324 Grundlagenuntersuchungen und Methodikentwicklung zur Bewertung des Wasserkraft-Schwalls
Zusammenfassung Die differenzierten Ausprägungen unserer Flusslandschaf-ten und Gewässer sind Grund dafür, dass ähnliche anthropogene Einwirkun-gen auf Gewässersysteme immer wieder unterschiedliche Reaktionen hervorru-fen. Dies gilt auch in von Schwall- bzw. Schwellbetrieb beeinflussten Fließge-wässerstrecken. Die spezifische Gewäs-sergeometrie und die Möglichkeit zur „Eigendynamischen Entwicklung“ sind als Grundlage für die Nutzbarkeit des Flusses als Lebensraum anzusehen. Die-se flusstypspezifischen Eigenschaften und deren Wechselwirkung mit Schwall- und Sunkprozessen bilden den Kern der
vorliegenden wissenschaftlichen Arbeit, welche die wesentlichsten Ergebnisse der Forschungsprojekts SCHWALL_2012 zusammenfasst. Die Ergebnisse zeigen, dass eine flusstypspezifisch, auch stre-ckenabhängige Bewertung des Sunk-Schwall-Einflusses für ein zukünftiges Management als notwendig betrachtet wird, da entsprechend der jeweiligen Gewässermorphologie unterschiedliche Habitatveränderungen in Abhängigkeit von der saisonalen Wasserführung auf-treten können. Weiters zeigte sich in detaillierten sedimentologischen Unter-suchungen, dass einerseits das Sunk-Schwall Verhältnis keinen Einfluss auf die Anreicherung von Feinanteilen im dauerbenetzten Bereich der Sohle be-sitzt bzw. anderseits die Korngrößenver-teilung an Kiesbänken einen entschei-denden Einfluss auf das Strandungsrisi-ko von juvenilen Fischen haben kann. In Bezug auf das Strandungsrisiko konnte ebenfalls gezeigt werden, dass Bucht-bereiche günstige hydraulische Eigen-schaften bei Sunk und Schwall zeigen, wobei hier aufgrund der Lebensraum-nutzung für benthische Organismen eigendynamisch entstandene Bucht-bereiche (z. B. flussab von Kiesbänken) gegenüber künstlichen Buhnenfeldern höherwertig sind. Für die Sanierung von schwallbeeinflussten Fließgewässern wird beides notwendig sein, a) eine Ver-besserung der hydrologischen Gegeben-heiten (z. B. Abstiegsgeschwindigkeiten) bzw. b) auch die Sanierung der morpho-logischen Situation an den Flüssen (z. B. Restrukturierung).
Fundamental research on and developing methodologies for the assessment of hydropeaking for different types of rivers
Abstract Due to the disparate character-istics of Austria’s rivers, streams and sur-rounding riparian areas, similar anthro-pogenic impacts on our water systems can spark varying reactions. This is also true in the case of those waters affected by hydropeaking. In this context, the specific geometry of the river in question and the potential for “natural develop-ment” should be considered the basis for the river’s use as a habitat. These river-type-specific traits and their inter-play with hydropeaking processes are at the core of this work, which summarizes the key findings of the SCHWALL_2012 research project. The results show that a river-type-specific and also river-reach-specific assessment of the influence of base and peak flows is essential to effec-tive future river management, as differ-ent habitat changes can arise, depending on the respective river morphology and seasonal flow variations. Furthermore, detailed sedimentological studies show that on the one hand the base flow to peak flow ratio does not influence the accumulation of fine sediment in the constantly wetted areas of riverbeds, and that on the other the coarsening of gravel bars can have a major influence on the stranding risk for juvenile fish. With regard to this stranding risk, the find-ings also show that shallow-water areas display good hydraulic characteristics at both base and peak flow, though, given the habitat they provide for benthic or-ganisms, naturally formed shallow-water areas (e.g. downstream from gravel bars) offer certain advantages over artificially created groin fields. In order to restore rivers and streams affected by hydro-peaking, it will be necessary to improve
Österr Wasser- und Abfallw (2013) 65:324–338DOI 10.1007/s00506-013-0105-3
Grundlagenuntersuchungen und Methodikentwicklung zur Bewertung des Wasserkraft-Schwalls bei unterschiedlichen FlusstypenChristoph Hauer · Günther Unfer · Wolfram Graf · Patrick Holzapfel · Patrick Leitner · Helmut Habersack
Christian Doppler Labor für Innovative Methoden in Fließgewässermonitoring, Modellierung und Flussbau
DI Dr. C. Hauer () · P. Holzapfel · Univ.-Prof. DI Dr. H. HabersackDepartment Wasser, Atmosphäre, Umwelt, IWHW – Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und konstruktiven Wasserbau, Universität für Bodenkultur Wien, Muthgasse 107, 1190 Wien, ÖsterreichE-Mail: [email protected]
DI Dr. G. Unfer · Priv.-Doz. Dr. W. Graf · DI P. LeitnerDepartment Wasser, Atmosphäre, Umwelt, Institut für Hydrobiologie und Gewässermanagement, Universität für Bodenkultur Wien, Max-Emanuel-Straße 17, 1180 Wien, ÖsterreichE-Mail: [email protected]
Grundlagenuntersuchungen und Methodikentwicklung zur Bewertung des Wasserkraft-Schwalls 325
both (a) the hydrological conditions (e.g. ramping velocity) and (b) the morpho-logical situation on the rivers in question (e.g. through restructuring).
