KliWES Ergebnisse für den rezenten und zukünftig zu erwartenden Wasserhaushalt in Sachsen

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1 Fakultät Umweltwissenschaften Institut für Hydrologie und Meteorologie Lehrstuhl für Hydrologie KliWES Ergebnisse für den rezenten und zukünftig zu erwartenden Wasserhaushalt in Sachsen Dipl.-Hydrol. Agnes Baldy TU Dresden Inst. f. Hydrologie u. Meteorologie Weitere Bearbeiter: Dr. Robert Schwarze Dr. Peter Winkler 3. Workshop KliWES Dipl.-Hydrol. Corina Hauffe Dresden, 08. November 2013

2 Inhalt 1. Wasserhaushaltsmodellierung 2. Untersuchungsgebiet 3. Verifizierung 4. Rezenten und zukünftig zu erwartenden Wasserhaushalt

3 Wasserhaushaltsmodellierung Wasserhaushaltsmodellierungen erfolgen unter Nutzung des Modellsystems ArcEGMO auf Basis von Beobachtungsdaten und drei Klimaszenarien sowie unter der Annahme von drei Landnutzungsszenarien Simulationszeitraum Ist-Zustand: Simulationszeitraum Szenarien: Auswahl der meteorologischen Eingangsdaten Ist-Zustand: Beobachtungsdaten vom DWD Klimaszenarien: Emissionsszenario: A1B Globales Klimamodell: ECHAM5/MPI-OM Regionales Klimamodell: Wetterlagenbasierte Regionalisierungsmethode WETTREG2010 Realisierungen: 00, 66, 99

4 Wasserhaushaltsmodellierung Wasserhaushaltsergebnisse: Wasserhaushaltsbilanz P = ETR + RS + RG1+ RG2 P Niederschlag, korrigiert nach RICHTER (1995) ETR Reale Verdunstung RS Schnelle Abflusskomponente, fasst den Landoberflächenabfluss, hypodermischen Abfluss, Drainageabfluss, Abflüsse aus der Kanalisation zusammen RG1 Schnelle Grundwasserkomponente RG2 Langsame Grundwasserkomponente RG Grundwasserkomponente/ Grundwasserzuflüsse zu den Speichern, RG = RG1 + RG2 GWN Grundwasserneubildung, Für Gebiete im Lockergestein wird i. d. R. Grundwasserneubildung GWN = RG2 + RG1 und für Gebiete im Festgestein GWN = RG2 empfohlen. Diese Empfehlung ist stets unter Beachtung der konkreten Gebietseigenschaften auf Plausibilität zu prüfen.

5 Wasserhaushaltsmodellierung - Untersuchungsraum

6 Untersuchungsgebiet Flusseinzugsgebiet: Neiße Pegel Seifhennersdorf Gewässer: Mandau Einzugsgebietsgröße: 75 km² Mittlere Höhe: 417 m Messung des Durchflusses und Wasserstandes: ab 11/1967 Dominierende Landnutzung: Grünland und Ackerflächen Hydrogeologie: Festgestein, mit überwiegend Magmatischem Tiefengestein

7 Untersuchungsgebiet Pegel Seifhennersdorf Mittlerer jährlicher Niederschlag ( ): 930 mm/a Mittlere jährliche Temperatur ( ): 8,0 C Räumliche Verteilung des Gebietsniederschlag ( ) Räumliche Verteilung der mittleren Lufttemperatur ( )

8 Verifizierung Fragestellung: Wie plausibel sind die projizierten Klimagrößen und projizierten Wasserhaushaltsgrößen für ein Einzugsgebiet? Methode: quantitativer, qualitativer und statistischer Vergleich der projizierten Ergebnisse mit den Ergebnissen des Ist-Zustandes für (Referenzzeitspanne) Ziel: systematische Vorhersagefehler feststellen quantitative Abschätzung der Für den Zeitraum Vorhersagegüte T [ C] Interpretation der projizierten Daten Ist-Zustand 7,8 903 Verbesserung des Modells Realisierung 00 8,2 864 Realisierung 66 8,3 912 Realisierung 99 8,2 904 P [mm/a] Wie unterscheiden sich Ist-Zustand und Realisierungen im Jahresgang?

