Kein Folientitel - Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt

AnKliG
Klimawandel und landwirtschaftliche
Bewässerung im Hessischen Ried
sowie
Klimawandel und die Entwicklung der
Quellschüttungen im Odenwald
Georg Berthold, Mario Hergesell
Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie
Gliederung:
Landwirtschaftliche Bewässerung im Hessischen Ried
• Ergebnisse der Bestandsaufnahme
• Prognose des zukünftigen Bewässerungsbedarfs
• Fazit
Entwicklung der Quellschüttungen im Odenwald
• Zusammenhangsanalyse „Klimaparameter – Quellschüttung“
• Projektionen „Quellschüttung bis 2050“
• Fazit
Quelle
Odenwald:
• Quellen, Flachbrunnen; dezentrale Trinkwasserversorgung
• Kluftgrundwasserleiter
• 900 bis 1300 mm Jahresniederschlag
• BFI ≈ 0,5
• Landwirtschaft „typisch“ für Mittelgebirgslagen
Randzuflüsse aus dem Odenwald
Hessisches Ried:
• Brunnengallerien; Verbundstrukturen
• Tiefgründiger Porengrundwasserleiter
• 600 bis 700 mm Jahresniederschlag
• BFI ≈ 1
• Intensive Landbewirtschaftung, hoher Marktfrüchteanteil
• 33.000 ha können potentiell beregnet werden
Grundwasserbilanz
„Hessisches Ried“
Grundwasserentnahmen (Mio m3/a)
Öffentliche Wasserversorgung
Industrie
Landwirtschaft
Grundwasserschäden
Sonstige
Summe Untersuchungsbereich
Einfluss Baden-Württemberg
Summe Entnahmen
Grundwasserdargebot (Mio m3/a)
Zusickerung aus Niederschlag
Zustrom am Modellrand
Versickerung aus Bächen
Infiltration WV Hessisches Ried
Summe Dargebot
Bilanz
Normal
85
22
19
1
1
128
4
132
Trocken
98
27
31
1
1
158
4
162
Normal
146
37
18
15
216
Trocken
66
20
23
15
124
+ 84
- 38
Grundwasseranreicherungsanlagen zum Ausgleich erforderlich
Steuerung geschieht in Abhängigkeit von der Witterung
Quelle: Grundwasserbewirtschaftungsplan Hessisches Ried, 1999
Ergebnisse der Bestandsaufnahme „landwirtschaftliche Bewässerung“ im Hess. Ried
Beregnungsfläche:
Beregnung mit Grundwasser:
27.725 ha
Beregnung mit aufbereiteten Rheinwasser:
Beregnung mit aufbereiteten Oberflächenwasser:
5.233 ha
91 ha
Gesamte Beregnungsfläche:
33.059 ha
Beregnungsfläche entspricht 96 % der landwirtschaftlichen Nutzfläche im Hessischen Ried.
Ergebnisse der Bestandsaufnahme „landwirtschaftliche Bewässerung“ im Hess. Ried
Ergebnisse der Befragung „Zusatzwasserbedarf“ im Hess. Ried
Anbauverhältnisse (prozentualer Anteil an der Beregnungsfläche):
Winter- und Sommergetreide
Zuckerrüben
Kartoffel
Mais
46 %
10 %
6%
5%
Raps
Nachwachsende Rohstoffe
4%
2%
Zwiebelgewächse
Spargel
14 %
5%
73 %
27 %
Sonstiges
8%
Ergebnisse der Bestandsaufnahme „landwirtschaftliche Bewässerung“ im Hess. Ried
Beregnungszeiten:
• „Hauptsaison“ Ende März bis Ende September/Anfang Oktober
• Beregnungsgaben erfolgen zu 2/3 in der Nacht
Beregnungstechnik:
• Maschinenberegnung (beweglich)
85 %
• Reihenbewässerung
12 %
• Ortsfeste Einrichtungen
2%
• Mikrobewässerung
1%
Beregnungssteuerung:
Hauptsächlich über „Wasseruhren und/oder Pumpenstunden“
Ergebnisse der Bestandsaufnahme „landwirtschaftliche Bewässerung“ im Hess. Ried
Naßjahr; Erhebung aus dem Jahr 1994/95 (Bewirtschaftungsplan)
