Auswirkungen des Klimawandels auf den Wasserhaushalt

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1 Potsdam Institut für Klimafolgenforschung Mitglied der Gottfried Wilhelm Leibniz Gesellschaft Potsdam, 05. Februar 2007 Auswirkungen des Klimawandels auf den Wasserhaushalt Fred F. Hattermann, Potsdam Institut für Klimafolgenforschung

2 Potsdam Institute for Climate Impact Research Member of the Gottfried Wilhelm Leibniz Society Einleitung Die Analyse langjähriger Zeitreihen zeigt, dass das Klima der Erde gegenwärtig einem signifikanten Wandel unterliegt (IPCC 2007). Über Änderungen im Niederschlag, der Temperatur und der Strahlungsbilanz wirkt sich der Klimawandel auf den regionalen Wasserhaushalt aus. Dabei werden die Klimaeffekte noch durch menschliche Eingriffe überlagert. Die Folgen für die europäische Wasserwirtschaft können je nach Region und Sektor schwerwiegend sein und sollten im Sinne eines nachhaltigen Ressourcenmanagements in der wasserwirtschaftlichen Planung Berücksichtigung finden. Dazu ist es notwendig, die Bandbreite der möglichen Änderungen zu erforschen. IPCC, Part I (2007): The Scientific Basis. Contributions of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Technical report, Cambridge University Press.

3 Gliederung Einführung Das Elbegebiet - Klimawandel im Elbegebiet - Das Projekt GLOWA Elbe Modellierung des Wasserhaushaltes Szenarienergebnisse Ausblick

4 Einführung: Der Globale Wasserkreislauf Die Zahlen geben den Transport in 100 km³ pro Jahr an.

5 Hintergrund: Lokale Wasserbilanz in Potsdam Wasserhaushaltsgleichung: Niederschlag = Abfluss + Verdunstung +/- Speicheränderung Niederschlag in Potsdam ~600mm Verdunstung in Potsdam ~500mm Der Rest = Abfluss (100 mm) fließt über die Flüsse zum Meer Daraus folgt: eine Niederschlagsänderung von 10% des Niederschlags oder der Verdunstung entspricht ca. 50% des Abflusses. (1mm Niederschlag entspricht 1 Liter Wasser pro Quadratmeter)

6 Der Klimawandel in Europa Beobachtungen 1 (Änderung des Niederschlags in Europa über das 20. Jahrhundert) Winter [mm] Sommer Gesamtjahr rot blau negativ positiv Quelle: PIK Datenbank PixDat

7 Der Klimawandel in Europa Beobachtungen 2 (Kumulative Nettobilanz des Eises in den wichtigsten Gletschergebieten Europas) Der Grafik folgend sank das Volumen aller europäischen Gletscher bis auf das der norwegischen, da hier die Menge des Schneefalls zunahm. Frauenfelder, WGMS (2003) aus: EEA Report No 2/2004

8 Szenario: Änderung des Niederschlages (IPCC 2007) (rot - negativ, blau - positiv)

9 Wasserbezogene Probleme im Elbegebiet Es gibt drei Formen von wasserbezogenen Problemen in Flusseinzugs-gebieten (Kundzewicz et al ): 1. Zu viel Wasser 2. Zu wenig Wasser 3. Wasserqualität Wichtigste Forschungsdefizite gemäß Expertenbefragung*: Hochwassergefahr Häufigere und ausgedehntere Dürreperioden im Sommer Unsicherheiten in den Klimaszenarien Diffuse Stoffeinträge in die Oberflächengewässer * Daten: Deutsches Verbundprojekt GLOWA-Elbe und europäisches Verbundprojekt NeWater

10 Forschungsschwerpunkt nachhaltige Wasserwirtschaft (Das Beispiel des deutschen Elbegebietes) Entwicklung der beobachteten Niederschläge im Elbeeinzugsgebiet Niederschlagsmittel Trend des Niederschlages Rückgang der Niederschläge im Osten, Daten: Wodinski, Gerstengarbe und Werner, PIK Potsdam Zunahme der Niederschläge im Westen

11 Das Elbeeinzugsgebiet Moderates Klima (8.6 C mittlere Temperatur, 715 mm Jahresniederschlag) Zweitniedrigstes Wasserdargebot pro Kopf in Europa (680 m 3 ).

