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The reanalysis products and derived products, ERA5 (Copernicus Climate Change Service, 2018) and W5E5 (WATCH Forcing Data (WFD) methodology applied to ERA5) (LANGE ET AL., 2021) have been recently published initiating a new phase of scientific research utilizing these datasets. ERA5 and W5E5 offer the possibility to reduce insecurities in model results through their improved quality compared to previous climate reanalyses (CUCCHI ET AL., 2020). The suitability of either climate forcing as input for the hydrological model WaterGAP and the influence of the models specific calibration routine has been evaluated with four model experiments. The model was validated by analysing the models ability to produce reasonable values for global water balance components and to reproduce observed discharge in 1427 basins as well as total water storage anomalies in 143 basins using well established efficiency metrics. Bias correction of W5E5 was found to lead to more global realistic mean precipitation and consequently discharge and AET values. In an uncalibrated model setup ERA5 results in better performances across all efficiency metrics. Model results produced with W5E5 as climate input were strongly improved through calibration ultimately leading to the best performances out of all four model experiments. However, model performances considerably improved through calibration with both climate forcings hence calibration was found to have the strongest effect on model performance. Furthermore, spatial differences in performance of either forcing were identified. Snow-dominated regions show an overall better performance with ERA5, while wetter and warmer regions are better represented with W5E5. Finally, it can be concluded that W5E5 should be preferred as climate input for impact modelling; however, depending on the spatial scale and region ERA5 should at least be considered, in particular for snow-dominated regions.
WaterGAP (Water - Global Assessment and Prognosis) is a tool for modeling global water use and water availability. It participates among other models in the ISIMIP initiative (The Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project). As part of this initiative, the water temperature should be calculated by participating hydrological models because it plays a vital role in many chemical, physical and biological processes. Therefore, the subject of this master thesis is to implement the physically based surface water temperature computation after VAN BEEK ET AL. (2012) and WANDERS ET AL. (2019) into WaterGAP and compare the results to the statistical regression approach by PUNZET ET AL. (2012). The computation is validated with observed water temperature data obtained from the GEMStat water quality database. The results are good for arctic and temperate latitudes. Surface water temperatures for tropical rivers are overestimated, most likely due to the overestimation of precipitation temperatures, incoming radiation and groundwater temperatures. The comparison with the regression model by PUNZET ET AL. (2012) shows matching results. The regression model even matches with WaterGAP results for most of the simulations of the future under climate change conditions, where the regression model should stop working due to changing environmental parameters. Several assumptions had to be made in order to implement the water temperature calculation in Water-GAP. These include, e.g., discharge temperatures for power plant cooling water, precipitation and surface runoff temperatures. For model improvements, perhaps three different values for the different regions of the world should be used to cool down the precipitation and surface runoff. The model could also be improved by refining the ice formation calculation, especially for the conditions when the ice melts, breaks up and is transported downstream. Furthermore, the feedback to the river channel roughness could be implemented if ice has formed. The WaterGAP model upgraded with the water temperature calculation will help the ISIMIP initiative in the future.
In the past sixty years, excessive water consumption and dam construction have significantly influenced natural flow regimes and surface freshwater ecosystems throughout China, and thus resulted in serious environmental problems. In order to balance the competing water demands between human and environment and provide knowledge on sustainable water management, assessments on anthropogenic flow alterations and their impacts on aquatic and riparian ecosystems in China are needed.
In this study, the first evaluation on quantitative relationships between anthropogenic flow alterations and ecological responses in eleven river basins and watersheds in China was performed based on the data that could be obtained from published case studies. Quantitative relationships between changes in average annual discharge, seasonal low flow and seasonal high flow and changes in ecological indicators (fish diversity, fish catch and vegetation cover, etc.) were analyzed. The results showed that changes in riparian vegetation cover as well as changes in fish diversity and fish catch were strongly correlated with the changes in flow magnitude (r = 0.77, 0.66), especially with changes in average annual river discharge. In addition, more than half of the variations in vegetation cover could be explained by changes in average annual river discharge (r² = 0.63) and roughly 50 % changes in fish catch in arid and semi-arid region and 60% changes of fish catch in humid region could be related to alterations in average annual river discharge (r² = 0.53, 0.58).
In a supplementary analysis of this study, the first estimation on quantitative relationships between decreases in native fish species richness and anthropogenic flow alterations in 34 river basins and sub-basins in China was conducted. Linear relationships between losses of native fish species and five ecologically relevant flow indicators were analyzed by single and multiple regression models. For the single regression analysis, significant linear relationships were detected for the indicators of long-term average annual discharge (ILTA) and statistical low flow Q90 (IQ90). For the multiple regressions, no indicator other than ILTA has significant relationships with changes in number of fish species mainly due to collinearity. Two conclusions emerged from the analysis: 1) losses of fish species were positively correlated with changes in ILTA in China and 2) indicator of ILTA was dominant over other flow indicators included in this research for the given dataset. These results provide a guideline for the sustainable water resources management in rivers with high risk of fish extinction in China.
Floodplains and other wetlands depend on seasonal river flooding and play an important role in the terrestrial water cycle. They influence evapotranspiration, water storage and river discharge dynamics, and they are the habitat of a large number of animals and plants. Thus, to assess the Earth’s system and its changes, a robust understanding of the dynamics of floodplain wetlands including inundated areas, water storages, and water flows is required.
