Modelling integrated scenarios of land use change and water management in two Mediterranean river basins

Huber García, Verena (2020): Modelling integrated scenarios of land use change and water management in two Mediterranean river basins. Dissertation, LMU München: Fakultät für Geowissenschaften

Abstract

In order to satisfy future demands for water, food, fibre and energy, it is necessary to develop management strategies that find a balance between ecological, economical and societal needs. This is particularly true for regions that are likely to be negatively affected by climate change, such as the Mediterranean. Many studies agree that altered precipitation patterns and higher mean temperatures will increase water scarcity in this region, which is already prone to water stress. At the same time, irrigation is by far the major water consumer in Mediterranean countries. Still, many river basin authorities plan to expand the irrigation activities consuming even more water while the natural supply diminishes. The work presented here concentrates on two Mediterranean river basins, the Ebro in Spain and the Evrotas in Greece. In case of the Ebro, the River Basin Management Plan (RBMP) foresees an expansion of approx. 50% of the irrigated area for the future and a related rise of the water demand by 30% until 2033. The irrigation in the Evrotas has been expanded to olive trees over the last decades increasing the water demand for irrigation substantially. Consequently, the reduced water availability caused by a changing climate in combination with an expected water demand increase are very likely to aggravate the situation in the future. Both river basins constitute case studies of the EU-FP7 project GLOBAQUA, which builds the thematic frame of this thesis. With a focus on aquatic ecosystems, one of the project aims was to investigate how future water-related management practices and policies, in particular the Water Framework Directive of the European Union (EU-WFD), have to be adapted to be able to cope with the impacts of multiple stressors, such as climate and land use change, under increased water scarcity in the future. One of the objectives of the work presented here was to analyse if the current and future official water management strategies in the study areas adhere to the EU-WFD, which promotes the sustainable use of water, and to sketch alternatives. For this purpose, integrated, spatially explicit land and water use scenarios were developed that reflect the water management practices of the individual study areas. The scenarios are, at the same time, in line with the global Representative Concentration Pathways (RCPs) and Shared Socio-economic Pathways (SSPs), a scenario framework widely used in climate change impact studies. Integration in this respect means that climate, socio-economic and environmental future projections were taken into account. To be able to apply these global storylines to regional study areas, they had to be downscaled first. Within the GLOBAQUA project, several project-specific scenarios were developed based on RCPs and SSPs for the time horizon 2050. Out of these, the MYOPIC and the SUSTAINABLE scenario were investigated in detail as part of this thesis. For both case studies the MYOPIC scenario represents the continuation of the ‘business as usual’; in case of the Ebro it is parametrised according to the plans reported in the RBMP mentioned above. The downscaling to the basin-scale was achieved by including the knowledge of experts and local stakeholders and combining it with quantitative values gathered through an extensive literature review. This information was further used to parametrise the land use change model iCLUE. Eventually, this resulted in land use maps for the MYOPIC and SUSTAINABLE scenario for the year 2050 for the Ebro and Evrotas. In order to obtain also spatially distributed water use maps, official water use statistics were combined with the spatially explicit land use simulations. Urban and industrial uses were linked to urban areas and agricultural uses, irrigation for the largest part, to all irrigated land use classes. For the future, the water consumption of each land use class was adapted with a factor to fit the overall water demand which was priorly specified for each scenario. In case of the Ebro, the final water use scenarios were compared to the Climate Moisture Index (CMI) to evaluate also the water availability under both scenarios. The validation of the land use simulations revealed that the performance of iCLUE in both case studies is good. Also the water use maps, which were compared to already existing similar products, are satisfying. The concerns regarding water management were confirmed: Already the current practices demand substantially more water than what could be considered sustainable. The long-term meanWater Exploitation Index Plus (WEI+) for the Ebro indicates water scarcity already for the present. The CMI projects a future reduction of available water independently of the scenario. If the RBMP is implemented as planned, it is certain that water scarcity will increase dramatically, resulting in a higher WEI+. Applying, however, a SUSTAINABLE scenario, the WEI+ would only rise marginally compared to the present. The situation is very similar for the Evrotas. The downscaling of the scenarios appeared to be not only useful but necessary to obtain the spatial and thematic resolution to support planning decisions on a river basin level. The proposed method for deriving water use maps based on local statistics rather than through modelling proved to be an easy to use tool. Its transferability in space, scale and resolution was confirmed by the application to the Evrotas basin. The work presented in this thesis describes a procedure that can help to better implement the Water Framework Directive of the European Union (EU-WFD). Such integrated modelling exercises, which address the systemic view of the directive, should be established as standard procedure to better assess the efficiency and applicability of Programmes of Measures (PoMs). The final recommendations of this thesis to the EU-WFD are to demand for a compulsory and standardised reporting on water related variables and to set quantitative targets such as the adherence to a certain WEI+ level. This would allow to better assess the sustainability of water management practices and facilitate the comparability across Europe.

