Bayerisches Landesamt für Umwelt Auswirkung des Klimawandels auf Niedrigwasserverhältnisse in Baden-Württemberg, Bayern und Rheinland-Pfalz Untersuchungen an ausgewählten Pegeln und Gewässerstellen KLIWA-Berichte Heft 14 4 Bayerisches Landesamt für Umwelt Auswirkung des Klimawandels auf Niedrigwasserverhältnisse in Baden-Württemberg, Bayern und Rheinland-Pfalz Untersuchungen an ausgewählten Pegeln und Gewässerstellen KLIWA-Berichte Heft 14 IMPRESSUM Herausgeber Arbeitskreis KLIWA LUBW Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg, Bayerisches Landesamt für Umwelt (BLfU), Landesamt für Umwelt, Wasserwirtschaft und Gewerbeaufsicht Rheinland-Pfalz (LUWG), Deutscher Wetterdienst (DWD) www.kliwa.de Herausgabedatum November 2009 ISBN 978-3-88251-346-2 Bearbeitung Dr.-Ing. Jürgen Ihringer Institut für Wasser und Gewässerentwicklung (IWG) Bereich Wasserwirtschaft und Kulturtechnik Abteilung Hydrologie Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Redaktionelle Bearbeitung Wolfgang Hennegriff LUBW Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg Referat Hydrologie und Hochwasservorhersage Druck E&B Engelhardt und Bauer, 76131 Karlsruhe Umwelthinweis Druck auf Recyclingpapier Dieses Heft ist klimaneutral gedruckt Bezug über Vertragsauslieferung der LUBW bei der JVA Mannheim – Druckerei Herzogenriedstr. 111, 68169 Mannheim, Telefax: (0621)-398-370 Nachdruck - auch auszugsweise - nur mit Zustimmung der Herausgeber unter Quellenangabe und Überlassung von Belegexemplaren gestattet. Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung.................................................................................................................1 1 Einleitung .........................................................................................................................5 2 Datengrundlage ...............................................................................................................9 3 Methodik der Datenauswertung...................................................................................17 3.1 Mittlerer Jahresgang der Niedrigwasserabflüsse ...................................................18 3.2 Extremwertstatistik für Niedrigwasserabflüsse.......................................................19 3.3 Extremwertstatistik für die Niedrigwasserperioden ................................................21 3.4 Bewertung der Ergebnisse.....................................................................................24 4 Mittlere monatliche Niedrigwasserabflüsse ...............................................................27 4.1 Jahresregime der Niedrigwasserabflüsse..............................................................27 4.2 Räumliche Bewertung der Veränderungen ............................................................35 5 Jährlicher Niedrigwasserabfluss .................................................................................43 5.1 Abflussberechnung mit den Messdaten und Abflussmessung...............................43 5.2 Abflussberechnung auf Basis des Klimamodells für den Ist-Zustand und Abfluss-Simulation .................................................................................................49 5.3 Abflussberechnung auf Basis des Klimamodells für den Zukunfts-Zustand und den Ist-Zustand ...............................................................................................56 5.4 Räumliche Bewertung der Veränderungen ............................................................57 6 Niedrigwasserperioden.................................................................................................65 6.1 Kennwerte für Niedrigwasserperioden ...................................................................65 6.2 Abflussberechnung auf Basis des Klimamodells für den Ist-Zustand und Abfluss-Simulation .................................................................................................71 6.3 Abflussberechnung auf Basis des Klimamodells für den Zukunfts-Zustand und den Ist-Zustand ...............................................................................................72 6.4 Räumliche Bewertung der Veränderungen ............................................................77 7 Ausblick .........................................................................................................................95 8 Literatur..........................................................................................................................97 Verzeichnis der Abbildungen..............................................................................................99 Verzeichnis der Tabellen ...................................................................................................103 Verzeichnis der Karten ......................................................................................................105 Anlage .................................................................................................................................107 Bisher erschienene KLIWA-Berichte:...............................................................................113 II Auswirkung des Klimawandels auf Niedrigwasserverhältnisse Zusammenfassung 1 Zusammenfassung Für die Planung und Bemessung von wasserwirtschaftlichen Nutzungen und Abflussregelungen an Gewässern werden zur Beurteilung des Abflussge- schehens verschiedene Abfluss-Kenn- werte herangezogen. Diese Abfluss- Kennwerte können für den heute vor- handenen Klimazustand aus den Beobachtungs-Zeitreihen der Pegel abgeleitet werden. Für nachhaltige, zukunftsorientierte Planungen und Bewertungen ist die Kenntnis darüber von besonderer Bedeutung, wie sich das Abflussgeschehen und damit die Abb. Z.1: Niedrigwasser Oktober 2009 im Rhein (Foto Abfluss-Kennwerte infolge des Klima- Hennegriff) wandels zukünftig verändern können. Im Rahmen des KLIWA-Projekts B 3.1.6 „Niedrigwasserverhältnisse - Auswertung der Abfluss- simulationen“ wurde das zukünftige Niedrigwasserverhalten ausgewählter Einzugsgebiete in Baden-Württemberg, Bayern und Rheinland-Pfalz untersucht. Die Bearbeitung basiert auf einer Klimaprojektion für die Zeitspanne 2021 - 2050, welche aus dem globalen Klimamodell ECHAM5 für das Szenario A1B abgeleitet und durch das regionale Klimamodell WETTREG- 2006 auf die Einzugsgebietsskala übertragen wurde. Über Wasserhaushaltsmodelle (LARSIM in Baden-Württemberg und Rheinland-Pfalz sowie ASGi/WaSiM-ETH in Bayern) lassen sich aus den Vorgaben des Klimamodells Abflusszeitreihen berechnen, die einerseits den heutigen Klimazustand (Ist-Zustand) und andererseits den zukünftigen Klimazustand (Zukunfts-Zustand) repräsentieren. Als Zeitbezug für den Ist-Zustand wurden die Jahre 1971 - 2000 und für den Zukunfts-Zustand die Jahre 2021 - 2050 betrachtet. Zur Untersuchung der Veränderung von Niedrigwasserverhältnissen infolge des Klimawandels wurden insgesamt 121 Standorte (Pegel und Gewässerstellen) in Baden-Württemberg, Bayern und Rheinland-Pfalz einbezogen. Diese ausgewählten Standorte mit ihrem jeweils zugeordne- ten Einzugsgebiet erlauben eine Bewertung der Abflusszustände flächendeckend in Baden- Württemberg, in Bayern für die Einzugsgebiete von Main, Naab und Regen sowie in Rheinland- Pfalz für das Einzugsgebiet der Nahe. Die Größe der Einzugsgebietsfläche variiert für die aus- 2 2 gewählten Pegel und Gewässerstellen zwischen AEo = 97 km und AEo = 21 480 km . Die gesamte Datengrundlage umfasste für den heutigen Klimazustand (1971 - 2000) die beobachteten Abflüsse an den einbezogenen Pegeln sowie die berechneten Abflüsse mit den beobachteten meteorologischen Daten und mit den meteorologischen Daten des Klimamodells für den Ist-Zustand. Für den Zukunfts-Zustand (2021 - 2050) standen berechnete Abflüsse aus den Vorgaben des Klimamodells zur Verfügung. Diese Zeitreihen wurden bezüglich ausgewähl- ter Kennwerte zur Beschreibung des Niedrigwasserverhaltens statistisch ausgewertet und vorhandene Veränderungen zwischen den verschiedenen Abfluss-Zeitreihen bewertet. Über eine geeignete Klassifikation für verschiedene Änderungsgrade konnten abschließend die zu erwartenden Veränderungen im Niedrigwasserverhalten räumlich interpretiert und in Über- sichtskarten dargestellt werden. Betrachtete Kennwerte für das Niedrigwasserverhalten waren die monatlichen Niedrigwasser- abflüsse NQ(m) und die daraus abgeleiteten Jahres- und Halbjahresmittelwerte MNQ, die jährli- chen Niedrigwasserabflüsse NQ(J) sowie die jährliche Niedrigwasserdauer ND(J), die jährliche Unterschreitungszahl UZ(J) und die jährliche Dauer des Abflussdefizits QD(J) zur Beschreibung der Dauer von Niedrigwasserperioden. Alle abgeleiteten Kennwerte beziehen sich auf das 2 Auswirkung des Klimawandels auf Niedrigwasserverhältnisse hydrologische Jahr von Juni bis Mai. Somit bezieht sich das „Sommer-Halbjahr“, in dem die Niedrigwasserperiode liegt, auf die Monate Juni bis November und das „Winter-Halbjahr“ auf die Monate Dezember bis Mai. Die wesentlichen Ergebnisse bezüglich der zu erwartenden Veränderungen im Niedrigwasser- verhalten infolge des Klimawandels stellen sich für die verschiedenen Kennwerte des Niedrig- wasserabflusses folgendermaßen dar: monatlicher Niedrigwasserabfluss • Die mittleren monatlichen Niedrigwasserabflüsse NQ(m) zeigen im Sommer-Halbjahr in Baden-Württemberg und Bayern vorwiegend deutliche Abnahmen. Betroffen mit deutlichen Abnahmen (10% - 20%) ist dabei ein Streifen vom Südwesten in Baden-Württemberg bis zum Nordosten in Bayern. Lediglich im Einzugsgebiet der Nahe in Rheinland-Pfalz sind schwache