Für die Bereitstellung von Niederschlagszeitreihen des Regionalen Klimamodells CLM für die meisten wasserwirtschaftlichen Modellanwendungen ist eine realitätsnahe Abbildung des Parameters Niederschlag hinsichtlich wesentlicher Kenngrößen, wie Jahresniederschlagssummen, Starkregen und Trockenzeiten erforderlich. Zudem benötigen Modelle, die schnelle und kleinräumige Niederschlag- Abfluss-Prozesse beschreiben, zeitlich und räumlich hoch aufgelöste Niederschlagseingangsdaten. Beide Voraussetzungen, die realitätsnahe sowie die hoch aufgelöste Abbildung des Parameters Niederschlag, sind zunächst in den CLM-Modelldaten nicht ohne weiteres erfüllt. Es wurden zwei Methoden entwickelt, die zum einen eine sinnvolle Korrektur der Tagesniederschlagssummen (Bias-Korrektur) und zum anderen eine feinere zeitliche und räumliche Auflösung (Downscaling) der CLM-Modelldaten ermöglichen.
Es werden zwei Verfahren vorgestellt, die eine Berücksichtigung des Klimaänderungssignals in den Niederschlagsdaten des regionalen Klimamodells CLM bei den wasserwirtschaftlichen Modellanwendungen ermöglichen. Für die Generierung langer Zeitreihen mit hohen zeitlichen und räumlichen Auflösungen, wie sie bei Langzeitserien- und Kontinuumssimulationen benötigt werden, wurde ein Downscaling-Ansatz auf Basis von Radarniederschlagsdaten und objektiven Wetterlagenklassen entwickelt. Für einfache wasserwirtschaftliche Modellanwendungen, die auf Modellregen zurückgreifen, wurden die relativen Veränderungen aufgrund des Klimaänderungssignals in der Zukunft abgeschätzt, die dann bei Variantenuntersuchungen in der Zukunft den Modellregen der Vergangenheit aufgeprägt werden können.
Um Strategien zur Anpassung der Wirtschaft an die Auswirkungen des Klimawandels identifizieren zu können, werden in der vorliegenden Arbeit die bisher gewonnenen Erkenntnisse gebündelt und analysiert. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die bisherigen Forschungsergebnisse mittels einer SWOT so zu verdichten, dass eine möglichst umfassende Wissensbasis für die folgende Strategieentwicklung erreicht wird. Ziel der SWOT ist es, die verschiedenen Einflussfaktoren, die in einer Organisation oder Region bestehen, inklusive ihrer Wechselwirkungen transparent darzustellen. Auf der Grundlage der internen Potenziale (Stärken und Schwächen) und externen Einflüsse (Chancen und Risiken) können strategische Handlungsempfehlungen abgeleitet und formuliert werden. Die auf dieser Grundlage zu erarbeitenden Strategien bilden für den dynaklim-Arbeitsbereich "Klimafokussierte Wirtschaftsentwicklung" das Fundament für ein erweiterungsfähiges Handlungsprogramm mit konkreten Maßnahmen, das Teil der Roadmap 2020 sein wird. Zielgruppe sind die wirtschaftlichen Akteure der dynaklim-Region wie Unternehmen, Wirtschaftsförderungen und Intermediäre sowie in die Strategieentwicklung involvierte Stakeholder.
