Naturwissenschaftliche Grundlagen der Allg. Ökologie: Wasser. Prof. Dr. Rolf Weingartner Geographisches Institut

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1 1 Naturwissenschaftliche Grundlagen der Allg. Ökologie: Wasser Prof. Dr. Rolf Weingartner Geographisches Institut Ressourcen Gefahren

2 RessourcenAllg. Ökologie: Wasser 2 - hydrologische Grundlagen --> Wasserbilanz, blue und green water - globale Wasserressourcen - Wasserressourcen: regionale und nationale Betrachtung - Fazit

3 Grundlegend: Wasserbilanz 3 N = A + V + ds

4 Zirkulationselemente und Speichergrössen 4 Abfluss Niederschlag Verdunstung Bodenwasser Grundwasser Seen Gletscher kurzfristig langfristig Zirkulationselemente erneuerbar Speicherelemente Prinzip der Nachhaltigkeit Klimaänderung menschlicher Einfluss

5 Zirkulationselemente und Speichergrössen 5 Abfluss Niederschlag Verdunstung Bodenwasser Grundwasser Seen Gletscher Blue water für Bewässerung, Haushalt und Industrie Green water im Boden für landwirtschaftliche Produktion: --> Regenfeldbau Wasser --> --> Ernährung!

6 Blue water --> per capita-dargebot 6 Mittlerer Jahresabfluss eines Landes (Q) Einwohner (P) Q/P Erneuerbares Dargebot pro Person und Jahr (per-capita-dargebot) Mass Mass für für die die Wasserverfügbarkeit in in einem Land Land -- Ländervergleiche möglich (Statistik der der Weltbank)

7 per capita-dargebot - Schwellenwerte Wassermenge zur Deckung eines Kalorienbedarfs von 3000 kcal/d und des Wasserbedarfs von 50 l/d 7 CH: 5800 m 3 /E a Falkenmark (2005) ~ 1300 m 3 /a /a Water resources per capita [m 3 /(p a)] < 500 extreme scarcity chronic scarcity water stress > 1700 sufficient

8 Energieversorgung durch Ernährung (1999) 8 Totale Totale diätische Energiezufuhr pro pro Person (heutiger Mittelwert der der Erde) Erde) 2792 kcal/d, davon - 84% auf pflanzlicher Basis - 16% durch tierische Produkte Beispiele für den Wasserbedarf 1 kg Weizen: 1 bis 2 m 3 Wasser --> 2500 kcal Faktor 10 1 kg Fleisch: 10 m 3 Wasser ---> 2000 kcal (Schweine) Quellen: FAO (2001), Hong Yang und Zehnder (2002)

10 Wasserbilanz der Erde --> blue water 10 Süsswasserreserven der Erde - Berechnung V Festland 497 mm = km 3 N Festland 799 mm = km 3 A Festland Grundwasser 302 mm = km km 3 Flusswasser km 3 A in entlegenen Gebieten 8000 km 3 Nicht beherrschbare Hochwasser km 3 Geographisch und zeitlich verfügbarer Abfluss km 3 Quelle: Dyck (1999)

11 Ein durstiger Planet 11 Year Süsswasser 10 3 km 3 /a a Estimated water use Unterschiedliche Schätzungen der jährlich verfügbaren Menge 1300 m 3 /P a P = km 3 Bevölkerung [Mia.] Quelle: Zehnder (1997)

12 Wasserkrise = Nahrungskrise 12

14 Regionalisierung der globalen Wasserkrise 14 Semiaride Tropen als vulnerable Ökosysteme zusätzlich: schnelles Bevölkerungswachstum Armut, Hunger, Unterernährung Quelle: Falkenmark (2005)

15 Per-capita-Dargebot heute 15

16 Situation in Israel, Ägypten und Libyen (semi-arid) 16 m 3 /p a % % % Israel Ägypten Libyen Potentielles Dargebot Fossiles Grundwasser Zuflüsse Entsalzung < Virtuelles Wasser Total m 3 /p a, aber unterschiedliche Strategien Quelle: Hong Yang, Zehnder (2002)

17 Klammer: Bedeutung der Gebirge für die Wasserversorgung der Erde 17 Aus Bekanntem lernen Rhine Q [m³/s] Lowland Swiss Alps Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Lobith Köln Kaub Maxau Basel Diepoldsau Anteil der der Schweiz -- Abfluss Jahresmittel 34% -- Abfluss Sommer 40% -- Gebietsfläche 15% 2.3mal mehr Abfluss als aufgrund der Fläche erwartet werden kann Quelle: Viviroli, Weingartner (2004)

18 Klammer: Bedeutung der Gebirge für die Wasserversorgung der Erde 18 arid, semi-arid humid Quelle: Weingartner et al. (2005)

19 Klammer: Bedeutung der Gebirge für die Wasserversorgung der Erde 19 Mountain contribution to to the water supply of of the Earth Earth (without Antarctica and Greenland) A Runoff contribution of mountains B Proportion of mountainous area C Disproportionality C=A/B 29% 20% 1.45 Earth without humid Tropics (and without Antarctica and Greenland) 46% 24% 1.92 Sources: Fekete et al. (1999), Kapos et al. (2000), DEM with resolution 1 km * 1 km (USGS 1997) Quelle: Weingartner et al. (2005)

21 Fazit Bevölkerungswachstum und und erhöhter Verbrauch: Druck auf auf Wasserressourcen wird wird weiter zunehmen m 3 /E a Nächste 30 Jahre: - Bevölkerung + 2 Mia. - Bedarf an Getreide: +40% - Bedarf an Fleisch: +60% W A S S E R

22 Fazit Wasser ist ist in in vielen Regionen der der Welt Welt der der limitierende Faktor bei bei der der Nahrungsmittelherstellung Herausforderung der Zukunft: water for food Effizienz der Wasserwirtschaft i. allg. und der Bewässerung i. spez. World water vision: "There is a water crisis today. But the crisis is not about having too little water to satisfy our needs. It is a crisis of managing water so badly that billions of people and the environment suffer badly." Water harvesting techniques z.b. z.b. Zwischenspeicher für für Hochwasserabflüsse Effizientere Nutzung des green water

23 Fazit Bedeutung der der Wasserüberschussgebiete a) a) Gebirge -- vor vor allem im im (semi-) ariden Kontext Integrales Flussgebietsmanagement!

