This thesis describes access to a dynamisation of climate impact studies in the Elbe River basin. On the one hand, this comprises a verification of impact simulations that are conducted with scenarios from the statistical scenario generator STARS, with the impacts of newer climate scenarios from the ISI-MIP project, that represent state-of-the-art climate modelling. For this purpose, an integrated model system with a "frozen" development status is used. At the same time, the climate impact models remain unchanged. On the other hand, one component of the integrated model system - the ecohydrological model SWIM - is enhanced as a "live"-system. This is validated and improved by punctual testing with experimental long time series from a lysimeter site and with recent runoff time series.

The following research questions are addressed: (i) What are the effects of different climate scenarios on the water balance in the Elbe River basin, and is a reassessment of the impacts of climate change on the water balance necessary?, (ii) What are the impacts of climate change on the nutrient emissions and loads in the Elbe River basin as well as the effectiveness of measures for reducing nutrient emissions?, (iii) Is a valid assessment of the actual ecohydrological situation in the Elbe River basin possible, using (only a small amount of) available day-to-day weather data in a highly heterogeneous river basin?

The recent scenarios confirm the direction, but not the magnitude, of climate impacts: In the STARS scenario, the decrease in mean annual discharge and mean monthly stream ow until the middle of the century is approx. 30 %. However, the model studies based on the ISI-MIP scenarios show only a decrease of approx. 10 %. The main reason for this divergence can be attributed to differences in the precipitation projections and differences in the seasonal distribution of the warming. In the STARS scenario, the precipitation decreases due to the methodological principles applied and the warming in winter is stronger than in summer. In the ISI-MIP scenario, the precipitation is almost stable and the warming differs only slightly between summer and winter.

In general, the nutrient emissions and loads decrease underproportionally with the river basin discharge in both scenarios, with loads declining more sharply than the emissions. The concrete effects of the change in river basin discharge are small, reaching only single-digit percentages. The same holds true for the difference between the scenarios. The effect of selected measures for the reduction of nutrient emissions and loads also differs only slightly between varying runoff conditions, represented by different climate scenarios with dry, mean and wet specifications.

Answering the first two research questions shows that the actualisation of climate scenarios in an otherwise "frozen" combination of ecohydrological data and models represents an important testing option for the plausibilisation of climate impact studies. It forms the methodological basis for the conclusion that a reassessment of climate impact is necessary in terms of water quantity, whereas this is not the case for the nutrient emissions and loads.

The validation studies that were conducted to answer the third research question show discrepancies at the lysimeter site and in the flows from the sub-catchments of the Saale and Spree Rivers. They can be explained in part by the low spatial density of the climate data and the influences from water-management practices. However, the validation results show that the pilot version of SWIM-live can already be used for an eco-hydrological assessment of the water balance in the Elbe River basin. SWIM-live provides an immediate visualisation and assessment of the simulated data. By this means, uncertainties in the simulations are directly revealed and can be reduced. On the one hand, a concentration of the meteorological input data using approx. 700 instead of 19 climate and precipitation stations leads to an improvement of the results. On the other hand, SWIM-live is used exemplarily for a cycle of punctual model improvement and spatial verification of the simulations.

The individual parts of this thesis contribute to the dynamisation of climate impact studies in the Elbe River basin. The motivation for the study was the flawed methodological basis of STARS. Dynamisation is relevant not only for this reason, but is also based on the underlying understanding that ad hoc scenario analyses involve pragmatic simplifications that must be verified continuously.
