Der Einfluss veränderter Klimabedingungen und

1
Hydrologische Prozesse eines Flusseinzugsgebietes werden durch das Klima angetrieben und sind unter anderem
beeinflusst durch Bodeneigenschaften und Landnutzung.
Klima und Landnutzung werden bei der Beurteilung von
Hoch- und Niedrigwasser heute oft noch als konstant vorausgesetzt. Für eine längerfristige Beurteilung des Wasserregimes eines Flusseinzugsgebietes ist diese Annahmne jedoch fragwürdig. In der Arbeitsgruppe „Klima
und Hydrologie“ wurden deshalb Szenarien für Klima und
Landnutzung erarbeitet, um Aussagen über mögliche Entwicklungen des Abflussregimes zu machen.
Als Ausgangslage für die Bildung des Klimaszenarios dienten die SRES-Szenarien des IPCC (Intergovernmental
Panel on Climate Change). Grundlage für die Landnutzungsszenarien waren Landnutzungsdaten des Bundesamtes für Statistik (BFS).
Es wurden drei Szenarien untersucht: Das erste Szenario
nimmt eine einschneidende Klimaänderung in den nächsten hundert Jahren an. Das zweite Szenario geht von einer
Erweiterung der Siedlungsfläche aus. Dabei wurden aktuelle Siedlungstrends auf die nächsten hundert Jahre extrapoliert. Das dritte Szenario nimmt an, dass Landwirtschaftsflächen über 1000 m.ü.M. durch Wald ersetzt werden. Zusätzlich wurden die Szenarien kombiniert, um zu
untersuchen, ob sich die Effekte der einzelnen Szenarien
gegenseitig beeinflussen.
Die entwickelten Szenarien wurden mit dem Wasserhaushaltssimulationsmodell (WaSiM) der ETH-Zürich bearbeitet. Gemäss diesem Modell hat eine Klimaveränderung
einen starken Einfluss auf die Hydrologie im Einzugsgebiet
der Thur. Die Abflüsse nehmen in den Sommermonaten
stark ab. In den Wintermonaten hingegen nehmen sie zu.
Heute führt die Thur vor allem in den Sommermonaten viel
Wasser, im Winter dagegen wenig. Landnutzungsänderungen hingegen wirken sich kaum auf das Abflussregime
der Thur aus. Die Änderungen liegen allesamt im Bereich
der Modellunsicherheit.
Das gewählte Klimaszenario deutet tendenziell auf eine
Zunahme von Hoch- und Niedrigwasserereignissen hin.
Dem Hochwasserschutz muss deshalb weiterhin Bedeutung eingeräumt werden.
Bei der Planung und Durchführung wasserbaulicher Massnahmen wird heute ein konstantes Flussregime angenommen. Angesichts des vom IPCC und weiteren Klimaforschern vorausgesagten Anstiegs der globalen Durchschnittstemperaturen ist diese Annahme der Konstanz
nicht mehr gerechtfertigt.
Hydrologische Prozesse sind stark vom Klima im Einzugsgebiet eines Flusses abhängig: Die Niederschlagsmenge
bestimmt die maximale Wassermenge, die im Fluss abfliessen kann. Aus den lokalen Strahlungsverhältnissen
und der Temperatur ergibt sich, welcher Anteil des gefallenen Regens wieder verdunstet. Die Temperatur bestimmt
auch, ob der Niederschlag abfliesst oder als Schnee im
Einzugsgebiet liegen bleibt. Zudem gibt es zahlreiche weitere Parameter, welche die Flusshydrologie beeinflussen.
Zu nennen sind hier vor allem die Topographie, die Landnutzung und die damit einhergehenden Einflüsse auf die
Bodenstruktur sowie wasserbauliche Massnahmen. Die
vorliegende Arbeit macht Aussagen dazu, ob der erwartete
Klimawandel das Flussregime der Thur verändern kann.
Auch die Nutzung und Entwicklung des Bodens ist einem
starken Wandel unterworfen. Vor allem in den letzten
Jahrzehnten hat sich die Landnutzung in der Schweiz stark
verändert. Auf dem engen Raum im Mittelland der Schweiz
konkurrieren wachsende Siedlungen mit der Landwirtschaft um den Boden. Die Landwirtschaft verliert in der
gesamten Schweiz an Fläche. An deren Stelle machen
sich im ebenen Gelände neue Siedlungsflächen breit, während in steilen und abgelegenen Lagen Wald aufkommt
(BFS, 2001).
Aufgrund dieser Veränderungstendenzen der Landnutzung
ist es sinnvoll, Landnutzungsszenarien für das Thureinzugsgebiet zu entwickeln und die Hydrologie der Thur mit
veränderter Landnutzung zu simulieren. Eine wichtige Frage ist, wie sich eine veränderte Landnutzung auf das Abflussregime und insbesondere auf Hochwasserereignisse
auswirkt.
