Bayerisches Landesamt für
Umwelt
Niedrigwasser-Informationsdienst Bayern

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Abfluss: Einteilung der Niedrigwasserabflüsse

Die Einteilung des Abflusses in kein Niedrigwasser und niedrig erfolgt anhand einer statistischen Analyse gemessener Abflusswerte (30-jährige Periode 1971 bis 2000). Niedrig ist der Abfluss dann, wenn er geringer als 75% aller Messwerte bezogen auf den aktuellen Monat ist. Sehr niedrig ist der Abfluss, wenn er kleiner als das mittlere niedrigste Tagesmittel aller Jahre (MNQ) ist. Um einen neuen Niedrigstwert handelt es sich, wenn der Abfluss kleiner als das kleinste Tagesmittel aller Jahre (NQ) ist. Diese Klassifizierung wurde nur bei Pegeln durchgeführt, die für eine statistische Analyse ausreichend lange Messreihen aufweisen.

Für jeden Pegel werden unter Statistik außerdem die hydrologischen Hauptwerte angegeben. Im Zusammenhang mit Niedrigwasser sind hier die Niedrigwasserkennwerte NQ (Niedrigstes Tagesmittel aller Jahre) und MNQ (Mittleres niedrigstes Tagesmittel aller Jahre) besonders relevant.

Daneben sind unter Besondere Werte bei Niedrigwasser auch noch Schwellenwerte für Abfluss oder Wasserstand angegeben, denen bei Niedrigwasser eine besondere Bedeutung zukommt. Hierbei handelt es sich um pegelbezogene Schwellenwerte, ab denen beispielsweise die Schiffahrt oder die Freizeitnutzung eingeschränkt sind oder ab denen die Entnahme aus dem Gewässer reduziert werden muss. Auch erforderliche Restwassermengen werden hier angezeigt.

Niederschlag: Definition der Trockenperioden

Eine meteorologische Trockenperiode wird durch das Aufeinanderfolgen von mindestens 11 Tagen mit Tagesniederschlagshöhen kleiner oder gleich 1,0 mm definiert. Auf der Übersichtskarte der Niederschlagsstationen erfolgt eine Einteilung anhand der vergangenen Tage, an denen kein Niederschlag gefallen ist. Bis zu 10 Tagen ohne Niederschlag an der jeweiligen Station wird noch nicht von einer Trockenperiode gesprochen. Zwischen 11 und mehr als 21 Tagen ohne Niederschlag erfolgt eine abgestufte farbliche Einteilung aufgrund der Länge der Trockenperiode.

Bei der Darstellung der Tagesniederschläge der einzelnen Stationen erfolgt außerdem ein Vergleich der aktuellen Niederschlagssumme mit der Summe der mittleren Tagesniederschläge. Um einen mittleren Zustand eines Tagesniederschlags zu charakterisieren wird eine 30jährige Bezugsperiode zur Mittelwertbildung herangezogen. Derzeit wird in der Meteorologie die Periode 1961 bis 1990 als Referenzzeitraum verwendet.

Auch die Summen der Tagesniederschläge der Trockenjahre 1976 und 2003 sind zum Vergleich in der Stationsgrafik eingezeichnet. Als Trockenjahr wird ein außergewöhnlich niederschlagsarmes Jahr bezeichnet. Als Referenzjahr wird hier zum Beispiel das Trockenjahr 2003 herangezogen, da die Jahresniederschlagshöhe 2003 sowohl in Nord- (560 mm), als auch in Südbayern (800 mm) den betragsmäßig geringsten Wert in der Zeitreihe 1961 bis 2007 darstellt. Dagegen fiel im hydrologischen Sommerhalbjahr nördlich der Donau 1976 (302 mm) und 1972 südlich der Donau (490 mm) der geringste Niederschlag seit 1961.

Niederschlag: Niederschlags-/Dürreindex (SPI)

Der "Standardized Precipitation Index" (SPI), der 1993 entwickelt wurde, zeigt ein Niederschlagsdefizit oder einen Niederschlagsüberschuss für einen bestimmten Zeitraum im Vergleich zum langjährigen Mittel an. Grundsätzlich kann der SPI für verschiedene Zeiträume berechnet werden, wobei Bezugszeiträume von 30 Tagen bis zu zwei Jahren üblich sind, je nachdem welche Aussage damit getroffen werden soll. Interessiert das Niederschlagsdefizit im Bezug auf Grundwasserneubildung, Basisabfluss oder den Inhalt von Seen und Speicher, so wird der SPI für längere Zeiträume ausgewertet. Ein SPI, der sich auf kürzere Zeiträume bezieht ist hilfreich, um beispielsweise die aktuelle Bodenfeuchte abzuschätzen, da diese vergleichsweise schnell auf das Niederschlagsgeschehen reagiert.