KW  - Klimawandel
KW  - Wasserhaushalt
KW  - Nährstoffeinträge
KW  - tagesaktuelle Simulation
KW  - Elbe
KW  - climate change
KW  - water balance
KW  - nutrient emissions
KW  - simulation on a day-to-day-basis
KW  - Elbe
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-98844
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wattenbach, Martin
T1  - The hydrological effects of changes in forest area and species composition in the federal state of Brandenburg, Germany
T1  - Die hydrologischen Effekte von Veränderungen der Waldfläche und Artenzusammensetzung im Land Brandenburg, Deutschland
N2  - This thesis aims to quantify the human impact on the natural resource water at the landscape scale. The drivers in the federal state of Brandenburg (Germany), the area under investigation, are land-use changes induced by policy decisions at European and federal state level. The water resources of the federal state are particularly sensitive to changes in land-use due to low precipitation rates in the summer combined with sandy soils and high evapotranspiration rates. Key elements in landscape hydrology are forests because of their unique capacity to transport water from the soil to the atmosphere. Given these circumstances, decisions made at any level of administration that may have effects on the forest sector in the state are critical in relation to the water cycle. It is therefore essential to evaluate any decision that may change forest area and structure in such a sensitive region. Thus, as a first step, it was necessary to develop and implement a model able to simulate possible interactions and feedbacks between forested surfaces and the hydrological cycle at the landscape scale. The result is a model for simulating the hydrological properties of forest stands based on a robust computation of the temporal and spatial LAI (leaf area index) dynamics. The approach allows the simulation of all relevant hydrological processes with a low parameter demand. It includes the interception of precipitation and transpiration of forest stands with and without groundwater in the rooting zone. The model also considers phenology, biomass allocation, as well as mortality and simple management practices. It has been implemented as a module in the eco-hydrological model SWIM (Soil and Water Integrated Model). This model has been tested in two pre-studies to verify the applicability of its hydrological process description for the hydrological conditions typical for the state. The newly implemented forest module has been tested for Scots Pine (Pinus sylvestris) and in parts for Common Oak (Quercus robur and Q. petraea) in Brandenburg. For Scots Pine the results demonstrate a good simulation of annual biomass increase and LAI in addition to the satisfactory simulation of litter production. A comparison of the simulated and measured data of the May sprout for Scots pine and leaf unfolding for Oak, as well as the evaluation against daily transpiration measurements for Scots Pine, does support the applicability of the approach. The interception of precipitation has also been simulated and compared with weekly observed data for a Scots Pine stand which displays satisfactory results in both the vegetation periods and annual sums. After the development and testing phase, the model is used to analyse the effects of two scenarios. The first scenario is an increase in forest area on abandoned agricultural land that is triggered by a decrease in European agricultural production support. The second one is a shift in species composition from predominant Scots Pine to Common Oak that is based on decisions of the regional forestry authority to support a more natural species composition. The scenario effects are modelled for the federal state of Brandenburg on a 50m grid utilising spatially explicit land-use patterns. The results, for the first scenario, suggest a negative impact of an increase in forest area (9.4% total state area) on the regional water balance, causing an increase in mean long-term annual evapotranspiration of 3.7% at 100% afforestation when compared to no afforestation. The relatively small annual change conceals a much more pronounced seasonal effect of a mean long-term evapotranspiration increase by 25.1% in the spring causing a pronounced reduction in groundwater recharge and runoff. The reduction causes a lag effect that aggravates the scarcity of water resources in the summer. In contrast, in the second scenario, a change in species composition in existing forests (29.2% total state area) from predominantly Scots Pine to Common Oak decreases the long-term annual mean evapotranspiration by 3.4%, accompanied by a much weaker, but apparent, seasonal pattern. Both scenarios exhibit a high spatial heterogeneity because of the distinct natural conditions in the different regions of the state. Areas with groundwater levels near the surface are particularly sensitive to changes in forest area and regions with relatively high proportion of forest respond strongly to the change in species composition. In both cases this regional response is masked by a smaller linear mean effect for the total state area. Two critical sources of uncertainty in the model results have been investigated. The first one originates from the model calibration parameters estimated in the pre-study for lowland regions, such as the federal state. The combined effect of the parameters, when changed within their physical meaningful limits, unveils an overestimation of the mean water balance by 1.6%. However, the distribution has a wide spread with 14.7% for the 90th percentile and -9.9% for the 10th percentile. The second source of uncertainty emerges from the parameterisation of the forest module. The analysis exhibits a standard deviation of 0.6 % over a ten year period in the mean of the simulated evapotranspiration as a result of variance in the key forest parameters. The analysis suggests that the combined uncertainty in the model results is dominated by the uncertainties of calibration parameters. Therefore, the effect of the first scenario might be underestimated because the calculated increase in evapotranspiration is too small. This may lead to an overestimation of the water balance towards runoff and groundwater recharge. The opposite can be assumed for the second scenario in which the decrease in evapotranspiration might be overestimated.