This PhD thesis aims at improving the modeling of large floodplains and wetlands within the global-scale hydrological model WaterGAP, in order to better estimate water flows and water storage variations in different storage compartments. Within the scope of this thesis, I have developed a new approach to simulate dynamic floodplain inundation on a global-scale. This approach introduces an algorithm into WaterGAP, which has a spatial resolution of 0.5 degree (longitude and latitude) globally. The new approach uses subgrid-scale topography, based on high-resolution digital elevation models, to describe the floodplain elevation profile within each grid cell by applying a hypsographic curve. The approach comprises the modeling of a two-way river-floodplain interaction, the separate downstream water transport within the river and the floodplain – both with temporally and spatially different variable flow velocities – and the floodplain-groundwater interactions. The WaterGAP version that includes the floodplain algorithm, WaterGAP 2.2b_fpl, estimates floodplain and river water storage, inundated area and water table elevation, and also simulates backwater effects.
WaterGAP 2.2b_fpl was applied to model river discharge, river flow velocity, water storages, water heights and surface water extent on a global-scale. Model results were comprehensively validated against ground observations and remote sensing data. Overall, the modeled and observed data are in agreement. In comparison to the former version WaterGAP 2.2b, the model performance has improved significantly. The improvements are most remarkable in the Amazon River basin. However, the seasonal variation of surface water extent and total water storage anomalies are still too low in many regions on the globe when compared to observations. A detailed analysis of the simulated results suggests that in the Amazon River basin the introduction of backwater effects is important for realistically simulating water storages and surface water extent. Future efforts should focus on the simulation of water levels in order to better model the flow routing according to water slope. To further improve the model performance in specific regions, I recommend that the globally constant model parameters that affect inundation initiation, river-floodplain interaction, DEM correction for vegetation, and backwater amount at basin or subbasin-scale be adjusted.
Bayesian Networks are computer-based environmental models that are frequently used to support decision-making under uncertainty. Under data scarce conditions, Bayesian Networks can be developed, parameterized, and run based on expert knowledge only. However, the efficiency of expert-based Bayesian Network modeling is limited by the difficulty in deriving model inputs in the time available during expert workshops. This thesis therefore aimed at developing a simple and robust method for deriving conditional probability tables from expert estimates in a time-efficient way. The design and application of this new elicitation and conversion method is demonstrated using a case study in Xinjiang, Northwest China. The key characteristics of this method are its time-efficiency and the approach to use different conversion tables based on varying levels of confidence. Although the method has its limitations, e.g. it can only be applied for variables with one conditioning variable; it provides the opportunity to support the parameterization of Bayesian Networks which would otherwise remain half-finished due to time constraints. In addition, a case study in the Murray-Darling Basin, Australia, is used to compare Bayesian Network types and software to improve the presentation clarity of large Bayesian Networks. Both case studies aimed at gaining insights on how to improve the applicability of Bayesian Networks to support environmental management.
Agriculture of crops provides more than 85% of the energy in human diet, while also securing income of more than 2.6 billion people. To investigate past, present and future changes in the domain of food security, water resources and water use, nutrient cycles, and land management it is required to know the agricultural land use, in particular which crop grows where and when. The current global land use or land cover data sets are based on remote sensing and agricultural census statistics. In general, these only contain one or very few classes of agricultural land use. When crop-specific areas are given, no distinction of irrigated and rainfed areas is made, whereas it is necessary to distinguish rainfed and irrigated crops, because crop productivity and water use differ significantly between them.
To support global-scale assessments that are sensitive to agricultural land use, the global data set of Monthly Irrigated and Rainfed Crop Areas around the year 2000 (MIRCA2000) was developed by the author. With a spatial resolution of 5 arc-minutes (approximately 9.2 km at the equator), MIRCA2000 provides for the first time, spatially explicit irrigated and rainfed crop areas separately for each of the 26 crop classes for each month of the year, and includes multi-cropping. The data set covers all major food crops as well as cotton, while the remaining crops are grouped into three categories (perennial, annual and fodder grasses). Also for the first time, crop calendars on national or sub-national level were consistently linked to annual values of harvested area at the 5 arc-minutes grid cell level, such that monthly growing areas could be computed that are representative for the time period 1998 to 2002.
The downscaling algorithm maximizes the consistency to the grid-based input data of cropland extent [Ramankutty et al., 2008], crop-specific total annual harvested area [Monfreda et al., 2008], and area equipped for irrigation [Siebert et al., 2007]. In addition to the methodology, this dissertation describes differences to other datasets and standard scaling methods, as well as some applications. For quality assessment independent datasets and newly developed quality parameters are used, and scale effects are discussed.
Supplementary Appendices document crop calendars for irrigated and rainfed crops for each of the 402 spatial units (Appendix I), data sources of harvested area and of cropping periods for irrigated crops, country by country (Appendix K), as well as data quality parameters (Appendix L, including spreadsheet files).
Long-term average groundwater recharge representing the sustainable groundwater resources is modeled as a 0.5° by 0.5° grid on global scale by the WaterGAP Global Hydrology Model. Due to uncertainties of estimating groundwater recharge, especially in semiarid and arid regions, independent estimates are used for calibrating the model. This work compiled a new set of independent groundwater recharge estimates based on a work of Scanlon et al. (2006). The 59 independent estimates, together with an already existing independent estimates compilation, are used for the evaluation of two WGHM variants; one variant is modeling with an improved more realistically distributed daily precipitation dataset.
