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Auswirkungen des Klimawandels auf Wasserhaushalt, Grundwasserneubildung, Grundwasserstände und Grundwasserqualität im Einzugsgebiet der Oberen Donau –
Abschließende Ergebnisse des GLOWA-Danube-Projekts
ROLAND BARTHEL1, WOLFRAM MAUSER2, KARL SCHNEIDER3, ANITA GUNDEL1, RALF ZILLER1, D B 1DAVID BENDEL1
1 Universität Stuttgart, Institut für Wasserbau2 LMU München, Lehrstuhl für Geographie und Geographische Fernerkundung
3 Universität zu Köln, Geographisches Institut
FH-DGG Tagung Tübingen, Mai 2010Barthel 1
Übersicht
1. Das GLOWA-Programm und GLOWA-Danube
2 Klima und Gesellschafts Szenarien in GLOWA2. Klima- und Gesellschafts-Szenarien in GLOWA-
Danube
3. Ausgewählte „grundwasserrelevante“ Ergebnisse –
Beobachtungen und Szenarien
FH-DGG Tagung Tübingen, Mai 2010Barthel 2
4. Grundwasserforschung und Klimawandel
2
GLOWA - Globaler Wandel des Wasserkreislaufs
BMBF – Forschungsinitiative im Rahmen der Forschung zum Globalen Wandel Beginn: 2001, 5 ausgewählte Projektregionen als regionale Fallbeispiele
GLOWA-Elbe
Forschungsfrage:Regionale Auswirkungen des Klimawandels mit Schwerpunkt Wasser
GLOWA-DanubeGLOWA Elbe
GLOWA Jordan River
GLOWA-IMPETUS
Schwerpunkt Wasser
Forschungsziele:• Integration• Werkzeuge entwickeln
zur Simulation vonregionalen Szenarien
• Folgenabschätzung
FH-DGG Tagung Tübingen, Mai 2010Barthel 3
GLOWA-Volta
• Transdisziplinäre Anwendung
GLOWA-Danube – 2001-2010
Forschungsnetzwerk:8 Universitätsinstitute2 Forschungsinstitute1 Kommission1 Landesbehörde2 Firmen= ~ 40 Wissenschaftler
Koordination:
1. Department Geographie, LMU München2. Department Informatik, LMU München3. Department Meteorologie, LMU München4. Center for Environmental Systems Research, Kassel5. Institut für Landw. Betriebslehre, Universität Hohenheim6. Kommission für Glaziologie, Bayer. Akad. d. Wiss.7. Institut für Geophysik, Universität Innsbruck8. Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart9. Institut für Geographie, Universität zu Köln10 Max-Planck Institut für Meteorologie Hamburg
FH-DGG Tagung Tübingen, Mai 2010Barthel 4
SozialwissenschaftenMeteorologie
Informatik Koordination /Datenmanagement
WasserwissenschaftenPflanzenökologie
10. Max-Planck Institut für Meteorologie, Hamburg11. Ifo – Institut für Wirtschaftsforschung, München12. Bayerisches Landesamt für Umwelt, Hof 13. Institut für Organisationskommunikation IFOK, Bensheim14. VISTA – Geowissenschaftlcihe Fernerkundung GmbH,
München
Phase 1: Institut für Pflanzenökologie, Universität BayreuthPhase 1 und 2: IAWG, Ottobrunn
3
GLOWA-Danube – Einzugsgebiet Obere Donau
Einzugsgebiet Obere Donau:• Fläche: 77.000 km²• Einwohner: 11,5 Mio.• Höhengradient: 3.750 m
FH-DGG Tagung Tübingen, Mai 2010Barthel 5
DANUBIA: gekoppeltes Simulationssystem
FH-DGG Tagung Tübingen, Mai 2010Barthel 6
• JAVA, 4 Hauptkomponenten, 17 Teilmodelle, vollgekoppelt
• Public Domain, Open Source (October 2010)
4
Klimawandel – Beobachtungen: Temperatur (1960-2006)
Sommertemperatur
Wintertemperatur
FH-DGG Tagung Tübingen, Mai 2010Barthel 7
• Durchgängig positive Trends• Deutliche regionale (lokale)
Unterschiede
Klimawandel – Beobachtungen: Niederschlag 1960-2006
Sommerniederschlag
FH-DGG Tagung Tübingen, Mai 2010Barthel 8
Winterniederschlag
• Stark unterschiedliche Trends, nicht immer deutlich• Sehr ausgeprägte regionale und lokale Unterschiede
5
60er 70er
Klimawandel – „Beobachtungen“: Bodensickerwasser ~ Neubildung
~ 590 mm/a
Perkolation Jahressumme Mittel 1960-2005
Abweichung vom Mittel
Negative Werte, rot, gelb: mehr Perkolation, positive Werte, blau: weniger Perkolation als im langjährigen Mittel ???
