On the impact of climate change on groundwater resources

Research Collection
Doctoral Thesis
On the impact of climate change on groundwater resources
Author(s):
Stoll, Sebastian
Publication Date:
2012
Permanent Link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-7362606
Rights / License:
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ETH Library
DISS. ETH NO. 20443
ON THE IMPACT OF CLIMATE CHANGE ON
GROUNDWATER RESOURCES
A dissertation submitted to
ETH ZURICH
for the degree of
Doctor of Sciences
presented by
SEBASTIAN STOLL
Dipl. Hyd., Albert-Ludwigs University of Freiburg (D)
born 15. November 1982
citizen of Germany
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Wolfgang Kinzelbach, examiner
Prof. Dr. Harrie-Jan Hendricks Franssen, co-examiner
Prof. Dr. Harald Kunstmann, co-examiner
2012
Abstract
Groundwater is one of the major water resources used to meet public water demand. For
example in Switzerland more than 80% of the drinking water is derived from groundwater. Moreover groundwater is essential for ecosystems like wetlands and delivers most of
the stream water during droughts. Facing global environmental change including climate
change, land use change and eventually adaptation processes, it is essential to assess the
impact of all those on groundwater recharge and resources. Changes in the distribution and
the amount of precipitation, increasing temperatures, increasing demand (through population growth and increased irrigation requirements) and continued sealing of surfaces can
easily increase the pressure on groundwater. Although there is a need of a better understanding of the impact of climate change on groundwater resources, the topic has received
only limited attention in the scientic literature. This thesis aims at addressing the impact
of climate change on groundwater resources in Switzerland. In order to indentify future
potential threats for groundwater systems we combined evaluations of extensive modeling
approaches with the analyses of observed groundwater data.
The impact of climate change on groundwater resources is typically analyzed by driving
hydrological models with the downscaled outputs of climate models. Each member of this
modeling chain (climate model - downscaling - hydrological model) is subject to considerable uncertainty. We were able to show that largest fraction of the uncertainty is clearly
associated with the choice of the climate models and downscaling methods. However, also
the uncertainty related to hydrological modeling part can contribute signicantly to the
overall uncertainty in climate change assessments. Consequently, due to these uncertainties it is currently very dicult to get reliable quantitative estimates about the impact of
climate change on specic groundwater resources by driving hydrological models with the
outputs of climate models. However, although the large uncertainty envelope is limiting
the informational value of climate change impact studies, modeling approaches can help to
gain a better understanding about the interconnections between climatic and hydrological
processes and feedback mechanisms.Together with the analysis of observed groundwater
data, processes dominating the groundwater dynamics can be identied and their threat
potential assessed. We were able to detect a strong relationship between low winter precipitation and groundwater droughts. Moreover, the evaluation of trends in the groundwater
data indicated that the evolution of some groundwater levels was dominated by changes
in the water demand, which clearly exhibited the variations of the climatic conditions. Related to that it was also found that particularly during summer, precipitation decits and
high temperatures not only can cause low groundwater levels, they also lead to an increa-
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sed water demand, which is often met by increased groundwater pumping. This feedback
mechanism can amplify the eects of natural groundwater droughts on water tables, spring
ows and wetlands. Additionally, both data and model calculations showed strong spatial
correlations among dierent sites and pointed to the existence of a distinct association
between large-scale atmospheric circulation pattern and groundwater dynamics. Despite
relevant uncertainty in the circulation pattern-precipitation relationship, it was possible to
identify drought conducive circulation patterns. Especially high pressure systems centrally
located over Switzerland induce droughts in groundwater systems.
Generally, approaches like the ones analyzed in this thesis currently cannot provide any
quantitative estimates about future conditions of groundwater systems. However, sensitivity studies together with the analysis of historic observations can provide insights about
the interactions between climate and groundwater dynamics (including anthropogenic impacts). Processes dominating the evolution of groundwater levels can be identied and
their threat potential assessed.
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Zusammenfassung
Grundwasser ist eine der wichtigsten Wasserressourcen, um den Wasserbedarf zu decken.
Zum Beispiel stammen über 80% des Schweizer Trinkwassers aus Grundwasser. Zusätzlich kommt Grundwasser eine wesentliche Bedeutung für Ökosysteme (z.B. Feuchtgebiete) zu und liefert während Dürren den Grossteil des Abusses in Bächen und Flüssen.
