Klimaänderung und Wasserkraft - Fallstudie Kraftwerke Gougra AG - DORA 4RI
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Klimaänderung und
Wasserkraft
Fallstudie Kraftwerke Gougra AG
Foto: Christoph Hurni / flickr.com
Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft
Sion und Birmensdorf, August 2011
In Kürze … En bref …
Wie wird sich die Klimaänderung auf die Quels effets aura le changement climatique sur les
Wasserverfügbarkeit und die Zuflüsse zu den ressources en eau et les apports dans les barrages et
Stauseen auswirken, und was bedeutet das konkret que signifiera-t-il concrètement pour l'exploitation et
für den Betrieb und die Produktion der Wasserkraft- la production des sociétés hydroélectriques?
Gesellschaften?
Cette question a été examinée pour les Forces
Diese Frage wurde am Beispiel der Kraftwerke Gougra Motrices de la Gougra SA (VS) en se basant sur les
(VS) basierend auf den aktuellsten Klima- und scénarios climatiques et glaciaires actuels ainsi
Gletscherszenarien und mit Hilfe des hydrologischen qu'avec le modèle hydrologique PREVAH.
Modells PREVAH untersucht.
Les résultats montrent une diminution du débit
Die Ergebnisse zeigen, dass der jährliche Abfluss im annuel moyen de 8% (±4%) pour la période 2021-50
gesamten Einzugsgebiet für den Zeitraum 2021-2050 puis une stagnation pour la période 2070-2099.
um 8% (±4%) ab-nehmen wird und dann bis zum Cependant, de grandes différences sont observées
Zeitraum 2070-2099 ziemlich unverändert bleibt. entre les différents sous bassins versants de la
Dabei wird es in den einzelnen Teileinzugsgebieten – Gougra, selon leurs altitudes et leurs taux de
je nach Höhenlage und Vergletscherung – zu sehr glaciation. Pour les zones de haute altitude fortement
grossen Unterschieden kommen. In den englacées, les débits annuels augmentent fortement
hochgelegenen stark vergletscherten Teil- dû à la fonte accrue des glaciers, ce qui a également
einzugsgebieten, nimmt der jährliche Abfluss été montré par une étude de Huss et al. (2008). Dans
aufgrund verstärkter Gletscherschmelze stark zu, was les sous bassins de plus basse altitude et
bereits in einer Studie von Huss et al. (2008) gezeigt moyennement englacés, comme p.ex. Moiry, après
wurde. In tieferen Lagen und mässig vergletscherte une augmentation transitoire de durée variable, les
Teil-einzugsgebiete wie z.B Moiry, gehen die débits annuels diminuent rapidement dès 2021-50,
Abflussmengen zurück, da der Eisschmelzanteil am dû à la réduction de la contribution de la fonte des
Gesamtabfluss drastisch abnimmt. In heute glaciers au débit total. Par contre, dans les bassins
unvergletscherten Teilgebieten, wie z.B. Lona, versants non englacés, comme p.ex. Lona, les débits
verändert sich der Jahresabfluss kaum. annuels futurs ne se modifient quasiment pas.
Für die KW Gougra AG bedeutet das eine vorläufige
Pour les Forces Motrices de la Gougra, ces
Zunahme der Produktion in der Zentrale Mottec,
changements signifient une augmentation sensible
ohne dass eine strukturelle Anpassung der
mais provisoire de la production électrique à la
Installationen notwendig ist. Durch die Abnahme der
centrale de Mottec, ne nécessitant toutefois pas
Zuflüsse wird es ab 2021-2050 zu einer
d'adaptation structurelle des installations. Par la
Produktionsreduktion, und damit auch einer
suite, la baisse globale des apports dès 2021-50
Ertragsreduktion aller Zentralen kommen. Die
engendrera une baisse concomitante de la production
zeitliche Verlagerung um 5 bis 8 Wochen der Abfluss-
cumulée de l'ensemble des centrales et, par
Spitzen wird zu einer Veränderung der energetischen
conséquent, une diminution de la rentabilité de
Optimierung und der Revisionsperioden führen.
l'aménagement hydroélectrique. Le pic des apports
plus précoce (4-6 semaines) conduira à une
modification de l'optimisation énergétique et des
périodes de révisions des groupes.
1
Über das Projekt
Die prognostizierte Klimaänderung wird einen
bedeutenden Einfluss auf Schneedecke und Gletscher,
und somit auf die Wasserressourcen in den
Einzugsgebieten der Wasserkraftwerke haben.
Wie gross diese Änderung in der Wasserverfügbarkeit
für die Wasserkraftproduktion sein wird und wie
genau sich die Zuflüsse zu den Reservoirs zeitlich
(saisonal) und mengenmässig verändern werden, ist
bisher nur in Einzelfällen untersucht worden (Beispiel:
Mauvoisin).
Mit dem Ziel, diesbezüglich für die ganze Schweiz
verbesserte Aussagen machen zu können, hat die
Swiss Electric Research zusammen mit dem
Bundesamt für Energie im 2008 die vorliegende
Studie in Auftrag gegeben. Dabei sollen die
hydrologischen Auswirkungen der Klimaänderung für
die Wasserkraft in der Schweiz räumlich differenziert
unter Einbezug der aktuellsten Vorhersagemodelle
abgeschätzt werden.
Neben einer generellen Analyse der zu erwartenden
hydrologischen Veränderungen in ca. 20 natürlichen
Einzugsgebieten der Schweiz mit unterschiedlichen
topographischen, geologischen und klimatologischen
Voraussetzungen untersucht diese Studie sechs
ausgewählte Fallbeispiele im Detail. In diesen
Fallbeispielen werden für die Zeiträume 2021-50
(nahe Zukunft), resp. 2070-99 (ferne Zukunft) die
lokalen meteorologischen Veränderungen und die
daraus resultierenden Änderungen in der
Vergletscherung, der Schneedecke und im Abfluss
simuliert. Abschliessend wird von den betroffenen
Kraftwerkbetreibern die Bedeutung dieser
hydrologischen Änderungen für ihre Stromproduktion
abgeschätzt.