80er 90er 2000er
+2 mm +6 mm
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-19 mm+17 mm-14 mm
Klimawandel – Beobachtungen: Grundwasser - Wasserversorgung
GWMst Donau, Kreis Deggendorf
1.5
2
GLOWA ID: 881; Original ID: 1131724400031; Aquifer: ; GOK: 307.6; Sohltiefe: 303.33; mittl. Flurabst.: 2.66; Proxel ID: 66243; i: 156; j: 369 2003
0
0.5
1
no
rm. G
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Trinkwasserknappheit in Süddeutschland
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-1
-0.5
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1.19
99
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1.20
00
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01
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1.20
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03
01.0
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04
01.0
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01.0
1.20
06
01.0
1.20
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01.0
1.20
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30.09.2003
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Klimawandel – Beobachtungen: Grundwassermenge
Vergleich von 9 Grundwassermessstellen in Baden-Württemberg jeweils 1977 bis 2007
FH-DGG Tagung Tübingen, Mai 2010Barthel 11
Klimawandel – Beobachtungen: Grundwasserqualität
• Identifikation und Quantifizierung von Ursachen und Wirkungen ist extrem schwierig (Klimawandel - Landnutzungsänderung – Entnahmen – etc.)
• Prozesse sind nicht unabhängig, rückgekoppelt, schwer zu diagnostizieren
• Kurzfristige Effekte (z.B. einzelne extreme Trockenphasen) und längerfristige Veränderungen haben unterschiedliche Folgen Prozesse g g g gnicht-skalierbar, nicht-linear, nicht-stetig …
• Die Untersuchung der Auswirkungen des Klimawandels auf die Grundwasserqualität steht erst ganz am Anfang!
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ration [m
g/l]
and [m
+ NN]
GlowaID: 2998
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ration [m
g/l]
and [m
+ NN]
GlowaID: 2998
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965
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ration [m
g/l]
and [m
+ NN]
Nitrat GlowaID: 5230; GWL GlowaID: 596; Abstand: 364 m
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ration [m
g/l]
and [m
+ NN]
Nitrat GlowaID: 5230; GWL GlowaID: 596; Abstand: 364 m
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1998 2002 2006
Nitratkonzentr
Grundwassersta
Zeit [a]
Grundwasserstand Nitrat30
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1998 2002 2006
Nitratkonzentr
Grundwassersta
Zeit [a]
Grundwasserstand Nitrat0
5
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1990 1994 1998 2002 2006
Nitratkonzentr
Grundwassersta
Zeit [a]
GWL [m] Nitrat0
5
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950
955
960
1990 1994 1998 2002 2006
Nitratkonzentr
Grundwassersta
Zeit [a]
GWL [m] Nitrat
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Zukunftsszenarien: Klima – global (A1B)
IPCC Report 2007 -Änderung des Niederschlags 2080-2099 gegenüber 1980-1999
FH-DGG Tagung Tübingen, Mai 2010Barthel 13
Zusammenfassung aus 20 globalen Klimamodellengepunktet: mind. 80% der Modelle stimmen im Vorzeichen überein
Regionale Zukunfts-Szenarien
• Optionen und Unsicherheitsquellen für die Definition regionaler Szenarien
– Globales Klimaszenario (Emissionsszenario und GCM)
– Globales Szenario Regionales Klimaszenario (Regionale Klimamodelle, statistisches Downscaling Klimageneratoren )statistisches Downscaling, Klimageneratoren …)
– Regionale Szenarien für Demographie, Ökonomie, Politik (z.B. Agrarpolitik –Landnutzung)
– …
FH-DGG Tagung Tübingen, Mai 2010Barthel 14
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IPCC regional Baseline BaselineInformations-kampagne
Die GLOWA-Danube Szenarien
Auswahl 1: Auswahl 2: Auswahl 3: Auswahl 4: Klimatrend Klimavariante Gesellschafts- Maßnahme
szenario
REMO regional
MM5 regional
Fortschreibung
5 warme Winter
5 heiße Sommer
5 trockene Jahre
Performance
Allgemeinwohl
Subvention Wasserspartechnik
Vernetzung
FH-DGG Tagung Tübingen, Mai 2010Barthel 15
REMO skaliert & biaskorrigiert
MM5 skaliert & biaskorrigiert
4 * 6 * 3 * X = ….
