Methodik zur Ableitung von Klima änderungsfaktoren für

Wasserwirtschaft
Methodik zur Ableitung von Klima­
änderungsfaktoren für Hochwasser­kenn­
werte in Baden-Württemberg
Von Wolfgang Hennegriff
und Vassilis Kolokotronis
Im vierten Bericht des IPCC (Intergovernmental Panel on Climate
Change) wird die Erderwärmung erstmals „unzweifelhaft“ genannt.
Der neueste Teilbericht belegt, dass die Klimaveränderungen in den
letzten Dekaden in beschleunigter Weise sich fortgesetzt haben und
weiter fortsetzen werden. In dem Kooperationsvorhaben KLIWA
­(Klimaveränderung und Wasserwirtschaft) der Länder BadenWürttemberg sowie Bayern und des Deutschen Wetterdienstes wird
untersucht, wie sich die Klimaveränderung auf die Wasserwirtschaft
auswirken kann. Dabei galt das Interesse zunächst der Entwicklung
von Hochwasserabflüssen. Im folgenden Beitrag wird vorgestellt,
wie in Baden-Württemberg Klimaänderungsfaktoren hergeleitet
wurden und wie diese bei der Bemessung von neuen Anlagen des
technischen Hochwasserschutzes berücksichtigt werden.
1 Aktuelle Klimaentwicklung
➤ Andere wichtige Treibhausgase, wie
z. B. Methan und Lachgas, deren Kon­
zentration seit 1750 um 148 % bzw.
18 % zugenommen haben, tragen zu­
sammen etwa halb soviel zur Klimaän­
derung bei wie der CO2-Anstieg.
Am 2. Februar 2007 wurde der vierte Be­
richt der Arbeitsgruppe I des Intergovern­
mental Panel on Climate Change (IPCC) [2]
vorgestellt. Die Arbeitsgruppe I hält u. a. fol­
gen­de Klimaveränderungen in ihrem Be­
richt fest:
➤ Die Erwärmung des Klimasystems ist
ohne jeden Zweifel vorhanden. Die
globale Oberflächentemperatur ist um
+ 0,74 °C gestiegen. 11 der letzten 12
Jahre waren die wärmsten seit Beginn
der Aufzeichnungen.
➤ Die Häufigkeit heftiger Niederschläge
hat zugenommen.
➤ Die schneebedeckte Fläche hat seit 1980
um etwa 5 % abgenommen.
2 Prognosen für die künftige Klimaentwicklung
Da im 21. Jahrhundert mit einem weite­
ren deutlichen Anstieg der mittleren Luft­
temperatur zu rechnen ist, liegt die Frage
nahe, wie sich in diesem Jahrhundert die
meteorologischen, hydrometeorologischen
und hydrologischen Parameter als Folge
veränderter atmosphärischer Umweltbe­
dingungen insbesondere durch die Zu­
nahme der Konzentrationen an Treibhaus­
gasen verändern und wie sich die Hoch­
wasserabflüsse im 21. Jahrhundert entwi­
ckeln können. Schließlich muss die Frage
beantwortet werden, wie die Klimaverän­
derung in hydrologischer Hinsicht quanti­
Als Hauptursachen für die Klimaverän­de­
rungen führt die Arbeitsgruppe I u. a. an:
➤ Der Kohlendioxid-Gehalt der Luft hat
seit 1750 um 35 % von 280 ppm auf
380 ppm im Jahr 2005 zugenommen.
Die heutige CO2-Konzentration ist die
größte in den letzten 650 000 Jahren.
Dabei war die Zunahmerate der CO2Gehalte während der letzten 10 Jahre
mit 1,9 ppm pro Jahr größer als der
Durchschnittswert (1,4 ppm pro Jahr)
im Zeitraum 1960 bis 2005.
Bild 1: Prozessbeschreibung im Wasserhaushaltsmodell (WHM): Boden als Verteilersystem
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Wasserwirtschaft
dernden atmosphärischen Bedingungen
angetrieben wird.
Bild 2: Änderung der Niederschlagssumme (%) im hydrologischen Winterhalbjahr als Differenz von Szenario
(2021 bis 2050) und Ist-Zustand (1971 bis 2000)
fiziert werden kann, um Anlagen des tech­
nischen Hochwasserschutzes wegen mögli­
cher Hochwasserverschärfungen di­mensio­
nieren zu können.
