Entwicklungsdynamiken ausgewählter systemischer Risiken und Gefährdungslagen

Zu den sich dynamisch entwickelnden Risikofaktoren für die Wasserversorgung und Abwasserbeseitigung in Deutschland zählen Wetterextreme, insbesondere Veränderungen der Niederschlagsverteilung. Sowohl Anzahl als auch Intensität von Starkregenereignissen, Überschwemmungen, Dürren und Hitzewellen nehmen zu, und dies auch in Gebieten, in denen sie bislang wenig vorkamen. Beispielsweise sind in Hamburg vor 1994 mindestens zwei Wochen andauernde Hitzeperioden mit einem Tagesmaximum von jeweils mindestens 30 Grad nicht vorgekommen, seit 1994 jedoch bereits sieben Mal [1].

Starkregen und resultierende Hochwasserereignisse stellen eine Gefährdung für das Rohrleitungsnetz dar. Die Überflutung von Aufbereitungsanlagen und Pumpstationen kann deren Ausfall verursachen und damit Versorgungsunterbrechungen nach sich ziehen. Im Zuge des Ahrtal-Hochwassers im Jahr 2021 wurden beispielsweise Gewinnungs- und Leitungsanlagen der Wasserversorgung über mehrere Kilometer zerstört. Auch die Stromversorgung war an vielen Orten unterbrochen und konnte selbst durch Notstromaggregate nicht aufrechterhalten werden [2]. Ähnliche Auswirkungen gab es bereits bei früheren Hochwasserereignissen, beispielsweise 2002 in Dresden sowie 2013 in Dresden und Passau, als Anlagen abgeschaltet und die Wasserversorgung unterbrochen wurde [13].

Hochwasser wirkt sich einerseits auf das Infrastruktursystem Wasser aus, andererseits bestimmen die Ausgestaltung und Dimensionierung des Infrastruktursystems selbst den Verlauf von Hochwasserereignissen mit: Reguläre Niederschlagsmengen werden in Siedlungsgebieten zum Großteil über das Kanalnetz abgeführt. Bei starken Niederschlägen reichen die vorhandenen Einlauföffnungen in versiegelten Flächen jedoch oft nicht mehr aus, was zu urbanen Sturzfluten und Überschwemmungen von Straßen sowie Wohn- und Geschäftsgebäuden führt [4][5]. Das steigende Überflutungsrisiko durch die Zunahme von Starkregenereignissen wird durch die die zunehmende Bodenversiegelung verstärkt [6][7][4]. Wenn der Niederschlag die Infiltrationsrate so weit übersteigt, dass weder Gewässerläufe noch die Kanalisation bzw. Entwässerungssysteme das Wasser vollständig aufnehmen können, kommt es auch bei unversiegelten Flächen zu unkontrolliertem Oberflächenabfluss. Die Zunahme von Starkregenereignissen wirft die Frage auf, welche Dimensionierung und Gestaltung der Kanalsysteme für Regenwasser in Zukunft angemessen ist [5][8].