Abstract

Um auch in Zukunft den Bedarf an Wasser, Nahrungsmitteln, Faserstoffen und Energie decken zu können, ist es notwendig Ressourcenmanagement so zu betreiben, dass das Gleichgewicht zwischen ökologischen, ökonomischen und sozialen Bedürfnissen sichergestellt ist. Dies betrifft besonders Regionen wie den Mittelmeerraum, in denen die Folgen des Klimawandels mit hoher Wahrscheinlichkeit negativ sein werden. Viele Studien stimmen darin überein, dass veränderte Niederschlagsmuster und höhere Jahresmitteltemperaturen die Wasserknappheit in dieser ohnehin schon betroffenen Region verstärken werden. Gleichzeitig wird das meiste Wasser in vielen Ländern um das Mittelmeer zur Bewässerung verwendet. Nichtsdestotrotz geht man in den Bewirtschaftungsplänen vieler Flusseinzugsgebiete von einer Ausweitung der Bewässerung aus, was einen noch höheren Wasserverbrauch mit sich bringt, während die natürliche Wasserverfügbarkeit schrumpft. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit zwei mediterranen Flusseinzugsgebieten, dem Ebro in Spanien und dem Evrotas in Griechenland. Im Falle des Ebro sieht der Bewirtschaftungsplan eine Zunahme der bewässerten Fläche um ca. 50% vor, während der damit verbundene erwartete Anstieg des Wasserbedarfs ca. 30% bis zum Jahr 2033 beträgt. Im Einzugsgebiet des Evrotas wurde die Bewässerung im Laufe der letzten Jahrzehnte auf Oliven ausgeweitet, was den Wasserbedarf deutlich erhöht hat. Im Folge der durch den Klimawandel hervorgerufenen geringeren Wasserverfügbarkeit könnte sich demnach, in Kombination mit einer erhöhten Nachfrage nach Wasser, die Situation zuspitzen. Sowohl Ebro als auch Evrotas waren Untersuchungsgebiete im EU-FP7-Projekt “GLOBAQUA”, welches den thematischen Rahmen dieser Dissertation bildet und dessen Hauptaugenmerk auf aquatischen Ökosystemen lag. Eines der Hauptziele GLOBAQUAs bestand darin herauszufinden wie Managementpraktiken und Richtlinien, die einen Bezug zu Wasser haben, - insbesondere die Wasserrahmenrichtlinie der Europäischen Union (EU-WRRL) - angepasst werden müssen um mit den Auswirkungen multipler Stressoren auch unter zukünftig verstärkter Wasserknappheit zurecht zu kommen. Solche Stressoren sind unter anderem der Klimawandel aber auch der Landnutzungswandel. Eines der Ziele der vorliegenden Arbeit war es zu untersuchen ob die aktuellen und zukünftigen offiziellen Bewirtschaftungspläne der Untersuchungsgebiete sich an die EU-WRRL halten, welche eine nachhaltige Wassernutzung fördert. Des Weiteren sollten Alternativen aufgezeigt werden. Zu diesem Zweck wurden integrierte und räumlich explizite Land- und Wassernutzungsszenarien entwickelt, in denen die Wassermanagementstrategien der einzelnen Untersuchungsgebiete eingebaut wurden. Gleichzeitig stimmen die Szenarien mit den globalen Repräsentativen Konzentrationspfaden (engl.: Representative Concentration Pathways, RCPs) und den Gemeinsamen Sozioökonomischen Entwicklungspfaden (engl.: Shared Socio-economic Pathways, SSPs) überein, die in der Klimafolgenforschung eine weitverbreitete Grundstruktur für Szenarien bilden. Der Begriff “Integration” bezieht sich in diesem Zusammenhang auf die gleichzeitige Berücksichtigung zukünftiger Klima-, Umwelt- und sozioökonomischer Projektionen. Um diese globalen Szenarien auf der regionalen Ebene anwenden zu können, wurden sie zunächst herunterskaliert. Für GLOBAQUA wurden mehrere projektspezifische Szenarien auf Grundlage der RCPs und SSPs für das Jahr 2050 entwickelt. Das sogenannte “kurzsichtige Szenario” und das nachhaltige Szenario wurden im Rahmen dieser Arbeit genauer untersucht. In beiden Einzugsgebieten beschreibt das kurzsichtige Szenario die Fortführung des “business as usual”, im Falle des Ebro ist dieses gemäß den Angaben im oben