Die bisher in den Messzeitreihen festge­
stell­ten Trends der klimatologischen und
hydrologischen Parameter sind nicht in die
Zukunft extrapolierbar, da es sich bei den
Klimaprozessen um komplexe Wechselwir­
kungen mit Rückkopplungseffekten han­
delt. Vielmehr galt es zunächst, Erkenntnis­
se zu gewinnen, wie stark sich die Atmos­
phäre bei zunehmenden Konzentratio­nen
an Treibhausgasen erwärmen und wie vor
allem der Wasserkreislauf bei sich ver­än­
Das IPCC hat mögliche Klimaszenarien
bis 2100 zusammengestellt. Die Entwick­
lung der Zunahme der mittleren Globaltem­
peratur kann sich nach dem IPCC-Bericht
in einem Bereich zwischen 1,0 °C und
6,4 °C bewegen. Prognosen für die Ent­
wicklung des Wasserkreislaufes sind sehr
stark tem­peratur- und wetterlagenabhän­
gig. Daher wurde in KLIWA entschieden,
die Prognosen nicht für 2100 zu berech­
nen, da die mitt­lere Temperaturerhöhung
für diesen Zeithorizont noch zu unsicher
ist. Aufgrund dieser Unsicherheit wären
Antworten auf wasserwirtschaftliche Fra­
gestellun­gen ebenfalls in einem sehr gro­
ßen Spektrum zu erwarten gewesen. Daher
hätten wiederum keine konkreten Hand­
lungsempfehlungen für die wasser­wirt­
schaft­li­che Praxis, die auch den wirtschaft­
lichen Kri­terien entsprochen hätten, ab­
geleitet wer­den können. In KLIWA wurde
der Prognosezeitraum von 2021 bis 2050
gewählt, da die möglichen Temperatur­
entwicklungen für die jeweiligen Emis­
sionsszenarien für diesen Zeitraum noch
dichter als in dem bis 2100 beieinander
liegen. Für diesen Prognosezeitraum wur­
de in KLIWA das Emissionsszenario B2
angenommen, da das B2-Szenario eine
mitt­lere Betrachtungsweise der Emissions­
szenarien darstellt. Dem B2-Szenario liegt
eine gesamtgesellschaftliche Entwick­lung
zu Grunde, die bereits auf ökonomi­sche
und ökologische Nachhaltigkeit ausgerich­
tet ist.
Da die globalen Klimamodelle sehr grob­
maschig sind, mussten zunächst regionale
Klimamodelle entwickelt werden. Da es für
die Abschätzung der künftigen Klimaent­
wicklung auf regionalem Maßstab noch
kein optimales Verfahren gab, wurden im
Rahmen von KLIWA drei verschiedene Ins­
titutionen beauftragt, regionale Klimas­ze­
narien mit drei unterschiedlichen Verfah­
ren zu erstellen:
➤ Potsdam Institut für Klimafolgenfor­
schung (PIK) mit einem statistischen
Downscaling-Verfahren mittels Cluster­
analyse,
➤ Fa. CEC mit einer statistisch-dynami­
schen Downscaling mittels Wetterlagen­
klassifikation und
➤ Max-Planck-Institut für Meteorologie
mit einem regionalen dynamischen Kli­
mamodell (REMO).
Bild 3: Jahresgang der mittleren monatlichen Hochwasserabflüsse der Kinzig /Schwarzwald am Pegel Schwaibach
Um vergleichbare Ergebnisse zu bekom­
men, gaben die Partner von KLIWA weit­
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9 / 2007
Wasserwirtschaft
Bild 4: Zukünftige Veränderung der mittleren Hochwasserabflüsse infolge des Klimawandels
gehend identische Randbedingungen vor:
Messdaten 1951 bis 2000, Verifikations­
zeitraum 1971 bis 2000, Globalmodell
ECHAM 4, IPCC-Emissionsszenario B2, Sze­
nariozeitraum 2021 bis 2050.
Nach dem Vergleich und der Bewertung
der Ergebnisse aus den drei Verfahren, die
erwartungsgemäß eine gewisse Bandbrei­
te bei den Ergebnissen lieferten, wurden
den weiteren Auswertungen primär die Er­
gebnisse der Methode von CEC zugrunde
gelegt.
Für das Klimaszenario 2021 bis 2050 wur­
den zehn Varianten realisiert, wobei jede
Dekade nochmals mit zwei Läufen simu­
liert wurde. Insgesamt stehen somit für die­
­ses Klimaszenario insgesamt 10 x 2 x 30 =
600 Modelljahre zur Verfügung.
Generell ist zur Auswertungsmethodik zu
erwähnen, dass nicht nur die Veränderun­
gen der Jahresmittel, sondern auch die Än­
derungen in den hydrologischen Halbjah­
ren untersucht wurden, da über das Jahr
betrachtet die Änderungen (Abnahmen im
Sommer, Zunahmen im Winter) sich zum
Teil kompensieren würden. Aber auch die
Ver­änderungen der Monatsmittelwerte sind
als wesentliche Ergebnisse zu beachten.
