Quantifying the Impact of Climate Variability and Change on Groundwater

Der Klimawandel wird sich voraussichtlich auf das Grundwasser auswirken, aber die Prognosen sind sehr unsicher. Die Quantifizierung der historischen Auswirkungen ermöglicht ein besseres Verständnis der Reaktion des Grundwassers, wurde aber aufgrund des komplexen Einflusses verschiedener Faktoren, wie Grundwasserentnahme für die landwirtschaftliche Bewässerung und Landnutzungsänderungen, nur selten untersucht. Diese Arbeit zielt darauf ab, zum Verständnis und zur Quantifizierung der historischen Auswirkungen von Klimawandel und -schwankungen auf das Grundwasser durch drei miteinander verbundene Forschungsfragen beizutragen:
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Frage 1: Wie sensitiv reagieren der Grundwasserstand und die Grundwasserneubildung auf Klimaschwankungen in Australien?
Frage 2: Wie stark sind die Veränderungen des Grundwasserstands auf den anthropogenen Klimawandel in Australien zurückzuführen und wann haben sich diese Auswirkungen auf das Grundwasser bemerkbar gemacht?
Frage 3: Wie haben und werden sich die langfristigen Klimawandel und -schwankungen auf den Grundwasserabfluss (niedriger, mittlerer und hoher Abfluss) in einem großen Karsteinzugsgebiet (schneebeeinflusst, gemäßigtes Klima) in Mitteleuropa auswirken?

Die Frage 1 wurde durch Quantifizierung der Sensitivität des Grundwasserstands und der Grundwasserneubildung gegenüber Klimaschwankungen in Australien untersucht. Insgesamt 4350 Messstellen wurden zunächst mit der Zeitreihen-Grundwasser-Toolbox HydroSight modelliert, und 1143 (26%) davon wurden als klimadominierte Messstellen identifiziert. Zur Quantifizierung der Grundwassersensitivität wurde dann ein multipler linearer Regressionsansatz angewandt, der an Studien zur Elastizität von Wasserflüssen adaptiert wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass der Grundwasserstand und die Grundwasserneubildung etwa achtmal sensitiver auf Niederschläge reagieren als auf Veränderungen der potenziellen Evapotranspiration. Die inhärenten Eigenschaften der Gebiete, wie Klimatyp und Hydrogeologie, scheinen eine wichtige Rolle bei der Kontrolle der Grundwassersensitivität zu spielen.

Die Frage 2 wurde untersucht, indem historische Veränderungen des Grundwasserstands in Australien festgestellt und auf den anthropogenen Klimawandel zurückgeführt wurden. An den vom Klima dominierten Standorten wurde ein Modellierungsexperiment durchgeführt, um die Veränderungen des Grundwasserstands sowohl in der faktischen als auch in der kontrafaktischen (natürlichen) Welt mit und ohne menschlichen Einfluss zu simulieren. Die Ergebnisse zeigen, dass 90% der Standorte seit den 1950er Jahren eine signifikante Grundwasserabsenkung erfahren haben, die auf den anthropogenen Klimawandel zurückzuführen ist. Im Südwesten Australien ist die Abnahme am höchsten und liegt viermal so hoch wie der nationale Median (-74 gegenüber -19 mm pro Jahr). Diese Ergebnisse gehören zu den ersten, die zeigen, dass das Grundwasser bereits seit längerer Zeit den negativen Auswirkungen des anthropogenen Klimawandels leidet.

Zur Beantwortung von Frage 3 wurde die Reaktion des Grundwasserabflusses auf Klimawandel und -schwankungen in einem schneebeeinflussten Karsteinzugsgebiet der gemäßigten Breiten (Blautopf) in Süddeutschland zwischen 1952 und 2100 quantifiziert. In dieser Studie wurden statistische Methoden und konzeptionelle Modellierungen eingesetzt, um die langfristigen Auswirkungen zu quantifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Veränderungen des jährlichen mittleren und niedrigen Abflusses nicht signifikant waren, aber der jährliche Spitzenabfluss hat sich aufgrund der weniger intensiven Schneeschmelze auf einen niedrigen Wert (< 13,6 m3/s) verschoben. Trotz nicht signifikanter historischer Veränderungen werden alle hoch-, niedrig- und mittleren Abflüsse bis zum Jahr 2100 voraussichtlich abnehmen. Diese Ergebnisse können auf potenzielle Risiken der Wassermangelversorgung an ähnlichen klimatischen und geologischen Standorten hinweisen.

Die Quantifizierung der historischen Auswirkungen von Klimawandel und -schwankungen auf das Grundwasser trägt zu einem besseren Verständnis der Reaktion des Grundwassers bei und erhöht die Zuverlässigkeit der Vorhersagen. Nur wenn wir die Vergangenheit verstehen, können wir bessere Vorhersagen für die Zukunft machen.

Climate change is projected to impact groundwater but the projections are highly uncertain. Quantifying the historic impact allows for an improved understanding of the response of groundwater, but has been rarely examined due to the confounding influence of multiple drivers, such as pumping for agricultural irrigation and land use changes. This thesis aims to contribute to understanding and quantifying the historic impact of climate variability and change on groundwater through three interconnected research questions (RQs):

RQ1: How sensitive is the unconfined groundwater level and recharge to climate variations across Australia?
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RQ2: How much of the observed groundwater level change is attributable to anthropogenic climate change in Australia and when did this impact emerge?
RQ3: How has and will the long-term climate variability and change impact the groundwater discharge (low, mean, and high flows) at the large karst catchment (snow-influenced, temperate climate) in central Europe?

The RQ1 was examined by quantifying the groundwater level and recharge sensitivity to climate variations in Australia. A total of 4350 sites were first modelled with a time-series groundwater toolbox HydroSight, and 1143 (26%) were identified as climate-dominated sites. A multiple linear regression approach, adapted from streamflow elasticity studies, was then adopted to quantify the groundwater sensitivity. Results show that the groundwater level and recharge are around 8 times more sensitive to precipitation than potential evapotranspiration changes. The inherent properties of the sites, such as climate type and hydrogeology, appear to play an important role in controlling groundwater sensitivity.

The RQ2 was examined by detecting and attributing historic groundwater level changes to anthropogenic climate change in Australia. A modelling experiment was performed at the climate-dominated sites to simulate groundwater level changes in both factual and counterfactual (natural) worlds with and without human impact. Results show that 90% of the sites have experienced significant groundwater depletion attributable to anthropogenic climate change at least as early as the 1950s. Southwestern Australia has experienced the most severe depletion which is 4 times higher than the national median rate (-74 cf. -19 mm/yr). These findings are among the first to show that groundwater has already been under the prolonged adverse impact of anthropogenic climate change.

The RQ3 was addressed by quantifying the response of groundwater discharge to climate variability and change at a snow-influenced temperate karst catchment (Blautopf) in southern Germany between 1952 and 2100. Statistical measures and conceptual modelling approaches were adopted in this study to quantify the long-term impact. Results show that the changes of annual mean and low discharge were not significant, but the annual peak discharge has shifted towards a low state (< 13.6 m3/s) due to less intense peak snowmelt. Despite non-significant historic changes, all high, low, and mean flows are projected to decline by 2100. These findings may suggest potential water scarcity risks at similar climatic and geologic settings.

Quantifying the historic impact of climate variability and change on groundwater contributes to an improved understanding of the groundwater systems and increases confidence in the predictions. Only when we understand the past, may we make better projections for the future.