9 Verifizierung Fragestellung: Wie plausibel sind die projizierten Klimagrößen für das Einzugsgebiet des Pegels Seifhennersdorf? Für den Zeitraum Tagestemperatur Variationskoeffizient [%] Spannweite [ C] Ist-Zustand Realisierung Realisierung Realisierung

10 Verifizierung Fragestellung: Wie plausibel sind die projizierten Klimagrößen für das Einzugsgebiet des Pegels Seifhennersdorf? Für den Zeitraum Niederschlag (aktuelle Monatssummen) Variationskoeffizient [%] Ist-Zustand Realisierung Realisierung Realisierung Spannweite [mm/mon]

11 Verifizierung Fragestellung: Wie plausibel sind die projizierten Klimagrößen für das Einzugsgebiet des Pegels Seifhennersdorf? Darstellung des Trends unter Annahme der drei Realisierungen

12 Verifizierung Fragestellung: Wie plausibel sind die projizierten Wasserhaushaltsgrößen für das Einzugsgebiet des Pegels Seifhennersdorf? Wasserhaushaltsbilanz P = ETR + RS + RG1+ RG2 P Niederschlag, nach RICHTER (1995) korrigiert ETR Reale Verdunstung RS Schnelle Abflusskomponente RG1 Schnelle Grundwasserkomponente RG2 Langsame Grundwasserkomponente

13 Verifizierung Fragestellung: Wie plausibel sind die projizierten Wasserhaushaltsgrößen für das Einzugsgebiet des Pegels Seifhennersdorf?

14 Verifizierung Fragestellung: Wie plausibel sind die projizierten Wasserhaushaltsgrößen für das Einzugsgebiets des Pegels Seifhennersdorf? Für den Zeitraum ETR (aktuelle Monatssummen) Mittelwert [mm/mon] Variationskoeffizient [%] Ist-Zustand Spannweite [mm/mon] Realisierung 00 Realisierung 66 Realisierung

15 Verifizierung Fragestellung: Wie plausibel sind die projizierten Wasserhaushaltsgrößen für das Einzugsgebiets des Pegels Seifhennersdorf? Für den Zeitraum RG (aktuelle Monatssummen) Mittelwert [mm/mon] Variationskoeffizient [%] Ist-Zustand Spannweite [mm/mon] Realisierung 00 Realisierung 66 Realisierung

16 Verifizierung Fragestellung: Wie plausibel ist die projizierte Grundwasserkomponente RG im Jahresmittel für das Einzugsgebiet des Pegels Seifhennersdorf? Darstellung der räumlichen Variabilität der Grundwasserkomponente Simulation Ist-Zustand Simulation Realisierung

17 Verifizierung Fragestellung: Wie plausibel ist die projizierte Grundwasserkomponente RG im Jahresmittel für das Einzugsgebiet des Pegels Seifhennersdorf? Darstellung der 30-jährigen Mittelwerte der Grundwasserkomponente RG und der relativen Abweichung Simulation Ist-Zustand Simulation Realisierung

18 Verifizierung - Fazit Auswertung der Klimagrößen für die Referenzzeitspanne Die mittlere Temperatur der drei Realisierungen ( ) weicht um ca. + 5,5 % vom Ist-Zustand ab Der mittlere Niederschlag der drei Realisierungen ( ) weicht um ca. - 4 % bzw. max. + 1 % vom Ist-Zustand ab Spannweiten und Variationskoeffizienten der meteorologischen Größen: Projektion < Beobachtung Trend Niederschlag Temperatur Ist-Zustand ( ) Positiv Marginal negativ, von positiv Realisierungen ( ) Negativ Positiv Auswertung der Wasserhaushaltsgrößen für die Referenzzeitspanne i.d.r. Überschätzung der aktuellen Monatssummen der projizierten realen Verdunstung i.d.r. Unterschätzung der aktuellen Monatssummen der projizierten Grundwasserkomponente

19 Verifizierung - Fazit Auswertung der Wasserhaushaltsgrößen Marginale Überschätzung der mittleren Jahressumme der realen Verdunstung Im Allgemeinen Unterschätzung der mittleren Jahressumme der Grundwasserkomponente Relative Abweichung zum Ist-Zustand Realisierung 00 Realisierung 66 Realisierung 99 Mittlere Jahressumme von ETR + 2% + 2 % + 3 % Mittlere Jahressumme von RG - 9 % + 3 % - 1 % Fazit für das Gebiet Seifhennersdorf: Die untersuchten Wasserhaushaltsgrößen der Realisierungen von WETTREG2010 unterscheiden sich nur marginal von den Ergebnissen des Ist-Zustandes für den Zeitraum Somit sind die Abweichungen der langjährigen Mittelwerte vernachlässigbar. Im Ergebnis der Verifizierung kann ausgesagt werden, dass die projizierten Wasserhaushaltsgrößen plausibel sind.