The objective of this thesis is the evaluation of the modeled data of the WaterGAP Global Hydrology Model (WGHM). The analysis of the impact of the new Watch Forcing Data (WFD) precipitation dataset on the modeled groundwater recharge tends to result in lower values in humid and higher values in (semi-)arid regions compared to the WGHM standard variant. Comparing both WGHM variants to the independent estimates compilations, representing (semi-)arid regions, the WGHM variant shows over- and underestimations especially of the low values and the WGHM WFD variant shows a bias toward overestimation especially for values below 4 mm/yr. The analysis of texture, hydrogeology and vegetation/ land cover could not give satisfying explanations for the discrepancies, but derived from the groundwater recharge measurement methods analysis indirect/ localized recharge seems to be a significant factor causing underestimations, as resulted in the comparison of the independent estimates based on Scanlon et al. 2006 with the WGHM variants.
The estimation of water balance components as well as water-related indicators on the land surface by means of global hydrological models have evolved in recent decades. Results of such models are frequently used in global- and continental-scale assessments of the current and future state of the terrestrial water cycle and provide a valuable data basis, e.g., for the Intergovernmental Panel on Climate Change. The Water – Global Assessment and Prognosis (WaterGAP) model is one of the state-of-the-art models in that field and has been in development and application for around 20 years. The evaluation, modification and application of WaterGAP is the subject of this thesis. In particular, the sensitivity of climate input data on radiation calculation and simulated water fluxes and storages is evaluated in the first part. Effects of model modification such as updated spatial input datasets, improved process representation or an alternative calibration scheme are the focus of the second part. Finally, three applications of WaterGAP give insight into the capabilities of that model, namely an estimate of global and continental water balance components, an assessment of groundwater depletion and the impact of climate change on river flow regimes. Model experiments, which are described in six journal papers as well as the appendices, were used as the basis for answering the total of 13 research questions. One of the major foci was to quantify the sensitivity of simulated water fluxes and storages to alternative climate input data. It was found that the handling of precipitation undercatch leads to the greatest difference in water balance components, especially in those areas where WaterGAP is not calibrated due to a lack of river discharge observations. The modifications of WaterGAP in the last few decades has led in general to an improved simulation of monthly river discharge, but process representation in semi-arid and arid regions still requires improvements. With the most current model version, WaterGAP 2.2b, and for the time period 1971–2000, river discharge to the oceans and inland sinks is estimated to be 40 000 km3 yr-1, whereas actual evapotranspiration is simulated as 70 500 km3 yr-1. Future research needs for WaterGAP in particular but also for the global hydrological model community in general are defined, promoting a community-driven effort for a robust assessment of the continental water cycle.
140 Liter Wasser werden für die Herstellung einer Tasse Kaffee benötigt, 1.300 Liter Wasser für ein Kilo Gerste und 3.400 Liter Wasser für ein Kilo Reis. Diese Zahlen mögen im ersten Moment unglaubwürdig erscheinen, doch sie entsprechen der Wirklichkeit. Für die Herstellung von nahezu allen Produkten wird Wasser in teils sogar sehr großen Mengen benötigt. In dem Endprodukt jedoch findet sich meist nur ein kleiner Teil des ursprünglich eingesetzten Wassers in seiner physischen Form wieder. Der überwiegende Anteil wurde während des Produktionsprozesses verdunstet oder zur Kühlung eingesetzt und wird daher als „virtuelles Wasser“ bezeichnet. Aufgrund des Exports und Imports von Produkten im Zuge des internationalen Handels kommt es somit auch zu Strömen von virtuellem Wasser zwischen den einzelnen Ländern. In dieser Bachelorarbeit wird der virtuelle Wasserhandel mit 23 verschiedenen Feldfrüchten mit dem Fokus auf Deutschland für den Zeitraum von 1998 bis 2002 untersucht. In die Berechnung dieser virtuellen Wasserströme ist ein neuartiges Modell eingegangen, das Global Crop Water Model (GCWM), welches den virtuellen Wassergehalt für unterschiedliche Feldfruchtgruppen global für jede 5-Minuten-Zelle auf Basis detaillierter Daten berechnet. Dank dieses Modells ist es möglich, eine Trennung zwischen dem virtuellen Wasser, welches aus der Nutzung des Niederschlagswassers und dem virtuellen Wasser, welches aus der Bewässerung von Ackerflächen resultiert, vorzunehmen und diese getrennt von einander zu analysieren. Mittels der Verwendung der Handelsstatistik Comtrade der Vereinten Nationen lässt sich aus den Ergebnissen des GCWM der virtuelle Wasserhandel darstellen. Es zeigt sich, dass Deutschland das meiste Wasser in seiner virtuellen Form nach Algerien, Saudi-Arabien, Belgien und in die Niederlande exportiert, wohingegen aus Brasilien, den USA, Frankreich und der Elfenbeinküste die größten virtuellen Wassermengen importiert werden.
In situ rainwater harvesting has a long history in arid and semi-arid regions of the world buffering water shortages for human consumption and agriculture. In the context of an Integrated Water Resource Management (IWRM) in the Cuvelai Basin in northern Namibia, roof top rainwater harvesting is being introduced to a rural community for the irrigation of household scale gardens for the cultivation of horticulture products. This study elaborates how harvested rainwater can be used for garden irrigation in a sustainable manner evaluating ecologic, economic and social implications. Considering local conditions eight cropping scenarios were designed, including different criteria as well as one and two annual planting seasons. These schemes were tested under present climate conditions and under three future climate change scenarios for 2050 with the help of a tank model designed to model monthly tank inflows and outflows. Special attention was laid on risk and uncertainty aspects of varying inter-annual and interseasonal precipitation and future climate change. A framework for the assessment of sustainability was adapted to the purposes of this study and indicators have been developed in order to assess the cropping and irrigation schemes for sustainability.
