folgen des globalen wandels für das grundwasser in süddeutschland – teil 1: naturräumliche...
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Grundwasser – Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie (2011) 16:247–257DOI 10.1007/s00767-011-0179-4
FAC H B E I T R AG
Folgen des Globalen Wandels für das Grundwasserin Süddeutschland – Teil 1: Naturräumliche Aspekte
Roland Barthel · Tim G. Reichenau · Markus Muerth · Christoph Heinzeller ·Karl Schneider · Rolf Hennicker · Wolfram Mauser
Eingang des Beitrages: 27.1.2011 / Eingang des überarbeiteten Beitrages: 30.6.2011 / Online veröffentlicht: 21.10.2011© Springer-Verlag 2011
Zusammenfassung Um die komplexen Wechselwirkun-gen zwischen Mensch, Klima und Wasserkreislauf regio-nal, integriert und prozessbasiert zu betrachten, entwickel-te der Forschungsverbund GLOWA-Danube (www.glowa-danube.de) das Simulationssystem DANUBIA, das aus 17gekoppelten Modellkomponenten besteht. DANUBIA wur-de unter verschiedenen Global-Change-Szenarien (2011–2060), zusammengesetzt aus regionalen Klima- und Ge-
Dr. R. Barthel (�)Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart,Pfaffenwaldring 61, 70563 Stuttgart, DeutschlandE-Mail: [email protected]
Dr. T.G. Reichenau · Prof. Dr. K. SchneiderGeographisches Institut, Universität zu Köln,Albertus-Magnus-Platz, 50923 Köln, Deutschland
Dr. T.G. ReichenauE-Mail: [email protected]
Prof. Dr. K. SchneiderE-Mail: [email protected]
Prof. Dr. R. HennickerInstitut für Informatik, Lehr- und Forschungseinheitfür Programmierung und Softwaretechnik, LMU München,Oettingenstraße 67, 80538 München, DeutschlandE-Mail: [email protected]
Dr. M. Muerth · Dr. C. Heinzeller · Prof. Dr. W. MauserDepartment für Geographie und GeographischeFernerkundung, LMU München,Luisenstraße 37, 80333 München, Deutschland
Dr. M. MuerthE-Mail: [email protected]
Dr. C. HeinzellerE-Mail: [email protected]
Prof. Dr. W. MauserE-Mail: [email protected]
sellschaftsszenarien, zur Untersuchung der möglichen Aus-wirkungen des Globalen Wandels im Einzugsgebiet derOberen Donau angewendet. Der vorliegende Artikel stelltTeil 1 einer Artikelreihe dar und gibt einen Überblick überdie grundwasserbezogenen naturräumlichen Aspekte dieserUntersuchungen (Teil 2: sozioökonomische Aspekte in Bar-thel et al. in Grundwaser 16(4), doi:10.1007/s00767-011-0180-y, 2011). Die Konzeption von GLOWA-Danube undDANUBIA sowie die grundwasserrelevanten Modellkom-ponenten werden erläutert. Ausgewählte Simulationsergeb-nisse zu Wasserhaushalt, Grundwassermenge und Grund-wasserqualität werden vorgestellt. Im gewählten Szenariokommt es bei zurückgehenden Niederschlägen, erhöhtenTemperaturen und einer Verschiebung des Jahresgangs zuteilweise deutlichen Rückgängen von Grundwasserneubil-dung und Grundwasserstand. Regionalskalige Prognosenzur Grundwasserqualität erweisen sich aufgrund der Kom-plexität der Prozesse in Boden und Grundwasser als schwie-rig – rein klimatische Ursachen werden aber voraussichtlichnur geringe Auswirkungen haben.
Global change impacts on groundwater in SouthernGermany—Part 1: Natural aspects
Abstract In order to account for complex interactions be-tween humans climate and the water cycle, the research con-sortium GLOWA-Danube (www.glowa-danube.de) has de-veloped the simulation system DANUBIA which consistsof 17 coupled models. DANUBIA was applied to investigatevarious impacts of global-change between 2011 and 2060 inthe Upper Danube Catchment. This article represents part1 of an article series and describes groundwater and nat-ural aspects of the investigations, while part 2 describessocio-economic aspects (Barthel et al. in Grundwaser 16(4),doi:10.1007/s00767-011-0180-y, 2011). Here we describe
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Abb. 1 Das EZG der oberen Donau; (a) Topographie, (b) Geologie, grob schematisch
concepts of GLOWA-Danube and DANUBIA as well asgroundwater-related model components. This leads to se-lected simulation results for water balance, groundwaterquantity and quality. The chosen scenarios show decreas-ing precipitation, increasing temperatures, and changes inthe annual distribution that lead to significant decreases ingroundwater recharge. Regional predictions of groundwa-ter quality were difficult to achieve because of complex soiland groundwater processes. However, climatic change willprobably have little impact.