Im Forschungs- und Netzwerkprojekt dynaklim untersucht die Emschergenossenschaft u. a. die wasserwirtschaftlichen Auswirkungen von klimabedingten Veränderungen des Grundwasserhaushalts in den urbanen Siedlungsgebieten. Dazu sollen mit Hilfe der vorliegenden numerischen Grundwassermodelle unter Berücksichtigung der Realisationsergebnisse des regionalen Klimamodells COSMOCLM realistische Auswirkungsszenarien und Anpassungsstrategien für die Siedlungsentwässerung abgeleitet werden. Zur Abbildung der innerjährlichen Verschiebungen der Niederschläge ist es erforderlich, die Grundwasserneubildung als ausschlaggebende Wasserhaushaltsgröße für die Modellierung instationär und flächendifferenziert zu berechnen. Da bislang keine verifizierten instationären Wasserhaushaltsmodellansätze verfügbar sind, wurde in Anlehnung an die bisher bekannten Verfahren ein geeignetes Werkzeug entwickelt, dass bei der instationären Erweiterung der stationär kalibrierten Grundwassermodelle die Massenbilanz erhält. Die flächendifferenzierte Grundwasserneubildung für das Einzugsgebiet der Emscher für die Zeitschnitte 1961-1990, 2021-2050 und 2071-2100 wurde berechnet und die Ergebnisse auf Teileinzugsgebietsebene analysiert. Aus der klimatischen Bodenwasserbilanz wurden Trends bis zu den Jahren 2050 und 2100 im Emschergebiet berechnet.
Die vorliegende Diplomarbeit wurde im Rahmen des Netzwerk- und Forschungsprojekts dynaklim verfasst. Klimaprognosen zeigen für Deutschland neben einer fortschreitenden Erwärmung auch mögliche Veränderungen im Niederschlagsregime. Dies betrifft den mittleren Zustand, die saisonale Verteilung und das Extremverhalten. Diese Entwicklungen werden die Eigenschaften und die Beschaffenheit von Gewässern direkt und indirekt beeinflussen. Die Auswirkungen des Klimawandels auf Fließgewässer müssen bei der Umsetzung der EG-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL), dem zentralen Instrument zum Schutz und zur Verbesserung der Gewässerökosysteme in Europa, berücksichtigt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Maßnahmen nach WRRL im Hinblick auf den Klimawandel untersucht. Es wurde eine Bewertungsmatrix erstellt, anhand derer Aussagen über die Bedeutung einzelner WRRL-Maßnahmen für die Anpassung von Fließgewässern an den Klimawandel möglich sind und die eine Abschätzung über die Einfluss des Klimawandels auf die Wirksamkeit der Maßnahme erlaubt. Bei der Bewertung wurden alle Maßnahmen betrachtet, die auf Basis des standardisierten Maßnahmenkatalogs nach Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) an Oberflächengewässern in Nordrhein-Westfalen umgesetzt werden. Die entwickelte Matrix wurde anschließend auf das Maßnahmenprogramm des Emscher-Einzugsgebietes angewendet. Die Bewertungsmatrix zeigt, dass ein Großteil der bewerteten Maßnahmen einen Beitrag zur Anpassung an direkte und indirekte Auswirkungen des Klimawandels auf Gewässer leisten kann und somit für die Anpassung von Bedeutung ist. Die Untersuchung der Klimasensitivität hat ergeben, dass sich die Maßnahmen in diesem Punkt stark unterscheiden. Teils wird ihre Wirkung durch die Klimaveränderungen (Temperaturzunahme, Niederschlagszunahme inkl. Starkniederschlägen und Niederschlagsabnahme) verstärkt, teils wird sie gemindert. In einigen Fällen ist der Einfluss der Klimaveränderungen auf die Wirkung der Maßnahmen nicht signifikant.
In den letzten Jahren hat sich die öffentliche, wissenschaftliche wie auch politische Debatte über den Klimawandel und über die Folgen der globalen Erwärmung deutlich intensiviert: Von Seiten der Bundesregierung wird im Hinblick auf den Klimawandel an die individuelle Verantwortung der Konsumentinnen und Konsumenten appelliert.
