Effect of climate change on mountain water resources : the case study from European Alps & Himalaya region

Abstract

Gebirgsregionen sind heute die wichtigste und zuverlässigste Quelle für frisches Wasser. Allerdings steht zu erwarten, dass sich diese Situation im vorhergesagten Wandel des Klimas im 21. Jahrhundert erheblich verändern wird. In diesem Zusammenhang wird die Verfügbarkeit von Frischwasser mit einem Modellierungsansatz analysiert. Dabei werden zukünftige Veränderungen für zwei hydrologisch charakteristische Regionen in mittleren und hohen Höhenlagen in den österreichischen Alpen sowie der Karakorum Region in Pakistan vorhergesagt. Ein örtlich verteiltes hydrologisches Modellierungssystem (PREVAH) wurde dazu entwickelt und eingesetzt um um die hydrologischen Prozesses in den Wasserreservoirs zu simulieren. Dabei wurder der Klimawandel mit hilfe eines sogenannten Delta Ansatzes mit berücksichtigt. Die Modellierungergebnisse der ersten Fallstudie im Bereich der Kitzbühler Ache in den Österreichischen Alpen ergeben eine Verschiebung von einem Regen/Schnee dominierten System zu einem von Regen dominierten System. Ein Rückgang der Schneemenge sowie ein verkürzter Zeitraum mit durchgängiger Schneedecke ist zu beobachten. Auf Grund der Veränderungen der Niederschlagsmengen und deren Form (Schnee zu Regen) ist eine Veränderung der saisonal verfügbaren Wassermenge zu erwarten. Dabei nehmen die Wassermengen im Winter zu während sie Frühjahr, Sommer und Herbst abnehmen. Die zu erwartenden Veränderungen sind sowohl mit für einzelne Monate sowie Saisonen durchaus signifikant, weniger aber bei Betrachtung des Gesamtjahres. Die Größenordnung der Veränderung hängt stark vom gewählten Szenario ab. Die Veränderung des im Mittel verfügbaren Wassers werden durch den Unterschied zwischen dem gesamten Fluß und dem Umweltfluss (Q95) ermittelt. Simulationen deuten auf höhere Wasserverfügbarkeit in den Wintermonaten und verringerte Verfügbarkeit im Sommer hin. Im Jahresmittel zeigen die Modelle aber eine leicht erhöhte Verfügbarkeit von Wasser. Die Ergebnisse zeigen dass Regionen stromabwärts die stark von Regionen stromaufwärts abhängig sind speziell im Sommer mit einem Rückgang der verfügbaren Wassermenge konfrontiert sein werden. Die Ergebnisse und Beobachtungen bieten einen Ausblick auf die zukünftigen Verhältnisse in den Wasserreservoirs der Europäischen Alpen in mittleren Lagen. Die Modellierungsergebnisse in der zweiten Fallstudie im Hunza Reservoir basieren auf der Analyse der hydrologischen Parameter hinsichtlich der postulierten Szenarien für den Klimawandel. Die Modellierungsergebnisse zeigen dass eine Anstieg der Temperatur zu einem starken Anstieg des Wasserflußes im Frühjahr und Sommer führt und insgesamt mit einem Anstieg des gesamten Wasserflußes zu rechnen ist. Im Gegensatz zur Kitzbühler Ache sind die Temperaturverhältnisse in dieser hoch gelegenen Region (7500m Seehöhe) von Herbst bis in das Frühjahr unter dem Gefrierpunkt. Deshalb hat ein Anstieg der Temperatur von 1 bis 4C keine signifikante Auswirkung auf die Form des Niederschlags oder die die Schmelzprozesse. Folglich ist mit keiner signifikanten Veränderung des saisonalen Volumens. mit Ausnahme im Spätfrühling und Sommer, zu rechnen. Zusammenfassend ist ein Anstieg des Wasserflusses (mehr als 75%) nur zur Zeit der Schneeschmelze zu, wie auch derzeit, zu beobachten. Somit ist aufgrund der starken saisonalen Prägung des Wasserflußes (mehr als zwei Drittel der Wassermenge sind in einem sehr kurzen Zeitraum von wenigen Wochen im Sommer verfügbar) und dem Rückgang der Kapazität der Dämme der Bau neuer Reservoirs dringend empfohlen. Die zusätzliche Speicherkapazität würde nicht nur die Gefahr von Fluten reduzieren sondern auch die Kontroll- und Regulierungsfunktion bestehender Dämme verbessern. Die Verteilung des Wassers im Indus Bewässerungssystem (IBIS) is zur Gänze mit Hilfe großer Reservoirs kontrolliert. Der vorhergesagte Trend für den Wasserfluss würden zu einem zukunftsorientierten Management bestehender und zukünftiger Reservoirs am Indus Fluss beitragen. Damit wäre eine bessere und nachhaltige Kontrolle der Wasserreserven für die Bewässerung und Stromversorgung erzielbar. Darüber hinaus liefert die Studie auch Lösungsansätze für aktuelle und zukünftige nachhaltige Wasserwirtschaft für das Indus Becken. Die vorgeschlagenen Ansätze können auch auf andere große