• Energy Research

The Badam River, a tributary to the Arys River located in the Syr Darya basin, is a crucial natural resource for ecological, social, and economic activities in the semi-arid region of southern Kazakhstan. The river basin is heavily influenced by manmade water infrastructure and faces water scarcity, particularly during summer, highlighting the importance of understanding its hydrological processes for effective water resource management. In this study, a semi-distributed conceptual hydrological model of the Badam River was implemented using the RS MINERVE hydrological software to evaluate the impacts of climate change on hydrology and to test the resilience of the water system. Connected HBV models were implemented for each of the hydrological response units that were defined as altitudinal zones. The hydrological model was calibrated using daily time steps between 1979 and 2011, and the resulting flow exceedance curves and hydrographs were used to assess the potential impacts of climate change on the basin, using CMIP6 precipitation and temperature scenarios. Future climate scenarios for the 2054 – 2064 period demonstrate that the peak discharge will be shifted to spring/late spring compared to the current early summer with no significant decrease in average discharge per day of the year. The insights gained from this hydrological-hydraulic model can be used to effectively manage the water system and inform future hydropower design decisions and serve as a blueprint for similar studies in the region and elsewhere.

Der vorliegende Beitrag befasst sich mit dem ganzheitlichen Planungsprozess für einen der Demostandorte innerhalb des Hydro4U Projekts, dem At-Bashy-Kleinwasserkraftwerk in Kirgisistan. Das Kleinwasserkraftwerk wird an einem bestehenden Wehr geplant, welches derzeit zur Bewässerungsausleitung genutzt wird. Hydrologische Modelle wurden verwendet um den Referenzzustand des Einzugsgebietes darzustellen, sowie um Aussagen über die klimatologische Entwicklung und die verfügbaren Wasserressourcen in der Zukunft treffen zu können. Zusätzlich wurden Befischungen durchgeführt, um Kenntnissen über die vorherrschende Fischfauna zu gewinnen und dies als Grundlage für die Planung der Fischaufstiegsanlage zu verwenden. Structure from Motion (SfM) wurde als Methodik angewandt, um detaillierte Gelände- und Bauwerksinformationen zu erhalten, die die Planung der Kraftwerkskomponenten in Verbindung mit dem bestehenden Bauwerk unterstützt. Basierend auf diesen Informationen wird an diesem Standort ein Kleinwasserkraftwerk bestehend aus zwei Modulen mit einer Nennleistung von 1,2 MW gebaut.

Abstract. We use a new set of data available to compute 21st century climate impacts on the hydrology of 221 catchments in high-mountain Central Asia. For each of these subcatchments, a parsimonious steady state stochastic soil moisture water balance model was set up and the partitioning of available water from precipitation into runoff and evaporation computed for different climate futures using the Budyko framework. Climate change sensitivity coefficients are analytically derived for the first time using the total differential method. Relative changes in discharge for three future periods 2011–2040, 2041–2070, and 2071–2100 were computed in relation to the baseline period from 1979–2011. For the baseline observation period, climate data from a global high-resolution climatology data set (CHELSA V21) were used to extract mean daily subcatchment-specific temperature and precipitation values. Data from the coupled model intercomparison project phase 6 (CMIP6) were used to compute catchment mean future climate data using 4 GCM models with 4 scenario runs each. CMIP6 data were bias corrected with CHELSA V21 observation data. For the spatial distribution of soil parameters, different global products were utilized. The robustness of the soil water balance model results was assessed using a comprehensive sensitivity analysis in relation to variations of these soil parameters over typically observed ranges for each subcatchment. The analysis of climate change suggests increasing precipitation over the three periods (+4.44 %, +5.89 %, and +8.51 % relative increases in median total precipitation averaged over subcatchment and scenarios). Median values of temperatures changes between periods relative to the baseline are +1.33 °C, +2.44 °C, and +3.55 °C. Results of the hydrological soil water balance model runs suggest a median increase of discharge of +4.71 %, +7.44 % and +10.87 % for the corresponding periods. This is a strong indication of a wetter and hotter future in Central Asia, relative to today’s hydroclimate. Modelling results suggest that decreasing contributions from glacier melt over the course of the 21st century will be offset by increases in discharge consistently throughout the region, despite increasing potential evapotranspiration. Increases in relative discharge will be most pronounced in the Afghan Murghab-Harirud basin and in the Amu Darya. Changes in precipitation characteristics in terms of frequency and event depth also indicate possible impacts on hydrological extremes which remains a heavily under researched topic in Central Asia.