GLOWA-Danube-Klimaszenarien (n=12): Temperatur
0.70
0.80
0.90
11
12
oC
]
r [o
C]
Mean+-1SD Mean Min Max StDv
0.30
0.40
0.50
0.60
8
9
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Sta
nd
ard
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0.10
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17
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43
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47
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49
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51
20
53
20
55
20
57
20
59
M
9
GLOWA-Klimaszenarien (n=12): Niederschlag
140
160
180
200
1200
1300
1400
mm
]
a]
1971-2000: 1039 mm/a
60
80
100
120
140
800
900
1000
1100
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[m
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cip
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ion
[mm
/a
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0
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53
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57
20
59
Mean+-1SD Mean Min Max StDv
Szenarien - Niederschlag
Vergleich des Zeitraumes 2036-2060 mit der Vergangenheit von 1971-2000 nach dem Szenario REMO regional - Baseline
1971-2000
1039mm
2036-2060
984mmΔ -55mm
FH-DGG Tagung Tübingen, Mai 2010Barthel 18
Leichte Niederschlagsabnahme zwischen 3.5 und 16.4%
Im Winter Zunahme, im Sommer Abnahme
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Szenariensimulationen: Grundwasserneubildung / Perkolation
FH-DGG Tagung Tübingen, Mai 2010Barthel 19
1960 - 20062011-2060
REMO-regional-Baseline
DifferenzREMO-regional-Baseline -
1960 - 2006
-66 mm560 mm 494 mm
Szenariensimulationen: Nitrat im Bodensickerwasser
Veränderung des Nitrataustrags gegenüber der Referenzsituation (1996-2005)
20
40
60
80
erung des
ustrags (kg/ha)
LandsbergGünzburgOstallgäu
2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060
‐40
‐20
0Ände
Stickstoffau
6
8
10
12
er
n (m
g/l) Landsberg
Günzburg
Ostallgäu
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2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 2055 2060
‐4
‐2
0
2
4
6
Änderung de
Nitratkonzentratio
g
Gesellschaftsszenario Performance
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Szenariensimulationen: Grundwasser
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900
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d (G
WS
) [m
/NN
]
un
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WN
) [m
m/a
] GWN REMO Baseline [mm]
GWS REMO Baseline [m/NN]
GWR, linearer Trend
GWS 1971-2000 452,1 mm/NN
N
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itte
l Gru
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bild GWN 1971-2000 553 mm/a
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Ja
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Jahr
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d (G
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) [m
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un
g (G
WN
) [m
m/a
] GWN REMO Baseline [mm]
GWS REMO Baseline [m/NN]
GWR, linearer Trend
Interpretation - Handlungsbedarf?
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resm
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l Gru
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GWN 1971-2000 553 mm/a
Handlungsbedarf ?
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Ja
hr
Ja
hre
ss
Jahr
Handlungsbedarf ?
