Umweltsystemtechnik
https://kobra.uni-kassel.de:443/handle/123456789/200603277949
2024-03-19T11:14:22ZA scenario approach to modeling land-use changes and assessing associated environmental impacts in Southern Amazonia
https://kobra.uni-kassel.de:443/handle/123456789/11005
Humanity has left its footprint on the surface of the earth since it managed to purposefully employ tools and fire to its specific needs. Especially the conversion of natural habitats into agricultural productive land has transformed close to forty percent of the natural land-cover in order to satisfy global demands for food, raw materials, and energy. One current example of dynamic land-use and land-cover changes can be witnessed in Southern Amazonia. Spatially explicit land-use change models are applied to investigate such processes and to identify associated environmental impacts in a multitude of cases. In this context, land-use change models are utilized to understand the determining factors of past and current land-use change dynamics. This knowledge can be put to use in order to explore possible future land-use development pathways. However, modeled land-use and land-cover changes show sensitivities to used model input and applied methods. Modeling these dynamics based on different land-cover products, input sources and methods to estimate parameter weights on a regional scale can result in a range of modeling and subsequent impact assessment results. Therefore, the first objective of this thesis is to explore sensitivities of land-use change modeling- and subsequent impact assessment results to different initial land cover products, input variables derived from different sources, and different methods used for model parameter estimation. Modeling possible future land-use change requires assumptions about the development of its determining factors. Socio-economic scenarios include speculations about population development, changes of global demand and supply, and political changes amongst others. Based on this information, possible future land-use trajectories can be explored and associated environmental consequences can be assessed. The second research objective is to investigate possible future land-use change by assuming four different scenarios. The resulting spatially explicit land-use change allows for an investigation of impacts in the form of greenhouse gas emissions. Moreover, in this thesis the ensuing loss of natural vegetation and vertebrate diversity are assessed. Modeling land-use and land-cover change on the basis of combined qualitative and quantitative scenarios has advantages. However, one challenge of generating such scenarios is the translation of qualitative assumptions into numerical model input that can be used to simulate land-use change scenarios. Consequently, the third research objective is to critically review and analyze the process of translating qualitative assumptions into suitable model inputs in regard to the scenarios applied in this thesis. The findings of this thesis can aid future land-use and land-cover change modeling exercises and can be used to improve future scenario development processes. Moreover, the regional modeling of land-use and land-cover changes and the assessment of associated environmental impacts on the basis of assumed socio-economic developments gives a detailed impression of how the land-use future might unfold in Southern Amazonia. Also, the results can be utilized to research possible land-use policy implications in the study area.
2017-03-01T00:00:00ZGöpel, JanHumanity has left its footprint on the surface of the earth since it managed to purposefully employ tools and fire to its specific needs. Especially the conversion of natural habitats into agricultural productive land has transformed close to forty percent of the natural land-cover in order to satisfy global demands for food, raw materials, and energy. One current example of dynamic land-use and land-cover changes can be witnessed in Southern Amazonia. Spatially explicit land-use change models are applied to investigate such processes and to identify associated environmental impacts in a multitude of cases. In this context, land-use change models are utilized to understand the determining factors of past and current land-use change dynamics. This knowledge can be put to use in order to explore possible future land-use development pathways. However, modeled land-use and land-cover changes show sensitivities to used model input and applied methods. Modeling these dynamics based on different land-cover products, input sources and methods to estimate parameter weights on a regional scale can result in a range of modeling and subsequent impact assessment results. Therefore, the first objective of this thesis is to explore sensitivities of land-use change modeling- and subsequent impact assessment results to different initial land cover products, input variables derived from different sources, and different methods used for model parameter estimation. Modeling possible future land-use change requires assumptions about the development of its determining factors. Socio-economic scenarios include speculations about population development, changes of global demand and supply, and political changes amongst others. Based on this information, possible future land-use trajectories can be explored and associated environmental consequences can be assessed. The second research objective is to investigate possible future land-use change by assuming four different scenarios. The resulting spatially explicit land-use change allows for an investigation of impacts in the form of greenhouse gas emissions. Moreover, in this thesis the ensuing loss of natural vegetation and vertebrate diversity are assessed. Modeling land-use and land-cover change on the basis of combined qualitative and quantitative scenarios has advantages. However, one challenge of generating such scenarios is the translation of qualitative assumptions into numerical model input that can be used to simulate land-use change scenarios. Consequently, the third research objective is to critically review and analyze the process of translating qualitative assumptions into suitable model inputs in regard to the scenarios applied in this thesis. The findings of this thesis can aid future land-use and land-cover change modeling exercises and can be used to improve future scenario development processes. Moreover, the regional modeling of land-use and land-cover changes and the assessment of associated environmental impacts on the basis of assumed socio-economic developments gives a detailed impression of how the land-use future might unfold in Southern Amazonia. Also, the results can be utilized to research possible land-use policy implications in the study area.Large-scale modeling of bacterial contamination in rivers, to support the global assessment of pollutant concentrations in rivers
https://kobra.uni-kassel.de:443/handle/123456789/2017020652000
Die räumliche Verteilung und der Zustand der Wasserqualität sind in vielen Teilen der Erde nicht bekannt und das, obwohl gesundes Leben und Wohlergehen auf Frischwasserressourcen mit einer guten bis exzellenten Wasserqualität beruhen. Heute sind 5,7% aller Behinderungen und Krankheiten sowie 4% aller Sterbefälle auf unsicheren Wasserzugang, mangelhafte sanitäre Anlagen und unzureichende persönliche und Haushaltshygiene zurückzuführen.