N2  - Das übergreifende Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Interaktion zwischen Landnutzungsänderung und dem Landschaftswasserhaushalt zu quantifizieren. Das Untersuchungsgebiet für die Analyse ist das Land Brandenburg. Bedingt durch seine Kombination geringer Sommerniederschläge mit der Dominanz sandiger Böden und hoher Verdunstungsraten, insbesondere von den großflächigen Wäldern und Forsten, ist es besonders empfindlich gegenüber Landnutzungsänderung. Waldflächen sind Schlüsselelemente im Landschaftswasserhaushalt, da sie den Bodenwasserspeicher effizienter mit der Atmosphäre koppeln als die meisten anderen Vegetationsformen. Im ersten Teil der Arbeit war es daher notwendig, ein geeignetes Modellkonzept zu finden. Der Ansatz sollte in der Lage sein, die hydrologischen Effekte auf Landschaftsebene zu modellieren, ohne dabei die Datenverfügbarkeit in diesem Anwendungsbereich zu überschreiten. Das entwickelte Modellkonzept wurde in das ökohydrologische Einzugsgebietsmodell SWIM (Soil Water Integrated Model) integriert. Nach einer Test- und Entwicklungsphase konnte das Modell für die integrierte Analyse der Wirkung von zwei Szenarien auf den Landeswasserhaushalt verwendet werden. Das erste Szenario beschäftigt sich mit der möglichen Zunahme der Waldfläche als Folge der Neuausrichtung der Agrarsubventionspolitik der Europäischen Union. Die Waldflächenzunahme führt zu einer Steigerung der Evapotranspiration im langjährigen Mittel. Das zweite Szenario behandelt die Auswirkung des Brandenburger Waldumbauprogramms und hat eine vergleichsweise geringe Abnahme der langjährigen mittleren Verdunstung zur Folge. Der lineare mittlere Verlauf überdeckt ein ausgeprägtes räumliches und saisonales Muster der Veränderung. Die Zonen starker Effekte der beider Szenarien überlappen sich nur in einigen Fällen, so ist es möglich, dass die positiven Wirkungen des Waldumbauprogramms in einigen Regionen durch eine mögliche Ausweitung der Waldfläche aufgehoben werden. Die vorgestellten Ergebnisse zeigen deutlich, dass Landnutzungsänderungen, die durch politische oder administrative Entscheidungen ausgelöst werden, Auswirkungen auf elementare Landschaftsfunktionen wie den Wasserhaushalt haben. Es wird deutlich, dass ein integrativer Modellierungsansatz, der die wahrscheinlichen Wirkungen administrativer Entscheidungen in Betracht zieht, Grundlagen für eine nachhaltige Entwicklung liefern kann. Diese Ergebnisse werden umso relevanter, je stärker die betroffene Ressource bereits eingeschränkt ist. In Bezug auf die Wasserressourcen im Land Brandenburg ist das der Fall und aktuelle Studien zum Globalen Wandel in der Region prognostizieren eine Verschärfung dieser Situation.
KW  - Pinus sylvestris
KW  - Quercus
KW  - SWIM
KW  - Grundwasser
KW  - Globaler Wandel
KW  - global change
KW  - CAP
KW  - water balance
KW  - ground water
KW  - forestry
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-27394
ER  - 
TY  - THES
A1  - Krause, Stefan
T1  - Untersuchung und Modellierung von Wasserhaushalt und Stofftransportprozessen in grundwassergeprägten Landschaften am Beispiel der Unteren Havel
T1  - Experimental and model based investigations of water balance and nutrient dynamics of groundwater influenced floodplains - the example of the Lower Havel River
N2  - Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Wasserhaushaltsprozesse und Stofftransportvorgänge innerhalb der grundwassergeprägten Talauenlandschaften von Tieflandeinzugsgebieten am Beispiel der im Nordostdeutschen Tiefland gelegenen Havel. Die Arbeiten in verschieden skaligen Teileinzugsgebieten der Havel beschäftigen sich dabei zum einen mit der experimentellen Untersuchung und vorrangig qualitativen Beschreibung der Wasserhaushaltsdynamik, zum anderen mit der Entwicklung eines zur quantitativen Analyse von Wasserhaushalts- und Stofftransportprozessen geeigneten Modells und der anschließenden Modellsimulation von Wasserhaushalt und Stickstoffmetabolik im Grundwasser sowie der Simulation von Landnutzungs- und Gewässerstrukturszenarien. Für die experimentelle Untersuchung der Abflussbildung und der Wasserhaushaltsprozesse in den