Klimaänderung und Wasserkraft
Fallstudie Kraftwerke Gougra AG
Foto: Christoph Hurni / flickr.com
Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft
Sion und Birmensdorf, August 2011
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In Kürze …
Wie wird sich die Klimaänderung auf die Wasserverfügbarkeit und die Zuflüsse zu den Stauseen auswirken, und was bedeutet das konkret für den Betrieb und die Produktion der Wasserkraft- Gesellschaften?
Diese Frage wurde am Beispiel der Kraftwerke Gougra (VS) basierend auf den aktuellsten Klima- und Gletscherszenarien und mit Hilfe des hydrologischen Modells PREVAH untersucht.
Die Ergebnisse zeigen, dass der jährliche Abfluss im gesamten Einzugsgebiet für den Zeitraum 2021-2050 um 8% (±4%) ab-nehmen wird und dann bis zum Zeitraum 2070-2099 ziemlich unverändert bleibt.
Dabei wird es in den einzelnen Teileinzugsgebieten – je nach Höhenlage und Vergletscherung – zu sehr grossen Unterschieden kommen. In den hochgelegenen stark vergletscherten Teil- einzugsgebieten, nimmt der jährliche Abfluss aufgrund verstärkter Gletscherschmelze stark zu, was bereits in einer Studie von Huss et al. (2008) gezeigt wurde. In tieferen Lagen und mässig vergletscherte Teil-einzugsgebiete wie z.B Moiry, gehen die Abflussmengen zurück, da der Eisschmelzanteil am Gesamtabfluss drastisch abnimmt. In heute unvergletscherten Teilgebieten, wie z.B. Lona, verändert sich der Jahresabfluss kaum.
Für die KW Gougra AG bedeutet das eine vorläufige Zunahme der Produktion in der Zentrale Mottec, ohne dass eine strukturelle Anpassung der Installationen notwendig ist. Durch die Abnahme der Zuflüsse wird es ab 2021-2050 zu einer Produktionsreduktion, und damit auch einer Ertragsreduktion aller Zentralen kommen. Die zeitliche Verlagerung um 5 bis 8 Wochen der Abfluss- Spitzen wird zu einer Veränderung der energetischen Optimierung und der Revisionsperioden führen.
En bref …
Quels effets aura le changement climatique sur les ressources en eau et les apports dans les barrages et que signifiera-t-il concrètement pour l'exploitation et la production des sociétés hydroélectriques?
Cette question a été examinée pour les Forces Motrices de la Gougra SA (VS) en se basant sur les scénarios climatiques et glaciaires actuels ainsi qu'avec le modèle hydrologique PREVAH.
Les résultats montrent une diminution du débit annuel moyen de 8% (±4%) pour la période 2021-50 puis une stagnation pour la période 2070-2099.
Cependant, de grandes différences sont observées entre les différents sous bassins versants de la Gougra, selon leurs altitudes et leurs taux de glaciation. Pour les zones de haute altitude fortement englacées, les débits annuels augmentent fortement dû à la fonte accrue des glaciers, ce qui a également été montré par une étude de Huss et al. (2008). Dans les sous bassins de plus basse altitude et moyennement englacés, comme p.ex. Moiry, après une augmentation transitoire de durée variable, les débits annuels diminuent rapidement dès 2021-50, dû à la réduction de la contribution de la fonte des glaciers au débit total. Par contre, dans les bassins versants non englacés, comme p.ex. Lona, les débits annuels futurs ne se modifient quasiment pas.
Pour les Forces Motrices de la Gougra, ces changements signifient une augmentation sensible mais provisoire de la production électrique à la centrale de Mottec, ne nécessitant toutefois pas d'adaptation structurelle des installations. Par la suite, la baisse globale des apports dès 2021-50 engendrera une baisse concomitante de la production cumulée de l'ensemble des centrales et, par conséquent, une diminution de la rentabilité de 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.
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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).
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Allgemeine Datengrundlagen
Für die Fallstudie „KW Gougra AG“ wurden folgende Daten verwendet:
a) Digitales Geländemodell RIMINI (Arealstatistik, Bundesamt für Statistik) mit einer räumlichen Auflösung von 100 m.
b) Landnutzung – aggregiert in ca. 12 hydrologische Klassen – mit einer räumlichen Auflösung von 100 m, basierend auf der Areal-Statistik des Bundamts für Statistik (GEOSTAT), 1992/97.
c) Meteorologische Messungen (Stundenwerte; Zeitraum:
1980-2009) der MeteoSchweiz-Stationen, welche für das Gougra-Einzugsgebiet relevant sind. Wichtige Stationen sind Zermatt, Evolène, Montana, Sion und Visp. Für die hydrologische Modellierung wurden folgende stündlichen meteorologischen Messgrössen verwendet:
Lufttemperatur, Relative Feuchte, Globalstrahlung, Niederschlag und Windgeschwindigkeit.
