Auswirkungen auf Niedrigwasserabflüsse

Sehr niedriger Wasserstand, weite Teile des Flussbettes sind trockene Schotterflächen. Bild vergrössern Niedrigwasser an der Iller bei Kempten im Dezember 2011. Foto: Armin Rieg, WWA Kempten

Niedrigwasser ist ein Teil des natürlichen Abflussregimes und entsteht zum einen durch Niederschlagsmangel oder, insbesondere im Sommer, durch die Kombination von Niederschlagsmangel und hoher Verdunstung. In weiten Teilen Bayerns treten so verursachte Niedrigwasserperioden vor allem im Sommer und Herbst auf (pluviales Abflussregime). Zum anderen führt im Winter der Rückhalt des Niederschlags in der Schneedecke, in Gletschern und in gefrorenem Untergrund zu Niedrigwasser. Derartige Niedrigwasserereignisse sind typisch für den Alpenraum (nivales Abflussregime).

Definition von Niedrigwasser

Von Niedrigwasser spricht man laut DIN 4049, wenn:

  • a) der Wasserstand in einem See unter einen für dieses Gewässer typischen Schwellenwert fällt oder
  • b) der gemessene Abfluss in einem Fließgewässer einen Schwellenwert unterschreitet, der in Abhängigkeit vom Abflussregime dieses Fließgewässers definiert wird.

So legt beispielsweise der Bayerische Niedrigwasserinformationsdienst (NID) folgende Klasseneinteilung für Fließgewässer fest:

Juni und Ende September 2003. Der Schwellenwert 'niedrig' ist im Juni bereits unterschritten und die Durchflusswerte fallen beständig bis Anfang September. Zwischen Ende Juli und Ende September ist der Schwellenwert 'sehr niedrig' durchgehend unterschritten. Ausnahme bildet ein vorübergehender Anstieg von circa 7 Tagen Mitte September. Bild vergrössern Beispiel: Abflussganglinie eines Niedrigwasserzeitraums am Weißen Regen, Quelle: NID (Logarithmische Skala!)

Niedrig: Der aktuell gemessene Abfluss ist geringer als 75% aller Abflüsse, die über einen langjährigen Zeitraum (> 30 Jahre) im aktuellen Monat gemessen wurden.

Sehr niedrig: Der aktuell gemessene Abfluss ist geringer als der MNQ – der Mittelwert aus den Jahresminima der Tagesabflüsse mehrerer Jahre (> 30 Jahre).

Neuer Niedrigstwert: Der aktuell gemessene Abfluss ist geringer als der NNQ – der bisherige niedrigste Tagesabfluss.

Im Kooperationsvorhaben KLIWA wird dagegen häufig der mittlere (monatliche) Niedrigwasserabfluss (MNQ bzw. MNQ(m)) als Schwellenwert genutzt. Die Auswertungen betrachten neben dem Niedrigwasserabfluss zudem die Dauer und Häufigkeiten einer Niedrigwasserperiode oder den sogenannten NM7Q (Niedrigster Mittelwert von sieben aufeinanderfolgenden Tagesabflusswerten innerhalb einer Niedrigwasserperiode).

Die Bildung der zuvor genannten Niedrigwasserkennwerte ist in der nachfolgenden PDF näher erläutert. Mit Hilfe dieser statistischen Kennwerte lassen sich aktuelle Niedrigwassersituationen quantitativ beschreiben, auswerten und mit anderen Niedrigwasserereignissen vergleichen.

Ursachen von Niedrigwasser und dessen Auswirkungen auf den Wasserhaushalt

Wie stark sich die klimatologischen Ursachen in einem Flusseinzugsgebiet auswirken und ob es tatsächlich zu Niedrigwasser kommt, hängt von den natürlichen Gebietseigenschaften wie dem Abflussregime, dem Speichervermögen von Boden und Grundwasserkörpern, dem Verdunstungsverhalten und Rückhaltevermögen der Vegetation, aber auch der wasserwirtschaftlichen Nutzung ab.

Schematische Darstellung der Ursachen und Auswirkungen von Niedrigwasser. Erläuterung der Auswirkungen im Text. Ergänzung zu Ursachen: Niederschlagsdefizit und hohe Verdunstung im Sommer sowie Niederschlagsrückhalt als Schnee und Eis im Winterführen zu Niedrigwasser. Bild vergrössern Ursachen von Niedrigwasser und deren Auswirkungen auf die Elemente des Wasserhaushalts Oberflächengewässer, Boden- und Grundwasser

Die Auswirkungen und Quervernetzungen von Niedrigwasser sind vielschichtig. Es bedeutet nicht nur einen verringerten Wasserstand in einem See oder verringerten Abfluss in einem Fließgewässer. Vielmehr berührt es auch die Menge des im Boden gespeicherten Wassers. Aus einer verringerten Rate der Grundwasserneubildung und einem Leerlaufen der Grundwasserspeicher durch Quellen in die Fließgewässer hinein sinken auch die Grundwasserstände.

