Projekt 14949/01

Entwicklung des Programmsystems KLIMOSTAT zum Erkennen von Inhomogenitäten und zur Generierung von stationären Zeitreihen wasserwirtschaftlich relevanterKlima- und Wasserhaushaltsgrößen

Projektdurchführung

Thiele & Büttner GbR
Domplatz 24
99084 Erfurt

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Leistung wasserwirtschaftlicher Anlagen (Trinkwasserbereitstellung, Hochwasserschutz, Entwässerung) wird auf der Basis beobachteter Zeitreihen von Klima- und Wasserhaushaltsgrößen bemessen. Bei dieser Leistungsdimensionierung wird vorausgesetzt, dass diese Reihen homogen und deren statisti-sche Parameter stationär sind. Dies ist nachweislich bei einigen Gebieten in Deutschland bereits nicht mehr zutreffend.
Einschlägige Vorschriften verpflichten die Betreiber wasserwirtschaftlicher Anlagen, derartige Veränderungen im Systemverhalten nachzuweisen und darauf zu reagieren. Dafür wird ein geeignetes modernes Hilfsmittel benötigt.
Vom Antragsteller sollte daher ein Programmsystem entwickelt werden, das auf der Basis beobachteter wasserwirtschaftlich relevanter Klima- und Dargebotsgrößen dem Betreiber wasserwirtschaftlicher Anlagen in die Lage versetzt, signifikante Änderungen im Wasserhaushalt zu erkennen und nachzuweisen. Das Programmsystem sollte weiterhin quasistationäre Reihen liefern, die Grundlage einer Neubemessung der Anlagenleistung sein können.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm einzelnen waren folgende Arbeitsschritte vorgesehen:
- Erarbeitung spezifizierter Anforderungslisten für das zu entwickelnde System;
- Bestimmung der Systemstruktur sowie der Formatierung der Eingangsgrößen und Ausgangsgrößen;
- Modul zur Analyse, Korrektur und Parameterermittlung von Zeitreihen;
- Erstellung der Programmoberfläche;
- Erarbeitung der Programmhilfe;
- Erarbeitung der Anwenderdokumentation;
- Test und 2 Anwendungsbeispiele;
Mit dem Programm erhält der Praktiker die Möglichkeit, die Auswirkungen von beobachteten Klimaveränderungen auf seiner Anlage komfortabel auf fachspezifische Weise zu ermitteln.


Ergebnisse und Diskussion

In Deutschland existieren weit über 200 größere Anlagen zur Trinkwasserbereitstellung. Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl von Speicherbecken, die für den Hochwasserschutz eingesetzt werden. An den deutschen Flussläufen existieren viele Wasserkraftanlagen, deren Leistung stark vom Verlauf der Trockenperioden abhängt. Anlagen der Stadtentwässerung und des Flussbaus werden auf der Basis von Bemessungsniederschlägen oder davon abgeleiteten Abflüssen dimensioniert. Werden die Folgen der Klimaänderungen nicht berücksichtigt, besteht die Gefahr einer Unter- oder Überdimensionierung dieser Anlagen.
Für die Überprüfung und Neubemessung dieser Anlagen hinsichtlich einer Gefährdung durch bisherige beobachtete Veränderungen im Wasserhaushalt kann KLIMOSTAT eingesetzt werden. Mit dem Programmsystem KLIMOSTAT wurde ein praktikables Instrument zur schnellen Prüfung umweltrelevanter beobachteter Zeitreihen von Klima- und Wasserhaushaltsgrößen hinsichtlich bereits vorhandener Auswirkungen von Global Change erarbeitet. Auf der Basis beobachteter wasserwirtschaftlich relevanter Klima- und Dargebotsgrößen wird es Betreibern wasserwirtschaftlicher Anlagen auf einfache Art möglich, Änderungen im Wasserhaushalt zu erkennen und nachzuweisen. Die Betreiber wasserwirtschaftlicher Anlagen sind durch fachspezifische Vorschriften verpflichtet, derartige systemrelevante Veränderungen hinsichtlich Ihrer Auswirkungen auf Leistung und Sicherheit der Anlagen zu untersuchen.
Das Programmsystem liefert weiterhin quasistationäre, homogenisierte Reihen, die Grundlage einer Neubemessung der Anlagenleistung sein können. Diese Reihen beschreiben das gegenwärtige Systemverhalten.
Mit Hilfe eines Moduls zur Generierung von Reihen, können beliebig lange Serien für die Bemessung von Anlagen auf stochastischer Grundlage erzeugt werden. Diese Reihengenerierung ist auch nach Vorgabe von Szenarios über monatliche Reduzierung oder Erhöhung der beobachteten Klimadatenreihe möglich.
Das Programm KLIMOSTAT wurde im Projekt beispielhaft bei der Neubemessung der Rohwasserabgabeleistung der Aabach-Talsperre bei Wünnenberg und zur Ermittlung von Veränderungen bei der Grundwasserneubildung in einem Grundwasserfassungsgebiet in Ostsachsen sowie bei Grundwasserstandsänderungen in einer Uferfiltratanlage eingesetzt. Dabei zeigte sich am Beispiel der Talsperre, dass die Trinkwasserabgabeleistung dieses Speichers infolge Klimaveränderungen um 10 % gesunken ist. Der Betreiber hat aus diesem Grund bereits Maßnahmen zur Sicherung der Trinkwasserleistung eingeleitet. KLIMOSTAT ist für alle Umweltprobleme einsetzbar, die von Global Change tangiert werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Anwendung von KLIMOSTAT bei der Bewirtschaftung von Talsperren wurde mit dem Vortrag Berücksichtigung von Klimaänderungen beim Echtzeitbetrieb von Speichern am Beispiel der Aabach-Talsperre erstmalig zum Kolloquium der Bundesanstalt für Gewässerkunde am 25./26. 09. 2002 in Berlin vorgestellt.
Ein weiterer Vortrag zur öffentlichen Präsentation von KLIMOSTAT war der Tag der Hydrologie 2003 am 20/21. 03. 2003, der unter dem Motto stand: Wie wirkt sich Global Change, angetrieben durch Kli-mawandel und Landnutzungsänderungen, auf die Wasserressourcen und deren Bewirtschaftung im Rahmen von Flusseinzugsgebieten aus? Der Veranstalter, das Institut für Hydrologie der Universität Karlsruhe, hatte den Beitrag Stauzieldynamisierung von Mehrzwecktalsperren - ein Werkzeug zur Wasserbewirtschaftung in Zeiten von Global Change in das Vortragsprogramm aufgenommen.


Fazit

In Deutschland existieren eine Vielzahl von wasserwirtschaftlichen Anlagen, die auf der Basis von Bemessungsniederschlägen oder davon abgeleiteten Abflüssen dimensioniert werden.
Vernachlässigungen der Folgen der Klimaänderungen können zu einer Unter- oder Überdimensionierung führen. KLIMOSTAT liefert auf die Gegenwart bezogene Zeitreihen von Belastungsgrößen, mit denen eine Überprüfung und Neubemessung dieser Anlagen möglich wird.
Das neu entwickelte Verfahren der Generierung von Langzeitreihen von Belastungsgrößen über 1000 Jahre auf Tagesbasis sollte durch zeitliches up- und down-scaling sowie um die Berücksichtigung von Kreuzkorrelationen erweitert werden.