d) Als Grundlage für die Gletscherentwicklung dient das World Glacier Inventory: Stand 1973. Dieses wurde als initiale Gletscherfläche für die Simulation (1985) verwendet und dann kontinuierlich mit dem Schrumpfmodell von Paul et al. (2007) angepasst (siehe Seite 4). Die Rastergrösse des ursprünglichen Gletscherinventars ist 25 m. Für unsere Modellierung wird sie auf 200 m aggregiert.
e) Schneemessungen des Interkantonalen Mess- und Informationssystems IMIS, sowie Beobachter-Schneedaten des SLF Davos wurden für die Validierung der Schneesimulationen verwendet.
f) Abfluss-Messungen der KW Gougra AG für die Teileinzugsgebiete Zinal und Turtmann von 2004 – 2008 wurden verwendet, um das hydrologische Modell zu verifizieren.
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 Teileinzugsgebiete unterteilt.
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Modellierungsstrategie
Die Ergebnisse dieser Fallstudie basieren auf regionalen Klimamodelldaten des europäischen Projektes ENSEMBLES, welche alle vom Emissionsszenario A1B (moderate Erwärmung) ausgehen. Diese umfassen zehn verschiedene Modellketten von Globalen Zirkulationsmodellen (GCM) und Regionalen Klimamodellen (RCM) und widerspiegeln die Unsicherheits-Bandbreite der Klimamodelle.
Um die erwarteten lokalen Klimaänderungen für das Untersuchungsgebiet abzubilden, wurden für alle MeteoSchweiz-Messstellen Jahresgänge der Temperatur- und Niederschlagsänderung für die Zeiträume 2021-2050 (nahe Zukunft) und 2070-2099 (ferne Zukunft) relativ zur Kontrollperiode 1980-2009 berechnet. Diese statistische Down-scaling Methode heisst Delta-change-Ansatz (Bosshard et al., 2011).
Für die Abflussberechnung wurde die neue Gitterversion des hydrologischen Modells PREVAH (Viviroli et al., 2009a.) für das ganze Einzugsgebiet mit regionalisierten Parameter von Viviroli et al. (2009b und 2009c) aufgesetzt. Anhand von gemessenen Abflussdaten der KW Gougra AG wurden die Modellparameter optimiert. Danach wurden für die Kontrollperiode 1980-2009 in täglicher Auflösung folgende hydrologischen Grössen berechnet: Niederschlag, Verdunstung, Schneewasserwert, Eis- und Schneeschmelze, Bodenwasserspeicher und Abfluss. Dazu wurden die gemessenen meteorologischen Grössen der nahegelegenen Meteoschweiz-Stationen über das Einzugsgebiet hinweg interpoliert.
Für die beiden Zukunftsszenarien wurden die Modellparameter unverändert wie bei der Kontrollsimulation beibehalten. Die meteorologischen Messwerte der Kontrollperiode wurden stationsweise mit den prognostizierten täglichen Änderungen (Delta change) korrigiert. Somit entstanden zwei neue 30-jährige Zeitreihen mit ähnlicher Variabilität, wie sie in der Kontrollperiode beobachtet worden war, aber mit den erwarteten Zukunftstrends.
Bezüglich Vergletscherung wurden für die beiden Zukunftsszenarien der Ausgangszustand von 1985 mit einem Schrumpfmodell von Paul et al. (2007) in 5-Jahres- Schritten kontinuierlich reduziert. Das Modell basiert auf der einfachen Annahme, dass die Gleichgewichtslinie (GWL) entsprechend der Lufttemperaturerhöhung ansteigt. Dadurch wird das Akkumulationsgebiet des Gletschers kleiner. Es wird im Modell angenommen, dass die Reaktionszeit der Gletscher auf Temperaturänderungen durchschnittlich 50 Jahre beträgt.
Die resultierenden Gletscherszenarien für Mitte und Ende des 21. Jahrhunderts wurden mit Gletscherszenarien der VAW verifiziert, welche auf einem Ansatz von Huss, Farinotti und Bauder basieren.
Die Ergebnisse des hydrologischen Modells PREVAH – insbesondere der simulierte natürliche Abfluss aus den Teileinzugsgebieten (Tageswerte) – wurde der KW Gougra AG als Input in das Betriebsmodell zur Verfügung gestellt.
Abb. 2: Darstellung der Modellierungskette von den Klimamodellen (GCM) bis hin zum hydrologischen Modell (PREVAH) nach Bosshard und anderen (2010).
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Beschreibung des Einzugsgebiets
Die Anlagen der Gougra SA im Val d’Anniviers und Turtmanntal erschliesssen ein Einzugsgebiet von 252 km2. Höhenmässig liegt das gesamte Einzugsgebiet zwischen 1'140 und 4’505m.ü.M. (Weisshorn). Das Teileinzugsgebiet der Turtmänna umfasst eine Fläche von 36.6 km² mit einer Vergletscherung von 56 % (Zuber, 2005) und erreicht eine maximale Höhe von 4'151 m.ü.M (Bishorn). Gletscher wie Glacier de Moiry, Glacier de Zinal, Glacier de Weisshorn, Glacier de Moming, Turtmann- und Brunegggletscher prägen das alpine Landschaftsbild. Unterhalb der nivalen Höhenstufe sind flachgründige Böden mit einfacher Vegetation verbreitet, welche eine insgesamt geringe Wasserspeicherkapazität zur Folge haben.
