Klimafolgen-Monitoring Hamburg Kennblatt zum IMPACT-Indikator Abflussverhältnisse der Alster (BH-I-2) I. Einordnung 1. Gliederung/Nr. BH-I-2 2. Kurzname Abflussverhältnisse der Alster 3. Indikator-Typ IMPACT-Indikator 4. Handlungsfeld und Binnenhochwasserschutz /0der Themenfeld 5. Indikationsfeld Abflussverhältnisse II. Definition und Berechnungsverfahren 1. Definition Für den IMPACT-Indikator BH-I-2 Abflussverhältnisse der Alster werden die Abflusskenngrößen Mittlerer Abfluss (MQ), Hochwasserabfluss (HQ) und Niedrigwasserabfluss (NQ) herangezogen. Der Indikator setzt sich damit aus drei Teil-Indikatoren zusammen: BH-I-2.1: Mittlerer Abfluss in der Alster (MQ), d.h. Entwicklung der mittleren Abflussmenge pro Jahr am Pegel Bäckerbrücke seit 1990 in m³/s BH-I-2.2: Maximaler Hochwasserabfluss in der Alster (HQ), d.h. Entwicklung der maximalen Abflussmenge pro Jahr am Pegel Bäckerbrücke seit 1990 in m³/s BH-I-2.3: Minimaler Niedrigwasserabfluss in der Alster (MQ), d.h. Entwicklung der minimalen Abflussmenge pro Jahr am Pegel Bäckerbrücke seit 1990 in m³/s. 2. Berechnungsgrundlage Der Abfluss wird als Wassermenge pro Zeiteinheit gemessen und in Kubikmetern pro Sekunde [m³/s] angegeben. Der Abfluss wird indirekt über die Geschwindigkeit des Wassers gemessen. Die mittlere Fließgeschwindigkeit wird multipliziert mit der durchflossenen Querschnittsfläche (m² x m/s=m³/s). Diese Messungen werden in größeren zeitlichen Abständen bei unterschiedlichen Wasserständen durchgeführt. Daraus wird eine Abflusskurve erstellt. Jedem gemessenen Wasserstand kann über diese Abflusskurve ein zugehöriger Abfluss zugeordnet werden. Aus den kontinuierlichen Messungen von Wasserständen (W) und Abflussmengen (Q) an Pegelständen werden Kenndaten abgeleitet, die eine gut nachvollziehbare Darstellung der langfristigen Entwicklung der Teilindikatoren ermöglichen. Mittlerer Abfluss Der mittlere Abfluss (MQ) in [m³/s] ist das arithmetische Mittel aller Tageswerte des Beobachtungszeitraums unter Angabe der Zeitspanne oder des Zeitabschnitts (Tages-, Monats-, Halbjahres- oder Jahresmittel). In der Regel bezeichnet man den durchschnittlichen Abfluss, bemessen auf ein Normaljahr also den langjährigen Durchschnitt. Kennblatt zum IMPACT-Indikator Abflussverhältnisse der Alster (BH-I-2) - 1 -
Hochwasserabfluss Der Hochwasserabfluss (HQ) in [m³/s] ist der höchste Wert, der am Messpunkt im gewählten Beobachtungszeitraum beobachtet wurde. Zu den Hochwasserabflusskennwerten gehören der Mittelwert (MHQ) und Jährlichkeit (HQ T ) von Höchstwasserabflüssen sowie HQ2 bis HQ100. Der Mittlere Hochwasserabfluss (MHQ) ist das arithmetische Mittel aus den höchsten Abflüssen (HQ) gleichartiger Zeitabschnitte für die Jahre des Betrachtungszeitraums. Der höchste jemals gemessene Hochwasserabfluss (HHQ) ist das historisch belegte Höchsthochwasser. Niedrigwasserwasserabfluss Der Niedrigwasserwasserabfluss (NQ) in [m³/s] ist der niedrigste Wert, der am Messpunkt im gewählten Beobachtungszeitraum beobachtet wurde. Zu den Niedrigwasserabflusskennwerten gehören Mittelwert (MNQ) und Jährlichkeit( NQT) von Niedrigwasserabflüssen als auch Niedrigwasserdauern (Mittelwerte, MND und Jährlichkeiten NDT). Zur Berechnungsgrundlage siehe Lexikon des Hochwassernachrichtendienstes Bayern www.hnd.bayern.de). 3. Datenquelle Die Werte des MQ, HQ und NQ werden am Pegel Bäckerbrücke routinemäßig von der BUE ermittelt und die Veröffentlichung der Daten erfolgt im Deutschen Gewässerkundlichen Jahrbuch (DGJ). Bei der BUE liegen für den Pegel Bäckerbrücke Daten seit 1968 vor. III. Bedeutung des Indikators 1. Begründung Klimaprojektionen für Deutschland und für Hamburg gehen davon aus, dass es durch den Klimawandel zu höheren Niederschlägen im Winterhalbjahr und geringeren Niederschlägen im Sommerhalbjahr kommt. Damit einhergehend wird mit einer Zunahme der Variabilität des Abflusses von Fließgewässern gerechnet; konkret mit einer höheren Wahrscheinlichkeit für Hochwasserereignisse und Niedrigwassersituationen. Die Änderungen des Niederschlaggeschehens werden