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Wasserknappheit in Flüssen: Wie kann Europa Klimadaten nutzen, um Durststrecken zu überstehen?

Niedrige Pegelstände am Rhein in Köln, Deutschland. Im Hintergrund sind der Rheinauhafen, die Kranhäuser sowie der Kölner Dom zu sehen.
Niedrige Pegelstände am Rhein in Köln, Deutschland. Im Hintergrund sind der Rheinauhafen, die Kranhäuser sowie der Kölner Dom zu sehen.   -   Copyright  firina
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Europas Flüsse – und damit auch seine Wasserressourcen – werden immer häufiger von Dürreperioden strapaziert. Angesichts dessen müssen Bevölkerung und Wirtschaft neue Wege finden, sich anzupassen.

Am 1. Juni 2018 betrug der Anteil 4,5 %. Einen Monat später waren es 10,8 % und knapp vier Monate später, am 20. Oktober, führten 35,9 % der europäischen Flüsse ungewöhnlich wenig Wasser – was seit mindestens 1991 nicht mehr vorgekommen war. Der Sommer hatte wenig bis gar keine Niederschläge gebracht und die großen Flusssysteme ausgetrocknet. Dazu kamen mehrere Hitzewellen, die die Verdunstung beschleunigten und den Wasserverlust noch vergrößerten. Dieses Jahr war bereits im April in großen Teilen Zentraleuropas eine Dürreperiode erkennbar. Laut Daten des Copernicus-Klimawandeldiensts (C3S) war sie je nach Region mittelschwer bis extrem. In vielen Regionen hielt die Dürre auch im Juni an, was 2020 laut Copernicus Katastrophen- und Krisenmanagement zum dritten ungewöhnlich trockenen Jahr in Folge macht.

Quelle: Vom Modell des Copernicus Katastrophen- und Krisenmanagements abgeleitete Flussabflussmenge. Credit: Copernicus Katastrophen- und Krisenmanagement / EZMW.

In der Zukunft könnten solche Zustände immer mehr zur Normalität werden. Vorhersagen zufolge sollen bis Mitte des Jahrhunderts häufiger Dürren auftreten. Dies bedroht eine Vielzahl von Sektoren – von Wasser- und Energieversorgung bis Binnenschifffahrt und Landwirtschaft. „Die mediterrane Subregion, die bereits am meisten an Wasserknappheit leidet, soll im Hinblick auf Dürrebedingungen die stärksten negativen Auswirkungen des Klimawandels zu spüren bekommen“, so das Dürreteam der Gemeinsamen Forschungsstelle (GFS). „Mit der zunehmenden globalen Erwärmung wird es häufiger zu Defiziten bei den Abflussmengen in der Region kommen, sie werden ausgeprägter werden und länger andauern.“ Falls die globalen Temperaturen um 3 Grad ansteigen, könnten laut Forschenden jährlich zusätzliche 11 Millionen Menschen und 4,5 Millionen Hektar Land von Dürren betroffen sein, die früher nur etwa alle 10 Jahre auftraten. „In Europa sehen wir eine starke Zweiteilung. Im Süden treten mehr Dürren auf und im Norden weniger“, erklärt Dr. Niko Wanders, der an der Universität Utrecht an hydrologischen Extremen forscht. „Wir beobachten, dass extreme Dürren wahrscheinlich noch an Schwere zunehmen werden. Grund dafür ist eine Kombination aus höheren Temperaturen und stärkerer Verdunstung, die zu größeren Wasserverlusten führt“, so Dr. Wanders.

©ESRI

Laut Fachleuten der Universität Birmingham ist auch ein wichtiger Faktor, dass die Flüsse weniger Wasser aus Gletschern erhalten. Die Erwärmung in den europäischen Alpen in den letzten drei Jahrzehnten in Kombination mit geringeren Schneemengen hat zu einem Verlust von fast 54 % der Gletschereisfläche seit 1850 geführt. Langzeitvorhersagen prognostizieren eine weitere drastische Abnahme.

Flüsse verlieren durch Dürreperioden nicht nur an Wassertiefe. Weniger Regenwasser bedeutet auch, dass Flüsse Verunreinigungen nicht länger effizient verdünnen können, was zu höheren Stickstoff-, Phosphor-, Schwermetall- und Mikroplastikkonzentrationen führt, so Fachleute des Forschungsprojekts MaRIUS. Die stärkere Konzentration organischer Stoffe begünstigt das Algenwachstum und Algenblüten, wodurch das Wasser für Menschen unbrauchbar werden könnte. Wärmeres Flusswasser enthält außerdem weniger Sauerstoff als kaltes, was Fischen und anderen Wasserlebewesen schadet.

Ein Containerschiff auf dem Rhein in Deutschland bei Niedrigwasser.

