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EINFÜHRUNG IN DIE VORLESUNG GRUNDZÜGE WASSERHAUSHALT Wolfgang Kinzelbach Institut für Umweltingenieurwissenschaften ETH Zürich.

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1 EINFÜHRUNG IN DIE VORLESUNG GRUNDZÜGE WASSERHAUSHALT Wolfgang Kinzelbach Institut für Umweltingenieurwissenschaften ETH Zürich

2 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 , Alptal )

3 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

4 Einführung: Inhalt Wasserprobleme Globale Wasserressourcensituation Was heisst nachhaltige Wasserwirtschaft, integrale Wasserwirtschaft Nachhaltigkeit an Beispielen Lösungsansätze

5 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 km 3 Hochwasserspeicher, entspricht 20 Tagen mittleren Abflusses Legendär schöne Landschaft geflutet Ist es die Sache wert? Dreischluchten Damm

6 Wasserbewirtschaftung als Entscheidungsproblem Widersprüchliche Bedürfnisse Mehrfache Zielvorstellungen Viele stakeholders Komplexes und nicht-lineares System Was ist die beste Lösung? Was können die Umweltingenieurwissenschaften beisteuern?

7 11 Herausforderungen für die Wasserwirtschaft 1. Sicherung der Grundbedürfnisse und der Gesundheit 2. Ernährungssicherheit 3. Schutz von Ökosystemen 4. Befriedigung der städtischen Bedürfnisse 5. Förderung sauberer Industrie 6. Entwicklung der Energieversorgung 7. Minderung von Risiken und Beherrschung von Unsicherheiten 8. Wasserzuteilung über Grenzen hinweg 9. Wert von Wasser festsetzen 10. Die Datenbasis sicherstellen 11. Wasser weise verwalten

8 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?

9 GLOBALE WASSER BILANZ (Basis: Postel et al. 1996) (Flüsse in 10 3 km 3 /a) ET über Ozean 430 Natürliche ET 50 ET Landbau, Weiden, Forst 21 ET aus Bewässerung 3 Land Zugängl. Abfluss 13 Niederschlag über Land 110 Totale ET über Land 71 Gesamt abfluss 37 Unzugängl. Abfluss 27 ET unbew. Landbau, Weiden, Forst 18 Entnahmen durch Menschen 5 Abfluss aus Entnahmen 2 Niederschlag über Ozean 390 Atmosphärischer Transport 40 Ozean Rest zugängl. Abfluss 8 Zum Vergleich: 1000 m 3 /s ist etwa 1/6 des mittleren Amazonasabflusses

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

11 Volumen und Erneuerungsrate Blaues und Grünes Wasser Konsumtiver und nicht-konsumtiver Verbrauch Virtuelles Wasser und reales Wasser Vier wichtige Begriffspaare

12 Oberflächenwasser (Seen und Flüsse): Volumen 104,000 km 3 Erneuerungsrate 39,000 km 3 /a Grundwasser (inklusive Bodenwasser): Volumen 10,000,000 km 3 Erneuerungsrate 3,000 km 3 /a Globale Süsswasserressourcen Zwei Typen von Ressourcen Vorrat Umsatz Beachte: Unterschiede zwischen beiden Ressourcen

13 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

14 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?

15 Spare Wasser, trinke Wein! Ist dieser Slogan korrekt? Nein: Um 1 l Wein zu produzieren braucht man etwa 900 l Wasser…

16 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

17 Wasser für Nahrung Tägl. Trinkwasser2-5 Liter/Tag Tägl. Haushaltsverbrauch Liter/Tag 1 kg Getreide Liter ET 1 kg Tierprodukte (Fleisch, Milch) Liter ET Ist Rindfleischproduktion in den Alpen verwerflich?