The study found that with the given tank size of 30 m³, depending on crop scenario, under optimized conditions a garden area of 60 to 90 m³ can be irrigated. The choice of crops highly impacts water use efficiency and economic profitability, compared to the considerably lower impact of amount of annual planting seasons and future climate change. In the case of worsening future climate conditions, adaptation measures need to be taken as especially the economic as well as the environmental situation are expected to exacerbate due to expected decreases in yields and revenues. Already under present conditions however, the economic dimension represents the most limiting factor to sustainability, particularly due to the excessive investment costs of the rainwater harvesting and gardening facility. Nonetheless, rainwater harvesting in combination with gardening can be regarded as successful in securing household nutrition, providing sufficient horticulture products for household consumption or market sale. At the same time with the optimal choice of crops the investment costs can be recovered within the end of the lifespan of the facility.
Water is scarce in semi-arid and arid regions. Using alternative water sources (i.e. non-conventional water sources), such as municipal reuse water and harvested rain, contributes to using existing water resources more efficiently and productively. The aim of this study is to evaluate the two alternative water sources reuse water and harvested rain for the irrigation of small-holder agriculture from a system perspective. This helps decision and policy makers to have proper information about which system and technology to adopt under local conditions. For this, the evaluation included ecologic, societal, economic, institutional and political as well as technical aspects. For the evaluation, the study area in central-northern Namibia was chosen in the frame of the research and development project CuveWaters. The main methods used include a mathematical material flow analysis, the computation and modelling of crop requirements, a multi-criteria decision analysis using the Analytical Hierarchy Process (AHP) method and a financial cost-benefit analysis. From a systemic perspective, the proposed novel systems were compared to the exciting conventional infrastructure. The results showed that both water reuse and rainwater harvesting systems for the irrigation of small-holder horticulture offer numerous technological, ecologic, economic, societal, institutional and political benefits. Rainwater harvesting based gardens have a positive benefit-cost ratio under favorable conditions. Government programs could fund the infrastructure investment costs, while the micro-entrepreneur can assume a micro-credit to finance operation and maintenance costs. Installing sanitation in informal settlements and reusing municipal water for irrigation reduces the overall water demand of households and agriculture by 39%, compared to improving sanitation facilities in informal settlements without reusing the water for agriculture. Given that water is the limiting factor for crop fertigation, the generated nutrient-rich reuse water is sufficient to annually irrigate about 10 m2 to 13 m2 per sanitation user. Compared to crop nutrient requirements, there are too many nutrients in the reuse water. Thus when using nutrient-rich reuse water, no use of fertilizers and a careful salt management is necessary. When comparing this novel system with improved sanitation, advanced wastewater treatment and nutrient-rich water reuse to the conventional and to two adapted systems, results showed that the novel CuveWaters system is the best option for the given context in a semi-arid developing country. Therefore, the results of this study suggest a further roll-out of the novel CuveWaters system. The methodology developed and the results of this study demonstrated that taking sanitation users into consideration plays a major role for the planning of an integrated water reuse infrastructure because they are the determinant factor for the amount of available nutrient-rich reuse water. In addition, it could be shown that water reuse and rainwater harvesting systems for the irrigation of small-scale gardens provide a wide range of benefits and can be key to using scarce water resources more efficiently and to contributing to the Sustainable Development Goals.
Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Forschungsprojekts „Integrierte Analyse von mobilen, organischen Fremdstoffen in Fließgewässern“ (INTAFERE) am Institut für Physische Geographie an der Goethe-Universität Frankfurt erstellt. In INTAFERE wurde das Gefährdungspotenzial von mobilen, organischen Fremdstoffen (MOF) für aquatische Ökosysteme und die natürlichen Wasserressourcen in integrierter und partizipativer Art und Weise untersucht. MOF sind chemische Substanzen, die in Alltagsprodukten enthalten sind und durch unterschiedliche Eintragsfade in unbekannten Mengen in Oberflächengewässer eingetragen werden. Problematisch sind aus Umweltgesichtspunkten ihre Eigenschaften: sie besitzen im Wasser eine hohe Mobilität und sind schwer abbaubar. Dies führt zu einer Persistenz über lange Zeiträume. Für einige dieser Substanzen wurde zudem gezeigt, dass sie in sehr geringen Konzentrationen biologisch aktiv sind und für aquatische Ökosysteme eine Gefahr darstellen. In INTAFERE wurden drei zentrale Ziele verfolgt: Charakterisierung des Problemfeldes MOF, Erzeugung von praxisrelevantem Wissen für das Management von MOF und Entwicklung einer Softwareanwendung, die gesellschaftliche Aushandlungsprozesse durch eine transparente Darstellung der Wirkungszusammenhänge im Problemfeld unterstützt. Um einen Beitrag für die Erfüllung der Ziele zu leisten, war es die Aufgabe der Verfasserin, eine Akteursanalyse