Geschätzter Zusatzwasserbedarf rund 3,5 Mio. m3
350
250
Naßjahr: Erhebung aus dem Jahr 2008
Geschätzter Zusatzwasserbedarf rund 10 Mio. m3
300
200
250
95 P.
150
Grundbedarf „Zusatzwasser“ ist in den letzten 15 Jahren 200
Nitrat (mg/l)
Zusatzwasserbedarf in Liter pro m2 (naß)
300
um 15 bis 20 l/m2 gestiegen.
100
Median
150
25 P.
5 P.
100
66
50
75 P.
56
37
31
14
17
42
50
15
21
0
0
Bergstraße
Darmstadt-Dieburg
Kreis
J. 1990
Groß-Gerau
J. 1991
J. 1992
J. 1993
J. 199
Ergebnisse der Bestandsaufnahme „landwirtschaftliche Bewässerung“ im Hess. Ried
Trockenjahr; Erhebung aus dem Jahr 1995 (Bewirtschaftungsplan)
Geschätzter Zusatzwasserbedarf rund 35 Mio. m3
Trockenjahr; Erhebung aus dem Jahr 2008
Geschätzter Zusatzwasserbedarf rund 35,5 Mio. m3
Spitzenwasserbedarf wird von
den Landwirten unverändert
auf rund 35 Mio. m3 geschätzt
Zusatzwasserbedarf in Liter pro m2 (trocken)
300
250
207
200
150
125
122
100
100
91
75
78
72
52
50
0
Bergstraße
Darmstadt-Dieburg
Kreis
Groß-Gerau
Prognose des zukünftigen Bewässerungsbedarfs
Datengrundlagen:
• Szenario A1B:
Rasches wirtschaftliches Wachstum aber auch rasche Entwicklung
effizienter Technologien zur CO2-Einsparung
• Daten der Klimastation „Mannheim“
Temperatur, Niederschlag (korrigiert) und Verdunstung auf Tagesbasis
• Verwendung von kontinuierlichen Zeitreihen (WETTREG)
• Berechnung auf Grundlage für mittlere Verhältnisse
An der Ausprägung und Eintrittswahrscheinlichkeiten von Wetterextremen
wie Trocken- und Feuchtperioden arbeiten derzeit die Klimaforscher noch.
Klimamodelle sind keine „Wettervorhersage“ für die Zukunft, sondern
Projektionen auf die zu erwartende Entwicklung.
WETTREG Wetterlagen-basierte Regionalisierungsmethode
Nutzt die bisherigen Klimabeobachtungen, Einfluss der Großwetterlagen auf das Lokalklima
Prognose des zukünftigen Bewässerungsbedarfs
Modellierte Jahresmitteltemperatur der Klimastation Mannheim (WETTREG/A1B)
Prognose des zukünftigen Bewässerungsbedarfs
Mittlere Dekadenwerte für Regen, Verdunstung und Wasserbilanz während der
Beregnungssaison (Ende März bis Anfang Oktober)
Prognose des zukünftigen Bewässerungsbedarfs
Mittlere Dekadenwerte für Regen, Verdunstung und Wasserbilanz außerhalb der
Beregnungssaison (Mitte Oktober bis Mitte März)
Fazit: Landwirtschaftliche Bewässerung
• 96 % der landwirtschaftlichen Nutzfläche (33.000 ha) werden bereits beregnet.
• Die Hauptberegnungssaison beginnt Ende März und endet Anfang Oktober.
• Maschinenberegnung (beweglich) findet auf 85 % der Flächen statt.
• Der „Grundbedarf in Naß- bzw. Normaljahren“ an Zusatzwasser hat sich von 3,5
auf 10 Mio. m3 pro Jahr in den letzten 15 Jahren erhöht.