Keywords Base flow/peak flow · River morphology · Water Framework Directive · Restructuring
1. Einleitung
In internationalen und nationalen Unter-suchungen wurde bereits mehrfach gezeigt, dass der Schwallbetrieb (Spei-cherkraftwerke) bzw. Schwellbetrieb (Laufkraftwerke) bedingt durch rasches Ansteigen und Abfallen von Wasser-spiegel und Durchfluss vor allem auf die Gewässerökologie negative Auswirkun-gen zeigt (z. B. Cushman 1985; Bragg et al. 2005; Moog 1993). Aus diesem Grund werden gesetzliche Begrenzungen (Sunk-Schwall-Verhältnisse) diskutiert und in Umsetzungspapieren zur Wasserrah-menrichtlinie rechtlich implementiert (QZVÖ 2010), um diese negative Einflüsse zu minimieren. Derzeit werden Grenz-werte zur Beschreibung möglicher Aus-wirkungen auf die Gewässerökologie im Nationalen Gewässerbewirtschaftungs-plan (NGP 2010) mit einem Basisabfluss (Sunk-) zu Schwallabflussverhältnis von 1:5, in der Qualitätszielverordnung Öko-logie (QZVÖ 2010) jedoch mit 1:3 ausge-wiesen. In den Erlässen zum NGP bzw. zur QZVÖ wird jedoch darauf hingewie-sen, dass z. B. „bei großen Flüssen (siehe Anlage A 1) keine generellen Werte für das Verhältnis Sunk-Schwall festgelegt werden können (zu § 13 Abs. 3). Die Aus-wirkungen von Schwallereignissen auf den Zustand dieser Gewässer sind im Einzelfall auf der Grundlage des Anhangs C zum WRG 1959 zu beurteilen bzw. abzuschätzen. Überschreitet das Sunk-Schwall-Verhältnis nicht den Wert von 1:3 und beträgt die Wasserbedeckung der Gewässersohle bei Sunk mindestens 80 % der bei Schwall bedeckten Sohlfläche, ist davon auszugehen, dass keine signifi-kante Belastung im Gewässer vorliegt und somit die Erreichung der Qualitätsziele für die biologischen Qualitätskomponen-ten gewährleistet wird.“
Grenzwerte, die sich auf relative Abflussänderungen zwischen Basis-abfluss und Schwall bzw. auf die Sunkge-schwindigkeit (Sinkgeschwindigkeit des Wasserspiegels bei Reduktion der Tur-binenleistung z. B. cm min−1) beziehen, wurden bereits mehrfach international und national diskutiert und veröffent-
licht (Bradford 1997; Bradford et al. 1995; Salveit et al. 2001; Halleraker et al. 2003; Parasiewicz et al. 1998). Vor allem für die Bestimmung und Ausweisung der Sunk-geschwindigkeit ist die Kenntnis über instationäre Prozesse in einer schwall-beeinflußten Strecke essenziell. Daten zur Instationarität des Abflusses können neben der Kenntnis der Variabilität des Turbinendurchflusses vor allem durch Pegelaufzeichnungen in Fließgewässer-strecken gewonnen werden. Diese Durch-flussdaten sind jedoch nur eingeschränkt für Prozessanalysen von Sunk und Schwall geeignet, da einerseits die Durchfluss-daten in der Regel in einem Messintervall von 15 min (Betriebsweise von Turbinen jedoch innerhalb von < 1 min geregelt) für weiterführende Bearbeitungen zur Verfü-gung gestellt werden und andererseits Pe-geldaten eine Summe von hydrologischen (Zubringer, Schwallüberlagerung) und geomorphologischen Einflüssen (z. B. Buhnenfelder in regulierten Abschnitten vermischt mit unbeeinflussten morpholo-gischen Abschnitten) in der Pegel-Ober-liegerstrecke subsumieren.
Es besteht daher ein generelles Wis-sensdefizit hinsichtlich des Ablaufs in-stationärer Sunk-Schwall-Prozesse bzw. darüber, welche flussmorphologischen Parameter diesen instationären Schwall-/Sunk-Wellenablauf beeinflussen und zu möglichen negativen Auswirkungen auf die Gewässerökologie, wie z. B. zum Stranden aquatischer Organismen, füh-ren. Eine zusätzliche Möglichkeit zur Pegelanalyse bietet die Verwendung von hydrodynamisch-numerischen Model-len, die vermehrt Anwendung in geomor-phologischen (z. B. Hauer und Habersack 2009), hydrologischen und Habitat-Ana-lysen (z. B. Harby et al. 2005; Hauer et al. 2008) finden. Der Vorteil von numeri-schen Simulationsmodellen ist durch das verbesserte Prozessverständnis bzw. die verbesserte Simulation von Schlüsselpro-zessen (z. B. Erosion von Laichplätzen; Unfer et al. 2011) gegeben, die durch eine mehrdimensionale Analyse der Fließ-gewässerhydraulik ermöglicht werden (Lane 1998). Als Stand der Technik ist die Anwendung von eindimensionalen (1D) und zweidimensionalen (2D) hydrody-namisch-numerischen Modellen anzuse-hen, die eine weit verbreitete Anwendung in der wasserwirtschaftlichen Praxis fin-den (Downs und Thorne 2000; Horrit und Bates 2002; Pappenberger et al. 2005), wo-bei sowohl stationäre (∆Q/∆t = 0) als auch instationäre (∆Q/∆t ≠ 0) numerische Lö-sungsalgorithmen in die Modelle imple-mentiert sind.