und -modellierung durchzuführen sowie Zukunftsszenarien im Bereich der MOF zu entwickeln. Dafür existierte keine adäquate Methodik, daher verfolgt die Dissertation zum einen die Entwicklung einer Methodik und zum anderen deren Anwendung im Kontext des Projektes INTAFERE. Da im Forschungsprozess die Durchführung von Analysen, die wissenschaftliche und gesellschaftliche Sichtweise der Problematik sowie die Erarbeitung von praktischen Lösungen im Mittelpunkt standen, wurde eine transdisziplinäre Herangehensweise gewählt. Ziel war es, eine Methodik zu entwerfen, die sowohl eine Entwicklung von Szenarien als auch eine Modellierung von Handlungsentscheidungen umfasst. Eine Modellierung und Visualisierung von Handlungsentscheidungen ist notwendig, um Strategien für ein Umweltproblem für verschiedene Szenarien zu ermitteln, und damit einen Lernprozess der Stakeholder zu initiieren. Dies wurde mit der transdisziplinären Methode „Akteursbasierte Modellierung“ umgesetzt. Hierbei wurden insbesondere Aspekte der Problemwahrnehmung von Akteuren und deren Darstellung, der partizipativen Szenarienentwicklung sowie der semi-quantitativen Modellierung von Handlungsentscheidungen berücksichtigt. Die Verfasserin hat mit der semi-quantitativen akteursbasierten Modellierung eine Methode erarbeitet und getestet, die bisher unverbundene Komponenten (wie die Software Dynamic Actor Network Analysis (DANA) und die Szenarienentwicklung) zusammenführt. Um Handlungsentscheidungen unter verschiedenen Szenarien zu modellieren hat die Autorin eine sequentielle Modellierung entwickelt, die mit der Software DANA durchgeführt werden kann. Die dafür notwendige Weiterentwicklung von DANA wurde von Dr. Pieter Bots (TU Delft) umgesetzt. Die akteursbasierte Modellierung läuft in drei methodischen Schritten ab: 1. Modellierung von Akteurs-Sichtweisen in Form von Wahrnehmungsgraphen und deren Analyse, aufbauend auf Ergebnissen von qualitativen, leitfaden-gestützten Expertengesprächen (= Akteursmodellierung), 2. partizipative Szenarienentwicklung mit den Akteuren und 3. Zusammenführung der Ergebnisse der Akteursmodellierung und der Szenarienentwicklung und darauf aufbauend eine sequentielle Modellierung von Handlungsentscheidungen und deren Auswirkungen auf Schlüsselfaktoren. Im Zuge der Anwendung auf das Problemfeld der MOF wurde für folgende Akteure jeweils ein Wahrnehmungsgraph modelliert: Obere Wasserbehörde, Umweltbundesamt, Umwelt- und Verbraucherschutzorganisationen, Wasserversorger sowie für die Hersteller von verschiedenen MOF, weiterhin für die European Flame Retardants Association und die Weiterverarbeitende Industrie. Das Ergebnis der Szenarienentwicklung waren vier Szenarien: ein Gesundheitsszenario, unter der Annahme von hohen lokalen Umweltstandards durch nachhaltigkeitsorientierte KonsumentInnen, ein Umweltszenario, in dem eine starke Regulierung und nachhaltigkeitsorientierter Konsum Hand in Hand gehen, ein Globalisierungsszenario, in dem Wirtschaftsmacht und preisbewusste KonsumentInnen statt staatliche Regulierung vorherrschen und ein Technikszenario, unter der Annahme, dass Kläranlagen, bedingt durch eine starke Regulierung, aufgerüstet werden. Bei der Modellierung von Handlungsentscheidungen wurden die Wahrnehmungsgraphen und die vier Szenarien miteinander verknüpft. Pro Substanz wurde ein Modell entwickelt, welches die wichtigsten Systemkomponenten in einer angemessenen Komplexität umfasst und die von den Akteuren gemeinsam getragene Einschätzung der Wirkungsbeziehungen darstellt. Insgesamt wurden 16 Modelle entwickelt. Basierend auf den simulierten Akteurshandlungen wurden relativen Veränderungen der Schlüsselfaktoren Produktion, Import und Leistungsfähigkeit der Kläranlagen für die vier genannten Szenarien berechnet. In Zusammenarbeit mit Pieter Bots konnten algorithmische Beiträge zur Analyse- und Modellierungssoftware DANA getestet und verbessert werden. Da keine vollständige und zugleich leicht verständliche Einführung zu DANA vorlag, wurde für Nutzer im Rahmen dieser Dissertation eine Anleitung verfasst, die die Modellierung von Wahrnehmungsgraphen und deren Analyse sowie alle Schritte der akteursbasierten Modellierung mit DANA erläutert.
Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Forschungsprojekts „Integrierte Analyse von mobilen, organischen Fremdstoffen in Fließgewässern“ (INTAFERE) am Institut für Physische Geographie an der Goethe-Universität Frankfurt erstellt. In INTAFERE wurde das Gefährdungspotenzial von mobilen, organischen Fremdstoffen (MOF) für aquatische Ökosysteme und die natürlichen Wasserressourcen in integrierter und partizipativer Art und Weise untersucht. MOF sind chemische Substanzen, die in Alltagsprodukten enthalten sind und durch unterschiedliche Eintragsfade in unbekannten Mengen in Oberflächengewässer eingetragen werden. Problematisch sind aus Umweltgesichtspunkten ihre Eigenschaften: sie besitzen im Wasser eine hohe Mobilität und sind schwer abbaubar. Dies führt zu einer Persistenz über lange Zeiträume. Für einige dieser Substanzen wurde zudem gezeigt, dass sie in sehr geringen Konzentrationen biologisch aktiv sind und für aquatische Ökosysteme eine Gefahr darstellen. In INTAFERE wurden drei zentrale Ziele verfolgt: Charakterisierung des Problemfeldes MOF, Erzeugung von praxisrelevantem Wissen für das Management von MOF und Entwicklung einer Softwareanwendung, die gesellschaftliche Aushandlungsprozesse durch eine transparente Darstellung der Wirkungszusammenhänge im Problemfeld unterstützt. Um einen Beitrag für die Erfüllung der Ziele zu leisten, war es die Aufgabe der Verfasserin, eine Akteursanalyse und -modellierung durchzuführen sowie Zukunftsszenarien im Bereich der MOF zu entwickeln. Dafür existierte keine adäquate Methodik, daher verfolgt die Dissertation zum einen die Entwicklung einer Methodik und zum anderen