• Der Zusatzwasserbedarf in „Trockenjahren“ wird auf ca. 35 Mio. m3 geschätzt.
• Innerhalb der Beregnungssaison werden die Wasserbilanzen immer stärker negativ.
Pro Dekade um ca. -8 bis -12 mm
Ursache: weniger Niederschläge in der Vegetationszeit, aber höhere Verdunstung.
Zusatzwasserbedarf für „normale Verhältnisse“ wird daher kontinuierlich steigen.
Entspricht einer Verdoppelung des Bewässerungsbedarfs in den nächsten 50 Jahren
• Außerhalb der Beregnungssaison entwickelt sich die Wasserbilanz positiv.
Dies bedingt eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass der Bodenwasserspeicher
zu Beginn der Beregnungssaison gefüllt ist.
Entwicklung der Quellschüttungen im Odenwald
Lage der Klimastationen
Lage der Quellen im Odenwald
Klimastation
Beerfelden/Odenwald
Klimastation
Mannheim/Oberrheingraben
Zusammenhangsanalyse „Klimaparameter – Quellschüttung“
Vorgehensschema: Prognose Quellschüttung
• Plausibilisierung der Schüttungsmessungen; Vollständigkeitsprüfung
• Analyse der Klimaparameter Niederschlag, Verdunstung und Wasserbilanz
Klimastation Beerfelden/Odenwald
• Verknüpfung der Schüttungsmessungen je Quelle mit aufsummierten
Wasserbilanzsummen (10, 30, 90, 182, 364 und 728 Tage vor der jeweiligen
Schüttungsmessung) anhand multipler Regressionen
• Beschreibung der Schüttmengen pro Quelle mit einer multiplen Regression
sowie deren Prüfung auf Tauglichkeit
• Prognose der zukünftigen Quellschüttungen anhand multipler Gleichungssysteme
unter Verwendung der Klimaparameter aus dem A1B-Szenario (WETTREG);
Klimastation Beerfelden/Odenwald
Zusammenhangsanalyse „Klimaparameter – Quellschüttung“
Basisinformationen über die ausgewählten Quellen
Name
Geologische
Formation
Einzugsgebiet 5 Perzentil
(ha)
Median
95 Perzentil
Quellschüttung in m3 pro Tag
Innerhalb des Zeitraums 1961 bis 2008
Malchen
Kristallin
17
20
48
199
Reichenbach
Kristallin
13
38
55
86
Niedernhausen
Kristallin
8
19
33
52
Kirch-Brombach
Buntsandstein
30
42
105
259
Oberostern
Kristallin
25
81
101
126
Birkenau
Kristallin
15
46
59
79
Grundlage:
Landesgrundwasserdienst Hessen
Rund 50 Jahre Aufzeichnung der Quellschüttungen in wöchentlichem Abständen
Zusammenhangsanalyse „Klimaparameter – Quellschüttung“
Wetterstation Beerfelden/Odenwald
Zusammenhangsanalyse „Klimaparameter – Quellschüttung“
Projektionen der Wasserbilanzen (WETTREG/A1B) bis 2100
Gemessene Lufttemperaturen, projizierte Lufttemperaturen (WETTREG/A1B) sowie die Entwicklung
der Quellwassertemperaturen
Zusammenhangsanalyse
„Klimaparameter – Quellschüttung“
Multiple Regression
ID 13386;
Quelle Kirch-Brombach
Buntsandstein Odenwald
X-Variable: WB10Tage
WB30Tage
WB90Tage
WB182Tage
WB364Tage
WB728Tage
Regressionsanalyse
Am Beispiel der
Quelle „Kirch-Brombach“
Y-Variable: Schüttung_m3_Tag
Y-Gewichtungen: WB364Tage
Methode: Schrittweise
Schritte
WB10Tage(+)
WB30Tage(+)
WB10Tage(-)
WB90Tage(+)
WB182Tage(+)
WB90Tage(-)
WB364Tage(+)
WB728Tage(+)
WB90Tage(+)
WB30Tage(-)
P
R-Quadrat
korrigiert
0,00