Talauenlandschaften des Haveleinzugsgebiets wurde Einzugsgebiet der ”Unteren Havel Niederung“ ein umfangreiches Messnetz installiert. Dabei wurden an mehreren Messstationen und Pegeln meteorologische Parameter, Bodenfeuchte sowie Grundwasserstände und Abflüsse beobachtet. Die Analyse der Messergebnisse führte zu einem verbesserten Verständnis von Wasserhaushaltsprozessen in der durch das oberflächennahe Grundwasser und die Oberflächengewässerdynamik beeinflussten Talauenzone. Darüber hinaus konnten durch die Implementierung der Messergebnisse konsistente Anfangs- und Randbedingungen für die Wasserhaushalts- und Grundwassermodellierung im Modellkonzept IWAN realisiert werden. Mit dem Modell IWAN (Integrated Modelling of Water Balance and Nutrient Dynamics) wurde ein Werkzeug geschaffen, welches die Berücksichtigung spezifischer hydrologischer Eigenschaften von Tieflandauen, wie z. B. den Einfluss des oberflächennahen Grundwassers bzw. der Dynamik von Oberflächenwasserständen auf den Wasserhaushalt, ermöglicht. Es basiert auf der Kopplung des deterministischen distribuierten hydrologischen Modells WASIM-ETH mit dem dreidimensionalen Finite-Differenzen-basierten Grundwassermodel MODFLOW. Die Modellierung der Stickstoffmetabolik im Grundwasser erfolgt durch das mit Grundwassermodell gekoppelte Stofftransportmodel MT3D. Zur modellbasierten Simulation des Wasserhaushalts der Tieflandauenlandschaften wurde das Modellkonzept IWAN für verschieden skalige Teileinzugsgebiete an der Havel für Simulationszeiträume von 2 Wochen bis zu 13 Jahren angewandt. Dabei wurden die Teilmodelle für Wasserhaushalts- und Grundwassermodellierung in zwei unterschiedlichen Teileinzugsgebieten der ”Unteren Havel Niederung“ kalibriert. Die anschließende Validierung erfolgte für das gesamte Einzugsgebiet der ”Unteren Havel“. Die Unsicherheiten des Modellansatzes sowie die Anwendbarkeit des Modells im Untersuchungsraum wurden geprüft und die Limitierung der Übertragbarkeit auf andere grundwasserbeeinflusste Tieflandeinzugsgebiete analysiert. Die Ergebnisse der Wasserhaushaltssimulationen führen einerseits zum erweiterten Prozessverständnis des Wasserhaushalts in Flachlandeinzugsgebieten, andererseits ermöglichten sie durch die Quantifizierung einzelner Prozessgrößen die Beurteilung der Steuerungsfunktion einzelner Wasserhaushaltsprozesse. Auf der Basis lokaler Simulationsergebnisse sowie geomorphologischer und gewässermorphologischer Analysen wurde ein Algorithmus entwickelt, welcher die Abgrenzung des direkten Eigeneinzugsgebiets der Havel als Raum der direkten Interaktion zwischen Oberflächengewässer und umgebendem Einzugsgebiet beschreibt. Durch Simulation des Wasserhaushalts im Eigeneinzugsgebiet mit dem Modell IWAN konnten die Interaktionsprozesse zwischen Fluss und Talauenlandschaft quantitativ beschrieben werden. Dies ermöglichte eine Bewertung der Abflussanteile aus dem Eigeneinzugsgebiet sowie eine Quantifizierung der zeitlich variablen Retentionskapazität der Auenlandschaft während Hochwasserereignissen. Zur Abschätzung des Einflusses veränderter Landnutzung und angepassten Managements auf den Wasserhaushalt der Talaue wurden Szenarien entwickelt, welche Änderungen der Landnutzung sowie der Gewässergeometrie implizieren. Die Simulation des Wasserhaushalts unter jeweiligen Szenariobedingungen ermöglichte die detaillierte Analyse sich ändernder Randbedingungen auf den Gebietswasserhaushalt und auf die Austauschprozesse zwischen Grundwasser und Oberflächengewässer. Zur Untersuchung der Stickstoffmetabolik im Grundwasser der Talauenlandschaft wurde das im Modellkonzept IWAN integrierte Stofftransportmodell MT3D für das Eigeneinzugsgebiet der Havel angewandt. Dies ermöglichte eine Bilanzierung der aus dem Grundwasser des Eigeneinzugsgebiets stammenden Nitratfrachtanteile der Havel sowie von Nitratkonzentrationen im Grundwasser. Szenariensimulationen, welche verminderte Nitrateinträge aus der durchwurzelten Bodenzone annehmen, ermöglichten die Quantifizierung der Effizienz von Managementmaßnahmen und Landnutzungsänderungen in Hinblick auf die Minimierung von Einträgen in Grundwasser und Oberflächengewässer.