Wasservorräte in Semi-ariden und Ariden Regionen angewandt werden.Mountain regions are the most important and reliable supply sources of global fresh water resources, but their future role in fresh water availability is likely to be changed during projected 21st century climate change. In this context, future water availability scenario is analyzed through a modeling approach developed to project future changes in two distinct hydro-logical characteristics flow regimes and subsequent water availability in two sampling catchments located in middle & high altitude mountain ranges of Austrian Alps & Karakorum Range Pakistan respectively. A spatially distributed hydrological modeling system PREVAH was developed & applied to simulate the catchment hydrological processes. The climate change scenarios were incorporated within model simulations by means of the so-called delta approach. The modeling results of the first case study area Kitzbühl Ache catchment located in Austrian Alps predict a shift from a rainfall-snowmelt dominated flow regime to a rainfall dominated flow regime in future. A decrease in snow accumulation and a shortening in snow cover duration is also observed. Due to the projected changes in seasonal precipitation amount, change in form (snow to rain), a change in seasonality of stream flow and available water resource occurs. There will be an increase in winter flow, and a decrease in spring, summer and autumn flow. The typical low flow period during winter shifts to a low flow period during late summer and autumn. The observed changes are significant on monthly and seasonal scales than on an annual basis. However, the magnitude of the effect at all scales depends strongly on the choice of the scenario. The changes in mean available water is assessed through the difference b/w total flow and environmental flow (Q95) regime, model simulations project higher water availability trends in winter and decreasing trends in summer. However, at mean annual scale, most of the scenarios show slightly higher available water. These results indicate that the downstream regions depending on upstream mountain water resources, particularly in summer, may face decline in water availability at the end of 21st century. These values and observations provide a future vision within middle mountainous catchments in the European Alps. The modeling results of the other case study area Hunza catchment are based on the sensitivity analysis of the hydrological parameters towards the hypothetical climate change scenarios. The modeling results show that the increase in temperature produces large increase in late spring and summer flow volume and subsequently in total flow volume. Contrary to findings in Kitzbühl Ache catchment, the temperature regime of this particular high altitude basin (over 7500 m a.s.l) from autumn to early spring months is below freezing point, therefore the increase of 1 to 4C have no any significant influence over the form of precipitation or melting process, and hence no significant change observed in seasonal flow volumes, except in late spring & summer. In nutshell, flow volume increased (more than 75%) is available only in melt season summer as like in present conditions. Therefore, due to seasonality of river flow (where more than 2/3 water will be available in just short span of few weeks in summer) and decreasing capacity of existing dams, this study highly favors the construction of new reservoirs. The additional storage capacity would not only result in reducing the magnitude of potential threats of increasing flood events, but would also enhance the controlling and regulating capacity of existing dams. The water distribution in Indus Basin Irrigation System (IBIS) is fully controlled and regulated through large reservoirs. Thus, predicted flow trends would contribute in successful forward-looking management of existing and proposed reservoirs on Indus River and accordingly let a better and long-lasting control of water supply for irrigation and power supplies. Furthermore, study also provides a solution under current & future sustainable water resource development & management within the Indus Basin. The recommended options can be adopted for other large basins in semi-arid to arid regions.Dip.-Ing. Abdul Nasir LaghariAbweichender Titel laut Übersetzung des VerfassersUniversität Innsbruck, Dissertation, 2017OeB