Im Rahmen dieser Arbeit wird mit dem großskaligen Wasserqualitätsmodell WorldQual die Verschmutzung von Oberflächengewässern durch fäkalcoliforme Bakterien und die daraus resultierende mögliche gesundheitliche Gefährdung untersucht. WorldQual simuliert, ausgehend von diffusen und Punktquellen, Frachten sowie Konzentrationen in Oberflächengewässern. Fäkalcoliforme Bakterien waren bislang nicht in die Modellstruktur integriert, sodass die notwenigen mathematischen Gleichungen für Transport und Sterberaten von fäkalcoliformen Bakterien in WorldQual im Rahmen dieser Arbeit implementiert wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Einträge aus Haushalten mit 80% den dominanten Eintragspfad für die Fracht bilden. Die räumliche Verteilung der Konzentrationen in Oberflächengewässern war ähnlich zu der räumlichen Verteilung der Frachten. Besonders hohe Konzentrationen (hotspots) wurden für Zentraleuropa und für die europäischen Hauptstädte berechnet. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es, fäkalcoliforme Bakterien auch auf anderen Kontinenten als Europa zu modellieren und zu simulieren. Europa ist Teil der ersten Welt und andere Kontinente wie Afrika haben einen deutlich niedrigeren Entwicklungsstand. Dieser Unterschied in der Entwicklung wird z.B. im Bereich der sanitären Anlagen deutlich. Aus diesem Grund wurden die unterschiedlichen sanitären Anlagen hinsichtlich ihres potentiellen Verschmutzungsrisikos für Oberflächengewässer bewertet. Dabei wurde festgestellt, dass das ungeklärt kanalisierte Abwasser das größte Risiko für Oberflächengewässer darstellt, weil das Abwasser unbehandelt direkt ins Oberflächengewässer geleitet wird. Um das Modellverhalten und die Struktur des Modells zu überprüfen wurde eine globale Sensitivitäts- und Unsicherheitsanalyse mit dem Latin-Hypercube-Stichprobenverfahren durchgeführt. Als sensitive Parameter wurden die pro Kopf Fracht vom Menschen, die Sedimentationsgeschwindigkeit im Fluss und der Anteil der Bevölkerung, der an ein Kanalsystem angeschlossen ist, identifiziert. Die räumliche Verteilung der Intensität der Unsicherheit folgte der räumlichen Verteilung der sensitivsten Parameter. Weitere Modellsimulationen wurden für Lateinamerika, Afrika und Asien durchgeführt. Die Fracht wurde dabei von der Fracht aus Haushalten dominiert. Daraus folgte, genau wie für Europa, dass die Fracht in dicht besiedelten Gebieten höher war. Konzentrations-Hotspots waren in Südmexiko, an den West- und Ostküsten von Südamerika, in Nordafrika, dem flussaufwärtsliegenden Nil-Einzugsgebiet, vereinzelten Flussabschnitten in Ostafrika, dem Westen vom Iran, Nord- und Südindien und im Westen von Asien zu finden. Zudem wurde die Anzahl der ländlichen Bevölkerung, die mit fäkal stark verschmutztem (>1000 cfu/100ml) Oberflächengewässer in Kontakt kam, berechnet. Es wurde ermittelt, dass 79 bis 314 Millionen Menschen in ländlichen Gegenden durch Baden, Schwimmen, Benetzung, Wäsche waschen, Waschen oder durch Nutzung als Haupt-Wasserquelle mit fäkal stark verschmutztem Oberflächengewässer in Kontakt kommen. Analysen aus der Literatur deuten darauf hin, dass Frauen und Kinder zu den gefährdetsten Personengruppen zählen.