Der geologische Untergrund ist vielfältig. Nördlich der Linie Stausee Moiry - Stausee Turtmann dominieren Glimmerschiefer sowie Quarzite der penninischen Decken.
Südlich davon sind es metamorphe Karbonatgesteine (Kalkphyllite/ Mergelschiefer), metabasische Gesteine und Granite.
Der mittlere Jahresniederschlag beträgt 1030 mm (Zeitraum 1980-2009). Für das gesamte Einzugsgebiet gerechnet, ergibt dies ein Volumen von ca. 260 Mio. m3 Wasser pro Jahr.
Für unsere hydrologischen Simulationen betrachten wir insgesamt 12 Teileinzugsgebiete mit zum Teil sehr unterschiedlicher Vergletscherung. Die grössten Teilein- zugsgebiete sind die Navisence à Mottec (87.9 km2), die Navisence à Vissoie (60.5 km2), Moiry (29.3 km2) und Turtmanngletscher (28.1 km2). Das Teileinzugsgebiet Navisence à Mottec wurde für Vergleichszwecke weiter unterteilt.
Foto 1: Einzugsgebiet der Gougra AG mit Stausee Moiry.
Beschreibung der Kraftwerkanlage
Die Anlagen der Gougra SA bestehen aus den beiden Stauseen Moiry und Turtmann sowie den Kraftwerken Navizence, Vissoie, Mottec und Lona. Der Stausee Moiry liegt auf 2250 m.ü.M und hat eine Kapazität von 77 Mio m3. Neben dem natürlichen Einzugsgebiet wird dem Stausee Moiry das Wasser aus dem Turtmannstausee (Zwischenspeicher) sowie zum Teil das Wasser aus der Navisence in Mottec zugeleitet. Das Turtmannstaubecken mit einem Fassungsvermögen von 780'000 m³ trägt über die Sommermonate zu 50% zur Füllung des Moiry Stausees bei (mitteres jährliches Volumen von 47 Mio m³).
Der Höhenunterschied zwischen dem Stausee Moiry und dem Rhonetal wird in drei Kraftwerksstufen genutzt.
Zunächst gelangt das Wasser ins Kraftwerk Mottec auf 1’560m.ü.M, welches mit 69MW die grösste Leistung erbringt. Das Wasser wird weitergeleitet ins Kraftwerk Vissoie (1120m.ü.M.; 45MW) und gelangt schliesslich ins Kraftwerk Navizence bei Chippis (50MW). Zusammen mit dem kleineren Kraftwerk Lona (1MW) resultiert eine Gesamtleistung von 165MW. Die Anlagen sind seit Ende der 1950er Jahre in Betrieb.
Abb. 3: Karte mit Reservoiren und Zuleitungen der KW Gougra AG.
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Ergebnisse
Klimaszenarien für die Region
An allen Temperatur- und Niederschlagsmess- stationen der MeteoSchweiz wurden Jahresgänge des Klimaänderungssignals für Temperatur und Niederschlag gemäss 10 GCM-RCM Modellketten für die Szenarioperioden 2021-2050 (nahe Zukunft) und 2070-2099 (ferne Zukunft) relativ zur Kontrollperiode 1980-2009 berechnet. Abb. 4 zeigt exemplarisch den Jahresgang der Änderungssignale von T und P für die Station Zermatt. Gemäss den verwendeten GCM-RCM Modellketten steigt die Temperatur am stärksten im Sommer und über dem Alpenbogen an. Für den Zeitraum 2021-50 liegt der Temperaturanstieg bei 2°C [1-3°C] und für den Zeitraum 2070-99 bei knapp 5°C [2-6.5°C]. Die Unsicherheit der Modellprojektionen ist ebenfalls im Sommer am grössten.
Die projizierten Veränderungen liegen deutlich ausserhalb der natürlichen Variabilität (siehe graue Fläche in Abb. 4). Das heisst, das Temperaturänderungssignal kann trotz der
grossen Unterschiede zwischen den Modellen nicht alleine durch die natürliche Variabilität erklärt werden und ist als robust zu betrachten.
Der Niederschlag weist gemäss den Modell- rechnungen kein deutliches Signal für den Zeitraum 2021-50 auf. Für den Zeitraum 2070-99 zeigt das Modellensemble übereinstimmend eine deutliche Niederschlagsabnahme im Sommer, welche grösser als die natürliche Variabilität ist. Im restlichen Jahr ist eine leichte Zunahme des Niederschlages zu sehen.
Diese Zunahme liegt jedoch bei den meisten Modellketten noch innerhalb der natürlichen Variabilität.
