Institut fr Hydrologie

der Albert-Ludwigs-Universitt Freiburg i.Br.

Stephan Huxol

Trendanalyse von Zeitreihen derKomponenten des

Wasserkreislaufes imEinzugsgebiet der Dreisam zurprozessorientierten Beurteilung

hydrologischer Klimafolgen

Diplomarbeit unter der Leitung von

Prof. Dr. Ch. LeibundgutFreiburg i.Br., November 2007

Institut fr Hydrologie

der Albert-Ludwigs-Universitt Freiburg i.Br.

Stephan Huxol

Trendanalyse von Zeitreihen derKomponenten des

Wasserkreislaufes imEinzugsgebiet der Dreisam zurprozessorientierten Beurteilung

hydrologischer Klimafolgen

Referent: Prof. Dr. Ch. Leibundgut

Koreferent: Dr. Ch. Klls

Diplomarbeit unter der Leitung von

Prof. Dr. Ch. LeibundgutFreiburg i.Br., November 2007

Inhaltsverzeichnis I

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis I

Abbildungsverzeichnis V

Tabellenverzeichnis VII

Symbolverzeichnis IX

Abkrzungsverzeichnis XI

Zusammenfassung XIII

Summary XV

1 Einleitung und Motivation der Arbeit 1

2 Literaturrecherche 32.1 Forschungsstand der Trendanalyse hydrologischer und klimatologi-

scher Zeitreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2 berblick ber die Klimawandelforschung in Sddeutschland (Baden-

Wrttemberg) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.3 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3 Das Untersuchungsgebiet 113.1 Lage und Topographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.2 Klimatologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.3 Geologie und Hydrogeologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.4 Bden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.5 Landnutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.6 Hydrologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4 Methoden 194.1 Verwendete Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

II Inhaltsverzeichnis

4.1.1 Trendtest nach Mann-Kendall . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.1.2 Trendschtzung nach Sen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214.1.3 Autokorrelationskoeffizient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.1.4 Pre-whitening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.1.5 LOESS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.2 Methodisches Vorgehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5 Daten 295.1 Pegeldaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295.2 Klimadaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305.3 Niederschlagsdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315.4 Vorgehen bei Datenlcken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325.5 Verwendete Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

6 Ergebnisse 376.1 Analyse 1955-2007 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

6.1.1 Niederschlag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386.1.2 Lufttemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426.1.3 Feuchtemae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

6.1.3.1 Relative Feuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476.1.3.2 Absolute Feuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

6.1.4 Potentielle Evaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506.1.4.1 Nach Hamon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506.1.4.2 Nach Hargreaves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

6.1.5 Abfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536.2 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

7 Synthese und Interpretation der Ergebnisse 617.1 Analyse 1955-2007 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617.2 Vernderungen in Abhngigkeit von der topographischen Hhe und

der Einzugsgebietsgre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 707.3 Vernderungen der Wasserbilanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 737.4 Abhngigkeit von der Zeitreihenlnge . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

8 Fazit 79

9 Ausblick 83

A Tabellen 85

Inhaltsverzeichnis III

B Programmcode 111

Literaturverzeichnis 117

IV Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis V

Abbildungsverzeichnis

3.0.1 Untersuchtes Einzugsgebiet der Dreisam mit Teileinzugsgebieten undverwendete Niederschlags- bzw. Klimastationen sowie Pegel . . . . . 11

3.2.1 Niederschlagsregime ausgewhlter Stationen im Dreisameinzugsge-biet, Bezugszeitraum: Normalperiode 1961-1990 . . . . . . . . . . . 12

3.6.1 Abflussregime im Dreisameinzugsgebiet . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4.1.1 Mittlere Winterabflsse (Dez-Feb) der Dreisam, Pegel Ebnet, 1941-2005 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.2.1 Schema ber das methodische Vorgehen bei der Trendanalyse . . . . 28

5.1.1 Vorhandene Zeitreihen der verwendeten Pegel . . . . . . . . . . . . 30

5.3.1 a) Lngen der Klima- und Niederschlagszeitreihen, Bereich 2000-2007 grau unterlegt und in b) vergrert dargestellt . . . . . . . . . 32

6.1.1 Vernderungen im Niederschlag in den untersuchten Quartalen in(mm/Jahr), gefllte Balken sind signifikant, in Klammern der je-weilige p-Wert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

6.1.2 Mit LOESS geglttete Werte der Jahresmitteltemperatur . . . . . . 43

6.1.3 Vernderungen der Lufttemperaturen in den untersuchten Quarta-len in (C/Jahr), gefllte Balken sind signifikant, in Klammern derjeweilige p-Wert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

