Uncertainty assessment of water flow and nutrient Loads under future Climate Change Conditions (UnLoadC³)

(1)

Uncertainty assessment of water flow and

nutrient Loads under

future Climate Change Conditions (UnLoadC³)

Karsten Schulz

¹

, Christoph Schürz

¹

, Bano Mehdi

¹

, Thomas Ertl

²

, Alexander Pressl

²

, Christoph Matulla

³

und Brigitta Hollosi

³

1 IWHW BOKU

2 SIG BOKU

3 ZAMG

(2)

UnLoadC³ | 17. Österreichischer Klimatag 2016 1

Demografic development

Policy making

Food security/

Energy

“Social hydrological development“

Technology progress

Climate Change Scenarios

RCP - Scenario

GCM RCM

Impact Analysis

Model Structure

Parameter Sets

Model Calibration

(3)

UnLoadC³ | 17. Österreichischer Klimatag 2016 2 Schwechat:

Raab:

(4)

UnLoadC³ | 17. Österreichischer Klimatag 2016 3

Policy making

Food security/

Energy

Technology progress

RCP - Scenario

GCM RCM

Impact Analysis

Model Structure

Parameter Sets

Model Calibration Climate

Change Scenarios

RCP - Scenario

GCM RCM

(5)

UnLoadC³ 4

Klimadaten

Methoden Delta Method

Recent climate (observation)

Recent climate (model)

Future climate (model)

Change Climate

projection

Bias correction

Climate projection

Bias correction

Beobachtungsdaten (Spartacus, GPARD):

 Minimum (tasmin), Maximum (tasmax), mittlere Lufttemperatur (tas) und Niederschlag (pr)

 Zeitraum: 1971-2000 (tägliche Auflösung)

 Horizontale Auflösung: 1km Modelldaten (EURO-CORDEX):

 Zeitraum: 1971-2000, 2021-2050, 2071-2100 (tägliche Auflösung)

 Simulationen: RCP4.5 (13), RCP8.5 (13)

 Horizontale Auflösung: 12 km (skillful scale: ~80km)

Gebietsmittel von

mittlerer Lufttemperatur (tas)

Beobachtungsdaten 1km Auflösung

CORDEX-Ensemble 12km Auflösung

Differenz zwischen Beobachtungsdaten

und downgescalten CORDEX-Ensemble

1km Auflösung Einfluss von Topografie (kleineres Bias im Flachland als

im komplexeren Gebirgsgelände

1971 -2000

min = -7.4 °C mean= 6.5 °C max = 11.7 °C

min = -6.9 °C mean= 5.4 °C max = 10.8 °C

1.

2.

(6)

UnLoadC³ 5

Klimadaten

Methoden Delta Method

Change Climate

projection

Bias correction

Climate projection

Bias correction

Beobachtungsdaten (Spartacus, GPARD):

 Zeitraum: 1971-2000 (tägliche Auflösung)

 Horizontale Auflösung: 1km Modelldaten (EURO-CORDEX):

 Zeitraum: 1971-2000, 2021-2050, 2071-2100 (tägliche Auflösung)

 Simulationen: RCP4.5 (13), RCP8.5 (13)

 Horizontale Auflösung: 12 km (skillful scale: ~80km)

Gebietsmittel von

Niederschlag (pr)

Beobachtungsdaten 1km Auflösung

CORDEX-Ensemble 12km Auflösung

Differenz zwischen Beobachtungsdaten

und downgescalten CORDEX-Ensemble

1km Auflösung Einfluss von Topografie (kleineres Bias im Flachland als

im komplexeren Gebirgsgelände

1971 -2000

min = 0.7 mm/d mean= 2.9 mm/d max = 7.6 mm/d

min = 1.5 mm/d mean= 3.4 mm/d max = 11.0 mm/d

1.

2.