Keywords Groundwater · Global climate change ·Danube · Germany · Integrated modelling · Decisionsupport
Einleitung
Die Auswirkungen des Klimawandels auf den Wasserkreis-lauf stellen auf internationaler Ebene ein zentrales For-schungsthema der hydrologischen Wissenschaften dar (sie-he z. B. Bates et al. 2008). Gleichermaßen wird der inte-grativen bzw. interdisziplinären Behandlung von Wasserthe-men immer größere Bedeutung beigemessen (z. B. Giuppo-ni et al. 2006). Klimawandel wird zunehmend als Teil ei-nes Globalen Wandels im größeren Kontext verstanden, alsoin Verbindung mit Veränderungen im sozialen, politischenund ökonomischen Bereich (z. B. Lehner et al. 2006). Diewissenschaftliche Grundwassergemeinde, insbesondere inDeutschland, hat diese Denkweise aber noch nicht grundle-gend übernommen (Schirmer 2008). Wissenschaftliche Un-tersuchungen zum Themenkomplex Grundwasser und Kli-mawandel stellen häufig noch lokale Modellstudien unter
Annahme extrem einfacher Szenarien dar. Das Feld der in-tegrierten Modellierung, der Szenarienentwicklung und derregionalen Analyse wird häufig den oberflächengewässer-orientierten hydrologischen oder meteorologischen Wissen-schaften überlassen. Das hier vorgestellte Projekt GLOWA-Danube, das die Auswirkungen der globalen Veränderungenauf den Wasserkreislauf des Einzugsgebiets der Oberen Do-nau untersucht (Abb. 1), stellt in diesem Kontext in mehrer-lei Hinsicht eine Ausnahme dar:
1. Das Grundwasser wird explizit in seiner 3-dimensionalenKomplexität vorwiegend prozessbasiert betrachtet.
2. Es werden sowohl naturräumliche als auch sozioökono-mische Prozesse gekoppelt betrachtet.
3. Das Projekt ist direkt auf die regionale Skala (Flussein-zugsgebietsskala, ∼10.000 bis 100.000 km2) ausgerich-tet, die aus planerischer und politischer Sicht die ent-scheidende Skala für langfristig angelegte Betrachtungendarstellt. Die regionalskalige Betrachtung kann dabei lo-kale Daten nur eingeschränkt einbeziehen und grundsätz-lich keine Aussagen über lokale Verhältnisse (am Punkt)machen.
4. Das Projekt verfolgt einen voll integrierten Ansatz miteinheitlichen Modellierungsstrategien (prozessbasierteModellkomponenten, einheitliches Raumkonzept undzeitliche Steuerung).
Das Simulationssystem DANUBIA
Das Verbundprojekt GLOWA-Danube (Bundesministeri-um für Bildung und Forschung; Koordination: W. Mau-ser) war von Januar 2001 bis Oktober 2010 mit der Ent-
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wicklung und Anwendung des integrativen Simulationssys-tems DANUBIA befasst. DANUBIA ist ein gekoppeltesSimulationssystem, das die wesentlichen Prozesse aus denNatur- und Gesellschaftswissenschaften im Zusammenhangmit der Nutzung von Wasserressourcen einzugsgebietsbe-zogen abbildet. Der grundlegende Ansatz zur Entwicklungvon DANUBIA:
1. Das System besteht aus einzelnen Modellkomponen-ten, mit denen naturwissenschaftliche und sozialwis-senschaftliche Prozesse problembezogen gekoppelt undwechselwirkend analysiert werden können.
2. Modellkomponenten repräsentieren Prozessmodelle, dievon den jeweiligen Fachexperten der Disziplin entwi-ckelt werden und miteinander über eindeutig definierteSchnittstellen wechselwirkend kommunizieren.
3. Jeder Prozess wird im Modellsystem nur einmal model-liert.
4. Modellkomponenten sind an den Schnittstellen aus-tauschbar.
5. Alle Prozesse werden auf einem gemeinsamen Raster(hier 1 km2 Auflösung) unter Verwendung subskaligerKlassen berechnet.
Der vorliegende Artikel stellt den ersten von zwei Tei-len zur Beschreibung der grundwasserbezogenen Aspektevon GLOWA-Danube und DANUBIA dar. Er befasst sichmit den naturwissenschaftlichen Aspekten der Einflüsse desGlobalen Wandels auf das Grundwasser. Teil 2 (Barthel et al.2011) ist den sozioökonomischen Aspekten des Projekts imHinblick auf das Grundwasser gewidmet.
DANUBIA basiert auf einem objektorientierten Frame-work für gekoppelte Umweltsimulationen, mit einem ein-heitlichen Raumkonzept (1×1 km große Zellen, sog. Proxel= PROcess PiXEL) und einer für alle enthaltenen Modell-komponenten (17) gültigen zeitlichen Steuerung der Abläu-fe. Während der Durchführung einer integrativen Simulationlaufen die Modellkomponenten gleichzeitig und tauschenzu vorgeschriebenen Synchronisations-ModellzeitpunktenDaten aus. Die beteiligten Modellkomponenten berechnenwährend der gesamten Simulationszeit in diskreten Zeit-schritten den jeweils gültigen Zustand des modellierten Sys-tems. Die Länge der Modellzeitschritte reicht in DANUBIAvon einer Stunde (z. B. bei den Atmosphären- und Land-oberflächenkomponenten) bis zu einem Monat (bei denmeisten sozioökonomischen Modellkomponenten). In einerintegrativen Simulation werden mehrere Modellkomponen-ten gekoppelt, die zyklisch Berechnungen durchführen undzur Laufzeit untereinander Daten austauschen (Hennickeret al. 2010).