Für den gesamten Jahresniederschlag im Einzugsgebiet Gougra heisst das im Durchschnitt eine leichte Zunahme (+2%±2%) für den Zeitraum 2021-50, resp. keine Änderung gegenüber heute (0%±4%) für den Zeitraum 2070-99.
Ausführliche Angaben zu diesen Klimaszenarien sind verfügbar unter: www.c2sm.ethz.ch/services/CH2011
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.
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Erwartete Veränderung der Gletscher
Die Gletscher der Alpen reagieren stark auf Änderungen des Klimas. Nach einem zwischenzeitlichen Vorstoss der Gletscher in den 1980-er Jahren ist ein allgemeiner Rückgang und ein damit verbundener Massenverlust beobachtet worden. Im Einzugsgebiet der KW Gougra AG wurde 1985 eine Gletscherfläche von 47.3 km2 beobachtet, was einem Flächenanteil von 18.7% entspricht.
Das Eisvolumen in den Teilgebieten Weisshorn, Moming und Zinal wurde von der VAW auf 1.45 km3 geschätzt (Huss et al, 2008).
Mit der prognostizierten Klimaerwärmung wird ein Rückgang der Gletscher erwartet (Huss et al., 2008).
Unter Annahme des Emissionsszenarios A1B dürfte sich bis zur Mitte des Zeitraums 2021-50 die vergletscherte Fläche im gesamten Einzugsgebiet Gougra auf gut 15% reduzieren (38.5 km2). Für den Zeithorizont 2085 berechnet das Modell der Uni Zürich eine Reduktion auf 9.6% (24.2 km2).
1985 2040 2085 Gletscherfläche (km2) 47.3 38.5 24.2 Eisfreie Fläche (km2) 205.6 214.5 228.7 Gletscherfläche (%) 18.7 15.2 9.6 Eisfreie Fläche (%) 81.3 84.8 90.4
Tabelle 1. Gletscherfläche und eisfrei Fläche (in km² und %) für die Jahre 1985, 2040 und 2085 für das
Gesamteinzugsgebiet der Gougra.
Huss et al. 2008 schätzen mittels eines glazio- hydrologischen Modells für drei verschiedene Klimasszenarien eine starke Abnahme der Gletscherflächen und -Volumen in den drei stark vergletscherten Einzugsgebieten Weisshorn, Moming und Zinal. Im Vergleich zu 2006 reduziert sich beim mittleren Szenario das Eisvolumen aller drei Gebiete auf 36 % (0.54 km3) bis ins Jahr 2050 und auf 9% (0.15 km3) bis ins Jahr 2075. Die drei verwendeten Klimaszenarien basieren auf den Resultaten der Studie von Frei (2007) und wurden als 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.
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Validierung des hydrologischen Modells
Wie gut kann das hydrologische Modell PREVAH die aktuelle hydrologische Situation des Gougra- Gebiets abbilden?
Für den Zeitraum 2004 bis 2008 können wir die Modellsimulation anhand von Abfluss- Messungen der KW Gougra AG für das Teileinzugsgebiet Turtmann (Abb. 6) und Zinal (Abb. A1 im Anhang) überprüfen. Ausserdem gibt ein Vergleich mit einem Schneeprodukt des SLF (Abb. 7) Hinweise über die Güte der Schneesimulation.
Im grossen und ganzen weist das Modell eine gute bis sehr gute Übereinstimmung mit den Abflussmessungen auf (Abb. 6). Die saisonalen Schwankungen werden realistisch widergegeben. Für das Einzugsgebiet Turtmann simuliert das Modell die jährliche Abflussmenge
mit einer Genauigkeit von +/- 5%. Hier gilt zu berücksichtigen, dass bereits beim Niederschlagsinput ins Modell eine grosse Unsicherheit herrscht. Bei der räumlichen Interpolation der wenigen Niederschlags- messstationen gehen wir von einer Unsicherheit in der gleichen Grössenordnung aus. Ebenso besteht bei der Abflussmessung der KW Gougra AG eine Unsicherheit in derselben Grössenordnung.
Ein Vergleich mit einem kürzlich entwickelten Schneeprodukte des SLF, das sämtliche verfügbaren Schneeinformationen seit 1979 optimal räumlich und zeitlich interpoliert, deutet auf eine sehr befriedigende Simulation der Schneedecke im Gougra-Gebiet hin. Wir können das mit einem Vergleich zwischen dem SLF-Produkt und unserer Simulation für die 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.
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Erwartete Veränderung der Schneedecke
Die erwartete Erwärmung des Klimas wird im Einzugsgebiet Gougra zu einer bedeutenden Veränderung der Schneedecke führen. Das jährliche Schneewasserspeicher-Maximum wird sich zwar zeitlich nur geringfügig nach vorne verschieben (~1-2 Wochen für den Zeitraum 2070-2099).
Mengenmässig wird aber eine durchschnittliche Reduktion des jährlichen Schneewasser- maximums (je nach Klimamodellkette) von 20- 50% für den Zeitraum 2021-50, resp. von 50- 70% für den Zeitraum 2070-99 erwartet.