12 Fragestellungen Wie Manifestiert sich der Klimawandel im Elbegebiet? Welche Folgen hat das für den Wasserhaushalt? Wie kann das Wasser nachhaltig bewirtschaftet werden? Welche Methoden müssen dazu entwickelt werden?

13 Projekt GLOWA: Klimawandel und Anpassungsoptionen im Elbeeinzugsgebiet Szenarien des globalen Wandels Wasserdargebot Klima Landnutzung Wassernutzung Wasserbedarf Szenarien des zukünftigen Bedarfs Wassermanagement Managementoptionen Jetzt Zukunft

14 Forschungsschwerpunkt nachhaltige Wasserwirtschaft (Klimatische Wasserbilanz im Elbeeinzugsgebiet ) Daten: Wodinski, Gerstengarbe und Werner, PIK Potsdam

15 Landnutzungswandel Klimawandel WATSIM Globale Agrarmärkte RAUMIS 1) Optimierung der landw. Einkommen ECHAM5 Globales Klimaänderungszenario STAR/REMO Regionale Klimaszenarien Regional Global 2) Anbauverteilungen unter Globalem Wandel Ertragspotentiale SWIM 100 Realisationen Stickstoffüberschüsse 4 Szenarien Wasserqualität: QSIM/Moneris Tägliche Abflüsse 1) Potentielle Erträge unter Klimawandel 2) Landschaftswasser-haushalt unter globalem Wandel Bewertung Monatliche Abflüsse Wasserwirtschaft: WBalMo Sozioökonomie, Kraftwerke, Tourismus, Industrie etc. Landschaft

16 Das Modell SWIM: Regionalisierung (Soil and Water Integrated Model, Krysanova et al. 2000) Klima: Strahlung, Temperatur & Niederschlag a Wasserkreislauf B Klima: Strahlung, Temperatur & Niederschlag Bodenprofil Flaches Grundwasser A C Pflanzenwachsum LAI Biomasse Wurzeln Stickstoffkreilauf N-NO 3 N o-ac N o-st N res Phosphorkreislauf P lab P m-ac P m-st Wasserkreislauf Bodenprofil A B C Flaches Grundwasser Perkolation OF-Abfluss b Pflanzenwachsum c BFI Biomasse Wurzeln Stickstoffkreislauf Tiefes Grundwasser Landbedeckung Landnutzung N-NO 3 N o-ac N o-st N res Phosphorkreislauf P lab P m-ac P m-st P org P res GW-Neubildung Tiefes Grundwasser Interflow d P org P res Basi sabfluss Pflanzenaufnahme Landbedeckung Landnutzung Brandenburg

17 Hydrologische Prozesse in SWIM net radiation air temperature relative humidity wind speed surface roughness evaporation transpiration precipitation retention coefficient land use soil texture management slope LAI surface drainage field capacity passage time t per layer hydraulic conductivity soil water content subsurface drainage drainable water from the saturated zone drainage porosity saturated conductivity percolation capillary rise slope length groundwater groundwater flow

18 1. Modellkalibrierung/-validierung: Multiskalige Untersuchungen Luechow / Jeetze Hadmersleben / Bode Calbe Grizehne / Saale Luechow / Jeetze Unstrut / Oldisleben Hadmersleben Laucha / / Bode Saale Greiz / Calbe Weiße Grizehne Elster / Saale Unstrut / Oldisleben Kilometers Laucha / Saale Greiz / Weiße Elster Kilometers Blankenstein / Upper Saale Neu Darchau / Elbe Blankenstein / Upper Saale Neu Darchau / Elbe Gadow / Löcknitz Wolfshagen / Stepenitz Gadow / Löcknitz Wolfshagen / Stepenitz W N Babelsberg / Nuthe Bauzen / Spree Wechselburg / Mulde S E W Wechselburg / Mulde N S [m3/s] Babelsberg 300 / Nuthe [m3/s] [m3/s] E 1/1/83 4/1/83 7/1/83 10/1/83 1/1/84 4/1/84 7/1/84 10/1/ Bauzen / Spree Abfluss beobachtet Abfluss simuliert Abfluss beobachtet Abfluss simuliert 1/1/83 4/1/83 7/1/83 10/1/83 1/1/84 4/1/84 7/1/84 10/1/84 Abfluss beobachtet Abfluss simuliert 1/1/83 4/1/83 7/1/83 10/1/83 1/1/84 4/1/84 7/1/84 10/1/84