2
Das Einzugsgebiet der Thur liegt in der Nordostschweiz
zwischen dem Walensee im Süden, dem Bodensee im
Norden, dem Rheintal im Osten und den Höhenzügen des
Toggenburg im Westen. Das
Thurgebiet hat eine Grösse von
2
1700 km . Von Nord nach Süd
nimmt der Gebirgscharakter
stark zu.
für die Modellberechnung Zeitschritte von einer Stunde, bei
der Datenauswertung hingegen Tagesmittelwerte.
Hauptwerkzeug der Fallstudiengruppe „Klima und Hydrologie“ ist das Wasserhaushaltssimulationsmodell WaSiM
der ETH Zürich. Das WaSiM ist ein modular aufgebautes,
in frei wählbarer räumlicher und zeitlicher Auflösung arbeitendes Modell zur Simulation von Prozessen, die für die
Oberflächenhydrologie von Einzugsgebieten wichtig sind.
Die räumliche Auflösung kann durch ein regelmässiges,
blockzentriertes Gitter mit beliebiger Gitterweite realisiert
werden. Im Rahmen der Fallstudie wurde die Gitterweite
auf einen Kilometer festgelegt. Zur Bildung von Wasserhaushaltsbilanzen kann eine zusätzliche Unterteilung in
beliebige Zonen, etwa in Teilgebiete oder Höhenstufen
erfolgen. Im Falle der Thurmodellierung ist das gesamte
Einzugsgebiet der Thur in zwölf Teileinzugsgebiete unterteilt. Neben einem digitalen Höhenmodell werden räumlich
verteilte Bodenarten- und Landnutzungsdaten verwendet.
Das Hydrologische Modell beinhaltet Parameter, welche
für das Thureinzugsgebiet im Rahmen einer Kalibrierung
angepasst werden müssen. Mit der Validierung werden
diese Anpassungen für eine von der Kalibirerung unabhängigen Zeitperiode bestätigt. Für die Kalibrierung des
Modells wurden stündliche Abflussdaten (Daten der Landeshydrologie und –geologie Schweiz) von den 12 Pegeln
im Thureinzugsgebiet genutzt. Dazu wurde wie bei Schulla
(1997) das Jahr 1984 ausgewählt. Als Validierungsperiode
wurde wie bei Schulla (1997) der Zeitraum 1981 bis 1995
gewählt. Im Folgenden werden jedoch Ergebnisse für den
Zeitraum von 1981 bis 2000 gezeigt.
Als meteorologische Eingangsdaten werden Niederschlag,
Temperatur, Globalstrahlung,
Sonnenscheindauer, Windgeschwindigkeit und relative Luftfeuchtigkeit bzw. Dampfdruck
verwendet. Da bei den im Feld
Die Thur entspringt im oberen
stationierten
Regenmessern
Toggenburg, fliesst via Wattwil,
Niederschlagsmessungen
Wil, Bischofszell und Weinfeldurch Wind und Temperatur
den ins Zürcher Weinland. In
verfälscht werden, wird vom
Andelfingen mündet sie nach
Modell eine Niederschlagskoreiner Lauflänge von 127 km in
rektur vorgenommen. Das
den Rhein. In die Thur selbst
Modell berücksichtigt, ob der
münden zwei grössere NebenNiederschlag als Regen oder
flüsse: bei Frauenfeld die Murg
Schnee fällt und modelliert
und bei Bischofszell die Sitter.
Prozesse wie die Schneeakkumulation und -schmelze.
Zur besseren Differenzierung
Weiter liefert das Modell Verwird eine Unterteilung des gandunstungs- und Bodenwasserzen Einzugsgebiets in 12 Teilhaushaltsberechnungen. Die
einzugsgebiete vorgenommen.
Abb. 1: Das Thureinzugsgebiet, mit den Teileinzugsgebieten,
wichtigste Output-Grösse für
Diese Unterteilung richtet sich
den meteorologischen Stationen, den Pegeln und dem Flussdiese Fallstudie war der Abnach den vorhandenen Abflussnetz.
fluss. Daneben liefert das Momessstellen der Landeshydrolodell aber auch Informationen
gie und -geologie (LHG). Jedes
über Schneespeicher, Bodender 12 Teileinzugsgebiete ist
wasserhaushalt, Verdunstung, Schneeschmelze, etc. (vgl.
durch einen Pegel abgeschlossen und bildet in der AbKleinn 2002, Kap. 3).
flussmodellierung eine Bilanzeinheit. In Abbildung 1 sind
diese 12 Teileinzugsgebiete mit den Namen der Messstel- Das verwendete Modell WaSiM wird am Institut für Atmolen und der Gewässer dargestellt (Schulla, 1997).
sphäre und Klima (IAC) der ETH Zürich seit einiger Zeit
eingesetzt und ist bereits für das Thurgebiet regionalisiert,
kalibriert und validiert worden (Schulla, 1997).