Weiters ist das künstliche Anheben und Absenken des Wasserspiegels aufgrund der Betriebsweise von Speicherkraftwer-ken mit dem Effekt des Trockenfallens in der Wasserwechselzone zwischen Schwall und Basisabfluss (Sunk) und dem damit verbundenen möglichen Stranden von aquatischen Gewässerorganismen (Makrozoobenthos, Fische) in Verbin-dung zu bringen (Cushman 1985; Moog 1993; Bragg et al. 2005; Unfer et al. 2011). Unterschiedliche abitiotische Kriterien zur Schwallbeschreibung wurden defi-niert, wie die Anstiegs- bzw. Abstiegsge-schwindigkeit bzw. die relative Änderung des Durchflusses zwischen Basisabfluss und Schwall (Bradford et al. 1995; Brad-ford 1997; Parasiewicz et al. 1998; Salveit et al. 2011; Halleraker et al. 2003). Das Stranden von Gewässerorganismen wäh-rend der Sunkphase wird mitunter auch auf die Gewässertemperatur bzw. deren Änderung zurückgeführt.
Nichtsdestotrotz wird die Größe der Sunkgeschwindigkeit als ein sich sehr negativ auf die Gewässerökologie aus-wirkender Parameter betrachtet. Halle-raker et al. (2003) heben hervor, dass eine Reduktion der Sunkgeschwindigkeit von 60 cmh−1 auf 20 cmh−1, das Stranden von Bachforellen im Larvenstadium um 50 % verringerte (Sommer- und Herbstaspekt) und für Forellen im zweiten Lebensjahr (1 + Fische) nahezu vollständig redu-zierte. Weiters wurde festgehalten, dass eine Verringerung der Sunkgeschwin-digkeit auf < 10 cmh−1 auch bei den 0 + Bachforellen bzw. 0 + Äschen (Schmutz et al. 2013) das Strandungsrisiko deut-lich verminderte. Neben dem Einfluss der Wassertemperatur werden auch der Tageszeitpunkt (Bradford et al. 1995), die Saison (Salveit et al. 2001) und die Quer-neigung von Kiesbänken als mögliche Faktoren zur Erhöhung bzw. Verringe-rung des Strandungsrisikos von Gewäs-serorganismen genannt. Dies betrifft vor allem terrestrische Organismen wie Lauf-käfer oder Spinnen (VanLooy et al. 2007; Unfer et al. 2004). Die Rolle von variabler Flussmorphologie und von Unterschie-den in Sedimenttransport und Kornver-teilungen innerhalb der trockenfallenden Bereiche von Sunk- und Schwallstrecken wurde aber bisher in nationalen und internationalen Studien fachlich kaum behandelt. Hier gilt es anzuführen, dass flussmorphologische Dynamik und al-luviale Veränderungen sehr stark von physiografischen, hydrologischen und sedimentologischen Prozessen abhängig sind, die ihrerseits wiederum für die Aus-prägung der Gewässergeometrie sowohl
Originalarbeit
326 Grundlagenuntersuchungen und Methodikentwicklung zur Bewertung des Wasserkraft-Schwalls
auf der Abschnittsebene als auch im Be-reich der kleinräumigen Strukturen ver-antwortlich sind (Nanson und Knighton 1996). Diese, an unterschiedliche Skalen gebundene Prozesse, wurden im Fal-le von Sunk- und Schwallstudien meist ignoriert. Dabei ermöglicht die Berück-sichtigung morphodynamischer und sedimentologischer Prozesse auf unter-schiedlichen Skalen beides; einerseits besitzen die Auswirkungen von einzugs-gebietsbezogenen Größen (z. B. Sedi-mentkontinuum) einen Einfluss auf die Ausformung von alluvialen Strukturen und damit verbundenen Habitateigen-schaften (z. B. Laichhabitate für Kieslai-cher, MZB-Zönose), andererseits und in umgekehrter Richtung entscheidet das Vorhandensein bestimmter Korngrößen über den Reproduktionserfolg mit Aus-wirkungen auf die gesamte Fischpopu-lation einer Fließgewässerstrecke bzw. eines Einzugsgebiets (Hauer et al. 2013a).
Der Begriff Kiesbank wird aus Sicht der Flussmorphologie als eine sehr generelle Beschreibung von unterschiedlichen flu-viatilen Gewässerstrukturen verstanden. Kiesbänke sind auch nicht in allen Typen von Fließgewässern zu finden. Church und Jones (1982) beschrieben, dass sich Kiesbänke nicht in Abschnitten mit einer relativen Rauigkeit von 0,3–1,0 ausbil-den. Diese relative Rauigkeit bezieht sich auf das Verhältnis des charakteristischen
Korndurchmessers d90
zur bordvollen Ab-flusstiefe, wobei das Verhältnis von d
90 zur
bordvollen Abflusstiefe > 0,3 vor allem in sehr steilen Gerinnen mit grobem Mate-rial vorzufinden ist, diese jedoch in der Regel keine Schwallstrecken sind. Fließ-gewässerstrecken mit einer sehr hohen relativen Rauigkeit sind vor allem bei den sogenannten „plane-bed“-Fluss-Klassi-fizierungen zu finden (Montgomery und Buffington, 1997). „Plane-bed“-Gewäs-serabschnitte sind gekennzeichnet durch kaum bis geringfügige Strukturierung des Gewässerlängs- und -querschnittes, was auf ein geringes Breiten- zu Abflusstiefen-verhältnis bzw. auch eine sehr hohe re-lative Rauigkeit (Church und Jones 1982) zurückzuführen ist.
