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WaterGAP3

Die Bewertung der globalen Süßwasserressourcen und -ströme bildet die Grundlage für die Analyse wasserbezogener Fragen weltweit. Sie wird benötigt, um gegenwärtige und zukünftige Problembereiche zu identifizieren, die Auswirkungen des Klimawandels abzuschätzen, die Auswirkungen des virtuellen Wasserhandels zu bewerten und die notwendigen Daten für die internationale Finanzierung von wasserbezogenen Projekten bereitzustellen. In den letzten Jahrzehnten hat sich die großskalige Modellierung zu einem wichtigen Instrument zur Beurteilung des Zustands der globalen Süßwasserressourcen entwickelt. So bieten großskalige Modelle die Möglichkeit, globale Süßwasserressourcen auch in Gegenden zu bewerten, in denen nur wenige Daten verfügbar sind. Ein weiterer Vorteil der Verwendung hydrologischer Modelle besteht darin, dass sie zeitlich und räumlich verteilte Informationen über die Komponenten des Wasserkreislaufs als Modellausgabe liefern, z. B. zur Unterstützung der Grundwasserüberwachung oder zur Bewertung der tatsächlichen Verdunstung, die nur schwer zu messen ist

WaterGAP3 ist ein großskaliges Modell-Framework, das die Verteilung und Verfügbarkeit von Wasser im globalen Maßstab simuliert. Es ist die neueste Version von WaterGAP (Water - Global Assessment and Prognosis), das am Center for Environmental Systems Research (CESR) der Universität Kassel entwickelt wurde (Alcamo et al., 2003; Döll et al., 2003). WaterGAP3 wird nun an der Ruhr-Universität Bochum (Deutschland) weiterentwickelt. Es besteht aus drei Hauptkomponenten:

  • einem Hydrologie-Modell zur Bewertung des natürlichen Wasserkreislaufs.
  • einem Wassernutzung-Modell, um den Einfluss des Menschen auf den Wasserkreislauf zu bewerten und
  • einem Wasserqualität-Modell zur Bewertung der Wasserqualität in Flusssystemen.

Das Modell arbeitet mit einer globalen Auflösung von 5 x 5 Bogenminuten (ca. 6 x 9 km in Mitteleuropa). Es simuliert mit einem täglichen Zeitschritt (Hydrologisches Modell) und monatlichen Zeitschritten (WorldQual).

Das Modell-Framework wird dazu benutzt anthropogene Einflüsse, wie den Klimawandel oder sozio-ökonomische Entwicklungen, auf das Süßwassersystem der Erde zu untersuchen. Durch die vielseitigen Modelloptionen (u. a. Berücksichtigung von Reservoir-Management, diverse Wassernutzungsoptionen) bietet das Modell-Framework die Möglichkeit, viele verschiedene Szenarien zu testen und mögliche zukünftige Entwicklungen unter Berücksichtigung etwaiger Modellierungsunsicherheiten abzuschätzen. Im Folgenden werden die einzelnen Framework-Komponenten kurz vorgestellt.

Hydrologie-Modell

Das Hydrologie-Modell kann zur Simulation des Wasserkreislaufs auf globaler, aber auch auf regionaler Skala verwendet werden. Es ist ein konzeptionelles Wasserhaushaltsmodell, das die wichtigsten Wasserspeicherkomponenten umfasst, d. h. Interzeption, Bodenwasser, Schnee, Grundwasser und Oberflächenwasser. Aufgrund der Integration im Modell-Framework ist das Hydrologie-Modell besonders geeignet, um zukünftige Szenarien zu simulieren, da beispielsweise auch anthropogene Einflüsse gut im Modell abgebildet werden.

WorldQual

Das Wasserqualität-Modell WordQual wird verwendet, um großräumige Wasserqualitätsveränderungen zu lokalisieren und zu prognostizieren. Das Modell kann sowohl Frachten als auch Konzentrationen verschiedener Schadstoffe in Gewässern simulieren. Derzeit sind die folgenden Substanzen in WorldQual implementiert: Biochemischer Sauerstoffbedarf (BOD), fäkal-coliforme Bakterien (FC), Gesamtphosphor (TP) und gesamt gelöste Feststoffe (TDS). Schadstoffquellen sind, wie in Abbildung 1 zu sehen, entweder als Punktquellen (z. B. Kläranlagen, Industrieabwässer) oder als diffuse Quellen (z. B. landwirtschaftliche Abflüsse) im Modell definiert. (UNEP, 2016)  

Die Informationen über die Abflüsse und Wassernutzung werden aus den weiteren Komponenten des WaterGAP3-Modell-Frameworks bezogen. Durch diese einzigartige Einbindung in das Framework besitzt WorldQual die Möglichkeit, neben klimatischen Änderungen auch Wassernutzungsänderungen in Szenarien zu integrieren, wodurch eine große Bandbreite an möglichen zukünftigen Entwicklungen untersucht werden kann.