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Bewertung durch „Flaggen“ (Indizes)
1 2 3 4 5
Alles bestens katastrophalkritisch
• GroundwaterQuantityFlag: Bewertung der Grundwassermenge
(“am Brunnen”) WVU, Direkt-Verbraucher (Bewässerung, Industrie)
• DrinkingWaterQuantityFlag(s):
– Gewichtete Bewertung der Gesamtkapazität (“am Wasserwerk”)
Wasserversorgungsunternehmen Entscheidungen der WVU-Akteure
– Bewertung der Trinkwassermenge (“am Wasserhahn”) Verbraucher
FH-DGG Tagung Tübingen, Mai 2010Barthel 23
(Warnungen, Verbote) Entscheidung der verbrauchenden Akteure
(öffentliche Trinkwasserversorgung)
• GroundwaterQualityFlag, DrinkingwaterQualityFlag(s), RiverWaterFlags,
RiverFloodFlag….
Bewertung des Grundwasserzustands: Indikatoren und Indizes
[mm
/a]
[m/N
N]
1
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23 4 5
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An impression from the Danube Catchement
FH-DGG Tagung Tübingen, Mai 2010Barthel 25
• Grundwasserneubildung: Bei leicht zurückgehenden Niederschlägen und steigenden Temperaturen ist ein allgemeiner Rückgang der Grundwasserneubildung zu erwarten, wobei saisonale Verschiebungen dämpfend wirken können. Starke regionale Unterschiede sind zu erwarten.
• Grundwassermenge: allgemeiner Rückgang, aber sehr starke lokale
Fazit: Klimawandel, Grundwasser – regionale Konsequenzen
G u d asse e ge a ge e e üc ga g, abe se sta e o a eUnterschiede, unterschiedliche Reaktionszeiten
• Grundwasserqualität: Keine pauschalen Aussagen möglich
• Wasserhaushalt insgesamt: Extreme Trockenphasen (2003) und länger anhaltende Trockenperioden nehmen wahrscheinlich zu – bei einem generellen Trend zu trockneren Verhältnissen; Niedrigwasser extremer und häufiger
W A h b i h t k S i t ht i d
FH-DGG Tagung Tübingen, Mai 2010Barthel 26
• Wasserversorgung: Auch bei sehr trockenen Szenarien steht in der Summe ausreichend Trinkwasser zur Verfügung; Regional: Regionale Engpässe sind zu befürchten; mit technischen Lösungen eine Sicherung der Wasserversorgung möglich
14
• Bei allen Betrachtungen zu Auswirkungen des Klimawandels ist die Szenarien-Auswahl und –Definition mindestens ebenso wichtig wie die Wahl und Parametrisierung der Modelle - Die Definition konsistenter Szenarien über Disziplingrenzen hinweg ist eine wesentliche interdisziplinäre Forschungsfragestellung !!
Fazit: Klimawandel, Grundwasser – regionale Konsequenzen
• Grundwasser-Beobachtungen aus der Vergangenheit sind extrem schwierig zu interpretieren wegen der starken Abhängigkeit der Messungen von lokalen geologischen Verhältnissen und sozioökonomisch-technischen Bedingungen
• Relevante Forschung zum Klimawandel kann nur integrativ erfolgen – Integration passt aber nicht in die aktuelle Forschungslandschaft
• Forschung zu Auswirkungen des Klimawandels auf das Grundwasser muss die i l Sk l b t ht l k l k f i ti E h i ht “
FH-DGG Tagung Tübingen, Mai 2010Barthel 27
regional Skala betrachten um lokale kurzfristige Erscheinungen von „echten“ Global Change Auswirkungen erkennen zu können
• Forschung zu den Auswirkungen des Klimawandels auf regionale Grundwassersysteme steht noch am Anfang - insbesondere im Bereich der Grundwasserqualität! – insbesondere in Deutschlan
Auswirkungen des Klimawandels auf Wasserhaushalt, Grundwasserneubildung, Grundwasserstände und Grundwasserqualität im Einzugsgebiet der Oberen Donau -Abschließende Ergebnisse des GLOWA-Danube-ProjektsROLAND BARTHEL1, WOLFRAM MAUSER2, KARL SCHNEIDER3, ANITA GUNDEL1, RALF ZILLER1, DAVID BENDEL1
Vielen Dank!
http://www.glowa-danube.de/atlas
FH-DGG Tagung Tübingen, Mai 2010Barthel 28