6.1.4 Vernderungen der relativen Feuchte in den untersuchten Quartalenin % pro Jahr, gefllte Balken sind signifikant, p-Wert in Klammern 48

6.1.5 Vernderungen der absolute Feuchte in den untersuchten Quartalenin g/m3 pro Jahr, gefllte Balken sind signifikant, p-Wert in Klammern 49

6.1.6 Vernderung der potentiellen Evapotranspiration nach Hamon undHargreaves in den untersuchten Quartalen in (mm/Jahr), gefllteBalken sind signifikant, p-Werte in Klammern . . . . . . . . . . . . 52

6.1.7 Vernderungen des Abflusses in den untersuchten Quartalen in (mm/Jahr),gefllte Balken sind signifikant, p-Werte in Klammern . . . . . . . . 56

VI Abbildungsverzeichnis

6.1.8 Mit LOESS geglttete Werte des jhrlichen WSCV-Datums, darge-stellt als julianischer Tag seit 01.01. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

7.1.1 Abflussregime der Pegel Ebnet und Oberried fr verschiedene Zeitru-me mit Jahresmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

7.1.2 Abflussregime der Pegel Zastler und St. Wilhelm fr verschiedeneZeitrume mit Jahresmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

7.2.1 Signifikante (p

Tabellenverzeichnis VII

Tabellenverzeichnis

3.6.1 Wasserbilanz des Dreisameinzugsgebietes nach Frieg (1987) . . . . 17

5.1.1 Vorhandene Pegelreihen mit Lcken . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

5.5.1 Untersuchte Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

6.1.1 Untersuchte Stationen und Pegel mit Hhenstufe . . . . . . . . . . . 38

7.3.1 Verwendete Stationen mit dazugehriger Hhenstufe und jeweiligemFlchenanteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Tabellenverzeichnis Anhang

A.0.1 Tabelle der Klima- und Niederschlagsstationen mit Angabe der vor-handenen Zeitreihen und Lcken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

A.0.2 Ergebnisse der Trendanalyse 55-07 an der Niederschlags- und Kli-mastation Freiburg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

A.0.3 Ergebnisse der Trendanalyse 55-07 der Klimastation Hinterzarten . 90

A.0.4 Ergebnisse der Trendanalyse 55-07 der Niederschlags- und Klima-station Feldberg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

A.0.5 Ergebnisse der Trendanalyse 55-07 der Niederschlagsstationen . . . 94

A.0.6 Ergebnisse der Trenduntersuchung 55-07 der Feuchteparameter anden Klimastationen Freiburg und Feldberg . . . . . . . . . . . . . . 96

A.0.7 Ergebnisse der Trendanalyse 55-07 der Evapotranspiration nach Ha-mon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

A.0.8 Ergebnisse der Trendanalyse 55-07 der Evapotranspiration nach Har-greaves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

VIII Tabellenverzeichnis

A.0.9 Ergebnisse der Trendanalyse des Pegel Ebnet (Dreisam) . . . . . . . 102A.0.10 Ergebnisse der Trendanalyse 55-07 des Pegel Oberried (Brugga) . . 104A.0.11 Ergebnisse der Trendanalyse 55-07 des Pegel Zastler (Zastlerbach . . 106A.0.12 Ergebnisse der Trendanalyse 55-07 des Pegel St. Wilhelm (St. Wil-

helmer Talbach) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

IX

Symbolverzeichnis

a absolute Feuchte (g/m3) Signifikanz ()b Steigunge Dampfdruck (hPa)e(T ) Sttigungsdampfdruck bei Temperatur T (kPa)H0 Nullhypothese ()H1 Alternativhypothese ()HQJahr hchster Jahresabfluss (m3)HQMonat hchster Monatsabfluss (m3) Tageslnge (d)mW Molmasse des Wassers (kg)med MedianMHQ mittlerer Hochwasserabfluss (m3)MQ mittlerer Abluss (m3)MQJahr mittlerer Jahresabfluss (m3)MQmax maximaler mittlerer Tagesabfluss (m3)MQMonat mittlerer Monatsabfluss (m3)S Erwartungswert der Teststatistik

des Mann-Kendall Trendtest ()n Anzahl ()NQ niedrigster mittlere Tagesabfluss (m3)P Wahrscheinlichkeit ()p, pWert Wahrscheinlichkeit fr das Annehmen

der NullhypothesePETham potentielle Evapotranspirat