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Wie sich der Klimawandel auf Dürren, Hoch- und Niedrigwasser auswirkt

Kategorie:
Thema:
Autor: Finn Gidion

Wie sich der Klimawandel auf Dürren, Hoch- und Niedrigwasser auswirkt
(Quelle: Friedrich Boeing / UFZ)

Dürren, Niedrigwasser, Hochwasser – Extremereignisse wie diese nehmen durch die Klimaerwärmung zu und betreffen immer mehr Menschen. Die außergewöhnlichen Dürreperioden der letzten drei Jahre sorgten zum Beispiel in Deutschland für massive Schäden in der Land- und Forstwirtschaft. Regionale Wasserversorger beklagten Trinkwasserknappheit, der Schifffahrtsverkehr wurde auf der mittleren und oberen Elbe wegen Niedrigwasser zeitweise eingestellt und die Energieversorgung etwa bei der Kühlung von Kraftwerken stoßweise eingeschränkt. Um verlässlich zu beschreiben, wie sich die globale Erwärmung auf Dauer und Ausdehnung von Dürren sowie Hoch- und Niedrigwasser auswirkt, haben Wissenschaftler*innen des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) innovative Messmethoden mit einer neuen Generation von Umweltmodellen kombiniert. „Damit sind wir in der Lage, sowohl kurz- also auch langfristig robuste Aussagen zu treffen, wie sich Klimaänderungen lokal, regional und europaweit auf den Wasserhaushalt sowie die Wasserqualität auswirken”, sagt Prof. Dr. Dietrich Borchardt, der am UFZ den Themenbereich Wasserressourcen und Umwelt leitet.

Entwicklung der Dürren in Europa

So zeigen die Modelle der UFZ-Forscher, dass sich Dürregebiete in Europa im Vergleich zum Referenzzeitraum 1971 bis 2000 von 13 auf 26 Prozent verdoppeln werden und drei Mal länger dauern – sollte die Erderwärmung um drei Grad Celsius bis zum Jahr 2100 steigen. „Extremereignisse wie die Dürren 2003, 2018, 2019 und 2020 wären künftig häufiger zu erwarten und eine stärkere Anpassung daran nötig”, ergänzt Dietrich Borchardt. Gelingt es dagegen, wie im Paris-Abkommen festgehalten, die Erderwärmung auf 1,5 Grad Celsius zu begrenzen, würden sich die unter Dürre leidenden Flächen nur auf 19 Prozent erweitern. Eine Abschätzung für Niedersachsen und Bremen hat ergeben, dass bei 1,5 bis 2 Grad Erwärmung die Zeiten unter Dürren um ungefähr 10 Prozent zunehmen, bei einer Erwärmung von drei Grad wären es schon fast 40 Prozent.

Entwicklung der Dürren in Niedersachsen

Ein Produkt dieser Modellsysteme ist der UFZ-Dürremonitor, der täglich flächendeckende Informationen zum Bodenfeuchtezustand in Deutschland liefert. Ein Blick auf die Dürrekarten für Niedersachsen der letzten 5 Jahre illustriert sehr deutlich, wie sich die Dürre in den letzten Jahren aufgebaut hat. So sorgten unterdurchschnittliche Niederschläge im Februar 2018 gekoppelt mit der ersten Hitzewelle im April für ein langsames Austrocknen des Bodens. Die fehlende winterliche Aufsättigung des Bodenwassers in den oberen Bodenschichten hat jedoch vielerorts dazu geführt, dass die Dürre im Gesamtboden nicht aufgelöst werden konnte und bis heute anhält. Das gab es in Deutschland in dem Umfang sicher seit dem Jahr 1951 und sehr wahrscheinlich in den letzten 255 Jahren nicht. Damit verbunden ist, dass die Schäden in den Wäldern den Höhepunkt erst 2019 oder 2020 erreicht haben.

Aktuelle Situation der Dürren in Niedersachsen

Schaut man auf die Dürresituation in Niedersachsen Anfang Mai 2021 so zeigt sich: Der Oberboden (bis 25 cm Tiefe) ist nach der Aufsättigung im Winter, kühlen Temperaturen sowie z.T. überdurchschnittlichen Niederschlägen im Laufe des März/April nur in ganz wenigen Landesteilen zu trocken. Beim Gesamtboden zeigen sich große Unterschiede: Im Nordwesten und einigen Teilen des südlichen Niedersachsens ist die derzeitige Ausgangssituation entspannt. In größeren mittleren und nordöstlichen Landesteilen allerdings ist der Boden bis in eine Tiefe von 1,8 Meter derzeit von schwerer und extremer Dürre betroffen.