Um die Dynamik der Abflussbildungsprozesse zu erfassen,
kann das Modell mit Zeitschritten zwischen einigen Minuten und einem Tag arbeiten. Die Arbeitsgruppe benutzte
Um Aussagen über die Modellgüte machen zu können,
wurde eine Kontrollsimulation durchgeführt. Dabei wurde
das Modell mit den meteorologischen Daten der Jahre
1981-2000 sowie den aktuellen Landnutzungsdaten angetrieben. Das somit berechnete hydrologische Regime wurde mit den gemessenen hydrologischen Daten derselben
Zeitperiode verglichen.
3
Im Thureinzugsgebiet existieren 41 Messstationen für Wetter- und Klimadaten (MeteoSchweiz). Die Messdaten dieser Stationen werden durch ein Interpolationsverfahren auf
die Gittergrösse des Modells umgerechnet. Da die Messstationen nicht regelmässig über das Thureinzugsgebiet
verteilt sind, entstehen bei der Interpolation Ungenauigkeiten. Dies trifft vor allem auf kleinere Teilgebiete zu, die nur
mit einer oder zwei Messstationen bestückt sind. Somit
entsprechen die interpolierten Klimadaten der grösseren
Teileinzugsgebiete mit mehreren Messstationen den tatsächlichen Klimaverhältnissen deutlich besser. Diese Aussage wird durch die durchgeführten Analysen zur Modellgüte bestätigt:
2
Die hohen R -Werte (jährliche Werte basierend auf gemittelten täglichen Abflussdaten) am Pegel Andelfingen (Abbildung 2), der das gesamte Thureinzugsgebiet berücksichtigt, zeigen, dass das Modell die Abflüsse sehr gut
2
1
simuliert (R -Wert = 0.90) .
!
Die AG „Klima und Hydrologie“ formulierte sowohl für das
Klima als auch für die Landnutzung mögliche Szenarien für
das Jahr 2100. Ausgangslage für die Erstellung des Klimaszenarios waren bereits bestehende Klimaszenarien des
IPCC. Als Basis für die Landnutzungsszenarien dienten
Erhebungen des Bundesamtes für Statistik (BFS).
Der erste Schritt zur Wahl eines geeigneten Klimaszenarios ist die Informationsbeschaffung. Eine gute Grundlage
bieten die vom IPCC (Intergovernmental Panel on Climate
2
Change) erstellten SRES-Klimaszenarien (IPCC, 2001).
Die SRES-Szenarien (Second Report on Emission) berücksichtigen Bevölkerungswachstum, ökonomische und
soziale Entwicklung, technologische Veränderungen, Ressourcenverbrauch und Umweltmanagement bis ins Jahr
2100. Das für diese Arbeit verwendete Szenario geht davon aus, dass die Weltbevölkerung ständig zunimmt, dass
sich die ökonomische und technologische Entwicklung im
Vergleich zu heute etwas verlangsamt und dass der Umweltschutz ein bedeutendes gesellschaftliches Anliegen ist.
Ausgehend von den SRES-Szenarien werden Annahmen
für Temperatur- und Niederschlagsänderungen im Thurgebiet getroffen.
Es wird von einem globalen Temperaturanstieg und einer
Intensivierung des globalen Wasserkreislaufes während
der nächsten 100 Jahre ausgegangen. Bereits das vergangene Jahrhundert wurde von diesen Trends beherrscht. Die Temperatur nahm während der letzten 100
Jahre um 0.5 °C zu, und die winterliche Niederschlagsmenge ist auf der Alpennordseite um 30% angestiegen.
Für die Erstellung des Klimaszenarios wurden im Wesentlichen grossräumige Klimatrends für Europa auf das Thur-
Abb.2: Vergleich der in der Konrollsimulation berechneten Abflusswerte mit den zugehörigen gemessenen Abflusswerten am
Pegel Andelfingen während der Periode 1981-2000 (Corrlation of Efficiency).
Das hydrologische Modell WaSiM wurde mit diesen Szenarien angetrieben, um Aussagen über mögliche Veränderungen des Abflussregimes der Thur unter diesen hypothetischen Umweltbedingungen zu machen. In den Simulationen wurde von denselben Wetterereignissen ausgegangen, wie sie in den Jahren 1981 bis 2000 beobachtet wurden. Für die Szenarien wurden lediglich die Temperatur
und die Intensität der Niederschlagsereignisse verändert.
Die Resultate der verschiedenen Szenarien wurden graphisch dargestellt und anschliessend miteinander verglichen.
R2-Wert = 1
perfekte Übereinstimmung zwischen Messdaten und
Modellsimulation. R2-Wert = 0
keine Übereinstimmung zwischen
Messdaten und Modellsimulation
gebiet übertragen. Auf Basis der Temperaturentwicklung,
welche die SRES-Szenarien liefern, wird für die Modellrechnung ein ad hoc Szenario gebildet, das bis zum Jahr
2100 von einer Temperaturzunahme von 3°C ausgeht.
