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EINFÜHRUNG IN DIE VORLESUNGGRUNDZÜGE WASSERHAUSHALT
Wolfgang Kinzelbach
Institut für UmweltingenieurwissenschaftenETH Zürich
Gliederung der Vorlesung
• Einführung und Motivation • Wasserwirtschaft
– Bedarf– Dargebot– Trockenheit– Speicherbemessung
• Aquatische Physik• Flussgebietsmorphologie, Sedimenttransport• Wasserqualität• Gewässerschutz, Sanierung und Renaturierung von
Fliessgewässern, Seen und Grundwasser• Exkursionen (Baltenswil 4.4.2012, Alptal 30.5.2012)
Lernziele
• Übersicht über die unterschiedlichen Aspekte der Wasserproblematik bekommen
• Vertraut werden mit Eckdaten, Zahlen und Grössenordnungen
• Fähigkeit entwickeln Daten nachzuschlagen• Fähigkeit entwickeln grobe Handrechnungen
zur Abschätzung durchzuführen
Einführung: Inhalt
• Wasserprobleme• Globale Wasserressourcensituation• Was heisst “nachhaltige” Wasserwirtschaft,
integrale Wasserwirtschaft• Nachhaltigkeit an Beispielen• Lösungsansätze
• Kosten: 24 Milliarden US$• Reservoirlänge über 500 km• 1.5 Millionen Personen umgesiedelt• Kapazität der Wasserkraft: 19.2 Gigawatt • 1300 archäologische Stätten überflutet• Flussschifffahrt verbessert von 10 auf 50 Mio. t/a
(Rhein ~ 50 Mio. t/a)• 22 km3 Hochwasserspeicher, entspricht 20 Tagen
mittleren Abflusses• Legendär schöne Landschaft geflutet
Ist es die S
ache w
ert?
Dreischluchten Damm
Wasserbewirtschaftung als Entscheidungsproblem
• Widersprüchliche Bedürfnisse• Mehrfache Zielvorstellungen• Viele “stakeholders”• Komplexes und nicht-lineares System
• Was ist die beste Lösung?• Was können die
Umweltingenieurwissenschaften beisteuern?
11 Herausforderungen für die Wasserwirtschaft
1. Sicherung der Grundbedürfnisse und der Gesundheit2. Ernährungssicherheit 3. Schutz von Ökosystemen4. Befriedigung der städtischen Bedürfnisse5. Förderung sauberer Industrie6. Entwicklung der Energieversorgung 7. Minderung von Risiken und Beherrschung von
Unsicherheiten8. Wasserzuteilung über Grenzen hinweg9. Wert von Wasser festsetzen10. Die Datenbasis sicherstellen11. Wasser weise verwalten
Herausforderungen an die Wasserwirtschaft der Schweiz?
1. Trinkwasser und Gesundheit?2. Bewässerung? 3. Schutz von Ökosystemen?4. Befriedigung der städtischen Bedürfnisse?5. Förderung sauberer Industrie?6. Entwicklung der Energieversorgung? 7. Naturgefahren im Wasserbereich?8. Wasserzuteilung über Grenzen hinweg?9. Wert von Wasser festsetzen?10. Die Datenbasis sicherstellen?11. Wasser weise verwalten?
