Statistische Analyse von Niedrigwasserkenngrößen

Für die Ermittlung von Niedrigwasserkenngrößen und deren statistische Wahrscheinlichkeitsanalyse werden seit mehr als zwei bzw. drei Jahrzehnten die DVWK-Regeln zur Niedrigwasseranalyse 120 (Teil I: Statistische Untersuchung des Niedrigwasserabflusses, 1983) und 121 (Teil II: Statistische Untersuchung der Unterschreitungsdauer und des Abflussdefizits, 1992) herangezogen. Seit dieser Zeit hat sich der Kenntnisstand zur Bearbeitung dieser Fragestellung weiterentwickelt, und die Notwendigkeit zu einem breiter angelegten Ansatz ist deutlich geworden, sodass nach Prüfung der oben genannten Regeln der Vorschlag zu ihrer Überarbeitung durch die DWA-Arbeitsgruppe HW-3.1 „Niedrigwasser“ aufgenommen wurde.

Niedrigwasser ist ein integraler Bestandteil des Abflussregimes, der einen zeitlich und regional begrenzten Zustand in einem oberirdischen Gewässer beschreibt, bei dem der Wasserstand oder der Abfluss einen bestimmten Schwellenwert erreicht oder unterschreitet. Die Kenntnis der Niedrigwasserverhältnisse in einem Gewässer hat damit große Bedeutung für seine zielgerichtete wasserwirtschaftliche Nutzung und ökologische Bewertung.

Niedrigwasser ist natürlich in erster Linie bedingt durch Niederschlagsmangel, kann sich jedoch auch durch den Rückhalt des Niederschlags in der Schneedecke, in Gletschern oder im gefrorenen Untergrund ergeben. Zudem kann es anthropogen durch diverse Bewirtschaftungsmaßnahmen im Gewässer oder dessen Einzugsgebiet verstärkt oder abgeschwächt werden.

Die wichtigsten Kenngrößen, mit denen Niedrigwasser beschrieben werden können und deren Analyse im Mittelpunkt dieses Merkblatts steht, sind: Niedrigwasserabfluss bzw. -wasserstand, Unterschreitungsdauer, Abflussdefizit sowie aus der Dauerlinie abgeleitete Quantile. Schwellenwerte sind für die Ermittlung der Unterschreitungsdauer und des Abflussdefizits erforderlich und sollten in Abhängigkeit von der Zielstellung der Untersuchung festgelegt werden.

Im vorliegenden Merkblatt werden sowohl die natürlichen und anthropogenen Einflussgrößen auf das Niedrigwasser diskutiert als auch die genannten Kenngrößen und deren Ableitung aus der Ganglinie vorgestellt. Darauf aufbauend entwickeln sich inhaltlich die Kernthemen des Merkblatts: (1) Wahrscheinlichkeitsanalyse von Niedrigwasserabflüssen und (2) Wahrscheinlichkeitsanalyse von Unterschreitungsdauern und Abflussdefiziten. Mithilfe eines Verfahrensablaufs und anhand von Beispielen wird dem Leser schrittweise das jeweilige methodische Vorgehen vermittelt – von der Festlegung der Kenngröße bis hin zur Ermittlung der Quantile/Konfidenzgrenzen. Beide Verfahren setzen Stationarität der zugrundeliegenden Serien voraus, sodass im dritten Kernthema des Merkblatts (instationäre Wahrscheinlichkeitsanalyse) diskutiert wird, welche Möglichkeiten bestehen, um mit signifikanten Instationaritäten im Rahmen der Wahrscheinlichkeitsanalyse umzugehen. Auch die dazu präsentierten Methoden sind mit Beispielen für ein besseres Leseverständnis untersetzt.

Änderungen

Gegenüber den DVWK-Regeln zur Wasserwirtschaft Nr. 120 und 121 wurden folgende Änderungen vorgenommen:

1. verstärkte Auseinandersetzung mit der Aufbereitung, Prüfung und Plausibilisierung der Daten
2. Erweiterung um die Analyse von Dauerlinien und daraus abgeleitete Quantile
3. Erweiterung der für die Wahrscheinlichkeitsanalyse nutzbaren theoretischen Verteilungsfunktionen und Parameterschätzverfahren
4. Ablösung des indirekten Verfahrens zur statistischen Analyse von Niedrigwasserdauern und Abflussdefiziten durch ein direktes Verfahren
5. Aufnahme der instationären Wahrscheinlichkeitsanalyse
6. Kurzdarstellung unterschiedlicher Statistikprogramme für die wasserwirtschaftliche Praxis.

Das Merkblatt wurde von der DWA-Arbeitsgruppe HW-3.1 „Niedrigwasser“ (Sprecherin: Dr.-Ing. Anna-Dorothea Ebner von Eschenbach) im Auftrag des DWA-Hauptausschusses „Hydrologie und Wasserbewirtschaftung“ im Fachausschuss HW-3 „Wasserbewirtschaftung“ erarbeitet und richtet sich an Wasser- und Umweltbehörden, Fachplaner und Studierende und bietet eine Hilfestellung für die Ableitung von Niedrigwasserkenngrößen.

Frist zur Stellungnahme

Das Merkblatt DWA-M 541 „Statistische Analyse von Niedrigwasserkenngrößen“ wird bis zum 31. Januar 2021 öffentlich zur Diskussion gestellt. Hinweise und Anregungen erbittet die DWA schriftlich, möglichst in digitaler Form, an:

DWA-Bundesgeschäftsstelle, Dipl.-Geogr. Dirk Barion, Theodor-Heuss-Allee 17, 53773 Hennef; E-Mail: barion@dwa.de

Für den Zeitraum des öffentlichen Beteiligungsverfahrens kann der Entwurf kostenfrei im DWA-Entwurfsportal eingesehen werden: http://www.dwa.de/entwurfsportal. Dort ist auch eine digitale Vorlage zur Stellungnahme hinterlegt. Im DWA-Shop ist der Entwurf als Printversion oder als E-Book im PDF-Format erhältlich.

Entwurf Merkblatt DWA-M 541 „Statistische Analyse von Niedrigwasserkenngrößen“, Oktober 2020, 112 Seiten, ISBN 978-3-88721-986-4, Ladenpreis: 94 Euro, fördernde DWA-Mitglieder: 75,20 Euro

Herausgeber und Vertrieb

DWA-Bundesgeschäftsstelle, Theodor-Heuss-Allee 17, 53773 Hennef; Tel. 0 22 42/872-333, Fax 0 22 42/872-100, E-Mail: info@dwa.de, DWA-Shop: www.dwa.de/shop