deren Anwendung im Kontext des Projektes INTAFERE. Da im Forschungsprozess die Durchführung von Analysen, die wissenschaftliche und gesellschaftliche Sichtweise der Problematik sowie die Erarbeitung von praktischen Lösungen im Mittelpunkt standen, wurde eine transdisziplinäre Herangehensweise gewählt. Ziel war es, eine Methodik zu entwerfen, die sowohl eine Entwicklung von Szenarien als auch eine Modellierung von Handlungsentscheidungen umfasst. Eine Modellierung und Visualisierung von Handlungsentscheidungen ist notwendig, um Strategien für ein Umweltproblem für verschiedene Szenarien zu ermitteln, und damit einen Lernprozess der Stakeholder zu initiieren. Dies wurde mit der transdisziplinären Methode „Akteursbasierte Modellierung“ umgesetzt. Hierbei wurden insbesondere Aspekte der Problemwahrnehmung von Akteuren und deren Darstellung, der partizipativen Szenarienentwicklung sowie der semi-quantitativen Modellierung von Handlungsentscheidungen berücksichtigt. Die Verfasserin hat mit der semi-quantitativen akteursbasierten Modellierung eine Methode erarbeitet und getestet, die bisher unverbundene Komponenten (wie die Software Dynamic Actor Network Analysis (DANA) und die Szenarienentwicklung) zusammenführt. Um Handlungsentscheidungen unter verschiedenen Szenarien zu modellieren hat die Autorin eine sequentielle Modellierung entwickelt, die mit der Software DANA durchgeführt werden kann. Die dafür notwendige Weiterentwicklung von DANA wurde von Dr. Pieter Bots (TU Delft) umgesetzt. Die akteursbasierte Modellierung läuft in drei methodischen Schritten ab: 1. Modellierung von Akteurs-Sichtweisen in Form von Wahrnehmungsgraphen und deren Analyse, aufbauend auf Ergebnissen von qualitativen, leitfaden-gestützten Expertengesprächen (= Akteursmodellierung), 2. partizipative Szenarienentwicklung mit den Akteuren und 3. Zusammenführung der Ergebnisse der Akteursmodellierung und der Szenarienentwicklung und darauf aufbauend eine sequentielle Modellierung von Handlungsentscheidungen und deren Auswirkungen auf Schlüsselfaktoren. Im Zuge der Anwendung auf das Problemfeld der MOF wurde für folgende Akteure jeweils ein Wahrnehmungsgraph modelliert: Obere Wasserbehörde, Umweltbundesamt, Umwelt- und Verbraucherschutzorganisationen, Wasserversorger sowie für die Hersteller von verschiedenen MOF, weiterhin für die European Flame Retardants Association und die Weiterverarbeitende Industrie. Das Ergebnis der Szenarienentwicklung waren vier Szenarien: ein Gesundheitsszenario, unter der Annahme von hohen lokalen Umweltstandards durch nachhaltigkeitsorientierte KonsumentInnen, ein Umweltszenario, in dem eine starke Regulierung und nachhaltigkeitsorientierter Konsum Hand in Hand gehen, ein Globalisierungsszenario, in dem Wirtschaftsmacht und preisbewusste KonsumentInnen statt staatliche Regulierung vorherrschen und ein Technikszenario, unter der Annahme, dass Kläranlagen, bedingt durch eine starke Regulierung, aufgerüstet werden. Bei der Modellierung von Handlungsentscheidungen wurden die Wahrnehmungsgraphen und die vier Szenarien miteinander verknüpft. Pro Substanz wurde ein Modell entwickelt, welches die wichtigsten Systemkomponenten in einer angemessenen Komplexität umfasst und die von den Akteuren gemeinsam getragene Einschätzung der Wirkungsbeziehungen darstellt. Insgesamt wurden 16 Modelle entwickelt. Basierend auf den simulierten Akteurshandlungen wurden relativen Veränderungen der Schlüsselfaktoren Produktion, Import und Leistungsfähigkeit der Kläranlagen für die vier genannten Szenarien berechnet. In Zusammenarbeit mit Pieter Bots konnten algorithmische Beiträge zur Analyse- und Modellierungssoftware DANA getestet und verbessert werden. Da keine vollständige und zugleich leicht verständliche Einführung zu DANA vorlag, wurde für Nutzer im Rahmen dieser Dissertation eine Anleitung verfasst, die die Modellierung von Wahrnehmungsgraphen und deren Analyse sowie alle Schritte der akteursbasierten Modellierung mit DANA erläutert.
Groundwater is the largest source of accessible freshwater with its dynamics having significantly changed due to human withdrawals, and being projected to continue to as a result of climate change. The pumping of groundwater has led to lowered water tables, decreased base flow, and depletion.
Global hydrological models (GHMs) are used to simulate the global freshwater cycle, assessing impacts of changes in climate and human freshwater use. Currently, groundwater is commonly represented by a bucket-like linear storage component in these models. Bucket models, however, cannot provide information on the location of the groundwater table. Due to this limitation, they can only simulate groundwater discharge to surface water bodies but not recharge from surface water to groundwater and calculate no lateral and vertical groundwater flow whatsoever among grid cells. For instance this may lead to an underestimation of groundwater resources in semiarid areas, where groundwater is often replenished by surface water. In order to overcome these limitations it is necessary to replace the linear groundwater model in GHMs with a hydraulic head gradient-based groundwater flow model
This thesis presents the newly developed global groundwater model G3M and its coupling to the GHM WaterGAP spanning over 70,000 lines of newly developed code. Development and validation of the modeling software are discussed along with numerical challenges. Based on the newly developed software, a global natural equilibrium groundwater model is presented showing better agreements with observations than previous models. Groundwater discharge to rivers is found to be the most dominant flow component globally, compared to flows to other surface water bodies and lateral flows. Furthermore, first global maps of the distribution of gaining and losing surface water bodies are displayed.