Darüber hinaus ändern sich Eigenschaften innerhalb des Wasserkörpers im Fließgewässer. So zieht eine geringere Wassermenge auch eine geänderte Gewässerqualität nach sich, die sich beispielsweise in Form erhöhter Stoffkonzentrationen äußert. Zusätzlich reagiert ein kleiner Wasserkörper schneller auf die Lufttemperaturen, das heißt er erwärmt sich rascher oder kühlt rascher ab. In diesem Kapitel soll jedoch vorrangig auf die Entwicklung der Abflussmengen eingegangen werden. Dem Grundwasser und der Gewässerqualität ist je eine gesonderte Unterseite gewidmet.

Die Trockenjahre 1976 und 2003, aber auch Trockenperioden in jüngster Zeit, wie beispielsweise im Herbst 2011 und 2012, machen deutlich, dass die Gewässer in ihrer Funktion als Lebensraum von extremen Niedrigwasserereignissen maßgeblich beeinträchtigt sein können. Detaillierte Informationen zur aktuellen hydrologischen Situation sowie der Situation während solch markanter Niedrigwasserperioden der Vergangenheit sind auf der Seite des Niedrigwasserinformationsdienstes (NID) zusammengestellt (Link siehe unten).

Auswirkungen auf die Wasserwirtschaft

Zulauf zu Talsperre als schmaler Bach, weite Teile des Stauraums liegen trocken Bild vergrössern Sehr weit abgelassene Talsperre (Bleilochtalsperre, Sächsische Saale im Oktober 2012) – in Zukunft Normalität?

Auch aus ökonomischer Sicht können lang anhaltende Niedrigwasserperioden zu erheblichem volkswirtschaftlichem Schaden führen. Durch die Komplexität der Niedrigwasserproblematik ist eine genaue Bezifferung des Schadens allerdings schwierig.

Die wasserwirtschaftlichen Nutzungen und ökologischen Funktionen, die durch Niedrigwasser beeinträchtigt werden können, hängen in einem vielschichtigen Wirkgefüge zusammen. Daraus resultieren auch konkurrierende Nutzungsansprüche. Dazu einige allgemeine Beispiele:

Schematische Darstellung der qualitativen und quantitativen Auswirkungen von Niedrigwasser auf die Wasserwirtschaft. Weitere Informationen durch nachfolgende Aufzählung. Bild vergrössern Durch Niedrigwasser betroffene Nutzungsbereiche
  • Als offensichtliche Folge schränkt Niedrigwasser die Wegsamkeit der Wasserstraßen für die Schifffahrt und damit den Güterverkehr ein.
  • Zur Erhaltung der Gewässer als Lebensraum muss ein sogenannter ökologischer Mindestabfluss im Gewässer aufrechterhalten werden, mit Einschränkungen für mögliche Wasserentnahmen.
  • In der Speicherbewirtschaftung gilt es, die Balance zwischen erforderlicher Wasserabgabemenge (für den ökologischen Mindestabfluss), notwendigem Rückhalt (zur Niedrigwasseraufhöhung) und gegebenenfalls Interessen des Freizeit- und Erholungssektors an den Speicherseen zu wahren. Auch die Wasserqualität ist zu berücksichtigen.
  • Im Bereich Energieversorgung folgt aus einem geringeren Durchfluss an Wasserkraftanlagen direkt eine geringere Stromproduktion. Aber auch Heiz- oder Atomkraftwerke oder das produzierende Gewerbe sind durch ihren Kühlwasserbedarf an das verringerte Wasserdargebot gebunden und unter Umständen gezwungen, die Produktion zu drosseln. Ebenso können Bestimmungen zur Wiedereinleitung erwärmten Kühlwassers bei zu hohen Gewässertemperaturen einschränkend wirken.
  • Weiterhin konkurriert die Landwirtschaft mit anderen Nutzern um das knappe Wasserdargebot. Die notwendigen Entnahmemengen zur landwirtschaftlichen Bewässerung stehen gegebenenfalls nicht mehr zur Verfügung und es kann zu Ernteeinbußen kommen.
  • Kläranlagen führen einem Fließgewässer gereinigtes Wasser zu und mildern damit das Problem der Durchflussmenge. Besonders bei sehr kleinen Fließgewässern kann es jedoch unter Umständen zu Problemen mit der Wasserqualität kommen, da so gut wie kein Verdünnungseffekt der noch im gereinigten Abwasser enthaltenen Nährstoffe durch den geringen natürlichen Abfluss eintritt.
  • In Mittelgebirgsregionen mit geringem Grundwasserdargebot können gelegentlich Engpässe in der Trinkwasserversorgung auftreten.