2017-02-06T00:00:00ZReder, KlaraDie räumliche Verteilung und der Zustand der Wasserqualität sind in vielen Teilen der Erde nicht bekannt und das, obwohl gesundes Leben und Wohlergehen auf Frischwasserressourcen mit einer guten bis exzellenten Wasserqualität beruhen. Heute sind 5,7% aller Behinderungen und Krankheiten sowie 4% aller Sterbefälle auf unsicheren Wasserzugang, mangelhafte sanitäre Anlagen und unzureichende persönliche und Haushaltshygiene zurückzuführen.
Im Rahmen dieser Arbeit wird mit dem großskaligen Wasserqualitätsmodell WorldQual die Verschmutzung von Oberflächengewässern durch fäkalcoliforme Bakterien und die daraus resultierende mögliche gesundheitliche Gefährdung untersucht. WorldQual simuliert, ausgehend von diffusen und Punktquellen, Frachten sowie Konzentrationen in Oberflächengewässern. Fäkalcoliforme Bakterien waren bislang nicht in die Modellstruktur integriert, sodass die notwenigen mathematischen Gleichungen für Transport und Sterberaten von fäkalcoliformen Bakterien in WorldQual im Rahmen dieser Arbeit implementiert wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Einträge aus Haushalten mit 80% den dominanten Eintragspfad für die Fracht bilden. Die räumliche Verteilung der Konzentrationen in Oberflächengewässern war ähnlich zu der räumlichen Verteilung der Frachten. Besonders hohe Konzentrationen (hotspots) wurden für Zentraleuropa und für die europäischen Hauptstädte berechnet. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es, fäkalcoliforme Bakterien auch auf anderen Kontinenten als Europa zu modellieren und zu simulieren. Europa ist Teil der ersten Welt und andere Kontinente wie Afrika haben einen deutlich niedrigeren Entwicklungsstand. Dieser Unterschied in der Entwicklung wird z.B. im Bereich der sanitären Anlagen deutlich. Aus diesem Grund wurden die unterschiedlichen sanitären Anlagen hinsichtlich ihres potentiellen Verschmutzungsrisikos für Oberflächengewässer bewertet. Dabei wurde festgestellt, dass das ungeklärt kanalisierte Abwasser das größte Risiko für Oberflächengewässer darstellt, weil das Abwasser unbehandelt direkt ins Oberflächengewässer geleitet wird. Um das Modellverhalten und die Struktur des Modells zu überprüfen wurde eine globale Sensitivitäts- und Unsicherheitsanalyse mit dem Latin-Hypercube-Stichprobenverfahren durchgeführt. Als sensitive Parameter wurden die pro Kopf Fracht vom Menschen, die Sedimentationsgeschwindigkeit im Fluss und der Anteil der Bevölkerung, der an ein Kanalsystem angeschlossen ist, identifiziert. Die räumliche Verteilung der Intensität der Unsicherheit folgte der räumlichen Verteilung der sensitivsten Parameter. Weitere Modellsimulationen wurden für Lateinamerika, Afrika und Asien durchgeführt. Die Fracht wurde dabei von der Fracht aus Haushalten dominiert. Daraus folgte, genau wie für Europa, dass die Fracht in dicht besiedelten Gebieten höher war. Konzentrations-Hotspots waren in Südmexiko, an den West- und Ostküsten von Südamerika, in Nordafrika, dem flussaufwärtsliegenden Nil-Einzugsgebiet, vereinzelten Flussabschnitten in Ostafrika, dem Westen vom Iran, Nord- und Südindien und im Westen von Asien zu finden. Zudem wurde die Anzahl der ländlichen Bevölkerung, die mit fäkal stark verschmutztem (>1000 cfu/100ml) Oberflächengewässer in Kontakt kam, berechnet. Es wurde ermittelt, dass 79 bis 314 Millionen Menschen in ländlichen Gegenden durch Baden, Schwimmen, Benetzung, Wäsche waschen, Waschen oder durch Nutzung als Haupt-Wasserquelle mit fäkal stark verschmutztem Oberflächengewässer in Kontakt kommen. Analysen aus der Literatur deuten darauf hin, dass Frauen und Kinder zu den gefährdetsten Personengruppen zählen.Comprehensive evaluation of the WaterGAP3 model across climatic, physiographic, and anthropogenic gradients
https://kobra.uni-kassel.de:443/handle/123456789/2016031450014