For the purpose of determining the uncertainty in model outcomes a sensitivity study is conducted with an innovative approach through applying a global sensitivity analysis for a computationally complex model. First global maps of spatially distributed parameter sensitivities are presented. The results at hand indicate that globally simulated hydraulic heads are equally sensitive to hydraulic conductivity, groundwater recharge and surface water body elevation, even though parameter sensitivities do vary regionally.
A high resolution model of New Zealand is developed to further understand the involved uncertainties connected to the spatial resolution of the global model. This thesis finds that a new understanding is necessary how these models can be evaluated and that a simple increase in spatial resolution is not improving the model performance when compared to observations.
Alongside the assessment of the natural equilibrium, the concept of a fully coupled transient model as integrated storage component replacing the former model in the hydrological model WaterGAP is discussed. First results reveal that the model shows reasonable response to seasonal variability although it contains persistent head trends leading to global overestimates of water table depth due to an incomplete coupling. Nonetheless, WaterGAP-G3M is already able to show plausible long term storage trends for areas that are known to be affected by groundwater depletion. In comparison with two established regional models in the Central Valley the coupled model shows a highly promising simulation of storage declines.
Nach dem Reaktorunfall in Fukushima im März 2011 und dem darauf folgendem Beschluss in Deutschland, den Atomausstieg zu vollziehen, wird dort – sowohl auf nationaler, als auch auf regionaler Ebene – über eine alternative Energieversorgung diskutiert. Für die vorliegende Arbeit stellten sich die Fragen, wie die energiepolitische Ausgangssituation in Hessen aussieht und welche Potenziale erneuerbarer Energien in Hessen vorhanden sind. Mit einer Politikfeldanalyse wurde untersucht, welche Akteure am Ausbau erneuerbarer Energien beteiligt sind, wie diese interagieren, welche Instrumente zur Förderung erneuerbarer Energien in Hessen existieren und welche Erfolgsbedingungen und Restriktionen sich daraus ergeben. Ferner wurde anhand der jeweiligen Energiekonzepte die Frage verfolgt, welche Zukunftspotenziale für erneuerbare Energien die relevanten Akteure sehen und welche energiepolitischen Maßnahmen getroffen werden müssen, um den Ausbau zu forcieren. Bei einem Vergleich des Bundeslandes Hessen mit den Ländern Niedersachsen, Nordrhein-Westfalen und Sachsen-Anhalt wurde festgestellt, welche energiepolitischen Maßnahmen in diesen Bundesländern erfolgreich waren und auf Hessen übertragbar sind. Einerseits wurde aufgezeigt, dass Bemühungen den Ausbau erneuerbarer Energien zu forcieren erkennbar sind. Anderseits konnten ebenso die restriktiven Rahmenbedingungen dargestellt werden, die einen durchschlagenden Erfolg des Ausbaus erneuerbarer Energien bisher behindern. Die Untersuchung der Energiekonzepte hat ergeben, dass die Akteure die Zukunftspotenziale erneuerbarer Energien sehr unterschiedlich sehen und gewichten – sowohl was das zeitliche Ausbauziel als auch die Potenziale der jeweiligen erneuerbaren Energieträger betrifft.
Diese Diplomarbeit untersucht die Güte eines globalen Datensatzes (IA), der die monatliche Ausdehnung der terrestrischen Oberflächengewässer für den Zeitraum von 1993 bis 2004 beinhaltet. IA ist aus komplementären, räumlich geringauflösenden Satellitendaten generiert. Die Wasserausdehnungen werden als prozentuale Flächenanteile von 0,5°-Gitterzellen angegeben. IA wäre durch seine monatliche Dynamik zur Kalibrierung und Validierung eines globalen Modells von temporären Überflutungsgebieten geeignet. Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden die Wasserbedeckungen aus IA in einzelnen 0,5°-Zellen zu mehreren Zeitpunkten mithilfe von räumlich hochauflösenden Satellitenbildern des Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) validiert. Aus Gründen der Effizienz (Minimierung des Speicheraufwands und der Verarbeitungszeit) wird nur ein einziger ETM+ Kanal im mittleren Infrarot zur Bestimmung der Wasserbedeckung verwendet: Band 5. Durch überwachte Klassifikationen wird der Anteil der Wasserflächen an der Gesamtfläche der 0,5°-Zellen ermittelt. Insgesamt werden 262 Klassifikationen in vier Untersuchungsgebieten durchgeführt. Zwischen den prozentualen Wasserbedeckungen aus IA und den ETM+ (Band 5)-Validierungsdaten werden häufige und unregelmäßige Abweichungen festgestellt. Die maximalen absoluten Abweichungen betragen mehr als 60%. Aufgrund dieser Ergebnisse sind die IA-Wasserausdehnungen nur sehr begrenzt als Validierungsdaten für die Modellierung von temporären Überflutungsgebieten geeignet.