Die Streuung des jährlichen maximalen Schneewasserwerts zwischen schneearmen und schneereichen Wintern bleibt für den Zeitraum 2021-50 ähnlich gross wie bisher, nimmt dann aber für den Zeitraum 2070-99 markant ab. Das heisst, dass dann auch in seltenen extrem schneereichen Wintern keine grössere Schneewassermenge als 600 mm zu erwarten sein wird.
Zur Zeit ist das Einzugsgebiet Gougra in den
meisten Jahren den ganzen Sommer hindurch teilweise schneebedeckt. Für die Zukunft nimmt die Wahrscheinlichkeit für ein komplettes Abschmelzen der Schneedecke im ganzen Einzugsgebiet markant zu. In einem durchschnittlichen Jahr wird für den Zeitraum 2070-99 (je nach Klimamodellkette) eine komplette Ausaperung von Mitte Juli bis Ende Oktober vorausgesagt. Nach besonders schneearmen Wintern muss bereits im Zeitraum 2021-50 mit einem komplett schneefreien Einzugsgebiet von Juli bis anfangs Dezember gerechnet werden.
Für den Zeitraum 2021-50 verringert sich der Beitrag der Schneeschmelze durchschnittlich um gut 50 mm (±40 mm) pro Jahr gegenüber der Referenzperiode (Abb. Anhang A2); und um rund 180 mm (±50 mm) pro Jahr für den Zeitraum 2070-99 (Abb. Anhang A3).
Winter ganz ohne Schnee im Einzugsgebiet Gougra wird es – gemäss den vorliegenden Simulationen – auch für den Zeitraum 2070-99 keine geben.
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 der Referenz-Simulation für den Zeitraum 1980-2009.
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Erwartete Veränderung der Verdunstung und Bodenfeuchte
Eine Änderung des Klimas wird auch Auswirkungen auf die Verdunstung und die Wasserspeicherung im Boden haben.
Jährlich verdunsten im Gougra-Einzugsgebiet ca.
25% des gesamten Jahresniederschlags. Diese Berechnung des Modells PREVAH ist zwar mit grosser Unsicherheit behaftet, weil man immer noch relativ wenig weiss über die Verdunstung in alpinen Einzugsgebieten. Die Grössenordnung stimmt aber recht gut mit Angaben des hydrologischen Atlas der Schweiz (Tafel 4.1).
Im Vergleich zur Unsicherheit im Modell und zum Anteil an der jährlichen Wasserbilanz sind die erwarteten Veränderungen in der Verdunstung gering. Für den Zeitraum 2021-50 berechnet das Modell eine Zunahme der jährlichen Verdunstung um ca. 8 mm oder 3%;
für den Zeitraum 2070-99 um ca. 12 mm oder 4%.
Auch bezüglich der im Boden gespeicherten Wassermenge gibt es eine grosse Unsicherheit.
Doch angesichts der wenig entwickelten Böden in diesem alpinen Einzugsgebiet kann von einer allgemein geringen Bodenwasserspeicherung ausgegangen werden.
Grundlage für die Berechnung der temporären Bodenwasserspeicherung im Gougra-Gebiet ist eine angenommene Beziehung zwischen Landnutzung und Bodenkennwerten.
Gemäss unseren Ergebnissen dürfte sich die Bodenwasserspeicherung in Zukunft nur unwesentlich verändern. Bei ein paar Klimamodellketten nimmt sie zu, bei anderen eher ab. Eine Zunahme im Bodenwasserspeicher könnte durch den Gletscherrückgang und der damit verbundenen Freilegung des Gletschervorfelds erfolgen. Diese wird aber durch eine leicht erhöhte Austrocknung im Sommer kompensiert.
Die vorerst fels-dominierten Flächen entwickeln sich nur über sehr lange Zeit zu feinkörnigen, 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.
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Auswirkungen auf den natürlichen Wasser-Abfluss des gesamten Gougra- Gebietes
Als Gesamtergebnis der sich verändernden Teilkomponenten der Wasserbilanz (Gletscher, Schnee, Bodenwasserspeicher und Verdunstung) resultieren die in Abbildung 10 dargestellten Jahresabflussganglinien für das gesamte Gougra-Einzugsgebiet.
Für den Zeitraum 2021-50 werden sich in einem durchschnittlichen Jahr die höchsten Abflüsse um ca. 20% reduzieren. Das Abflussmaximum wird auch ca. 1.5 Monate früher eintreffen als bisher; d.h. anfangs Juni anstatt Mitte Juli. Diese zeitliche und mengenmässige Veränderung der durchschnittlichen höchsten Abflüsse wird sich für den Zeitraum 2070-99 noch weiter verstärken.
