trinkwasserverbrauch im regierungsbezirk darmstadt 1977 –...
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Landesbetrieb Landwirtschaft HessenBildungsseminar Rauischholzhausen
Klimawandel und WasserversorgungEinfluss der Witterung auf den Wasserbedarf
DR.-ING. ULRICH ROTHBeratender Ingenieur, Bad Ems
Professor – Frankfurt University of Applied Sciences
Homepage: www.dr-roth-badems.de
… in Zusammenarbeit mit demHessischen Landesamt fürNaturschutz, Umwelt und Geologie
3. Wiesbadener Grundwassertag20. September 2016
Trinkwasserverbrauch im Regierungsbezirk Darmstadt 1977 – 2014
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1977 1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013
Haushalte und Kleingewerbe Industrie und Großgewerbe Eigenbedarf und Verluste
Millionen Kubikmeter pro Jahr
277283
273 279267
233242
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219 223
Daten: Regierungspräsidium DarmstadtGrafik: Roth / WRM
Wassersparen bei Industrie und Gewerbe bereitsseit Mitte der 1970er Jahre (Abwasserabgabengesetz)
Deutlicher Rückgang bei Eigenbedarf / Verluste
80 % Haushalte / Kleingewerbe
Wasserspareffekt durch moderne Toilettenspülungen
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1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050
Liter pro Einwohner und Tag
ÄnderungDIN-Norm
Markteinführung6-Liter-Spülkästen
Gesamteffekt:ca. - 20 bis 27 l/E•dca. 1985/2000 bis ca. 2035 ... 2050
Eintreten der Spareffektebei linearem Verlauf über 50 Jahre
Eintreten der Spareffektebei linearem Verlauf über 30 Jahre
ca. 45 l/E•d
Markteinführung2-Mengen-Spülkästen
Ende des Spareffektesdurch 6-Liter-Spülkästen
Ende des Spareffektesdurch 6-Liter-Spülkästen
Mittelfristiger voraussichtlicher Wertnach DVGW W 410 (2008)
34 32
Endwert: ca. 18 bis 25 l/E•dBestand 2006 nach BDEW-Statistik
… noch Spareffekte zu erwarten.
Grafik: Roth
Wasserspareffekt durch moderne Haushaltsgeräte: Waschmaschinen
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1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015
Liter pro Waschgang
Mittlerer Wasserverbrauchvon Waschmaschinendes angegebenen Baujahrs
Ölkrise
Mittlerer Wasserverbrauchaller Geräte in den Haushalten(12,5 Jahre Standzeit)
Diese Effekte sind abgeschlossen.
Grafik: Roth
2
Wasser Sparen ( ??? ! ) durch "Duschen statt Baden"
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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Dauer des Duschens in Minuten
Wasserverbrauch in Litern für ein Wannen- oder Duschbad
Wannenbad, 250 Liter
Wannenbad, 200 Liter
Wannenbad, 150 Liter
Wannenbad, 100 Liter
Dusche, 6 l/min
Dusche, 18 l/min
Dusche, 15 l/min
Dusche, 12 l/min
Dusche, 9 l/min
Neben dem Trend zu Single-HaushaltenHauptursache für Verbrauchszunahmen(Sektor "Körperpflege").
Grafik: Roth
Ohne den Trend zu täglichem Duschen wäre der Pro-Kopf-Verbrauch deutlich stärker zurückgegangen.