18 Fleischproduktion Auf 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

19 Wasserverbrauch in 1000 km 3 /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 1000 km 3 /a ist etwa 1/6 des Amazonas

20 Wichtigste Bilanzposten Natürliche Ökosysteme (Pflanzenwelt) ( km 3 /a) –Wichtig für Klima, Sauerstoff, Geochemische Kreisläufe, Tierwelt etc. Anthropogene Ökosysteme (Landwirtschaft, Weiden, Forst)) ( km 3 /a) –Wichtig für Ernährung Restabfluss ( km 3 /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

21 In der Presse oft verwechselt… Trinkwasserbedarf und Wasserbedarf insgesamt Wasserbedarf insgesamt ist dominiert durch Wasserbedarf für Nahrung: 8000 km 3 /a (grünes + blaues Wasser) Bedarf an Trinkwasser: <10 km 3 /a Trinkwasserprobleme sind in erster Linie Qualitätsprobleme

22 Dargebot und Nachfrage im Mittel Zugänglicher Abfluss km 3 /a Entnahme 4500 km 3 /a Abfluss jährlich neu Wo ist die Knappheit? Vorsicht: Mittelung Vorsicht: Nachhaltigkeit

23 Mittelung ist irreführend... Trockenheit kann nicht gegen Überschwemmung aufgerechnet werden Überschwemmungen in Pakistan 2010 best-pic4u.blogspot.com Dürre in China 2011 newshopper.sulekha.com

24 Dargebot und Nachfrage: Diskrepanz in der Zeit Zeit Dargebot Nachfrage 1a Niederschlag Zeit Antwort der Wasserwirtschaft: Speicher, Steuerung des Verbrauchs

25 Dargebot und Nachfrage: Diskrepanz im Raum Jahresniederschlag inZürich 1000 mm Niamey 500 mm Bergen 5000 mm Turfan 70 mm Antwort der Wasserwirtschaft: Überleitung, Wassersparmassnahmen (Demand management) Grenze für Landwirtschaft ohne Bewässerung: 500 mm

26 Wasser ist in vielen Regionen schon lange knapp und die Knappheit nimmt zu Definition von ernstem Mangel (UNO): < 1000 m 3 /a/P Mio. Menschen Mrd. Menschen Wasserknappheit Eine Entnahme von wesentlich mehr blauem Wasser als den gegenwärtigen 4500 km 3 /a ist nicht denkbar.

27 ( Wasserverfügbarkeit in Einzugsgebieten (Durchfluss) (langjähriges Mittel )

28 ( Wasserentnahmen in Einzugsgebieten (ca. 1995, Klima ) l

29 Indikator für Wasserstress Milder Wasserstress: = Ernster Wasserstress: > 0.4 Globaler Mittelwert heute: = 4.5/13 = 0.35

30 Source: WaterGAP 2.0, 2000 Wasserstressindikator: Entnahmen/Verfügbarkeit 2000

31 Gibt es Wassermangel in der Schweiz? Ressource (pro Kopf und Jahr): 7350 m 3 /P/a (zum Vergleich: Tunesien 400 m 3 /P/a) Verteilung über das Jahr in der Schweiz : Niederschlag relativ gleichmässig Abfluss 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

32 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

33 1 m 3 Bewässerungswasser 0.02 CHF 1 m 3 Trinkwasser 2 CHF Nicht global gehandelte Güter 1 m 3 Perrier 3000 CHF 1 m 3 Benzin 1600 CHF Global gehandelte Güter Kann es zu einer globalen Wasserkrise kommen? Also eher globale Ölkrise als globale Wasserkrise?

34 - 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

35 70% des Süsswasserbedarfs entfallen auf die Landwirtschaft Bewässerungslandwirtschaft ist mehr als doppelt so produktiv wie regenabhängige Landwirtschaft 1 t Getreide benötigt 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

36 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

37 Aspekt Klima Gesamtniederschlag nimmt leicht zu aber Verteilung in Raum und Zeit ändert sich Zu erwarten: Stärkere Extreme Verschiebung von Klimazonen Systematische Verlierer Z. B. Australien, Südafrika, Nordbrasilien, Mittelmeerraum

38 Klimawandel: Niederschlag IPCC

39 Klimawandel und Wasserverfügbarkeit Source: WaterGAP, 2001 HadCM3 (2070s) … und eventuell grössere Variabilität!

40 Der versteckte Wassermangel - Nicht-nachhaltige Wassernutzung Ausstiegsstrategien erforderlich... Dazu kommt :

41 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.