Die gesamte jährliche Abflussmenge wird für beide Zeiträume (2021-50, resp. 2070-99) in einem Normaljahr (je nach Klimamodellkette) gegenüber der Referenzperiode um 8% (±4%)
abnehmen. Die hohe Spannweite zeigt die Unsicherheit, welche durch die Fortpflanzung der 10 Klimaszenarien im hydrologischen System entsteht.
In extrem wasserreichen Jahren werden die hohen Abflüsse im Sommer für den Zeitraum 2021-50 wahrscheinlich ähnlich hoch bleiben wie bisher. Für den Zeitraum 2070-99 sind die verschiedenen Modellketten diesbezüglich widersprüchlich.
Eine grosse Unsicherheit besteht auch bei den Abflussberechnungen für die Herbst- und Wintermonate. Hier weichen die verschiedenen Modellketten stark von einander ab. Eindeutig ist aber der Trend zu bedeutend höheren Abflüssen in diesen Jahreszeiten, wo künftig die Akkumulation der Schneedecke später beginnen und vermehrt Niederschlag in flüssigen Form vorkommen dürfte
In Jahren mit besonderer Wasserknappheit dürften sich die niedrigsten Abflüsse gegenüber der heutigen Situation nur geringfügig verändern. Der Jahresverlauf des 2.5%-Quantils 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 Linie entspricht der Referenz-Simulation für den Zeitraum 1980-2009.
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Auswirkungen auf den natürlichen Abfluss in Teileinzugsgebieten der Gougra
Wenn auch die natürliche Jahresabflussmenge über das gesamte Einzugsgebiet der Gougra hinweg nur wenig ändert (siehe vorheriges Kapitel), so sind die Unterschiede innerhalb des Gebiets doch sehr gross.
In Teileinzugsgebiete, welche heute bereits unvergletschert sind, wie Lona, Barneusa, Torrent du Moulin, Torrent du Moulin 2, Fang, Navisence à Vissoie, Frilitälli, Bluomatttälli (Abb.
1, s. 4), verändert sich der Jahresabfluss nur unwesentlich. Die prognostizierten Änderungen sind hier kleiner als die Unsicherheit zwischen den Modellketten (Abb. 11 und Tabelle A1 im Anhang). Eindeutig ist aber die zeitliche Vorverschiebung des Schneeschmelze-Peaks um 2-4 Wochen bis gegen Ende des Jahrhunderts.
Ebenfalls bei allen Modellketten überein- stimmend ist der stark erhöhte Abfluss im Herbst und Winter.
In leicht bis mässig vergletscherte Teileinzugsgebiete wie Moiry, Brändjitälli, oder Glacier de Weisshorn (Unterteilung von Navisence à Mottec) reduzieren sich die
Gletscherflächen in der ersten Hälfte des Jahrhunderts stark. Hier ist nach einem kurzen zwischenzeitlichen Anstieg eine generelle Abnahme des natürlichen Abflusses zu beobachten (-5% bis -38% im Vergleich zur Referenzperiode für den Zeitraum 2021-2050).
Die verschiedenen Modellketten sind diesbezüglich übereinstimmend.
Schliesslich gibt es stark vergletscherte Teileinzugsgebiete, wie z.B Turtmannstausee oder Glacier de Moming (Unterteilung Navisence à Mottec). Für den Turtmannstausee ist mit einem bis zu 17% kleineren Jahresabfluss zu rechnen (Periode 2070-2099). Höher gelegene Gebiete wie Glacier de Moming sind heute z.T. noch wenig schmelzaktiv. Durch die erwartete Erwärmung nimmt dort die Schnee- und Eisschmelze im Verlauf des Jahrhunderts zu.
Daraus resultiert ein stark erhöhter natürlicher Abfluss. Für den Glacier de Moming zum Beispiel wird eine Zunahme des Jahresabflusses von 16%
für den Zeitraum 2021-50, resp. 35% für den Zeitraum 2070-99 vorausgesagt.
Die berechneten Veränderungen des Jahres- abflusses sind für einige der Teileinzugsgebiete in der Tabelle A1 im Anhang zusammengefasst.
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.
Teileinzugsgebiet Navizence Teileinzugsgebiet Moiry Teileinzugsgebiet Glacier de Moming à Vissoie (unvergletschert) (Eisschmelzeanteil nimmt zu)
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Diskussion
Natürliche Variabilität versus prognostizierte Veränderung
Das Abflussgeschehen im Einzugsgebiet der Gougra unterliegt einer beträchtlichen natürlichen Variabilität. Mit unserer Betrachtung von 30-jährigen Zeiträumen können wir dieser natürlichen hydrologischen Bandbreite grösstenteils Rechnung tragen, indem wir z.B. die Standardabweichung der Schlüsselgrössen (jährliche Schnee- und Eisschmelze, jährliche Verdunstungs- und Abflussmenge) betrachten. Für den Jahresabfluss zum Beispiel beträgt die Standardabweichung 200 mm.
