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

Ist es die Sache wert? Kosten: 24 Milliarden US$ Dreischluchten Damm Ist es die Sache wert? 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

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 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

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) Niederschlag über Land 110 Niederschlag über Ozean 390 Atmosphärischer Transport 40 Totale ET über Land 71 Natürliche ET 50 Unzugängl. Abfluss 27 Zugängl. Abfluss 13 ET unbew. Landbau, Weiden, Forst 18 ET Landbau, Weiden, Forst 21 ET über Ozean 430 Rest zugängl. Abfluss 8 Gesamtabfluss 37 Entnahmen durch Menschen 5 ET aus Bewässerung 3 Abfluss aus Entnahmen 2 Land Ozean Zum Vergleich: 1000 m3/s ist etwa 1/6 des mittleren Amazonasabflusses

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

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

Globale Süsswasserressourcen Zwei Typen von Ressourcen 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 Umsatz Vorrat 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 Ist Rindfleischproduktion in den Alpen verwerflich? 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?

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

„Wasserverbrauch“ in 1000 km3/a Niederschlag auf die Kontinente 110 konsumtiv konsumtiv 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 konsumtiv Trinkwasser < 0.01 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 Nachfrage im Mittel Zugänglicher Abfluss 13000 km3/a Entnahme 4500 km3/a Abfluss jährlich neu Wo ist die Knappheit? Vorsicht: Mittelung Vorsicht: Nachhaltigkeit

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

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

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

Definition von ernstem Mangel (UNO): Wasserknappheit 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 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: a = 0. 2 - 0 Indikator für Wasserstress Milder Wasserstress: a = 0.2 - 0.4 Ernster Wasserstress: a > 0.4 Globaler Mittelwert heute: a = 4.5/13 = 0.35

Wasserstressindikator: Entnahmen/Verfügbarkeit 2000 Source: WaterGAP 2.0, 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 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

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

Kann es zu einer globalen Wasserkrise kommen? 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 Also eher globale Ölkrise als globale Wasserkrise?

Globale Aspekte der Wasserknappheit 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

Aspekt Agrarmarkt 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: 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 aber Verteilung in Raum und Zeit ändert sich Zu erwarten: Stärkere Extreme Verschiebung von Klimazonen Systematische Verlierer Z. B. Australien, Südafrika, Nordbrasilien, Mittelmeerraum

Klimawandel: Niederschlag IPCC

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

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

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 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:

Überpumpen von Grundwasserleitern 1/4 aller Entnahmen ist nicht erneuerbar 40% der Bewässerungslandwirtschaft ist von fallenden Grundwasserspiegeln betroffen 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) Ausstiegsstrategie China - Süd-Nord-Wassertransfer, - Landkauf in Afrika

Besonderheiten des Grundwassers 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

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, 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 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 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 Ursachen natürlich Wasserdampf Wasser, Salze bewässert Wasser, Salze Grundwasserspiegelanstieg, Kapillar- anstieg, hohe Verdunstung, Salzdeposition Ohne Dränage: Salzanreicherung

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

MEERWASSERINTRUSION   Süsswasser Salzwasser

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

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

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

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

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 Technologie Eine 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) Droug 63

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

Wassersparende Bewässerung Mehr Wasserspeicherung

Beispiel für Massnahmenkatalog 2030 Water Resources Group, WEF

Verringerung der Ernte- und Nahrungsmittelverluste Welcher Anteil der Brotproduktion wandert 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 68

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