42 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

43 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

44 Die wichtigsten globalen Nachhaltigkeitsprobleme im Wassersektor sind:

45 –5 to possibly 25% of global freshwater use exceeds long-term accessible supplies (low to medium certainty) – % 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

46 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

47 Beispiel Niger: Grundwasser ist die einzige ganzjährig verfügbare Wasserressource

48 Allgemeines Prinzip Entnahme < Neubildung (aus Niederschlag und Versickerung aus Oberflächengewässern) Unterstrom gelegenen Bedarf nicht vergessen! Entnahme < Neubildung–Minimum Bedarf im Unterstrom

49 Hauptursache für Aquiferübernutzung: Grossskalige Bewässerung aus Grundwasser Beispiele: Ogallalla Aquifer, USA Nordchinesische Ebene Karoo Aquifere, Süd Afrika Aquifere der Arabischen Halbinsel Chad Becken Aquifer Nord Sahara Aquifer System (SASS) Typische Absenkraten 1 bis 3 m/a, von rund 800 km 3 /a Entnahmen sind etwa ¼ nicht erneuerbar.

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

51 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

52 Trockenlegung von Feuchtgebieten Fläche seit 1900 halbiert

53 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

54 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!

55 Bodenversalzung 80 Mio. von 260 Mio. ha Bewässerungsfläche betroffen

56 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

57 Verschmutzung von Wasserkörpern grosser Aufenthaltszeit (z. B. Grundwasser) mit persistenten oder rezyklierbaren Schadstoffen Für alle Probleme gilt: Verschärfung durch Klimawandel Meerwasserintrusion Monterey Bay

58 MEERWASSERINTRUSION Salzwasser Süsswasser

59 Schadstoffe im Grundwasser Bakterien und Viren Nitrat, Pestizide Mineralölkohlenwasserstoffe Chlorierte Kohlenwasserstoffe Chrom, PAK,.... Reversibilität bei persistenten Stoffen eventuell nur nach sehr langer Zeit

60 Aber: Eutrophierung von Seen kann wegen Nährstoffrecycling sehr langfristig sein Beispiel Taihu in China Reversibilität wurde in europäischen Flüssen demonstriert Z. B. Rhein, Themse, Aufenthaltszeiten des Wassers gering Seen: Schweizer Seen Erforderlich: Substantielle Investitionen und politischer Wille Warum ist Verschmutzung von Flüssen und Seen kein Nachhaltigkeitsproblem

61 Wuxi, Taihu, Mai 2007 Kein Trinkwasser für Mio. Menschen Geruch Blaualgen

62 In der Heute: Vergangenheit: Einbahnstrasse Weniger Menschen Fäkalien auf Felder Geringer Eintrag von Nährstoffen in See Entfernung von Nährstoffen aus See durch Ausgraben von Schlamm zur Düngung Viel mehr Menschen Abwässer in See Kunstdünger durch Abtrag von Feldern in See Keine Entfernung von Schlamm

63 Lösungsansätze Grosse Optionen (Grössenordnung 1000 km 3 /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 Technologie Eine Reihe kleinerer Optionen (Grössenordnung bis 100 km 3 /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)

64 Typische Wassereffizienz in der 3. Welt Stausee 100% Kanal FeldGetreide- speicher Verlust 40% Verlust 50% Verlust 30% Effizienz: 20% Verbraucher 60% 30% 20%

65 Wassersparende Bewässerung Mehr Wasserspeicherung

66 Beispiel für Massnahmenkatalog 2030 Water Resources Group, WEF

67 Verringerung der Ernte- und Nahrungsmittelverluste Welcher Anteil der Brotproduktion wandert in Wien jeden Tag in die Mülltonne? 5% oder25% ?

68 Mehrbedarf an Wasser 2050 (blau und grün) in km 3 /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): Kann die Diskrepanz gedeckt werden? Wenn ja, dann auf Kosten der Ökosysteme

69 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


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