Verschiedene Forschungsinstitute verwenden die SRESSzenarien für die Abschätzung zukünftiger Niederschläge.
Generell zeigt sich für Zentraleuropa eine starke Zunahme
der Niederschläge im Winter (Dezember bis Februar) und
eine schwache Abnahme der Niederschläge im Sommer
(Juni bis August).
1
2
Für das erarbeitete Klimaszenario wurden die IPCC-Szenarien A1, A2,
B1 sowie B2 berücksichtigt (IPCC, 2001).
4
Diese Abschätzungen werden als Ausgangslage für das
Klimaszenario verwendet, was für die Wintermonate (Dezember bis Februar) eine maximale Niederschlagszunahme von 30% für Ende dieses Jahrhunderts bedeutet. Für
den Sommer (Juni bis August) ergibt sich eine Reduktion
der Niederschläge von maximal 10%. Die Werte zwischen
den maximalen Korrekturen werden durch eine angepass-
2001). Als Ausgangslage für die Ermittlung des Landnutzungsszenarios wurde ein Datensatz des BFS mit einer
2
Auflösung von 1 km verwendet, welcher als Ist-Zustand
im hydrologischen Modell implementiert ist.
Für die Bildung des Landnutzungsszenarios wurde von
folgenden Veränderungstendenzen der Landnutzung ausgegangen:
§
Veränderungen der Siedlungsflächen: Zunahme
der Siedlungsfläche von rund 10% in 10 Jahren
(Abschätzung aus BFS-Daten)
§
Veränderungen landwirtschaftlicher Nutzflächen:
Abnahme um 3% in 10 Jahren (Abschätzung aus
BFS-Daten),
Verwaldung
sämtlicher
landwirtschaftlichen Nutzflächen oberhalb von 800
oder 1000 m.ü.M.
Auf der Basis der Datenerhebung des BFS wurden
schliesslich folgende Landnutzungsszenarien für Ende
dieses Jahrhunderts angenommen:
§
Verwaldung sämtlicher landwirtschaftlicher Nutzflächen oberhalb von 1000 m.ü.M.
te Sinusfunktion abgeschätzt (siehe Abbildung 3). Daraus
ergibt sich eine durchschnittliche Zunahme der Niederschläge von rund 7% über das gesamte Jahr.
§
Verdoppelung der Siedlungsfläche der schon bestehenden Siedlungen auf Kosten landwirtschaftlicher Nutzflächen
Die Variablen Niederschlag und Temperatur sind in den
Eingangsdatensätzen des WaSiM enthalten und wurden
dem Szenario entsprechend angepasst. Das Modell generiert die dazugehörigen, hypothetischen Daten zum Abfluss, zum Schneespeicher, zur Verdunstung, etc. Diese
Resultate wurden graphisch dargestellt und mit den Ergebnisse der Kontrollsimulation verglichen.
§
Kombination der Szenarien Verwaldung und Verdoppelung der Siedlungsfläche
Abb. 3: Monatliche Änderung der Niederschlagsintensitäten in %
(verwendet für das Klimaszenario).
Das Bundesamt für Statistik liefert gute Informationen über
die Landnutzung und ihre Veränderungstendenzen (BFS,
Abb. 4a: Ist-Situation der Landnutzung im Thureinzugsgebiet.
Abbildung 4a zeigt die aktuelle Landnutzung, wie sie als
Ist-Zustand im Modell implementiert ist. Abbildung 4b stellt
die Kombination der Szenarien Verwaldung und Verdoppelung der Siedlungsfläche dar. Die Verdoppelung der Siedlungsfläche (rot) führt zu grossen Ballungszentren in tiefliegenden Teilen des Einzugsgebietes, während sich die
Verwaldung fast ausschliesslich auf die Bergregion Toggenburg/Säntis beschränkt.
Abb. 4b: Situation bei Verdoppelung der Siedlungsfläche
und Verwaldung oberhalb von 1000 m.ü.M.
5
In Tabelle 1 sind die verwendeten Szenarien zusammengefasst dargestellt.
&
'
Das Klimaszenario zeigt grosse Änderungen im Vergleich
zum Kontrollsimulation des Modells. Grosse Unterschiede
zeigen sich in der Abflussmenge, der Verdunstung und im
Schneespeicher.
Für die Auswertung der Resultate wurden die Einzugsgebiete Andelfingen, Halden und Jonschwil intensiver betrachtet (Abbildung 1). Somit wurden bei der Auswertung
ein Einzugsgebiet mit einer hohen Modellgüte (Andelfingen), ein Einzugsgebiet mit einem geplanten Rückhaltebecken (Halden) wie auch ein Einzugsgebiet des Oberlaufs
mit einem hohen Waldanteil (Jonschwil) berücksichtigt.