Die Modellkomponenten von DANUBIA sind in vierFunktionsbereiche gruppiert. Der Bereich Atmosphere, derWetterdaten im Stundentakt bereitstellt (Temperatur, Nie-derschlag, Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit, Strahlung
etc.), ist im Wesentlichen für das Downscaling globaler Kli-maprojektionen auf die regionalen Bedingungen zuständig.Hierfür werden Schnittstellen zu den regionalen Klimamo-dellen MM5 (Pfeiffer & Zängl 2009) bzw. REMO (Jacobet al. 2008) und ein statistischer Klimagenerator bereitge-stellt (Kapitel S3 in GLOWA-Danube-Projekt 2011). DerFunktionsbereich LandSurface fasst Modellkomponentenfür alle Prozesse zusammen, die an oder nahe der Land-oberfläche stattfinden (Biological, ChannelFlow, Hydrau-licStructures, RadiationBalance, Snow, Soil, SoilNitrogen-Transformation und Surface). Die zentralen Funktionen vonLandSurface können alternativ durch das Modell PROMET(Mauser & Bach 2009) bereitgestellt werden. Eine detail-lierte Beschreibung der Prinzipien der Modellkomponentenin LandSurface geben Ludwig et al. (2003). Der Funktions-bereich Groundwater besteht aus den ModellkomponentenGroundwaterFlow und GroundwaterTransport. Der Funk-tionsbereich Actor umfasst die sozioökonomischen Modell-komponenten Demography, Economy, Farming, Household,Tourism und WaterSupply (Barthel et al. 2011).
Das Projekt GLOWA-Danube, das SimulationssystemDANUBIA sowie die grundlegenden Konzepte, Daten-grundlagen, Szenarien und Ergebnisse werden sehr aus-führlich im Global Change Atlas Obere Donau (GLOWA-Danube-Projekt 2011) beschrieben.
Im Folgenden wird auf diejenigen Modellkomponen-ten eingegangen, die einen maßgeblichen Einfluss auf dieGrundwassermenge und -qualität haben und dabei vorwie-gend naturräumliche Prozesse beschreiben.
Wasserhaushalt, Gerinneabfluss und Perkolation
Die vertikalen und horizontalen Wasserflüsse an der Land-oberfläche werden in dynamisch gekoppelten Modellkom-ponenten unter Berücksichtigung der Schnee-, Boden-feuchte- und Interzeptionsspeicher auf stündlicher Basisberechnet. Die erfassten Prozesse beinhalten die Wasserbe-wegung in der ungesättigten Bodenzone, die Infiltration, denkapillaren Aufstieg, den Wasseraustausch der Bodenschich-ten, die Perkolation aus der untersten Bodenschicht, den la-teralen Abfluss aus den Bodenschichten (Mauser & Bach2009) sowie den konduktiven Wärmetransport zwischen denBodenschichten und den Einfluss der Bodenfeuchte auf dieBodentemperatur (Muerth 2008). Die Evaporation wird füralle unbewachsenen Oberflächen nach Penman-Monteith(Mauser & Schädlich 1998) modelliert. Die Transpirationvon Pflanzen wird mit einem dynamischen Pflanzenwachs-tumsmodell berechnet, das den Gaswechsel (CO2, H2O) aufder Grundlage eines modifizierten Farquhar-Modellansatzesberechnet sowie die dynamische, klima-, boden- und mana-gementspezifische Entwicklung der Pflanze durch die Mo-dellierung der wichtigsten Wachstumsprozesse berücksich-tigt (Hank 2008, Lenz-Wiedemann et al. 2010). Die Modell-
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Tab. 1 Übersicht der grund-wasserrelevanten Modellkom-ponenten von DANUBIA unddie wesentlichen Austausch-parameter der Modellkom-ponente GroundwaterFlowmit anderen DANUBIA-Modellkomponenten (vgl.Abb. 2)
aSiehe Teil 2 der Artikelserie(Barthel et al. 2011) bzw. Bar-thel et al. (2008b, 2010)
Partner-Modellkomponente
Austauschparameter Konzept/Gleichung/Software Zeitschritt
WaterSupply (Actor) Grundwasserentnahme Multi-Akteur-Modellierunga monatlich
ChannelFlow(LandSurface)
Wasserstand imGerinne
Muskinggum-Cunge stündlich
Soil (LandSurface) Perkolation aus deruntersten Bodenschicht
Eagleson (PROMET) stündlich
Soil NitrogenTransformation(LandSurface)
Nitratauswaschung CERES stündlich/täglich
komponente zur Akkumulation und Schmelze der Schnee-decke basiert auf dem Verfahren von Strasser et al. (2008).Die Modellierung des Bodenwasserhaushalts erfolgt mit ei-nem für mehrschichtige Böden erweiterten Verfahren nachEagleson (1978). Es berechnet den volumetrischen Was-sergehalt und das Matrixpotenzial in vier Schichten durchexplizite Lösung der Richards-Gleichung mit vereinfachtenRandbedingungen. Je nach Größe des Matrixpotenzials stehtder modellierte Wassergehalt des Bodens für die Transpira-tion der Pflanze bzw. die Evaporation unbedeckten Bodenszur Verfügung. Die Perkolation der nächst höheren Boden-schichten wird von der Modellkomponente als Effektivnie-derschlag für die darunter liegende Schicht interpretiert, dieder untersten Bodenschicht wird an die Modellkomponen-te GroundwaterFlow übergeben, welche daraus die Grund-wasserneubildung (GWN) berechnet (s. u.). In Abhängigkeitvom Gefälle wird ein Anteil des Effektivniederschlags jederSchicht als Zwischenabfluss abgezweigt und gemeinsam mitdem an der Landoberfläche gebildeten Infiltrations- und Sät-tigungsüberschuss an die Modellkomponente ChannelFlowübergeben.
