Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie
Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss
Christel Möhlmann, TU Kaiserslautern
Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss
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Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss
Inhalt
Einführung
Einflussgrößen auf den Niedrigwasserabfluss
Nachweis von Änderungen in der VergangenheitEinsatz von Simulationsmodellen, Beispiele
Zusammenfassung
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Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss
1. Einführung
Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss
⇒ Folgen für die Wasserwirtschaft (Nutzung)⇒ Folgen für die Ökologie
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Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss
2. Einflussgrößen auf Niedrigwasserabflüsse
direkte Wirkung
Entnahmen, Einleitungen
indirekte Wirkung
Änderung des Wasserhaushaltes
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2.1 Änderungen der meteorologischen Eingangsgrößen
Erhöhung von Emissionen
⇒ Veränderung der Niederschläge
⇒ Erhöhung der Temperatur → Erhöhung der Verdunstung
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Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss
2.2 Änderungen der Landnutzung
Forstwirtschaft⇒ mehr Mischwald⇒ Waldsterben
Landwirtschaft⇒ Extensivierung → Brachfallen, Aufforstung⇒ schonende Bewirtschaftung
Siedlungsflächen⇒ Vergrößerung⇒ Regenwasserversickerung
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2.3 Maßnahmen am Gewässer
Stauanlagen, Speicher
⇒ geringe Auswirkungen auf Wassermengen
Speicherbewirtschaftung
⇒ NQ - Aufhöhung
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2.4 Entnahmen und Einleitungen
⇒ Auswirkungen vor allem bei überregionalen Entnahme-und Verteilungssystemen
⇒ Problem der Grundwasserentnahme
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Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss
3. Nachweis von Veränderungen in der Vergangenheit
Methoden der Zeitreihenanalyse- Trendanalysen- Homogenitätstest für Teilreihen o.ä.⇒ häufig nur qualitatives Ergebnis
bisherige Analysen- Zunahme von NQ (häufig)- zwei Teilreihen mit unterschiedl. Mittelwerten
(Teilungspunkt: Anfang der sechziger Jahre)
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Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss
Gesamtreihe 1923 / 1977
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4,50
5,00
1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990
Zeit [a]
NM
7Q [m
³/s]
max . 0,55 m³/s
Überleitungsmengen (Jahresmittel)
Gemessene Werte NM7Q Rems (Pegel Neustadt) 1923-78 und Überleitungs-mengen aus dem Donaugebiet
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Gemessene Werte NM7Q Elbe (Pegel Neu Darchau)
Neu Darchau/Elbe 1875-1998
100
200
300
400
500
1875 1900 1925 1950 1975 2000
NM
7Q [m
³/s]
Mittelw ert der Teilreihen
Linear (Trendgerade)
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Speichervolumina im Elbe-Gebiet
Entwicklung des Speichervolumens Elbe-Gebiet
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
1875 1900 1925 1950 1975 2000
Volu
men
[ M
io. m
³]BRD
Tschech.Rep.
Summe
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Niederschlagstrends, Jahressumme 1891 -1990 und 1961 -1990
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Fazit
Aussagen aus Zeitreihenanalysen nicht sicher möglich⇒ Zufälligkeit der Zeitreihe⇒ Überlagerung verschiedener Einflüsse
Detaillierte Erhebungen möglicher Ursachen und ihrerAuswirkungen sind erforderlich
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4. Einsatz von Simulationsmodellen
4.1 Problematik
Vorteile:- Ermittlung auch von indirekten Auswirkungen- Trennung verschiedener Einflüsse- Prognosen möglich
Anforderungen:Wasserhaushaltsmodelle weitestgehend aufphysikalischer Basis
4.1 Problematik4.1 Problematik
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- Berechnung der Verdunstung weitgehend physikalisch basiert
- Bodenwasserhaushalt mit physikalischen Bodenkennwerten (stark vereinfacht)
- Abfluss im Gewässer mit Systemmodellen (Speicher)
⇒ Ergebnisse als Abschätzung für “Szenarien”
Stand der Modelltechnik