Sowohl die mittlere jährliche Abflussmenge, als auch die
Verteilung des Abflusses über das Jahr ändern sich stark
(Abbildungen 5 und 6). Das heutige Flussregime zeigt eine
ausgeprägte Sommerspitze mit den maximalen Abflüssen
in den Monaten April bis Juni. Die Monate mit hohen Abflüssen verschieben sich vom Sommer in der Kontrollsimulation (heutige Situation) auf den Winter im Klimaszenario.
"
#
$
%
&
Tab. 1: Überblick der verwendeten Szenarien
Szenario
Szenariobeschreibung
Kontrolllauf
Meteorologische Daten der Jahre 1981 – 2000 und im Modell implementierte
Landnutzungsdaten
Zunahme der Temperatur um 3°C, Zunahme der Niederschläge um 7% gemäss
Abb. 3
Verwaldung sämtlicher landwirtschaftlicher Nutzflächen oberhalb von 1000 m.ü.M.
Klimaszenario
Landnutzungsszenario
Verwaldung
Landnutzungsszenario
Siedlungsflächenzunahme
Landnutzungsszenario
kombiniert
Kombiniertes Szenario Klima
und Landnutzung
Verdoppelung der Siedlungsfläche schon bestehender Siedlungen auf Kosten
landwirtschaftlicher Nutzflächen
Verwaldung und Verdoppelung der Siedlungsfläche kombiniert
Klimaszenario und Landnutzungsszenario (Verwaldung und Siedlungsflächenverdoppelung) kombiniert
Folgende Daten und Resultate wurden in die Auswertungen einbezogen:
3
§
Abfluss in [m /s] des gesamten, oberhalb des betrachteten Pegels liegenden Einzugsgebietes
§
Verdunstung in [m /s] in den einzelnen Teileinzugsgebieten
§
Niederschlag in [m /s] in den einzelnen Teileinzugsgebieten
§
Schneespeicher in [mm] Wasseräquivalent in den
einzelnen Teileinzugsgebieten
§
Temperatur in [°C]
3
3
Ein Vergleich zwischen heutigen Abflüssen und dem Abfluss im Klimaszenario zeigt deutlich, dass die mittleren
monatlichen Abflüsse bei allen Pegeln in den Monaten
November bis März zunehmen, während sie in den Monaten April bis Oktober abnehmen. Die verhältnismässig
grösste Abnahme wird im August mit zirka -30% erreicht,
obschon die Niederschläge in den Sommermonaten nur
um rund 10% abnehmen. Die grösste Zunahme des Abflusses tritt im Dezember mit rund +20% auf. Über das
ganze Jahr gesehen nimmt die Abflussmenge über das
gesamte Einzugsgebiet um rund 9% ab.
Das Modell berechnet die Output-Daten in Stundenschritten. Für die Darstellung wurden diese Stundenwerte in
Monatsmittelwerte umgerechnet und jeweils von Novem3
ber bis Oktober aufgetragen.
3
Das hydrologische Jahr dauert jeweils vom 1.November eines Jahres
bis zum 31. Oktober des folgenden. Das Winterhalbjahr umfasst die
Monate November bis April, das Sommerhalbjahr die Monate Mai bis
Oktober. Diese Einteilung wählt man, um in der Jahresbilanz die Niederschläge erfassen zu können, die bereits im November und Dezember als
Schnee oder Eis gespeichert wurden und erst im folgenden Jahr abfliessen. Bei einer klassisch kalendarischen Einteilung blieben sie in der
Bilanz unberücksichtigt.
6
Abb. 5: Vergleich der Abflüsse (m3/s) zwischen Kontrollsimulation
Klimaszenario am Pegel Andelfingen.
Die Verschiebung der Abflussspitzen in tief gelegenen
Einzugsgebieten auf die Wintermonate kann darauf zurückgeführt werden, dass bei wärmeren Temperaturen im
Winter ein deutlich grösserer Anteil der Niederschläge als
Regen fällt. Dies wird durch die Abbildung 7 verdeutlicht:
Abb. 7: Vergleich der Abflüsse (m3/s) aus dem Schneespeicher.
zwischen Kontrollsimulation und Klimaszenario am Pegel Jonschwil
Der Abfluss aus dem Schneespeicher nimmt in einem
wärmeren Klima deutlich ab, was dadurch erklärt wird,
dass bei höheren Temperaturen weniger Schnee fällt als
heute. Dieser Effekt verringert die Abflusszeit der gefallenen Niederschläge erheblich, so dass die Wassermenge,
welche heute als Schnee bis in den Frühling hinein im
Einzugsgebiet liegen bleibt, im Klimaszenario mit kurzer
Verzögerung bereits wieder abfliesst.