Die Berechnung des Gerinneabflusses erfolgt mit einemerweiterten Muskingum-Cunge-Verfahren (Todini 2007) zurBerechnung der Dispersion der Welle sowie dem Manning-Strickler-Verfahren zur Bestimmung der abflussabhängigenFließgeschwindigkeit auf allen Proxeln im Einzugsgebietunter Berücksichtigung des hydraulischen Nachbarn (Mau-ser & Bach 2009).
Grundwasserströmung
Die Modellkomponente GroundwaterFlow (Grundwasser-strömung) basiert auf MODFLOW 2000 (Harbaugh et al.2000). Wesentliche Besonderheiten des Modells werden inWolf et al. (2008) sowie Barthel et al. (2005, 2008a) erläu-tert. Es verwendet horizontal eine einheitliche Zellgröße von1 × 1 km (Proxel) bei vier Schichten: Quartäre Talfüllun-gen, Oberes Tertiär und Malmkarst als Aquifere sowie Un-teres Tertiär als Aquitard. Als Modellbasis wurde die Ba-sis des Malmkarst festgelegt. Besondere Aufmerksamkeit
wurde bei Modellerstellung und Kalibrierung den quartä-ren Grundwasserleitern gewidmet, die für die kurz- und mit-telfristigen Grundwasserbewegungen von hoher Bedeutung,gleichzeitig aber sehr kleinräumig und räumlich sehr hete-rogen verteilt sind. Als schwierig erweist sich ihre geringeMächtigkeit bei geringer horizontaler Ausdehnung und ho-hen Gradienten, wofür ein eigenes Verfahren zur Anpassungder Quartärbasis entwickelt wurde (Wolf et al. 2008).
Startbedingungen für das instationäre StrömungsmodellMODFLOW wurden aus einer Vielzahl von Grundwasser-gleichenplänen und Bohrungsdaten, unterstützt durch ausdem digitalen Geländemodell (DGM) abgeleiteten Informa-tionen, hergeleitet. Für kf -Werte und Speicherkoeffizientenwurde vorrangig auf regionalisierte Werte zurückgegriffen(abgeleitet aus lokaler und regionaler Literatur, Berichten,Erläuterungen zu geologischen Karten usw.).
Die Belegung der Randbedingungen für jede Modellzel-le mit Zahlenwerten erfolgt dynamisch mit den von ande-ren Modellkomponenten berechneten Werten. Tabelle 1 lis-tet die maßgeblichen Import- und Exportparameter auf.
Der Austausch mit den Oberflächengewässern wird füralle Flüsse berücksichtigt, die in der ModellkomponenteChannelFlow als Hauptgewässernetz implementiert sind.Dort werden die berechneten Grundwasserstände und dieWasserstände im Gerinne zur Berechnung der Austausch-flüsse ausgewertet.
Die Perkolation aus der untersten Bodenschicht wird dy-namisch durch LandSurface berechnet (s. o.). Diese Perko-lation kann nicht grundsätzlich mit der GWN für die regio-nalen Aquifere gleichgesetzt werden. Dies gilt insbesonde-re in Gebieten mit starkem Relief und tiefliegenden Aquife-ren, wo ein großer Teil des aus der Bodenzone perkolieren-den Wassers den regionalen Aquifer nicht erreicht, sondernan Quellen aus lokalen und schwebenden Grundwasserlei-tern austritt (siehe Barthel 2006, Zhang et al. 2011). DieGWN für das Grundwassermodell wird daher in der Modell-komponente GroundwaterFlow durch die Multiplikation derPerkolation mit einem sogenannten Interflow-Koeffizienten,der Werte von 0 bis 1 annehmen kann, bestimmt. DerRestanteil wird über ein einfaches Routing-Verfahren di-rekt in die Fließgewässer weitergeleitet (Wolf et al. 2008).
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Die Interflow-Koeffizienten wurden zunächst aus Grund-wasserflurabstand, mittlerer Durchlässigkeit der tieferen un-gesättigten Zone und Reliefbedingungen geschätzt und danndurch Kalibrierung weiter angepasst.
Da in den Alpen, dem Nordostbayerischen Kristallin undPaläozoikum sowie in kleinen Teilen des Schwarzwaldeskeine regionalen kontinuierlichen Aquifere auftreten unddiese Gebiete nicht über Randbedingungen abgebildet wer-den können, wurde ein hydrologischer Ansatz entwickelt,mit dem die Perkolation zu den nächstgelegenen Modellzel-len in den Talaquiferen geroutet wird.
