TY - THES A1 - Hesse, Cornelia T1 - Integrated water quality modelling in meso- to large-scale catchments of the Elbe river basin under climate and land use change T1 - Integrierte Gewässergütemodellierung in mittel- bis großskaligen Einzugsgebieten der Elbe unter dem Einfluss von Klima- und Landnutzungsänderungen N2 - In einer sich ändernden Umwelt sind Fließgewässerökosysteme vielfältigen direkten und indirekten anthropogenen Belastungen ausgesetzt, die die Gewässer sowohl in ihrer Menge als auch in ihrer Güte beeinträchtigen können. Ein übermäßiger Eintrag von Nährstoffen verursacht etwa Massenentwicklungen von Algen und Sauerstoffdefizite in den Gewässern, was zum Verfehlen der Ziele der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) führen kann. In vielen europäischen Einzugsgebieten und auch dem der Elbe sind solche Probleme zu beobachten. Während der letzten Jahrzehnte entstanden diverse computergestützte Modelle, die zum Schutz und Management von Wasserressourcen genutzt werden können. Sie helfen beim Verstehen der Nährstoffprozesse und Belastungspfade in Einzugsgebieten, bei der Abschätzung möglicher Folgen von Klima- und Landnutzungsänderungen für die Wasserkörper, sowie bei der Entwicklung eventueller Kompensationsmaßnahmen. Aufgrund der Vielzahl an sich gegenseitig beeinflussenden Prozessen ist die Modellierung der Wasserqualität komplexer und aufwändiger als eine reine hydrologische Modellierung. Ökohydrologische Modelle zur Simulation der Gewässergüte, einschließlich des Modells SWIM (Soil and Water Integrated Model), bedürfen auch häufig noch einer Weiterentwicklung und Verbesserung der Prozessbeschreibungen. Aus diesen Überlegungen entstand die vorliegende Dissertation, die sich zwei Hauptanliegen widmet: 1) einer Weiterentwicklung des Nährstoffmoduls des ökohydrologischen Modells SWIM für Stickstoff- und Phosphorprozesse, und 2) der Anwendung des Modells SWIM im Elbegebiet zur Unterstützung eines anpassungsfähigen Wassermanagements im Hinblick auf mögliche zukünftige Änderungen der Umweltbedingungen. Die kumulative Dissertation basiert auf fünf wissenschaftlichen Artikeln, die in internationalen Zeitschriften veröffentlicht wurden. Im Zuge der Arbeit wurden verschiedene Modellanpassungen in SWIM vorgenommen, wie etwa ein einfacher Ansatz zur Verbesserung der Simulation der Wasser- und Nährstoffverhältnisse in Feuchtgebieten, ein um Ammonium erweiterter Stickstoffkreislauf im Boden, sowie ein Flussprozessmodul, das Umwandlungsprozesse, Sauerstoffverhältnisse und Algenwachstum im Fließgewässer simuliert, hauptsächlich angetrieben von Temperatur und Licht. Auch wenn dieser neue Modellansatz ein sehr komplexes Modell mit einer Vielzahl an neuen Kalibrierungsparametern und steigender Unsicherheit erzeugte, konnten gute Ergebnisse in den Teileinzugsgebieten und dem gesamten Gebiet der Elbe erzielt werden, so dass das Modell zur Abschätzung möglicher Folgen von Klimavariabilitäten und veränderten anthropogenen Einflüssen für die Gewässergüte genutzt werden konnte. Das neue Fließgewässermodul ist ein wichtiger Beitrag zur Verbesserung der Nährstoffmodellierung in SWIM, vor allem für Stoffe, die hauptsächlich aus Punktquellen in die Gewässer gelangen (wie z.B. Phosphat). Der neue Modellansatz verbessert zudem die Anwendbarkeit von SWIM für Fragestellungen im Zusammenhang mit der WRRL, bei der biologische Qualitätskomponenten (wie etwa Phytoplankton) eine zentrale Rolle spielen. Die dargestellten Ergebnisse der Wirkungsstudien können bei Entscheidungsträgern und anderen Akteuren das Verständnis für zukünftige Herausforderungen im Gewässermanagement erhöhen und dazu beitragen, ein angepasstes Management für das Elbeeinzugsgebiet zu entwickeln. N2 - In a changing world facing several direct or indirect anthropogenic challenges the freshwater resources are endangered in quantity and quality. An excessive supply of nutrients, for example, can cause disproportional phytoplankton development and oxygen deficits in large rivers, leading to failure of the aims requested by the Water Framework Directive (WFD). Such problems can be observed in many European river catchments including the Elbe basin, and effective measures for improving water quality status are highly appreciated. In water resources management and protection, modelling tools can help to understand the dominant nutrient processes and to identify the main sources of nutrient pollution in a watershed. They can be effective instruments for impact assessments investigating the effects of changing climate or socio-economic conditions on the status of surface water bodies, and for testing the usefulness of possible protection measures. Due to the high number of interrelated processes, ecohydrological model approaches containing water quality components are more complex than the pure hydrological ones, and their setup and calibration require more efforts. Such models, including the Soil and Water Integrated Model (SWIM), still need some further development and improvement. Therefore, this cumulative dissertation focuses on two main objectives: 1) the approach-related objectives aiming in the SWIM model improvement and further development regarding nutrient (nitrogen and phosphorus) process description, and 2) the application-related objectives in meso- to large-scale Elbe river basins to support adaptive river basin management in view of possible future changes. The dissertation is based on five scientific papers published in international journals and dealing with these research questions. Several adaptations were implemented in the model code to improve the representation of nutrient processes including a simple wetland approach, an extended by ammonium nitrogen cycle in the soils, as well as a detailed in-stream module, simulating algal