N2  - For a sustainable management of lowland river basins, a comprehensive knowledge about floodplain water balance and nutrient transport processes is required. This investigation aims to analyse water balance processes and nutrient dynamics and transport within the groundwater influenced floodplains of lowland areas. Thus, the investigation was focused on the Havel river catchment at the Northeast German Lowlands, which is a typical example of a lowland floodplain. Experimental investigations were performed at different spatial scales for qualitative analysis of water balance. The complex model IWAN was developed which enables the simulation and quantitative analysis of water balance and nutrient dynamics. Furthermore it allows the scenario based simulation and analysis of changing landuse management and boundary conditions. For experimental investigation of runoff generation and water balance processes within the floodplains of the Havel river an extensive measurement campaign was installed at several testsites of the 198 km2 catchment of the “Lower Havel river basin“. These testsites include stations and gauges for the observation of meteorological parameters, soil moisture, groundwater depths and river runoff. Analysis of the observed data led to an improved understanding of water balance processes within the specific part of the floodplain which is influenced by the dynamics of the uppermost groundwater and by the surface water dynamics. Furthermore the implementation of the observed data within the model concept realised the consistent definition of time variable, spatial distributed initial and boundary conditions. The IWAN model was developed as a tool which implements the speci- fic hydrological characteristics of floodplains within the concept of modelling water balance and nutrient dynamics. It is based on the coupling of the distributed deterministic hydrological model WASIM-ETH with the three-dimensional finite difference based numerical groundwater model MODLFOW. Simulation of the metabolism of nitrogen within the groundwater passage was realised by the nutrient transport model MT3D which was coupled with the groundwater model. For model based simulation of the water balance within lowland river floodplains the IWAN model was applied for different scaled subcatchments of the Havel river with varying sizes from 2 to 1000 km2 and simulation periods from 2 weeks up to 13 years. Calibration of the model was performed for two different sized subcatchments of the “Lower Havel river basin“. The subsequent validation of the model focused on the entire “Lower Havel river basin“. Uncertainties of the model approach and the limited applicability and transferability for further groundwater influenced floodplain landscapes were analysed. The results of the water balance simulations led to an improved understanding of the processes and dynamics within floodplains. It furthermore enabled the quantification and impact analysis of certain processes and interactions. Based on local simulation results and on the analysis of surface and groundwater morphology an algorithm was developed which was used for delineation of the direct catchment of the Havel river. This direct catchment is specified as the part of the floodplain which is characterised by the direct interaction between river and adjacent catchment. Water balance simulations with the IWAN model in the direct catchment led to the quantification of interaction processes between river and floodplain. This enabled the assessment of the runoff fraction from the direct catchment during the ecologically sensitive low flow periods in summer and of the retention capacity of the floodplain during flood events. For the evaluation of the influences of alternative landuse management on the water balance within floodplains, complex scenarios were developed which implemented alterations of landuse or changes of surface water geometries and drainage structures. Simulation of water balances for each scenario allowed the detailed analysis of changing boundary conditions on the floodplain water balance and on the interaction processes between groundwater and river. Modelling nitrogen metabolism within the groundwater: For investigation of the nitrogen metabolism within the groundwater of floodplains the nutrient transport and dynamics model MT3D, which considers also interactions between groundwater and surface waters, was integrated in the IWAN concept. The model was applied for the simulation of nitrate dynamics within the direct catchment of the Havel river.With this approach, the nitrate loads between groundwater and river could be quantified. In addition, nitrate concentrations within the groundwater were analised in dependence of surface water dynamics. Scenario simulations, assuming a decrease of incoming nitrate loads from the root zone, caused by landuse techniques, led to the quantification of the efficiency of landuse changes and advanced management strategies to inhibit pollution of groundwater and surface waters.