In den letzten Jahrzehnten haben sich makroskalige hydrologische Modelle als wichtige Werkzeuge etabliert um den Zustand der globalen erneuerbaren Süßwasserressourcen flächendeckend bewerten können. Sie werden heutzutage eingesetzt um eine große Bandbreite wissenschaftlicher Fragestellungen zu beantworten, insbesondere hinsichtlich der Auswirkungen anthropogener Einflüsse auf das natürliche Abflussregime oder der Auswirkungen des globalen Wandels und Klimawandels auf die Ressource Wasser. Diese Auswirkungen lassen sich durch verschiedenste wasserbezogene Kenngrößen abschätzen, wie z.B. erneuerbare (Grund-)Wasserressourcen, Hochwasserrisiko, Dürren, Wasserstress und Wasserknappheit. Die Weiterentwicklung makroskaliger hydrologischer Modelle wurde insbesondere durch stetig steigende Rechenkapazitäten begünstigt, aber auch durch die zunehmende Verfügbarkeit von Fernerkundungsdaten und abgeleiteten Datenprodukten, die genutzt werden können, um die Modelle anzutreiben und zu verbessern. Wie alle makro- bis globalskaligen Modellierungsansätze unterliegen makroskalige hydrologische Simulationen erheblichen Unsicherheiten, die (i) auf räumliche Eingabedatensätze, wie z.B. meteorologische Größen oder Landoberflächenparameter, und (ii) im Besonderen auf die (oftmals) vereinfachte Abbildung physikalischer Prozesse im Modell zurückzuführen sind. Angesichts dieser Unsicherheiten ist es unabdingbar, die tatsächliche Anwendbarkeit und Prognosefähigkeit der Modelle unter diversen klimatischen und physiographischen Bedingungen zu überprüfen. Bisher wurden die meisten Evaluierungsstudien jedoch lediglich in wenigen, großen Flusseinzugsgebieten durchgeführt oder fokussierten auf kontinentalen Wasserflüssen. Dies steht im Kontrast zu vielen Anwendungsstudien, deren Analysen und Aussagen auf simulierten Zustandsgrößen und Flüssen in deutlich feinerer räumlicher Auflösung (Gridzelle) basieren.
Den Kern der Dissertation bildet eine umfangreiche Evaluierung der generellen Anwendbarkeit des globalen hydrologischen Modells WaterGAP3 für die Simulation von monatlichen Abflussregimen und Niedrig- und Hochwasserabflüssen auf Basis von mehr als 2400 Durchflussmessreihen für den Zeitraum 1958-2010. Die betrachteten Flusseinzugsgebiete repräsentieren ein breites Spektrum klimatischer und physiographischer Bedingungen, die Einzugsgebietsgröße reicht von 3000 bis zu mehreren Millionen Quadratkilometern. Die Modellevaluierung hat dabei zwei Zielsetzungen: Erstens soll die erzielte Modellgüte als Bezugswert dienen gegen den jegliche weiteren Modellverbesserungen verglichen werden können. Zweitens soll eine Methode zur diagnostischen Modellevaluierung entwickelt und getestet werden, die eindeutige Ansatzpunkte zur Modellverbesserung aufzeigen soll, falls die Modellgüte unzureichend ist. Hierzu werden komplementäre Modellgütemaße mit neun Gebietsparametern verknüpft, welche die klimatischen und physiographischen Bedingungen sowie den Grad anthropogener Beeinflussung in den einzelnen Einzugsgebieten quantifizieren.
WaterGAP3 erzielt eine mittlere bis hohe Modellgüte für die Simulation von sowohl monatlichen Abflussregimen als auch Niedrig- und Hochwasserabflüssen, jedoch sind für alle betrachteten Modellgütemaße deutliche räumliche Muster erkennbar. Von den neun betrachteten Gebietseigenschaften weisen insbesondere der Ariditätsgrad und die mittlere Gebietsneigung einen starken Einfluss auf die Modellgüte auf. Das Modell tendiert zur Überschätzung des jährlichen Abflussvolumens mit steigender Aridität. Dieses Verhalten ist charakteristisch für makroskalige hydrologische Modelle und ist auf die unzureichende Abbildung von Prozessen der Abflussbildung und –konzentration in wasserlimitierten Gebieten zurückzuführen. In steilen Einzugsgebieten wird eine geringe Modellgüte hinsichtlich der Abbildung von monatlicher Abflussvariabilität und zeitlicher Dynamik festgestellt, die sich auch in der Güte der Niedrig- und Hochwassersimulation widerspiegelt. Diese Beobachtung weist auf notwendige Modellverbesserungen in Bezug auf (i) die Aufteilung des Gesamtabflusses in schnelle und verzögerte Abflusskomponente und (ii) die Berechnung der Fließgeschwindigkeit im Gerinne hin.
