EINFÜHRUNG IN DIE VORLESUNGGRUNDZÜGE WASSERHAUSHALT

Wolfgang Kinzelbach

Institut für UmweltingenieurwissenschaftenETH Zürich

Gliederung der Vorlesung

• Einführung und Motivation • Wasserwirtschaft

– Bedarf– Dargebot– Trockenheit– Speicherbemessung

• Aquatische Physik• Flussgebietsmorphologie, Sedimenttransport• Wasserqualität• Gewässerschutz, Sanierung und Renaturierung von

Fliessgewässern, Seen und Grundwasser• Exkursionen (Baltenswil 4.4.2012, Alptal 30.5.2012)

Lernziele

• Übersicht über die unterschiedlichen Aspekte der Wasserproblematik bekommen

• Vertraut werden mit Eckdaten, Zahlen und Grössenordnungen

• Fähigkeit entwickeln Daten nachzuschlagen• Fähigkeit entwickeln grobe Handrechnungen

zur Abschätzung durchzuführen

Einführung: Inhalt

• Wasserprobleme• Globale Wasserressourcensituation• Was heisst “nachhaltige” Wasserwirtschaft,

integrale Wasserwirtschaft• Nachhaltigkeit an Beispielen• Lösungsansätze

• Kosten: 24 Milliarden US$• Reservoirlänge über 500 km• 1.5 Millionen Personen umgesiedelt• Kapazität der Wasserkraft: 19.2 Gigawatt • 1300 archäologische Stätten überflutet• Flussschifffahrt verbessert von 10 auf 50 Mio. t/a

(Rhein ~ 50 Mio. t/a)• 22 km3 Hochwasserspeicher, entspricht 20 Tagen

mittleren Abflusses• Legendär schöne Landschaft geflutet

Ist es die S

ache w

ert?

Dreischluchten Damm

Wasserbewirtschaftung als Entscheidungsproblem

• Widersprüchliche Bedürfnisse• Mehrfache Zielvorstellungen• Viele “stakeholders”• Komplexes und nicht-lineares System

• Was ist die beste Lösung?• Was können die

Umweltingenieurwissenschaften beisteuern?

11 Herausforderungen für die Wasserwirtschaft

1. Sicherung der Grundbedürfnisse und der Gesundheit2. Ernährungssicherheit 3. Schutz von Ökosystemen4. Befriedigung der städtischen Bedürfnisse5. Förderung sauberer Industrie6. Entwicklung der Energieversorgung 7. Minderung von Risiken und Beherrschung von

Unsicherheiten8. Wasserzuteilung über Grenzen hinweg9. Wert von Wasser festsetzen10. Die Datenbasis sicherstellen11. Wasser weise verwalten

Herausforderungen an die Wasserwirtschaft der Schweiz?

1. Trinkwasser und Gesundheit?2. Bewässerung? 3. Schutz von Ökosystemen?4. Befriedigung der städtischen Bedürfnisse?5. Förderung sauberer Industrie?6. Entwicklung der Energieversorgung? 7. Naturgefahren im Wasserbereich?8. Wasserzuteilung über Grenzen hinweg?9. Wert von Wasser festsetzen?10. Die Datenbasis sicherstellen?11. Wasser weise verwalten?

GLOBALE WASSER BILANZ (Basis: Postel et al. 1996) (Flüsse in 103 km3/a)