Trinkwasserverbrauch im Regierungsbezirk Darmstadt 1977 – 2014
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1977 1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013
Haushalte und Kleingewerbe Industrie und Großgewerbe Eigenbedarf und Verluste
Millionen Kubikmeter pro Jahr
277283
273 279267
233242
234
219 223
Daten: Regierungspräsidium DarmstadtGrafik: Roth / WRM
Gründung der WRM durch das Land HessenBeginn der Datenerfassung durch RP Darmstadt
19762003
1990/91
2015
ca.229
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1935 1940 1945 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015
Jahressumme
Mittel 1936 - 2015
Jahresniederschlag in mm
Station Frankfurt am MainMittel (80 Jahre): 642,4 mm/a
Jahresniederschlag an der Station Frankfurt am Main 1936 – 2015
1953 2003 2015199119641959 1971 1976 1985
Daten: DWDftp://ftp-cdc.dwd.de/pub/CDC/Grafik: Roth
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1935
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Abweichung vom Mittel1936 - 2015 (642,4 mm/a)
Gleitender Mittelwertüber die letzten 5 Jahre
Abweichung vom mittleren Jahresniederschlag in %
Relativ trockene und relativ nasse Jahre in Frankfurt am Main
1953 2003 2015199119641959 1971 1976 1985
Daten: DWDftp://ftp-cdc.dwd.de/pub/CDC/Grafik: Roth
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1935
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2005
2010
2015
Abweichung vom Mittel1936 - 2015 (642,4 mm/a)
Gleitender Mittelwertüber die letzten 5 Jahre
Abweichung vom mittleren Jahresniederschlag in %
Relativ trockene und relativ nasse Jahre in Frankfurt am Main
Daten: DWDftp://ftp-cdc.dwd.de/pub/CDC/Grafik: Roth
Trockenperiode1971 - 1976
Trockenperiode1989 - 1997
Trockenperiode2003 - 2007
Nassperiode1998 - 2002
Nassperiode1977 - 1981
Nassperiode1965 - 1970
Trockenphasen – Trockenjahre – Trockenperioden
Begriffe (Wasserwirtschaft)• Eine Trockenphase ist eine Schönwetterperiode oder Hitzeperiode
mit "schönem", also heißem und trockenem Sommerwetter.Eine solche Phase kann bis zu ca. 6 Wochen anhalten (z.B. 1976).
• Ein Trockenjahr ist ein Jahr mit ausgeprägt "schönem" Sommerwetterentsprechend deutlich reduziertem Niederschlag undentsprechend deutlich erhöhtem Wasserbedarf.
• Eine Trockenperiode ist eine Abfolge mehrerer Trockenjahre.
Beispiele (Rhein-Main-Raum)• 1976 bildete den Höhepunkt einer Trockenperiode ab ca. 1971
1976 wird in der Fachliteratur als "Klimaanomalie" bezeichnet.
• 1989 bis 1997 war eine ausgeprägte Trockenperiodemit ausgeprägten Trockenjahren 1990 und 1991.
• 1998 bis 2002 war eine "Nassperiode" (Grundwasserhochstände!).
• 2003 war das erste Jahr in einer Abfolge relativ trockener Jahre(… also kein Extremjahr wie 1976).
• 2015 war (nach bisherigem Stand) ein einzelnes Trockenjahr(… also kein Extremjahr wie 1976).
Regional gibt es auch innerhalb Deutschlands große Unterschiede!
Tagesganglinien des Wasserbedarfs: Wiesbaden 2003 und 2007
30.000
35.000
40.000
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1. Ja
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1. Apr.
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.1. J
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1. Okt.
1. Nov.
1. Dez.
2003
2007
Kubikmeter pro Tag
Daten: ESWE / HessenwasserGrafik: Roth
Bei Trockenheit rückläufige Schüttung von Quellfassungen
0
2.500
5.000
7.500
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12.500
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17.500
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22.500
Jan. 91 Feb. 91 Mrz. 91 Apr. 91 Mai. 91 Jun. 91 Jul. 91 Aug. 91 Sep. 91 Okt. 91 Nov. 91 Dez. 91
Quellschüttung in m³/d
Daten: Mainova AG / HessenwasserGrafik: Roth
30.000
35.000
40.000
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n.
1. F eb
.
1. Mrz.
1. Apr.
1. Mai.
1 . Jun
.1.
Jul.
1. Au
g.
1 . Sep
.
1. Okt.
1. No
v.
1. De
z.