KW  - Grundwasser
KW  - Oberflächenwasser
KW  - Aue
KW  - Tiefland
KW  - Wasserhaushalt
KW  - Stoffhaushalt
KW  - Nitratdynamik
KW  - Grundwasserdynamik
KW  - Interaktionen
KW  - Ökohydrologie
KW  - floodplain
KW  - water balance
KW  - nitrate dynamics
KW  - coupled model
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-3487
ER  - 
TY  - THES
A1  - Barsch, Andreas
T1  - Zum Einfluss von Witterung und Klima auf den Landschaftszustand und die Landschaftsentwicklung im Uvs-Nuur-Becken (NW-Mongolei)
N2  - Im Landschaftszustand und in der Landschaftsentwicklung kommen funktionale Beziehungen zwischen dem naturbedingten Energie-, Wasser- und Stoffhaushalt einerseits und den Auswirkungen der Landnutzung andererseits zum Ausdruck. Gegenwärtig verändert der globale Anstieg der bodennahen Temperaturen vielerorts den landschaftlichen Energie-, Wasser- und Stoffhaushalt, wobei besonders in Trockengebieten zu erwarten ist, dass dieser Trend in Verbindung mit einer unangepassten Landnutzung das Regenerationsvermögen der Vegetation einschränkt und zur Zerstörung der Bodendecke führt.  Für die Mongolei und für benachbarte Gebiete Asiens sind in Szenarien zur globalen Erwärmung hohe Werte des Temperaturanstiegs prognostiziert worden. Eine globale Einschätzung der anthropogen induzierten Bodendegradation hat diese Region als stark oder extrem stark betroffen eingestuft. Vor diesem Hintergrund wurde im Uvs-Nuur-Becken, das im Nordwesten der Mongolei und damit in einer der trockensten Regionen des Landes gelegen ist, untersucht, wie sich der globale Temperaturanstieg auf der lokalen und regionalen Ebene widerspiegelt und wie der Landschaftshaushalt dabei verändert wird.  Die Auswirkungen des sommerlichen Witterungsverlaufes auf den Landschaftszustand sind 1997 bis 1999 an einem Transsekt erfasst worden, das sich zwischen dem Kharkhiraa-Gebirge am Westrand des Beckens und dem See Uvs Nuur im Beckeninneren von den Polsterfluren und Matten der alpinen Stufe über die Gebirgswaldsteppe, die Trockensteppe bis zur Halbwüste erstreckt. An neun Messpunkten wurden witterungsklimatische Daten in Verbindung mit Merkmalen der Vegetation, des Bodens und der Bodenfeuchte aufgenommen. Die im Sommer 1998 gewonnenen Messwerte wurden mit Hilfe einer Clusteranalyse gebündelt und verdichtet. Auf dieser Grundlage konnten landschaftliche Zustandsformen inhaltlich gekennzeichnet, zeitlich eingeordnet und durch Zeit-Verhaltens-Modelle (Stacks) abgebildet werden. Aus den Zeit-Verhaltens-Modellen wird ersichtlich, dass man Zustandsformen, in denen die Hitze und die Trockenheit des Sommers 1998 besonders stark zum Ausdruck kommen, an allen Messpunkten beobachten kann, nimmt man die Station auf dem fast 3.000 m hohen Gipfel des Khukh Uul sowie die grundwasserbeeinflusste Station in unmittelbarer Seenähe aus. In ihrer extremen Form sind Trockenperioden jedoch nur im Beckeninneren und am Fuß der Randgebirge, also in der Halbwüste, in der Trockensteppe und in der Wiesensteppe aufgetreten. Im Bergwald sowie im Bereich der alpinen Matten und Polsterfluren fehlen sie.  Am stärksten sind die grundwasserfreien Bereiche der Halbwüste von der Hitze und Niederschlagsarmut des Sommers 1998 betroffen. An vier Fünfteln der Tage des Beobachtungszeitraumes herrscht an diesem Messpunkt extreme Trockenheit. Es fällt entweder gar kein Niederschlag oder nur so wenig, dass der seit dem Frühjahr erschöpfte Bodenwasservorrat nicht aufgefüllt wird. Das Verhältnis zwischen Niederschlag und potenzieller Verdunstung liegt hier bei 1:12.  In der Halbwüste zeichnet sich eine fortschreitende Desertifikation ab, zumal hier eine nichtangepasste Weidenutzung dominiert, in der Ziegen eine immer größere Rolle spielen. Dies gilt insbesondere für Bereiche in Siedlungsnähe. Örtlich ist auch der Bestand der Trockensteppe gefährdet, die sich an die Halbwüste zum Beckenrand hin anschließt. Hier ist nicht nur die Viehdichte am höchsten, sondern hier werden auch die meisten unbefestigten Fahrwege wild angelegt und die Bodendecke damit zerstört. Dies kann im Endeffekt zu einem Übergreifen von Prozessen der Desertifikation führen.  Aus methodischer Sicht zeigt sich, dass die Kennzeichnung landschaftlicher Zustandsformen durch Zeit-Verhaltens-Modelle die Ermittlung der Auswirkungen von Witterung und Klima auf den Landschaftszustand erleichtert, da sie deren Aussage konzentriert. Zur Interpretation der Ergebnisse ist jedoch ein Rückgriff auf die beschreibende Darstellung der Messwerte notwendig. Die im westlichen Uvs-Nuur-Becken und seinen Randgebirgen angewandte Verfahrensweise ermöglicht es, globale Aussagen zur globalen Erwärmung der Kontinente regional oder lokal zu überprüfen und zu untersetzen."