Die Abnahme der jährlichen Abflussmenge trotz zunehmenden Niederschlägen kann damit erklärt werden, dass
Abb. 6: Vergleich der Abflüsse (m3/s) zwischen und
Kontrollsimulation und Klimaszenario am Pegel Halden.
die Verdunstung während des gesamten Jahres höher
liegt. So steigt die mittlere jährliche Verdunstung im Teileinzugsgebiet Andelfingen um 24%, im Teileinzugsgebiet
Halden um 29% (Abbildung 8) und im Teileinzugsgebiet
Jonschwil gar um 36%.
Abb. 8: Vergleich der Verdunstung (m3/s) zwischen
Kontrollsimulation und Klimaszenario im Teileinzugsgebiet Halden..
Der prozentuale Anteil des verdunsteten Niederschlags
nimmt von den Quellgebieten bis zum Unterlauf der Thur
um etwa einen Drittel zu. Wird für die betrachteten Pegel
das Verhältnis zwischen Verdunstung und Niederschlagsmenge für den Monat Juli berechnet, so ergeben sich folgende Werte: Bis Jonschwil verdunsten im Jahresschnitt
43% des Niederschlags, bis Halden schon 53% und im
ganzen Einzugsgebiet der Thur bis Andelfingen verdunsten durchschnittlich 59% des Niederschlags. Zum Vergleich; im ganzen Thureinzugsgebiet verdunsteten im Juli
7
in der Periode 1981-2000 durchschnittlich 46% des Niederschlags.
den Sommermonaten in einem wärmeren Klima
trocken?
Die relative kumulative Häufigkeit von Abflussereignissen
zeigt die Häufigkeit auf, mit welcher eine bestimmte Abflussmenge überschritten wird. Der minimale Abfluss hat
somit die relative Häufigkeit 1. Werden die Abflusshäufigkeiten im kombinierten Klima- und Landnutzungsszenario
betrachtet, zeigt sich eine Tendenz zu vermehrten Hochund Niedrigwasserereignissen.
Abbildung 9a zeigt, dass im Winter Ereignisse mit hohen
Abflüssen zunehmen. Abbildung 9b stellt die relative
kumulative Häufigkeit der Abflussereignisse in den
Sommermonaten
dar.
Hier
zeigt
sich,
dass
Niedrigwasserereignisse in ihrer Häufigkeit zunehmen.
Im Teileinzugsgebiet Andelfingen verdunstet gemäss Klimaszenario im Monatsmittel in den Monaten Mai bis Juli
gleich viel Wasser, wie die Niederschläge im Monatsmittel
für diese Monate liefern. Das bedeutet, dass im Teileinzugsgebiet Andelfingen im Monatsmittel netto kein Wasser
den Flüssen oder dem Grundwasser zufliesst. Das Wasser
am Pegel Andelfingen stammt in den Monaten Mai bis Juli
hauptsächlich aus den höher gelegenen Teileinzugsgebieten der Thur und dem Grundwasserspeicher. Wie viel
Wasser dem Grundwasserspeicher entzogen wird, wurde
im Rahmen dieser Arbeit nicht untersucht.
Aus diesen Überlegungen ergeben sich interessante Fragestellungen, die in einer weiteren Studie vertieft bearbeitet werden müssten, um fundierte Aussagen machen zu
können:
Abb. 9a: Relative kumulative Häufigkeit von mittleren täglichen.
Abflüssen im Winter am Pegel Halden
§
Fallen kleinere Bäche im Teileinzugsgebiet Andelfingen, die nicht vom Grundwasser oder von Quellen mit grossem Reservoir gespiesen werden, in
§
Wie verändert die Abnahme in der Grundwasserneubildung den Grundwasserspiegel und -fluss im
Teileinzugsgebiet Andelfingen in einem wärmeren
Klima?
§
Was hat eine durch die Temperaturzunahme bedingte Erhöhung der Wassertemperatur für einen
Einfluss auf den Fischbestand in der Thur?
§
Inwiefern wirkt sich eine Veränderung des Abflusses und vor allem der Verschiebung der Hochwasserereignisse von den Sommer in die Wintermonate aus auf die Geschiebeführung der Thur?
Das Flussregime ändert seine Charakteristik im Klimaszenario grundlegend. Zu beachten ist allerdings, dass die
Szenarioannahmen von einer Erhöhung des Niederschlags
im Winter und einer Verminderung der Niederschlagsmenge im Sommer ausgehen. Die Änderungen im Abflussregime hängen direkt mit den Szenarioannahmen zusammen
und gelten nur unter diesen meteorologischen Bedingungen.
&
Szenario Verdoppelung der Siedlungsfläche
Ausgangslage des ersten Landnutzungsszenarios ist die
Verdoppelung der Siedlungsfläche auf Kosten landwirtschaftlicher Nutzflächen. Bei einer Zunahme versiegelter
Flächen könnte angenommen werden, dass der Abfluss zu
nimmt, weil Regen schneller über die Kanalisation in die
Abb. 9b: Relative kumulative Häufigkeit von mittleren täglichen
Abflüssen im Sommer am Pegel Halden.