2003
2007
Kubikmeter pro Tag
4
"Quantitative Gefährdung" des nutzbaren Grundwasserdargebots
Bei sinkenden Grundwasserständen ökologisch begründete Förderrestriktionen In Trockenperioden rückläufiges Dargebot
Festlegungen zu Fördermengen in Abhängigkeit von Grundwasserständen: Grundwasserbewirtschaftungsplan Hessisches Ried
(gesteuertes Zusammenspiel von Infiltration und Wassergewinnung) Umweltverträgliche Wassergewinnung im Vogelsberg
Quelle: HessenwasserDank an V. Manger
Tagesganglinie der Wasserabgabe im Sommer 2015
0
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150.000
200.000
250.000
300.000
350.000
400.000
450.000
01.06
.2015
08.06.2
015
15.06
.2015
22.06
.2015
29.06
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.2015
20.07
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27.07.2
015
03.08.2
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0
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90Hessenwasser-Tagesabgabe in Kubikmeter
Planmäßiger Mittelwert: 272.000 m³/d
Schulferien in Hessen: ab Samstag, 25. Juli 2015
3. Juli: 409.236 m³
3. Juli 2015:Tatsächlicher Spitzenfaktor für dieHessenwasser-Gesamtabgabe:409.236 / 272.000 = 1,505
jeweilsMontag
Maximale Tagestemperatur in °C
°C
Hessenwasser GmbH & Co. KG
Daten: HessenwasserGrafik: Roth
Stundenwerte der Wasserabgabe Anfang Juli 2015
8:00 Uhr7.00 Uhr
9:00 Uhr
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2.20
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0:00
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2:00
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Kub
ikm
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pro
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7.20
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2:00
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0:00
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6:00
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2:00
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15 1
8:00
Spitzenlastereignis Anfang Juli 2015
Weihnachtstage 2014
Behälter-Abgabe Frankfurt-Sachsenhausen Weihnachten 2014 und Anfang Juli 2015
Daten: HessenwasserGrafik: Roth
Kurzfristige Bedarfsschwankungen: Fußball-Länderspiel
Ablauf HB F.-Sachsenhausen
Quelle: HessenwasserDank an F. Coppola
5
Einflussfaktoren für Bedarfsspitzen
Witterung• Ausprägung und Dauer der Hitzeperiode Phase mit hohen Temperaturen und ohne Niederschlag
• Schulferien (dämpfender Einfluss)
Kommunalstruktur• Bedarfsspitzen in den Wohngebieten am Wochenende• Bedarfsspitzen in den "Gewerbegebieten" an Werktagen• Relevant: Pendlerverflechtungen• Bedarfsspitzen in großen Städten gedämpft
wegen Überlagerung unterschiedlicher Ganglinien.
Gewerbestruktur• Generell geringer Gewerbeanteil am Trinkwasserverbrauch
(maßgeblich: Trinkwasserbedarf der Belegschaft)• Hoher Trinkwasserbedarf ggf. in der Getränkeindustrie• Hoher Trinkwasserbedarf bei öffentlichen Einrichtungen
(Schwimmbäder, Parks, Flughäfen etc.)
Berechnung von Spitzenwasserbedarf: Spitzenfaktoren
Spitzenfaktoren• … werden bezogen auf den mittleren Wasserbedarf in einem Normaljahr.• Sie sind abhängig
• von der Größe und Struktur des Versorgungsgebietes(je kleiner, desto höher / je größer, desto niedriger)
• von der Dauer des betrachteten Ereignisses(je kürzer, desto höher).
Jahresbedarf: In Trockenjahren um bis zu ca. 5 % erhöht. Monatsbedarf: Im Sommer > 10 % des Jahresbedarfs. Tagesbedarf:
• In Dörfern bzw. einzelnen Wohngebieten um ca. 100 % erhöht.• In großen Städten um ca. 40 % bis 50 % erhöht.
Stundenbedarf: Spitzenfaktoren ca. < 2,0 bis > 5,5. Sehr kurze Bedarfsspitzen werden aus den Behältern gedeckt.
Berechnung von Spitzenwasserbedarf: Spitzenfaktoren
Quelle: DVGW-Arbeitsblatt W 410
Maßgeblich für die Bemessung der Versorgungsanlagen
Wer steuert die Bedarfsschwankungen?