Ausführliche Analysen konkreter Auswirkungen des Sommers 2003 finden sich zum Beispiel auf der Seite des Niedrigwasserinformationsdienst (NID) oder der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG, Link s.u.).

Beobachtete Veränderung von Niedrigwasser in Bayern

Im Rahmen des Vorhabens KLIWA wurde das Langzeitverhalten der Niedrigwasserabflüsse untersucht. Dafür wurden die Abflussmengen anhand des Niedrigwasserkennwerts NM7Q (niedrigstes 7-tägiges Abflussmittel eines Jahres) an 71 Pegeln ausgewertet.

Für Niedrigwasseranalysen ist die starke wasserwirtschaftliche Überprägung der bayerischen Fließgewässer problematisch, da nicht eindeutig unterschieden werden kann, ob ein festgestelltes Signal klimatische oder auch nicht-klimatische Ursachen hat.

Allgemein scheinen die Niedrigwasserabflussmengen in Bayern über den Gesamtzeitraum entweder zu stagnieren oder zu steigen, aber kaum zu fallen. Auch sind die linearen Trends der Mengen an der überwiegenden Zahl der Pegel insignifikant. Wenn signifikante Trends auftreten, so sind sie vor allem im Osten und Norden Bayerns eher steigend, und, in geringerer Zahl, im Südwesten fallend. Bei weiteren statistischen Auswertungen der jüngeren Vergangenheit sind ab 1980 an deutlich mehr Pegeln abnehmende Tendenzen erkennbar. Die Niedrigwasserabflüsse scheinen also seit Anfang der 1980er Jahre in einigen Regionen niedriger zu werden.

Bayernkarte für Niedrigwasserjahr (April bis März) mit qualitativen Trends an 71 Pegeln: kein Trend, steigend, fallend. Weitere Erläuterung im Text. Bild vergrössern Trends des NM7Q im Zeitraum zwischen frühestens 1900 bis einheitlich 2006, Niedrigwasserjahr
2 Bayernkarten für Niedrigwasserwinter (Oktober bis März) und Niedrigwassersommer (April bis September) mit qualitativen Trends an 71 Pegeln: kein Trend, steigend, fallend. Weitere Erläuterung im Text. Bild vergrössern Trends des NM7Q im Zeitraum zwischen frühestens 1900 bis einheitlich 2006, Niedrigwasserwinter und Niedrigwassersommer

Weiterhin wurden bei diesen Untersuchungen zeitliche Verschiebungen im Abflussregime festgestellt. So hat sich der Zeitpunkt des Eintretens des niedrigsten 7-tägigen Abflussmittels NM7Q im Jahresverlauf verändert. Hierbei besteht eine räumliche Zweiteilung: Im pluvial geprägten Norden Bayerns, wo Niedrigwasser überwiegend für Sommer und Herbst typisch ist (rötliche und hell lila Kreise), scheint sich dessen mittleres Auftreten tendenziell nach hinten zu verschieben. Dahingegen sind im nival geprägten Süden winterliche Niedrigwasserphasen typisch (blaue Kreise) und treten nunmehr eher früher auf.

Zukünftige Entwicklung von Niedrigwasser in Bayern

Viele Klimaprojektionen weisen auf eine zukünftige Abnahme vor allem der Sommerniederschläge hin, weshalb mit einer Zunahme der Niedrigwasserhäufigkeit und der Dauer der Niedrigwasserperioden, einer zeitlichen Verlagerung und einem Rückgang der Niedrigwasserabflüsse zu rechnen ist.

Die untere Grafik zeigt beispielhaft für zwei ausgewählte Projektionen, wo in Bayern im Sommerhalbjahr (Juni – November) besonders starke Veränderungen im Niedrigwassergeschehen projiziert werden. Hierfür werden die Ergebnisse der Wasserhaushaltsmodelle bei Verwendung der ausgewählten Klimaprojektionen WETTREG2006 und WETTREG2010 gezeigt. Die in den Karten weiß gehaltenen Teile Bayerns sind hierbei noch nicht durch Wasserhaushaltsmodelle erfasst. Deutlich ist zu erkennen, dass gerade bei der extrem "trockenen" Klimaprojektion WETTREG2010 im Regnitzgebiet und in einigen südlichen Donauzuflüssen bereits im Zeitraum 2021-2050 mit Abnahmen der Niedrigwasserabflüsse um mehr als 20% gerechnet werden kann. Eine Berechnung mit anderen Klimaprojektionen kann jedoch auch andere Ergebnisse liefern; die Auswertungen hierzu sind noch nicht abgeschlossen.

