Shaochun Huang

• Water resources, in terms of quantity and quality, are significantly influenced by environmental changes, especially by climate and land use changes. The main objective of the present study is to project climate change impacts on the seasonal dynamics of water fluxes, spatial changes in water balance components as well as the future flood and low flow conditions in Germany. This study is based on the modeling results of the process-based eco-hydrological model SWIM (Soil and Water Integrated Model) driven by various regional climate scenarios on one hand. On the other hand, it is supported by statistical analysis on long-term trends of observed and simulated time series. In addition, this study evaluates the impacts of potential land use changes on water quality in terms of NO3-N load in selected sub-regions of the Elbe basin. In the context of climate change, the actual evapotransipration is likely to increase in most parts of Germany, while total runoff generation may decrease in south and east regions in the scenario periodWater resources, in terms of quantity and quality, are significantly influenced by environmental changes, especially by climate and land use changes. The main objective of the present study is to project climate change impacts on the seasonal dynamics of water fluxes, spatial changes in water balance components as well as the future flood and low flow conditions in Germany. This study is based on the modeling results of the process-based eco-hydrological model SWIM (Soil and Water Integrated Model) driven by various regional climate scenarios on one hand. On the other hand, it is supported by statistical analysis on long-term trends of observed and simulated time series. In addition, this study evaluates the impacts of potential land use changes on water quality in terms of NO3-N load in selected sub-regions of the Elbe basin. In the context of climate change, the actual evapotransipration is likely to increase in most parts of Germany, while total runoff generation may decrease in south and east regions in the scenario period 2051-2060. Water discharge in all six studied large rivers (Ems, Weser, Saale, Danube, Main and Neckar) would be 8 – 30% lower in summer and autumn compared to the reference period (1961 – 1990), and the strongest decline is expected for the Saale, Danube and Neckar. The 50-year low flow is likely to occur more frequently in western, southern and central Germany after 2061 as suggested by more than 80% of the model runs. The current low flow period (from August to September) may be extended until the late autumn at the end of this century. Higher winter flow is expected in all of these rivers, and the increase is most significant for the Ems (about 18%). No general pattern of changes in flood directions can be concluded according to the results driven by different RCMs, emission scenarios and multi-realizations. An optimal agricultural land use and management are essential for the reduction in nutrient loads and improvement of water quality. In the Weiße Elster and Unstrut sub-basins (Elbe), an increase of 10% in the winter rape area can result in 12-19% more NO3-N load in rivers. In contrast, another energy plant, maize, has a moderate effect on the water environment. Mineral fertilizers have a much stronger effect on the NO3-N load than organic fertilizers. Cover crops, which play an important role in the reduction of nitrate losses from fields, should be maintained on cropland. The uncertainty in estimating future high flows and, in particular, extreme floods remain high due to different RCM structures, emission scenarios and multi-realizations. In contrast, the projection of low flows under warmer climate conditions appears to be more pronounced and consistent. The largest source of uncertainty related to NO3-N modelling originates from the input data on the agricultural management.…
