Projekt A 2.1.3

Langzeitverhalten der Hochwasserabflüsse

in Baden-Württemberg und Bayern

Kurzfassung der Projektergebnisse

(Stand: 1998)

In jüngster Vergangenheit traten in verschiedenen Flussgebieten Süddeutschlands außergewöhnliche Hochwasserereignisse auf, die erhebliche Schäden hervorgerufen haben. Diese Vorkommnisse haben insbesondere in der Öffentlichkeit Diskussionen ausgelöst, ob diese Hochwasser als Naturereignisse im Bereich der natürlichen Schwankungen des Klimageschehens liegen oder ob sie als erste Auswirkungen einer bereits im Gang befindlichen Veränderung des Klimas zu betrachten sind. In diesen Diskussionen fehlen bisher jedoch weitgehend die Ergebnisse der statistischen Auswertungen der vorliegenden vieljährigen Beobachtungsdaten, also der objektiven hydrologischen Zahlen und Fakten.

Um dieses Defizit zu beseitigen, wurde im Rahmen des Kooperationsvorhabens KLIWA ("Klimaveränderung und Konsequenzen für die Wasserwirtschaft") für den Bereich der Bundesländer Baden-Württemberg und Bayern das Langzeitverhalten der an Pegeln beobachteten jährlichen Höchstabflüsse untersucht und bewertet. Dabei kamen statistische Verfahren, auf die sich die Kooperationspartner (Baden-Württemberg, Bayern, Deutscher Wetterdienst) geeinigt haben, zur Anwendung. Ergänzende Analysen sind vorgesehen. Dabei soll eine jahreszeitliche Betrachtung in Zusammenschau mit dem Niederschlagsgeschehen erfolgen. Zusätzlich ist vorgesehen, neue Methoden, mit denen die in den vorliegenden Zeitreihen vermuteten Langzeitkorrelationen ermittelt und bewertet werden können, einzusetzen, sobald diese Methoden, deren Entwicklung von KLIWA initiiert wurde, anwendungsreif sind.

Die Untersuchung des Langzeitverhaltens mit den gängigen "klassischen" Verfahren erstreckte sich primär auf die Ermittlung eventuell vorhandener linearer Trends in den Zeitreihen der jährlichen Höchstabflüsse. Den Trenduntersuchungen lagen die jährlichen Höchstwerte des Abflusses an 107 Pegeln zugrunde - 39 Pegel aus Baden-Württemberg und 68 Pegel aus Bayern -, die über lange Beobachtungszeitreihen verfügen. Daneben wurden noch 51 Pegel mit kürzeren Zeitreihen, d.h. mit Beobachtungsbeginn nach 1932, in die Analyse einbezogen, so dass insgesamt die Zeitreihen von 158 Pegel untersucht wurden.

Weiterhin wurde zusätzlich bei 52 der Pegel mit langen Beobachtungsreihen untersucht, ob im Jahresgang der monatlichen Höchstwerte Änderungen aufgetreten sind.

Die Ergebnisse zum Langzeitverhalten basieren auf folgenden Datenkollektiven:

• "lange Zeitreihen": 107 Pegel mit unterschiedlichem Beobachtungsbeginn vor 1933 und einheitlichem Beobachtungsende im Jahr 1998. Die Anzahl der Beobachtungsjahre variiert zwischen 67 und 148 Jahren.
• "Zeitreihen ab 1932": 107 Pegel mit einer einheitlichen Jahresreihe 1932 /1998, also einer Beobachtungszeitspanne von 67 Jahren.
• "gesamte Zeitreihen": 158 Pegel mit unterschiedlichem Beobachtungsbeginn und einheitlichem Datenende im Jahr 1998. Die Beobachtungsdauer variiert zwischen 24 und 148 Jahren.

Die Trenduntersuchungen beinhalten eine lineare Trendschätzung nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate sowie die Beurteilung der Trendstabilität mit der Methode des rückschreitenden Trends. Die Signifikanz der Trends wurde bewertet mit dem Test nach MANN-KENDALL. Weiterhin ist Bestandteil der Untersuchung die "Bruchpunktanalyse nach MANN-WHITNEY"; sie dient der Analyse des wahrscheinlichen Zeitpunkts einer möglichen Änderung im Abflussverhalten (Abb. 1).

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Abb. 1: Ergebnisdarstellung der Analyse des Langzeitverhaltens der jährlichen Höchstwerte HQ(J)

Die Analyse des Langzeitverhaltens der Höchstabflüsse erbrachte zusammenfassend folgende Ergebnisse:

• Das Trendverhalten der Zeitreihen der jährlichen Scheitelabflüsse hängt von der Länge der einzelnen Zeitreihe bzw. vom betrachteten Zeitfenster ab. Für statistisch zuverlässige Aussagen über das Trendverhalten sind daher möglichst lange Zeitreihen erforderlich, die mindestens 60 bis 70 Beobachtungsjahre umfassen sollten. Liegt die Länge von Zeitreihen darunter, steigt die Variabilität und die Streubreite des Trends deutlich an. Dabei treten sowohl deutlich negative (abnehmende) als auch große positive (zunehmende) Trendsteigungen auf, die aufgrund der verhältnismäßig kurzen Zeitspannen jedoch als eher zufällig zu bewerten und daher nur sehr eingeschränkt aussagekräftig sind.