2 Bayernkarten mit Modellergebnissen in Flusseinzugsgebieten; WETTREG2006: nur nördlich der Donau, schwache Abnahmen (2,5 bis 10 Prozent) in Gebieten Regen und Unterer Main, deutliche Abnahmen (10 bis 20 Prozent) in Gebieten Oberer Main, Regnitz und Naab; WETTREG2010: nicht für Donauraum und Sächsische Saale, sonst Änderungssignale stärker als WETTREG2006, meist deutliche Abnahmen, starke Abnahmen (über 20 Prozent) in Gebieten Regnitz, Ilz, Unterer Inn, Zusamm, Schmutter Bild vergrössern Prozentuale Änderung der sommerlichen Niedrigwasserabflüsse (NQ), Vergleich der mittleren Verhältnisse des Zeitraums 2021-2050 gegenüber 1971-2000

Beispiel: Zukünftige Niedrigwassersituation in Nord- und Südbayern

Die beiden anschließenden Grafiken zeigen beispielhaft die prozentuale Veränderung der mittleren Niedrigwasserabflüsse an zwei ausgewählten Pegeln in Bayern. Die graue Fläche beschreibt hierbei den Jahresgang des mittleren monatlichen Niedrigwasserdurchflusses MNQ(m) in der Vergangenheit. Die Veränderungen des Zeitraums 2021-2050 gegenüber 1971-2000 (Linien, dazugehörige Bandbreite: graue Balken) sind das Ergebnis der Modellierung des Wasserhaushalts mit neun bzw. zehn verschiedenen Regionalen Klimaprojektionen als Datengrundlage.

Zu beachten

Die dargestellten Ergebnisse basieren auf einer beschränkten Anzahl an Klimaprojektionen und bilden daher nicht die gesamte Spannweite zukünftiger möglicher Veränderungen ab. Insbesondere die Projektion WETTREG2010 ist jedoch als trockene Projektion bekannt die meist im unteren Bereich von Ensemble-Darstellungen liegt und daher als trockenes "Worst-case-Szenario" betrachtet werden kann. Bei den dargestellten relativen Änderungen werden der errechnete Abfluss aus der Klimamodellierung der Vergangenheit mit den modellierten Abflussprojektionen der Zukunft verglichen. So können systematische Fehler und Abweichungen weitgehend ausgeschlossen werden. Die gezeigten gemessenen Pegeldaten der Vergangenheit dienen der Einordnung der Änderungen in das natürliche Niedrigwasser-Abflussregime.

Monatliches Änderungssignal Mittlerer Niedrigwasserabfluss Altenmarkt/Alz 2021 bis 2050 zu 1971 bis 2000, verschiedene Modellläufe REMO und CLM (dynamische Modelle bzw. WETTREG (statistische Modelle), natürliches Regime: Mimina Januar/Februar; relative Änderungen: dynamische Modellläufe zumeist oberhalb der statistischen Läufe, zeitlich alle Modellläufe zwischen Dezember und März nahezu keine Änderungen oder Zunahmen, zwischen Mai und August keine Änderungen oder Abnahmen, sonst deutlich gegenläufige Signale. Bild vergrössern Südbayerischer Pegel, gemessener MoMNQ von 1931-2006

Deutlich wird, dass vor allem im Sommer tendenziell mit abnehmenden Abflüssen, im Winter aber auch mit Zunahmen gerechnet werden kann.

Das bedeutet, dass sich in nordbayerischen Fließgewässern wie dem Main, wo bereits in der Vergangenheit die geringsten Abflüsse in den Sommermonaten auftreten (pluviales Regime), die Situation in der Zukunft durchaus noch verschärfen kann.

In den Fließgewässern der südlichen Einzugsgebiete, wie zum Beispiel der Alz, treten niedrige Wasserstände von Natur aus eher in den Wintermonaten auf (nivales Regime). Die starken sommerlichen Abnahmen treffen daher auf höhere Abflüsse, so dass auf Gewässerökologie und Gewässernutzungen geringere Auswirkungen zu erwarten sind. Allerdings zeigten Analysen der Vergangenheit bereits Veränderungen des natürlichen Regimes, wie Verfrühungen im Eintritt der mittleren Niedrigstdurchflüsse. Für weitere Beispiele siehe u.a. KLIWA-Heft 14.