Gewässer gelangt und nur zu einem geringeren Teil verdunstet. Im Gegensatz dazu kann Wasser von unbebauten
Böden bis zur Sättigung aufgenommen werden und verdunstet anteilsmässig viel stärker.
8
Wie aus Abbildung 10 ersichtlich, hat die Verdoppelung
der Siedlungsflächen allerdings kaum einen Einfluss auf
die Abflussmenge. Die Änderungen liegen im Bereich der
Modellunsicherheit. Frühere Untersuchungen
kamen
ebenfalls zum Ergebnis, dass eine Zunahme der Siedlungsflächen keinen signifikanten Einfluss auf das Wasserregime hat (Renzo Rosso, 2000).
Szenario Verwaldung oberhalb von 1000 m.ü.M.
In diesem Szenario wird von einer Verwaldung der landwirtschaftlichen Nutzflächen oberhalb 1000 m.ü.M. ausgegangen.
Aufgrund der höheren Wasserspeicherkapazität der Bäume kann angenommen werden, dass die Verdunstung in
Lagen oberhalb von 1000 m.ü.M. zunimmt. Dies könnte zu
einer Abnahme des Abflusses führen.
Wie Abbildung 11 zeigt, kann diese Hypothese nicht bestätigt werden: Die Änderungen des Abflusses liegen im Bereich der Modellunsicherheit.
Kombiniertes Szenario: Verdoppelung der Siedlungsfläche und Verwaldung oberhalb von 1000 m.ü.M.
Die Verdoppelung der Siedlungsfläche und Verwaldung
oberhalb von 1000 m.ü.M. werden in diesem Szenario
Abb. 10: Vergleich der Abflüsse (m3/s) zwischen Kontrollsimulation.
und Siedlungsszenario am Pegel Andelfingen
miteinander kombiniert. Da weder die Verdoppelung der
Siedlungsflächen noch die Verwaldung einen Einfluss auf
die Flusshydrologie haben, wird auch für die Kombination
beider Szenarien keine Änderung gegenüber der Kontrollsimulation erwartet. Dies wurde durch das Modell bestätigt.
Kombiniertes
Szenario
nutzungsänderung
Klimaänderung/Land-
Das Klimaszenario und das Landnutzungsszenario Verdoppelung der Siedlungsfläche und Verwaldung oberhalb
1000 m.ü.M. wurden kombiniert. Die bereits geschilderten
Resultate legen nahe, dass Änderungen des Flussregimes
aufgrund dieser Kombination der Szenarien fast ausschliesslich durch die Klimaänderung verursacht werden.
Die Modellrechnungen bestätigten dies: Die Klimaänderungen hat einen viel stärkeren Einfluss als die Landnutzungsänderungen: Der Abfluss wird im Wesentlichen
durch das Klima bestimmt. Landnutzungsänderungen spielen dabei eine untergeordnete Rolle.
Die Resultate zeigen, dass der Einfluss des Klimas auf das
Abflussregime der Thur bedeutend grösser ist, als der
Einfluss einer veränderten Landnutzung. Bei der Diskussion über die zukünftige Flusshydrologie ist dementsprechend zu berücksichtigen, dass eine der Hauptursachen
einer Änderung des Flussregimes klimatische Veränderungen sein werden. Veränderungen der Landnutzung, wie
beispielsweise eine Zunahme der Siedlungsfläche oder
eine starke Verwaldung, spielen gemäss den Simulationen
Abb. 11: Vergleich der Abflüsse (m3/s) zwischen Kontrollsimulation
und Waldszenario am Pegel Andelfingen.
eine marginale Rolle.
Aus dem Sicht des Hochwasserschutzes interessieren vor
allem die Hochwasserereignisse. Die Ergebnisse der
Simulationen zeigen, dass die Häufigkeit von Hoch- und
Niedrigwasserereignissen tendenziell zunehmen wird.
Somit wird der Hochwasserschutz entlang der Thur auch in
Zukunft von Bedeutung sein. Die Szenarien deuten vor
allem für die Wintermonate auf eine erhöhte Wahrschein-
9
lichkeit von hohen Abflussspitzen hin. Potential für ein
Hochwasserereignis ist dann gegeben, wenn sich lang
andauernde Niederschlagsperioden ergeben mit wenig
Schneeakkumulation in höheren Lagen, kombiniert mit
bereits wassergesättigten Böden. Solche Situationen sind
in Zukunft häufiger zu erwarten, falls die angenommenen
Klimaänderungen tatsächlich eintreten. Hochwasserspitzen im Frühsommer, wie sie heute vor allem auftreten,
nehmen bei der Betrachtung von gemittelten Tageswerten
tendenziell ab. Dies ist auf die Annahmen des Klimaszenarios zurückzuführen, die davon ausgehen, dass gegenüber
heute die Niederschläge im Frühsommer abnehmen. Kurze, aber heftige Sommergewitter sind hier nicht mitberücksichtigt, da sie das Abflussverhalten oft nur für wenige
Stunden beeinflussen. Dadurch besteht auch in Zukunft
die Gefahr, dass Sommergewitter unter Annahme einer
geringeren Wasserführung für kurze Zeiten zu Spitzenabflüssen führen können und dürfen deshalb nicht ausgeschlossen werden.