Die im Rahmen der Dissertation entwickelte Methode zur diagnostischen Modellevaluierung durch Verknüpfung von komplementären Modellgütemaßen und Einzugsgebietseigenschaften wurde exemplarisch am Beispiel des WaterGAP3 Modells erprobt. Die Methode hat sich als effizientes Werkzeug erwiesen, um räumliche Muster in der Modellgüte zu erklären und Defizite in der Modellstruktur zu identifizieren. Die entwickelte Methode ist generell für jedes hydrologische Modell anwendbar. Sie ist jedoch insbesondere für makroskalige Modelle und multi-basin Studien relevant, da sie das Fehlen von feldspezifischen Kenntnissen und gezielten Messkampagnen, auf die üblicherweise in der Einzugsgebietsmodellierung zurückgegriffen wird, teilweise ausgleichen kann.; Over the last decades macro-scale hydrological models have become common tools to provide a comprehensive view on the state of global renewable freshwater resources. Today, macro-scale hydrological models are applied to answer a wide range of research questions, e.g. to quantify the degree of human interference on the natural hydrological regime or to assess impacts of global and climate change on various aspects of the hydrological cycle including renewable (ground-)water resources, flood risk, droughts, and water stress and scarcity. Their development has tremendously benefited from the recent progress in computational resources as well as from the growing availability of earth observation data and derived data products that can be utilized to force and constrain macro-scale simulations. As any macro to global scale modelling approach, macro-scale hydrologic simulation is subject to substantial uncertainties which (i) originate from spatially distributed input data in terms of both atmospheric forcing and land surface parameters and, (ii) in particular, the (often) simplified physical process representation. Given these large uncertainties, it is indispensable to assess the actual applicability and predictive capability of any macro-scale model under various climatic and physiographic conditions. However, many evaluation studies have limited the comparative evaluation of model performance to a small set of large scale river basins, or have focused on continental-scale fluxes. In contrast, many applications rely on and draw conclusions from simulated states and fluxes at distinctively smaller spatial scales.
This thesis extensively evaluates the general applicability of the global hydrological model WaterGAP3 to simulate monthly streamflow dynamics as well as low-flow and high-flow characteristics in the period 1958-2010 on the basis of more than 2400 observed streamflow records. The corresponding river basins are distributed over a wide range of climatic and physiographic conditions with basin sizes ranging from 3000 to several million square kilometers. The aim of model evaluation here is two-fold: First, model performances obtained in the analysis should serve as a benchmark any further model improvements can be tested against. Second, an approach should be developed and tested that facilitates the evaluation of the WaterGAP3 model in a diagnostic manner, i.e. it should point towards possible options of model improvement if model performance is unsatisfactory. To this end, complementary measures of model performance are linked to a set of nine catchments descriptors which quantify the climatic and physiographic settings in each study basin as well as the degree of human interference on the natural hydrologic regime.
The WaterGAP3 model is found to perform comparatively well in reproducing observed monthly streamflow dynamics as well as low-flow and high-flow characteristics; however the analysis revealed distinct spatial patterns of model performance. Among the nine catchment descriptors considered, catchment aridity and average slope show the strongest impact on model performance. The model is found to overestimate total streamflow volume with increasing aridity which is characteristic to many macro-scale hydrological models and is attributable to the insufficient representation of processes related to runoff generation and concentration in water-limited environments. In steep-sloped catchments, monthly flow variability and timing are less accurately captured accompanied by a deterioration of low-flow and high-flow performance. This observation points toward a need for improving (i) the partitioning of total runoff into slow and fast component, and (ii) the calculation of flow velocity in the river segment.
The approach to diagnostic model evaluation developed in the scope of the thesis-linking complementary measures of model performance to catchment characteristics-is exemplarily tested for the WaterGAP3 model and is proven to be an effective tool to explain spatial patterns in model performance and to identify deficiencies in model structure. The general approach is applicable to any hydrological model, but is especially relevant for macro-scale models and large sample studies as it can partly compensate for the lack of any catchment specific knowledge and targeted field measurements that typically inform model improvement in catchment scale modelling.