GLOBALE WASSER BILANZ (Basis: Postel et al. 1996) (Flüsse in 103 km3/a)
ET überOzean 430
Natürliche ET 50
ET Landbau, Weiden, Forst 21
ET aus Bewässerung 3
Land
Zugängl. Abfluss
13
Niederschlagüber Land
110Totale ET
über Land
71
Gesamtabfluss
37
Unzugängl. Abfluss
27 ET unbew. Landbau, Weiden, Forst
18
Entnahmen durch
Menschen 5Abfluss aus Entnahmen
2
Niederschlag über Ozean
390
AtmosphärischerTransport
40
Ozean
Rest zugängl. Abfluss
8
Zum Vergleich: 1000 m3/s ist etwa 1/6 des mittleren Amazonasabflusses
Globale Wasserbilanz: Andere Aufteilung Basis: Oki and Kanae, 2006
• Volumen und Erneuerungsrate
•“Blaues“ und “Grünes“ Wasser
• Konsumtiver und nicht-konsumtiver Verbrauch
• Virtuelles Wasser und reales Wasser
Vier wichtige Begriffspaare
Oberflächenwasser (Seen und Flüsse):• Volumen 104,000 km3
• Erneuerungsrate 39,000 km3/a
Grundwasser (inklusive Bodenwasser):• Volumen 10,000,000 km3
• Erneuerungsrate 3,000 km3/a
Globale SüsswasserressourcenZwei Typen von Ressourcen
Vorrat
Umsatz
Beachte: Unterschiede zwischen beiden Ressourcen
Blaues und grünes Wasser• Begriffe geprägt von Malin
Falkenmark• Grünes Wasser ist Regenwasser, das
in der Wurzelzone der Pflanzen gespeichert ist
• Blaues Wasser ist der Abfluss• Trockenfeldbau zählt zu grünem
Wasserverbrauch• Bewässerungsfeldbau zählt zu
blauem Wasserverbrauch• Nur blaues Wasser kann verteilt
werden
Wasserverbrauch
• Konsumtiver Wasserverbrauch– Verdunstung (vor allem in der
Landwirtschaft)
• Nicht-konsumtiver Wasserverbrauch– Nutzt Wasser als Lösemittel, Kühlmittel
oder Transportmittel
Ist Wasserkraft konsumtiv oder nicht-konsumtiv?
Spare Wasser, trinke Wein!Ist dieser Slogan korrekt?
Nein: Um 1 l Wein zu produzieren braucht man etwa 900 l Wasser…
Virtuelles Wasser
• Virtuelles Wasser = Wasser, das zur Erzeugung eines Produkts aufgewendet wird.
• Begriff geprägt von John Anthony Allan um 1995 („Stockholmer Wasserpreis“ 2008)
• Wasser wird virtuell genannt, weil es nach Herstellung des Produkts nicht mehr im Produkt enthalten ist
Wasser für Nahrung
Tägl. Trinkwasser 2-5 Liter/Tag
Tägl. Haushaltsverbrauch 30-200 Liter/Tag
1 kg Getreide 500-2000 Liter ET
1 kg Tierprodukte (Fleisch, Milch)
5000-15000 Liter ET
Ist Rindfleischproduktion in den Alpen verwerflich?
FleischproduktionAuf reiner Grasbasis Mit Kraftfutter (Soja)
Intensiv. Mögliche Folgen: Zerstörung von Regenwald, Export von virtuellem Wasser das dann anderen einheimischen Nutzern fehlt
Extensiv. Ökologisch unbedenklich solange Überweidung vermieden wird
„Wasserverbrauch“ in 1000 km3/a
Niederschlag auf die Kontinente 110
Natürliche Ökosysteme 50
Trockenfeldbau(5), Weiden+Forst(13) 18
Zugänglicher Abfluss 13
Entnahmen durch Menschen 4.5
Haushalt 0.4 Bewässerungslandwirtschaft 3.15 Industrie 0.9
Trinkwasser < 0.01
konsumtiv konsumtiv
konsumtiv
1000 km3/a ist etwa 1/6 des Amazonas
Wichtigste Bilanzposten• Natürliche Ökosysteme (Pflanzenwelt) (50 000 km3/a)
– Wichtig für Klima, Sauerstoff, Geochemische Kreisläufe, Tierwelt etc.
• Anthropogene Ökosysteme (Landwirtschaft, Weiden, Forst))
(20 000 km3/a)– Wichtig für Ernährung
• Restabfluss (11 000 km3/a)
– Wichtig für Abtransport von Salzen, Verhinderung von Meerwasserintrusion
Summe aus Posten 1 und 2 relativ konstant, Posten 3 kann nicht stark vermindert werden. Konflikt zwischen 1 und 2
In der Presse oft verwechselt…
• Trinkwasserbedarf und Wasserbedarf insgesamt
• Wasserbedarf insgesamt ist dominiert durch Wasserbedarf für Nahrung: 8000 km3/a (grünes + blaues Wasser)
• Bedarf an Trinkwasser: <10 km3/a
• Trinkwasserprobleme sind in erster Linie Qualitätsprobleme
Dargebot und Nachfrageim Mittel
• Zugänglicher Abfluss 13000 km3/a
• Entnahme 4500 km3/a
Abfluss jährlich neuWo ist die Knappheit?