Für die Entstehung von Extremhochwassern ist insbesondere die zeitliche Verteilung von Niederschlägen ausschlaggebend. In den verwendeten Simulationen wird von
denselben Niederschlagsereignissen ausgegangen, wie
sie in den Jahren 1981 bis 2000 beobachtet wurden. Im
Klimaszenario wurde lediglich die Intensität verändert.
Wahrscheinlich wird sich aber bei einer Klimaveränderung
nicht nur die Intensität, sondern auch die Struktur der Niederschlagsereignisse verändern. Insbesondere sind in den
Wintermonaten
länger
andauernde
Perioden
mit
kontinuierlichen Niederschlägen zu erwarten. Solche
Änderungen werden im Modell nicht berücksichtigt.
Insofern sind die Aussagen über zukünftige Hochwasser
mit Vorsicht zu bewerten.
Heute treten Niedrigwasserperioden vor allem im Winter
und Spätsommer auf. Die Resultate der Szenarien zeigen
eine Verschiebung der Niedrigwasserereignisse in die
Sommermonate. Daraus ergeben sich Konsequenzen für
Nutzer, die auf eine Wasserversorgung durch die Thur
angewiesen sind. Das sind zum Beispiel Abwasserreinigungsanlagen, für welche die Thur als Vorfluter dient. Die
Zunahme von Niedrigwasserereignissen, aber auch die
allgemeine Tendenz zu geringeren Abflussmengen kann
zu erhöhten Belastungen des Flusses mit Stoffen aus
Landwirtschaft und Siedlungsabwässern führen. Führt der
Fluss nur wenig Wasser, erhöht sich entsprechend die
Konzentration der Stoffe, die von den Abwasserreinigungsanlagen in den Fluss geleitet werden. Schon heute
ist die Wasserqualität bei Niedrigwasser im Sommer
schlecht. Wie stark diese Auswirkungen in Zukunft sein
werden, kann im Rahmen dieser Arbeitsgruppe nicht abgeschätzt werden.
Auch die Landwirtschaft ist für Bewässerungszwecke auf
Thurwasser angewiesen. Besonders in den tiefer gelegenen Thureinzugsgebieten wird heute Thurwasser für die
Bewässerung von landwirtschaftlichen Kulturen verwendet.
Die Resultate weisen auf eine deutliche Abnahme der Abflüsse in den bewässerungsintensivsten Monaten hin. Geringere Abflussmengen im Sommer könnten in Zukunft zu
Konflikten zwischen der landwirtschaftlichen Nutzung und
Naturschutzanliegen führen. Allerdings sind die Simulationen für Niedrigwasser deutlich unsicherer, als Simulationen für mittlere Abflussmengen. Insofern sind diese Aussagen mit Vorsicht zu bewerten.
Die Simulationen zeigen, dass die Verdunstung in den
Sommermonaten erheblich zunimmt. Da in diesen Jahreszeiten gleichzeitig auch die Niederschläge abnehmen,
stellt sich die Frage, wie dies den Grundwasserspiegel im
Einzugsgebiet beeinflusst. Ausgehend von den Ergebnissen der Szenarien ist es vorstellbar, dass aufgrund der
Abnahme in der Grundwasserneubildung der Grundwasserspiegel absinken könnte. Eine Beurteilung der sich daraus ergebenden Konsequenzen erfordert weitere Arbeiten
auf dem Gebiet der Flusshydrologie.
"
Arbeitsgruppe Klima und Hydrologie
Dr. Jan Kleinn, Institut für Atmosphäre und Klima, ETH
Zürich (Tutor)
Mark Verbunt, Institut für Atmosphäre und Klima, ETH
Zürich (Tutor)
Raffaele Quirici
Mario Schläpfer
Peter Preuschoff
Daniel Gasser
Roland Wegmann
Lukas Hauser
BSF, 2001: Bodennutzung im Wandel. Arealstatistik
Schweiz. Bundesamt für Statistik, Neuenburg 2001.
IPCC, 2001: Climate Change 2001: The Scientific Basis.
Contribution of Working Group I to the Third Assessment
Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.
Cambridge University Press.
Kleinn, Jan 2002: Climate Change and Runoff Statistics in
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