(7)

UnLoadC³ | 17. Österreichischer Klimatag 2016 7

Policy making

Food security/

Energy

RCP - Scenario

GCM RCM

Impact Analysis

Model Structure

Parameter Sets

Model Calibration

Technology progress

(8)

UnLoadC³ | 17. Österreichischer Klimatag 2016 8 Schwechat:

Raab:

 Monitoring von NO ₃ -N und NH ₄ -N in 5 – 15 min Auflösung

 PO ₄ -P und Ges-P monatlich

(9)

UnLoadC³ | 17. Österreichischer Klimatag 2016 9

Waste water treatment plant >2.000 PE (municipal) Water quality monitoring station (closed)

End of river reach

Waste water treatment plant >2.000 PE (municipal) Waste water treatment plant (industrial)

PRTR-plant (Pollutant Release and Transfer Register) Water quality monitoring station (in operation) Water quality monitoring station (closed)

End of river reach

Schwechat:

Raab:

Plant name (WWTP or PRTR) PE

Passail 11.000

St.Radegund 2.500

St. Kathrein am Offenegg 3100

Weiz 30.000

Krottendorf-Preding 3.000 St.Ruprecht an der Raab 3.800

Agrana Fruit Austria GmbH Industrial plant

Gleisdorf 32.000

St.Margarethen an der Raab 5.200 Fladnitz im Raabtal 12.000

Johann Titz Ges.m.b.H. PRTR Schlachterei Fleischhof Raabtal GmbH PRTR Fleischverarb.

BOXMARK Leather GmbH PRTR Gerberei

Feldbach-Raabau 35.000

AT&S Fehring PRTR Oberflbeh.

Fehring 11.000

Lias Österreich GesmbH PRTR Beton

Hatzendorf 2.700

Riegersburg 2.000

BOXMARK Leather Jennersdorf PRTR TKV

Plant Name (WWTP or PRTR) Person Equivalent

Alland 10.000

Heiligenkreuz 4.500

Baden 45.000

Sch w echa t Raab

Kleine und Kleinkläranlagen

(10)

UnLoadC³ | 17. Österreichischer Klimatag 2016 10

(source: Statistik Austria - Dauersiedlungsraum, 2016)

(source: Umweltbundesamt - 2012)

(11)

Technology progress

UnLoadC³ | 17. Österreichischer Klimatag 2016 11

RCP - Scenario

GCM RCM

Impact Analysis

Model Structure

Parameter Sets

Model Calibration

Policy making

Food security/

Energy

Enge Kooperation mit dem ACRP14 – Projekt: „AquaStress“

(12)

Technology progress

UnLoadC³ | 17. Österreichischer Klimatag 2016 12

Policy making

Food security/

Energy

RCP - Scenario

GCM RCM

Parameter Sets

Model Calibration

Impact Analysis

Model Structure

(13)

UnLoadC³ | 17. Österreichischer Klimatag 2016 13

(based on EPA, 2015)

(14)

UnLoadC³ | 17. Österreichischer Klimatag 2016 14

 Prozessbasierte Darstellung von hydrologischen und Nährstoff- Kreisläufen:

Wasser-Kreislauf: Stickstoff-Kreislauf:

(source: SWAT2009 Theoretical Manual)

(15)

UnLoadC³ | 17. Österreichischer Klimatag 2016 15

MONERIS:

Bilanzierung aus verschiedenen Eintragspfaden

SPARROW:

Regression von räumlichen Daten mit Stofffrachten

(source: USGS, http://water.usgs.gov/nawqa/sparrow) (based on: MONERISv2.17 Manual, IGB 2010)

(16)

UnLoadC³ | 17. Österreichischer Klimatag 2016 16

 Eingangsdaten sind in hohem Detailgrad gefordert.

 Mittels unterschiedlich komplexen Ansätzen entwickelt und in SWAT abgebildet (Hier am Beispiel Landnutzung) :

Intensiv – Szenario

Dominante Landnutzungen

Extensiv – Szenario Disaggregierung landwirtschaftl.

Nutzungen mittels Agrarstatistiken Kopplung mit regelbasierten landwirtschaftlichen Operationen

Kopplung mit Fruchtfolgen

(17)

Technology progress

UnLoadC³ | 17. Österreichischer Klimatag 2016 17

Policy making

Food security/

Energy

RCP - Scenario

GCM RCM

Impact Analysis

Model Structure

Parameter Sets

Model Calibration

(18)

UnLoadC³ | 17. Österreichischer Klimatag 2016 18

(19)

1 UnLoadC³ | 17. Österreichischer Klimatag 2016 9

Policy making

Food security/

Energy

Technology progress

RCP - Scenario

GCM RCM

Impact Analysis

Model Structure

Parameter Sets

Model Calibration

(20)

UnLoadC³ | 17. Österreichischer Klimatag 2016 20

Climate change scenarios

(modified from: Razavi and Gupta, 2016) (modified from: Knutti

and Sedláček, 2013)

(21)

Uncertainty assessment of water flow and nutrient Loads under future Climate Change Conditions (UnLoadC³)