Eine Grundannahme unserer Studie ist, dass die Variabilität in den täglichen meteorologischen Inputgrössen für alle drei Zeiträume (Referenz, nahe Zukunft, ferne Zukunft) gleich bleibt. Unsere Modellierung ergibt, dass sich auch die resultierende Variabilität im Jahresabfluss für die nahe und ferne Zukunft kaum verändern wird. Sie nimmt marginal zu.
Die prognostizierten Änderungen des natürlichen Jahresabfluss im gesamten Gebiet ist (bis zum Ende des Jahrhunderts) weniger als halb so gross wie die natürliche Variabilität, die wir heute schon erleben.
Das heisst, dass die durchschnittlichen Verhältnisse Ende des Jahrhunderts bereits heute in extremen Jahren beobachtet werden können.
Wie plausibel, resp. unsicher sind die Abfluss-Prognosen?
Die berechneten Veränderungen im natürlichen Abfluss des Gougras-Einzugsgebiets sind mit verschiedenen Unsicherheiten entlang der ganzen 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
Standartabweichung ca. 50 mm. Das heisst, die Klimamodellketten-bedingte Unsicherheit ist 4 mal kleiner als die natürliche Variabilität.
Eine weitere Unsicherheit liegt im Modell zur Berechnung der zukünftigen Gletscherentwicklung.
Das hier verwendete Schrumpfmodell der Uni Zürich ist grundsätzlich für eine grosse Skala (z.B. ganze Schweiz) und längere Zeithorizonte geeignet. Für den Zeitraum 2021-50 dürfte mit diesem Modell der Gletscherrückgang etwas zu rasch simuliert werden.
Wir haben überprüft, wie stark sich eine leichte Änderung der Gletscherfläche auf den simulierten Abfluss auswirkt. Dabei erwies sich der simulierte Gesamtabfluss nicht sehr sensitiv auf kleine Änderungen der Gletscherfläche.
Und schliesslich entsteht auch durch das hydrologische Modell selbst eine gewisse Unsicherheit. Die Verifikation mit Abflussdaten in den Teileinzugsgebieten (1980-2009) attestiert dem Modell im grossen und ganzen eine gute Leistung.
Der Vergleich mit dem SLF-Schneeprodukt, das eine Art „Integral“ der beobachteten Schneewasserwerte oberhalb von 1‘500 m ü.M. für die Region Wallis darstellt, fällt ebenfalls positiv aus.
Ein Vergleich der Jahresabflüsse mit den Ergebnissen der VAW für das Zinalgebiet (Huss et al. 2008) zeigte, dass die Resultate konsistent sind. Es gilt zu berücksichtigen, dass die beiden Studien unterschiedliche Klimaszenarien und Kontroll- perioden und z.T. unterschiedliche Teilgebiet betrachten und darum zu (quantitativ) leicht unterschiedlichen Ergebnissen kommen.
Die Aussagen des hydrologischen Modells im Bezug auf die jahreszeitlichen Veränderungen, vor allem im Frühling / Sommer und längerfristig auch im Sommer / Herbst können als robust angesehen werden.
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Auswirkungen auf den Betrieb
Die Resultate des Modelles PREVAH, für die Teileinzugsgebiete Navizence, Moiry und Moming, deuten auf folgende betriebliche Auswirkungen für das Kraftwerk Gougra:
• Die Entwicklung des jährlichen Wasservolumens zeigt in einer ersten Phase eine Zunahme der Wasserzufuhr in dem Staubecken Moiry. Diese Zunahme wird aber von kurzer Dauer und wenig spürbar sein. Mit dieser Perspektive zeigt sich, dass das Volumen des Stausees und die aktuelle Turbinenkapazität nicht unterdimensioniert sind.
• Die modellierte Zunahme der Abflüsse aus dem Teileinzugsgebiet Moming lässt vermuten, dass das gleiche für die Einzugsgebiete Weisshorn und Zinal gilt. Diese Feststellung würde zugunsten des Projekts
"Adduktion Zinal" sprechen, welches zum Ziel hat das Wasser dieser Teileinzugsgebieten mit neuen Fassungen direkt in den Stausee Moiry zu leiten, und auf der Stufe Moiry-Mottec zu nutzen.
• Die Prognose der täglichen Entwicklung der hydrologischen Zuflüsse könnte bedeuten, dass zu gewissen Perioden (über das Jahr), erhöhte Spitzen zu
erwarten sind. Diese könnten zu häufigerem Abwärtsleiten bei den Wasserfassungen führen.
• Das Maximum der Spitzenabflüsse soll ab 2021-2050 früher in der Saison eintreffen und dann abnehmen, was eine Anpassung der Betriebsweisungen verursachen wird, damit mögliches Einleiten vermieden werden kann.
• Im Allgemeinen sind im Herbst und Winter höhere Zuflüsse zu erwarten im Hinblick auf den Anstieg der Schneefallgrenze und die Zunahme der Niederschlagsmengen in diesen Perioden. Jedoch soll dies zu keiner Investition zur Steigerung der Installationskapazitäten führen, da die globalen Mengen der Zuflüsse und der Spitzenabflüsse in Zukunft abnehmen werden und damit die Ertragsfähigkeit des Wasserkraftwerkes.