Der vorliegende Bericht fasst die Ergebnisse der
Fallstudie „KW Gougra AG“ zusammen. Die folgenden
Gruppen haben hierzu beigetragen: Institut für
Atmosphäre und Klima der ETH Zürich
(klimatologisches Downscaling), Geographisches
Institut der Uni Zürich (Gletschermodellierung),
Versuchsanstalt für Wasserbau der ETH Zürich
(Gletschermodellierung), Eidg. Forschungsanstalt WSL
(Schneedecken und Abflussmodellierung), sowie KW
Gougra AG / ALPIQ Suisse SA (betriebliche Analysen).
2
Allgemeine Datengrundlagen
Für die Fallstudie „KW Gougra AG“ wurden folgende Daten d) Als Grundlage für die Gletscherentwicklung dient das
verwendet: World Glacier Inventory: Stand 1973. Dieses wurde als
a) Digitales Geländemodell RIMINI (Arealstatistik, initiale Gletscherfläche für die Simulation (1985)
Bundesamt für Statistik) mit einer räumlichen Auflösung verwendet und dann kontinuierlich mit dem
von 100 m. Schrumpfmodell von Paul et al. (2007) angepasst (siehe
Seite 4). Die Rastergrösse des ursprünglichen
b) Landnutzung – aggregiert in ca. 12 hydrologische
Gletscherinventars ist 25 m. Für unsere Modellierung wird
Klassen – mit einer räumlichen Auflösung von 100 m,
sie auf 200 m aggregiert.
basierend auf der Areal-Statistik des Bundamts für Statistik
(GEOSTAT), 1992/97. e) Schneemessungen des Interkantonalen Mess- und
Informationssystems IMIS, sowie Beobachter-Schneedaten
c) Meteorologische Messungen (Stundenwerte; Zeitraum:
des SLF Davos wurden für die Validierung der
1980-2009) der MeteoSchweiz-Stationen, welche für das
Schneesimulationen verwendet.
Gougra-Einzugsgebiet relevant sind. Wichtige Stationen
sind Zermatt, Evolène, Montana, Sion und Visp. Für die f) Abfluss-Messungen der KW Gougra AG für die
hydrologische Modellierung wurden folgende stündlichen Teileinzugsgebiete Zinal und Turtmann von 2004 – 2008
meteorologischen Messgrössen verwendet: wurden verwendet, um das hydrologische Modell zu
Lufttemperatur, Relative Feuchte, Globalstrahlung, verifizieren.
Niederschlag und Windgeschwindigkeit.
Abb. 1: Karte des Gougra-Einzugsgebiets und Umgebung (links) sowie Teileinzugsgebiete (rechts). Die hydro-
meteorologischen Messstellen sind gelb markiert (links). Die Wasserfassungen sind mit einem roten Punkt
gekennzeichnet (rechts). Das Teileinzugsgebiet "Navisence à Mottec" wurde für Vergleichszwecke in weitere
3
Teileinzugsgebiete unterteilt.
Modellierungsstrategie Für die beiden Zukunftsszenarien wurden die
Modellparameter unverändert wie bei der
Die Ergebnisse dieser Fallstudie basieren auf regionalen Kontrollsimulation beibehalten. Die meteorologischen
Klimamodelldaten des europäischen Projektes ENSEMBLES, Messwerte der Kontrollperiode wurden stationsweise mit
welche alle vom Emissionsszenario A1B (moderate den prognostizierten täglichen Änderungen (Delta change)
Erwärmung) ausgehen. Diese umfassen zehn verschiedene korrigiert. Somit entstanden zwei neue 30-jährige
Modellketten von Globalen Zirkulationsmodellen (GCM) Zeitreihen mit ähnlicher Variabilität, wie sie in der
und Regionalen Klimamodellen (RCM) und widerspiegeln Kontrollperiode beobachtet worden war, aber mit den
die Unsicherheits-Bandbreite der Klimamodelle. erwarteten Zukunftstrends.
Um die erwarteten lokalen Klimaänderungen für das Bezüglich Vergletscherung wurden für die beiden
Untersuchungsgebiet abzubilden, wurden für alle Zukunftsszenarien der Ausgangszustand von 1985 mit
MeteoSchweiz-Messstellen Jahresgänge der Temperatur- einem Schrumpfmodell von Paul et al. (2007) in 5-Jahres-
und Niederschlagsänderung für die Zeiträume 2021-2050 Schritten kontinuierlich reduziert. Das Modell basiert auf
(nahe Zukunft) und 2070-2099 (ferne Zukunft) relativ zur der einfachen Annahme, dass die Gleichgewichtslinie
Kontrollperiode 1980-2009 berechnet. Diese statistische (GWL) entsprechend der Lufttemperaturerhöhung
Down-scaling Methode heisst Delta-change-Ansatz ansteigt. Dadurch wird das Akkumulationsgebiet des
(Bosshard et al., 2011). Gletschers kleiner. Es wird im Modell angenommen, dass
die Reaktionszeit der Gletscher auf Temperaturänderungen
Für die Abflussberechnung wurde die neue Gitterversion durchschnittlich 50 Jahre beträgt.
des hydrologischen Modells PREVAH (Viviroli et al., 2009a.)
für das ganze Einzugsgebiet mit regionalisierten Parameter Die resultierenden Gletscherszenarien für Mitte und Ende
von Viviroli et al. (2009b und 2009c) aufgesetzt. Anhand des 21. Jahrhunderts wurden mit Gletscherszenarien der
von gemessenen Abflussdaten der KW Gougra AG wurden VAW verifiziert, welche auf einem Ansatz von Huss,
die Modellparameter optimiert. Danach wurden für die Farinotti und Bauder basieren.
Kontrollperiode 1980-2009 in täglicher Auflösung folgende Die Ergebnisse des hydrologischen Modells PREVAH –
hydrologischen Grössen berechnet: Niederschlag, insbesondere der simulierte natürliche Abfluss aus den
Verdunstung, Schneewasserwert, Eis- und Teileinzugsgebieten (Tageswerte) – wurde der KW Gougra
Schneeschmelze, Bodenwasserspeicher und Abfluss. Dazu AG als Input in das Betriebsmodell zur Verfügung gestellt.
wurden die gemessenen meteorologischen Grössen der
nahegelegenen Meteoschweiz-Stationen über das
Einzugsgebiet hinweg interpoliert.
