Abstract
Water management and environmental protection is vulnerable to extreme low flows during streamflow droughts. During the last decades, in most rivers of Central Europe summer runoff and low flows have decreased. Discharge projections agree that future decrease in runoff is likely for catchments in Brandenburg, Germany. Depending on the first-order controls on low flows, different adaption measures are expected to be appropriate. Small catchments were analyzed because they are expected to be more vulnerable to a changing climate than larger rivers. They are mainly headwater catchments with smaller ground water storage. Local characteristics are more important at this scale and can increase vulnerability.
This thesis mutually evaluates potential adaption measures to sustain minimum runoff in small catchments of Brandenburg, Germany, and similarities of these catchments regarding low flows. The following guiding questions are addressed: (i) Which first-order controls on low flows and related time scales exist? (ii) Which are the differences between small catchments regarding low flow vulnerability? (iii) Which adaption measures to sustain minimum runoff in small catchments of Brandenburg are appropriate considering regional low flow patterns?
Potential adaption measures to sustain minimum runoff during periods of low flows can be classified into three categories: (i) increase of groundwater recharge and subsequent baseflow by land use change, land management and artificial ground water recharge, (ii) increase of water storage with regulated outflow by reservoirs, lakes and wetland water management and (iii) regional low flow patterns have to be considered during planning of measures with multiple purposes (urban water management, waste water recycling and inter-basin water transfer). The question remained whether water management of areas with shallow groundwater tables can efficiently sustain minimum runoff. Exemplary, water management scenarios of a ditch irrigated area were evaluated using the model Hydrus-2D. Increasing antecedent water levels and stopping ditch irrigation during periods of low flows increased fluxes from the pasture to the stream, but storage was depleted faster during the summer months due to higher evapotranspiration. Fluxes from this approx. 1 km long pasture with an area of approx. 13 ha ranged from 0.3 to 0.7 ls-1 depending on scenario. This demonstrates that numerous of such small decentralized measures are necessary to sustain minimum runoff in meso-scale catchments.
Differences in the low flow risk of catchments and meteorological low flow predictors were analyzed. A principal component analysis was applied on daily discharge of 37 catchments between 1991 and 2006. Flows decreased more in Southeast Brandenburg according to meteorological forcing. Low flow risk was highest in a region east of Berlin because of intersection of a more continental climate and the specific geohydrology. In these catchments, flows decreased faster during summer and the low flow period was prolonged. A non-linear support vector machine regression was applied to iteratively select meteorological predictors for annual 30-day minimum runoff in 16 catchments between 1965 and 2006. The potential evapotranspiration sum of the previous 48 months was the most important predictor (r2 = 0.28). The potential evapotranspiration of the previous 3 months and the precipitation of the previous 3 months and last year increased model performance (r2 = 0.49, including all four predictors). Model performance was higher for catchments with low yield and more damped runoff. In catchments with high low flow risk, explanatory power of long term potential evapotranspiration was high.
Catchments with a high low flow risk as well as catchments with a considerable decrease in flows in southeast Brandenburg have the highest demand for adaption. Measures increasing groundwater recharge are to be preferred. Catchments with high low flow risk showed relatively deep and decreasing groundwater heads allowing increased groundwater recharge at recharge areas with higher altitude away from the streams. Low flows are expected to stay low or decrease even further because long term potential evapotranspiration was the most important low flow predictor and is projected to increase during climate change. Differences in low flow risk and runoff dynamics between catchments have to be considered for management and planning of measures which do not only have the task to sustain minimum runoff.
Abschlussarbeit zur Erlangung des akademischen Grades Master of Science an der RWTH Aachen, Lehr- und Forschungsgebiet Abfallwirtschaft.
Grünflächen können durch die Verdunstung von Wasser eine kühlende Wirkung auf ihre Umgebung haben. In trockenen Sommern steht oft nicht ausreichend Wasser für eine optimale Kühlleistung der Flächen zu Verfügung. Klimamodellierungen prognostizieren eine Häufung dieser Sommer. Der Wasserbedarf, der für die Kühlleistung von Grünflächen bedeutend ist, wird zukünftig steigen. An drei Parkanlagen in der Stadt Bottrop wurden der Bedarf sowie die verfügbaren Wasserressourcen für eine Optimierung der Kühlleistung in extrem trockenen Sommern ermittelt und gegenübergestellt. Aus den Ergebnissen konnten Handlungsoptionen für eine zukünftige Umsetzung zur Verbesserung des Stadtklimas abgeleitet werden.
Für ein erfolgreiches Monitoring sind vier Kernelemente wichtig: Informationsbedarf gemäß Zielen, Indikatoren, Bewertungssystem und Handlungsoptionen. Das Monitoringhandbuch gibt mit Stand März 2014 für die einzelnen Ergebnisbereiche einen Überblick über die Anpassungsziele und den daraus resultierenden Informationsbedarf des Projektes dynaklim , über die Indikatoren, anhand derer die Zielerreichung gemessen, und es gibt ein Bewertungssystem, anhand dessen der Zielerreichungsstand bewertet werden kann. Es werden Handlungsoptionen aufgezeigt, die es ermöglichen, bei einer Zielabweichung gegenzusteuern. Bei einigen Ergebnisbereichen konnten diese vier Kernelemente eines Monitorings noch nicht vollständig benannt werden. Das Monitoringhandbuch ist so angelegt, dass es auch nach der Projektlaufzeit regelmäßig weiter fortgeschrieben werden kann.