Insgesamt können für das Zukunftsszena­
rio 2021 bis 2050 die nachfolgend darge­
stellten Prognosen festgehalten werden.
3 Prognosen für die künftige Entwicklung des Wasserhaushalts
Mit Hilfe der regionalen Klimamodelle wur­
de die zukünftige Entwicklung der Parame­
ter Lufttemperatur, Niederschlag, relative
Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit, Glo­
balstrahlung und Luftdruck für den Zeit­
raum 2021 bis 2050 simuliert. Die Ergeb­
nisse aus den regionalen Klimamodellen
wur­den als Input für die Wasserhaushalts­
modelle verwendet.
Wasserhaushaltsmodelle liegen für BadenWürttemberg mit einer Auflösung von 1 km2
flächendeckend vor. In Baden-Württemberg
wird das Wasserhaushaltsmodell LARSIM
(Large Area Runoff Simulation Model) [1]
eingesetzt. In diesem Modell sind die Einga­
Methodology for the Derivative of
Climate Change Factors and their Application to
Flood Protection Factors in Baden-Württemberg
by Wolfgang Hennegriff and Vassilis Kolokotronis
In the fourth report of the IPCC (Intergovernmental panel on Climate Change) the global warming is
called for the first time „unquestionably “. The newest report proves that the climate changes
continued in accelerated way in the last decades and will further continue. It is examined in the
co-operate plan KLIWA (Climate Change and Water Management), how climate change will affect
on the water management. At first the interest has applied for the development of discharges of
floods. The following contribution presents, how climate change factors have been deduced and how
these are considered with the dimension of new plants of the technical flood protection in
Baden-Württemberg.
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Wasserwirtschaft
maszenario 2021 bis 2050 simuliert wur­
den, als Tageswerte zur Verfügung.
Die Tageswerte wurden bezüglich der Ent­
wicklung des Jahresmittels, der Halbjahres­
mittel (Bild 3) und der Hochwasserkennwer­
te analysiert.
Bild 5: Regionale Klimaänderungsfaktoren in Baden-Württemberg
be von bis zu 16 verschiede­nen Landnutzun­
gen und Bodendaten pro Rasterelement
sowie die Angaben zu Flusslängen und Ge­
rinnegeometrien möglich. Mit Hilfe der Was­
serhaushaltsmodelle können alle wesentli­
chen hydrologischen Komponenten (Bild 1),
wie Aggregatzustand des Niederschlags,
Eva­potranspiration, Oberflächenabfluss, In­
filtration, Interflow, Grundwasserneubildung
und Grund­wasserabfluss einschließlich ka­
pillarem Aufstieg von Grundwasser und der
Boden­verhältnisse auf der Basis der Ergeb­
nisse aus den regionalen Klimamodellen für
den Simulationszeitraum berechnet wer­
den. Diese Berechnungsmöglichkeit erweist
sich für die Beantwortung von Fragestellun­
gen zu den hydrologischen Auswirkungen
infol­ge des Klimawandels als sehr vorteil­
haft. Gerade die für die Oberflächenabfluss­
bildung maßgebenden Parameter, wie Bo­
den­wassergehalt und Bodenzustand, kön­
Tabelle: Lastfall Klimaänderung am Beispiel des
Pegels Forbach /Murg im Schwarzwald
T
[Jahre]
2
5
10
20
50
100
200
500
1 000
HQ T
[m³/s]
140
205
250
292
346
388
434
504
543
Klimaänderungsfaktor
1,50
1,45
1,40
1,33
1,23
1,15
1,08
1,03
1,00
HQ T,K
[m³/s]
210
298
350
388
425
446
468
519
543
nen mit LARSIM über lange Zeiträume in
Abhängigkeit der hydrometeorologischen
und meteorologischen Bedingungen gut si­
muliert werden.