Innerhalb des von der EU geförderten Projekts „Hydro4U – Sustainable small-scale hydropower in Central Asia“ sollen mögliche Standorte für nachhaltige Kleinwasserkraft identifiziert und Machbarkeitsstudien entwickelt werden. In der Region ist eine großausgebaute Bewässerungsinfrastruktur vorhanden, die bisher kaum energetisch genutzt wird. Mit Hilfe der Projektpartner, bestehend aus europäischen und lokalen Experten aus verschiedenen Fachrichtungen, kann durch Analyse der verfügbaren Wasserressourcen und deren aktueller Nutzung, der Entwicklung von innovativen Technologien sowie der Durchführung umfangreicher gewässerökologischer Untersuchungen das Energiepotenzial derartiger bestehender Bewässerungsinfrastruktur effizient und nachhaltig erschlossen werden. Der Standort Badam in Kasachstan wurde innerhalb des Projekts als ein geeigneter Standort identifiziert. Er befindet sich unterhalb eines Bewässerungsreservoirs, durch den eine für die Wasserkrafterzeugung nutzbare vergrößerte Fallhöhe vorhanden ist. Zur Ermittlung des Wasserdargebots wurden hydrologische Modelle erstellt und Simulationen von Klimaszenarien für zwei Einzugsgebiete erstellt, aus denen Wasser für die Bewässerung entnommen wird. Es wurden, wo möglich, vorhandene Abflussdaten zur Kalibrierung und Validierung der Modelle verwendet. Zusätzlich wurden gewässerökologische Studien durchgeführt und unter anderem Habitatmodelle erstellt, mit denen Mindestwasserfragen und Durchgängigkeitsaspekte in den Ausleitungsstrecken analysiert werden. Die Untersuchungen gewährleisten, dass die Wasserkraftnutzung umweltverträglich erfolgt und in den betroffenen Flussabschnitten eine Verbesserung der ökologischen Situation zu erwarten ist. Durch Besichtigungen der Anlagen und Auswertung der Bestandspläne wurden mögliche Standorte für das Krafthaus identifiziert. Im Rahmen einer Variantenstudie wurden ökonomisch sinnvolle Standorte und die zugehörige Technologie untersucht, sowie eine Strategie zur Speicherbewirtschaftung unter Einhaltung europäischer Nachhaltigkeitsstandards entwickelt. Planung und Umsetzung der Wasserkraftanlage sollen als Beispiel dafür dienen, wie eine bestehende Bewässerungsinfrastruktur unter Berücksichtigung von Ökologie sowie lokaler Wasserverfügbarkeit und -nachfrage nachhaltig energetisch genutzt werden kann.

In today’s intrinsically connected world, the Water–Food–Energy–Climate Nexus (WFEC Nexus) concept provides a starting point for informed and transparent decision-making based on the trade-offs and synergies between different sectors, including aquatic ecosystems, food security, energy production, and climate neutrality. The WFEC Nexus approach is particularly applicable in regions requiring transboundary water management, such as Central Asia. Unfortunately, this region with unevenly distributed water resources—consisting of Kazakhstan, Kyrgyzstan, Tajikistan, Turkmenistan, and Uzbekistan—is characterized by data scarcity, which limits informed decision-making. However, open-source geodata is becoming increasingly available. This paper aims to fill Central Asia’s WFEC Nexus data gap by providing an overview of key data. We collected geodata through an integrated survey of stakeholders and researchers, stakeholder consultation, and literature screening. Sixty unique datasets were identified, belonging to one of six thematic categories: (1) climate, (2) hydrology, (3) geography and topography, (4) geomorphology, (5) ecology, and (6) anthropogenic uses. For each dataset, a succinct description, including a link to the online source, is provided. We also provide possible applications of using the presented datasets, demonstrating how they can assist in conducting various studies linked to the WFEC Nexus in Central Asia and worldwide.