• Wasserressourcen werden in Quantität und Qualität von Veränderungen in der Umwelt, insbesondere von Änderungen des Klimas und der Landnutzung, in signifikantem Maße beeinflusst. In dieser Arbeit wurden die Auswirkungen von Klimavariabilität und Klimawandel auf die Wasserressourcen und Extremereignisse wie Hoch- und Niedrigwasser in Deutschland untersucht. Die Analyse erfolgte auf der einen Seite modellgestützt, wobei die Ergebnisse aus verschiedenen regionalen Klimamodellen durch ein ökohydrologisches Modell in Änderungen in den hydrologischen Prozessen transformiert wurden, zum anderen aber auch datengestützt, z.B. durch die statistische Interpretation von beobachteten und simulierten Zeitreihen. Zusätzlich wurden die Auswirkungen von Landnutzungsänderungen auf Umsatz von Stickstoff in der Landschaft und im Wasser untersucht, wobei dasselbe ökohydrologische Modell zum Einsatz kam. Im Rahmen des Klimawandels wird zur Mitte dieses Jahrhunderts die aktuelle Evapotranspiration in den meisten Teilen Deutschlands mit großerWasserressourcen werden in Quantität und Qualität von Veränderungen in der Umwelt, insbesondere von Änderungen des Klimas und der Landnutzung, in signifikantem Maße beeinflusst. In dieser Arbeit wurden die Auswirkungen von Klimavariabilität und Klimawandel auf die Wasserressourcen und Extremereignisse wie Hoch- und Niedrigwasser in Deutschland untersucht. Die Analyse erfolgte auf der einen Seite modellgestützt, wobei die Ergebnisse aus verschiedenen regionalen Klimamodellen durch ein ökohydrologisches Modell in Änderungen in den hydrologischen Prozessen transformiert wurden, zum anderen aber auch datengestützt, z.B. durch die statistische Interpretation von beobachteten und simulierten Zeitreihen. Zusätzlich wurden die Auswirkungen von Landnutzungsänderungen auf Umsatz von Stickstoff in der Landschaft und im Wasser untersucht, wobei dasselbe ökohydrologische Modell zum Einsatz kam. Im Rahmen des Klimawandels wird zur Mitte dieses Jahrhunderts die aktuelle Evapotranspiration in den meisten Teilen Deutschlands mit großer Wahrscheinlichkeit zunehmen. Die täglichen Abflussmengen der fünf größten Flussgebiete in Deutschland (Ems, Weser, Elbe, Obere Donau und Rhein) werden dieser Untersuchung zur Folge im Sommer und Herbst um 8%-30% geringer sein als in der Referenzperiode (1961-1990). 80% der Szenariensimulationen stimmen darin überein, dass die 50-jährigen Niedrigwasserereignisse zum Ende dieses Jahrhunderts mit großer Wahrscheinlichkeit häufiger in den westlichen, den südlichen und den zentralen Teilen Deutschlands auftreten werden. Die gegenwärtige Niedrigwasserperiode (August-September) könnte sich zudem dann bis in den späten Herbst ausweiten. Für alle Flüsse werden höhere Winterabflüsse erwartet, wobei diese Zunahme für die Ems am stärksten ausfällt (ca. 18%). Mit größerer Unsicherheit sind dagegen die Aussagen zur Entwicklung der Hochwasser behaftet. Aus den Ergebnissen, die durch unterschiedliche regionale Klimamodelle und Szenarien getrieben wurden, kann jedoch kein allgemeingültiges Muster für die Änderungen der 50-jährigen Hochwässer ausgemacht werden. Eine optimierte Landnutzung und ein optimiertes Landmanagement sind für die Reduzierung der NO3-Einträge in die Oberflächengewässer essentiell. In den Einzusgebieten der Weißen Elster und der Unstrut (Elbe) kann eine Zunahme von 10% in der Anbaufläche von Winterraps zu einer 12-19% höheren NO3 Fracht führen. Mais, eine weitere Energiepflanze, hat hingegen einen mäßigeren Effekt auf die Oberflächengewässer. Die Höhe der Gabe von mineralischen Düngern beeinflußt zudem in starkem Maße die Nitratbelastung von Flüssen. Zwischenfrüchte können den NO3-Austrag im Sommer zusätzlich erheblich verringern. Insgesamt bleibt die Unsicherheit in der Vorhersage von Spitzenabflüssen und im Besonderen von Extrem-Hochwässern als Folge unterschiedlicher regionaler Klimamodelle, Emissionsszenarien und Realisationen sehr hoch. Im Gegensatz dazu erscheinen die Projektionen zu den Niedrigwasserereignissen unter wärmeren Bedingungen sehr viel deutlicher und einheitlicher. Die größte Unsicherheit in der Modellierung von NO3 dagegen sind die Eingangsdaten z.B. für das lokale landwirtschaftliche Management.…