sich damit zwangsläufig auf die wasserwirtschaftlichen Kenngrößen Hochwasserabfluss, Niedrigwasserabfluss und Mittlerer Abfluss auswirken mit tendenziell niedrigeren mittleren monatlichen Abflüssen im Sommer und höheren, länger andauernden Abflüssen im Winter. Auswirkungen von Binnenhochwasser In Hamburg treten neben tidebeeinflussten Hochwasser auch Binnenhochwasser auf. Beispiele hierfür sind die Binnenhochwasserereignisse im Juli 2002, Februar 2011 (vgl. LSBG 2011) und Dezember 2014. Für Binnenhochwasser sind insbesondere die Intensität und Dauer des Niederschlags, die Zunahme der Winterniederschläge und die Temperaturzunahme im Winter relevant. Zudem spielen Eigenschaften des Einzugsgebietes, die Struktur des Gewässers und der Wassersättigungsgrad des Bodens eine Rolle. Binnenhochwässer haben Auswirkungen auf Infrastrukturen, die Nutzung der Fließgewässer und die Gewässerökologie. Kennblatt zum IMPACT-Indikator Abflussverhältnisse der Alster (BH-I-2) - 2 -
Durch ein Binnenhochwasser können Infrastrukturen mit regionaler und überregionaler Bedeutung geschädigt werden (z.b. Verkehrsverbindungen, Wasser- und Energieversorgungseinrichtungen, Abwasserentsorgungsanlagen. Im privaten Bereich kann es zu Gebäudeschäden kommen. Durch Binnenhochwasser kann es auch zu einer Nutzungseinschränkung der Gewässer kommen, z.b. die Einstellung der Binnenschifffahrt ab einem bestimmten Pegelstand. Im Umfeld der Gewässer sind Erosionsschäden mit Uferabbrüchen möglich. Erhöhter Bodenabtrag vermehrt zudem in die Gewässer eingetragene Stofffrachten, die temporär zu einer Gewässerbelastung führen können. Auswirkungen von Niedrigwasser Auch Niedrigwasserperioden haben neben Nutzungseinschränkungen der Gewässer (z.b. für Binnenschifffahrt, Landwirtschaft), negative gewässerökologische Auswirkungen. Durch das Unterschreiten kritischer Wasserstände kann es zu Einschränkungen im Binnenschifffahrtsverkehr kommen. Dies betrifft nicht nur die Schifffahrt selbst, sondern auch diejenigen Wirtschaftszweige, die auf diesen Transport von Gütern angewiesen sind. In trockenen, heißen Sommern ist damit zu rechnen, dass genau dann in der Landwirtschaft, im Gartenbau und im Baumschulwesen der größte Bewässerungswasserbedarf auftritt, wenn in den Gewässern der geringste Niedrigwasserabfluss herrscht. Niedrige Wasserstände und steigende Lufttemperaturen erhöhen den natürlichen Wärmeeintrag in die Gewässer und bewirken, dass die Konzentration von gelöstem Sauerstoff im Wasser sinkt. Tiere und Pflanzen sind bei Niedrigwasser bereits durch das geringe Wasservolumen und die hohen Temperaturen gestresst. Die Reduktion des Sauerstoffs bedeutet dann eine zusätzliche Belastung. In Niedrigwasserphasen mit geringen Abflüssen kann es zu einer Aufkonzentration von schlecht abbaubaren Abwasserinhaltsstoffen kommen. Geringe Sauerstoffgehalte und höhere Wassertemperaturen begünstigen während Niedrigwasserperioden außerdem Rücklösungen (z.b. Phosphor) aus Gewässersedimenten und können so einen Stoffeintrag ins Gewässer nach sich ziehen und die Eutrophierungsgefahr steigern. Bei kleineren Fließgewässern kommt es zusätzlich noch zu Problemen der Durchgängigkeit für Fische sowie in Extremfällen sogar zum Trockenfallen der Gewässer bzw. Gewässerabschnitten. 2. Visualisierung Die Darstellung des IMPACT-Indikators BH-I-2 Abflussverhältnisse der Alster erfolgt für drei Teilindikatoren Kennblatt zum IMPACT-Indikator Abflussverhältnisse der Alster (BH-I-2) - 3 -
Abbildung 1: HQ - Pegel Bäckerbrücke - Alster 40,000 35,000 30,000 25,000 20,000 15,000 10,000 5,000 0,000 HQ - Pegel Bäckerbrücke - Alster 2014 2013 2012 2011 2010 2009 2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 1999 1998 1997 1996 1995 1994 1993 1992 1991 1990 HQ Quelle: BSU (Wagner) Abbildung 2: NQ - Pegel Bäckerbrücke - Alster 1,400 NQ - Pegel Bäckerbrücke - Alster 1,200 1,000 0,800 0,600 NQ 0,400 0,200 0,000 2014 2013 2012 2011 2010 2009 2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 1999 1998 1997 1996 1995 1994 1993 1992 1991 1990 Quelle: BSU (Wagner) Kennblatt zum IMPACT-Indikator Abflussverhältnisse der Alster (BH-I-2) - 4 -