Der Dritte Bericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimawandel (IPCC, 2001a, b) bestätigt den Einfluss des Menschen auf das globale Klima und warnt vor einem Temperaturanstieg und vor Niederschlagsveränderungen in den nächsten 100 Jahren, die gesellschaftlichen Wohlstand und Umwelt nachhaltig beeinträchtigen können. Dabei werden weitreichende Folgen des Klimawandels angenommen, vom Anstieg des Meeresspiegels und einer möglichen Degradation von Landflächen bis hin zum Verlust von Tier- und Pflanzenarten, der Verknappung von Wasserressourcen, einer Zunahme von natürlichen Katastrophen wie Überschwemmungen und Dürren, der Ausbreitung von Krankheiten sowie negativer Auswirkungen auf die Nahrungsversorgung der Bevölkerung. Klimawandel ist dabei nur ein Aspekt des weiter gefassten ‘Globalen Wandels’, der eine Vielzahl von anthropogen verursachten Veränderungen der Umwelt einschließt. So wird zum Beispiel erwartet, dass auch demographische und sozioökonomische Entwicklungen sowie vom Menschen verursachte Landnutzungsänderungen eine erhebliche Auswirkung auf den zukünftigen Zustand der globalen Umwelt haben werden. Zu den gravierendsten Folgen des Globalen Wandels gehört die Veränderung der räumlichen und zeitlichen Verteilung der lokalen und regionalen Wasserressourcen. Es müssen daher Strategien entwickelt werden, um sowohl die Bevölkerung als auch die Umwelt vor den möglichen negativen Auswirkungen von erhöhten oder erniedrigten Pegelständen in Fließgewässern zu schützen, oder sie auf eine Veränderung der verfügbaren Wassermengen vorzubereiten. Zur Entwicklung dieser Strategien wiederum werden wissenschaftliche Szenarien und Modellberechnungen benötigt, mit deren Hilfe sich zukünftige hydrologische Verhältnisse abschätzen lassen. Zahlreiche derartige Szenarienanalysen wurden bereits durchgeführt, um den Einfluss des Klima- und Globalen Wandels auf das Wasserdargebot und auf das hydrologische Abflussregime zu untersuchen. Da Flusseinzugsgebiete eine natürliche und angemessene Betrachtungseinheit für dieses Problem darstellen, konzentrieren sich die meisten dieser Studien auf mittlere bis große Einzugsgebiete oder auf bestimmte Regionen zusammenhängender Flussgebiete. In Europa gibt es dazu Beispiele aus den frühen neunziger Jahren, als die Resultate der ersten Klimamodelle verfügbar wurden (z.B. Ott et al., 1991: für die Mosel; Kwadijk und van Deursen, 1993: Rhein; Vehviläinen und Huttunen, 1994: Vuoksi; Broadhurst und Naden, 1996: Severn; Bergström, 1996: Einzugsgebiet der Ostsee). Für diese Studien wurden hydrologische Modelle des jeweiligen Einzugsgebiets entwickelt und der Einfluss des Klimawandels auf den Abfluss bestimmt. Krahe und Grabs (1996) haben ein Wasserbilanzmodell mit einer Auflösung von 0.5° x 0.5° für den gesamten mitteleuropäischen Raum entwickelt und es anhandder Abflussdaten des Rheins, der Weser, der Ems, der Elbe und des deutschen Teils der Donau validiert. Arnell (1994, 1999), bzw. Arnell et al. (2000) untersuchten die Auswirkung des Klimawandels auf europäische Wasserressourcen ebenfalls mithilfe rasterbasierter Modellansätze. Schließlich zeigten Stanners und Bourdeau (1995), EEA (1999), Parry (2000), oder auf globaler Ebene WBGU (1999) und IPCC (1992, 2001a, b), in allgemeineren und politisch orientierten Untersuchungen den gegenwärtigen Zustand sowie mögliche zukünftige Entwicklungen der Umwelt in Europa und weltweit auf, einschließlich verschiedener Aspekte der kontinentalen Wasserressourcen und der Hydrologie. Im Vergleich zu den zahlreichen einzugsgebietsorientierten Analysen und ihrem stetig steigenden wissenschaftlichen Anspruch bis hin zu äußerst detaillierten Fragestellungen sind die regionalen oder globalen Ansätze jedoch eher selten und bleiben meist relativ unspezifisch in ihren Schlussfolgerungen. Darüber hinaus wird die Auswirkung der Wassernutzung, die erheblich zur Veränderung der zukünftigen Wasserressourcen und Abflussmengen beitragen kann, in den meisten Fällen aufgrund des Fehlens entsprechender Daten nicht berücksichtigt. In Anbetracht dieser Mängel wurde 1999 am Wissenschaftlichen Zentrum für Umweltsystemforschung an der Universität Kassel das EuroWasser-Projekt initiiert, auf dessen Durchführung die vorliegenden Dissertation beruht. In einem integrierten Modellansatz wurden in EuroWasser die Folgen von Klimawandel und sozioökonomischen Veränderungen auf die natürliche Wasserverfügbarkeit und die Wassernutzung auf gesamteuropäischer Ebene untersucht (siehe Abschlussbericht, Lehner et al., 2001). Das EuroWasser-Projekt versucht dabei drei aus Sicht von Gesellschaft, Ökonomie und Umwelt kritische Fragen zu beantworten: (1) Wie hoch ist der gegenwärtige Wasserstress in verschiedenen Regionen Europas, und welche zukünftigen Veränderungen sind zu erwarten? (2) Wie wird sich der Globale Wandel auf das europäische Wasserkraftpotenzial auswirken? Und (3) In welchen "kritischen Gebieten" Europas muss, basierend auf den Ergebnissen verschiedener Szenarien des Globalen Wandels, damit gerechnet werden, dass die Hochwasser- und Dürregefahr in Zukunft zunimmt, und von welcher Größenordnung sind diese Veränderungen? ...