Und in der Tat legen Ergebnisse der sozialwissenschaftlichen Umweltforschung sowie der Marktforschung nahe, dass der Klimawandel bzw. die Klimarelevanz von Produkten und Dienstleistungen für die Konsumentscheidungen privater Haushalte an Bedeutung gewinnt und dass auf Seiten der Verbraucherinnen und Verbraucher eine gesteigerte Bereitschaft besteht, regionale und klimagünstigere Angebote stärker nachzufragen. Vor diesem Hintergrund stehen im Zentrum dieses artec-papers klimawandelbezogene Veränderungen der Nachfrage und des Konsumverhaltens. Hierzu werden u.a. die Entwicklung der Umwelteinstellungen einerseits und die Preisentwicklung andererseits thematisiert.
Es wurde untersucht, welchen Einfluss die Temperatur auf die Zusammensetzung wirbelloser Lebensgemeinschaften (Makrozoobenthos, MZB) in den großen Flüssen Lippe, Ems und Ruhr hat und ob sich eine Temperaturerhöhung durch den Klimawandel auf die Bewertung solcher Gewässertypen nach EU-Wasserrahmenrichtlinie auswirken kann. Da die mittleren Jahreswassertemperaturen an einer Probestelle einen signifikanten Erklärungsanteil an der Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft haben, wurde eine neue biologische Messgröße (Metrik) abgeleitet, deren Größe von der Temperatur abhängt: Die Häufigkeiten wärmeliebender Neozoen-Arten des Makrozoobenthos steigen signifikant mit der Temperaturzunahme an einer Probestelle. In den thermisch veränderten Probestellen der Lippe sind die Häufigkeiten deutlich höher als in der Ems und in der Ruhr. Es wurden Grenzwerte abgeleitet, um die thermische Veränderung einer Probestelle durch den Metrik „Häufigkeiten wärmeliebender Neozoen“ näher zu beschreiben. Die aktuell in Deutschland zur Bewertung des Fließgewässertyps 15g (Großer sand- und lehmgeprägter Fluss des Tieflands) verwendeten Metriks und der Saprobienindex des PERLODES Verfahrens, die vorrangig morphologische Degradation und organische Belastung anzeigen sollen, reagieren signifikant auf erhöhte Wassertemperaturen. Die Bewertung von hydromorphologischer Degradation und der organischen Belastung ist bei gleichzeitig bestehender thermischer Veränderung also nicht gesichert. Durch Anwendung des Metriks „Häufigkeiten wärmeliebender Neozoen“ können thermisch veränderte Probestellen identifiziert werden und die Ergebnisse nach PERLODES und nach dem Saprobiensystem als nicht gesichert bewertet werden.
Überschwemmungen durch Flüsse führen bereits heute zu Schäden an Grundstücken, Gebäuden und beweglichem Vermögen. Durch die Folgen des Klimawandels ist in Zukunft mit einer Zunahme von Überschwemmungsereignissen zu rechnen. Diese äußern sich in einer Veränderung der Jährlichkeiten, mit denen unterschiedliche Hochwasserereignisse zu erwarten sind. Basierend auf den Ergebnissen der Hochwasseraktionspläne für Emscher und Lippe kann die klimawandelbedingte Veränderung der Hochwasserrisiken (als Produkt aus Schadenshöhe und Eintrittswahrscheinlichkeit des Schadens) bestimmt werden. Für unterschiedliche Klimaprojektionen wird für die Emscher eine Zunahme dieses Risikos um 110% bis 170% und für die Lippe eine Zunahme von 60% bis 80% erwartet. Sollen diese zusätzlichen Risiken vermieden werden, ist aus ökonomischer Sicht eine Anpassungsmaßnahme dann sinnvoll, wenn sie kostengünstiger ist als die hierdurch vermiedenen Schäden. Die hier dargestellte Kalkulation stellt somit eine Obergrenze der ökonomisch sinnvollen Anpassungsmaßnahmen dar, wenn das Ziel verfolgt werden soll, das bisherige Schutzniveau auch in Zeiten des Klimawandels beizubehalten. Die Berechnungen sind in Zukunft um Klimawandelrisiken aus den Nebenläufen, den Überflutungen aus der Siedlungsentwässerung zu ergänzen und den jeweiligen Kosten für mögliche Anpassungs- und zusätzliche Schutzmaßnahmen gegenüber zu stellen.
