Analysis and Projection of spatio-temporal Drought and Climate Change Impacts on Groundwater Resources and Surface-Groundwater Interactions for three Iranian Case Studies
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Bauingenieur- und Umweltingenieurwesen | ger |
| dc.contributor.referee | Koch, Manfred (Prof. Dr.) | ger |
| dc.contributor.referee | Stacke, Tobias (Dr.) | ger |
| dc.date.accessioned | 2020-12-10T06:19:54Z | |
| dc.date.available | 2020-12-10T06:19:54Z | |
| dc.date.issued | 2018-08 | |
| dc.identifier | doi:10.17170/kobra-202012092458 | ger |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/12143 | |
| dc.language.iso | eng | ger |
| dc.rights | Urheberrechtlich geschützt | |
| dc.rights.uri | https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/ | |
| dc.subject | Groundwater-Surface Water Interactions | ger |
| dc.subject | Climate Change | ger |
| dc.subject | Drought | ger |
| dc.subject | SWAT | ger |
| dc.subject | MODFLOW | ger |
| dc.subject | Iran | ger |
| dc.subject.ddc | 620 | ger |
| dc.subject.swd | Iran | ger |
| dc.subject.swd | Klimaänderung | ger |
| dc.subject.swd | Klimaschwankung | ger |
| dc.subject.swd | Wasser | ger |
| dc.subject.swd | Hydrologie | ger |
| dc.subject.swd | MODFLOW | ger |
| dc.subject.swd | SWAT Software | ger |
| dc.subject.swd | Dürre | ger |
| dc.title | Analysis and Projection of spatio-temporal Drought and Climate Change Impacts on Groundwater Resources and Surface-Groundwater Interactions for three Iranian Case Studies | eng |
| dc.type | Dissertation | |
| dc.type.version | publishedVersion | |
| dcterms.abstract | Der Klimawandel und deren Variabilität, wie z.B. die Dürre, wirken sich auf die Wasserressourcen und insbesondere auf die wertvolle Grundwasserressource aus, die im Iran mehr als 80% des Wasserbedarfs aller Bereiche (Landwirtschaft, Haushalt und Industrie) ausmacht. Es ist von größter Bedeutung, Anpassungsstrategien zur Bewältigung dieser Probleme zu finden, um ein nachhaltiges Wasserressourcenmanagement sicherzustellen. In dieser Hinsicht sind physikalisch basierte hydrologische Modelle gekoppelt mit Grundwassermodellen und datengesteuerte, maschinelle Lernalgorithmen von Vorteil, um solche Arten von komplexen und dynamischen hydrologischen und hydrogeologischen Systemen gerecht zu werden, insbesondere als Reaktion auf anhaltende Klimaänderungen, wiederkehrende Dürren und zunehmendem Bevölkerungswachstum. Die hier verwendeten Methoden wurden auf drei Fallstudien im Iran angewendet und innerhalb sechs wissenschaftlichen Artikeln veröffentlicht, die zum Zeitpunkt der Erstellung dieser Arbeit veröffentlicht oder in Überarbeitung waren. (1) Zur Identifikation und Vorhersage der Ausbreitung meteorologischer Dürreperioden und der Auswirkungen auf den Grundwasserspeicher in der Garbaygan-Ebene im Südosten Irans wurden Z-Standardwerte als meteorologischer Trockenheitsindex in das Finite-Differenzen-Modell zur Berechnung der dreidimensionalen gesättigten Grundwasserströmung (MODFLOW) integriert. Die Ergebnisse zeigten, dass selbst unter sehr feuchten und normalen Szenarien (größer gleich Jahresdurchschnitt der Langzeitniederschläge) die Grundwasserbilanz stets ein Defizit aufweist, wobei die Übernutzung des Grundwassers der entscheidende Faktor ist. (2) Die Auswirkungen des Klimawandels auf den Grundwasservorrat wurde unter Verwendung eines Niederschlag-Abflussmodells, des sogenennaten „Identification of unit Hydrographs And Component flows from Rainfall, Evaporation and Streamflow data (IHACRAS)“ vorhergesagt und mithilfe von Rezessionskurven Abflussganglinien im Einzugsgebiet im Nordosten Irans analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der Abfluss sich im Vergleich zum Referenzzeitraum (1970-2010) für die vorgesehenen Zeiträume 2010-2039, 2040-2069 und 2070-2099, um 9, 44 und 66% verringert. Außerdem zeigen die Ergebnisse, dass der Grundwasservorrat sich gegenüber des Referenzzeitraums um 37, 52 bzw. 61% verringert. (3) Um die fehlende Werte der Standrohrspiegelhöhen (als eines der Kalibrierungsziele) für die Kalibrierung und Validierung des anschließend entwickelten gekoppelten hydrologischen Oberflächen-Grundwassermodells zu berechnen, wurden Grundwassergleichenpläne mit „Singular / Multichannel Spectrum“ (SSA / MSSA) im Gharehsoo River Basin (GRB) mit dem Ardabil-Grundwasserleiter im Nordwesten des Iran durchgeführt.Das Ergebnis zeigt, dass MSSA wegen stärkerer zeitlicher als auch der räumlichen Korrelationen gegenüber SSA geeigneter zur Erstellung der fehlenden Standrohrspiegelhöhen ist. Darüber hinaus wurden die in dieser Studie verwendeten „eigentriples“ als sinusförmig ermittelt, was mit den saisonalen Schwankungen der