Vorsicht: MittelungVorsicht: Nachhaltigkeit
Mittelung ist irreführend...
Trockenheit kann nicht gegen Überschwemmung aufgerechnet werden
Überschwemmungen in Pakistan 2010best-pic4u.blogspot.com
Dürre in China 2011newshopper.sulekha.com
Dargebot und Nachfrage: Diskrepanz in der Zeit
Zeit
Dargebot Nachfrage
1a
Niederschlag
ZeitAntwort der Wasserwirtschaft:Speicher, Steuerung des Verbrauchs
Dargebot und Nachfrage: Diskrepanz im Raum
Jahresniederschlag in Zürich 1000 mm Niamey 500 mm
Bergen 5000 mmTurfan 70 mm
Antwort der Wasserwirtschaft:Überleitung, Wassersparmassnahmen (Demand management)
Grenze für Landwirtschaft ohne Bewässerung: 500 mm
Wasser ist in vielen Regionen schon lange knapp und die Knappheit nimmt zu
Definition von ernstem Mangel (UNO): < 1000 m3/a/P
2000 407 Mio. Menschen 2025 3 Mrd. Menschen
Wasserknappheit
Eine Entnahme von wesentlich mehr “blauem Wasser” als den gegenwärtigen 4500 km3/a ist nicht denkbar.
Wasserverfügbarkeit in Einzugsgebieten (Durchfluss) ((langjähriges Mittel 1961-90)
Wasserentnahmen in Einzugsgebieten ((ca. 1995, Klima 1961-90) l
Indikator für Wasserstress
Milder Wasserstress: = 0.2 - 0.4Ernster Wasserstress: > 0.4
Globaler Mittelwert heute: = 4.5/13 = 0.35
ssourcenReeerneuerbarverfügbare
Entnahmen
Source: WaterGAP 2.0, 2000
Wasserstressindikator: Entnahmen/Verfügbarkeit 2000
Gibt es Wassermangel in der Schweiz?
• Ressource (pro Kopf und Jahr): 7350 m3/P/a (zum Vergleich: Tunesien 400 m3/P/a)
• Verteilung über das Jahr in der Schweiz :Niederschlag relativ gleichmässigAbfluss durch Schneeschmelze im Sommer höher
• Verteilung im Raum in der Schweiz: Wallis trocken
• Einfluss des Klimawandels: in Zukunft eventuell trockenere Sommer, dafür mehr Winterniederschlag Etwas grössere Gegensätze im Abfluss wegen geringerer Gletscherschmelze
Knappheit nimmt global zu wegen
- Bevölkerungswachstum (auf 9 Mrd. in 2050)
- Zunahme des Lebensstandards (letzte Verdopplung derBevölkerung war mit Verdreifachung des Wasserbedarfs verbunden)
- Wasserbedarf für Agrotreibstoffe
- Klimawandel
Zukünftige Wasserknappheit
Wasserknappheit ist im Prinzip ein lokales Problem, aber es gibt Fernwirkungen
• 1 m3 Bewässerungswasser 0.02 CHF• 1 m3 Trinkwasser 2 CHF
Nicht global gehandelte Güter
• 1 m3 Perrier 3000 CHF• 1 m3 Benzin 1600 CHF
Global gehandelte Güter
Kann es zu einer globalen Wasserkrise kommen?
Also eher globale Ölkrise als globale Wasserkrise?