Abb. 2: Darstellung der Modellierungskette von den Klimamodellen (GCM) bis hin zum hydrologischen Modell
(PREVAH) nach Bosshard und anderen (2010).
4
Beschreibung des Einzugsgebiets Beschreibung der Kraftwerkanlage
Die Anlagen der Gougra SA bestehen aus den beiden
Die Anlagen der Gougra SA im Val d’Anniviers und Stauseen Moiry und Turtmann sowie den Kraftwerken
2
Turtmanntal erschliesssen ein Einzugsgebiet von 252 km . Navizence, Vissoie, Mottec und Lona. Der Stausee Moiry
Höhenmässig liegt das gesamte Einzugsgebiet zwischen liegt auf 2250 m.ü.M und hat eine Kapazität von 77 Mio
3
1'140 und 4’505m.ü.M. (Weisshorn). Das Teileinzugsgebiet m . Neben dem natürlichen Einzugsgebiet wird dem
der Turtmänna umfasst eine Fläche von 36.6 km² mit einer Stausee Moiry das Wasser aus dem Turtmannstausee
)
Vergletscherung von 56 % (Zuber, 2005) und erreicht eine (Zwischenspeicher sowie zum Teil das Wasser aus der
maximale Höhe von 4'151 m.ü.M (Bishorn). Gletscher wie Navisence in Mottec zugeleitet. Das Turtmannstaubecken
Glacier de Moiry, Glacier de Zinal, Glacier de Weisshorn, mit einem Fassungsvermögen von 780'000 m³ trägt über
Glacier de Moming, Turtmann- und Brunegggletscher die Sommermonate zu 50% zur Füllung des Moiry Stausees
prägen das alpine Landschaftsbild. Unterhalb der nivalen bei (mitteres jährliches Volumen von 47 Mio m³).
Höhenstufe sind flachgründige Böden mit einfacher Der Höhenunterschied zwischen dem Stausee Moiry und
Vegetation verbreitet, welche eine insgesamt geringe dem Rhonetal wird in drei Kraftwerksstufen genutzt.
Wasserspeicherkapazität zur Folge haben. Zunächst gelangt das Wasser ins Kraftwerk Mottec auf
Der geologische Untergrund ist vielfältig. Nördlich der Linie 1’560m.ü.M, welches mit 69MW die grösste Leistung
Stausee Moiry - Stausee Turtmann dominieren erbringt. Das Wasser wird weitergeleitet ins Kraftwerk
Glimmerschiefer sowie Quarzite der penninischen Decken. Vissoie (1120m.ü.M.; 45MW) und gelangt schliesslich ins
Südlich davon sind es metamorphe Karbonatgesteine Kraftwerk Navizence bei Chippis (50MW). Zusammen mit
(Kalkphyllite/ Mergelschiefer), metabasische Gesteine und dem kleineren Kraftwerk Lona (1MW) resultiert eine
Granite. Gesamtleistung von 165MW. Die Anlagen sind seit Ende
der 1950er Jahre in Betrieb.
Der mittlere Jahresniederschlag beträgt 1030 mm
(Zeitraum 1980-2009). Für das gesamte Einzugsgebiet
3
gerechnet, ergibt dies ein Volumen von ca. 260 Mio. m
Wasser pro Jahr.
Für unsere hydrologischen Simulationen betrachten wir
insgesamt 12 Teileinzugsgebiete mit zum Teil sehr
unterschiedlicher Vergletscherung. Die grössten Teilein-
2
zugsgebiete sind die Navisence à Mottec (87.9 km ), die
2 2
Navisence à Vissoie (60.5 km ), Moiry (29.3 km ) und
2
Turtmanngletscher (28.1 km ). Das Teileinzugsgebiet
Navisence à Mottec wurde für Vergleichszwecke weiter
unterteilt.
Foto 1: Einzugsgebiet der Gougra AG mit Stausee Moiry.
Abb. 3: Karte mit Reservoiren und Zuleitungen der KW
Gougra AG.
5
Ergebnisse
grossen Unterschiede zwischen den Modellen nicht
Klimaszenarien für die Region alleine durch die natürliche Variabilität erklärt werden
und ist als robust zu betrachten.
An allen Temperatur- und Niederschlagsmess- Der Niederschlag weist gemäss den Modell-
stationen der MeteoSchweiz wurden Jahresgänge des rechnungen kein deutliches Signal für den Zeitraum
Klimaänderungssignals für Temperatur und 2021-50 auf. Für den Zeitraum 2070-99 zeigt das
Niederschlag gemäss 10 GCM-RCM Modellketten für Modellensemble übereinstimmend eine deutliche
die Szenarioperioden 2021-2050 (nahe Zukunft) und Niederschlagsabnahme im Sommer, welche grösser
2070-2099 (ferne Zukunft) relativ zur Kontrollperiode als die natürliche Variabilität ist. Im restlichen Jahr ist
1980-2009 berechnet. Abb. 4 zeigt exemplarisch den eine leichte Zunahme des Niederschlages zu sehen.
Jahresgang der Änderungssignale von T und P für die Diese Zunahme liegt jedoch bei den meisten
Station Zermatt. Gemäss den verwendeten GCM-RCM Modellketten noch innerhalb der natürlichen
Modellketten steigt die Temperatur am stärksten im Variabilität.
Sommer und über dem Alpenbogen an. Für den
Zeitraum 2021-50 liegt der Temperaturanstieg bei 2°C Für den gesamten Jahresniederschlag im
[1-3°C] und für den Zeitraum 2070-99 bei knapp 5°C Einzugsgebiet Gougra heisst das im Durchschnitt eine
[2-6.5°C]. Die Unsicherheit der Modellprojektionen ist leichte Zunahme (+2%±2%) für den Zeitraum 2021-50,
ebenfalls im Sommer am grössten. resp. keine Änderung gegenüber heute (0%±4%) für
den Zeitraum 2070-99.