Standrohrspiegelhöhen durch Grundwasserneubildung und -abfluss korrespondiert. (4) Das Ziel dieser Studie war der Aufbau eines gekoppelten hydrologischen Oberflächen-Grundwassermodells mittels der neuesten Versionen von SWAT und MODFLOW-NWT (Newton-Raphson-Verfahren zur Verbesserung der Lösungen von Fragestellungen zur Strömung in ungespannten Grundwasserleitern), um die komplizierten und sporadischen Oberflächen-Grundwasser-Wechselwirkungen im GRB darzustellen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Grundwasserabfluss aus dem Grundwasserleiter in Richtung des Flussnetzes (effluente Bedingungen) der vorherrschende Prozess gegenüber dem Wasseraustausch vom Fluss in den Grundwasserleiter (influente Bedingungen) ist. Außerdem zeigen die Ergebnisse, dass die meisten Nebenflüsse im GRB von in den letzten Jahrzehnten ganzjährig wasserführend mit der Zeit in ephemere bzw. intermittierende Flüsse umgewandelt wurden. (5) Herunterskalierung und später vorhergesagte Tagesniederschläge unter drei „Represantative Concentration Pathways“ (RCPs), 2.6, 4.5 und 8.5 wurde durch die Entwicklung eines hybriden Modells erreicht, das künstliche neuronale Netze (KNN), diskrete Wavelet - Transformation (DWT) und eine Bias-Korrekturmethode (Quantile Mapping (QM)) beinhaltet. Das Ergebnis zeigt, dass das hybride Modell ANN-DWT-QM in der Lage ist die Niederschläge zufriedenstellend zu simulieren und nachzubearbeiten, was immer noch eine gewaltige Herausforderung auf dem Gebiet der Klimatologie / Meteorologie darstellt. (6) Das entwickelte und erprobte SWAT-MODFLOW-NWT-Modell wurde dann bis zum Jahr 2099 mit täglich vorhergesagte Minimal-, Maximaltemperaturen sowie Niederschlägen mit RCPs, 2.6, 4.5 und 8.5 getestet, um den Effekt verschiedener Klimaszenarien und Wasserentnahmebedingungen auf die verschiedenen Wasserkompartimente im GRB zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Grundwasserabfluss bzw. der Basisabfluss in Richtung der Flüsse stärker durch Klimaszenarien und Pumpbedingungen als durch die Grundwasserneubildung vom Flussnetzwerk zum Grundwasserleiter beeinflusst wird. Außerdem ergab die Untersuchung, dass im neben den Auswirkungen des Klimawandels die übermäßige Grundwasserentnahme ein Hauptgrund für den Verlust des Grundwasservorrats bzw. den Fall der Standrohrspiegelhöhen in diesem Grundwasserleiter ist. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse eine Verringerung des Wasserdargebots für April mit RCP 2.6 im Zeitraum 2041-2070. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das vorgeschlagene gekoppelte hydrologische Modell im Untergrund ein solides Ergebnis zur Simulation und Vorhersage der Wasserhaushaltskomponenten und insbesondere der Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen auf verschiedenen räumlich-zeitlichen Skalen zeigt. Darüber hinaus kann die vorgeschlagene Methodik für zukünftige Studien als ein beispielhafter Ansatz mit hoher Aussagekraft zur umfassenden Bewertung der Auswirkungen des Klimawandels auf die Wasserressourcen betrachtet werden. | ger |
| dcterms.abstract | Climate change and variability, manifesting itself either in its extremes in terms of droughts or floods, impacts on different components of the hydrological cycle, i.e. the water resources, including groundwater resources, which is an invaluable source of water in Iran, affording more than 80% of the water demand for all sectors in that country, including agriculture, domestic, and industry. Thus, it is of paramount importance for ascertaining adaptation and alleviation strategies to cope with these anticipated climate stressors, in order to secure a sustainable water resources management. In this respect, physically based coupled surface-subsurface hydrological models and data-driven/machine learning algorithms can be an asset to address such types of complex and dynamic hydrological and hydrogeological systems, particularly, in response to the ongoing climate change, recurrent droughts/floods, and increasing population growth. The methodologies used here are applied to three Iranian case studies and the results obtained are being prepared for 6 promising research publications at the time of this writing. (1) To identify and project how a wide range of meteorological drought severities/scenarios propagate through the groundwater system and impact upon the groundwater storage in the Garbaygan plain located in the southeastern area of Iran, standard Z-scores, as a meteorological drought index, were integrated into the Modular Three-Dimensional Finite-Difference Groundwater Flow (MODFLOW) model. The results indicate that even under very wet and normal scenarios (≥ annual average of long-term precipitation), the groundwater budget