ET überOzean 430

Natürliche ET 50

ET Landbau, Weiden, Forst 21

ET aus Bewässerung 3

Land

Zugängl. Abfluss

13

Niederschlagüber Land

110Totale ET

über Land

71

Gesamtabfluss

37

Unzugängl. Abfluss

27 ET unbew. Landbau, Weiden, Forst

18

Entnahmen durch

Menschen 5Abfluss aus Entnahmen

2

Niederschlag über Ozean

390

AtmosphärischerTransport

40

Ozean

Rest zugängl. Abfluss

8

Zum Vergleich: 1000 m3/s ist etwa 1/6 des mittleren Amazonasabflusses

Globale Wasserbilanz: Andere Aufteilung Basis: Oki and Kanae, 2006

• Volumen und Erneuerungsrate

•“Blaues“ und “Grünes“ Wasser

• Konsumtiver und nicht-konsumtiver Verbrauch

• Virtuelles Wasser und reales Wasser

Vier wichtige Begriffspaare

Oberflächenwasser (Seen und Flüsse):• Volumen 104,000 km3

• Erneuerungsrate 39,000 km3/a

Grundwasser (inklusive Bodenwasser):• Volumen 10,000,000 km3

• Erneuerungsrate 3,000 km3/a

Globale SüsswasserressourcenZwei Typen von Ressourcen

Vorrat

Umsatz

Beachte: Unterschiede zwischen beiden Ressourcen

Blaues und grünes Wasser• Begriffe geprägt von Malin

Falkenmark• Grünes Wasser ist Regenwasser, das

in der Wurzelzone der Pflanzen gespeichert ist

• Blaues Wasser ist der Abfluss• Trockenfeldbau zählt zu grünem

Wasserverbrauch• Bewässerungsfeldbau zählt zu

blauem Wasserverbrauch• Nur blaues Wasser kann verteilt

werden

Wasserverbrauch

• Konsumtiver Wasserverbrauch– Verdunstung (vor allem in der

Landwirtschaft)

• Nicht-konsumtiver Wasserverbrauch– Nutzt Wasser als Lösemittel, Kühlmittel

oder Transportmittel

Ist Wasserkraft konsumtiv oder nicht-konsumtiv?

Spare Wasser, trinke Wein!Ist dieser Slogan korrekt?

Nein: Um 1 l Wein zu produzieren braucht man etwa 900 l Wasser…

Virtuelles Wasser

• Virtuelles Wasser = Wasser, das zur Erzeugung eines Produkts aufgewendet wird.

• Begriff geprägt von John Anthony Allan um 1995 („Stockholmer Wasserpreis“ 2008)

• Wasser wird virtuell genannt, weil es nach Herstellung des Produkts nicht mehr im Produkt enthalten ist

Wasser für Nahrung

Tägl. Trinkwasser 2-5 Liter/Tag

Tägl. Haushaltsverbrauch 30-200 Liter/Tag

1 kg Getreide 500-2000 Liter ET

1 kg Tierprodukte (Fleisch, Milch)

5000-15000 Liter ET

Ist Rindfleischproduktion in den Alpen verwerflich?

FleischproduktionAuf reiner Grasbasis Mit Kraftfutter (Soja)

Intensiv. Mögliche Folgen: Zerstörung von Regenwald, Export von virtuellem Wasser das dann anderen einheimischen Nutzern fehlt

Extensiv. Ökologisch unbedenklich solange Überweidung vermieden wird

„Wasserverbrauch“ in 1000 km3/a

Niederschlag auf die Kontinente 110

Natürliche Ökosysteme 50

Trockenfeldbau(5), Weiden+Forst(13) 18

Zugänglicher Abfluss 13

Entnahmen durch Menschen 4.5

Haushalt 0.4 Bewässerungslandwirtschaft 3.15 Industrie 0.9

Trinkwasser < 0.01

konsumtiv konsumtiv

konsumtiv

1000 km3/a ist etwa 1/6 des Amazonas

Wichtigste Bilanzposten• Natürliche Ökosysteme (Pflanzenwelt) (50 000 km3/a)

– Wichtig für Klima, Sauerstoff, Geochemische Kreisläufe, Tierwelt etc.

• Anthropogene Ökosysteme (Landwirtschaft, Weiden, Forst))

(20 000 km3/a)– Wichtig für Ernährung

• Restabfluss (11 000 km3/a)

– Wichtig für Abtransport von Salzen, Verhinderung von Meerwasserintrusion

Summe aus Posten 1 und 2 relativ konstant, Posten 3 kann nicht stark vermindert werden. Konflikt zwischen 1 und 2

In der Presse oft verwechselt…

• Trinkwasserbedarf und Wasserbedarf insgesamt

• Wasserbedarf insgesamt ist dominiert durch Wasserbedarf für Nahrung: 8000 km3/a (grünes + blaues Wasser)

• Bedarf an Trinkwasser: <10 km3/a

• Trinkwasserprobleme sind in erster Linie Qualitätsprobleme

Dargebot und Nachfrageim Mittel

• Zugänglicher Abfluss 13000 km3/a

• Entnahme 4500 km3/a

Abfluss jährlich neuWo ist die Knappheit?