Die projizierten Veränderungen liegen deutlich
ausserhalb der natürlichen Variabilität (siehe graue Ausführliche Angaben zu diesen Klimaszenarien sind
Fläche in Abb. 4). Das heisst, das verfügbar unter: www.c2sm.ethz.ch/services/CH2011
Temperaturänderungssignal kann trotz der
Abb. 4: Jahresgang des Klimaänderungssignals der Temperatur (ΔT, links) und des Niederschlages (ΔP, rechts) an der Station Zermatt
für den Zeitraum 2021-50 (oben) und 2070-99 (unten) in Zukunft relativ zur Kontrollperiode 1980-2009. Die Änderungssignale basieren
auf 10 GCM-RCM Läufen des ENSEMBLES Projekts. Die natürliche Variabilität ist als graues Band dargestellt.
Das graue Band bezeichnet den Bereich von +/- 1 Standardabweichung der natürlichen Variabilität, bestimmt mittels Resampling der
beobachteten Messreihen.
6
Erwartete Veränderung der Gletscher
1985 2040 2085
Die Gletscher der Alpen reagieren stark auf 2
Gletscherfläche (km ) 47.3 38.5 24.2
Änderungen des Klimas. Nach einem Eisfreie Fläche (km2) 205.6 214.5 228.7
zwischenzeitlichen Vorstoss der Gletscher in den Gletscherfläche (%) 18.7 15.2 9.6
1980-er Jahren ist ein allgemeiner Rückgang und Eisfreie Fläche (%) 81.3 84.8 90.4
ein damit verbundener Massenverlust
beobachtet worden. Im Einzugsgebiet der KW
Tabelle 1. Gletscherfläche und eisfrei Fläche (in km² und %)
Gougra AG wurde 1985 eine Gletscherfläche von für die Jahre 1985, 2040 und 2085 für das
2
47.3 km beobachtet, was einem Flächenanteil Gesamteinzugsgebiet der Gougra.
von 18.7% entspricht.
Das Eisvolumen in den Teilgebieten Weisshorn,
Huss et al. 2008 schätzen mittels eines glazio-
Moming und Zinal wurde von der VAW auf 1.45
3 hydrologischen Modells für drei verschiedene
km geschätzt (Huss et al, 2008).
Klimasszenarien eine starke Abnahme der
Mit der prognostizierten Klimaerwärmung wird
Gletscherflächen und -Volumen in den drei stark
ein Rückgang der Gletscher erwartet (Huss et al.,
vergletscherten Einzugsgebieten Weisshorn,
2008).
Moming und Zinal. Im Vergleich zu 2006
Unter Annahme des Emissionsszenarios A1B
reduziert sich beim mittleren Szenario das
dürfte sich bis zur Mitte des Zeitraums 2021-50
Eisvolumen aller drei Gebiete auf 36 % (0.54
die vergletscherte Fläche im gesamten
km3) bis ins Jahr 2050 und auf 9% (0.15 km3) bis
Einzugsgebiet Gougra auf gut 15% reduzieren
2 ins Jahr 2075. Die drei verwendeten
(38.5 km ). Für den Zeithorizont 2085 berechnet
Klimaszenarien basieren auf den Resultaten der
das Modell der Uni Zürich eine Reduktion auf
2 Studie von Frei (2007) und wurden als
9.6% (24.2 km ).
kontinuierliche Zeitreihen bis 2100 aufbereitet.
Abb. 5: Veränderung der Gletscherfläche im Einzugsgebiet Gougra: links: Beobachtete Gletscherfläche des World Glacier
Inventory: Stand 1985; mitte: Prognostizierte Gletscherfläche für 2040; rechts: für 2080. Die blauen Flächen sind Gletscher und die
beigen Flächen sind unvergletschertes Gebiet.
7
Validierung des hydrologischen Modells mit einer Genauigkeit von +/- 5%. Hier gilt zu
berücksichtigen, dass bereits beim
Wie gut kann das hydrologische Modell PREVAH Niederschlagsinput ins Modell eine grosse
die aktuelle hydrologische Situation des Gougra- Unsicherheit herrscht. Bei der räumlichen
Gebiets abbilden? Interpolation der wenigen Niederschlags-
Für den Zeitraum 2004 bis 2008 können wir die messstationen gehen wir von einer Unsicherheit
Modellsimulation anhand von Abfluss- in der gleichen Grössenordnung aus. Ebenso
Messungen der KW Gougra AG für das besteht bei der Abflussmessung der KW Gougra
Teileinzugsgebiet Turtmann (Abb. 6) und Zinal AG eine Unsicherheit in derselben
(Abb. A1 im Anhang) überprüfen. Ausserdem Grössenordnung.
gibt ein Vergleich mit einem Schneeprodukt des Ein Vergleich mit einem kürzlich entwickelten
SLF (Abb. 7) Hinweise über die Güte der Schneeprodukte des SLF, das sämtliche
Schneesimulation. verfügbaren Schneeinformationen seit 1979
Im grossen und ganzen weist das Modell eine optimal räumlich und zeitlich interpoliert,
gute bis sehr gute Übereinstimmung mit den deutet auf eine sehr befriedigende Simulation
Abflussmessungen auf (Abb. 6). Die saisonalen der Schneedecke im Gougra-Gebiet hin. Wir
Schwankungen werden realistisch können das mit einem Vergleich zwischen dem
widergegeben. Für das Einzugsgebiet Turtmann SLF-Produkt und unserer Simulation für die
simuliert das Modell die jährliche Abflussmenge Region Wallis (Teilgebiete oberhalb 1500 m
ü.M.) veranschaulichen (Abb 7).
Abb. 6: Simulierter (rot) und gemessener (schwarz) täglicher natürlicher Abfluss des Teileinzugsgebiets Turtmann.