Die kurz- und mittelfristig zunehmenden Starkregen- und Hochwasserereignisse gefährden die Wasserversorgung auch durch eine Beeinträchtigung der Wasserqualität. Durch Abschwemmung, Oberflächenabfluss und Drainage können Stoffeinträge wie Nährstoffe und Pflanzenschutzmittel sowohl in Oberflächengewässer und Talsperren als auch, beispielsweise über überflutete Brunnenschächte, ins Grundwasser gelangen [4][2][9]. Rohrbrüche durch Unterspülungen können dazu führen, dass Verunreinigungen ins Trinkwassernetz gelangen und die hygienische Qualität des Wassers beeinträchtigen [2]. Der gegenläufige Effekt, dass ein hoher Wasserstand durch Verdünnung zu einer geringeren Nähr- und Schadstoffkonzentration führt, existiert auch, aber Studien zeigen beispielsweise für Phosphor, dass der Gesamteffekt von Starkregen eher eine Erhöhung der Phosphorkonzentration ist [10]. In etwa der Hälfte der von van Vliet et al. analysierten internationalen Fallstudien [9] führten Starkregenereignisse und Hochwasser zu einer Verunreinigung von Flüssen. Dies kann zu einer hohen Nährstoffkonzentration bzw. zur Eutrophierung von Gewässern führen, so dass deren biologisches Gleichgewicht gestört ist [9]. Auch Hochwasserschäden an Objekten, die schädliche Stoffe beinhalten, wie beispielsweise Heizöltanks, Autos oder Pestizidvorräte von Landwirten, können zu Einträgen in Gewässern führen. Werden Kanalsysteme überlastet oder Kläranlagen überschwemmt, gelangt ungeklärtes Abwasser in die Umwelt und führt zu Wasserverunreinigungen, wodurch Krankheitserreger in Gewässer gelangen können [2][11]. Auch Erreger tierischer Herkunft können aus Verunreinigungen im Boden, die durch Regen oder Überflutung gelöst werden, in Trinkwasserquellen gelangen [11]. In Mischsystemen, in denen Schmutzwasser z.B. aus Haushalten und Regenwasser gemeinsam in einem Kanal abgeleitet werden, kommt es bei Starkregen regelmäßig zur Einleitung von ungeklärtem Mischwasser in Gewässer: sogenannte Mischwasserentlastung. Durch die Zunahme von Starkregenereignissen ist damit zu rechnen, dass die stoffliche Belastung der Gewässer und hierdurch auch der Wasserversorgung steigt [5].

Auch die Gefährdung des Infrastruktursystems Wasser durch das Ausbleiben von Niederschlag, d.h. durch anhaltende Trockenheit und Dürreperioden, nimmt zu. Im deutschlandweiten Durchschnitt wird weiterhin von einem ausreichenden Wasserdargebot ausgegangen, regional und saisonal werden aber aufgrund zunehmender Dürren und anhaltender Trockenheitsperioden Wasserknappheiten erwartet [12][13][7][14]. Zunehmende Wasserknappheiten durch das Ausbleiben von Niederschlag sind von hoher Relevanz für die Wasserversorgung und Abwasserbeseitigung. Langanhaltende Trockenperioden führen zu Niedrigwasser oder dem Austrocknen von Gewässern sowie zum temporären Absinken von Grundwasserständen [15][14]. Die weiter steigende Bodenversiegelung trägt dazu bei, dass in Niederschlagsperioden weniger Versickerung stattfindet und Grundwasservorräte weniger gut aufgefüllt werden können, existierender Gewässerausbau und Drainagen wirken teilweise der Wasserrückhaltung entgegen [5][16][4]. Zudem tragen steigende Spitzenbedarfe in der Wassernachfrage zu Engpässen bei [13][14]. In den vergangenen Jahren konnte die Versorgungssicherheit mit Trinkwasser auch in Engpasssituationen gewährleistet werden, in vielen Versorgungsgebieten wurde jedoch während Hitzeperioden eine hohe Auslastung des Systems verzeichnet [13]. Das Ende der Braunkohleförderung, beispielsweise in der Lausitz, kann Engpässe in der Trinkwasserversorgung verschärfen, da weniger Grundwasser in Flüsse gepumpt wird und deren Wasserführung zurückgehen wird [17]. Für die Spree ist ein Rückgang der Wasserführung bis hin zu einem abschnittsweisen Trockenfallen in Trockenperioden zu rechnen, was für die auf einen höheren Pegel der Spree ausgelegte Trinkwasserversorgung sowie Abwasserbeseitigung große Herausforderungen birgt, auch weil in der Region Berlin mit einem wachsenden Wasserbedarf gerechnet wird [17]. Im Bereich der Abwasserentsorgung besteht dabei die Gefahr, dass bei niedrigen Wasserständen die ausreichende Verdünnung von Abwässern nicht mehr ausreichend gewährleistet werden kann [17].