Der vorliegende Beitrag befasst sich mit dem ganzheitlichen Planungsprozess für einen der Demostandorte innerhalb des Hydro4U Projekts, dem At-Bashy-Kleinwasserkraftwerk in Kirgisistan. Das Kleinwasserkraftwerk wird an einem bestehenden Wehr geplant, welches derzeit zur Bewässerungsausleitung genutzt wird. Hydrologische Modelle wurden verwendet um den Referenzzustand des Einzugsgebietes darzustellen, sowie um Aussagen über die klimatologische Entwicklung und die verfügbaren Wasserressourcen in der Zukunft treffen zu können. Zusätzlich wurden Befischungen durchgeführt, um Kenntnissen über die vorherrschende Fischfauna zu gewinnen und dies als Grundlage für die Planung der Fischaufstiegsanlage zu verwenden. Structure from Motion (SfM) wurde als Methodik angewandt, um detaillierte Gelände- und Bauwerksinformationen zu erhalten, die die Planung der Kraftwerkskomponenten in Verbindung mit dem bestehenden Bauwerk unterstützt. Basierend auf diesen Informationen wird an diesem Standort ein Kleinwasserkraftwerk bestehend aus zwei Modulen mit einer Nennleistung von 1,2 MW gebaut.

Innerhalb des von der EU geförderten Projekts „Hydro4U – Sustainable small-scale hydropower in Central Asia“ sollen mögliche Standorte für nachhaltige Kleinwasserkraft identifiziert und Machbarkeitsstudien entwickelt werden. In der Region ist eine großausgebaute Bewässerungsinfrastruktur vorhanden, die bisher kaum energetisch genutzt wird. Mit Hilfe der Projektpartner, bestehend aus europäischen und lokalen Experten aus verschiedenen Fachrichtungen, kann durch Analyse der verfügbaren Wasserressourcen und deren aktueller Nutzung, der Entwicklung von innovativen Technologien sowie der Durchführung umfangreicher gewässerökologischer Untersuchungen das Energiepotenzial derartiger bestehender Bewässerungsinfrastruktur effizient und nachhaltig erschlossen werden. Der Standort Badam in Kasachstan wurde innerhalb des Projekts als ein geeigneter Standort identifiziert. Er befindet sich unterhalb eines Bewässerungsreservoirs, durch den eine für die Wasserkrafterzeugung nutzbare vergrößerte Fallhöhe vorhanden ist. Zur Ermittlung des Wasserdargebots wurden hydrologische Modelle erstellt und Simulationen von Klimaszenarien für zwei Einzugsgebiete erstellt, aus denen Wasser für die Bewässerung entnommen wird. Es wurden, wo möglich, vorhandene Abflussdaten zur Kalibrierung und Validierung der Modelle verwendet. Zusätzlich wurden gewässerökologische Studien durchgeführt und unter anderem Habitatmodelle erstellt, mit denen Mindestwasserfragen und Durchgängigkeitsaspekte in den Ausleitungsstrecken analysiert werden. Die Untersuchungen gewährleisten, dass die Wasserkraftnutzung umweltverträglich erfolgt und in den betroffenen Flussabschnitten eine Verbesserung der ökologischen Situation zu erwarten ist. Durch Besichtigungen der Anlagen und Auswertung der Bestandspläne wurden mögliche Standorte für das Krafthaus identifiziert. Im Rahmen einer Variantenstudie wurden ökonomisch sinnvolle Standorte und die zugehörige Technologie untersucht, sowie eine Strategie zur Speicherbewirtschaftung unter Einhaltung europäischer Nachhaltigkeitsstandards entwickelt. Planung und Umsetzung der Wasserkraftanlage sollen als Beispiel dafür dienen, wie eine bestehende Bewässerungsinfrastruktur unter Berücksichtigung von Ökologie sowie lokaler Wasserverfügbarkeit und -nachfrage nachhaltig energetisch genutzt werden kann.