Abb. 7: Simulierter (schwarz) und beobachteter (farbig) mittlerer Schneewasserwert des Wallis (oberhalb 1‘500 m ü.M.) für den
Zeitraum 1976-2009. (Grün: Interpolation aus 110 SLF-Messstationen, Rot: 133 SLF-Messstationen. Blau 203 SLF-Messstationen.
8
Erwartete Veränderung der Schneedecke meisten Jahren den ganzen Sommer hindurch
teilweise schneebedeckt. Für die Zukunft nimmt
Die erwartete Erwärmung des Klimas wird im die Wahrscheinlichkeit für ein komplettes
Einzugsgebiet Gougra zu einer bedeutenden Abschmelzen der Schneedecke im ganzen
Veränderung der Schneedecke führen. Das Einzugsgebiet markant zu. In einem
jährliche Schneewasserspeicher-Maximum wird durchschnittlichen Jahr wird für den Zeitraum
sich zwar zeitlich nur geringfügig nach vorne 2070-99 (je nach Klimamodellkette) eine
verschieben (~1-2 Wochen für den Zeitraum komplette Ausaperung von Mitte Juli bis Ende
2070-2099). Oktober vorausgesagt. Nach besonders
Mengenmässig wird aber eine durchschnittliche schneearmen Wintern muss bereits im Zeitraum
Reduktion des jährlichen Schneewasser- 2021-50 mit einem komplett schneefreien
maximums (je nach Klimamodellkette) von 20- Einzugsgebiet von Juli bis anfangs Dezember
50% für den Zeitraum 2021-50, resp. von 50- gerechnet werden.
70% für den Zeitraum 2070-99 erwartet. Für den Zeitraum 2021-50 verringert sich der
Die Streuung des jährlichen maximalen Beitrag der Schneeschmelze durchschnittlich um
Schneewasserwerts zwischen schneearmen und gut 50 mm (±40 mm) pro Jahr gegenüber der
schneereichen Wintern bleibt für den Zeitraum Referenzperiode (Abb. Anhang A2); und um
2021-50 ähnlich gross wie bisher, nimmt dann rund 180 mm (±50 mm) pro Jahr für den
aber für den Zeitraum 2070-99 markant ab. Das Zeitraum 2070-99 (Abb. Anhang A3).
heisst, dass dann auch in seltenen extrem Winter ganz ohne Schnee im Einzugsgebiet
schneereichen Wintern keine grössere Gougra wird es – gemäss den vorliegenden
Schneewassermenge als 600 mm zu erwarten Simulationen – auch für den Zeitraum 2070-99
sein wird. keine geben.
Zur Zeit ist das Einzugsgebiet Gougra in den
Abb. 8: Berechnete Veränderung in der Klimatologie des Schneewasserwerts (mm) für den Zeitraum 2021-50 (links) und den
Zeitraum 2070-99 (rechts), dargestellt für den Median, das 97.5%-Quantil und das 2.5%-Quantil (oben) und den Mittelwert (unten)
des gesamten Gougra-Einzugsgebiets. Die schwarze Linie entspricht
9 der Referenz-Simulation für den Zeitraum 1980-2009.Erwartete Veränderung der Verdunstung Auch bezüglich der im Boden gespeicherten
und Bodenfeuchte Wassermenge gibt es eine grosse Unsicherheit.
Doch angesichts der wenig entwickelten Böden
Eine Änderung des Klimas wird auch in diesem alpinen Einzugsgebiet kann von einer
Auswirkungen auf die Verdunstung und die allgemein geringen Bodenwasserspeicherung
Wasserspeicherung im Boden haben. ausgegangen werden.
Grundlage für die Berechnung der temporären
Jährlich verdunsten im Gougra-Einzugsgebiet ca. Bodenwasserspeicherung im Gougra-Gebiet ist
25% des gesamten Jahresniederschlags. Diese eine angenommene Beziehung zwischen
Berechnung des Modells PREVAH ist zwar mit Landnutzung und Bodenkennwerten.
grosser Unsicherheit behaftet, weil man immer Gemäss unseren Ergebnissen dürfte sich die
noch relativ wenig weiss über die Verdunstung Bodenwasserspeicherung in Zukunft nur
in alpinen Einzugsgebieten. Die Grössenordnung unwesentlich verändern. Bei ein paar
stimmt aber recht gut mit Angaben des Klimamodellketten nimmt sie zu, bei anderen
hydrologischen Atlas der Schweiz (Tafel 4.1). eher ab. Eine Zunahme im Bodenwasserspeicher
Im Vergleich zur Unsicherheit im Modell und könnte durch den Gletscherrückgang und der
zum Anteil an der jährlichen Wasserbilanz sind damit verbundenen Freilegung des
die erwarteten Veränderungen in der Gletschervorfelds erfolgen. Diese wird aber
Verdunstung gering. Für den Zeitraum 2021-50 durch eine leicht erhöhte Austrocknung im
berechnet das Modell eine Zunahme der Sommer kompensiert.
jährlichen Verdunstung um ca. 8 mm oder 3%; Die vorerst fels-dominierten Flächen entwickeln
für den Zeitraum 2070-99 um ca. 12 mm oder sich nur über sehr lange Zeit zu feinkörnigen,
4%. speicherfähigen Böden.
Abb. 9: Berechnete Veränderung in der Klimatologie der durchschnittlichen Verdunstung (mm/Tag; oben) und Bodenwasser-
speicherung (mm; unten) für den Zeitraum 2021-50 (links) und den Zeitraum 2070-99 (rechts) gemittelt über das gesamte Gougra-
Einzugsgebiets. Die schwarze Linie entspricht der Referenz-Simulation für den Zeitraum 1980-2009.
10Auswirkungen auf den natürlichen abnehmen. Die hohe Spannweite zeigt die
Wasser-Abfluss des gesamten Gougra- Unsicherheit, welche durch die Fortpflanzung
Gebietes der 10 Klimaszenarien im hydrologischen System
entsteht.