Von energiewirtschaftlicher Seite her gilt es anzuführen, dass hohe ökonomi-sche Einbußen aufgrund der Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) bei bundesweit einheitlichen Grenzwerten für Schwall-Sunk-Verhältnisse zu erwar-ten sind (durch einen eingeschränkten Kraftwerkseinsatz würden Verluste an Re-gel- und Reserveleistung bei Einzelanla-gen bis zu 85 % betragen (z. B. 47,2 Mio. € pro Jahr für ein bestimmtes KW bei einer 1:3-Schwallbegrenzung) (Stigler et al. 2005). Aus diesen Erkenntnissen und Defiziten vorangegangener nationaler und internationaler Studien wurde unter dem Aspekt der unterschiedlichen Ska-
len in einem Fließgewässer das Projekt SCHWALL_2012 (Habersack et al. 2013) konzipiert und umgesetzt, welchem die Ergebnisse der vorliegenden Forschungs-arbeit zugrunde liegen. Aus fachlicher Sicht wurde zu Projektsbeginn angenom-men und als zentrale zu prüfende Hypo-these formuliert, dass eine Notwendigkeit zur Berücksichtigung von flussmorpho-logischen und sedimentologischen Unterschieden in einzelnen schwallbe-einflussten Fließgewässerstrecken hin-sichtlich einer Bewertung in Bezug auf die Ziele der Europäischen Wasserrah-menrichtlinie besteht, welche in der Um-setzung und Planung von Maßnahmen berücksichtigt werden sollten.
2. Untersuchungsgebiete
Um die Ziele des FFG-Bridge-II-For-schungsprojekts SCHWALL_2012 zu errei-chen, wurden in Abstimmung mit den Vertretern aus der Energiewasserwirt-schaft (Verbund, TIWAG, Illwerke_vkw) sechs österreichische Fließgewässer aus-gewählt, die Schwall-Sunk-Beeinflussun-gen aufweisen (Abb. 1). An diesen Flüssen wurden in Summe 16 Detailstrecken bestimmt, die in der Folge einer detail-lierten hydromorphologischen Analyse unterzogen wurden (Abb. 1). Grund für die Auswahl waren unterschiedliche morphologische Charakteristiken zur Überprüfung der Zielsetzung der Not-wendigkeit einer flusstypspezifischen Schwallbewertung und Typisierung.
Der Inn (Tirol) mit einer Gesamtlän-ge von 510 km (davon 302 km auf öster-reichischem Staatsgebiet), hat seinen Ursprung in der Schweiz auf einer Höhe von 2484 m. ü. A. (Muhar et al. 1996). Unterschiedliche hydromorphologi-sche Beeinflussungen des Inn liegen vor, wobei einzelne Maßnahmen bereits im 13. Jahrhundert dokumentiert wurden (bauliche Eingriffe zur Regulierung des Flussverlaufs). Als Konsequenz der Be-gradigungen des Flusslaufs und dem zu-nehmenden Sedimentrückhalt durch die Verbauung der Wildbäche in den oberen Einzugsgebieten weist der Inn in weiten Teilen der frei fließenden Strecken Sohl-eintiefung auf (Reichholf 1966). Schwall wird in den untersuchten Strecken des Inns durch die Kraftwerke (KW) Kauner-tal, Imst und Sellrain-Silz hervorgerufen, wobei es zu Überlagerungen von Schwal-len im Fließgewässer kommt.
In Vorarlberg lieferten zwei energie-wirtschaftlich genutzte Flüsse Grundla-gen für die Untersuchung einer möglichen flusstypspezifischen Bewertung des
Abb. 1 Darstellung der untersuchten schwallbeeinflussten Flüsse (n = 6) des For-schungsprojektes SCHWALL_2012; schwarze Punkte = Detailabschnitte der hydro-morphologischen Untersuchung (n = 16)
InnIll
Bregenzer Ach
Drau
Enns
Deutschland
Tschechische Rep.
Ungarn
Italien
Slowenien
Slowakei
Schweiz
ÖSTERREICH
DONAU
Ziller
Originalarbeit
Grundlagenuntersuchungen und Methodikentwicklung zur Bewertung des Wasserkraft-Schwalls 327
Schwalleinflusses. Die Bregenzerach mit einem nivalen Abflussregime (Mol 1978) wurde zwischen dem Schwallausgleichs-becken in Alberschwende und Langenegg in Bozenau (N 47° 28′ 25″/E 9° 50′ 59″) und der Mündung in den Bodensee (N 47° 30′ 062″/E 9° 41′ 53″) analysiert und bewer-tet. Im Bereich der Schluchtstrecke des Bregenzerwaldes (geologisch hauptsäch-lich aufgebaut aus Molasse-Sedimenten, z. B. Mergel oder unterschiedliche Kalke) bis hin zum Pegel Kennelbach (N 47° 28′ 34″/E 9° 46′ 31″), besitzt die Bregenzerach eine nahezu unbeeinflusste Hydromor-phologie (eigendynamische Entwicklung möglich, Sedimentkontinuum vorhan-den). Flussab der Abflussmessstelle Kennelbach bis zur Mündung in den Bo-densee wurde der Flusslauf jedoch stark durch Hochwasserschutzmaßnahmen begradigt (NGP 2010). Auf die gesamte Untersuchungsstrecke bezogen wurde für die ausgewählten 17,7 km ein absoluter Höhenunterschied von 70 m mit einem daraus resultierenden durchschnittlichen Gefälle von 0,004 ermittelt.
Ähnlich der Bregenzerach besitzt der zweite Vorarlberger Fluss, die Ill (durch-schnittliches Gefälle: 0,0039), ein nivales Abflussregime (Mol 1978). Die Flussmor-phologie hingegen zeigt im Vergleich eine deutliche Mehrbelastung auf und ist in keiner der ausgewählten Strecken in einem ähnlich naturnahen Zustand. Der Schwallbetrieb in der Ill wurde im vorlie-genden Projekt flussab des Walgauwerks untersucht, wobei im Kraftwerk von zwei Turbinen (34 m3s−1 Ausbaudurchfluss, je 43 MW Leistung) eine Fallhöhe von 162 m genutzt wird. Optional wird Schwall von der Lutz (Oberlieger) mit 2 × 8 m3s−1 in die Ill eingeleitet.