Niedrigere Pegelstände wirken sich auch negativ auf Wirtschaft und Lebensgrundlagen aus. Stromversorgung, Landwirtschaft, industrielle Produktion, Wasserversorgung und weitere Sektoren sind von einer kontinuierlichen Frischwasserversorgung abhängig, um die Nachfrage zu erfüllen. 2018 sorgte das Niedrigwasser des Rheins dafür, dass der Fluss für einen Großteil der Schiffe nicht mehr befahrbar war. Besonders größere und neuere Schiffe waren davon betroffen, was dazu führte, dass wichtigen Lieferbetrieben der Wasserweg verwehrt war und Unternehmen verschiedenster Industrien ihre Produktion drosseln mussten. Obwohl dieses Ereignis laut Zentralkommission für die Rheinschifffahrt (ZKR) eine natürliche Schwankung der Wassermenge war, haben niedrige Pegelstände heute einen stärkeren Einfluss auf die Wirtschaft als früher, als Wirtschaft und Schifffahrt noch weniger intensiv betrieben wurden. Laut eines kürzlichen Berichts verlor die deutsche Schifffahrtsindustrie etwa 2,4 Milliarden Euro.

In den Niederlanden ließ die Rekorddürre von 2018 das Grundwasser absinken und eine Million Haushalte sahen sich dem Risiko von Bodenabsenkungen gegenüber. Im September 2003 erreichte die untere Donau nach geringen Niederschlagsmengen und hohen Sommertemperaturen ihren absoluten Tiefststand seit 1840. Von Süddeutschland bis Rumänien kam die Binnenschifffahrt zum Erliegen, und das Kernkraftwerk Cernavodă musste seinen Betrieb für einen Monat einstellen, weil es zu wenig Kühlwasser für die Reaktoren gab. Fachleute von MaRIUS schätzen, dass es in der Stromproduktion im Vereinigten Königreich innerhalb der letzten 40 Jahre zu einem Verlust von etwa 4,6 TWh aufgrund von niedrigen Pegelständen kam, was für die Unternehmen Einbußen von 45 Millionen Pfund pro Jahr entspricht.

Historische Analyse der potenziellen Auswirkungen von Niedrigwasser und Dürre auf die aktuellen Wärmekraftwerke im Vereinigten Königreich mit aktuellen Umweltauflagen.

Mit dem Strom schwimmen?


Betrachtet man das schlimmste Klimaszenario, könnten die wirtschaftlichen Verluste aufgrund von Dürren laut einer kürzlichen Studie der GFS auf das Fünffache ansteigen. Dieser Anstieg könnte laut des Papers jedoch durch Schadensbegrenzungsmaßnahmen halbiert werden. „Das Stichwort lautet Planung“, so Dr. Wanders. Eine Verbesserung der Planung und des Managements des Wassers stützt sich immer stärker auf Klimainformationen, die bei der Vorhersage von Dürren helfen. „Proaktives Flussmanagement ist von Dürrevorhersagen abhängig. Gute Echtzeit-Beobachtungen sind wichtig“, fügt er hinzu. Fachleute des C3S und des Schwedischen Meteorologischen und Hydrologischen Instituts (SMHI) entwickeln einen Dienst, der Behörden und Unternehmen bei der Erhöhung der Resilienz gegenüber Extremereignissen wie Dürreperioden, die Flusswassermengen beeinträchtigen, helfen könnte. Der Dienst nutzt hydrologische Modelle und regionale Klimamodelle, um Vorhersagen zu Abflusswerten über Monate hinweg machen zu können. Zusätzlich bietet der Dienst Informationen dazu, wie der Klimawandel Niederschlagsmengen, Temperaturen und Flusspegelstände bis 2100 beeinflussen könnte.

Vorhersage der durchschnittlichen Flussabflussmenge für März 2020, initialisiert am 1. Februar 2020.

„Die wichtigsten Industrien, die hydrologische Vorhersagen verwenden, sind Wasserressourcen- und Abwassermanagement, Überschwemmungsrisikomanagement, Zivilschutz, Wasserkraft, Binnenschifffahrt, Landwirtschaft und Tourismus“, erklärt Dr. Shaun Harrigan, Wissenschaftler für hydrologische Vorhersagen am Europäischen Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW). „Hydrologische Vorhersagen bieten diesen Industrien Frühwarnungen vor Extremereignissen, egal, ob der Fluss zu viel oder zu wenig Wasser führen wird. Dadurch können die Industrien resilienter gegenüber hydrologischen Extremen werden und klügere Entscheidungen mit positiven sozioökonomischen Auswirkungen treffen“, so Dr. Harrigan.