will not be recovered to a positive quantity, because groundwater over-utilization is found to be the determining factor, which means that groundwater scarcity is the major reason for the sharp drawdown and a negative groundwater budget. (2) Climate change impacts on groundwater storage are projected using a rainfall-runoff model called Identification of unit Hydrographs And Component flows from Rainfall, Evaporation and Streamflow data (IHACRAS) in the light of analyzing the recession curves of streamflow hydrographs in the Bar watershed located in northeastern Iran. The results show that, compared to the reference period (1970- 2010), the streamflow will be decreased by 9, 44 and 66%, for the projected periods 2010-2039, 2040- 2069 and 2070- 2099, respectively. Also, the findings reveal that compared with the reference period the groundwater storage will be decreased by 36.9, 52 and 61%, for the three projected periods, respectively. (3) To impute substantial missing values of groundwater level (GWL) data (as one of the calibration targets) for the calibration and validation of the subsequently developed coupled surface-groundwater hydrological model, reconstruction of the GWL is carried out using Singular/Multichannel Spectrum Analysis (SSA/MSSA) in the Gharehsoo River Basin (GRB), with the enclosed Ardabil aquifer, located in northwest Iran. The results indicate that MSSA, taking advantages of both temporal and spatial correlations, outperforms SSA in the reconstruction and imputation of missing GWL data. Even more, the suitable eigentriples used in this study are found to be sinusoidal which correspond closely to the seasonal fluctuations of the GWL ensuing from the recharge and discharge periods. (4) A fully coupled surface-subsurface hydrological model by means of the latest versions of the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) and MODFLOW-NWT (Newton-Raphson Technique to improve the solutions of unconfined groundwater-flow problems) model is set up to represent the intricate and sporadic surface-groundwater interactions in the GRB. The results show that the groundwater discharge from the aquifer towards the river network (effluent conditions) is the dominant flux exchange, relative to the groundwater recharge from the river network to the aquifer (influent conditions). Also, the findings demonstrate that most of the tributaries across the GRB have been converted from a perennial regime to an ephemeral/intermittent system over the last decades. (5) Downscaling of daily precipitation in the GRB under three Representative Concentration Pathways (RCPs), 2.6, 4.5 and 8.5 as well as under eight-selected GCMs is carried out by means of a hybrid model employing Artificial Neural Networks (ANNs), Discrete Wavelet Transform (DWT) and a well-tested bias-correction method, namely, Quantile Mapping (QM). The results indicate that the proposed hybrid model, called ANN-DWT-QM, is able to quite satisfactorily simulate and post-process/bias-correct the precipitation, which is still a formidable challenge in the field of climatological/meteorological sciences. (6) The SWAT-MODFLOW-NWT model set up in chapter 4 is forced by daily projected minimum, maximum temperature as well as precipitation under RCPs, 2.6, 4.5 and 8.5, to identify the future response of different water resources compartments to these climate change scenarios and pumping conditions in GRB up to year 2100. The results illustrate that the groundwater discharge/baseflow towards the river network will be more impacted by the climate change scenarios and pumping conditions rather than the groundwater recharge from the river network towards the aquifer. The findings also reveal that, compared to the net impacts of climate change, groundwater over-exploitation is the compelling reason for the groundwater storage/head drawdown in this aquifer in the future. Furthermore, it is shown that the water yield will be falling, except for the month of April in the time slice 2041-2070 under RCP2.6. In summary, the proposed coupled surface-subsurface hydrological model with future climate drivers demonstrates a solid competency to simulate and predict the water balance components and, particularly, the surface-groundwater interconnection fluxes on different spatio-temporal scales now and in the future. As such, this methodology can be considered as a high-skill modeling approach for the comprehensive assessment of climate change impacts on all water resources compartments for future studies. | eng |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | Taie Semiromi, Majid | |
| dcterms.dateAccepted | 2018-08-30 | |
| dcterms.extent | xvii, 18-217 Seiten | |
| kup.iskup | false |