Die Wasserwirtschaft wird sich in Zukunft verstärkt mit dem Klimawandel auseinander setzen müssen. Veränderungen in den Niederschlägen und der Temperatur wirken sich auf die Nutzung von Trinkwasser in Haushalten und in der Wirtschaft sowie auf das Abwasseraufkommen aus. Simultan hierzu unterliegen auch Gesellschaft und Wirtschaft einem immerwährenden Veränderungsprozess. Dazu zählen der demografische Wandel, die wirtschaftliche Entwicklung und die Änderung der Siedlungsstruktur einer Region. Um diese verschiedenen Entwicklungen in ihrer Wirkung auf die Trinkwasser- und Abwassermengen der dynaklim-Region abschätzen zu können und vorausschauendes Handeln betroffener Akteure zu ermöglichen, sind in dieser Studie quantitative Szenarien für die kreisfreien Städte und Kreise entwickelt worden, um die Bandbreite der zukünftigen Herausforderungen der Wasserwirtschaft abzubilden. In allen Szenarien ist mit einem Rückgang der jährlichen Wassermengen (Trink-, Brauch-, Kühl- und Schmutzwasser) zu rechnen. Die in der öffentlichen Abwasserentsorgung abzuleitenden Regenwassermengen können sich je nach Entwicklung der Siedlungsstruktur und des Klimawandels unterschiedlich entwickeln. In der öffentlichen Trinkwasserversorgung ist durch den Klimawandel aber mit einer deutlichen Zunahme der täglichen Spitzenwasserbedarfe im Verhältnis zur durchschnittlich nachgefragten Menge zu rechnen. Diese kann je nach Szenario dazu führen, dass trotz des Rückgangs der jährlichen Wasserbedarfe die Versorgungskapazitäten nur geringfügig reduziert werden können oder (je nach Konstellation einzelner Einflüsse in den Szenarien) noch leicht ausgebaut werden müssen. Um diese Ergebnisse herleiten zu können, werden nach einem kurzen Überblick über die Szenariotechnik in Kapitel 2 die einzelnen Szenarien zunächst näher beschrieben (Kapitel 3). Im folgenden Hauptkapitel 4 werden sie dann quantitativ mit Leben gefüllt, bevor in Kapitel 5 die Ergebnisse (vergleichend) näher betrachtet werden.
Entscheidungsträger in der Wasserwirtschaft stehen oft vor der Aufgabe, aus verschiedenen möglichen Maßnahmen zur Zielerreichung auswählen zu müssen. Ohne eine Bewertung, mit der verschiedene Aspekte vergleichbar gemacht werden, ist hier kein begründetes Weiterkommen möglich.
Die Nutzwertanalyse ermöglicht eine Bewertung unterschiedlicher Maßnahmen(bündel) zur Entscheidungsunterstützung der Planung und Verwaltung. Neben den Kosten können verschiedenste nützliche Effekte einbezogen werden. Entscheidungen werden so auf eine breitere Wissensbasis gestellt und berücksichtigen nicht monetäre Effekte, die ebenfalls als Zielgrößen für Planung und Verwaltung von Relevanz sind. Eine detaillierte Nutzwertanalyse zeigt auf, welche Festlegungen und
subjektiven Bewertungen einer Entscheidung zugrunde liegen. Sie ist dadurch klar strukturiert, nachvollziehbar und kommunizierbar. Statt einer „Black Box“ in der Entscheidungsfindung werden ein klares systematisches Vorgehen bei der Entscheidungsvorbereitung und eine nachvollziehbare Entscheidung praktiziert.Das dargestellte Vorgehen der Nutzwertanalyse ist nicht auf Fragen der Wasserwirtschaft beschränkt, sondern kann in der täglichen Planungs- und Verwaltungspraxis für eine Vielzahl von Abwägungsfragen genutzt werden.