Methoden zur Abschätzung des zukünftigen Wasserhaushalts

Mit Hilfe sogenannter Wirkmodelle zum Wasserhaushalt sowie zum Bodenwasserhaushalt lässt sich abschätzen, auf welche durchschnittlichen Abfluss- oder Bodenwasserhaushaltsverhältnisse sich die Wasserwirtschaft in Zukunft einstellen muss. Diese Modelle werden mit meteorologischen Daten angetrieben und errechnen verschiedene hydrologische Kenngrößen, sozusagen die Wirkung des Klimas auf die Hydrologie. Weitere Informationen finden sich auf der Unterseite Wasserhaushaltsmodellierung.

Projektionen für den Wasserhaushalt

Nutzt man eine Klimaprojektion als meteorologischen Antrieb für ein (Boden-)Wasserhaushaltsmodell, bezeichnet man das Ergebnis als "Abflussprojektion" oder "Projektion des Bodenwasserhaushalts". Eine solche Projektion macht es möglich, die Entwicklung von Hochwasser, von Niedrigwasser oder die Regenerierung von Grundwasserleitern vor dem Hintergrund des Klimawandels für die Zukunft abzuschätzen.

Um aus einer Klimaprojektion möglichst belastbare Aussagen über den zukünftigen Wasserhaushalt zu erzeugen, sind mehrere Einzelschritte notwendig. Das allgemeine Vorgehen dazu beschreibt der Steckbrief "Der weite Weg zum zukünftigen Abfluss" (Link siehe unten).

• Der weite Weg zum zukünftigen Abfluss - PDF

Eine einzelne Projektion gibt dabei nur eine von vielen möglichen Zukunftsentwicklungen wieder. Die Entwicklung des zukünftigen Klimas unterliegt einer Vielzahl von Faktoren, die sich zum Teil gegenseitig beeinflussen. Aufgrund der Komplexität der Zusammenhänge können bereits kleinste Veränderungen, die beispielsweise auch sozio-ökonomischer Natur sein können, zeitlich und räumlich zu völlig unterschiedlichen Ergebnissen führen. Die Forschung bedient sich deshalb einer Reihe von Annahmen, entsprechend derer unterschiedliche Klimaszenarien als Antrieb für die Klimaprojektionen verwendet werden. Auch die verwendeten Klimamodelle unterscheiden sich in ihren Ansätzen, wie sie meteorologische Zusammenhänge abbilden und berücksichtigen. Um auf der sicheren Seite zu sein, arbeitet man deshalb nicht mit einer einzelnen Projektion, sondern mit Ensembles, also Bündeln von Projektionen, welche die Bandbreite der möglichen Entwicklung des Klimas beschreiben.

Zukunftsaussagen als Bandbreite

Änderungssignal des saisonalen MQ (Sommerhalbjahr) für den Pegel Passau-Ingling. Dargestellt ist das 30–jährige gleitende Mittel des Änderungssignals für die Szenarien RCP2.6 und RCP8.5 bezogen auf den Referenzzeitraum 1971–2000.

Ähnlich wie bei den Klimaprojektionen verfährt man auch mit den Projektionen des Wasserhaushalts: Von Klimaprojektionen angetrieben ergibt sich ein ganzes Spektrum möglicher Folgen für den Wasserhaushalt der Zukunft. Das LfU stellt daher Zukunftsaussagen für den Wasserhaushalt möglichst als Bandbreite dar. Das Minimum und das Maximum dieser Bandbreite kennzeichnen dabei die Grenzen der möglichen Entwicklung nach aktuellem Wissensstand, der Median steht für diejenigen Werte, bei der genauso viele Projektionen eines Ensembles höher und tiefer gelegene Werte ergeben. Mehr zum Thema Ensemble-Betrachtung erläutern die LfU-Klimaseiten (siehe Link unten).

• Methoden der Klimaanalyse

Ensemble-Bildung für die Wasserhaushaltsmodellierung in Bayern

Zur Berechnung des zukünftigen Abflusses verwendet das LfU aktuell ein Ensemble aus RCP-Klimaprojektionen des 5. IPCC-Berichts. Ausgangsbasis dafür ist das Bayerische Klimaprojektionsensemble ("Bayern-Ensemble"), das in nebenstehender Publikation näher beschrieben ist. Da für die Wasserhaushaltsmodellierung mehrere Eingangsdaten für einen sehr großen räumlichen Umgriff benötigt werden, lassen sich jedoch nicht alle Klimaprojektionen des Ensembles nutzen, da teilweise die räumliche Abdeckung nicht ausreicht, teilweise nicht alle benötigten Eingangsdaten verfügbar sind. Das vom LfU verwendete Ensemble für die Abflussmodellierung umfasst daher für das Szenario RCP8.5 neun Projektionen (siehe Tabelle 1) und für RCP2.6 sieben Projektionen (siehe Tabelle 2).