Von besonderer Bedeutung innerhalb von DANUBIA,und v. a. für das Austauschkonzept zwischen den naturwis-senschaftlichen und den sozioökonomischen Modellkompo-nenten, ist das „Zonenkonzept“, das für die Parametrisie-rung des Grundwasserströmungsmodells und für die Bewer-tung der Entwicklung von Grundwassermenge und Grund-wasserqualität erstellt wurde. Die Zuweisung von Modell-parametern (kf , S etc.) über Zonen ist für ein Grundwasser-modell nicht ungewöhnlich. Neu ist allerdings, dass hier einAnsatz zur Festlegung der Zonen verfolgt wurde, der zumeinen hydrogeologisch und hydrologisch konsistent ist undzum anderen nicht nur hydrogeologische Eigenschaften derZonen, sondern auch deren Reaktion auf veränderte Randbe-dingungen berücksichtigt. Die Zonen wurden durch die Ver-schneidung von 155 Pegeleinzugsgebieten, den Schichtendes Grundwassermodells und sechs geologischen Regionenfestgelegt. Auf diese Weise entstanden insgesamt 405 Zonenmit einer mittleren Fläche von 200 km2. Alle Modellein-und -ausgaben sowie die Modellparameter (kf , S) sind die-sen Zonen zugeordnet (Details in Barthel 2011).
Das Modellkonzept für die Grundwasserströmung stelltin vielerlei Hinsicht einen Kompromiss dar, der aufgrundder groben räumlichen Diskretisierung (Proxel-Konzept),der Anforderungen des integrierten Gesamtsystems (Re-chenzeit, Datenaustauschkonzept) sowie nicht zuletzt auf-grund der räumlich sehr unterschiedlichen Datenlage ein-gegangen werden musste. Naturgemäß bedingt dieser Kom-promiss deutliche Einschränkungen, da lokale Besonderhei-ten nicht abgebildet werden können (Barthel et al. 2008a).
Grundwasserqualität – Nitratauswaschung
Im integrierten Simulationssystem DANUBIA werden hin-sichtlich der Grundwasserqualität zwei stark rückgekoppel-te Prozessketten betrachtet. Zum einen wirken Änderungender Umweltbedingungen auf das Pflanzenwachstum und dieStickstoffaufnahme der Vegetation sowie auf die Stickstoff-umsatzprozesse im Boden, die zusammen mit der Perkolati-on die Stickstoffauswaschung bestimmen. Andererseits pas-sen die modellierten Landwirtschaftsakteure, die in der Mo-dellkomponente Farming über die Entwicklung der Land-wirtschaft und damit die Verwendung von Düngemitteln so-
wie über Bearbeitungstermine entscheiden, ihre Anbaupra-xis an die naturräumlichen Gegebenheiten und die agrarpo-litischen (-ökonomischen) Bedingungen an. Bei schlechtenErträgen, Einkommensverlusten oder Wasserdefiziten ohneMöglichkeit zur Bewässerung wechseln Landwirte zu ande-ren Kulturen und ändern damit die Landnutzung. Im vorlie-genden Artikel wird zunächst nur auf die erste Prozessketteeingegangen, die im Wesentlichen auf die Veränderung derNitratkonzentration im (Boden-)Sickerwasser einwirkt (sie-he Barthel et al. 2011).
In GLOWA-Danube wird die prozessbasierte Modellie-rung der Grundwasserqualität auf die diffusen Stickstoff-einträge aus der Landwirtschaft beschränkt. Die Belastungdurch Pflanzenschutzmittel kann nicht direkt modelliert son-dern nur indirekt über Risikoabschätzungen berücksichtigtwerden (Barthel et al. 2011).
Die Modellierung der Stickstoffaufnahme durch diePflanze erfolgt in der Modellkomponente Biological mit-tels eines prozessorientierten, ökohydrologischen Modellie-rungsansatzes (Lenz-Wiedemann et al. 2010). Die Bildungvon Biomasse erzeugt einen Stickstoffbedarf, der durch dieWasseraufnahme in Abhängigkeit vom im Boden verfügba-ren Stickstoff und der Durchwurzelung des Bodens bedientwird. Die resultierende Stickstoffkonzentration in der Pflan-ze bestimmt wiederum zusammen mit dem Angebot vonCO2 in der Atmosphäre, dem Wasserangebot im Boden undder Temperatur den Aufbau des Pflanzenbestandes und derpflanzlichen Biomasse.
Neben der Stickstoffaufnahme durch die Pflanze unddem Stickstoffeintrag durch atmosphärische Deposition undDüngung wird die Menge auswaschbaren Nitrats maß-geblich durch die Stickstoffumsatzprozesse im Boden be-stimmt. Die Modellkomponente SoilNitrogenTransforma-tion (SNT, Klar et al. 2008) simuliert hier bodenschicht-spezifisch Mineralisierung, Immobilisierung, Nitrifikation,Denitrifikation, atmosphärische Deposition und Nitratver-lagerung. Die Prozesse werden als Funktion der Feuchte-und Temperaturdynamik sowie der physikochemischen Bo-deneigenschaften (Feldkapazität, Sättigungswassergehalt,Welkepunkt, Lagerungsdichte, C-Anteil, CN-Verhältnis) be-rechnet. Die Nitratverlagerung verhält sich in SNT weitge-hend proportional zu Nitratkonzentration und Perkolation,wobei wiederum die Wasseraufnahme der Pflanze Einflussnimmt. Nitratverlagerung aus der untersten Bodenschichtwird als Nitratauswaschung verstanden.