Was heißt das in Bezug auf eine Dürrevorhersage für den Sommer 2021?

Für den Oberboden, der insbesondere für die Landwirtschaft wichtig ist, lassen sich aus der Situation im April Dürren im Sommer nur eingeschränkt vorhersagen. Denn kurzzeitige Perioden mit überdurchschnittlich hohem Niederschlag können hier selbst bei trockenen Böden eine schnelle Dürreentspannung bringen. Im Unterscheid dazu ist für den Gesamtboden eine Vorhersage mit größerer Sicherheit möglich – und damit auch die Vorhersage für Forstwirtschaft und Trinkwasserversorgung. Dort, wo im April/Mai Dürre herrscht, hält die Dürre wahrscheinlich auch den Sommer über hinweg an. Das betrifft größere nordöstliche und mittlere Landesteile Niedersachsens. Denn durch die temperaturbedingte hohe Verdunstung, mehr Starkniederschläge sowie den Wasserverbrauch der Vegetation im Sommer gelangt kaum Wasser in die tiefen Bodenschichten.

Was heißt das für das Wassermanagement in Talsperren?

Der begrenzte Stauraum der Talsperren muss zu Dürrezeiten, d.h. zu Zeiten geringer Wasserverfügbarkeit, den höheren Wasserbedarf in der Wasserversorgung, Niedrigwasseraufhöhung und ggf. den steigenden Bewässerungsbedarf der Landwirtschaft bedienen. Ohne Priorisierung bringt das die vorhandenen Systeme früher oder später an die Leistungsgrenzen. Hinzu kommen Nutzungseinschränkungen durch Wasserqualitätsverschlechterungen, die insbesondere die Wasserversorgung betreffen. So können beispielsweise lang anhaltende Hitzeperioden und gleichzeitig niedrige Füllstände der Talsperren zu Sauerstoffschwund, Manganrücklösungen aus dem Sediment sowie zu einer Zunahme von Cyanobakterien im Wasser führen, die unerwünschte Stoffe oder sogar Toxine in das Wasser abgeben können. Dies kann in der Summe zu Problemen in der Wasserhygiene führen, die einen entsprechend höheren Aufbereitungsaufwand zur Folge haben können. Um Nutzungskonflikte in Zukunft optimaler managen zu können und die Wasserversorgung klimasicher zu machen, braucht es neue Strategien und Technologien, wie Frühwarnsysteme und dynamische Steuerungen für eine flexiblere Bewirtschaftung von Talsperren.

Forscherteams des UFZ befassen sich mit diesen Fragen an verschiedenen Talsperren Deutschlands. An der Rappbodetalsperre auf der Ostseite des Harzes etwa prognostizierten sie auf Basis eines am UFZ erweiterten Seenmodells die Auswirkungen des Klimawandels auf die Wassertemperatur und auf die physikalische Struktur, die die Schichtung und die jahreszeitliche Durchmischung des Wasserkörpers steuern. Hintergrund: Um rund 4 Grad hat sich die Temperatur in den vergangenen 40 Jahren an der Wasseroberfläche des Stausees in den Sommermonaten bereits erwärmt. Die Temperatur in 50 Metern Tiefe, wo das Trinkwasser entnommen wird, ist derzeit noch unverändert und ganzjährig konstant kalt bei rund 5°Celsius. Modellprognosen des UFZ zeigen aber, dass bei voranschreitender Erwärmung bis zum Ende des Jahrhunderts die Wassertemperaturen auch im Tiefenwasser steigen. Flexiblere Bewirtschaftungsstrategien können die Auswirkungen mildern, erfordern aber verlässliche Prognoseinstrumente (z.B. real-time-Prognosen), angepasste Infrastrukturen in den Staumauern (z.B. flexible Wasserentnahmestrukturen) sowie schnell umsetzbare und verlässliche Maßnahmenpläne, die unter allen Nutzergruppen vorab abgestimmt sind.

An einer anderen Talsperre, der Großen Dhünntalsperre in NRW, haben UFZ-Wissenschaftler*innen die Praxistauglichkeit ihres Talsperrenmodells gezeigt. Hier erfolgt die Wasserentnahme nicht in einer konstanten Wassertiefe, sondern mit einem „Thermorüssel” in Abhängigkeit von der aktuellen Wassertemperatur im Tiefenprofil, der Wasserschichtung und den benötigten Wassermengen. Das Ergebnis ist eine bessere Wasserqualität im Stausee, im Rohwasser und im Fließgewässer unterhalb der Talsperre.

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