Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Hydrologie und Flussgebietsmanagement Univ. Prof. Dr.-Ing. Markus Disse Der Bodensee als Hoch- und Niedrigwasserspeicher – Eine hydrologische Studie Eleni Loulli Bachelor Thesis Matrikelnummer: 03613688 Studiengang: Umweltingenieurwesen Betreuer: Maximilian Hansinger, M.Sc. 2014 Aufgabenstellung Aufgabenstellung Charakterisierung der Hydrologie des Bodensees und des Rheinregimes unter Berücksichti- gung von historischen und künftigen Trends, Extremereignissen (Hoch- und Niedrigwasser) und der Regulierung des Alpenrheins durch Talsperren Szenarienberechnung verschiedener historischer Hoch- und Niedrigwasserereignisse: Wasserstände am Rhein und im Bodensee für den Fall einer Regulierung Theoretisch mögliches Retentionspotential Beurteilung hinsichtlich Hochwasserschutz und Niedrigwassererhöhung III Selbstständigkeitserklärung Selbstständigkeitserklärung Erklärung gemäß §18 Absatz 9 APSO der Technischen Universität München: „Ich versichere, dass ich diese Bachelor selbstständig verfasst und nur die angegebe- nen Quellen und Hilfsmittel verwendet habe“ …………………….. Eleni Loulli München, den 29.07.2014 V Kurzfassung Kurzfassung Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Charakterisierung der Hydrologie sowohl des Rheinregimes, als auch des Bodensees und die Beurteilung hinsichtlich des Hochwasserschutzes und der Niedrigwassererhöhung mit Hilfe von Szenarienberechnungen verschiedener historischer Hoch- und Niedrigwasserereignisse. Der Rhein entspringt in den Schweizer Alpen und mündet in den Bodensee. Von seinem Ausfluss aus dem Bodensee fließt er durch Deutschland und die Niederlande und mündet in die Nordsee. Der Bodensee weist, aufgrund seines Standorts nörd- lich der Alpen, niedrige winterliche und hohe sommerliche Wasserstände auf. Im Laufe des 20. Jahrhunderts verursachten die zunehmenden Temperaturen in Kombination mit dem reduzier- ten Schneevolumen, sowohl im Rhein- als auch im Bodenseeeinzugsgebiet, eine Zunahme der winterlichen mittleren Abflüsse bzw. Wasserstände sowie eine Abnahme der sommerlichen mittleren Abflüsse bzw. Wasserstände. In der Zukunft sind in den beiden Einzugsgebieten ebenfalls niedrigere sommerliche und höhere winterliche Mittelwasserstände bzw. -abflüsse zu erwarten. Im Sommer des Jahres 1999 war sowohl für den Rhein als auch für den Bodensee das extremste Hochwasserereignis des letzten Jahrhunderts zu beobachten. Dagegen trat im Frühherbst des Jahres 2003 in den beiden Gebieten das extremste Niedrigwasserereignis des Jahrhunderts auf. Es ist bemerkenswert, dass im Dezember 1993 sowie im Januar 1995 ein sehr extremes Hochwasserereignis im nördlichen Bereich des Rheins registriert wurde. Außer- dem verursachte die Regulierung des Alpenrheins einen großen Einfluss auf die Dämpfung der Hochwasserspitzen und die Erhöhung der Niedrigwasserstände, sowohl im alpinen Rheinein- zugsgebiet als auch im Bodensee. Wie in den Szenarienberechnungen gezeigt wird, würde die Regulierung des Sees dem Hochwasserschutz bzw. der Niedrigwassererhöhung im Boden- seeeinzugsgebiet dienen. Demgegenüber würde die Regulierung eine Hochwassersituation im nördlichen Bereich des Rheins kaum ändern. Trotzdem und vor allem wegen des zu erwarten- den Klimawandels, kann man davon ausgehen, dass die Regulierung des Sees im Laufe der Jahre als sinnvoller erachtet werden kann. VII Abstract Abstract The aim of this Bachelor Thesis is to characterize the hydrology of the Rhine regime and the Lake Constance and the assessment of flood protection and low water levels increase with the help of scenario simulations of various historical floods and low water level events. The Rhine rises in the Swiss Alps and flows into the Lake Constance. The outflow of the lake, flows through Germany, Netherlands and empties into the North Sea. Due to the location of Lake Constance, in the north part of the Alps, low winter and high summer water levels appear in the region. During the 20th century, the increasing temperatures in combination with the reduced volume of snow both in the Rhine, and in the Lake Constance basin led to increased winter and decreased summer mean flows and water levels. It is also expected, that in the future the win- ter average discharges will be increased and the summer average discharges will be de- creased. Furthermore, the most extreme flood event of the last century for both the Rhine re- gion, as well as Lake Constance was observed in the summer of 1999. In autumn of 2003 the most extreme low water event of the century appeared in both areas. It is also worth noting that in December 1993 and in January 1995 appeared an extreme flood event in the northern sec- tion of the Rhine. In addition, the regulation of the Alpine Rhine caused a great impact