Vorsicht: MittelungVorsicht: Nachhaltigkeit

Mittelung ist irreführend...

Trockenheit kann nicht gegen Überschwemmung aufgerechnet werden

Überschwemmungen in Pakistan 2010best-pic4u.blogspot.com

Dürre in China 2011newshopper.sulekha.com

Dargebot und Nachfrage: Diskrepanz in der Zeit

Zeit

Dargebot Nachfrage

1a

Niederschlag

ZeitAntwort der Wasserwirtschaft:Speicher, Steuerung des Verbrauchs

Dargebot und Nachfrage: Diskrepanz im Raum

Jahresniederschlag in Zürich 1000 mm Niamey 500 mm

Bergen 5000 mmTurfan 70 mm

Antwort der Wasserwirtschaft:Überleitung, Wassersparmassnahmen (Demand management)

Grenze für Landwirtschaft ohne Bewässerung: 500 mm

Wasser ist in vielen Regionen schon lange knapp und die Knappheit nimmt zu

Definition von ernstem Mangel (UNO): < 1000 m3/a/P

2000 407 Mio. Menschen 2025 3 Mrd. Menschen

Wasserknappheit

Eine Entnahme von wesentlich mehr “blauem Wasser” als den gegenwärtigen 4500 km3/a ist nicht denkbar.

Wasserverfügbarkeit in Einzugsgebieten (Durchfluss) ((langjähriges Mittel 1961-90)

Wasserentnahmen in Einzugsgebieten ((ca. 1995, Klima 1961-90) l

Indikator für Wasserstress

Milder Wasserstress: = 0.2 - 0.4Ernster Wasserstress: > 0.4

Globaler Mittelwert heute: = 4.5/13 = 0.35

ssourcenReeerneuerbarverfügbare

Entnahmen

Source: WaterGAP 2.0, 2000

Wasserstressindikator: Entnahmen/Verfügbarkeit 2000

Gibt es Wassermangel in der Schweiz?

• Ressource (pro Kopf und Jahr): 7350 m3/P/a (zum Vergleich: Tunesien 400 m3/P/a)

• Verteilung über das Jahr in der Schweiz :Niederschlag relativ gleichmässigAbfluss durch Schneeschmelze im Sommer höher

• Verteilung im Raum in der Schweiz: Wallis trocken

• Einfluss des Klimawandels: in Zukunft eventuell trockenere Sommer, dafür mehr Winterniederschlag Etwas grössere Gegensätze im Abfluss wegen geringerer Gletscherschmelze

Knappheit nimmt global zu wegen

- Bevölkerungswachstum (auf 9 Mrd. in 2050)

- Zunahme des Lebensstandards (letzte Verdopplung derBevölkerung war mit Verdreifachung des Wasserbedarfs verbunden)

- Wasserbedarf für Agrotreibstoffe

- Klimawandel

Zukünftige Wasserknappheit

Wasserknappheit ist im Prinzip ein lokales Problem, aber es gibt Fernwirkungen

• 1 m3 Bewässerungswasser 0.02 CHF• 1 m3 Trinkwasser 2 CHF

Nicht global gehandelte Güter

• 1 m3 Perrier 3000 CHF• 1 m3 Benzin 1600 CHF

Global gehandelte Güter

Kann es zu einer globalen Wasserkrise kommen?

Also eher globale Ölkrise als globale Wasserkrise?