Transport im Grundwasser
Umfangreiche Analysen von Grundwasserqualitätszeitrei-hen (Römer et al. 2009) lassen vermuten, dass horizonta-le, advektive Transportprozesse auf der betrachteten Skala(d. h. über mehrere km) nicht ableitbar sind. Ob sie nicht
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stattfinden oder überlagert werden, kann aus den vorliegen-den Daten aufgrund der räumlichen und zeitlichen Auflö-sung nicht geschlossen werden. Aus diesem Grund, aberauch wegen geringer Datenverfügbarkeit und der grobenräumlichen Diskretisierung in DANUBIA wurde auf eineprozessbasierte Modellierung des Transports im Grundwas-ser verzichtet und ein alternatives Konzept zur Abschätzungder Entwicklung der Grundwasserqualität unter Bedingun-gen des globalen Wandels entwickelt (Barthel et al. 2011).
Verwendete Globaler-Wandel-Szenarien
Die im Projekt GLOWA-Danube entwickelten GLOWA-Danube-Szenarien bestehen aus je einem Klimaszenariound einem Gesellschaftsszenario. Ein Klimaszenario wirddurch die Kombination eines regionalen Klimatrends mit ei-ner Klimavariante definiert. Ein regionaler Klimatrend ba-siert auf der regionalen Analyse eines globalen Klimatrends,der wiederum durch die Umsetzung eines Emissionsszenari-os in eine mögliche zukünftige Klimaänderung (z. B. durchein Klimamodell) erzeugt wurde (IPCC 2007). Insgesamtwurden in GLOWA-Danube vier regionale Klimatrends de-finiert, die hier gezeigten Ergebnisse basieren auf dem Kli-matrend der regionalen Klimasimulation von Jacob et al.(2008) mit REMO, angetrieben durch das GlobalmodellECHAM5 unter Annahme des IPCC-EmissionsszenariosA1B. Für jeden Klimatrend kann mithilfe des statistischenKlimaantriebs-Generators ein Ensemble von Klimaszenari-en erzeugt werden. Eine Klimavariante beschreibt die Cha-rakteristik eines daraus ausgewählten konkreten meteoro-logischen Antriebsdatensatzes für DANUBIA anhand sta-tistischer Werte der Schlüsselfaktoren Lufttemperatur undNiederschlag. Es wurden jeweils vier Klimavarianten aus-gewählt.
Mit vier Klimatrends, vier Klimavarianten und drei Ge-sellschaftszenarien ergeben sich 48 Kombinationen mit teil-weise sehr unterschiedlicher Ausprägung. Über die gesam-te Bandbreite der betrachteten GLOWA-Danube-Szenarienhinweg bewegen sich die wahrscheinlichen Temperaturer-höhungen im Jahresmittel zwischen 3,3 °C und 5,2 °C imZeitraum zwischen 1990 und 2100. Im Winter wäre dem-nach mit 8 % bis 47 % mehr und im Sommer mit 14 % bis69 % weniger Niederschlag zu rechnen. Die Evapotranspira-tion würde sich im Gebietsmittel um 10 % bis 25 % erhöhen.Der jährliche Abfluss der Oberen Donau am Pegel Achleitenkönnte sich dadurch bis 2060 um 9 % bis 31 % verringern.
Im Ergebnisteil des vorliegenden Artikels wird, soweitnicht anders angegeben, nur die Klima-Kombination REMOregional – Baseline untersucht. REMO regional – Baseli-ne stellt ein Szenario dar, dessen mittlere Lufttemperatur imZeitraum 2011 bis 2035 den Mittelwert von 5.000 gerechne-ten statistisch äquivalenten Klimavarianten des KlimatrendsREMO regional (s. o.) darstellt.
Ausgewählte Ergebnisse der Szenariensimulationen
Im Folgenden werden ausgewählte Ergebnisse von Szena-riensimulationen vorgestellt. Die Auswahl beschränkt sichdabei auf den Bereich Grundwasser im engeren Sinne, alsoGW-Neubildung, -Strömung, -Speicherung und -Qualität imEinzugsgebiet der Oberen Donau. Da dieser Bereich nichtlosgelöst vom hydrologischen Geschehen an der Oberflä-che gesehen werden kann, werden auch kurz die wesent-lichen Wasserhaushaltsgrößen (Niederschlag, Verdunstung,Abfluss) dargestellt. Alle grundwasserrelevanten Ergebnissedie stärker dem sozioökonomischen Themenkreis zugeord-net werden können (Grundwasserentnahmen, Bewässerung,etc.), werden in Barthel et al. (2011) abgehandelt.
Obwohl alle beteiligten DANUBIA-Modellkomponentenräumlich und zeitlich hoch aufgelöste Ergebnisse liefern,werden hier nur zeitlich oder räumlich hoch aggregierte Er-gebnisse gezeigt. Die verwendeten Vergleichswerte für denReferenzzeitraum 1971–2000 wurden mit gemessenen Kli-mastationsdaten simuliert (vgl. Mauser & Bach 2009).
Ergebnisse: Grundwassermenge
Im Klimaszenario REMO regional – Baseline fallen im Ein-zugsgebiet der Oberen Donau für die zweite Hälfte desSzenariozeitraums von 2036 bis 2060 im Mittel 984 mm/aNiederschlag (gegenüber 1.039 mm im Referenzzeitraum1971–2000). Davon verdunsten im Gebietsmittel 435 mm(430 mm). Somit gelangen noch 548 mm (609 mm) pro Jahrzum Abfluss. Abbildung 2 zeigt die räumlichen Änderungender Wasserbilanz von 2036 bis 2060 im Vergleich zu 1971bis 2000.