24 Fazit Bedeutung der der Wasserüberschussgebiete b) b) Humide Breiten --> --> virtuelles Wasser --> --> Nahrungsmittelexporte Finanzielle Stärkung der Länder des Südens Einsatz für einen fairen Welthandel Alte Postulate der der Entwicklungszusammenarbeit gelten auch im im Bereich des des Wassers Rolle der der Schweiz?

25 Allg. Ökologie: Wasser 25 Gefahren - Augusthochwasser Fragen an die Forschung: - Prozessverständnis - Hochwasserabschätzung - Konzepte des Hochwasserschutzes - Fazit

26 Grosse Naturkatastrophen auf der Erde 26

27 August 2005: Entfesselte Wasser 27 Vb-Wetterlage

28 Die Hochwassersituation im Überblick 28 N Temp. warm, warm, Intensitätszunahme Meteo Interlaken sehr sehr hohe hohe Abflüsse Abfluss Kander Gradient!! Wasserstand Thunersee das das Nadelöhr Abfluss Aare-Bern Grafiken: GHO-BWG

29 Die Hochwassersituation im Überblick 29 Quelle: BWG (2005)

30 Thunersee - ein Spiegelbild der Oberländer Hydrologie m 3 /s /s 50 km 2 Anstieg: 4 cm/h 2500 km m 3 /s /s 22. August 2005

31 31 Thunersee - ein Spiegelbild der Oberländer Hydrologie (prov.) Schadensgrenze Daten: Caroline Kan (BWG)

32 Thunersee 20% 15% 10% 5% 0% Walensee Jurarandseen Brienzersee Lago Maggiore Thunersee ohne Kander/Simme Zürichsee Bodensee Vierwaldstätter See Lac Léman Lago di Lugano Aegerisee Seefläche im Vergleich zum Zuflussgebiet 32 Idee: nach: Peter Schmocker Thunersee Zugersee Sempachersee kleiner See, grosses Zuflussgebiet

34 Wie entstehen Hochwasser? Schlüsselgrössen 34 1 Niederschlag - Menge, Intensität - zeitliche Verteilung - räumliche Verteilung Modelle 2 Boden - Dominanter Abflussbildungsprozess Q(t,T) Messung 3 Gerinne - Spitzenabfluss, Frachten [Q(t,T)] - Gerinnekapazität

35 1 Niederschlag 35 Regionalisierte Werte --> --> Abschätzung von von Punktwerten für für beliebige Orte Orte Quelle: Geiger et al. (1992)

36 2 2 1 Boden --> Schlüsselstellen im Boden 4 Schlüsselgrössen des Bodens beeinflussen die Infiltration und die Wasserbewegung im Boden Dominanter Abflussbildungsprozess 5 1 Vegetationsdecke (verhindert Verschlämmung) 6 2 Hydrophobizität (erhöht Oberflächenabfluss) 3 Makroporosität (schnelle Fliesswege) 6 Geolog. Untergrund (Staueffekte) Beilage Lagerungsdichte und Bodenmächtigkeit (bestimmen Wasserspeichervermögen) 5 Schnelle laterale Fliesswege (Drainage) Quelle: Scherrer (2003)

37 2 Boden: Dominante Abflussbildungsprozesse 37 Quelle: Scherrer (2003)

38 3 Gerinne 38 Messungen, Extrapolation Modellierung B A maximales Durchflussvermögen Hydraulik Massnahmen Wasserbau Zu Zu erwartende Spitzenabflussmengen Hydrologie

39 A Messung --> Extrapolation 39 Quelle: Spreafico, Weingartner, Barben, Ryser (2003)

40 A Messung --> Extrapolation 40 Chamuerabach Q(T) Q(T) Quelle: Spreafico, Weingartner, Barben, Ryser (2003)

41 B Modellierung 41 Antrieb -- Niederschlag -- Temperatur PREVAH Schweiz m ** m dt dt = 1h 1h Abfluss m 3 /s Hochwasserstatistik Q(t,T) Q(t,T)

43 Schäden pro Jahr, global 43

44 Schadenpotential Wahrscheinlichkeit des schädlichen Ereignisses pro Jahr früher Quelle: Weingartner (1999) Zeit ca ca Zeit Zeit Jährlicher Schadenerwartungswert Schutzmassnahmen gegen Hochwasser Zeit nach Schutzmassnahmen heute Entwicklung des Hochwasserrisikos 44

45 Konzeptes des Hochwasserschutzes 45 BWG [Bundesamt für Wasser und Geologie] (2001): Hochwasserschutz an Fliessgewässern. Wegleitung, Bern.

47 Fazit 47 Die angewandte Forschung sieht sich mit dem Problem konfrontiert, Extremwerte abzuschätzen (die nur selten direkt gemessen werden können) Ausserordentliche Ereignisse (2005!) zeigen: Es Es gibt keine 100%ige Sicherheit, aber ein 100%iges Risikobewusstsein Die Schweiz verfügt über ein modernes, umfassendes Schutzkonzept Allerdings: die Zeit läuft uns etwas davon