growth, nutrient transformation processes and oxygen conditions in the river reaches, mainly driven by water temperature and light. Although this new approaches created a highly complex ecohydrological model with a large number of additional calibration parameters and rising uncertainty, the calibration and validation of the SWIM model enhanced by the new approaches in selected subcatchment and the entire Elbe river basin delivered satisfactory to good model results in terms of criteria of fit. Thus, the calibrated and validated model provided a sound base for the assessment of possible future changes and impacts in climate, land use and management in the Elbe river (sub)basin(s). The new enhanced modelling approach improved the applicability of the SWIM model for the WFD related research questions, where the ability to consider biological water quality components (such as phytoplankton) is important. It additionally enhanced its ability to simulate the behaviour of nutrients coming mainly from point sources (e.g. phosphate phosphorus). Scenario results can be used by decision makers and stakeholders to find and understand future challenges and possible adaptation measures in the Elbe river basin. KW - Elbe KW - SWIM KW - Wassergütemodellierung KW - water quality modelling KW - Nährstoffe KW - nutrients KW - Nährstoffretention KW - nutrient retention KW - Flussprozesse KW - in-stream processes KW - climate change KW - land use change KW - Klimaänderung KW - Landnutzungsänderung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-422957 ER - TY - THES A1 - 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 - Förster, Saskia T1 - An analysis of hydraulic, environmental and economic impacts of flood polder management at the Elbe River T1 - Analyse von hydraulischen, ökologischen und ökonomischen Auswirkungen des Flutpoldermanagements an der Elbe N2 - Flood polders are part of the flood risk management strategy for many lowland rivers. They are used for the controlled storage of flood water so as to lower peak discharges of large floods. Consequently, the flood hazard in adjacent and downstream river reaches is decreased in the case of flood polder utilisation. Flood polders are usually dry storage reservoirs that are typically characterised by agricultural activities or other land use of low economic and ecological vulnerability. The objective of this thesis is to analyse hydraulic, environmental and economic impacts of the utilisation of flood polders in order to draw conclusions for their management. For this purpose, hydrodynamic and water quality modelling as well as an economic vulnerability assessment are employed in two study areas on the Middle Elbe River in Germany. One study area is an existing flood polder system on the tributary Havel, which was put into operation during the Elbe flood in summer 2002. The second study area is a planned flood polder, which is currently in the early planning stages. Furthermore, numerical models of different spatial dimensionality, ranging from zero- to two-dimensional, are applied in order to evaluate their suitability for hydrodynamic and water quality simulations of flood polders in regard to performance and modelling effort. The thesis concludes with overall recommendations on the management of flood polders, including operational schemes and land use. In view of future changes in flood frequency and further increasing values of private and public assets in flood-prone areas, flood polders may be effective and flexible technical flood protection measures that contribute to a successful flood risk management for large lowland rivers. N2 - Flutpolder werden zum gezielten Rückhalt von Wasser eingesetzt, um Spitzenabflüsse von großen Hochwassern zu senken. Dadurch wird im Falle des Flutpoldereinsatzes die Hochwassergefährdung für flussab gelegene Flussabschnitte verringert. Flutpolder sind meist trockene Staubecken, die typischerweise durch landwirtschaftliche Nutzung gekennzeichnet sind. Ziel der Dissertation ist die Analyse von hydraulischen, ökologischen und ökonomischen Auswirkungen des Einsatzes von Flutpoldern, um daraus Schlussfolgerungen für ihre Bewirtschaftung zu ziehen. Dazu werden numerische Modelle zur Simulation der Hydrodynamik und Wassergüte sowie ein landwirtschaftliches Schadenmodell gemeinsam in einem integrativen Ansatz eingesetzt. Ein Untersuchungsgebiet ist ein existierendes Flutpoldersystem am Nebenfluss Havel, welches während der Elbeflut im Sommer 2002 zum Einsatz kam. Das zweite Untersuchungsgebiet ist ein geplanter Flutpolder, welcher sich bisher noch in einem frühen Planungsstadium befindet. Darüber hinaus werden numerische Modelle verschiedener räumlicher Dimensionalität von null- bis zwei-dimensional angewandt, um ihre Eignung für hydrodynamische und Wassergütesimulationen von Flutpoldern hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und des Modellierungsaufwands zu bewerten. Die Dissertation schließt mit übergreifenden Empfehlungen zur Bewirtschaftung von Flutpoldern einschließlich Kontrollstrategien und Landnutzung ab. Im Hinblick auf zukünftige Änderungen in der Auftretenshäufigkeit von Hochwassern und weiterhin ansteigenden Werten von privatem und öffentlichem Vermögen in überflutungsgefährdeten Gebieten stellen Flutpolder ein effektive und flexible Maßnahmen des technischen Hochwasserschutzes dar, welche zu einem erfolgreichen Hochwasserrisikomanagement großer Tieflandflüsse beitragen. KW - Flutpolder KW - Elbe KW - hydrodynamische Simulation KW - Wassergütesimulation KW - Schadenabschätzung KW - Modellkomplexität KW - Flood polders KW - Elbe River KW - hydrodynamic modelling KW - water quality modelling KW - damage estimation KW - model complexity Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-27260 ER -