Abbildung 3: MQ - Pegel Bäckerbrücke - Alster 6 MQ - Pegel Bäckerbrücke Alster 5 4 3 MQ 2 1 3. Beschreibung der Entwicklung 0 2014 2013 2012 2011 2010 2009 2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 1999 1998 1997 1996 1995 1994 1993 1992 1991 1990 Quelle: BSU (Wagner) Die Darstellung der zeitlichen Entwicklung der Abflüsse zeigt, dass sich seit 1990 die Hochwasserabflüsse erhöht haben, während bei den Niedrigwasserabflüssen eine Abnahme der Abflussmengen zu verzeichnen ist. Über die Entwicklung des mittleren Abflusses lässt sich keine Aussage treffen. 4. Bezüge Hamburger STATE- und IMPACT-Indikatoren Es besteht ein Bezug zu den STATE-Indikatoren Niederschläge, Regentage, Starkregentage, Länge und Dauer von Trockenperioden. Eine Intensivierung sommerlicher Starkregenereignisse und eine Zunahme winterlicher Niederschläge kann die Häufigkeit und Intensität von Hochwasserereignissen verändern. Bei den in Wintermonaten häufig wassergesättigten Böden werden die Niederschläge in der Regel direkt abflusswirksam. In den Sommermonaten können länger anhaltende Trockenperioden mit hohen Lufttemperaturen Niedrigwasser verschärfen. Es bestehen Bezüge zu den IMPACT-Indikatoren BH-I-3 (Hochwasser der Alster) und im Themenfeld Wasserwirtschaft (WW-I-01 Veränderung der Gewässertemperatur und WW-I-02 Veränderung der Sauerstoffkonzentration). Niedrigwassersituationen beeinflussen die Gewässerqualität. Sie verringern die Fließgeschwindigkeit und führen zu einer schnelleren Erwärmung der Gewässer. Als Folge ist mit einem erhöhten Biomassewachstum und Sauerstoffzehrung zu rechnen. Monitoringbericht zur Deutschen Anpassungsstrategie (DAS) Es besteht ein Bezug zu den DAS-IMPACT-Indikatoren WW-I-2 (Mittlerer Abfluss), WW-I-3 (Hochwasserabfluss) und WW-I-4 (Niedrigwasserab- Kennblatt zum IMPACT-Indikator Abflussverhältnisse der Alster (BH-I-2) - 5 -
fluss) im DAS Handlungsfeld Wasserhaushalt, Wasserwirtschaft, Küstenund Meeresschutz. 5. Hinweise Die Entwicklung der Abflüsse ist nicht allein durch die Niederschläge und deren Verteilung beeinflusst. In der Metropolregion Hamburg spielt hierfür auch die zunehmende Versiegelung der Einzugsgebiete und eben auch dessen der Alster eine Rolle. Niederschläge gelangen schneller in die Gewässer und sorgen so für höhere Hochwasserabflüsse. In Folge der dadurch verringerten Grundwasserneubildung vermindert sich auch der Basisabfluss in die Gewässer. Dies führt zu einer weiteren Verringerung der Niedrigwasserabflüsse. Insofern ist das Indikationsfeld Abflussverhältnisse mit Einschränkungen für das Klimafolgenmonitoring nutzbar, durch eine Trendbereinigung lässt sich sein Nutzen aber ggf. deutlich verbessern. 6. Referenzen - BSU (2004): Umsetzung der EG-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL), Landesinterner Bericht zum Bearbeitungsgebiet Alster, Bestandsaufnahme und Erstbewertung (Anhang II/Anhang IV der WRRL), Stand: 20.9.2004 - Hochwassernachrichtendienst Bayern: Lexikon des Hochwassernachrichtendienstes Bayern www.hnd.bayern.de - Landesbetrieb Straßen, Brücken und Gewässer (2011): Hochwasserschutz in Hamburg - Anleitung Deichverteidigung, Berichte des LSBG Nr.7/2011, Hamburg - Landesbetrieb Straßen, Brücken und Gewässer (2011): Hochwasser an Hamburgs Binnengewässern am 6. und 7. Februar 2011, Berichte des LSBG Nr.6/2011, Hamburg - Landesbetrieb Straßen, Brücken und Gewässer (2009): Hochwasserschutz für die Hamburger Binnengewässer, Berichte des LSBG Nr.3/2009, Hamburg - Umweltbundesamt (2015): Monitoringbericht 2015 zur Deutschen Anpassungsstrategie an den Klimawandel, Bericht der Interministeriellen Arbeitsgruppe Anpassungsstrategie der Bundesregierung, Dessau-Roßlau 7. Weblinks - Hochwasser in Hamburg [www.hamburg.de/hochwasser] - Überschwemmungsgebiete in Hamburg [www.hamburg.de/ueberschwemmungsgebiete] - Warndienst Binnenhochwasser Hamburg [Warndienst Binnenhochwasser Hamburg] Kennblatt zum IMPACT-Indikator Abflussverhältnisse der Alster (BH-I-2) - 6 -