2016-03-14T00:00:00ZEisner, StephanieIn den letzten Jahrzehnten haben sich makroskalige hydrologische Modelle als wichtige Werkzeuge etabliert um den Zustand der globalen erneuerbaren Süßwasserressourcen flächendeckend bewerten können. Sie werden heutzutage eingesetzt um eine große Bandbreite wissenschaftlicher Fragestellungen zu beantworten, insbesondere hinsichtlich der Auswirkungen anthropogener Einflüsse auf das natürliche Abflussregime oder der Auswirkungen des globalen Wandels und Klimawandels auf die Ressource Wasser. Diese Auswirkungen lassen sich durch verschiedenste wasserbezogene Kenngrößen abschätzen, wie z.B. erneuerbare (Grund-)Wasserressourcen, Hochwasserrisiko, Dürren, Wasserstress und Wasserknappheit. Die Weiterentwicklung makroskaliger hydrologischer Modelle wurde insbesondere durch stetig steigende Rechenkapazitäten begünstigt, aber auch durch die zunehmende Verfügbarkeit von Fernerkundungsdaten und abgeleiteten Datenprodukten, die genutzt werden können, um die Modelle anzutreiben und zu verbessern. Wie alle makro- bis globalskaligen Modellierungsansätze unterliegen makroskalige hydrologische Simulationen erheblichen Unsicherheiten, die (i) auf räumliche Eingabedatensätze, wie z.B. meteorologische Größen oder Landoberflächenparameter, und (ii) im Besonderen auf die (oftmals) vereinfachte Abbildung physikalischer Prozesse im Modell zurückzuführen sind. Angesichts dieser Unsicherheiten ist es unabdingbar, die tatsächliche Anwendbarkeit und Prognosefähigkeit der Modelle unter diversen klimatischen und physiographischen Bedingungen zu überprüfen. Bisher wurden die meisten Evaluierungsstudien jedoch lediglich in wenigen, großen Flusseinzugsgebieten durchgeführt oder fokussierten auf kontinentalen Wasserflüssen. Dies steht im Kontrast zu vielen Anwendungsstudien, deren Analysen und Aussagen auf simulierten Zustandsgrößen und Flüssen in deutlich feinerer räumlicher Auflösung (Gridzelle) basieren.
Den Kern der Dissertation bildet eine umfangreiche Evaluierung der generellen Anwendbarkeit des globalen hydrologischen Modells WaterGAP3 für die Simulation von monatlichen Abflussregimen und Niedrig- und Hochwasserabflüssen auf Basis von mehr als 2400 Durchflussmessreihen für den Zeitraum 1958-2010. Die betrachteten Flusseinzugsgebiete repräsentieren ein breites Spektrum klimatischer und physiographischer Bedingungen, die Einzugsgebietsgröße reicht von 3000 bis zu mehreren Millionen Quadratkilometern. Die Modellevaluierung hat dabei zwei Zielsetzungen: Erstens soll die erzielte Modellgüte als Bezugswert dienen gegen den jegliche weiteren Modellverbesserungen verglichen werden können. Zweitens soll eine Methode zur diagnostischen Modellevaluierung entwickelt und getestet werden, die eindeutige Ansatzpunkte zur Modellverbesserung aufzeigen soll, falls die Modellgüte unzureichend ist. Hierzu werden komplementäre Modellgütemaße mit neun Gebietsparametern verknüpft, welche die klimatischen und physiographischen Bedingungen sowie den Grad anthropogener Beeinflussung in den einzelnen Einzugsgebieten quantifizieren.
WaterGAP3 erzielt eine mittlere bis hohe Modellgüte für die Simulation von sowohl monatlichen Abflussregimen als auch Niedrig- und Hochwasserabflüssen, jedoch sind für alle betrachteten Modellgütemaße deutliche räumliche Muster erkennbar. Von den neun betrachteten Gebietseigenschaften weisen insbesondere der Ariditätsgrad und die mittlere Gebietsneigung einen starken Einfluss auf die Modellgüte auf. Das Modell tendiert zur Überschätzung des jährlichen Abflussvolumens mit steigender Aridität. Dieses Verhalten ist charakteristisch für makroskalige hydrologische Modelle und ist auf die unzureichende Abbildung von Prozessen der Abflussbildung und –konzentration in wasserlimitierten Gebieten zurückzuführen. In steilen Einzugsgebieten wird eine geringe Modellgüte hinsichtlich der Abbildung von monatlicher Abflussvariabilität und zeitlicher Dynamik festgestellt, die sich auch in der Güte der Niedrig- und Hochwassersimulation widerspiegelt. Diese Beobachtung weist auf notwendige Modellverbesserungen in Bezug auf (i) die Aufteilung des Gesamtabflusses in schnelle und verzögerte Abflusskomponente und (ii) die Berechnung der Fließgeschwindigkeit im Gerinne hin.