Lokale Behörden in den Mittelmeerregionen wollen im Falle einer Dürre ihre Wasserressourcen besser managen. Im Osten Spaniens befindet sich das Becken des Júcar. Der Fluss versorgt etwa 150.000 Hektar Land sowie Städte, Wasserkraftwerke und Industrie mit Wasser. Die dortigen Wasserbehörden nutzen Klimainformationen des C3S, um die Wasserverteilung an Wetter- und Abflussbedingungen anzupassen und die Resilienz einer Region zu erhöhen, die seit 2013 eine Dürre erlebt. Klima- und Wasserdaten aus ganz Europa werden mit lokalen Daten kombiniert und unterstützen so die Behörden vor Ort dabei, ihre Pläne im Fall von Wasserknappheit zu verbessern.

Das Wasserversorgungsunternehmen der Autonomen Gemeinschaft Madrid, Canal Isabel II, kämpft an zahlreichen Fronten gegen die immer trockeneren Bedingungen der Region, um mehr als 6 Millionen Menschen mit Wasser zu versorgen. „Wir leiden schon seit einiger Zeit an den Konsequenzen von Wasserstress. Der durchschnittliche Wassereinfluss in unsere Reservoire hat sich in den letzten 30 Jahren im Vergleich zum Durchschnitt seit 1914 um fast 20 % verringert“, so das Unternehmen. Abgesehen von Reservewasserquellen nutzt das Unternehmen auch Modelle, um die Wasserverfügbarkeit zu berechnen, und will seine Reservoire mit Frühwarnsystemen für Extrembedingungen ausstatten. Canal Isabel II hat außerdem in Abwasseraufbereitung zu städtischen und industriellen Zwecken investiert, um die Menge an verbrauchtem Frischwasser zu reduzieren.

In Italien bietet ein Beratungsunternehmen digitale Tools für besseres Wassermanagement an. „Wir entwickeln Services, um Wasserverbrauch und Wasserverfügbarkeit jahreszeitenabhängig und unter Klimawandelbedingungen für eine Vielzahl an Anwendenden zu prognostizieren – Bewässerungsbehörden, Wasserressourcenmanagement, Energieunternehmen“, so Dr. Paolo Mazzoli, technischer Direktor bei GECOSISTEMA. Der Service SmartRIVER nutzt Daten des C3S und aus anderen Quellen sowie ortsspezifische Daten (bspw. von Wetterstationen), um Vorhersagen zu Flusswassermengen und Wasserverfügbarkeit je nach Bedürfnissen des jeweiligen Anwendenden zu erstellen. „SmartRIVER ist in Betrieb und prognostiziert zweimal im Monat einströmende Wassermengen für den Ridracoli-Stausee“, erklärt Dr. Mazzoli. „Der Staudamm wurde in den frühen 80er-Jahren in den Apenninen der Region Emilia-Romagna errichtet, fasst etwa 30 Millionen m3 Wasser und versorgt über eine Million Menschen in vier Provinzen mit Trinkwasser“, so Dr. Mazzoli. „Mithilfe der Vorhersagen kann das Stausee-Management die Wassernutzung und -verteilung optimieren.“

Für eine präzise Vorhersage von Flusswassermengen benötigt man Simulationen des gesamten Wasserkreislaufs, erklärt Dr. Harrigan. „Traditionell betrachtete man das Flusseinzugsgebiet vom Boden aus, wo wir Wetter und Wassermengen ausreichend gut beobachten konnten. Jetzt […] können wir dank Satelliten hydrologische Vorhersagen über Orte machen, an denen uns nur wenige oder gar keine Beobachtungsdaten vom Boden zur Verfügung stehen“, so Dr. Harrigan. Doch ein paar Unsicherheiten bleiben. „Eine der größten Unsicherheiten ist die Vorhersage von Extremwetterereignissen, die zu hydrologischen Extremzuständen führen, insbesondere, wenn sie mehr als eine oder zwei Wochen im Voraus geschehen soll“, erklärt er. „Die andere ist die Simulation davon, was mit dem Niederschlagswasser passiert, nachdem es in den Boden gesickert ist. Aber die Innovationen in der Fernerkundung sind sehr vielversprechend.“

Dennoch müssen für die Vorhersage von Flusspegelständen auch andere Faktoren in Betracht gezogen werden. Laut den Fachleuten der GFS fehlen immer noch Daten dazu, wie viel Wasser für verschiedene Zwecke abgeführt wird und wie Grundwasserentnahmen Flusswassermengen beeinflussen. „Die größte Herausforderung bei hydrologischen Modellen ist die Einberechnung menschlicher Einflüsse auf die Wasserbalance, insbesondere, wenn es um größere Maßstäbe geht. Unsere Fähigkeit zur Einberechnung dieser Faktoren zu verbessern wird die Unsicherheiten beim Monitoring und bei der Vorhersage von Dürren signifikant reduzieren“, so das GFS-Team.