- Welternährungssicherheit- Kein Weltmarkt für Wasser, aber für Nahrung- Hunger kann Migration auslösen, die auch uns betrifft
- Wasserbedarf für Biotreibstoffe - Weltmarkt für Energie- Wettbewerb mit Nahrungserzeugung
- Internationale Flusseinzugsgebiete- Von 405 Einzugsgebieten sind 261 international mit
Konfliktmöglichkeiten zwischen Oberliegern und Unterliegern
- Ökosysteme von globaler Wichtigkeit- Z. B. Ramsar Konvention
Globale Aspekte der Wasserknappheit
• 70% des Süsswasserbedarfs entfallen auf die Landwirtschaft
• Bewässerungslandwirtschaft ist mehr als doppelt so produktiv wie regenabhängige Landwirtschaft
• 1 t Getreide benötigt 1000-2000 t Wasser• Es gibt einen Weltmarkt für Getreide
Falls es ein globales Wasserproblem gibt, so tritt es in Form eines globalen Ernährungsproblems und eines globalen Migrationsproblems auf
Aspekt Agrarmarkt
Aspekt: Internationale Einzugsgebiete
Aus Knappheit resultieren Konflikte zwischen Oberliegern und Unterliegern eines Einzugsgebiets
Nil (Äthiopien-Sudan-Ägypten)Euphrat (Türkei-Syrien-Irak)Jordan (Israel-Syrien-Jordanien-Palästina-Libanon)Mekong (China-Burma-Thailand-Kamboscha-Vietnam-Laos)Indus (Indien-Pakistan)Amu-Darya (Usbekistan-Kasachstan-Kirgistan-Afghanistan)und viele andere
Aspekt Klima
Gesamtniederschlag nimmt leicht zu aberVerteilung in Raum und Zeit ändert sich
Zu erwarten: • Stärkere Extreme• Verschiebung von Klimazonen • Systematische VerliererZ. B. Australien, Südafrika, Nordbrasilien, Mittelmeerraum
Klimawandel: Niederschlag
IPCC
Klimawandel und Wasserverfügbarkeit
Source: WaterGAP, 2001
HadCM3 (2070s)
… und eventuell grössere Variabilität!
Der versteckte Wassermangel - Nicht-nachhaltige Wassernutzung
Ausstiegsstrategien erforderlich...
Dazu kommt :
Nachhaltige Wasserwirtschaft
Praxis, die– irreversible und quasi-irreversible Schäden an der
Ressource Wasser und den mit ihr zusammen-hängenden natürlichen Ressourcen vermeidet
– Langfristig die Fähigkeit der Ressource Wasser erhält, ihre Dienste (einschliesslich ökologischer) zu leisten.
Definition von Herman E. Daly
• Für erneuerbare Ressource– Nutzungsrate darf nicht grösser sein als Erneuerungsrate
• Für nicht erneuerbare Ressource– Nutzungsrate darf nicht grösser sein als Rate mit der nicht erneuerbare Ressource
durch eine erneuerbare (und nachhaltig genutzte) Ressource ersetzt werden kann
• Für Schadstoffe und stoffliche Belastungen– Produktionsrate darf nicht grösser sein als die Rate
mit der die Substanz rezykliert, absorbiert oder in harmlose Substanzen abgebaut werden kann
Was heisst „nicht-nachhaltig“ im Kontext der Wasserressourcen?