20 Wasserhaushaltsergebnisse Räumliche Auflösung: Teileinzugsgebiete Zeitliche Auflösung: Aktuelle Monatswerte Ergebnisgrößen: Niederschlag, reale Verdunstung, schnelle Abflusskomponente, schnelle und langsame Grundwasserkomponente Zeitraum Ist-Zustand: Realisierung 00, 66 und 99 von WETTREG2010: Verfügbare Daten: Klimainput Landnutzungsinput 1 Ist-Zustand Ist-Zustand 2 Realisierung 00 Ist-Zustand 3 Realisierung 66 Ist-Zustand 4 Realisierung 99 Ist-Zustand 5 Realisierung 00 Landnutzungsszenario Waldumbau 6 Realisierung 00 Landnutzungsszenario Flächenumwidmung 7 Realisierung 00 Landnutzungsszenario Versiegelung

21 Simulation Realisierung 00 Wasserhaushaltsergebnisse Mittlere Jahressummen der Grundwasserkomponente je Teileinzugsgebiet Simulation Ist-Zustand Simulation Realisierung

22 Wasserhaushaltsergebnisse Fragestellung: Wie entwickelt sich die Wasserhaushaltssituation im Untersuchungsraum? Wie entwickelt sich der Wasserhaushalt unter Annahme der Klima- und Landnutzungsszenarien in Sachsen?

23 Fakultät Umweltwissenschaften Institut für Hydrologie und Meteorologie Lehrstuhl für Hydrologie KliWES Abschätzung zu erwartender Wasserhaushaltsveränderungen in Sachsen Dipl.-Hydrol. Corina Hauffe TU Dresden Inst. f. Hydrologie u. Meteorologie Weitere Bearbeiter: Dr. Robert Schwarze Dr. Peter Winkler 3. Workshop KliWES Dipl.-Hydrol. Agnes Baldy Dresden, 08. November 2013

24 Einleitung Wie entwickelt sich der Wasserhaushalt unter der Annahme der Klima- und Landnutzungsszenarien in Sachsen? Auswertung für ein sächsisches Einzugsgebiet Inhalt: Sachsens Zukunft? Fluss in Spanien Quelle: Zukünftig zu erwartende Entwicklung des Wasserhaushaltes für die Klimaszenarien Zukünftig zu erwartende Entwicklung der Grundwasserkomponente Vorstellung der Differenzenkarten Zukünftig zu erwartende Entwicklung des Wasserhaushaltes für die Landnutzungsszenarien

25 Vergleich der Wasserhaushaltsbilanzen Wie entwickelt sich der Wasserhaushalt im Gebiet Seifhennersdorf unter Annahme der drei Klimaszenarien?

26 Vergleich der Wasserhaushaltsbilanzen Wie entwickelt sich der Wasserhaushalt im Gebiet Seifhennersdorf unter Annahme der drei Klimaszenarien? Angaben in % vom Niederschlag ETR RS RG Ist-Zustand ( ) Realisierung Realisierung Realisierung Angaben in % vom Niederschlag ETR RS RG Ist-Zustand ( ) Realisierung Realisierung Realisierung ETR - Reale Verdunstung RS - Schnelle Abflusskomponente RG - Grundwasserkomponente

27 Mögliche Entwicklung der Grundwasserkomponente Trend der Grundwasserkomponente RG unter Annahme der drei Realisierungen im Gebiet Seifhennersdorf 30-Jahresmittelwerte von RG RG in mm/a Ist-Zustand Realisierung Jahresmittelwerte der Größe RG für die drei Realisierungen Realisierung Realisierung

28 Mögliche Entwicklung der Grundwasserkomponente

29 Mögliche Entwicklung der Grundwasserkomponente

30 Mögliche Entwicklung der Grundwasserkomponente

31 Mögliche Entwicklung der Grundwasserkomponente

32 Mögliche Entwicklung der Grundwasserkomponente Vergleich statistischer Parameter der Grundwasserkomponente für drei Realisierungen Zeitraum Realisierung 00 Realisierung 66 Realisierung 99 Ist-Zustand ( ) Mittelwert [mm/mon] RG (aktuelle Monatssummen) Variationskoeffizient [%] Spannweite [mm/mon]