• Wetter / Witterung: Der Zufall(bisher scheitern alle Versuche einer längerfristigen Vorhersage)
• Trinkwasserverbrauch: Der Bürger(die Gesamtheit der Menschen im jeweiligen Versorgungsgebiet)
Der Wasserbedarf ist ein zutiefst demokratischer Prozess!
Die Wasserversorgungsunternehmenmüssen den Bedarf auch in Trockenperioden zuverlässig abdeckenund
die dazu erforderlichen Dargebots- und Anlagenkapazitäten vorhalten. Dies ist nicht zuletzt kostenrelevant! Dies führt auch zu Irritationen und Missverständnissen
(Betriebswirtschaftler, "Umweltbewegte").
6
Extremereignis im Frühsommer 1976: Wasserbedarf und Niederschlag
0
10.000
20.000
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80Wasserabgabe in Kubikmeter pro Tag
Normalwert
Niederschlag in mm
Schulferien: 17.6. - 1.8.
Niederschlag in mm
Maximaler Tagesbedarf rd. 60 % über dem Mittel,Jahresbedarf ca. 5 % über dem Mittel.
Daten: ESWEGrafik: Roth
Wiesbaden
Trockenjahre 1990 und 1991: Wasserbedarf und Niederschlag
0
10.000
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7.19
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80Wasserabgabe in Kubikmeter pro Tag
Normalwert
Niederschlag in mm
Schulferien: 8.7. - 19.8.
Niederschlag in mm
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91
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7.19
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10.0
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80Wasserabgabe in Kubikmeter pro Tag
Normalwert
Niederschlag in mm
Schulferien: 30.6. - 11.8.
Niederschlag in mm
1990:Maximaler Tagesbedarf > 45 % über dem Mittel,Jahresbedarf relativ moderat erhöht.
1991:Maximaler Tagesbedarf < 45 % über dem Mittel,Jahresbedarf ca. 4 % über dem Mittel.
Daten: ESWEGrafiken: Roth
Wiesbaden
Ganglinien der Trockenjahre 1976, 1990, 1991 und 2003; dazu 2007 (April)
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1. Jan. 1. Feb. 1. Mrz. 1. Apr. 1. Mai. 1. Jun. 1. Jul. 1. Aug. 1. Sep. 1. Okt. 1. Nov. 1. Dez.
1976
1990
1991
2003
2007
Relativer Bedarf
Grafik: Roth aus …
Fiktiver Verlauf eines extremen Spitzenlast-Ereignisses im Jahr 2100
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1. Jan. 1. Feb. 1. Mrz. 1. Apr. 1. Mai. 1. Jun. 1. Jul. 1. Aug. 1. Sep. 1. Okt. 1. Nov. 1. Dez.
Relativer Bedarf
Jahresbedarf unter diesen Annahmen: 10 % über dem Mittel
Grafik: Roth aus …
7
Lösungsansätze (?): Auswirkungen der Regenwassernutzung
Grafik: DVGW-Arbeitsblatt W 555
Bewertung 1:• Eine Regenwassernutzungsanlage ist eine
zweite Versorgungsanlage, die zusätzlichzur Trinkwasserinstallation errichtet wird.
• Nach der Agenda 21 hat das Einsparenvon Energie und Rohstoffen Vorrang gegenüber dem Einsparen von Wasser und Biomasse.
• Die Anlage kostet etwa 5.000 € (Investition).• Der Spareffekt liegt bei etwa 50 m³/a.• Ohne Wartungs- und Betriebskosten hat die
Amortisationszeit die Größenordnung 50 Jahre.• Eine solche Anlage kann nicht wirtschaftlich sein.
Hauptziele der Agenda 21:• Einführung einer gesicherten Wasserversorgung für alle Menschen• Bekämpfung von Krankheiten wie Cholera, Typhus, Ruhr etc.• Naturverträgliche Nutzung der Ressource Wasser
Dabei wird in der Agenda 21 unterschieden in• erneuerbare Ressourcen wie Holz und Wasser,• nicht erneuerbare Ressourcen wie Erdöl, Erdgas, Kohle und Erze.