Wassernutzung-Modelle

Die Wassernutzung-Modelle sind mehrere kleinere Modelle, mit denen die Wasserentnahmen und der Wasserkonsum für verschiedene Sektoren simuliert werden. Betrachtet wird die Wassernutzung der Sektoren: thermische Elektrizitätsproduktion (thermal electricity production), produzierendes Gewerbe (manufacturing), Haushalte (domestic), Viehwirtschaft (livestock) und landwirtschaftliche Bewässerung (irrigation). Nach der Kalkulation von Wasserentnahmen und Wasserkonsum werden diese nach einem geregelten Schema aufgeteilt in Wasserentnahmen aus Oberflächengewässern, Wasserentnahmen aus Grundwasser und den sogenannten return flow (Differenz von Wasserentnahme und -konsum), welcher die Wassermenge quantifiziert, die in Oberflächengewässer und Grundwasser zurückgeführt wird. Diese Informationen werden in dem Hydrologie-Modell und WorldQual verwendet, um anthropogene Einflüsse sowohl auf Wasserquantität als auch auf Wasserqualität quantifizierbar zu machen.

Anwendungsbeispiele:

  • Flörke, M.; McDonald, R.; Schneider, R. (2018): Water competition between cities and agriculture driven by climate change and urban growth. In: Nature Sustainability 1, 51-58. https://doi.org/10.1038/s41893-017-0006-8
  • Fink, G.; Alcamo, J.; Flörke, M.; Reder, K. (2018): Phosphorus Loadings to the World's Largest Lakes: Sources and Trends. In: Global Biogeochemical Cycles 32-4, 617-634. https://doi.org/10.1002/2017GB005858
  • Eisner S.; Flörke, M.; Chamorro, A.; Daggupati, P.; Donnelly C.; Huang, J.; Hundecha, Y.; Koch, H.; Kalugin, A.; Krylenko, I.; Mishra, V.; Piniewski, M.; Samaniego, L.; Seidou, O.; Wallner, M.; Krysanova, V. (2017): An ensemble analysis of climate change impacts on streamflow seasonality across 11 large river basins. In: Climate Change 141, 401-471. https://doi.org/10.1007/s10584-016-1844-5
  • Malsy, M., Flörke, M., Borchardt, D., 2017: What drives the water quality changes in the Selenga Basin. Climate change or socio-economic development? Reg Environ Change. DOI: 10.1007/s10113-016-1005-4
  • Reder, K., Flörke, M., Alcamo, J., 2015: Modeling historical fecal coliform loadings to large European rivers and resulting in-stream concentrations. Environ. Modell. Softw. 63, 251–263.
  • Reder, K., Alcamo, J., Flörke, M., 2017: A sensitivity and uncertainty analysis of a continental-scale water quality model of pathogen pollution in African rivers. Ecological Modelling 351 (2017), 129–139.Schneider C.; Flörke, M.; De Stefano, L.; Petersen-Perlman, J. D. (2017): Hydrological threats to riparian wetlands of international importance – a global quantitative and qualitative analysis. In: Hydrol. Erath. Syst. Sci. 21, 2799-2815. https://doi.org/10.5194/hess-21-2799-2017
  • Voß, A., Alcamo, J., Bärlund, I., Voß, F., Kynast, E., Williams, R., Malve, O., 2012: Continental scale modeling of in-stream river water quality: a report on methodology, test runs, and scenario application. Hydrol. Processes 26 (16), 2370–2384.
  • Williams, R., Keller, V., Voß, A., Bärlund, I., Malve, O., Riihimäki, J., Tattari, S., Alcamo, J., 2012: Assessment of current water pollution loads in Europe: estimation of gridded loads for use in global water quality models. Hydrological Processes 26 (16), 2395–2410. DOI: 10.1002/hyp.9427

Referenzen

UNEP, 2016: A Snapshot of the World’s Water Quality: Towards a global assessment. United Nations Environment Programme. Nairobi, Kenya. 162pp.