In extrem wasserreichen Jahren werden die
Als Gesamtergebnis der sich verändernden
hohen Abflüsse im Sommer für den Zeitraum
Teilkomponenten der Wasserbilanz (Gletscher,
2021-50 wahrscheinlich ähnlich hoch bleiben
Schnee, Bodenwasserspeicher und
wie bisher. Für den Zeitraum 2070-99 sind die
Verdunstung) resultieren die in Abbildung 10
verschiedenen Modellketten diesbezüglich
dargestellten Jahresabflussganglinien für das
widersprüchlich.
gesamte Gougra-Einzugsgebiet.
Eine grosse Unsicherheit besteht auch bei den
Für den Zeitraum 2021-50 werden sich in einem
Abflussberechnungen für die Herbst- und
durchschnittlichen Jahr die höchsten Abflüsse
Wintermonate. Hier weichen die verschiedenen
um ca. 20% reduzieren. Das Abflussmaximum
Modellketten stark von einander ab. Eindeutig
wird auch ca. 1.5 Monate früher eintreffen als
ist aber der Trend zu bedeutend höheren
bisher; d.h. anfangs Juni anstatt Mitte Juli. Diese
Abflüssen in diesen Jahreszeiten, wo künftig die
zeitliche und mengenmässige Veränderung der
Akkumulation der Schneedecke später beginnen
durchschnittlichen höchsten Abflüsse wird sich
und vermehrt Niederschlag in flüssigen Form
für den Zeitraum 2070-99 noch weiter
vorkommen dürfte
verstärken.
In Jahren mit besonderer Wasserknappheit
Die gesamte jährliche Abflussmenge wird für
dürften sich die niedrigsten Abflüsse gegenüber
beide Zeiträume (2021-50, resp. 2070-99) in
der heutigen Situation nur geringfügig
einem Normaljahr (je nach Klimamodellkette)
verändern. Der Jahresverlauf des 2.5%-Quantils
gegenüber der Referenzperiode um 8% (±4%)
bleibt ziemlich ähnlich wie bei der
Referenzperiode.
Abb. 10: Berechnete Veränderung in der Klimatologie des natürlichen Abflusses (mm/Tag) für den Zeitraum 2021-50 (links) und
den Zeitraum 2070-99 (rechts), dargestellt für den Median, das 97.5%-Quantil und das 2.5%-Quantil (oben) und den Mittelwert
(unten) des gesamten Gougra-Einzugsgebiets. Die schwarze Linie11 entspricht der Referenz-Simulation für den Zeitraum 1980-2009.Auswirkungen auf den natürlichen Gletscherflächen in der ersten Hälfte des
Abfluss in Teileinzugsgebieten der Jahrhunderts stark. Hier ist nach einem kurzen
Gougra zwischenzeitlichen Anstieg eine generelle
Abnahme des natürlichen Abflusses zu
Wenn auch die natürliche Jahresabflussmenge beobachten (-5% bis -38% im Vergleich zur
über das gesamte Einzugsgebiet der Gougra Referenzperiode für den Zeitraum 2021-2050).
hinweg nur wenig ändert (siehe vorheriges Die verschiedenen Modellketten sind
Kapitel), so sind die Unterschiede innerhalb des diesbezüglich übereinstimmend.
Gebiets doch sehr gross. Schliesslich gibt es stark vergletscherte
In Teileinzugsgebiete, welche heute bereits Teileinzugsgebiete, wie z.B Turtmannstausee
unvergletschert sind, wie Lona, Barneusa, oder Glacier de Moming (Unterteilung
Torrent du Moulin, Torrent du Moulin 2, Fang, Navisence à Mottec). Für den Turtmannstausee
Navisence à Vissoie, Frilitälli, Bluomatttälli (Abb. ist mit einem bis zu 17% kleineren Jahresabfluss
1, s. 4), verändert sich der Jahresabfluss nur zu rechnen (Periode 2070-2099). Höher
unwesentlich. Die prognostizierten Änderungen gelegene Gebiete wie Glacier de Moming sind
sind hier kleiner als die Unsicherheit zwischen heute z.T. noch wenig schmelzaktiv. Durch die
den Modellketten (Abb. 11 und Tabelle A1 im erwartete Erwärmung nimmt dort die Schnee-
Anhang). Eindeutig ist aber die zeitliche und Eisschmelze im Verlauf des Jahrhunderts zu.
Vorverschiebung des Schneeschmelze-Peaks um Daraus resultiert ein stark erhöhter natürlicher
2-4 Wochen bis gegen Ende des Jahrhunderts. Abfluss. Für den Glacier de Moming zum Beispiel
Ebenfalls bei allen Modellketten überein- wird eine Zunahme des Jahresabflusses von 16%
stimmend ist der stark erhöhte Abfluss im für den Zeitraum 2021-50, resp. 35% für den
Herbst und Winter. Zeitraum 2070-99 vorausgesagt.
In leicht bis mässig vergletscherte Die berechneten Veränderungen des Jahres-
Teileinzugsgebiete wie Moiry, Brändjitälli, oder abflusses sind für einige der Teileinzugsgebiete
Glacier de Weisshorn (Unterteilung von in der Tabelle A1 im Anhang zusammengefasst.
Navisence à Mottec) reduzieren sich die
Teileinzugsgebiet Navizence Teileinzugsgebiet Moiry Teileinzugsgebiet Glacier de Moming
à Vissoie (unvergletschert) (Eisschmelzeanteil nimmt zu)
Abb. 11: Berechnete Veränderung in der Klimatologie des natürlichen Abflusses (mm/Tag) für den Zeitraum 2021-50 (oben) und
den Zeitraum 2070-99 (unten), dargestellt für den Mittelwert der Teileinzugsgebiete Navizence à Vissoie (links), Moiry (mitte) und
Glacier de Moming (rechts). Die schwarze Linie entspricht der Referenz-Simulation für den Zeitraum 1980-2009.
12Diskussion
Natürliche Variabilität versus Standartabweichung ca. 50 mm. Das heisst, die
prognostizierte Veränderung Klimamodellketten-bedingte Unsicherheit ist 4 mal
kleiner als die natürliche Variabilität.