Viele Möglichkeiten zur Anpassung an die Folgen des Klimawandels sind in der Region bereits vorhanden und langjährig erprobt, wie beispielsweise die Erhöhung von Deichen. Darüber hinaus bestehen in der Metropole Nordwest große Potenziale für die Entwicklung und Anwendung von neuartigen Lösungen zur Klimaanpassung. Solche Innovationen können sowohl neue technische Lösungen, wie beispielsweise sturmsichere Dach- und Fassadensysteme sein, als auch organisationale, geschäftsfeldbezogene, institutionelle oder soziale Problemlösungen. So wäre beispielsweise die erfolgreiche Etablierung einer Klimaanpassungsagentur in der Metropolregion Bremen-Oldenburg als eine neuartige, institutionelle Klimaanpassungslösung zu werten. Klimaanpassungsinnovationen stärken dabei nicht nur die Robustheit der Region gegenüber dem Klimawandel. Vielmehr können sich hieraus neue Märkte und Absatzchancen für Unternehmen ergeben, und zwar sowohl für den Absatz innerhalb der Region, als auch national und im internationalen Export.
Für viele Herausforderungen des Klimawandels, wie z.B. zunehmende Temperaturextreme, existieren bereits leistungsfähige Lösungsansätze und Technologien, wie solares oder geothermisches Kühlen. Andere Ansätze befinden sich noch im Entwicklungsstadium, so dass kurz- und mittelfristig mit deren Anwendung gerechnet werden kann. Ob sich die Neuerungen tatsächlich durchsetzen und ob damit auch die beabsichtigten Ziele erreicht werden, ist nicht immer sicher. Um neuartige Klimaanpassungslösungen systematisch zu identifizieren und zu bewerten, wurde in ‚nordwest2050‘ das Instrument der Innovationspotenzialanalyse entwickelt. Dieses „kurz+bündig“ stellt die Methodik sowie wesentlichen Ergebnisse ihrer praktischen Anwendung vor.
One of the important parts of the final conference of ‘nordwest2050’ has been the scientific exchange sessions in the House of Science and the Industryclub Bremen. Contributions were based upon a call for papers from October 2013. The scientific committee received almost 100 abstracts where 36 were chosen for oral presentations and 15 for poster presentations (see overview tables below).
Four main topics were discussed in parallel workshops:
• Analysing Impacts and Assessing Vulnerabilities
• Designing and Testing Solutions for Regional Climate Adaptation and Resilience
• Implementing Climate Adaptation and Paths to a Resilient Future
• Resilience for Business: Climate Adaptation Challenge and Strategies of Sectors and Companies
Für das Trinkwassergewinnungsgebiet Üfter Mark im nordwestlichen Münsterland wurden mit Hilfe des Modells CANDY der Stoffaustrag sowie der Bodenwasserhaushalt unter landwirtschaftlichen Nutzflächen unter Klimawandelbedingungen modelliert. Am Beispiel einzelner Referenzflächen, für die Messwerte zum Stoffumsatz im Boden vorlagen, wurde das Modell an die standörtlichen Bedingungen angepasst. Die Modellläufe für verschiedene Fruchtfolgen und Standortbedingungen zeigten, dass - bei gleichbleibender Bewirtschaftung - allein durch die projizierten veränderten klimatischen Bedingungen ein erhöhter N-Austrag lediglich in Böden mit erhöhten Humusgehalten zu erwarten ist. Ein deutlicher Einfluss des Klimawandels auf erhöhte Bewässerungsansprüche (ca. 100 - 150 mm/a) in der Fernen Zukunft (2071 - 2100) zeichnete sich hingegen in allen betrachteten Fruchtfolgen und Standorttypen ab. Die tatsächliche Entwicklung der landwirtschaftlichen Flächennutzung für die nächsten Jahrzehnte lässt sich auf Grund der vielfältigen Einflussfaktoren und ihrer komplexen Wechselwirkungen nicht belastbar prognostizieren. Die Untersuchungsergebnisse haben jedoch gezeigt, dass durch den Einsatz eines DV-Systems wie CANDY zur Modellierung des Stoff- und Wasserhaushaltes eines Bodens - nach entsprechender Anpassung der Modellparameter an das Untersuchungsgebiet - bei sich abzeichnenden Änderungen der Bewirtschaftung deren Konsequenzen für den Stoffaustrag bzw. den Bodenwasserhaushalt modelliert werden. Durch Variierung der Bewirtschaftungsmaßnahmen kann der Modelleinsatz in der Folge die Entwicklung grundwasserschonende Flächennutzungsverfahren unterstützen.