Der in der Niederschlagskarte dargestellte SPI-Wert wird täglich aktualisiert und bezieht sich jeweils auf die vergangenen drei Monate ab dem heutigen Tag gesehen.

Ist im Vergleich zum längjährigen Mittel wenig Niederschlag gefallen, so sind die Zahlenwerte des SPI negativ. Bei vergleichsweise viel Niederschlag ist der SPI-Wert positiv. Die SPI-Zahlenwerte können auch in Wahrscheinlichkeiten ausgedrückt werden. Die SPI-Werte der Kartendarstellung sind in folgende Klassen eingeteilt:

Einteilung der SPI-Werte
Unterschreitungs-
wahrscheinlichkeit in %
SPI-Wert Beschreibung
≤ 2.3 ≤ - 2.0 extrem trocken
2.3 bis 6.7 -2.0 bis -1.5 sehr trocken
6.7 bis 15.9 -1.5 bis -1.0 mäßig trocken
15.9 bis 84.1 -1.0 bis 1.0 normal
84.1 bis 93.3 1.0 bis 1.5 mäßig feucht
93.3 bis 97.7 1.5 bis 2.0 sehr feucht
≥ 97.7 ≥ 2.0 extrem feucht

Grundlage für die Berechnung des SPI sind langjährige Niederschlagszeitreihen der zur Verfügung stehenden Stationen (von 1961 bis heute).

Der SPI-Wert wird zunächst stationsweise ermittelt. Dabei werden jeweils vom heutigen Tag aus gleitende 3-Monats-Summen des Niederschlags gebildet und für die jeweils gleichen Bezugszeiträume (z.B. 01. Juni - 01. August eines jeden Jahres) der Größe nach sortiert.

Die dadurch gewonnene empirische Wahrscheinlichkeitsverteilung der Niederschlagsmenge (z.B. von 01. Juni - 01. August) wird dann einer theoretischen Gamma-Wahrscheinlichkeitsverteilung angepasst. Diese wird anschließend in eine Normalverteilung transformiert, so dass der Wahrscheinlichkeit der Niederschlagsmenge ein SPI-Wert zugeteilt werden kann und der mittlere SPI-Wert Null ist. Der aktuelle SPI-Wert ist dann gleich dem Multiplikator der Standardabweichung der Normalverteilung.

Anschließend werden die SPI-Werte, die für die einzelnen Stationen ermittelt wurden noch räumlich interpoliert, um eine flächige Kartendarstellung zu gewinnen.

Unten stehende Abbildung zeigt die SPI-Karten für zwei Extreme: die Trockenperiode im Sommer 2003 auf der linken Seite und die sehr feuchte Periode im Herbst 2002.

SPI Vergleichskarten

Die Vorhersagen für die SPI-Karten werden analog zu den Karten für die Messwerte erstellt, mit dem Unterschied, dass für die in der Zukunft liegenden Tage Niederschlagsvorhersagen des Deutschen Wetterdienstes (DWD) verwendet werden. Hierbei handelt es sich um Vorhersagen aus dem Globalmodell (GME), die in einer räumlichen Auflösung von ca. 40km und einer zeitlichen Auflösung von 3h vorliegen. Diese Rasterwerte werden auf die Stationen übertragen und zeitlich zu Tageswerten aggregiert, bevor sie für die SPI-Berechnung verwendet werden.

Wassertemperatur: Klassifizierung der Wassertemperaturen

Auch die Tagesmaxima der Wassertemperaturen werden anhand statistischer Perzentilwerte eingeteilt. Als nicht kritisch oder normal werden die Temperaturwerte bezeichnet, wenn sie niedriger als 90 Prozent aller Werte bezogen auf die Tagesmaxima der Sommermonate Juni bis August liegen. Als hoch werden Temperaturen bezeichnet, die höher als 90 Prozent aller Tagesmaxima bezogen auf die Sommermonate Juni bis August liegen. Von einem neuen Höchstwert ist die Rede, wenn der höchste jemals gemessene Wert an einer Station überschritten wird. Der Beobachtungs-Zeitraum zur Ermittlung dieser Perzentile berträgt je nach Station mindestens 5 Jahre (ab frühestens 1998 bis heute).

Die Wassertemperatur steuert alle Vorgänge im Gewässer, vom Abbau organischer Substanzen bis zum Wachstum der Gewässerlebewesen, von der Löslichkeit von Gasen wie Sauerstoff bis hin zum Abbau chemischer Schadstoffe. Der Verlauf der Wassertemperatur folgt im Großen und Ganzen der Lufttemperatur, jedoch hat die hydrologische Situation einen großen Einfluss auf diesen Zusammenhang. Ist weniger Wasser im Gewässerbett, kann sich dieses zum Beispiel schneller erwärmen. Im alpinen Bereich kann ein Anstieg der Lufttemperatur zu verstärkter Schneeschmelze und damit Zufluss von kühlerem Wasser führen. Auch der Anteil von zufließendem Grundwasser, bestimmt die Wassertemperatur im Gewässer.