Eine weitere Unsicherheit liegt im Modell zur
Das Abflussgeschehen im Einzugsgebiet der Gougra
Berechnung der zukünftigen Gletscherentwicklung.
unterliegt einer beträchtlichen natürlichen
Das hier verwendete Schrumpfmodell der Uni Zürich
Variabilität. Mit unserer Betrachtung von 30-jährigen
ist grundsätzlich für eine grosse Skala (z.B. ganze
Zeiträumen können wir dieser natürlichen
Schweiz) und längere Zeithorizonte geeignet. Für den
hydrologischen Bandbreite grösstenteils Rechnung
Zeitraum 2021-50 dürfte mit diesem Modell der
tragen, indem wir z.B. die Standardabweichung der
Gletscherrückgang etwas zu rasch simuliert werden.
Schlüsselgrössen (jährliche Schnee- und Eisschmelze,
Wir haben überprüft, wie stark sich eine leichte
jährliche Verdunstungs- und Abflussmenge)
Änderung der Gletscherfläche auf den simulierten
betrachten. Für den Jahresabfluss zum Beispiel
Abfluss auswirkt. Dabei erwies sich der simulierte
beträgt die Standardabweichung 200 mm.
Gesamtabfluss nicht sehr sensitiv auf kleine
Eine Grundannahme unserer Studie ist, dass die
Änderungen der Gletscherfläche.
Variabilität in den täglichen meteorologischen
Und schliesslich entsteht auch durch das
Inputgrössen für alle drei Zeiträume (Referenz, nahe
hydrologische Modell selbst eine gewisse
Zukunft, ferne Zukunft) gleich bleibt. Unsere
Unsicherheit. Die Verifikation mit Abflussdaten in
Modellierung ergibt, dass sich auch die resultierende
den Teileinzugsgebieten (1980-2009) attestiert dem
Variabilität im Jahresabfluss für die nahe und ferne
Modell im grossen und ganzen eine gute Leistung.
Zukunft kaum verändern wird. Sie nimmt marginal
Der Vergleich mit dem SLF-Schneeprodukt, das eine
zu.
Art „Integral“ der beobachteten Schneewasserwerte
Die prognostizierten Änderungen des natürlichen
oberhalb von 1‘500 m ü.M. für die Region Wallis
Jahresabfluss im gesamten Gebiet ist (bis zum Ende
darstellt, fällt ebenfalls positiv aus.
des Jahrhunderts) weniger als halb so gross wie die
natürliche Variabilität, die wir heute schon erleben. Ein Vergleich der Jahresabflüsse mit den Ergebnissen
Das heisst, dass die durchschnittlichen Verhältnisse der VAW für das Zinalgebiet (Huss et al. 2008) zeigte,
Ende des Jahrhunderts bereits heute in extremen dass die Resultate konsistent sind. Es gilt zu
Jahren beobachtet werden können. berücksichtigen, dass die beiden Studien
unterschiedliche Klimaszenarien und Kontroll-
perioden und z.T. unterschiedliche Teilgebiet
Wie plausibel, resp. unsicher sind die betrachten und darum zu (quantitativ) leicht
Abfluss-Prognosen? unterschiedlichen Ergebnissen kommen.
Die Aussagen des hydrologischen Modells im Bezug
Die berechneten Veränderungen im natürlichen auf die jahreszeitlichen Veränderungen, vor allem im
Abfluss des Gougras-Einzugsgebiets sind mit Frühling / Sommer und längerfristig auch im Sommer
verschiedenen Unsicherheiten entlang der ganzen / Herbst können als robust angesehen werden.
Modellkette verbunden:
Eine erste beträchtliche Unsicherheit liegt in der
Wahl des Emissionsszenarios. Diese Unsicherheit ist
nicht quantifizierbar.
Eine zweite Unsicherheit entsteht durch die globale
und regionale Klimamodellierung. Diese können wir
abschätzen, indem wir für unsere Zielgrössen die
Standardabweichung der 10 verschiedenen
Modellketten berechnen. Für den mittleren
Jahresabfluss im Gougra-Einzugsgebiet ist die
13erwarten sind. Diese könnten zu häufigerem
Auswirkungen auf den Betrieb Abwärtsleiten bei den Wasserfassungen führen.
• Das Maximum der Spitzenabflüsse soll ab 2021-2050
früher in der Saison eintreffen und dann abnehmen,
Die Resultate des Modelles PREVAH, für die was eine Anpassung der Betriebsweisungen
Teileinzugsgebiete Navizence, Moiry und Moming, deuten verursachen wird, damit mögliches Einleiten
auf folgende betriebliche Auswirkungen für das Kraftwerk vermieden werden kann.
Gougra: • Im Allgemeinen sind im Herbst und Winter höhere
• Die Entwicklung des jährlichen Wasservolumens zeigt Zuflüsse zu erwarten im Hinblick auf den Anstieg der
in einer ersten Phase eine Zunahme der Wasserzufuhr Schneefallgrenze und die Zunahme der
in dem Staubecken Moiry. Diese Zunahme wird aber Niederschlagsmengen in diesen Perioden. Jedoch soll
von kurzer Dauer und wenig spürbar sein. Mit dieser dies zu keiner Investition zur Steigerung der
Perspektive zeigt sich, dass das Volumen des Stausees Installationskapazitäten führen, da die globalen
und die aktuelle Turbinenkapazität nicht Mengen der Zuflüsse und der Spitzenabflüsse in
unterdimensioniert sind. Zukunft abnehmen werden und damit die
Ertragsfähigkeit des Wasserkraftwerkes.
• Die modellierte Zunahme der Abflüsse aus dem
Teileinzugsgebiet Moming lässt vermuten, dass das • Eine erneute Überprüfung der Restwassermengen
gleiche für die Einzugsgebiete Weisshorn und Zinal abwärts der Wasserfassungen soll in Zusammenhang
gilt. Diese Feststellung würde zugunsten des Projekts mit dem neuen Bundesgesetz über den Schutz der
"Adduktion Zinal" sprechen, welches zum Ziel hat das Gewässer (GSchG 1991) und der Abnahme der
Wasser dieser Teileinzugsgebieten mit neuen Gewässerabflüsse (Q347) verglichen mit dem bis
Fassungen direkt in den Stausee Moiry zu leiten, und heute beobachtetem vergangenem Durchschnitt
auf der Stufe Moiry-Mottec zu nutzen. unternommen werden.