Der Großstadtraum zwischen Dortmund, Bochum, Essen und Duisburg ist einer der am dichtesten besiedelten Wirtschafts- und Ballungsräume in Europa. Durch Starkregenereignisse und lokale Überflutungen wie im Juli 2008 in Dortmund oder 2013 in Bochum und durch längere Hitzeperioden wie in den Sommern 2003 und 2006 wird der Klimawandel zunehmend auch von der Öffentlichkeit wahrgenommen. Die Fachwelt erwartet, dass sich der Klimawandel weiter fortsetzen und immer stärker bemerkbar machen wird, mit unterschiedlichen Folgen und Unsicherheiten für die Entwicklung der Umwelt, Gesellschaft, Wirtschaft und der öffentlichen Daseinsvorsorge. Im Projekt dynaklim werden Szenarien entwickelt, um diese Unsicherheiten, die bei Zukunftsprognosen bestehen, bewusst aufzuzeigen und diese planerisch in den verschiedenen Handlungsbereichen (Siedlungsentwässerung, Trinkwasserversorgung, Grundwasserbewirtschaftung, Oberflächengewässerbewirtschaftung, Wirtschaft, Finanzierung, Kosten etc.), die im Projekt bearbeitet werden, einzubinden. Sensitivitäten und Vulnerabilitäten der verschiedenen, teilweise sehr komplexen Bereiche können mit Szenarien umfassender aufgezeigt und verstanden werden. Szenarien bieten eine konkrete Unterstützung der Umsetzung von Anpassungsmaßnahmen an den Klimawandel. Insbesondere die Kombination von Szenarien der regionalen Klimaentwicklung und sozioökonomischen Szenarien können hierzu einen Beitrag liefern.
Ein Problem, das immer auftritt, wenn es um den Begriff "Risiko" geht, ist die Existenz unterschiedlicher Risikodefinitionen und das zwischen gesellschaftlichen und Berufsgruppen oft divergierende Risikoverständnis. Aus diesem Grunde wird hier ein Vorschlag für Begriffsabgrenzungen innerhalb des dynaklim-Projektes gemacht.
Am Beispiel des Wassergewinnungsgebiets Üfter Mark werden die Auswirkungen des Klimawandels auf den Wasserhaushalt in der Projektregion „Emscher-Lippe“ untersucht. Langfristige Trends in der Quantität und Qualität von Wasserressourcen werden modellbasiert erfasst und hinsichtlich ihres Gefährdungspotenzials bewertet. Hierbei zeigt sich v.a. ein in der Zukunft steigender Beregnungsbedarf landwirtschaftlicher Nutzflächen als wesentlicher Schlüsselfaktor. Das für die Beregnung genutzte Grundwasser stellt neben der Düngung und der atmosphärischen Deposition eine zusätzliche Eintragsquelle u.a. für Nitrat, Sulfat und Chlorid dar. Insbesondere die Nutzung oberflächennaher Grundwässer für die Beregnung führt somit zu einem schrittweisen Anstieg der Stoffbelastung im Grund- und Rohwasser. So kann für landwirtschaftlich relevante Parameter wie Nitrat diese zusätzliche Belastungsquelle reduziert werden, wenn die mit dem Beregnungswasser ausgebrachten N-Frachten bei der N-Düngung berücksichtigt werden. Anhand von Prognoseszenarien wird für die Förderbrunnen differenziert untersucht, welchen Effekt ein infolge des Klimawandels veränderter Stofffluss auf die Entwicklung der Rohwasserbeschaffenheit hat. So zeigt sich v.a. in den westlich gelegenen Förderbrunnen eine hohe Sensibilität gegenüber Veränderungen im Stoffaustrag aus der Bodenzone. Eine Beeinflussung der Rohwasserqualität in den östlichen Förderbrunnen ist dahingegen stark zeitlich verzögert.
Schäden an Hab und Gut als Folge des Klimawandels können durch verschiedene technische oder organisatorische Anpassungsmaßnahmen begrenzt werden. Eine vollständige Sicherheit kann allerdings nicht erreicht werden. Versicherungen können dabei helfen, verbleibende Risiken (finanziell) abzusichern. Sie setzen zudem in der Regel einen Anreiz, Vorsorgemaßnahmen zu ergreifen, um Schadenshöhen und Eintrittswahrscheinlichkeiten für Schadensereignisse zu reduzieren. Einen Schutz vor Klimawandelfolgeschäden kann grundsätzlich eine Elementarschadenversicherung bieten. Die Nachfrage ist allerdings bisher verhältnismäßig gering, und auch angebotsseitig zeigen sich Herausforderungen. Trotzdem ist in vielen Ländern eine Elementarschadenversicherung weiter verbreitet als in Deutschland. Hier wird seit längerer Zeit darüber diskutiert, ob vorhandene Anreizlücken bei Nachfragern und Anbietern eventuell durch eine Pflichtversicherung überwunden werden könnten. In dem hier vorgelegten Bericht werden Anreizprobleme auf Versicherungsmärkten, verschiedene praktische Ausgestaltungsformen einer Elementarschadenversicherung und die Diskussion in Deutschland um eine Pflichtversicherung dargestellt.