genannten Bewirtschaftungsplan parametrisiert. Die Herunterskalierung auf die Einzugsgebietsebene gelang mit Hilfe des Wissens von Experten und lokalen Interessensvertretern und der Kombination dieser Information mit quantitativen Angaben, die in einer umfangreichen Literaturrecherche ermittelt wurden. Diese Informationen wurden ferner dazu verwendet das Landnutzungsmodel iCLUE zu parametrisieren. Daraus ergaben sich schließlich Landnutzungskarten für das kurzsichtige und nachhaltige Szenario im Ebro und Evrotas für das Jahr 2050. Um räumlich verteilte Wassernutzungskarten zu erhalten, wurden diese Landnutzungssimulationen mit offiziellen Wasserstatistiken kombiniert. Der Wasserbedarf für Industrie und Haushalte wurde mit versiegelten Flächen verknüpft, der landwirtschaftliche Bedarf, zum Großteil zur Bewässerung, wurde allen bewässerten Landnutzungsklassen zugeschrieben. Der zukünftige Bedarf wurde mit Hilfe eines Faktors an den für das jeweilige Szenario zuvor festgelegten gesamten Wasserbedarf angepasst. Für das Ebroeinzugsgebiet wurden die endgültigen Wassernutzungskarten noch mit dem Climate Moisture Index (CMI), d.h. einem klimatischen Feuchteindikator, verglichen um auch die Wasserverfügbarkeit in beiden Szenarien abschätzen zu können. Die Validierung der Landnutzungssimulationen ergab, dass die iCLUE-Ergebnisse in beiden Untersuchungsgebieten von guter Qualität sind. Auch die Güte der Wassernutzungskarten, die mit ähnlichen bereits existierenden Produkten verglichen wurden, war zufriedenstellend. Die Bedenken bezüglich des Wassermanagements haben sich bestätigt: Bereits die aktuellen Praktiken verbrauchen deutlich mehr Wasser als nachhaltig wäre. Das langjährige Mittel des Wassernutzungsindikators WEI+ (engl.: Water Exploitation Index Plus) bescheinigt dem Ebro bereits jetzt Wasserknappheit. Der CMI prognostiziert eine verringerte Wasserverfügbarkeit in der Zukunft, unabhängig vom Szenario. Falls der Bewirtschaftungsplan wie geplant umgesetzt wird, wird die Wasserknappheit ohne Zweifel zunehmen, was sich in einem höheren WEI+ äußern würde. Wenn allerdings ein nachhaltiges Szenario angewendet wird, würde der WEI+ nur leicht über den heutigen Wert steigen. Für den Evrotas ist die Situation sehr ähnlich. Das Herunterskalieren der Szenarien stellte sich nicht nur als hilfreich, sondern auch als notwendig heraus um die räumliche und thematische Auflösung zu erhalten, die zur Unterstützung von Entscheidungen auf Einzugsgebietsskala notwendig ist. Die hier vorgestellte Methode, bei der Wassernutzungskarten auf Grundlage von lokalen Statistiken anstatt durch Modellierung erstellt werden, erwies sich als leicht anwendbar. Die Übertragbarkeit auf andere Skalen, Auflösungen und Gebiete konnte durch die Anwendung auf den Evrotas gezeigt werden. Die vorliegende Arbeit beschreibt eine Vorgehensweise, die zur besseren Umsetzung der EU-WRRL beitragen kann. Solche integrierten Modellierungsansätze, die die systemische Sicht der Richtlinie wiedergeben, sollten standardmäßig eingesetzt werden um die Wirksamkeit und Anwendbarkeit von Maßnahmenprogrammen zu bewerten. Die abschließenden Empfehlungen dieser Arbeit an die EU-WRRL beinhalten zum einen die verpflichtende und standardisierte Berichterstattung wasserbezogener Variablen. Des Weiteren sollte eine quantitative Zielvorgabe eingeführt werden, beispielsweise die Einhaltung eines gewissen WEI+-Wertes. Das würde die Einschätzung von Wassermanagementpraktiken bezüglich ihrer Nachhaltigkeit erleichtern und die Vergleichbarkeit innerhalb Europas verbessern.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
• Fakultäten: Fakultät für Geowissenschaften
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 24. Juni 2020
• 1. Bericht­erstatter:in: Ludwig, Ralf