• Die Prognose der täglichen Entwicklung der
hydrologischen Zuflüsse könnte bedeuten, dass zu
gewissen Perioden (über das Jahr), erhöhte Spitzen zu
14Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
- Für den Gesamtabfluss im Gougra-
Basierend auf den aktuellsten Klimavorhersagen der Einzugsgebiet bedeutet dies eine markante
ETH Zürich und den jüngsten Gletscherszenarien der zeitliche Veränderung der Jahres-Ganglinie mit
Universität Zürich wurden für das Einzugsgebiet der einem um 5 bis 8 Wochen früheren Abfluss-
KW Gougra AG die hydrologischen Veränderungen Maximum (ungefähr in der gleichen
für die Zeiträume 2021-50 (nahe Zukunft) und 2070- Grössenordnung wie heute) und einer
99 (ferne Zukunft) berechnet. Dabei wurde mit verlängerten abflussarmen Periode.
PREVAH ein Modell verwendet, das seit fast 10 - Für den Zeitraum bis zum Ende des
Jahren in vergletscherten und Schnee-beeinflussten Jahrhunderts sagt das Modell eine leichte
Gebieten getestet worden ist und sich bewährt hat. Abnahme des Jahresabflusses voraus (8%±4%).
Der Vergleich mit Abflussdaten der KW Gougra AG, Dieses Änderungssignal ist kleiner als die
mit Schneeprodukten des SLF attestiert dem Modell natürliche Variabilität zwischen den Jahren, die
eine gute bis sehr gute Performance. wir bereits heute beobachten.
Auch wenn die in diesem Gebiet prognostizierte Abschliessend wurden die Auswirkungen auf den
Änderung des Niederschlags und der Gletscher noch Betrieb qualitativ vom Kraftwerkbetreiber grob
mit grossen Unsicherheiten verbunden ist, können beurteilt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Klima-
trotzdem klare Aussagen gemacht werden, wie sich bedingte Änderung keine strukturelle Anpassung
die Hydrologie verändern wird: der Installationen hervorrufen wird. Global
- Die Mächtigkeit der Schneedecke wird sich in betrachtet ist ab 2021-2050 wegen der
dieser Zeit sehr stark (bis Ende des abnehmenden Zuflüsse mit einer Abnahme der
Jahrhunderts um über die Hälfte) verringern. Ertragsfähigkeit der Kraftwerke zu rechnen. Die in
Die Schneeschmelze wird um mehrere Wochen Zukunft zunehmenden Abflüsse, aus stark
vorverschoben und fällt kürzer aus als bisher. vergletscherten hoch gelegenen Teileinzugsgebieten
- Die Gletscher-Schmelze wird (besonders in wie Glacier de Moming, würden für eine direkte
erhöhten Lagen) intensiver, aber die Fassung des Wassers und die Zuleitung in den
schmelzende Gletscherfläche wird gleichzeitig Stausee Moiry sprechen, wo es zusätzlich auf der
kleiner. Daraus resultiert für das gesamte Stufe Moiry-Mottec verwertet werden kann.
Einzugsgebiet eine leichte Abnahme des
Gletscher-Schmelzabflusses.
- Bezüglich Verdunstung und
Bodenwasserspeicherung werden nur
unwesentliche Änderungen erwartet.
15Literatur
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ungauged mesoscale catchments of Switzerland – Part II: Parameter regionalisation and flood estimation
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alpins tenant compte des aspects écologiques et économiques. Interreg IIIB - Projet Alpreserv. Conférence sur
la problématique de la sédimentation dans les réservoirs. Communication 22. LCH Lausanne, Editeur Prof. Dr.
A. Schleiss
16Anhang
Abb. A1: Simulierter (rot) und gemessener (schwarz) täglicher natürlicher Abfluss des Teileinzugsgebiets Zinal.
17Abb. A2: Veränderung des durchschnittlichen jährlichen Niederschlages (P-kor), Verdunstung (EREA), Gesamtabfluss (RGES),
Gletscherschmelze (GLAC) und Schneeschmelze (P-SME) für den Zeithorizont 2021-50 (farbige Linien) im Vergleich zur
Referenzperiode 1980-2009 (schwarze Linie). Die farbigen Linien entsprechen 10 Simulationen mit demselben hydrologischen
Modell (PREVAH), aber 10 verschiedenen Klimamodellketten.
Abb. A3: Veränderung des durchschnittlichen jährlichen Niederschlags (P-kor), Verdunstung (EREA), Gesamtabfluss (RGES),
Gletscherschmelze (GLAC) und Schneeschmelze (P-SME) für den Zeithorizont 2070-99 (farbige Linien) im Vergleich zur
Referenzperiode 1980-2009 (schwarze Linie). Die farbigen Linien entsprechen 10 Simulationen mit demselben hydrologischen
Modell (PREVAH), aber 10 verschiedenen Klimamodellketten.
18Tabelle A1: Veränderung des natürlichen Jahresabflusses in ausgewählten Teileinzugsgebieten der Gougra gegenüber
Referenzperiode 1980-2009.
Teileinzugsgebiet Moiry Glacier Weisshorn Glacier Moming Lona Turtmann Navisence à Vissoie
Fläche (km2) 28.68 5.84 4.24 5.96 28 57.68
Änderung 2021-50 (mm) -61 -653 286 -18 -221 15
Änderung 2021-50 (%) -5.5% -38.8% 16.2% -2.1% -13.8% 2.2%
Unsicherheit (=Std.abw.) 4.9% 3.4% 10.6% 2.4% 8.5% 3.0%
Änderung 2070-99 (mm) -127 -696 632 -60 -280 -16
Änderung 2070-99 (%) -11.5% -41.3% 35.8% -6.9% -17.4% -2.4%
Unsicherheit (=Std.abw.) 4.2% 3.2% 15.2% 4.7% 6.2% 5.3%
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