Als viertes zu untersuchendes Fließ-gewässer wurde die Drau gewählt, die entlang ihres Verlaufs die Grenze zwi-schen den kristallinen Zentralalpen und den Südlichen Kalkalpen bildet (Muhar et al. 2008). Die Drau ist charakterisiert durch ein nivo-glaziales Abflussregime mit den mittleren jährlichen Hochwäs-sern in den Doppelmonaten Juni und Juli (Mader et al., 1998). Weiters wurden am Ziller (Tirol) für diese Untersuchungen zwei Abschnitte auf der lokalen Ebene (N 47 19′ 47″/E 11° 51′ 58″; N 47° 12′ 19″/E 11° 52′ 08″) gewählt, wobei die Strecke 1 (Hart) von zwei Kraftwerken (KW Mayr-hofen und KW Gerlos: vier Turbinen mit je 22 MW Nennleistung), die Strecke 2 (Ramsau) hingegen nur vom KW Mayr-hofen (sechs Turbinen zu je 65 MW Nenn-leistung) durch Spitzenstromerzeugung und Regelleistung betroffen ist. Der Ziller
selbst wurde im Zuge der Kraftwerkser-richtung Mayrhofen in den 1960er-Jahren stark reguliert und besitzt auf seiner ge-samten Länge bis zur Mündung in den Inn keine Möglichkeit zur eigendynamischen Entwicklung
An der Enns wurden ebenfalls zwei Ab-schnitte auf der lokalen Ebene für Detail-untersuchungen ausgewählt. Ähnlich der Situation am Ziller werden in der Strecke 1 (N 47° 27′ 08″/E 13° 57′ 25″) Sunk und Schwall von zwei unterschiedlichen Kraft-werken (KW Sölk und KW Salza: 9 m3s−1 Ausbaudurchfluss) hervorgerufen. In dem flussauf gelegenen Detailabschnitt 2 (N 47° 29′ 17″/E 14° 01′ 07″) hingegen wird der Abfluss nur durch den Schwallbe-trieb des KW Sölk (Ausbaudurchfluss = 34 m3s−1) beeinflusst (Tab. 1). Die Morpholo-gie der Enns wurde bereits um 1860 durch die Umsetzung von Hochwasserschutz-maßnahmen grundlegend verändert.
3. Methodik
3.1. Skalenorientierte Bewertung des Schwalleinflusses
Grundlage für die Bewertung des Schwal-leinflusses bei unterschiedlichen Flussty-pen bildete ein skalenorientierter Ansatz zur Klassifizierung flussmorphologischer Einheiten (Abb. 2). Verschiedene Kon-zepte wurden im Bereich der Wissen-schaft entwickelt (z. B. Habersack 2000) wobei im Projekt SCHWALL_2012 eine Trennung der Methoden und Analysen auf 1) Strecken-, 2) lokale und 3) Punkt-Ebene durchgeführt wurde (Abb. 3). Die Einteilung der Gewässerstrecken erfolgte aufgrund einer räumlichen Mindestaus-dehnung von > 5 km, die Ausweisung von Detailabschnitten wurde hingegen aufgrund unterschiedlicher morpho-logischer Charakteristiken (z. B. alter-nierende Kiesbänke) durchgeführt. Die lokale Ebene (< 100 m) wurde gewählt, um gewässermorphologische Struktu-ren im Detail zu untersuchen, wobei hier sowohl die strukturellen Flächen als auch die Gewässerquerschnitte bewertet wurden.
3.2. Numerische Modellierung
Für die Analyse des Einflusses mor-phologischer Unterschiede in den Gewässerstrecken (n = 4) auf instatio-näre Schwallprozesse wurden hyd-rodynamisch-numerische Modelle (eindimensional, zweidimensional) in das Untersuchungsdesign implementiert, die in den letzten Jahren in geomorpholo-
gischen und hydrologischen Forschungs-fragen vermehrt zur Anwendung kamen. Eindimensionale (1D) numerische Strö-mungsmodelle zeigten bereits in der Ver-gangenheit eine breite Anwendungsbasis für unterschiedliche wasserbautechni-sche Fragestellungen bzw. Umweltstu-dien und Umweltgutachten (Bhallamudi und Chaudhury 1991; Correia et al. 1992; Niekerk et al. 1992). Die physikalischen Grundgleichungen der Gewässerhyd-raulik, die in der Modellierung berück-sichtigt werden müssen, sind: 1) die Massenerhaltungs- oder Kontinuitäts-gleichung und 2) die Energieerhaltung (Mahmood und Yevjevich 1975). Die im Projekt verwendete Modellierungsoft-ware HEC-RAS berechnet den Freispie-gelabfluss in einem Fließgewässer mittels der eindimensionalen St.-Venant-Glei-chungen, basierend auf einem Vier-Punkt impliziten Finiten-Differenzen-Schema. Dies ermöglicht die Modellierung größe-rer Zeitschritte im Vergleich zu explizi-ten numerischen Verfahren (Ligget und Cunge 1975).