• Die Auswertung des rückschreitenden Trends (bezogen auf das Ende der Beobachtungszeitreihen d.h. das Jahr 1998) zeigt bei den meisten Pegeln ebenfalls eine deutliche Abhängigkeit der Trendaussage vom jeweils gewählten Beobachtungsbeginn. Die Zuverlässigkeit der Trendaussage hängt somit ganz entscheidend von der betrachteten Zeitreihenlänge ab.

• Die Analyse der Signifikanz des Trendverhaltens ergab, dass die untersuchten Datenkollektive für die meisten Pegel keinen signifikanten Trend aufweisen. Wahrscheinliche und sehr wahrscheinliche Trends (mit einer Signifikanz nach MANN-KENDALL von α ≥ 90%) treten bei den drei untersuchten Kollektiven mit ähnlichen Häufigkeiten (im Mittel ca. 16%) auf. Sehr wahrscheinliche Trends (mit α > 99%) ergaben sich bei den "langen Zeitreihen" lediglich an 6 Pegeln. Bei den beiden anderen Kollektiven waren es jeweils 3 Pegel.

• Die Größe der signifikanten Trends wurde jeweils auf den mittleren jährlichen Hochwasserabfluss MHQ bezogen. Sie liegt beim Datenkollektiv "lange Zeitreihen" bei ca. 70% der Pegel (mit einer Trendsignifikanz von α ≥ 80%) in einem Bereich zwischen 0% und +0,75% pro Jahr. Hieraus ergibt sich eine gewisse Tendenz zu einer Zunahme der Höchstabflüsse.

• Die beiden anderen Datenkollektive zeigen jeweils einen größeren Bereich der Trendsteigungen. Bei der Betrachtung "aller Zeitreihen" ist am häufigsten (mit ca. 65% der Pegel) der Bereich zwischen -0,25% und +0,75% pro Jahr belegt (Trendsignifikanz von α ≥ 80%). Größere signifikante Trends mit positiven und negativen Steigungen treten vor allem bei Pegeln auf, deren Zeitreihe vergleichsweise kurz ist. Solchen kurzen Zeitreihen kommt jedoch wegen der Abhängigkeit des Trends von der Beobachtungsdauer nur eine bedingte Aussagekraft zu.

• Die Analyse des wahrscheinlichen Zeitpunkts einer möglichen Änderung im Abflussverhalten durch die "Bruchpunktanalyse" ergab, dass dieser Zeitpunkt am häufigsten in dem Zeitabschnitt zwischen 1975 und 1980 liegen könnte.

• Der mittlere Jahresgang der monatlichen Höchstwerte scheint Änderungen im Verhalten der Zeitreihen zu bestätigen. Die mittleren Hochwasserabflüsse sind in der Zeit nach 1974 (gewählt als ein Trennjahr für die Teilung der Zeitreihen) höher als in den früheren Jahren. Diese Aussage beruht jedoch auf einer deutlich kleineren Anzahl von 52 Pegeln, die exemplarisch ausgewählt wurden (Bsp. siehe Abb. 2).

• Der mittlere Jahresgang der monatlichen Höchstwerte des Abflusses zeigt, dass die Erhöhung der mittleren Hochwasserabflüsse oftmals nicht gleichmäßig über das Jahr vorhanden ist. Insbesondere die Winter-Monate weisen nach 1974 auf einen Anstieg hin, während die übrigen Monate nahezu unverändert sind. Die Ergebnisse aus der Untersuchung der monatlichen Höchstabflüsse zeigen, dass bei der Beurteilung des Langzeitverhaltens auch die Veränderungen des interannuellen Verhaltens von Bedeutung ist.

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Abb. 2: Ergebnisdarstellung "Jahresgang monatlicher Höchstabflüsse HQ(m)" Pegel Stein/Kocher, Trennungsjahr 1974

Die Ergebnisse der Untersuchungen sind für die Bundesländer Baden-Württemberg und Bayern in Karten farbig dargestellt und erlauben damit eine räumliche Beurteilung des Langzeitverhaltens. Sämtliche Ergebnisse (Trendsteigungen und -signifikanzen sowie Bruchpunkte) zeigen sehr gleichmäßige räumliche Verteilungen. Schwerpunkte, an denen sich bestimmte Ergebnisse konzentrieren, sind nicht ausgeprägt vorhanden. Ausnahme hiervon sind einige Pegel mit signifikanten Zunahmen der jährlichen Höchstabflüsse, die sich hauptsächlich am Ostrand des Schwarzwalds befinden.

Aufgrund der Ergebnisse lässt sich ableiten, dass eine signifikante, insbesondere flächendeckende Veränderung der jährlichen Höchstabflüsse von langen Zeitreihen derzeit mit den angewandten Analysenmethoden nicht nachweisbar ist. Bei einer eingeengten Betrachtung auf die letzten 30 bis 40 Jahre wurde jedoch eine Tendenz zu einem häufigeren Auftreten von Hochwasserereignissen und einer Zunahme der Hochwasserabflüsse in verschiedenen Gebieten festgestellt. Diese Tendenz, die sich für einen solchen Zeitraum statistisch als ein Trend darstellt, wird von der Öffentlichkeit zunehmend als Gefahrenzunahme durch Hochwasser wahrgenommen. Den Ursachen für diese jüngste Entwicklung wird in weiterführenden Untersuchungen unter Einbeziehung der Entwicklung des Niederschlagverhaltens nachzugehen sein. Die weitere Entwicklung des Niederschlags- und Abflussgeschehens wird im Rahmen über des "Integrierten Messnetzes KLIWA" aufmerksam verfolgt und analysiert.

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