on the damping of flood peaks and increase of the low water levels in both the Alpine Rhine basin, as well as in the Lake Constance. As the scenario simulations proved, the regulation of the lake would have a positive effect on flood protection, as well as on increase of the low water levels of Lake Constance basin. In contrast, the regulation would hardly change a flood situation in the northern part of the Rhine. In spite of this and particularly because of the expected climate change, it could be assumed that over the years the regulation of the lake could be meaningful. VIII Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 1.1 Der Rhein und der Alpenrhein als Hauptzufluss des Bodensees .................................... 1 1.2 Das Abflussregime des Rheins ....................................................................................... 3 1.3 Der Standort des Bodensees und seine Bedeutung hinsichtlich Hoch- und Niedrigwasserereignissen ....................................................................................................... 6 2 Charakterisierung der Hydrologie des Bodensees und des Rheinregimes 9 2.1 Historische Trends.......................................................................................................... 9 2.1.1 Langzeitverhalten der Rhein Abflüsse ...................................................................... 9 2.1.2 Langzeitverhalten der Bodensee Wasserstände ..................................................... 11 2.2 Künftige Trends und Klimaszenarien ............................................................................ 15 2.2.1 Auswirkungen des globalen Klimawandels auf das Rheineinzugsgebiet ................. 15 2.2.2 Auswirkungen des globalen Klimawandels auf das Bodenseeeinzugsgebiet .......... 19 2.3 Extremereignisse .......................................................................................................... 20 2.3.1 Extremereignisse Rhein .......................................................................................... 20 2.3.2 Extremereignisse Bodensee ................................................................................... 26 2.4 Die Regulierung des Alpenrheins durch Talsperren ...................................................... 31 3 Szenarienberechnung 35 3.1 Wasserstände am Rhein im Fall einer Regulierung ...................................................... 37 3.1.1 Fallbeispiel 1995..................................................................................................... 37 3.1.2 Fallbeispiel 1999..................................................................................................... 40 3.1.3 Fallbeispiel 2003..................................................................................................... 43 3.2 Wasserstände im Bodensee im Fall einer Regulierung ................................................. 46 3.2.1 Fallbeispiel 1995..................................................................................................... 47 3.2.2 Fallbeispiel 1999..................................................................................................... 47 3.2.3 Fallbeispiel 2003..................................................................................................... 48 3.3 Theoretisch mögliches Retentionspotential ................................................................. 49 3.3.1 Fallbeispiel 1995..................................................................................................... 49 3.3.2 Fallbeispiel 1999..................................................................................................... 50 4 Diskussion 52 Abkürzungsverzeichnis 53 IX Inhaltsverzeichnis Literaturverzeichnis 55 Abbildungsverzeichnis 61 Tabellenverzeichnis 62 X Einleitung Der Rhein und der Alpenrhein als Hauptzufluss des Bodensees 1 Einleitung 1.1 Der Rhein und der Alpenrhein als Hauptzufluss des Bodensees Erdgeschichtlich betrachtet ist das heutige einheitliche Flusssystem des Rheins relativ jung. Zuerst war das gesamte Rheintal von Gletschern bedeckt. Durch das Abschmelzen wur- de der Bodensee gebildet, der damals noch das ganze Rheintal ausfüllte. Im Laufe der Zeit vereinigten sich die Flussteile und so wurde die heutige Verbindung des Alpenrheins mit dem Land am Niederrhein durch den Rheinstrom gebildet [1] [2]. Die zwei Quellflüsse des Rheins, der Vorder- und der Hinterrhein, entspringen in den Schweizer Alpen und fließen ab Reichenau als ein vereinigter Fluss weiter. Der Rhein wird, wie in Abbildung 1 dargestellt, in sechs Teilstrecken unterteilt. Die erste orographisch betrachtete Flussstrecke ist der sogenannte Alpenrhein, der vom Zusammenfluss bei Reichenau bis zur Mündung in den Bodensee fließt [3].Von seinem Ausfluss aus dem