Zusätzlich zur eindimenisonalen numerischen Modellierung wurden im Projekt SCHWALL_2012 zweidimensio-nal-tiefengemittelte Modelle verwendet, zur Berücksichtigung von lateralem Ener-gieaustausch (z. B. Kehrströmungen in Buhnenfeldern) und des Einflusses auf den instationären Schwallwellenablauf im Vergleich zu vereinfachten Ansät-zen der eindimensionalen numerischen Modellierung (Kontraktions- und Ex-pansionsbeiwerte). Die verwendete zweidimensional-tiefengemittelte Mo-dellierungssoftware Hydro_As −2D (Nu-jic 1999), welche die Oberfläche des SMS (Surfacewater Modelling System)-Pro-gramms für das Pre- und Postprocessing der numerischen Modellierung nutzt, löst die tiefengemittelten Strömungs-gleichungen basierend auf der Finiten-Volumen-Methode (vgl. Xia und Ling 2008). Die Berücksichtigung der Viskosi-tät erfolgt über empirische und konstante Ansätze. In beiden Modellierungsansät-zen (eindimensional/zweidimensional) wurden Phänomene wie Coriolis-Kraft und Windeinfluss vernachlässigt. Para-meter, die aus der instationären Model-lierung heraus für die Ziele des Projektes SCHWALL_2012 bewertet wurden, sind:■ Dämpfung des Schwall-Abflusses
(m3s−1),■ Veränderung der Dauer des Schwall-
Abflusses (h),■ Schwall- und Sunkgeschwindigkeit
(m3s−1/min oder cm min−1).
Originalarbeit
328 Grundlagenuntersuchungen und Methodikentwicklung zur Bewertung des Wasserkraft-Schwalls
Folgende morphologische Ausprägungen bzw. Strukturen wurden auf der lokalen Ebene bewertet:■ Kiesbänke in Gewässerkrümmung
(point bars),■ alternierende Kiesbänke,■ Kiesbänke in Flussmitte von Bi-Furka-
tionsbereichen (mid-channel bars),
■ Buhnenfelder mit fluviatilen Ablage-rungen,
■ Buhnenfelder ohne Ablagerungen.
Für die Analyse der unterschiedlichen, repräsentativen morphologischen Struk- turen (n = 5) im Detail wurden zusätz-lich charakteristische Profile der Gewäs-
sergeometrien (n = 10) ausgewählt, um in einer Form der Sensitivitätsanalyse abflussbezogene Variationen der Abiotik zu analysieren und darzustellen. Für die Durchführung wurde ein äquidistanter Abflusswert von ∆Q = 5 m3s−1 zwischen 5 m3s−1 und 250 m3s−1 in allen Untersu-chungsstrecken modelliert, unabhängig
Tab. 1 Beschreibung der ausgewählten lokalen Detail-Abschnitte (n = 16) basierend auf morphologischen, hydrologischen und sedimentologischen Charakteristiken; MNQT = mittlerer niedrigster Tagesmittelabfluss aller Beobachtungsjahre, MQ = mittlerer Tagesmittelabfluss aller Beobachtungsjahre, Dbf = bordvolle Tiefe, Wbf = bordvolle Breite, Gef. = mittleres Sohlgefälle eines Detailabschnitts, Länge = Länge des Detailabschnitts, bed_min = minimale Sohlhöhe im Detailabschnitt, morph. = morpho-logische Klassifizierung, AGB = alternierende Kiesbänke, RP = Furt-Kolk Morphologie, bifur. = Bifurkation, Schwall = Ausbau-durchfluss einer oder mehrerer Turbinen in einem Kraftwerk
n = Anzahl der Querprofile innerhalb eines DetailabschnittesaRestwasserstrecke; gesetzlich vorgeschriebene Mindestwassermenge 4,5 m3s–1/ Schwall = aufgezeichneter Abflusspegel minus 43 m3s−1 Wehr HämmerlebRestwasserstrecke; gesetzlich vorgeschriebene Mindestwassermenge 1,3 m3s−1
cRestwasserstrecke; gesetzlich vorgeschriebene Mindestwassermenge 1 m3s−1 + ZwischeneinzugsgebietdIllwerke_vkweTIWAGfVerbundgEngadiner Kraftwerke (Schweiz)hnach Muhar et al. (1998)inach Montgomery and Buffington (1997)
Originalarbeit
Grundlagenuntersuchungen und Methodikentwicklung zur Bewertung des Wasserkraft-Schwalls 329
von der Gewässergröße (z. B. bordvolle Breite) und Basisabflussmenge. Der Fokus der abiotischen Auswertung wurde auf die Darstellung der abflussbezogenen Änderungen der benetzten Breiten bzw. Änderungen der Wassertiefe gelegt. Um auch die unterschiedlichen Größenver-hältnisse der Flüsse darzustellen, wurde für jede grafische Auswertung der mittlere Jahresabfluss (MQ) ersichtlich gemacht.
Für fachlich fundierte Aussagen zur Bewertung von Sunk-Schwall-Prozessen
bzw. um Möglichkeiten der Optimierung zu diskutieren, war es notwendig, auf beiden Skalenebenen (Abschnitt, lokal) Verschneidungen der Gewässermor-phologie bzw. Hydraulik mit bestimm-ten Zeigerorganismen durchzuführen. In der Wasserwechselzone sind beide, die terrestrischen (z. B. Laufkäfer) und die aquatischen Habitate von Interesse, wobei im Zuge der Untersuchungen des Forschungsprojektes SCHWALL_2012 ein Fokus auf die abflussbezogenen Ände-rungen des nutzbaren Lebensraumes von 0 + Bachforellen (Salmo trutta) bzw. ausgewählten benthischen Organismen gelegt wurde. Die Bachforelle wurde
deshalb gewählt, weil sie in allen unter-suchten Abschn. (n = 16) als Leitfischart oder häufige Begleitart vorkommt (NGP 2010). Ein weiterer Grund für die Wahl dieser Fischart ist begründet in der Tat-sache, dass die meisten der österreichi-schen Flüsse mit Schwallbelastung in der Äschen- bzw. Forellenregion liegen (Jungwirth et al. 2003).