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Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss
1. Landnutzungsänderungen
2. Klimaänderungen
3. Untersuchungen nach Schumann et al. [2000,2001]
4.2 Beispielrechnungen
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1. Landnutzungsänderungen
Verwendete Modelle: LARSIM
Untersuchungsgebiet: Glan (Nahe), AEO=1088 km2
36% Mischwald, 25% Acker, 22% Grünland, 15% Siedlungsflächen, 3% sonstige FlächenMessreihe: 8 Jahre
Szenarien: Gesamtes Gebiet als Wald, Acker, Siedlung
Geänderte Kennwerte: verschiedene Bewuchsparameter, Wurzeltiefe, nutzbare Feldkapazität
Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss
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Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss
574 537 540612
661
494432
141169 162
12692
247 337
95 96 98 81 80 621719
33 41 41 28 25
81
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
IST-
Zusta
nd
Acke
r
Grün
land
Misc
hwald
Nade
lwald
Siedlu
ng-lo
cker
Siedlu
ng-d
icht
Szenarien
Was
serh
aush
alts
kom
pone
nte
[mm
]
ETR hQD hQI hQG
Anteile der Wasserhaushaltskomponenten am Gesamtniederschlag für verschiedene Szenarien
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m³/s % m³/s % m³/s % d %NM30Q
IST-Zustand 2,34 2,57 2,75 3,12
Variante NM1Q NM7Q NM14Q
Grünland 2,59 10,7% 2,86 11,5%11,3% 3,04 10,5% 3,48
Mischwald 1,82 -22,2% 1,99 -20,8%-22,6% 2,17 -21,1% 2,47
Nadelwald 1,82 -22,2% 1,99
8,3%
-23,1%-22,6% 2,13 -22,5% 2,40
-25,3% 2,22 -19,3% 3,38S-dicht 1,73 -26,1% 1,92
Niedrigwasserkenngrößen der Beobachtungszeit von 1990 - 1997
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2. Klimaänderungen
Verwendetes Modell: LARSIM
Untersuchungsgebiet: Glan (Nahe), AEo=1088 km2
Messreihe: 8 Jahre
Szenarien: „Max“: Zunahme CO2-Emission um Faktor 4,0„Min“: CO2-Emission konstantZeithorizonte 2020, 2050 und 2080(Werte aus IPCC 2001)
Geänderte Kennwerte: Temperatur, Niederschlag
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Min 2020 2050 2080
Niederschlag
DJF +5 % +5 % +5 %
MAM - +5 % +5 %
JJA -5 % -7 % -5 %
SON - +6 % +5 %
Jahr ±0 +2 % +2,5 %
Temperatur
Jahr +0,5°C +1°C +1,3°C+4,8°C+2,6°C+1°CJahr
Temperatur
+3,6 %+2,3 %±0Jahr
+8 %+6 %-SON
-12 %-9 %-5 %JJA
+8 %+6 %-MAM
+10 %+8 %+5 %DJF
Niederschlag
208020502020Max
Niederschlag- und Temperaturänderungen gegenüber 1990 für die gewählten Szenarien „Max“ und „Min“(D = Dezember, J = Januar, …)
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Ist Max Min
h [mm] h [mm] Δh [%] h [mm] Δh [%]
hN 830 860 +3,6 851 +2,5
hV 574 616 +7,3 587 +2,3
hA 269 259 -3,8 277 +3,0
- hA,O 141 148 +5,0 150 +6,4- hA,I 33 30 -9,1 34 +3,0
- hA,G 95 81 -14,7 93 -2,1
Änderung der Wasserhaushaltsgrößen bei Max- und Min-Szenarium für den Zeit-horizont 2080
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Mittelwerte NMxQ für verschiedene Dauern x bei Max- und Min-Szenarium, Zeithorizont 2080
Mittelwerte NMxQ [m3/s]
Szenarium x = 1 d x = 7 d x = 14 d x = 30 d
Ist-Zustand 2,34 2,57 2,75 3,12
Min-Szenarium 2,19 2,40 2,60 2,95
Max-Szenarium 1,68 1,86 2,06 2,36
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3. Untersuchungen nach Schumann et al. [2000,2001]
- Untersuchungsgebiet: obere Donau, Pegel Berg, AEo =4090 km2, angepasstes Wasserhaushaltsmodell
- Messreihe: 1951 - 1996- Szenarien: sieben verschiedene Klimamodelle und acht
Szenarien25.000 zufällige Varianten generiertZeithorizont: 2085
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Berechnete Änderungen der mittleren Abflusshöhen für Winter- und Sommerhalbjahr Donau, Pegel Berg, Zeithorizont 2085 [Schumann et al., 2001]
Min-Szenario
Max-Szenario
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Zusammenfassung Auswirkungen anthropogener Eingriffe auf Niedrigwasserabflüsse schwer quantitativ zu ermitteln
Einsatz von Zeitreihenanalysen bei Änderungen in der Vergangenheit,aber: keine sicheren Aussagen möglich
Ergebnisse sehr heterogen und z. T. widersprüchlich
Ursache für pos. Trend in Deutschland: gleichzeitig beobachtete Zunahme der Niederschläge
Einsatz von Simulationsmodellen (zukünftige Aussagen)
Einfluss von Klimaänderungen und Landnutzung schwierig zu ermitteln
Modelle können komplexe Naturvorgänge nur vereinfachend wiedergeben
Modellergebnisse eher als Abschätzungen von Tendenz und Größenordnung