- Welternährungssicherheit- Kein Weltmarkt für Wasser, aber für Nahrung- Hunger kann Migration auslösen, die auch uns betrifft

- Wasserbedarf für Biotreibstoffe - Weltmarkt für Energie- Wettbewerb mit Nahrungserzeugung

- Internationale Flusseinzugsgebiete- Von 405 Einzugsgebieten sind 261 international mit

Konfliktmöglichkeiten zwischen Oberliegern und Unterliegern

- Ökosysteme von globaler Wichtigkeit- Z. B. Ramsar Konvention

Globale Aspekte der Wasserknappheit

• 70% des Süsswasserbedarfs entfallen auf die Landwirtschaft

• Bewässerungslandwirtschaft ist mehr als doppelt so produktiv wie regenabhängige Landwirtschaft

• 1 t Getreide benötigt 1000-2000 t Wasser• Es gibt einen Weltmarkt für Getreide

Falls es ein globales Wasserproblem gibt, so tritt es in Form eines globalen Ernährungsproblems und eines globalen Migrationsproblems auf

Aspekt Agrarmarkt

Aspekt: Internationale Einzugsgebiete

Aus Knappheit resultieren Konflikte zwischen Oberliegern und Unterliegern eines Einzugsgebiets

Nil (Äthiopien-Sudan-Ägypten)Euphrat (Türkei-Syrien-Irak)Jordan (Israel-Syrien-Jordanien-Palästina-Libanon)Mekong (China-Burma-Thailand-Kamboscha-Vietnam-Laos)Indus (Indien-Pakistan)Amu-Darya (Usbekistan-Kasachstan-Kirgistan-Afghanistan)und viele andere

Aspekt Klima

Gesamtniederschlag nimmt leicht zu aberVerteilung in Raum und Zeit ändert sich

Zu erwarten: • Stärkere Extreme• Verschiebung von Klimazonen • Systematische VerliererZ. B. Australien, Südafrika, Nordbrasilien, Mittelmeerraum

Klimawandel: Niederschlag

IPCC

Klimawandel und Wasserverfügbarkeit

Source: WaterGAP, 2001

HadCM3 (2070s)

… und eventuell grössere Variabilität!

Der versteckte Wassermangel - Nicht-nachhaltige Wassernutzung

Ausstiegsstrategien erforderlich...

Dazu kommt :

Nachhaltige Wasserwirtschaft

Praxis, die– irreversible und quasi-irreversible Schäden an der

Ressource Wasser und den mit ihr zusammen-hängenden natürlichen Ressourcen vermeidet

– Langfristig die Fähigkeit der Ressource Wasser erhält, ihre Dienste (einschliesslich ökologischer) zu leisten.

Definition von Herman E. Daly

• Für erneuerbare Ressource– Nutzungsrate darf nicht grösser sein als Erneuerungsrate

• Für nicht erneuerbare Ressource– Nutzungsrate darf nicht grösser sein als Rate mit der nicht erneuerbare Ressource

durch eine erneuerbare (und nachhaltig genutzte) Ressource ersetzt werden kann

• Für Schadstoffe und stoffliche Belastungen– Produktionsrate darf nicht grösser sein als die Rate

mit der die Substanz rezykliert, absorbiert oder in harmlose Substanzen abgebaut werden kann

Was heisst „nicht-nachhaltig“ im Kontext der Wasserressourcen?

Nicht-nachhaltig ist eine Praxis, für die es keine Alternative gibt, die aber auf Dauer in eine Krise führt

Nicht-Nachhaltigkeit zeigt sich in- Erschöpfung einer endlichen Ressource, die nicht

substituiert werden kann (z. B. Grundwasser, Boden, Biodiversität)

- Akkumulation von Substanzen auf gefährliche Konzentrationen (z. B. Salze, Nutrienten, Schwermetalle)

- unfaire Allokation einer Ressource die zu Konflikt führt (z. B. Oberlieger-Unterlieger Problem)

- Versagen von Institutionen- Kostenexplosion

Die wichtigsten globalen Nachhaltigkeitsprobleme im

Wassersektor sind:

– 5 to possibly 25% of global freshwater use exceeds long-term accessible supplies (low to medium certainty)

– 15 - 35% of irrigation withdrawals exceed supply rates and are therefore unsustainable (low to medium certainty)

Überpumpen von Grundwasserleitern

1/4 aller Entnahmen ist nicht erneuerbar 40% der Bewässerungslandwirtschaft ist von fallenden Grundwasserspiegeln betroffen