Diese natürlichen Prozesse werden überprägt durch Einflüsse des Menschen auf die Gewässer und ihre Einzugsgebiete:

  • Wärmeeinleitungen z.B. durch Kühlwasser oder auch Wärmeentzug zur Energiegewinnung beeinflussen die Wassertemperatur direkt,
  • durch Stauhaltungen und der damit verbundenen Verlängerung der Aufenthaltszeiten sowie Veränderungen der Gewässerstruktur sind die Gewässer indirekt in ihrem Wassertemperaturregime beeinträchtigt, meist in Richtung einer Aufwärmung.
  • Nicht zuletzt führt auch der Klimawandel zu einer tendenziell erhöhten Wassertemperatur.

Die Auswirkungen der Veränderung des Wassertemperaturregimes können nur in Abhängigkeit des jeweils betroffenen Gewässers beurteilt werden. Niedrigwasserzeiten sind in aller Regel mit einem Temperaturanstieg verbunden, der sich vor allem bei bereits beeinträchtigten Gewässern bemerkbar macht. So kann eine erhöhte Wassertemperatur im Sommer zu einer verminderten Sauerstofflösung und in der Folge zu Sauerstoffmangel führen, der sich umso gravierender auswirkt, je stärker das Gewässer durch Abwasser belastet ist. Im ungünstigsten Fall können solche Sauerstoffdefizite Fischsterben nach sich ziehen. Für eine erste Abschätzung der Wirkung von Temperaturerhöhungen auf Fische wurde von Experten eine Tabelle mit Hintergrund- und Orientierungswerten erarbeitet: für verschiedene Gewässertypen und Fischlebensgemeinschaften werden Temperaturmaxima angegeben, bei deren Überschreitung eine Beeinträchtigung der Fische nicht auszuschließen ist. Ob es zu negativen Auswirkungen kommt, hängt nicht zuletzt davon ab, zu welcher Jahreszeit und unter welchen weiteren Randbedingungen die erhöhten Temperaturen auftreten.

Grundwasser: Einteilung der Grundwasserstände und Quellschüttungen

Die Einstufung der Grundwasserstände und Quellschüttungen in die Bewertungsklassen kein Niedrigwasser, niedrig und sehr niedrig erfolgt anhand einer statistischen Auswertung der vorhandenen Daten. Diese Klassifizierung wird nur bei Messstellen vorgenommen, für die ausreichend lange Messreihen (größer 5 Jahre) zur Verfügung stehen. Um natürliche, saisonale Schwankungen in den Wasserstands- und Quellschüttungszeitreihen berücksichtigen zu können, werden die oben genannten statistischen Grenzen für einen gleitenden Zeitraum von 31-Tagen ermittelt.

Die aktuellen Daten werden als niedrig eingestuft, wenn sie kleiner sind als 75 % aller bisher gemessenen Werte. Unterschreitet der aktuelle Wert 90 % aller bisher gemessenen Werte, so wird dieser Grundwasserstand bzw. diese Quellschüttung als sehr niedrig beurteilt. Um einen neuen Niedrigstwert handelt es sich, wenn der aktuelle Grundwasserstand bzw. die aktuelle Quellschüttung niedriger ist, als der bis zu diesem Zeitpunkt dokumentierte Niedrigstwert.

Die Messstellen des oberen Grundwasser-Stockwerks reagieren je nach Mächtigkeit und Durchlässigkeit der Grundwasserüberdeckung normalerweise recht schnell auf versickerndes Niederschlagswasser. Oberflächennahe Grundwassermessstellen in den Talräumen stehen außerdem häufig in enger Beziehung zu den Wasserständen in den oberirdischen Gewässern.

Die Messstellen der tieferen Grundwasser-Stockwerke werden in der Regel durch zusickerndes Wasser aus den darüberliegenden Stockwerken gespeist. Überdeckte Grundwasserleiter reagieren daher sehr viel gedämpfter und erneuern sich nur über lange Zeiträume. Die Messstellen zeigen meist eine geringere Schwankungsdynamik als die des oberen Grundwasserstockwerks.

Seen und Speicher: Einteilung der Wasserstände

Je nachdem, ob es sich um einen See oder einen Speicher handelt, erfolgt die Einteilung der Wasserstände im Bezug auf Niedrigwasser unterschiedlich:

Bei Seen handelt es sich um kein Niedrigwasser, wenn der Seespiegel höher als 25 Prozent aller Werte liegt. Niedrig ist der Wasserstand, wenn er niedriger als 75 Prozent aller Werte liegt und sehr niedrig, wenn er niedriger als 10 Prozent aller Werte liegt.