Dürren und Trockenperioden sowie Hitzewellen können nicht nur Wasserknappheiten auslösen, sondern auch die Wasserqualität belasten. In etwa zwei Drittel der von van Vliet et al. untersuchten Fallstudien [9] verringert sich die Wasserqualität durch Dürren und Trockenperioden sowie Hitzewellen. Bei gleichbleibender Belastung durch Schadstoffeinträge führt ein Rückgang der Wasserstände zu einer reduzierten Verdünnungskapazität, was in einer erhöhten Konzentration von Schadstoffen resultiert und somit die chemische und ökologische Qualität von Gewässern beeinträchtigt [18]. Durch die Kombination von Dürren und Hitzewellen steigt das Risiko für Algenblüten, verbunden mit negativen Folgen für die Qualität von Gewässern [9]. Die Kombination von Trockenperioden mit nachfolgenden Regenfällen birgt ebenfalls Risiken für die Wasserqualität, da es zu verstärkten Stoffeinträgen durch Abschwemmung kommen kann, beispielsweise im Fall von Phosphor [10]. Auch im Abwassersystem kommt es durch Dürren und Trockenperioden sowie Hitzewellen teilweise zu Problemen: Bei Mischwasserkanälen, in denen Schmutz- und Regenwasser gemeinsam abgeleitet werden, kann es bei zeitweise ausbleibendem Niederschlag durch geringe Abwassermengen und Fließgeschwindigkeiten zu Geruchsbildung, Bakterienwachstum und Korrosion kommen [5].

Die globale Erwärmung wirkt sich nicht nur über die häufiger auftretenden Wetterextreme, sondern auch direkt durch sich verändernde Temperaturen auf das Infrastruktursystem Wasser aus. Die im Mittel steigenden Luft- und Bodentemperaturen gehen mit einem Anstieg der Wassertemperatur von Oberflächengewässern einher und führen langfristig zu einer höheren Grundwassertemperatur. Höhere Wassertemperaturen begünstigen biologische Umsetzungsprozesse und fördern eine übermäßige und unnatürliche Ansammlung von Nährstoffen [18][19], die wiederum Methanbildung in Gewässern fördert, welches bei Emission durch die hohe Treibhauswirkung erheblich zum Klimawandel beiträgt [4]. Erhöhte Temperaturen können zudem die Keimbildung in Wasserleitungen unterstützen und dadurch die Wasserqualität gefährden [18]. Eine Befragung von Wasserversorgern in Deutschland zeigt, dass zwar stellenweise bereits Veränderungen der Wassertemperatur und -qualität beobachtet werden, dass aber die Gefährdung der Wasserqualität in der Wahrnehmung bisher eine deutlich geringere Rolle spielt als die Gefährdung der Wasserquantität [20]. Durch klimatische Veränderungen wandelt sich auch die Wassernachfrage. Dies gilt nicht nur für Spitzenbedarfe in akuten Dürrephasen. Auch eine Verschiebung von Niederschlägen hin zu den Wintermonaten und wärmere, trockenere Sommer können zu einem Anstieg der Wassernachfrage beitragen, beispielsweise ist mit einer Erhöhung der Nachfrage von Haushalten und Gewerben sowie für Freizeitaktivitäten zu rechnen [5]. Zudem steigt auch in der Landwirtschaft der Bewässerungsbedarf, der in Deutschland bisher vergleichsweise gering ist, voraussichtlich weiter an, in manchen Regionen möglicherweise um ein Vielfaches: Prognosen zufolge könnte er beispielsweise in Nordrhein-Westfalen bis ins Jahr 2100 um das 20-fache steigen [4].

Indirekte Effekte der globalen Erwärmung wirken sich ebenfalls auf die Wasserqualität aus. So kann Waldsterben in den Einzugsgebieten von Talsperren die Wasserqualität erheblich verschlechtern, da die Wälder ihre Funktion als natürlicher Filter und Nährstoffpuffer verlieren. Dies ist beispielsweise für die Rapbodetalsperre im Ostharz, die größte Trinkwassertalsperre Deutschlands, relevant, da 50% des umliegenden Waldes in den letzten Jahren abgestorben sind [21]. Ein weiteres Beispiel für indirekte Effekte sind steigende Meeresspiegel, die zu einer Versalzung von Grundwasser in Küstennähe führen können [18].

