Wasserwirtschaft unter globalem Wandel : Herausforderungen und Lösungswege für die Simulation von Flussgebieten

Abstract

Der globale Wandel stellt die Bewirtschaftung von Wasserressourcen vor neue Herausforderungen, zu denen die Bewältigung von extremen Klima- und Wettersituationen gehören wie auch der steigende Wasserbedarf für die Ernährungssicherung der Bevölkerung. Die Betrachtung und Bewirtschaftung von Wasserressourcen erfolgt oft auf regionaler Ebene bzw. auf der Skala von Flusseinzugsgebieten. Die Anwendung von Simulationsmodellen als quantitative Planungs¬werkzeuge in der Wasserressourcenbewirtschaftung muss sowohl Wasserverfügbarkeit als auch Wassserbedarf abbilden und in der räumlichen und zeitlichen Auflösung prozessadäquat sein. Auf kleineren Skalenebenen (Feld) bestehen zur Planung und operationellen Steuerung von Anlagen oder landwirtschaftlichen Betrieben hoch aufgelöste Spezialmodelle. Fragen des langfristigen Wasserdargebotes und der Welternährung werden hingegen oft mit stark vereinfachenden globalen Modellen behandelt. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Anwendung und Verbesserung von hydrologischen Flussgebiets¬modellen zur Behandlung wasserwirtschaftlicher Herausforderungen des globalen Wandels. Forschungsergebnisse mehrerer Forschungsprojekte zu den Themen Hochwasser-vorhersage und Wassermengenbewirtschaftung unter Beteiligung des Autors werden in der hier vorliegenden kumulativen Habilitationsschrift zusammengefasst und mit Bezug zum aktuellen Forschungsstand bewertet. Die Herausgabe von Hochwasserwarnungen kann durch neue Entwicklungen der probabilistischen Wettervorhersage mit Ensembles mit längerer Vorlaufzeit und mit Information über die erwartete hydro-meteorologische Unsicherheit erfolgen. Es wurde basierend auf verschiedenen Ensembleprodukten eine nahtlose Vorhersagekette entwickelt, in deren Zuge das Modell ArcEGMO zur operationellen Simulation von Hochwasserereignissen ertüchtigt wurde. Zur Abschätzung der Ausprägung und Folgen des Klimawandels sind Klimaprojektionen verfügbar, welche auch in der Wasserbewirtschaftung angewendet werden. Die Verwendung neuer Klimadaten erfordert deren Validierung zur Nutzung im vorgesehenen Anwendungskontext, wobei die Behandlung systematischer Fehler der Größen Niederschlag, Temperatur und Globalstrahlung für die Wasserressourcenbewirtschaftung von hoher Bedeutung sind. In der Flussgebietsmodellierung sind Wasserbedarfsmodelle wie WEAP aufgrund hydrologischer Vereinfachungen weniger etalbliert. Deren Stärke liegt vor allem in der Szenarioentwicklung und damit auch der Planung unter Unsicherheit der zukünftigen Entwicklung. WEAP wurde hierbei für die strategische Planung der großräumigen Nutzung von Regenwasser in semi-ariden Gebieten erweitert. In der Simulation landwirtschaftlicher Flusseinzugsgebiete mit SWAT wurde Entwicklungsbedarf bezüglich der Abbildung der Bodenfeuchte sowie der Steuerung der Bewässerung identifiziert. Die horizontale Vernetzung des Grundwasserleiters im Modell SWAT wurde durch eine neue Grundwasserkomponente hergestellt. Weiterer Forschungsbedarf wird u.a. gesehen in der Verbesserung der Hochwasser¬warnung sowie in der Verbesserung der Bewässerungssteuerung sowie der hydrologischen Konnektivität in Flussgebietsmodellen.

Global change is a new challenge in water resources management, in particular coping with extreme climate and weather situations and fulfilling the rising water demand for the food production for a growing world population. The analysis and the management of water resources puts more emphasis on the regional scale of hydrological meso-scale river catchments. Simulation models in quantitative water resources planning and management need to deal with water availability and water demand within process adequate temporal and spatial scales. For the operation of structures and farms, there are highly specialized models on smaller scales available and established. For long-term analysis of water availability and food supply on larger scales, global models have been applied but identified as rather uncertain on regional scale. The work presented here deals with the application and improvement of hydrological catchment models on meso-scale for water resources management in the context of global change. This cumulative habilitation thesis summarizes results from several research activities of the author in flood forecasting and in water resources management, followed by a critical review realted with the current state of scientific knowledge. The dissemination of flood warnings can be improved with the availability of probabilistic meteorological ensemble forecasts. A seamless forecast chain of different ensembles with different lead times was developed. The uncertainty of the hydro-meteorological future development could be framed and produced better-informed decisions about warnings. The model ArcEGMO was enabled for operational flood forecasting. For estimating the characteristics and the impact of climate change, climate projections have been published. The use of new climatic datasets for water resources management requires a tailored validation. The systematic bias of precipitation, temperature and global radiation has high impact on the results of quatitative water resources studies. In catchment modelling, water demand models like WEAP are less established because of the simplification of the hydrological processes. However, their strength is scenario development under high uncertainty of external drivers like climate and socio-economy. WEAP was first applied and extended for the strategic planning of larger scale roof top rain water harvesting in a semi-arid area. The simulation of agricultural catchments with SWAT requires special consideration of the quality of soil moisture simulation and irrigation operations. The horizontal connectivity of the aquifer in SWAT was added by a new groundwater component. Future research should focus on the improvement of flood warnings and the further development of hydrological connectivity and irrigation control in catchment models.