Eine Annahme der Habitatmodellie-rung als integratives Bewertungsverfah-ren zwischen Gewässermorphologie und Ökologie war, dass die Nutzung der aqua-tischen Lebensräume der 0 + Bachforel-len in allen gewählten Abschn. (n = 16) gleich ist. Innerhalb des Forschungs-
Abb. 2 Darstellung unterschiedlicher flussmorphologischer Skalen am Beispiel von Höhenmodellen bzw. Gewässerquerschnit-ten der Ill; a Streckenebene: Rückleitung Wallgauwerk bis ins Stadtgebiet von Feldkirch; b Abschnittsebene: Detailabschnitt 2, Buhnenfeld in Frastanz (Vermessungsgrundlage > 1 400 Punkte im Flussschlauch); c lokale Ebene: DTM-Detailansicht eines Buhnenfeldes (Lage bzw. Querschnitt); XS = Querprofil
c
b
a
N
Originalarbeit
330 Grundlagenuntersuchungen und Methodikentwicklung zur Bewertung des Wasserkraft-Schwalls
projektes SCHWALL_2012 wurde sowohl die Wassertiefe als auch die zweidimen-sional-tiefengemittelte Fließgeschwin-digkeit mittels der multiplikativen Verknüpfung der Nutzungsindizes (Bo-vee 1986, Gl. 1) in die Mikrohabiat-eva-luierung integriert.
zusammengefasst
(1)
wobei: SId = Nutzungsindex Wassertiefe,
SIv = Nutzungsindex Fließgeschwindig-
keit, SItotal
= Nutzungsindex total, SIi = Nut-
zungsindex variabel.Um quantitative Aussagen der Ha-
bitatänderungen zwischen Sunk und Schwall treffen zu können, wurde die Me-thode der gewichteten nutzbaren Flächen (Weighted Usable Areas, WUAs, Bovee 1986) als Funktion von Elementanzahl und kumulativen Nutzungsindizes für je-des benetzte Element gewählt (Gl. 2).
SItotal = SId · SIv
SItotal =I∏
i=1
SIi
(2)
wobei: n = Anzahl der Modellelemente, (-), HSI
i = Habitatnutzungs-Index gesamt: SI
Fließgeschwindigkeit * SI Wassertiefe (-), A
i = Fläche der einzelnen Zellen (m2).
Die numerische Bewertung der hy-dromorphologischen Einheiten (Meso-habitatmodellierung) erfolgte mittels Mesohabitat Evaluation Model (MEM, Hauer et al. 2009; Tritthart et al. 2008), wel-ches eine quantitative Bilanzierung von Flächen mittels funktionaler Verknüpfung von Fließgeschwindigkeit, Wassertiefe und Sohlschubspannung für instationäre Prozesse (Sunk/Schwall) ermöglicht.
3.4. Korngrößenbestimmung und Perzentil-Analyse
Für die Bestimmung der Korngrößen auf den Kiesbänken bzw. entlang der Ufer wurde in den einzelnen Untersuchungs-abschnitten (n = 16) mittels Gravelometer
WUA =n∑
i=1HSIi · Ai
(dünne Aluminiumplatte mit quadrati-schen Löchern unterschiedlicher Größe) eine repräsentative Anzahl von Linien-zahlanalysen zur Beschreibung der Band-weite und Streuung der Kornverteilungen durchgeführt. Die quadratischen Löcher des Gravelometers repräsentieren in der Größenordnung von 0,5 ϕ (ϕ =Phi: -log2 (D
i)) ein Set von unterschiedlichen Sieb-
fraktionen, beginnend mit 2 mm bis hin zu 256 mm (in Abhängigkeit von der Größe des Gravelometers) (Bunte und Abt 2001). Probestellen, die Korngrößen > 256 mm beinhalteten, wurden zusätz-lich mittels Maßband bestimmt, um auch die gröberen Fraktionen der auftretenden Kornverteilungen in die Analyse mit-einbeziehen zu können. Die Erstellung einer kumulativen Kornverteilungskurve (Deckschicht-Analyse) war möglich durch einen quantitativen Probenumfang von minimal 150 Steinen, mit einer Anzahl von ca. 30 Stück in den mittleren Korn-größenklassen. Sedimentgrößen < 2 mm wurden aufgrund der Konstruktion des
Abb. 3 a Ausgewählte Fließgewässerstrecke für die instationäre hydrodynamisch-numerische Modellierung an der Drau; schwarze Linie = Sohlhöhe; schwarze strichlierte Linie (grob) = Abflussbreite für MNQT; schwarze strichlierte Linie (fein) = Ab-flussbreite für MQ; b Luftbild des Detailabschnitts Inn 3 (lokale Ebene) bzw. Geländemodell für die hydrodynamisch-numerische Modellierung (eindimensional/zweidimensional); Flkm = Flusskilometer
525
530
535
540
545
550
555
02000400060008000100001200014000
Stationierung flussab (m)
Sohl
höhe
(m.ü
.A)
0
20
40
60
80
100
120
Abf
luss
brei
te M
NQ
T /
MQ
(m)
0.0017
+ Flkm: 343.5
250 [m]
N
0
+ Flkm: 344.1
a
b
Originalarbeit
Grundlagenuntersuchungen und Methodikentwicklung zur Bewertung des Wasserkraft-Schwalls 331
Gravelometers bei den Probenahmen nicht aufgenommen und daher auch in den weiterführenden (statistischen) Ana-lysen vernachlässigt. In der Theorie ist es möglich, jedes Perzentil der Kornvertei-lungen für weiterführende Analysen zu verwenden (Bunte und Abt 2001), jedoch gibt es sogenannte charakteristische Korngrößen wie d
m (geometrisches Mit-
tel), d50
(Median), und d90
(90 % der Korn-verteilung feiner), die in einer Vielzahl von wasserbaulichen Fragestellungen (Sedimenttransport, Rauigkeitsbestim-mung) zur Anwendung kommen. Für das Forschungsprojekt SCHWALL_2012 wur-den diese charakteristischen Korngrößen um folgende Werte erweitert; d
5, d
10, d
20,
d30
, d40
, d50
, d60
, d70
, d80
, d90
, d16
und d84
.