N2  - Landscape condition and landscape development express the functional relations between energy balance, water balance and material balance on the one hand and on the other hand they reflect the effects of land use. At present the global increase of near-surface air temperature changes the energy balance, water balance and material balance in many places. Especially in arid regions this trend and an inappropriate land use restrict the regeneration ability of vegetation and lead to the degradation of soil cover.  Different scenarios for global warming prognosticate high values of increasing air temperature in Mongolia and its adjacent regions in Asia. A global estimation of anthropogenicly induced soil degradation classifies this region as strongly or extremely strong affected. Against this background a research was carried out in the Uvs Nuur Basin, placed in the northwest of Mongolia and therefore in one of the most arid regions of this country. The object of investigation was the reflection of the global increase of air temperature on a local and regional level and the resulting changes of landscape balance.  From 1997 to 1999 the effects of changes in summer weather on the landscape condition were measured on a transect from the Kharkhiraa mountains at the western margin of the basin up to the lake Uvs at the centre of the basin. The transect included alpine mat, mountain steppe, dry steppe and semi desert. Climatic data was collected at 9 transect stations, in addition with characteristics of vegetation, soil and soil moisture. The data of summer 1998 was bundled and consolidated with a cluster analysis. On this basis forms of landscape condition could be evaluated in content, arranged chronologically and characterised by time performance models (stacks).  The time performance models prove that forms of landscape condition marking the heat and the drought of summer 1998 can be found at every station of the transect except of the one on the summit of Khukh Uul at almost 3.000 m above sea level and another groundwater-influenced station at the bank of lake Uvs. However, extremely dry periods occur only from the centre of the basin up to the foothills, thus in the semi desert, the dry steppe and the short grass steppe. They do not occur in the mountain forest and in the alpine mat.  Areas in the semi desert are most affected by drought and lack of precipitation during the summer 1998. Four fifths of the days in the measurement period are extremely droughty days. Either there is no precipitation at all or it is insufficient to fill up the soil water storage exhausted since spring-time. The relation of precipitation and potential evaporation averages out here at 1:12.  A progressive desertification becomes apparent in the semi desert, particularly determined by an inappropriate land use in conjunction with an increasing goat-rearing in the area around the settlements. Partially this trend even affects the dry steppe in adjacency to the semi desert toward the margin of the basin. These areas are characterised not only by the highest stocking rate but also by the largest number of unofficial dirt roads thus leading to the denudation of the soil cover and finally to the spreading of desertification processes.  From the methodical point of view it is obvious that the characterisation by time performance models facilitates the determination of weather and climate influence on landscape condition by summarising their information. However, the interpretation of the results has to be accomplished by a describing analysis of the measured data. The procedure applied in the western Uvs Nuur Basin and its adjacent mountains provides the opportunity to examine and substantiate the reports on global warming at regional or local level.
KW  - Mongolei; Uvs-Nuur-Becken
KW  - Witterung
KW  - Klima
KW  - Landschaftshaushalt
KW  - Energie-
KW  - Wasser- und Stoffhaushalt
KW  - multivariate Statistik
KW  - Clusteranalyse
KW  - landsch
KW  - Mongolia
KW  - Uvs Nuur Basin
KW  - weather
KW  - climate
KW  - landscape balance
KW  - energy balance
KW  - water balance
KW  - material balance
KW  - multivariate statistics
KW  - cluster analy
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001184
ER  -