Nicht-nachhaltig ist eine Praxis, für die es keine Alternative gibt, die aber auf Dauer in eine Krise führt
Nicht-Nachhaltigkeit zeigt sich in- Erschöpfung einer endlichen Ressource, die nicht
substituiert werden kann (z. B. Grundwasser, Boden, Biodiversität)
- Akkumulation von Substanzen auf gefährliche Konzentrationen (z. B. Salze, Nutrienten, Schwermetalle)
- unfaire Allokation einer Ressource die zu Konflikt führt (z. B. Oberlieger-Unterlieger Problem)
- Versagen von Institutionen- Kostenexplosion
Die wichtigsten globalen Nachhaltigkeitsprobleme im
Wassersektor sind:
– 5 to possibly 25% of global freshwater use exceeds long-term accessible supplies (low to medium certainty)
– 15 - 35% of irrigation withdrawals exceed supply rates and are therefore unsustainable (low to medium certainty)
Überpumpen von Grundwasserleitern
1/4 aller Entnahmen ist nicht erneuerbar 40% der Bewässerungslandwirtschaft ist von fallenden Grundwasserspiegeln betroffen
Ausstiegsstrategie China- Süd-Nord-Wassertransfer, - Landkauf in Afrika
• Grundwassereinsatz ist deutlich geringer als Oberflächenwassereinsatz, aber
• Grundwasser ist strategische Ressource für Trinkwasserversorgung
• In der ariden und semi-ariden Welt ist Grundwasser oft die einzige ganzjährig verfügbare Wasserressource
• Nachhaltigkeitsprobleme sind am gravierendsten im Zusammenhang mit Grundwasser sowohl nach Menge als auch nach Qualität
• Das Potential zur Vermehrung der Ressource ist gering
Besonderheiten des Grundwassers
Beispiel Niger:Grundwasser ist die einzige ganzjährig verfügbare Wasserressource
Allgemeines Prinzip
• Entnahme < Neubildung (aus Niederschlag und Versickerung aus Oberflächengewässern)
Unterstrom gelegenen Bedarf nicht vergessen!• Entnahme < Neubildung–Minimum Bedarf im
Unterstrom
Hauptursache für Aquiferübernutzung:
Grossskalige Bewässerung aus Grundwasser
Beispiele:
Ogallalla Aquifer, USANordchinesische EbeneKaroo Aquifere, Süd AfrikaAquifere der Arabischen HalbinselChad Becken AquiferNord Sahara Aquifer System (SASS)
Typische Absenkraten 1 bis 3 m/a, von rund 800 km3/a Entnahmen sind etwa ¼ nicht erneuerbar.
Abnahme der Niedrigwasserabflüsse
Sogar grosse Flüsse werden saisonal, Seen trocknen aus, Oberlieger-Unterlieger Konflikte nehmen zu. Tragischstes Beispiel: Aralsee
Beispiele• Gelber Fluss (1997 rund 220Tage kein Abfluss auf 700
km Länge, Fassungsvermögen der Talsperren grösser als mittlerer Abfluss)
• Aral See (trocknet aus)• Euphrat und Tigris (GAP Projekt)• Nil (Salzwasserintrusion nimmt zu) • Jordan (Israel-Syrien-Jordanien-Palästina-Libanon)• und viele andere
• Hauptproblem: Landwirtschaft im Oberstrom verdunstet Wasser, das dem Unterstrom fehlt. Wasserkraft hat geringere Verluste, vergleichmässigt aber den Abfluss über das Jahr
Trockenlegung von Feuchtgebieten
Fläche seit 1900 halbiert
Wichtigkeit der Feuchtgebiete
• Verlust an essentieller Artenvielfalt• Recht der Natur als Wassernutzer• Wirtschaftlicher Nutzen von Feuchtgebieten
oft unterschätzt• Alternative Nutzung oft nicht nachhaltig• In Europa: Rehabilitationsprogramme
Ist in der Schweiz die negative Beeinflussung von
Ökosystemen durch Wassernutzung ein Thema?
Antwort: Ja, Beeinflussung der Gewässer durch Wasserkraftnutzung. Schwall-Sunk-Problematik, Restwassermenge.Tendenz der Problematik steigend!
Bodenversalzung
80 Mio. von 260 Mio. ha Bewässerungsfläche betroffen
Bodenversalzungsproblem
Ursachen
Wasser, Salze
Wasserdampf
Ohne Dränage: Salzanreicherung
natürlich
bewässert
Grundwasserspiegelanstieg, Kapillar-anstieg, hohe Verdunstung, Salzdeposition
Weltweit sind rund 80 Mio. ha Agrarland in irgend-einer Weise von Versalzung betroffen.Zum Vergleich: 1500 Mio. ha Gesamtfläche, davon 260 Mio. ha bewässerter Fläche
Wasser, Salze
Verschmutzung von Wasserkörpern grosser
Aufenthaltszeit (z. B. Grundwasser) mit persistenten oder
rezyklierbaren Schadstoffen
Für alle Probleme gilt:
Verschärfung durch Klimawandel
Meerwasserintrusion Monterey Bay
MEERWASSERINTRUSION
SalzwasserSüsswasser
Schadstoffe im Grundwasser
• Bakterien und Viren• Nitrat, Pestizide• Mineralölkohlenwasserstoffe• Chlorierte Kohlenwasserstoffe• Chrom, PAK, ....