19 Szenarienergebnisse

20 Wasserhaushalt unter Globalem Wandel: 100 Simulationen Integriert für das Gesamtgebiet Mittel % enthalten Mittel % enthalten Niederschlag Gundwasserneubildung Anzahl Simulationen -1.5 % 2 signifikant* Verdunstung +6.8 % 14 signifikant* % 14 signifikant* Oberflächenabfluss % 11 signifikant* [mm] [mm] *Mittelwertvergleich (Referenz - Szenariorealisation) mit t-test, p 0.05)

21 Forschungsschwerpunkt nachhaltige Wasserwirtschaft (Das Beispiel des deutschen Elbegebietes) Entwicklung der Niederschläge und der Grundwasserneubildung unter Szenariobedingungen (Differenz zu => rot negativ, blau positiv) Differenz Jahresniederschläge Differenz Grundwasserneubildung [mm] [mm]

22 Grundwasserneubildungskarten Referenz und Szenario Referenz ( ) Szenario Differenz ( ) Szenario- Variabilitätskoeffizient Referenz [mm] [mm] [mm] [%]

23 Änderung der Saisonalität des Abflusses in der Elbe Abfluss am Elbepegel Neu Darchau in m 3 s simuliertes Mittel % der Simulationen % der Simulationen J F M A M J J A S O N D Monat

24 Forschungsschwerpunkt nachhaltige Wasserwirtschaft (Pegel Große Tränke, Berlin-Zufluss der Spree, Juli-Werte) Ziel: 8m 3 /s Durchfluss [m3/s] Ohne weitere Maßnahmen kann unter Szenarienbedingungen das Ziel von 8m 3 /s nicht gehalten werden Tagebauwassereinleitung minus Infiltrationsverluste Basis_stabil Basis_wandel OderBln_wandel Bedarf Überleitungsmenge Jahres-Perioden ( ) Talsperre Spremberg Perioden Talsperren Bautzen/ Quitzdorf Speicher Lohsa II/ Bärwalde Cottbuser See Durch eine angepasste Steuerung kann auch unter Szenarienbedingungen das Ziel von 8m 3 /s gehalten werden (Kaltofen et al. 2004)

25 Forschungsschwerpunkt nachhaltige Wasserwirtschaft (Das Beispiel des deutschen Elbegebietes) Entwicklung der landwirtschaftlichen Erträge unter Klimaänderung (Differenz der Erträge zu => rot negativ, grün positiv) Winterweizen [%] Silomais [%] [%] Änderung der landwirtschaftlichen Erträge unter Klimaänderung: Während die potentiellen Erträge für Winterweizen fast im gesamten Elbegebiet zurückgehen, steigen sie für Silomais dort an, wo der Rückgang der jährlichen Niederschläge nicht zu extrem ist.

26 Forschungsschwerpunkt Hochwasser Entwicklung der beobachteten Niederschläge im Elbeeinzugsgebiet Niederschlagsmittel Trend des Niederschlages Rückgang der Niederschläge im Osten, Daten: Wodinski, Gerstengarbe und Werner, PIK Potsdam Zunahme der Niederschläge im Westen

27 Forschungsschwerpunkt Hochwasser (Mögliche Zunahme von Hochwassern im Rheingebiet unter Klimawandel) (Menzel et al. 2006)

28 Forschungsschwerpunkt Hochwasser (Einfluss des Klimas und der Landnutzung auf die Hochwasserbildung) Oberrhein nördlich von Basel (Isteiner Klotz) um 1800 (Gemälde von Peter Birrmann, Kunstmuseum Basel) Der Oberrhein bei Breisach 1820 Wasserstraße Rhein nördlich Breisach 1870 höhere Abflussgeschwindigkeit geringerer Rückhalt in den Flussauen 1990

29 Vielen Dank! Auch an Michael Kaltofen, Frank Wechsung, Martin Wodinski und Tobias Conradt