Im Zusammenhang und in Wechselwirkung mit der globalen Erwärmung stehen die weiter zunehmenden Biodiversitätsverluste, die in Deutschland Gewässer und Auenlandschaften besonders betreffen [22]. Durch die abnehmende Biodiversität werden Ökosystemdienstleistungen, wie die Selbstreinigung von Gewässern, zunehmend gefährdet. Unterschiedliche Arten, Tiere, Pflanzen und Mikroorganismen tragen zur Selbstreinigung von Gewässern bei: Sie filtern und bauen Algen, Pflanzenreste, organische Verunreinigungen und Schadstoffe ab und verhindern eine übermäßige Ausbreitung von Bakterien und Krankheitserregern. Dies gilt analog für Arten im Grundwasser und deren Grundwasserreinigungsfunktion. Nimmt die Selbstreinigung der Gewässer ab, leidet die Wasserqualität und die Trinkwassergewinnung wird erschwert [23][22]. Die zunehmende globale Erwärmung und steigende Wetterextreme machen Ökosystemdienstleistungen, die auch bei Veränderungen wirksam bleiben, besonders wertvoll: Pflanzen in Auenlandschaften und Fließgewässern tragen beispielsweise dazu bei, Gewässer widerstandsfähiger gegenüber Hochwasser und Überschwemmungen zu machen, indem sie die Wasserqualität durch verbesserte Reinigung sowie die Filtrierung und den Rückhalt von stickstoffhaltigen Partikeln fördern [22]. Zudem bieten sie Erosionsschutz [22](Wirth et al. 2024). Zunehmende Biodiversitätsverluste werden einerseits Gewässer immer stärker belasten, umgekehrt sind ökologisch intakte Gewässer und Vermeidung von Eutrophierung aber auch sehr wichtig für die Biodiversität [24][23].

Eine weitere Entwicklungsdynamik ist durch die zunehmende Digitalisierung des Infrastruktursystems Wasser in nahezu allen Bereichen geprägt [Verweis auf Trendkapitel], wodurch sich die Angriffsfläche für Cyberkriminalität in der Wasserversorgung und Abwasserbeseitigung erhöht. Darüber hinaus tragen die Professionalisierung von Cyberkriminalität sowie zunehmende geopolitische Konflikte zur dynamischen Entwicklung dieses systemischen Risikos bei [19]. Neben einem erwarteten Anstieg direkter Angriffe auf das Infrastruktursystem steigt auch die Bedrohung durch indirekte Angriffe, insbesondere auf IT-Dienstleistungen sowie Hard- und Softwareprodukte von Drittanbietern. Dies ist ein zentraler Aspekt, da die Betreiber von wasserwirtschaftlichen Anlagen hinsichtlich der Sicherheit der Komponenten stark von den Herstellern von Hard- und Softwarekomponenten abhängig sind [19]. Mit dem zunehmenden Einsatz smarter Wasserverbrauchs-Messsysteme nehmen auch die Möglichkeiten für Datendiebstahl oder Datenmanipulation zu [19][5]. Vor allem im Zusammenhang mit staatlichen Akteuren ist auch das Pre-Positioning ein neues Bedrohungsszenario, d.h. Cyberkriminelle verschaffen sich Zugang zu internen IT- oder OT-Netzen, nutzen diesen Zugang aber zunächst nicht zur Manipulation oder Erpressung, sondern warten dort unbemerkt ab. Im Fall eines Konfliktes kann der Zugang für kriegerische Handlungen genutzt werden [25].