33 Differenzenkarten Zeiträume der Differenzenkarten Referenzzeitraum: (Referenzzeitspanne) Vergleichszeitraum 1: Vergleichszeitraum 2: Vergleichszeitraum 3: Relative und absolute Abweichungen der 30-jährigen Mittelwerte einer Wasserhaushaltsgrößen vom Ist-Zustand

34 Differenzenkarten für das Gebiet Seifhennersdorf 30-jähriger Mittelwert der Grundwasserkomponente RG und relative Abweichung vom Referenzzeitraum Simulation Ist-Zustand Simulation Realisierung

35 Differenzenkarten für das Gebiet Seifhennersdorf Relative Abweichung der Grundwasserkomponente vom Referenzzeitraum für die Realisierung

36 Ergebnisse - Fazit Änderungen des Wasserhaushalts unter Annahme der Realisierungen alle drei Realisierungen zeigen für den Zeitraum bis 2100 den gleichen Trend für die Wasserhaushaltsgrößen, nur die Größenordnungen unterscheiden sich Positiver Trend der realen Verdunstung Negativer Trend des Niederschlages und der Abflusskomponenten RS und RG Sommermonate stärker von Änderungen betroffen als Wintermonate Stärkste relative Abnahme von RS und RG gegenüber dem Ist-Zustand

37 Weiteres Beispielgebiet - Schönau

38 Einzugsgebiet Schönau Flusseinzugsgebiet: Schwarze Elster Pegel: Schönau Gewässer: Klosterwasser Einzugsgebietsgröße: 105 km² Dominierende Landnutzung: Ackerland Dominierende hydrogeologische Einheit: Lockergestein Anteil der grundwassernahen Flächen: 31 % der Gesamtfläche

39 Zehrung im Gebiet Schönau

40 Mögliche Entwicklung der Grundwasserkomponente

41 Mögliche Entwicklung der Grundwasserkomponente

42 Mögliche Entwicklung der Grundwasserkomponente

43 Mögliche Entwicklung der Grundwasserkomponente

44 Mögliche Entwicklung der Grundwasserkomponente Vergleich der Grundwasserkomponente des Zeitraums mit dem Referenzzeitraum für die Realisierung 66 Unter Annahme der Realisierungen zeigt sich eine Abnahme der 30-jährigen mittleren Summe der Grundwasserkomponente: Im Sommerhalbjahr um rund 230 % Im Winterhalbjahr um rund 60 %

45 Bewertung der Ergebnisse für Schönau Sind die Ergebnisse für den Zeitraum realistisch? Hoher Anteil von grundwassernahen Flächen Keine Reduzierung der Grundwasserflurabstände aufgrund geringer Grundwasserneubildung Keine Anpassung der Vegetation /Fortbestehen der Vegetation trotz Trockenstress gleich bleibend hoher Transpirationssog Überschätzung der realen Verdunstung Unterschätzung der Grundwasserkomponente Ursache: Da das Modell nicht mit einem Grundwasserströmungsmodell gekoppelt ist, findet keine Anpassung der Grundwasserstände statt. Die Zehrung wird überschätzt.

46 Vorstellung der Landnutzungsszenarien Getroffene Konventionen Waldumbau: Umwandlung von Nadel- in Laubwald (außer auf Nadelwaldflächen mit potenzieller natürlicher Vegetation) Versiegelung: Erhöhung des Versiegelungsgrades innerhalb der Ortschaften Flächenumwidmung: Zunahme der räumlichen Ausdehnung von 13 Klimainput: Realisierung 00 ausgewählten Städten in Sachsen

47 Wasserhaushalt - Landnutzungsszenarien Wasserhaushaltsbilanzen des Zeitraumes für Szenario Versiegelung V und Waldumbau W im Gebiet Seifhennersdorf Angaben in % vom Niederschlag ETR RS RG Realisierung Realisierung 00 V Realisierung 00 W ETR RS RG Reale Verdunstung Schnelle Abflusskomponente Grundwasserkomponente

48 Wasserhaushalt - Landnutzungsszenarien Wasserhaushaltsveränderungen für Szenario Versiegelung V und Waldumbau W im Gebiet Seifhennersdorf Fazit: Der Einfluss der Landnutzungsszenarien ist im Vergleich zu den Klimaszenarien gering.

49 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Mitarbeiter im KliWES Projekt Dr. Robert Schwarze (Projektleiter) Dr. Peter Winkler Dipl. Hydrol. Agnes Baldy Dipl. Hydrol. Corina Hauffe Dipl. Geogr. Patric Röhm Dresden Research and Education Synergies for the Development of Excellence and Novelty.