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Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss · Vortragsveranstaltung am 20.10.2005...

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Vortragsveranstaltung am 20.10.2005 Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss Christel Möhlmann, TU Kaiserslautern Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss
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Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss

Christel Möhlmann, TU Kaiserslautern

Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss

Inhalt

Einführung

Einflussgrößen auf den Niedrigwasserabfluss

Nachweis von Änderungen in der VergangenheitEinsatz von Simulationsmodellen, Beispiele

Zusammenfassung

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss

1. Einführung

Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss

⇒ Folgen für die Wasserwirtschaft (Nutzung)⇒ Folgen für die Ökologie

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss

2. Einflussgrößen auf Niedrigwasserabflüsse

direkte Wirkung

Entnahmen, Einleitungen

indirekte Wirkung

Änderung des Wasserhaushaltes

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss

2.1 Änderungen der meteorologischen Eingangsgrößen

Erhöhung von Emissionen

⇒ Veränderung der Niederschläge

⇒ Erhöhung der Temperatur → Erhöhung der Verdunstung

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss

2.2 Änderungen der Landnutzung

Forstwirtschaft⇒ mehr Mischwald⇒ Waldsterben

Landwirtschaft⇒ Extensivierung → Brachfallen, Aufforstung⇒ schonende Bewirtschaftung

Siedlungsflächen⇒ Vergrößerung⇒ Regenwasserversickerung

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss

2.3 Maßnahmen am Gewässer

Stauanlagen, Speicher

⇒ geringe Auswirkungen auf Wassermengen

Speicherbewirtschaftung

⇒ NQ - Aufhöhung

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss

2.4 Entnahmen und Einleitungen

⇒ Auswirkungen vor allem bei überregionalen Entnahme-und Verteilungssystemen

⇒ Problem der Grundwasserentnahme

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

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)

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

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

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss

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)

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss

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

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss

Niederschlagstrends, Jahressumme 1891 -1990 und 1961 -1990

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss

Fazit

Aussagen aus Zeitreihenanalysen nicht sicher möglich⇒ Zufälligkeit der Zeitreihe⇒ Überlagerung verschiedener Einflüsse

Detaillierte Erhebungen möglicher Ursachen und ihrerAuswirkungen sind erforderlich

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss

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

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss

- 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

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss

1. Landnutzungsänderungen

2. Klimaänderungen

3. Untersuchungen nach Schumann et al. [2000,2001]

4.2 Beispielrechnungen

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

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

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

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

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss

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

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss

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

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss

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, …)

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss

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

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss

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

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss

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

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss

Berechnete Änderungen der mittleren Abflusshöhen für Winter- und Sommerhalbjahr Donau, Pegel Berg, Zeithorizont 2085 [Schumann et al., 2001]

Min-Szenario

Max-Szenario

Vortragsveranstaltung am 20.10.2005Wasserwirtschaft zwischen Hydrologie und Ökologie

Anthropogene Einflüsse auf den Niedrigwasserabfluss

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


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