Mit den Herausforderung des globalen Wandels (Klimawandel, Landnutzungsänderungen
und mögliche Anpassungsstrategien) ist es essentiell die Auswirkungen desselbigen auf
die Grundwasserressourcen abzuschätzen. Änderungen der Niederschlagsmenge und Verteilung, erhöhte Temperaturen, ein erhöhter Wasserbedarf (durch Bevölkerungswachstum
und Bewässerungsbedürftigkeit) sowie das Ausbreiten von versiegelten Flächen können den
Druck auf Grundwasserressourcen vetsrärken. Obwohl ein hoher Bedarf an einem verbesserten Verständnis dieser Auswirkungen besteht, fand dieses Thema in der wissenschaftlichen
Literatur bisher eher wenig Aufmerksamkeit. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich daher
vertieft mit den Auswirkungen des Klimawandels auf Schweizer Grundwassersysteme. Um
das zukünftige Gefährdungspotential abzuschätzen zu können, werden aufwendige Modellierungsstudien mit der Analyse von Grundwassermessdaten kombiniert.
Die Auswirkungen des Klimawandels werden typischerweise anhand von hydrologischen
Modellen beurteilt, welche mit korrigierten Outputs von Klimamodellen angetrieben werden. Jeder dieser einzelnen Schritte (hydrologisches Modell - Fehlerkorrektur - Klimamodell) unterliegt einer nicht vernachlässigbaren Unsicherheit. So konnten wir zeigen, dass
der Grossteil der Gesamtunsicherheit auf die Klimamodelle und die Korrektur deren Outputs zurückzuführen ist. Jedoch kann auch die hydrologische Modellierung wesentlich zur
Gesamtunsicherheit von Klimawandelstudien beitragen. Unter Berücksichtigung all dieser Unsicherheiten ergibt sich, dass es momentan mit diesem Ansatz sehr schwierig ist,
verlässliche quantitative Abschätzungen über den Einuss des Klimawandels auf Grundwasserressourcen zu gewinnen. Trotz dieser Einschränkungen können Modellierungsstudien
jedoch dabei behilich sein, ein besseres Verständnis über die Wechselwirkungen zwischen
klimatischen und hydrologischen Prozesse zu gewinnen. Zusammen mit der Analyse von
Grundwassermessdaten lassen sich Prozesse, welche die Grundwasserdynamik kontrollieren identizieren und sich daraus Gefährdungspotentiale ableiten. So konnten wir zeigen,
dass ein starker Zusammenhang zwischen niedrigen Winterniederschlägen und Grundwasserdürren besteht. Zusätzlich konnte anhand einiger Grundwasserdaten gezeigt werden,
dass die Entwicklung von Grundwasserständen massgeblich vom Wasserbedarf gesteuert
wird. Dieser Prozess hatte einen deutlich stärkeren Einuss als Schwankungen in den klimatischen Verhältnissen. In diesem Zusammenhang wurde ausserdem deutlich, dass die
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Abnahme von Niederschlägen und die Erhöhungen von Lufttemperaturen nicht nur niedrige Grundwasserspiegel zur Folge hatten, sondern darüber hinaus auch eine Zunahme des
Wasserbedarfs bedeutete. Da dieser gestiegen Wasserbedarf hauptsächlich durch Grundwasser gedeckt wird, kann dieser Rückkoppelungseekt die negativen Auswirkungen von
Trockenheit noch verstärken. Ferner zeigten sowohl Modellberechnungen als auch Grundwassermessdaten starke räumliche Korrelationen zwischen verschiedenen Standorten (auch
über grosse Distanzen), welche auf einen starken Zusammenhang zwischen Grundwasserneubildungsraten und der Grosswetterlagendynamik zurückgeführt werden konnten. Trotz
beträchtlicher Unsicherheit in der Grosswetterlage - Niederschlagsbeziehung war es möglich
dürrenverursachende Grosswetterlagen zu identizieren. Insbesondere zentral über Europa
liegende Hochdruckgebiete konnten mit Grundwasserdürren in der Schweiz in Zusammenhang gebracht werden.
Generell kann gesagt werden, dass mit Methoden wie sie in dieser Doktorarbeit analysiert wurden momentan keine quantitativen Abschätzungen über zukünftige Grundwasserverhältnisse erarbeitet werden können. Jedoch können mithilfe von Sensitivitätsstudien
zusammen mit der Analyse von langjährigen Messreihen Einsichten über die Wechselwirkungen zwischen Klima -und Grundwasserdynamik gewonnen werden. Prozesse, welche
die Entwicklung von Grundwasserständen dominieren, lassen sich identizieren und ihr
Bedrohungspotential abschätzen.
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