Die im Rahmen der Dissertation entwickelte Methode zur diagnostischen Modellevaluierung durch Verknüpfung von komplementären Modellgütemaßen und Einzugsgebietseigenschaften wurde exemplarisch am Beispiel des WaterGAP3 Modells erprobt. Die Methode hat sich als effizientes Werkzeug erwiesen, um räumliche Muster in der Modellgüte zu erklären und Defizite in der Modellstruktur zu identifizieren. Die entwickelte Methode ist generell für jedes hydrologische Modell anwendbar. Sie ist jedoch insbesondere für makroskalige Modelle und multi-basin Studien relevant, da sie das Fehlen von feldspezifischen Kenntnissen und gezielten Messkampagnen, auf die üblicherweise in der Einzugsgebietsmodellierung zurückgegriffen wird, teilweise ausgleichen kann.
Over the last decades macro-scale hydrological models have become common tools to provide a comprehensive view on the state of global renewable freshwater resources. Today, macro-scale hydrological models are applied to answer a wide range of research questions, e.g. to quantify the degree of human interference on the natural hydrological regime or to assess impacts of global and climate change on various aspects of the hydrological cycle including renewable (ground-)water resources, flood risk, droughts, and water stress and scarcity. Their development has tremendously benefited from the recent progress in computational resources as well as from the growing availability of earth observation data and derived data products that can be utilized to force and constrain macro-scale simulations. As any macro to global scale modelling approach, macro-scale hydrologic simulation is subject to substantial uncertainties which (i) originate from spatially distributed input data in terms of both atmospheric forcing and land surface parameters and, (ii) in particular, the (often) simplified physical process representation. Given these large uncertainties, it is indispensable to assess the actual applicability and predictive capability of any macro-scale model under various climatic and physiographic conditions. However, many evaluation studies have limited the comparative evaluation of model performance to a small set of large scale river basins, or have focused on continental-scale fluxes. In contrast, many applications rely on and draw conclusions from simulated states and fluxes at distinctively smaller spatial scales.
This thesis extensively evaluates the general applicability of the global hydrological model WaterGAP3 to simulate monthly streamflow dynamics as well as low-flow and high-flow characteristics in the period 1958-2010 on the basis of more than 2400 observed streamflow records. The corresponding river basins are distributed over a wide range of climatic and physiographic conditions with basin sizes ranging from 3000 to several million square kilometers. The aim of model evaluation here is two-fold: First, model performances obtained in the analysis should serve as a benchmark any further model improvements can be tested against. Second, an approach should be developed and tested that facilitates the evaluation of the WaterGAP3 model in a diagnostic manner, i.e. it should point towards possible options of model improvement if model performance is unsatisfactory. To this end, complementary measures of model performance are linked to a set of nine catchments descriptors which quantify the climatic and physiographic settings in each study basin as well as the degree of human interference on the natural hydrologic regime.
The WaterGAP3 model is found to perform comparatively well in reproducing observed monthly streamflow dynamics as well as low-flow and high-flow characteristics; however the analysis revealed distinct spatial patterns of model performance. Among the nine catchment descriptors considered, catchment aridity and average slope show the strongest impact on model performance. The model is found to overestimate total streamflow volume with increasing aridity which is characteristic to many macro-scale hydrological models and is attributable to the insufficient representation of processes related to runoff generation and concentration in water-limited environments. In steep-sloped catchments, monthly flow variability and timing are less accurately captured accompanied by a deterioration of low-flow and high-flow performance. This observation points toward a need for improving (i) the partitioning of total runoff into slow and fast component, and (ii) the calculation of flow velocity in the river segment.
The approach to diagnostic model evaluation developed in the scope of the thesis-linking complementary measures of model performance to catchment characteristics-is exemplarily tested for the WaterGAP3 model and is proven to be an effective tool to explain spatial patterns in model performance and to identify deficiencies in model structure. The general approach is applicable to any hydrological model, but is especially relevant for macro-scale models and large sample studies as it can partly compensate for the lack of any catchment specific knowledge and targeted field measurements that typically inform model improvement in catchment scale modelling.River ecosystems at risk
https://kobra.uni-kassel.de:443/handle/123456789/2015121849487
Worldwide water managers are increasingly challenged to allocate sufficient and affordable water supplies to different water use sectors without further degrading river ecosystems and their valuable services to mankind. Since 1950 human population almost tripled, water abstractions increased by a factor of four, and the number of large dam constructions is about eight times higher today. From a hydrological perspective, the alteration of river flows (temporally and spatially) is one of the main consequences of global change and further impairments can be expected given growing population pressure and projected climate change. Implications have been addressed in numerous hydrological studies, but with a clear focus on human water demands. Ecological water requirements have often been neglected or addressed in a very simplistic manner, particularly from the large-scale perspective. With his PhD thesis, Christof Schneider took up the challenge to assess direct (dam operation and water abstraction) and indirect (climate change) impacts of human activities on river flow regimes and evaluate the consequences for river ecosystems by using a modeling approach. The global hydrology model WaterGAP3 (developed at CESR) was applied and further developed within this thesis to carry out several model experiments and assess anthropogenic river flow regime modifications and their effects on river ecosystems. To address the complexity of ecological water requirements the assessment is based on three main ideas: (i) the natural flow paradigm, (ii) the perception that different flows have different ecological functions, and (iii) the flood pulse concept.