Das heißt: Wer aufwändige Anlagen baut, um (Trink-) Wasser zu sparen,
kennt die Agenda 21 nicht oder hat sie nicht verstanden.
Lösungsansätze (?): Auswirkungen der Regenwassernutzung
Bewertung 2:• Regenwassernutzungsanlagen reduzieren in Ein- und Zweifamilienhäusern den
mittleren Trinkwasserverbrauch.• Der Abwasseranfall bleibt dagegen näherungsweise gleich ( Gebührenpflicht!).• Sie erhöhen aber den Spitzenwasserbedarf nach längerer Trockenheit signifikant.• Die Anlagenkapazitäten für die Versorgungssituation bei Trockenheit müssen
unverändert vorgehalten werden ( Kostensituation der Wasserwerke).• Regenwassernutzung kann keinen Beitrag zur Reduzierung von Bedarfsspitzen in
Trockenphasen leisten (… im Gegenteil!).
115 115
75 75
40
115 115
0
50
100
150
200
250
MittlererVerbrauch
Spitzen-verbrauch
MittlererVerbrauch
Spitzen-verbrauch
Normalverbrauch Ersatz leere Regenwassernutzungsanlagen Spitzenwasserverbrauch
Liter pro Einwohner und Tag
115
230
75
230
ohneRegenwassernutzung
mitRegenwassernutzung
Grafik: DVGW-Arbeitsblatt W 555
Grafik: Roth
Faktor 2 Faktor > 3
Lösungsansätze: Auswirkungen von Hausbrunnen
Historischer Trinkwasserbrunnenin Bad Ems (Stadtteil Eisenbach)Foto: Roth
Gartenbrunnen in Bad EmsFoto: Roth
Demonstrationsbrunnen auf BaltrumFoto: Simone Roth
Bewertung 2:• Hausbrunnen sind de facto nur in oberflächennahen
Porengrundwasserleitern sinnvoll.• Die Förderung erfolgt aus einem oberflächennahen
Grundwasserleiter ( Ökologie; Gefährdung).• Die Förderung steht in Konkurrenz zur öffentlichen und
landwirtschaftlichen Wassergewinnung.• Geschätzte Fördermenge z.B. im Hessischen Ried:
ca. 0,25 bis 0,5 Mio. m³/a (wird nicht gemessen).
Bewertung 1:• Hausbrunnen können auch im
Sommer für die Gartenbewässerung und ähnliche (Brauchwasser-) Zwecke eingesetzt werden.
• Sie können damit einen Beitrag zur Reduzierung von Bedarfsspitzen in Trockenphasen leisten.
Gartenbrunnen in SüderlügumFoto: K. Eggert
Einfluss der Witterung auf den Wasserbedarf – Fazit
Sachverhalt und Situation im Bestand
In trockenen und heißen Sommern ist der Wasserbedarf signifikant erhöht.
Der Tagesbedarf an heißen Sommertagenliegt um knapp 50 bis über 100 % über den jeweiligen Mittelwerten.
Der Wasserbedarf in Trockenjahren liegt um bis zu 5 % über dem Mittel.
In Trockenperioden ist das nutzbare Wasserdargebot rückläufig(Quellfassungen, ökologische Restriktionen, Konkurrenz mit Landwirtschaft).
Die Überlagerung von hohem Wasserbedarf und niedrigem Dargebotstellt eins der Kernprobleme der Wasserversorgung dar.
Prognose
Im Zuge des Klimawandels wird mit längerenund intensiveren Trockenphasen und Trockenperioden gerechnet.
Die Spitzenlastereignissewerden demnach an Intensität und Häufigkeit zunehmen.
Der Jahresbedarf wird dabei jedoch nur relativ geringfügig zunehmen.
8
Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
DR.-ING. ULRICH ROTHBeratender Ingenieur, Bad Ems
Professor – Frankfurt University of Applied Sciences
Homepage: www.dr-roth-badems.de