Reversibilität bei persistenten Stoffen eventuell nur nach sehr langer Zeit
• Aber: Eutrophierung von Seen kann wegen Nährstoffrecycling sehr langfristig sein
• Beispiel Taihu in China
Reversibilität wurde in europäischen Flüssen demonstriertZ. B. Rhein, Themse, Aufenthaltszeiten des Wassers geringSeen: Schweizer SeenErforderlich: Substantielle Investitionen und politischer Wille
Warum ist Verschmutzung von Flüssen und Seen kein Nachhaltigkeitsproblem
Wuxi, Taihu, Mai 2007Kein Trinkwasser für Mio. Menschen
GerucGeruchh
Blaualgen
In der Heute:Vergangenheit: Einbahnstrasse
Weniger MenschenFäkalien auf FelderGeringer Eintrag vonNährstoffen in SeeEntfernung von Nährstoffen aus See durch Ausgraben vonSchlamm zur Düngung
Viel mehr MenschenAbwässer in SeeKunstdünger durchAbtrag von Feldern in SeeKeine Entfernung von Schlamm
Lösungsansätze
Grosse Optionen (Grössenordnung 1000 km3/a)• Wassersparen in der Landwirtschaft durch verbesserte
Technologie und verbessertes Management (auch post-harvest)
• Ertragserhöhung des Trockenfeldbaus durch Biotechnologie• Erhöhung der Effizienz der internationalen Arbeitsteilung
und erhöhter Import von „virtuellem Wasser“• Verzicht auf Agrotreibstoffe mit der gegenwärtigen
TechnologieEine Reihe kleinerer Optionen (Grössenordnung bis 100 km3/a)• Water harvesting und neue Dämme• Meerwasser- und Brackwasserentsalzung • Überleitung zwischen Einzugsgebieten, Abwasserrecycling• Umsiedlung von Menschen und Geburtenkontrolle• Übergang zu anderer Lebensweise (z.B. vegetarische
ernährung)
Typische Wassereffizienz in der 3. Welt
Stausee 100%
Kanal
Feld Getreide-speicher
Verlust 40% Verlust 50% Verlust 30%
Effizienz: 20%
Verbraucher
60%
30% 20%
Wassersparende Bewässerung
Mehr Wasserspeicherung
Beispiel für Massnahmenkatalog
2030 Water Resources Group, WEF
Verringerung der Ernte- und Nahrungsmittelverluste
Welcher Anteil der Brotproduktionwandert in Wien jeden Tag in die Mülltonne?
5% oder 25% ?
Mehrbedarf an Wasser 2050(blau und grün) in km3/a
Zunahme wegen Bevölkerungswachstum (4000) +Beendigung nicht-nachhaltiger Praktiken (1000) +
Anpassung an Klimawandel (1000) +Agrotreibstoffe (10% Ersetzung: 1000) =
7000
Potential aller Optionen (Einsparung + neue Ressourcen): 4000-5000
Kann die Diskrepanz gedeckt werden?
Wenn ja, dann auf Kosten der Ökosysteme
Schlussbemerkungen• Ernste regionale Wasserprobleme existieren bereits heute
und nehmen an Intensität zu• Viele Regionen sind nicht nachhaltig mit Wasser versorgt• Die Lösung der Wasserprobleme erfordert die Anwendung
eines breiten Spektrums von Optionen• Generell wird die Menschheit in der Zukunft einen grösseren
Anteil des Einkommens als heute für die Bereitstellung von Wasser und Nahrung aufbringen müssen
• Klimawandel kompliziert das Wasserproblem weiter• Die meisten regionalen Wasserprobleme haben einen
internationalen Aspekt und bergen Konfliktpotential• Die sozio-ökonomischen Hindernisse bei der Problemlösung
sind in der Regel grösser als die technischen Hindernisse