0,00
0,24
0,00
0,00
0,80
0,00
0,00
0,00
0,52
-1,00
-1,00
-1,00
0,04
0,54
0,54
0,70
0,71
0,71
0,71
0,00
0,00
0,00
0,04
0,54
0,54
0,70
0,71
0,71
0,71
N
R
R-Quadrat
Std.Fehler
2348,00
0,85
0,85
0,71
0,71
46,29
Koeffizient
95%
0,95
Vertrauen (±)
Std.Fehler
T
P
0,000
0,078
0,138
0,059
0,027
---0,02
0,01
0,01
0,01
---0,01
0,01
0,01
0,00
---9,00
20,96
8,42
7,73
---0,00
0,00
0,00
0,00
Zusammenfassung
normal
korrigiert
Gleichung
Konstante
WB90Tage
WB182Tage
WB364Tage
WB728Tage
Projektionen „Quellschüttung bis 2050“
450
Gegenüberstellung von gemessenen und projizierten Schüttmengen
Quelle Kirch-Brombach (ID 13386)
Buntsandstein Odenwald
Einzugsgebiet ca. 30 ha
400
Schüttung_m3_Tag
Berechnete Schüttung
350
250
200
150
100
50
0
2007
2006
2005
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
1994
1993
1992
1991
1990
1989
1988
1987
1986
1985
1984
1983
1982
1981
1980
1979
1978
1977
1976
1975
1974
1973
1972
1971
1970
1969
1968
1967
1966
1965
1964
1963
1962
-50
1961
Schüttung in m3 / Tag
300
Projektionen „Quellschüttung bis 2050“
110
100
Gegenüberstellung von gemessenen und projizierten Schüttmengen
Quelle Reichenbach (ID 13246)
Kristallin Odenwald
Einzugsgebiet ca. 13 ha
Schüttung_m3_Tag
Berechnete Schüttung
90
70
60
50
40
30
20
10
0
1961
1962
1963
1964
1965
1966
1967
1968
1969
1970
1971
1972
1973
1974
1975
1976
1977
1978
1979
1980
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
Schüttung in m3 /Tag
80
Projektionen „Quellschüttung bis 2050“
Projektionen „Quellschüttung bis 2050“
Projektionen „Quellschüttung bis 2050“; Extremwertanalyse
Projektionen „Quellschüttung bis 2050“; Extremwertanalyse
Fazit: Entwicklung der Quellschüttungen im Odenwald
• Mit Hilfe von kumulierten Wasserbilanzsummen, bezogen auf die jeweilige Schüttungsmessung, lassen
sich Gleichungssysteme zur Modellierung der Quellschüttungen aufstellen.
• Für jede Quelle wird eine individuelle Gleichung erhalten, mit deren Hilfe die Quellschüttungen für
die Zukunft befriedigend abgeschätzt werden können.
• Die Analyse der prognostizierten Quellschüttungen ergab eine leicht abnehmende Tendenz der
Quellschüttungen bei allen Quellen. Eine Tendenz zu geringeren Jahresminima der Quellschüttungen
ist erkennbar.
• Bei der Anwendung der WETTREG-T-Realisation „trocken“ gehen die Jahresminima der
Quellschüttungen merklich zurück und über größere Zeiträume werden nur sehr geringe
Quellschüttungen erhalten. Bei dezentralen Strukturen der Trinkwasserversorgung sind daher
Auswirkungen auf die Versorgungssicherheit zu erwarten.
• Die vorgestellte Ableitungsmethode von Quellschüttungen aus Klimaparametern ist geeignet, um
eine Abschätzung der zukünftigen Entwicklung von Quellschüttungen durchzuführen. Die
erhaltenen Gleichungssysteme können beispielsweise beim Vorliegen der derzeit im Test
befindlichen WETTREG2010-Datensätze direkt zur Prognose benutzt werden. Gleiches gilt für
Klimadatensätze aus anderen Regionalmodellen wie REMO oder CLM.
Herzlichen Dank für
Ihr Interesse