The thesis shows that WaterGAP3 performs well in representing ecologically relevant flow characteristics on a daily time step, and therefore justifies its application within this research field. For the first time a methodology was established to estimate bankfull flow on a 5 by 5 arc minute grid cell raster globally, which is a key parameter in eFlow assessments as it marks the point where rivers hydraulically connect to adjacent floodplains. Management of dams and water consumption pose a risk to floodplains and riparian wetlands as flood volumes are significantly reduced. The thesis highlights that almost one-third of 93 selected Ramsar sites are seriously affected by modified inundation patterns today, and in the future, inundation patterns are very likely to be further impaired as a result of new major dam initiatives and climate change. Global warming has been identified as a major threat to river flow regimes as rising temperatures, declining snow cover, changing precipitation patterns and increasing climate variability are expected to seriously modify river flow regimes in the future.
Flow regimes in all climate zones will be affected, in particular the polar zone (Northern Scandinavia) with higher river flows during the year and higher flood peaks in spring. On the other side, river flows in the Mediterranean are likely to be even more intermittent in the future because of strong reductions in mean summer precipitation as well as a decrease in winter precipitation, leading to an increasing number of zero flow events creating isolated pools along the river and transitions from lotic to lentic waters. As a result, strong impacts on river ecosystem integrity can be expected. Already today, large amounts of water are withdrawn in this region for agricultural irrigation and climate change is likely to exacerbate the current situation of water shortages.
2015-12-18T00:00:00ZSchneider, ChristofWorldwide water managers are increasingly challenged to allocate sufficient and affordable water supplies to different water use sectors without further degrading river ecosystems and their valuable services to mankind. Since 1950 human population almost tripled, water abstractions increased by a factor of four, and the number of large dam constructions is about eight times higher today. From a hydrological perspective, the alteration of river flows (temporally and spatially) is one of the main consequences of global change and further impairments can be expected given growing population pressure and projected climate change. Implications have been addressed in numerous hydrological studies, but with a clear focus on human water demands. Ecological water requirements have often been neglected or addressed in a very simplistic manner, particularly from the large-scale perspective. With his PhD thesis, Christof Schneider took up the challenge to assess direct (dam operation and water abstraction) and indirect (climate change) impacts of human activities on river flow regimes and evaluate the consequences for river ecosystems by using a modeling approach. The global hydrology model WaterGAP3 (developed at CESR) was applied and further developed within this thesis to carry out several model experiments and assess anthropogenic river flow regime modifications and their effects on river ecosystems. To address the complexity of ecological water requirements the assessment is based on three main ideas: (i) the natural flow paradigm, (ii) the perception that different flows have different ecological functions, and (iii) the flood pulse concept.
The thesis shows that WaterGAP3 performs well in representing ecologically relevant flow characteristics on a daily time step, and therefore justifies its application within this research field. For the first time a methodology was established to estimate bankfull flow on a 5 by 5 arc minute grid cell raster globally, which is a key parameter in eFlow assessments as it marks the point where rivers hydraulically connect to adjacent floodplains. Management of dams and water consumption pose a risk to floodplains and riparian wetlands as flood volumes are significantly reduced. The thesis highlights that almost one-third of 93 selected Ramsar sites are seriously affected by modified inundation patterns today, and in the future, inundation patterns are very likely to be further impaired as a result of new major dam initiatives and climate change. Global warming has been identified as a major threat to river flow regimes as rising temperatures, declining snow cover, changing precipitation patterns and increasing climate variability are expected to seriously modify river flow regimes in the future.
Flow regimes in all climate zones will be affected, in particular the polar zone (Northern Scandinavia) with higher river flows during the year and higher flood peaks in spring. On the other side, river flows in the Mediterranean are likely to be even more intermittent in the future because of strong reductions in mean summer precipitation as well as a decrease in winter precipitation, leading to an increasing number of zero flow events creating isolated pools along the river and transitions from lotic to lentic waters. As a result, strong impacts on river ecosystem integrity can be expected. Already today, large amounts of water are withdrawn in this region for agricultural irrigation and climate change is likely to exacerbate the current situation of water shortages.