Transcript Virtuelles Wasser - IfU

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?
Dreischluchten Damm
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 Ozean
390
Atmosphärischer
Transport
40
ET über
Ozean
430
Ozean
Niederschlag
über Land
110
Totale ET
über
Land
71
Natürliche
ET 50
Unzugängl.
Abfluss Zugängl.
27
Abfluss ET unbew.
Landbau,
13
Weiden,
Rest
Forst
Gesamt
zugängl.
18
abfluss
Abfluss
Entnahmen
37
8
durch
Menschen 5
Abfluss aus
Entnahmen
2
ET
Landbau,
Weiden,
Forst 21
ET aus
Bewässerung 3
Land
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
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
Extensiv. Ökologisch
unbedenklich solange
Überweidung
vermieden wird
Mit Kraftfutter (Soja)
Intensiv. Mögliche Folgen:
Zerstörung von Regenwald,
Export von virtuellem Wasser
das dann anderen
einheimischen Nutzern fehlt
„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
Trinkwasser < 0.01
Bewässerungslandwirtschaft 3.15
Industrie 0.9
konsumtiv
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
Dürre in China 2011
newshopper.sulekha.com
Überschwemmungen
in Pakistan 2010
best-pic4u.blogspot.com
Dargebot und Nachfrage:
Diskrepanz in der Zeit
Dargebot Nachfrage
Niederschlag
1a
Zeit
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)
Wasserknappheit
Wasser ist in vielen Regionen schon lange
knapp und die Knappheit nimmt zu
Eine Entnahme von wesentlich mehr
“blauem Wasser” als den gegenwärtigen
4500 km3/a ist nicht denkbar.
Definition von ernstem Mangel (UNO):
< 1000 m3/a/P
2000 407 Mio. Menschen
2025
3 Mrd. Menschen
Wasserverfügbarkeit in Einzugsgebieten (Durchfluss)
(langjähriges Mittel 1961-90)
Wasserentnahmen in Einzugsgebieten
(ca. 1995, Klima 1961-90) l
Indikator für Wasserstress
Entnahm en
a
verfügbareerneuerbare Re ssourcen
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-KamboschaVietnam-Laos)
Indus (Indien-Pakistan)
Amu-Darya (Usbekistan-Kasachstan-KirgistanAfghanistan)
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 zusammenhängenden 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
– 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
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
– 5 to possibly 25%
global
freshwater use exceeds long-term
40%of
der
Bewässerungslandwirtschaft
ist von
accessible supplies
(low toGrundwasserspiegeln
medium certainty)
fallenden
betroffen
– 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-SunkProblematik, Restwassermenge.
Tendenz der Problematik steigend!
Bodenversalzung
80 Mio. von 260 Mio. ha
Bewässerungsfläche betroffen
Bodenversalzungsproblem
Weltweit sind rund 80 Mio. ha Agrarland in irgendeiner Weise von Versalzung betroffen.
Zum Vergleich: 1500 Mio. ha Gesamtfläche, davon
260 Mio. ha bewässerter Fläche
natürlich
Ursachen
Wasserdampf
Wasser, Salze
bewässert
Wasser, Salze
Ohne Dränage: Salzanreicherung
Grundwasserspiegelanstieg, Kapillaranstieg, hohe Verdunstung, Salzdeposition
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
Wuxi, Taihu, Mai 2007
Kein Trinkwasser für Mio. Menschen
Geruch
Blaualgen
In der
Vergangenheit:
Weniger Menschen
Fäkalien auf Felder
Geringer Eintrag von
Nährstoffen in See
Entfernung von Nährstoffen
aus See durch Ausgraben von
Schlamm zur Düngung
Heute:
Einbahnstrasse
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 postharvest)
• 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)
Typische Wassereffizienz in der 3. Welt
Stausee 100%
Effizienz: 20%
Kanal
60%
Feld
Verlust 40%
30%
Verlust 50%
Getreide- 20%
Verbraucher
speicher
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 km /a
3
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
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