• Eine erneute Überprüfung der Restwassermengen abwärts der Wasserfassungen soll in Zusammenhang mit dem neuen Bundesgesetz über den Schutz der Gewässer (GSchG 1991) und der Abnahme der Gewässerabflüsse (Q347) verglichen mit dem bis heute beobachtetem vergangenem Durchschnitt
unternommen werden.
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Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
Basierend auf den aktuellsten Klimavorhersagen der ETH Zürich und den jüngsten Gletscherszenarien der Universität Zürich wurden für das Einzugsgebiet der KW Gougra AG die hydrologischen Veränderungen für die Zeiträume 2021-50 (nahe Zukunft) und 2070- 99 (ferne Zukunft) berechnet. Dabei wurde mit PREVAH ein Modell verwendet, das seit fast 10 Jahren in vergletscherten und Schnee-beeinflussten Gebieten getestet worden ist und sich bewährt hat.
Der Vergleich mit Abflussdaten der KW Gougra AG, mit Schneeprodukten des SLF attestiert dem Modell eine gute bis sehr gute Performance.
Auch wenn die in diesem Gebiet prognostizierte Änderung des Niederschlags und der Gletscher noch mit grossen Unsicherheiten verbunden ist, können trotzdem klare Aussagen gemacht werden, wie sich die Hydrologie verändern wird:
- Die Mächtigkeit der Schneedecke wird sich in dieser Zeit sehr stark (bis Ende des Jahrhunderts um über die Hälfte) verringern.
Die Schneeschmelze wird um mehrere Wochen vorverschoben und fällt kürzer aus als bisher.
- Die Gletscher-Schmelze wird (besonders in erhöhten Lagen) intensiver, aber die schmelzende Gletscherfläche wird gleichzeitig kleiner. Daraus resultiert für das gesamte Einzugsgebiet eine leichte Abnahme des Gletscher-Schmelzabflusses.
- Bezüglich Verdunstung und
Bodenwasserspeicherung werden nur unwesentliche Änderungen erwartet.
- Für den Gesamtabfluss im Gougra- Einzugsgebiet bedeutet dies eine markante zeitliche Veränderung der Jahres-Ganglinie mit einem um 5 bis 8 Wochen früheren Abfluss- Maximum (ungefähr in der gleichen Grössenordnung wie heute) und einer verlängerten abflussarmen Periode.
- Für den Zeitraum bis zum Ende des Jahrhunderts sagt das Modell eine leichte Abnahme des Jahresabflusses voraus (8%±4%).
Dieses Änderungssignal ist kleiner als die natürliche Variabilität zwischen den Jahren, die wir bereits heute beobachten.
Abschliessend wurden die Auswirkungen auf den Betrieb qualitativ vom Kraftwerkbetreiber grob beurteilt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Klima- bedingte Änderung keine strukturelle Anpassung der Installationen hervorrufen wird. Global betrachtet ist ab 2021-2050 wegen der abnehmenden Zuflüsse mit einer Abnahme der Ertragsfähigkeit der Kraftwerke zu rechnen. Die in Zukunft zunehmenden Abflüsse, aus stark vergletscherten hoch gelegenen Teileinzugsgebieten wie Glacier de Moming, würden für eine direkte Fassung des Wassers und die Zuleitung in den Stausee Moiry sprechen, wo es zusätzlich auf der Stufe Moiry-Mottec verwertet werden kann.
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Literatur
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Huss ,M., D. Farinotti, A. Bauder and M. Funk (2008). Modelling runoff from highly glacierized alpine catchment basins in a changing climate. Hydrological Processes, 22 (19), 3888-3902.
Paul, F., Maisch, M., Rothenbuehler, C., Hoelzle, M. und Haeberli, W. (2007). Calculation and visualisation of future glacier extent in the Swiss Alps by means of hypsographic modelling. Global and Planetary Change 55(4):343-357.
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Viviroli, D., M. Zappa, J. Schwanbeck, J. Gurtz, and R. Weingartner (2009b). Continuous simulation for flood estimation in ungauged mesoscale catchments of Switzerland – Part I: Modelling framework and calibration results. Journal of Hydrology, 377(1-2), pp. 191-207., doi:10.1016/j.jhydrol.2009.08.023
Viviroli D., H. Mittelbach, J. Gurtz, R. Weingartner (2009c). Continuous simulation for flood estimation in ungauged mesoscale catchments of Switzerland – Part II: Parameter regionalisation and flood estimation results. Journal of Hydrology, 377(1-2), pp. 208-225. doi:10.1016/j.jhydrol.2009.08.022
Zuber G-A. (2005). Problématique du lac de Tourtemagne. Gestion durable des sédiments dans des réservoirs 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
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Anhang
Abb. A1: Simulierter (rot) und gemessener (schwarz) täglicher natürlicher Abfluss des Teileinzugsgebiets Zinal.
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Abb. 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.
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Tabelle 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%