Für spezielle Fragestellungen wird das "KLIWA-Ensemble" genutzt. Dieses unterscheidet sich vom Bayern-Ensemble lediglich in einem Arbeitsschritt bei der weiteren Datenaufbereitung des Niederschlags für den Alpenraum, da für die hydrologische Betrachtung auch diejenigen Gebiete im Alpenraum betrachtet werden müssen, die nach Bayern hin entwässern, wie zum Beispiel der Inn oder die Salzach. Die Ergebnisse beider Ensembles für Bayern stimmen im Wesentlichen gut miteinander überein. Speziell für die Bodenwasserhaushaltsmodellierung wird das verwendete Ensemble zusätzlich um ausgewählte Klimaprojektionen erweitert.

Wie werden Änderungen des Wasserhaushalts für die Zukunft berechnet?

Die Wasserwirtschaft arbeitet zur Erfüllung ihrer Aufgaben mit hydrologischen Kennwerten, wie dem mittleren Abfluss (MQ) oder dem bekannten HQ₁₀₀, jenem Hochwasserabfluss, der statistisch gesehen alle 100 Jahre auftritt. Nach diesen Werten legt sie beispielsweise Dämme oder Retentionsflächen zum Hochwasserschutz aus oder berechnet notwendige Gewässerbreiten, um auch höhere Abflüsse ohne Überschwemmungsgefahr zu gewährleisten (siehe Link "Hydrologische Kennwerte" unten).

Diese Kennwerte lassen sich mittels der erstellten Abflussprojektionen auch für die Zukunft berechnen und als prozentuale Änderung angeben.

Rechenbeispiel

Ergebnisse von Abflussprojektionen brauchen den Bezug zur gemessenen Vergangenheit

Die heute in der wasserwirtschaftlichen Praxis verwendeten Kennwerte werden normalerweise als absolute Zahlen aus den Daten der Vergangenheit ermittelt.

• Beispiel 1: Der aus Messwerten berechnete mittlere jährliche Abfluss (MQ) an einem bestimmten Pegel eines Fließgewässers liegt bei 55 m³/s für einen definierten Referenzzeitraum.

Für die Zukunft gibt man dagegen keinen Absolutwert an, sondern ermittelt die prozentuale Änderung gegenüber einem definierten Referenzzeitraum innerhalb der Projektion.

• Beispiel 2: Die Abflussprojektion des Wasserhaushaltsmodells bei dem Messpegel aus Beispiel 1 ergibt in einem Zukunftszeitraum einen mittleren jährlichen Abfluss MQ von 60 m³/s und im Referenzzeitraum einen MQ von 50 m³/s. Dies entspricht einer absoluten zukünftigen Änderung von +10 m³/s und einem relativen Änderungssignal von +20%.

[Hinweis: Der Unterschied zwischen Messung und Modell ist hier aus darstellerischen Gründen sehr groß gewählt. Üblicherweise sind die Abweichungen geringer.]

Der im Rechenbeispiel vorgestellte Weg der Ermittlung von Änderungssignalen hat einen Grund: Modelle können die gemessene Vergangenheit nur bestmöglich annähern, aber selten exakt wiedergeben. Damit unterscheiden sich der modellierte und der aus Messungen berechnete Wert im Referenzzeitraum in der Regel etwas voneinander. Der entstehende Fehler lässt sich herausrechnen, wenn man ein relatives Änderungssignal ausschließlich aus dem Vergleich zweier unterschiedlicher Zeiträume aus der Abflussprojektion heraus berechnet. Mit diesem Änderungssignal lässt sich dann ein bestehender (real ermittelter) Kennwert, der auf tatsächlichen Messwerten basiert, beaufschlagen, um den zukünftigen absoluten Abfluss an dem spezifischen Messpegel zu erhalten.

Nicht jede ermittelte Änderung ist dabei eine relevante Veränderung. Um zu beurteilen, ob eine berechnete Änderung auch tatsächlich ein echtes Änderungssignal darstellt, wird der Bereich zwischen -10% und +10% vereinfacht als "Mittlerer Schwankungsbereich der Vergangenheit" definiert. Diese Schwankungen ergeben sich einerseits durch die Klimavariabilität und die Reaktion des Abflusses darauf, andererseits durch wasserwirtschaftliche Einflüsse. Erst wenn sich die zukünftige Änderung eines Abflusskennwerts aus diesem Schwankungsbereich heraus bewegt, geht man davon aus, dass es sich um ein echtes Änderungssignal handelt.

In der Regel arbeitet man mit dem 30-jährigen Referenzzeitraum 1971-2000. Obwohl unsere jetzige Gegenwart bereits relativ weit davon entfernt liegt, wird der Referenzzeitraum nicht mitverschoben. Nur so sind Ergebnisse vergleichbar und ein Wandel lässt sich nachweisen. Bereits gemessene Veränderungen seit 1971-2000 als Teil der ermittelten Veränderungen werden gesondert dargestellt. Übliche Zukunftszeiträume, die betrachtet werden, sind 2021-2050 (nahe Zukunft), 2041-2070 (mittlere Zukunft) und 2071-2100 (ferne Zukunft).