Anders erfolgt die Einteilung bei den Speichern. Hier liegt keine statistische Auswertung der gemessenen Werte zugrunde, sondern das Reservevolumen eines Speichers für die Niedrigwasseraufhöhung. Bei kein Niedrigwasser liegen die Speicherreserven für Niedrigwasseraufhöhung über oder gleich 50 Prozent. Niedrig ist der Wasserstand eines Speichers, wenn die Speicherreserve weniger als 50 Prozent und sehr niedrig wenn die Speicherreserve weniger als 25 Prozent des Gesamtvolumens für die Niedrigwasseraufhöhung beträgt.

Wie bei den Abflüssen werden zusätzlich noch statistische Kennwerte und für Niedrigwasser relevante Schwellenwerte angegeben. NW ist das niedrigste Tagesmittel aller Jahre und MNW das mittlere niedrigste Tagesmittel aller Jahre. Bei Besondere Werte bei Niedrigwasser werden die Stauziele eines Speichers angegeben.

Gewässerqualität: Sauerstoffgehalt

Sauerstoff ist für die meisten Wasserorganismen lebensnotwendig. Er wird von photosynthetisch aktiven Wasserpflanzen und Algen produziert, oder aus der Atmosphäre eingetragen, wobei die Aufnahme aus der Luft unter anderem von der Wassertemperatur, der Größe der Wasseroberfläche, und der Wasserturbulenz abhängt. Verbraucht wird der im Wasser gelöste Sauerstoff vor allem durch Atmung (Respiration) von Tieren und Pflanzen im Wasser, aber auch durch den Abbau organischer Stoffe durch Mikroorganismen.

Durch die Lichtabhängigkeit der Sauerstoffproduktion kommt es im Gewässer oft zu starken Tag-/Nacht-Schwankungen im Sauerstoffgehalt: tagsüber lässt die Photosynthese den Sauerstoffgehalt ansteigen, aber nachts führt die Respiration der Wasserorganismen bei Abwesenheit von Photosynthese zum Absinken des Sauerstoffgehalts. Diese Schwankungen sind umso ausgeprägter, je stärker die Sonneneinstrahlung und je höher die Wassertemperatur, welche den im Wasser stattfindenden Sauerstoffkreislauf beschleunigen. Eine besondere Gefahr für das Gewässer stellt Niedrigwasser dar, da die langsamen Fliessgeschwindigkeiten zu hohen Wassertemperaturen und daher zu besonders niedrigem Sauerstoffgehalt im Wasser führen können.

Unterhalb bestimmter Sauerstoffgehalte kann es zu Sauerstoffmangel und Schädigung von Wasserorganismen kommen. Die Menge des im Wasser gelösten Sauerstoffs ist daher auch ein Indikator für den Zustand eines Gewässers. Für die Beschreibung kritischer Wasserbeschaffenheiten wurden Orientierungswerte eingeführt, die den Übergang vom „guten“ zum „mäßigen“ Zustand abbilden und ab denen für die Gewässerökologie negative Folgen eintreten können. Sie richten sich nach den aktuellen, fachlich anerkannten Grenzwerten für Fliessgewässer, z.B. aus dem Rahmenkonzept Monitoring (RaKon-Arbeitspapier II der LAWA), oder der Bayerische Fischgewässerqualitätsverordnung (BayFischGewV).

Für große Flüsse und Ströme der bayerischen Mittelgebirge gilt z.B. nach RaKon ein Orientierungswert von 6mg O2/l, unterhalb dessen das Gewässer den „guten Zustand“ verfehlen kann. Für die Donau wurde ein Orientierungswert von 7 mg/l festgelegt. In der Kartenansicht sind Messstellen mit Unterschreitung dieser Werte durch gelbe Markierung gekennzeichnet. Bei Unterschreitung kommt am Main ein stufenweiser „Alarmplan“ in Gang, der, abhängig vom Sauerstoffgehalt, Gegenmaßnahmen zum Sauerstoffmangel bestimmt. Hierzu zählen u.A. Turbinenbelüftung, sowie Unterlassung von Schlammräumungen und Baggerungen. Bei weniger als 4 mg O2/l wird „Alarm“ für den unterhalb und oberhalb der Messstation liegenden Meldebereich ausgelöst, in der Kartenansicht durch rote Markierung gekennzeichnet. Hier werden nun zusätzliche, weitreichende Maßnahmen nötig, um ein weiters Absinken des Sauerstoffgehaltes zu verhindern.

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