Die zunehmende Konvergenz von digitalen Netzwerken für OT (operative Technologie für Anlagensteuerung etc.) und Büro-IT (für Verwaltung etc.) stellt eine weitere Angriffsfläche in Wasserinfrastrukturen dar. Es gibt immer mehr Schnittstellen, beispielsweise um Sicherheitsupdates über das Internet durchzuführen oder Daten zu übertragen [19]. Angriffe über das Internet könnten sich so beispielsweise direkt auf technische Anlagen auswirken. Darüber hinaus sind Sicherheitsmaßnahmen nur teilweise von Büro-IT auf OT übertragbar, so dass für beide Bereiche jeweils spezifische Maßnahmen und Fachwissen benötigt werden. Zudem sind die Lebenszyklen von OT-Komponenten teilweise lang (bis zu 20 Jahren), was dazu führt, dass Altsysteme in Betrieb sind, die einerseits nicht über aktuelle Sicherheitsmechanismen verfügen und andererseits ungenügendes Fachwissen zur Wartung der alten Komponenten vorhanden ist [26][19].

Im Zuge der Digitalisierung werden zwar auch Maßnahmen zur Cybersicherheit ergriffen, ob diese jedoch für die steigenden Bedrohungslagen in der Fläche ausreichend sind, ist offen. Der Grad der Digitalisierung ist bei größeren wasserwirtschaftlichen Unternehmen höher, gleichzeitig fällt es ihnen strukturell leichter, umfassende Vorkehrungen gegen Cyberkriminalität zu treffen [19]. Kleinere Unternehmen haben weniger Ressourcen, um starke Cybersicherheitsvorkehrungen zu planen und umzusetzen; sie fallen nicht unter die KRITIS-Vorschriften, machen aber gleichzeitig den Großteil der Wasserversorgungsunternehmen in Deutschland aus. Während ein erfolgreicher Angriff auf ein einzelnes kleines Unternehmen in der Regel nur begrenzte Schadwirkungen hat, stellt ein gleichzeitiger Angriff auf viele kleine Unternehmen ein systemisch relevantes Risiko dar [19]. Durch zunehmende digitale Vernetzung sowie im Falle einer Nutzung von gleichen technischen Komponenten oder derselben Software nehmen die Möglichkeiten für solche gleichzeitigen Angriffe zu.

Auch die Gefährdungslage durch das systemische Risiko Technikversagen und eingeschränkte Technikbeherrschbarkeit nimmt im Zuge der Digitalisierung des Infrastruktursystems Wasser zu. Die Systemkomplexität steigt durch viele zunehmend vernetzte und in der Fläche verteilten Anlagen, auch in kleinen Unternehmen [19]. In OT-Umgebungen findet sich häufig eine breite Vielfalt von Komponenten, die sich hinsichtlich Hersteller, Architektur und Technologiegenerationen unterscheiden [19]. Technische Störfälle können entsprechend komplexe Abläufe aufweisen und sich von Teilsystemen auf das Gesamtsystem auswirken – die Gefährdungspotenziale steigen daher. Zudem besteht im zunehmend vernetzten und automatisierten Infrastruktursystem das Risiko sich breiter auswirkender Schadwirkungen durch menschliches Versagen, beispielsweise durch Bedienfehler. Die zunehmende Automatisierung bei der Störfallbehebung kann dazu führen, dass operative und diagnostische Kompetenzen beim Personal sukzessive abnehmen. Dies birgt das Risiko, dass im Falle eines unerwarteten Systemausfalls oder eines erforderlichen manuellen Eingriffs nicht ausreichend qualifiziertes Personal zur Verfügung steht, was die Reaktionsfähigkeit und die Sicherheit des Betriebs beeinträchtigen kann [19]. Das Problem mangelnder Kompetenzen wird durch den Fachkräftemangel verschärft, der die Wasserwirtschaft insgesamt betrifft, aber insbesondere relevant ist bei der Suche nach qualifizierten Fachkräften mit Kenntnissen sowohl im wasserfachlichen als auch Informationssicherheitsbereich [19][5][27].