Ausstiegsstrategie China- Süd-Nord-Wassertransfer, - Landkauf in Afrika

• Grundwassereinsatz ist deutlich geringer als Oberflächenwassereinsatz, aber

• Grundwasser ist strategische Ressource für Trinkwasserversorgung

• In der ariden und semi-ariden Welt ist Grundwasser oft die einzige ganzjährig verfügbare Wasserressource

• Nachhaltigkeitsprobleme sind am gravierendsten im Zusammenhang mit Grundwasser sowohl nach Menge als auch nach Qualität

• Das Potential zur Vermehrung der Ressource ist gering

Besonderheiten des Grundwassers

Beispiel Niger:Grundwasser ist die einzige ganzjährig verfügbare Wasserressource

Allgemeines Prinzip

• Entnahme < Neubildung (aus Niederschlag und Versickerung aus Oberflächengewässern)

Unterstrom gelegenen Bedarf nicht vergessen!• Entnahme < Neubildung–Minimum Bedarf im

Unterstrom

Hauptursache für Aquiferübernutzung:

Grossskalige Bewässerung aus Grundwasser

Beispiele:

Ogallalla Aquifer, USANordchinesische EbeneKaroo Aquifere, Süd AfrikaAquifere der Arabischen HalbinselChad Becken AquiferNord Sahara Aquifer System (SASS)

Typische Absenkraten 1 bis 3 m/a, von rund 800 km3/a Entnahmen sind etwa ¼ nicht erneuerbar.

Abnahme der Niedrigwasserabflüsse

Sogar grosse Flüsse werden saisonal, Seen trocknen aus, Oberlieger-Unterlieger Konflikte nehmen zu. Tragischstes Beispiel: Aralsee

Beispiele• Gelber Fluss (1997 rund 220Tage kein Abfluss auf 700

km Länge, Fassungsvermögen der Talsperren grösser als mittlerer Abfluss)

• Aral See (trocknet aus)• Euphrat und Tigris (GAP Projekt)• Nil (Salzwasserintrusion nimmt zu) • Jordan (Israel-Syrien-Jordanien-Palästina-Libanon)• und viele andere

• Hauptproblem: Landwirtschaft im Oberstrom verdunstet Wasser, das dem Unterstrom fehlt. Wasserkraft hat geringere Verluste, vergleichmässigt aber den Abfluss über das Jahr

Trockenlegung von Feuchtgebieten

Fläche seit 1900 halbiert

Wichtigkeit der Feuchtgebiete

• Verlust an essentieller Artenvielfalt• Recht der Natur als Wassernutzer• Wirtschaftlicher Nutzen von Feuchtgebieten

oft unterschätzt• Alternative Nutzung oft nicht nachhaltig• In Europa: Rehabilitationsprogramme

Ist in der Schweiz die negative Beeinflussung von

Ökosystemen durch Wassernutzung ein Thema?

Antwort: Ja, Beeinflussung der Gewässer durch Wasserkraftnutzung. Schwall-Sunk-Problematik, Restwassermenge.Tendenz der Problematik steigend!

Bodenversalzung

80 Mio. von 260 Mio. ha Bewässerungsfläche betroffen

Bodenversalzungsproblem

Ursachen

Wasser, Salze

Wasserdampf

Ohne Dränage: Salzanreicherung

natürlich

bewässert

Grundwasserspiegelanstieg, Kapillar-anstieg, hohe Verdunstung, Salzdeposition

Weltweit sind rund 80 Mio. ha Agrarland in irgend-einer Weise von Versalzung betroffen.Zum Vergleich: 1500 Mio. ha Gesamtfläche, davon 260 Mio. ha bewässerter Fläche

Wasser, Salze

Verschmutzung von Wasserkörpern grosser

Aufenthaltszeit (z. B. Grundwasser) mit persistenten oder

rezyklierbaren Schadstoffen

Für alle Probleme gilt:

Verschärfung durch Klimawandel

Meerwasserintrusion Monterey Bay

           

MEERWASSERINTRUSION

SalzwasserSüsswasser

Schadstoffe im Grundwasser

• Bakterien und Viren• Nitrat, Pestizide• Mineralölkohlenwasserstoffe• Chlorierte Kohlenwasserstoffe• Chrom, PAK, ....