3.1 Niederschlag
Die Berechnungsergebnisse der Klimasze­
narien prognostizieren eine Änderung im
Niederschlagsverhalten. Für das gewählte
Zukunftsszenario betragen die Zunahmen
der Jahresmittelwerte der Niederschläge
ca. 8 %, mit einer Spannweite von ca. 4 %
bis ca. 17 %. Die großräumigen Niederschlä­
ge werden im Sommer in Süddeutschland
um 4 % abnehmen. Andererseits ist zu er­
warten, dass die Winternieder­schläge deut­
lich zunehmen werden (Bild 2). Je nach Re­
gion kann die unterschiedlich stark aus­
geprägte Zunahme im Winter bis zu 35 %
betragen. Für die Niederschlagshöhen im
Winter ist ein Bereich mit relativ hohen Än­
derun­gen auf den Mittelgebirgen Schwarz­
wald und Odenwald markant.
3.2 Hochwasserabflüsse
Die ermittelten Abflüsse aus der Wasser­
haushaltsmodellierung wurden mit Metho­
den der Extremwertstatistik vom IWG der
Universität Karlsruhe [3] analysiert. Als Da­
ten standen die Messdaten an den Pegeln,
die mit den gemessenen Niederschlags­
höhen simulierten Abflüsse sowie die Ab­
flusswerte, die mit den Ergebnissen aus den
Klimamodellen für den Ist-Zustand (Refe­
renzlauf 1971 bis 2000) und für das Kli­
Um die Änderungen der Hochwasserkenn­
werte im Zukunftsszenario und in gegen­
wärtigem Zustand zu quantifizieren, wur­
den durch die Auswertung der Kennwerte
über das Verhältnis von HQ(Zukunft) zu
HQ(Ist) sogenannte Klimaänderungsfakto­
ren für das mittlere Hochwasser MHQ und
für die Hochwasserkennwerte der Jährlich­
keiten bis 1 000 Jahre gebildet. Faktoren
größer 1 bedeuten dem­nach eine Zunah­
me des Hochwasserkennwertes, Faktoren
kleiner 1 eine Abnahme. Die Ergebnisse in
Bild 4 lassen eine deutliche Zunahme der
mittleren Hochwasser (MHQ) erwarten. Die
Faktoren zeigen alle in dieselbe Richtung,
so dass von einer Hoch­wasserverschärfung
durch die Klimaverän­derung für den be­
trachteten Zeitraum bis zum Jahr 2050 in
Baden-Württemberg aus­zugehen ist.
Die Ergebnisse wurden für die genannten
Jährlichkeiten in Karten übertragen und in
einer Tabelle zusammengefasst. Damit er­
geben sich für Baden-Württemberg die in
Bild 5 dargestellten fünf Bereiche mit je­
weils unterschiedlichen Klimaänderungs­
faktoren und den jeweiligen Jährlichkei­
ten. Gemäß der dort abgebildeten Tabelle
kön­nen folgende Ergebnisse für die zukünf­
tige Entwicklung der Hochwasserabflüsse
fest­gehalten werden [5]:
➤ Insbesondere die kleineren und mittle­
ren Hochwasserereignisse werden vor­
aussichtlich deutlich zunehmen.
➤ Der Hochwasserabfluss für die Jähr­lich­
keit 100 Jahre erhält einen Zuschlag von
15 % bzw. 25 %.
➤ Das Extremereignis HQ1000 ist für das
Zukunftsszenario im Vergleich zu den
gegenwärtigen Verhältnissen unverän­
dert, da die Extremwertstatistik auf der
vorhandenen Datenbasis eine Ände­
rung dieses Kennwertes gegenwärtig
nicht rechtfertigen würde.
4 Anpassung der Hochwasser­
schutzplanungen und Erhöhung der Bemessungs­
abflüsse
Vor diesem Hintergrund galt es, aus Vorsor­
gegründen für den Bereich des Hochwasser­
schutzes eine Anpassungsstrategie zu ent­
wickeln, die zwar die mögliche Entwicklung
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9 / 2007
Wasserwirtschaft
der nächsten Jahrzehnte berück­sichtigt,
aber auch den bestehenden Unsicherheiten
Rechnung trägt. Festlegungen sollten daher
als Kernpunkt enthalten, dass sie einerseits
langfristig unschädlich und an­dererseits
gleichzeitig bei Bedarf (z. B. bei neuen Er­
kenntnissen der Klimaforschung) anpassbar
sind („Flexible-and-no-regret“-Strategie) [4].