Infolge der Änderungen der Wasserhaushaltsgrößen än-dert sich die Perkolation aus der untersten Bodenschichtund damit auch die GWN und zwar sowohl der Jahres-gang (Abb. 3) als auch die Höhe und die räumliche Vertei-lung der mittleren Jahressummen (Abb. 4). Jahresgang vonPerkolation und GWN sind hier nicht direkt vergleichbar,weil die Perkolation das ganze Einzugsgebiet berücksich-tigt, während die GWN nur dort explizit berechnet werdenkann, wo die Grundwassermodellkomponente den Finite-Differenzen-Ansatz (MODFLOW) anwendet.
Abbildung 4 zeigt die räumliche Verteilung der Verän-derungen von Perkolation und GWN für das gewählte Kli-maszenario (2036–2060). Im Mittel geht die Perkolation indiesem Zeitraum gegenüber der Referenz um 92 mm und dieGWN um 45 mm zurück.
Abbildung 5 zeigt den Vergleich der zeitlichen Entwick-lung der GWN im Referenz- und im Szenariozeitraum ge-meinsam mit den resultierenden Änderungen der Grundwas-serstände, jeweils gemittelt für das gesamte Einzugsgebietder Oberen Donau. Während im Referenzzeitraum kein ein-deutiger Trend zu erkennen ist, zeigt sich im Szenario RE-MO regional – Baseline eine deutliche Abnahme der GWNund folglich auch der Grundwasserstände.
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Abb. 2 Veränderung maßgeb-licher Wasserhaushaltsgrößenim Klimaszenario REMO re-gional – Baseline im Szenario-zeitraum (2036–2060) im Ver-gleich zum Referenzzeitraum(1971–2000); (a) Niederschlag,(b) Evapotranspiration, (c) Ab-fluss. Negative Werte bedeuteneine Abnahme
Abb. 3 Mittlerer Jahresgang (a) der Perkolation und (b) der Grundwasserneubildung (langjährige Mittel der Kalendermonate) für den Referenz-zeitraum (1971–2000) und den Klimatrend REMO-regional im Szenariozeitraum (2011–2060)
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Abb. 4 Änderungen der mittleren Jahressummen [mm] von (a) Perko-lation aus der untersten Bodenschicht und (b) Grundwasserneubildungfür die modellierten regionalen Aquifere im Szenario REMO regio-
nal – Baseline (2036–2060) gegenüber dem Referenzzeitraum (1971–2000). Negative Werte kennzeichnen eine Abnahme im Szenariozeit-raum
Abb. 5 Entwicklung von GWNund Grundwasserständen (Ge-bietsmittel) für das Szenario Re-mo regional – Baseline (R.r.B.),verglichen mit den Mittelwertendieser Größen für den Zeitraum1971–2000
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Abb. 6 Änderungen der Grundwasserstände (GWS) für das SzenarioRemo regional – Baseline gegenüber dem Referenzzeitraum (1971–2000) für die Szenariozeiträume (a) 2011–2035 und (b) 2036–2060.Dargestellt ist eine Kombination aus den simulierten Grundwasser-
ständen für alle vier Modellschichten, die jeweils die oberste Schichtzeigt, die im jeweiligen Proxel ganz oder teilweise gesättigt ist. Nega-tive Werte kennzeichnen eine Abnahme im Szenariozeitraum
Abb. 7 Entwicklung der mitt-leren Nitratkonzentration imSickerwasser über die Jahre2012–2059 für die ausgewähl-ten Landkreise unter dem Kli-maszenario REMO regional –Baseline kombiniert mit demGesellschaftsszenario Baseline
Abbildung 6 zeigt die räumlichen Veränderungen derGrundwasserstände. Diese reflektieren weitestgehend dasräumliche Muster der Änderungen in der Grundwasserneu-bildung, was auch dadurch begründet ist, dass die Darstel-lung jeweils nur die oberste Modellschicht (Grundwasser-leiter) in einer Modellzelle zeigt, die meist schnell auf Än-derungen der Perkolation reagiert (siehe auch Zhang et al.2011). Im Gegensatz zu klimatischen Größen oder dem Bo-denwasserspeicher, hat der Grundwasserspeicher insgesamteine längere Reaktionszeit und ein langes „Gedächtnis“,weswegen raumgreifende Veränderungen vor allem erst inder zweiten Hälfte des Szenariozeitraums zum Tragen kom-men (siehe auch Abb. 5).
Ergebnisse: Grundwasserqualität
Dieser Artikel beschränkt sich auf die Darstellung der Er-gebnisse der Modellierung der Nitratkonzentrationen imSickerwasser (Perkolation aus der untersten Bodenschicht).Abbildung 7 zeigt die Gebietsmittel der Nitratkonzentrati-on im Sickerwasser für vier ausgewählte Landkreise für dasKlimaszenario REMO regional – Baseline mit einer leichtenZunahme der Nitratbelastung. In Jahren mit geringer Perko-lation können Maximalwerte auftreten (z. B. in Dingolfingin 2046). Die fortschreitende Verringerung der Perkolationund GWN führt trotz der ebenfalls abnehmenden Nitrat-fracht zu einer Konzentrationserhöhung. Allgemein zeigen
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diese Ergebnisse, dass die Klimaänderungen allein zu kei-nen gravierenden Änderungen bei der Nitratauswaschungführen.