Reversibilität bei persistenten Stoffen eventuell nur nach sehr langer Zeit

• Aber: Eutrophierung von Seen kann wegen Nährstoffrecycling sehr langfristig sein

• Beispiel Taihu in China

Reversibilität wurde in europäischen Flüssen demonstriertZ. B. Rhein, Themse, Aufenthaltszeiten des Wassers geringSeen: Schweizer SeenErforderlich: Substantielle Investitionen und politischer Wille

Warum ist Verschmutzung von Flüssen und Seen kein Nachhaltigkeitsproblem

Wuxi, Taihu, Mai 2007Kein Trinkwasser für Mio. Menschen

GerucGeruchh

Blaualgen

In der Heute:Vergangenheit: Einbahnstrasse

Weniger MenschenFäkalien auf FelderGeringer Eintrag vonNährstoffen in SeeEntfernung von Nährstoffen aus See durch Ausgraben vonSchlamm zur Düngung

Viel mehr MenschenAbwässer in SeeKunstdünger durchAbtrag von Feldern in SeeKeine Entfernung von Schlamm

Lösungsansätze

Grosse Optionen (Grössenordnung 1000 km3/a)• Wassersparen in der Landwirtschaft durch verbesserte

Technologie und verbessertes Management (auch post-harvest)

• Ertragserhöhung des Trockenfeldbaus durch Biotechnologie• Erhöhung der Effizienz der internationalen Arbeitsteilung

und erhöhter Import von „virtuellem Wasser“• Verzicht auf Agrotreibstoffe mit der gegenwärtigen

TechnologieEine Reihe kleinerer Optionen (Grössenordnung bis 100 km3/a)• Water harvesting und neue Dämme• Meerwasser- und Brackwasserentsalzung • Überleitung zwischen Einzugsgebieten, Abwasserrecycling• Umsiedlung von Menschen und Geburtenkontrolle• Übergang zu anderer Lebensweise (z.B. vegetarische

ernährung)

Typische Wassereffizienz in der 3. Welt

Stausee 100%

Kanal

Feld Getreide-speicher

Verlust 40% Verlust 50% Verlust 30%

Effizienz: 20%

Verbraucher

60%

30% 20%

Wassersparende Bewässerung

Mehr Wasserspeicherung

Beispiel für Massnahmenkatalog

2030 Water Resources Group, WEF

Verringerung der Ernte- und Nahrungsmittelverluste

Welcher Anteil der Brotproduktionwandert in Wien jeden Tag in die Mülltonne?

5% oder 25% ?

Mehrbedarf an Wasser 2050(blau und grün) in km3/a

Zunahme wegen Bevölkerungswachstum (4000) +Beendigung nicht-nachhaltiger Praktiken (1000) +

Anpassung an Klimawandel (1000) +Agrotreibstoffe (10% Ersetzung: 1000) =

7000

Potential aller Optionen (Einsparung + neue Ressourcen): 4000-5000

Kann die Diskrepanz gedeckt werden?

Wenn ja, dann auf Kosten der Ökosysteme

Schlussbemerkungen• Ernste regionale Wasserprobleme existieren bereits heute

und nehmen an Intensität zu• Viele Regionen sind nicht nachhaltig mit Wasser versorgt• Die Lösung der Wasserprobleme erfordert die Anwendung

eines breiten Spektrums von Optionen• Generell wird die Menschheit in der Zukunft einen grösseren

Anteil des Einkommens als heute für die Bereitstellung von Wasser und Nahrung aufbringen müssen

• Klimawandel kompliziert das Wasserproblem weiter• Die meisten regionalen Wasserprobleme haben einen

internationalen Aspekt und bergen Konfliktpotential• Die sozio-ökonomischen Hindernisse bei der Problemlösung

sind in der Regel grösser als die technischen Hindernisse