Die Auswertungen gaben Anlass, den bishe­
rigen Weg bei der Festlegung von Bemes­
sungsabflüssen zu modifizieren und auf
Grund des Klimawandels einen „Lastfall Kli­
maänderung“ zu berücksichtigen. Anhand
von Fallbeispielen aus der Praxis wur­de da­
zu nachgewiesen, dass eine Berücksich­ti­
gung der Auswirkungen der Klimaänderung
bei technischen Hochwasser­schutz­maß­nah­
men in den meisten Fällen zu relativ mo­
deraten Kostensteigerungen geführt hätte,
wenn dieser Lastfall bereits bei der Planung
berücksichtigt und beim Bau zumindest
entsprechende Vorkehrun­gen für eine spä­
tere Anpassung getroffen worden wären.
Nachträgliche Anpassun­gen sind hingegen
meist mit sehr hohen Kos­ten verbunden.
Der Lastfall Klimaänderung soll deshalb
künf­tig bei Planungen von neuen Hochwas­
serschutzmaßnahmen mit untersucht wer­
den. Dabei ist aufzuzeigen, welche Konse­
quenzen sich durch den Lastfall auf die
Auslegung der Maßnahmen ergeben und
welche Mehrkosten dadurch zu erwarten
sind. Auf Grund der dann vorliegenden Er­
kenntnisse soll entschieden werden, inwie­
weit die notwendige Anpassung an den
künftigen Klimawandel bereits jetzt bei der
Ausführung berücksichtigt werden soll.
Dabei sind auch Möglichkeiten für eine spä­
tere Nachrüstung in Betracht zu ziehen.
Berücksichtigung des Klimawandels bei
den Auswirkungen auf die Hochwasserab­
flüsse auf eine landeseinheitliche Basis ge­
stellt worden.
5 Ausblick
In Zeiten des Klimawandels ist dem Vorsor­
geprinzip der Wasserwirtschaft verstärkt
Beachtung zu schenken. Mit KLIWA wird
ver­sucht, Grundlagen für eine vorausschau­
ende Daseinsvorsorge auf einer landesein­
heitlichen Basis zu entwickeln. Da Hoch­
wasserschutzplanungen wirtschaftlich sein
müssen, sind insbesondere flexible Lösungs­
ansätze, die genauso Möglichkeiten zum
Nach­rüsten offen lassen, erforderlich.
Literatur
[1] Bremicker, M.: Das Wasserhaushaltsmo­
dell LARSIM – Modellgrundlagen und An­
wendungsbeispiele. In: Freiburger Schrif­
ten zur Hydrologie (2000), Band 11.
[2] Intergovernmental Panel on Climate Chan­
ge (Hrsg.): Climate change 2007, Summary
for Policymakers. 2007.
[3] Ihringer, J.: Ergebnisse von Klimaszena­
rien und Hochwasser-Statistik. In: KLIWABerichte (2004), Heft 4.
[4] Katzenberger, B.: Bisherige Erkenntnisse
aus KLIWA-Handlungsempfehlungen. In:
KLIWA-Berichte (2004), Heft 4.
[5] KLIWA (Hrsg.): 3. KLIWA-Symposium. In:
KLIWA-Berichte (2007), Heft 10.
[6] Landesanstalt für Umweltschutz BadenWürttemberg (Hrsg.): Festlegung des Be­
messungshochwassers für Anlagen des tech­
nischen Hochwasserschutzes. In: LUBW-Leit­
faden (2005).
[7] LUBW (Hrsg.): Abflusskennwerte in BadenWürttemberg (2007).
Anschrift der Verfasser:
Wolfgang Hennegriff
Vassilis Kolokotronis
Landesanstalt für Umwelt,
Messungen und Naturschutz
Baden-Württemberg (LUBW)
Griesbachstraße 1, 76185 Karlsruhe
[email protected]
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In Baden-Württemberg ergeben sich ge­
mäß Bild 5 je nach Wiederkehrzeit (Jähr­
lichkeit Tn) regional unterschiedliche Kli­
maänderungsfaktoren. Für die Abflüsse
beim Lastfall Klimaänderung (HQ Tn,K) kön­
nen die aus der Hochwasserregionalisie­
rung oder hydrologischen Modellberech­
nung vorliegenden Hochwasserkennwerte
HQ Tn direkt mit dem Klimaänderungsfak­
tor f T,K erhöht werden (Tabelle):
HQ Tn,K = f T,K · HQ Tn
Die Vorgehensweise beim Lastfall Klimaän­
derung bei neuen Hochwasserschutzpla­
nungen ist in Baden-Württemberg in einen
Leitfaden [6] mit einer Sammlung von Bei­
spielen aufgenommen worden. Zusammen
mit der Regionalisierung der Hochwasser­
kennwerte [7], die flächendeckend für Ba­
den-Württemberg vorliegt, ist damit die
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