Zusammenfassung der gezeigten Ergebnisse
Im vorliegenden Beitrag, der den ersten Teil einer Serie vonzwei Artikeln darstellt, werden die grundwasserbezogenen,naturwissenschaftlichen Modellkomponenten des gekoppel-ten, integrierten Simulationssystem DANUBIA zur Unter-suchung der regionalen Auswirkungen des Globalen Wan-dels auf den Wasserhaushalt der Oberen Donau beschrieben.Die folgenden Ausführungen beschränken sich auf eine Zu-sammenfassung der wesentlichen konkreten Folgen des hierverwendeten Klimaszenarios auf Menge und Qualität desGrundwassers, soweit sie im vorliegenden Artikel gezeigtwurden.
Die mengenbezogenen Auswirkungen des betrachtetenKlimaszenarios auf das Grundwasser im Einzugsgebietder Oberen Donau beinhalten eine deutliche Abnahme derGWN, die mit entsprechenden Rückgängen der Grundwas-serstände einhergeht. Das Maximum der GWN wird dabei1–2 Monate früher im Jahr eintreten, bei leichter Erhöhungin den Wintermonaten und deutlicher Abnahme im Frühjahrund Sommer. Auf die versorgungs- bzw. bedarfsbezogenenAspekte und die Konsequenzen unter Bedingungen des Glo-balen Wandels wird in Barthel et al. (2011) eingegangen.
Für die Grundwasserqualität sind die direkt pflanzen-physiologisch/hydro-geochemischen Einflüsse des Klima-wandels voraussichtlich gering. Wie auch von anderenAutoren angemerkt, (z. B. Lischeid 2010, LAWA 2010)haben Landnutzungsänderungen bzw. Änderungen der land-wirtschaftlichen Praxis voraussichtlich einen deutlich hö-heren Einfluss auf die Grundwasserqualität als direkt kli-matisch bedingte Veränderungen. In diesem Zusammen-hang muss allerdings eingeräumt werden, dass die pro-zessbasierte Simulation der Grundwasserqualität im ProjektGLOWA-Danube nicht zu vollständig zufriedenstellendenErgebnissen führte. Grund hierfür ist die Komplexität derzahlreichen, meist intensiv rückgekoppelten Prozesse undAbhängigkeiten und die große Bedeutung lokaler Standort-faktoren (z. B. Redox-Bedingungen im Untergrund, klein-räumige Landnutzung etc.). Hinzu kommt eine ungünstigeDatenlage (großer räumlicher Abstand, geringe Datendichtein Zeitreihen). Bei einer Gebietsgröße von 77.000 km2 isteine räumlich und zeitlich hochaufgelöste Betrachtung, wiesie in anderen Bereichen von DANUBIA erreicht wird, fürdie Grundwasserqualität nicht möglich. Es gelingt die Mo-dellierung der Nitratauswaschung der Bodenzone (Klar et al.2008) wegen der dort noch relativ guten Datenlage. Derweitere Verlauf der Prozesskette (Grundwasser, Eintrag indie Oberflächengewässer) konnte aber nicht flächendeckend
modelliert werden. Grundsätzlich muss zum Stand der For-schung im Bereich Klimawandel und Grundwasserqualitätauf der regionalen Skala auch angemerkt werden, dass dieAnzahl der einschlägigen Untersuchungen noch sehr geringist (Butscher & Huggenberger 2009). Der Forschungsbedarfwird mehrfach betont (z. B. Barth et al. 2009), und es wirdauf die Komplexität der Thematik hingewiesen (z. B. LAWA2010).
Ein wesentlicher Aspekt aller Betrachtungen zum Klima-wandel bleibt nach wie vor die Unsicherheit von globalenKlimaprojektionen sowie die Unsicherheiten, die beim Her-unterbrechen der globalen Szenarien auf die regionalen Ver-hältnisse hinzukommen.
Ergebnisse des Projekts GLOWA-Danube sind ausführ-lich im Global Change Atlas Obere Donau (GLOWA-Danube-Projekt 2010) dargestellt. DANUBIA wurde bis-lang nur im Einzugsgebiet der Oberen Donau angewendet,durch den modularen Aufbau und das einheitliche Softwa-reframework ist es aber grundsätzlich auf andere Gebie-te übertragbar. DANUBIA steht mit allen Komponentenals Open Source Lizenz auf der Homepage des ProjektesGLOWA-Danube zur Weiterentwicklung zur Verfügung.
Danksagung
GLOWA-Danube wurde von Januar 2001 bis Oktober 2010durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung(BMBF) unter Beteiligung der Länder Bayern und Baden-Württemberg finanziert. Unser Dank gilt den zahlreichen öf-fentlichen Institutionen, Firmen, Privatpersonen und Fach-kollegen, die uns Daten, Materialien und Fachkenntnisse zurVerfügung gestellt haben. Unser Dank gilt auch allen Pro-jektbeteiligten, die indirekt durch ihre Arbeiten zu den hiervorgestellten Ergebnissen beigetragen haben.
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