3.5. Freeze-Core-Probennahme
Als eine Form der Sedimentqualitäts-bewertung wurden in den untersuchten Gewässerabschnitten sogenannte Freeze Cores bzw. Freeze Panels gezogen und ausgewertet. Für die Freeze-Core-Probe-nahme wurde ein Metallrohr 1 m bzw. 0,5 m tief in die Flusssohle geschlagen. Mittels flüssigen Stickstoffs wurde das Rohr auf −196 °C heruntergekühlt, sodass das Flusssubstrat am Rohr festfror. Dieser Vorgang dauerte je nach Wassertempe-ratur zwischen 20 und 45 min. Daraufhin wurde das Rohr aus der Gewässersohle gezogen und die Probe auf einem Mess-schiff bzw. am Ufer mittels einer Kreissäge in unterschiedlich dicke Schichten zer-schnitten. Das gewonnene Material wurde nach Schichten getrennt (z. B. 0–10 cm), in einzelne Kübel gefüllt, mit Formol fixiert (Endkonzentration: 4 %). und nach dem Trocknen getrennt, gesiebt bzw. analy-siert. Bei manchen Proben mit sehr gro-bem Sohlmaterial waren bis zu drei Kübel je Schicht zur Aufbewahrung bzw. für den Transport notwendig. Die Probenahmen wurden in Zusammenarbeit mit der Firma UWITEC in den Monaten Jänner bis April 2011 durchgeführt. In Summe wurden 41 Freeze-Core-Proben in den unterschied-lichen Detailabschnitten des Forschungs-projektes SCHWALL_2012 gezogen, die in ihrer Anordnung in den Detailstrecken immer von Flussmitte in Richtung Ufer ausgerichtet wurden. Die Auswertungen erfolgten nach der Siebung mittels Korn-verteilungskurven, der Berechnung von charakteristischen Korngrößen (z. B. d
50, d
m, d
90) und vor allem in der Gegen-
überstellung der relativen Feinanteile in den jeweiligen Substratproben (Szena-rien: < 2 mm, < 0,5 mm, < 0,125 mm) mit den auftretenden hydrologischen Sunk-
Schwall-Beeinflussungen bzw. den fluss-typspezifischen Randbedingungen (z. B. lokales Gefälle, bordvolle Tiefe). Zusätzlich wurden die Proben grob und übersichts-weise auf Vorkommen von Makrozoobent-hos-Organismen untersucht.
3.6. Makrozoobenthos: Beprobung und Auswertung
Zur Charakterisierung und zur Analyse von Fließgewässern ohne Schwall (Ver-gleichsstrecken) und schwallbeeinflussten Abschnitten wurden im Forschungsprojekt SCHWALL_2012 die Methoden des modi-fizierten Kasten-(Surber)-Samplers sowie je ein Multi-Habitat-Sampling herangezo-gen. Ziel der Multi-Habitat-Probenahme (MHS) zur Beurteilung des ökologischen Zustandes von Fließgewässern auf Basis des Qualitätselementes Makrozoobent-hos ist „die standardisierte flächenmäßig gewichtete Besammlung aller repräsen-tativen Habitate innerhalb einer Unter-suchungsstelle“ (Ofenböck et al. 2010). Aus bisherigen Studien zu Auswirkungen von Schwall- und Sunk-Erscheinungen geht hervor, dass die Methode des Mul-ti-Habitat-Samplings nicht immer aus-sagekräftige Ergebnisse liefert, worauf in Ofenböck et al. (2010) eindeutig hin-gewiesen wird. Daher wurde zusätzlich zur Wasserrahmenrichtlinien-konfor-men Methode (MHS) ein individuelles Probenahme-Design zur quantitativen Erhebung des Makrozoobenthos mittels modifizierter Kasten-Sampler entwickelt. Kasten-Sampler weisen eine Grundfläche von 33 × 33 cm (= 0,1 m2) und eine Höhe von 40 cm auf. Das Fangnetz des Kasten-Samplers besitzt eine Maschenweite von 100 µm und eine Gesamtlänge von min-destens 1 m. Der Sampler wurde gegen die Fließrichtung aufgestellt und die Gewäs-sersohle, je nach möglicher Eindringtiefe, mit einem Schraubenzieher aufgewühlt und mit einer Bürste abgebürstet. Die aufgewühlten benthischen Organismen und ein Teil des Substrates wurden von der Strömung in das Fangnetz gespült. Die somit gewonnenen Proben wurden einzeln in Dosen gefüllt, beschriftet und anschließend mit Formol (Endkonzentra-tion: 4 %) in den beiden Probenahmestel-len am Inn fixiert (vgl. Abb. 6).
4. Ergebnisse
4.1. Numerische Analyse der Schwalldämpfung
Insgesamt wurden für die Analysen auf der Streckenebene 221 eindimensionale
stationäre und 195 eindimensionale bzw. zweidimensional-tiefengemittelte insta-tionäre Modellläufe durchgeführt, um die Hypothesen und Ziele des Forschungs-projektes SCHWALL_2012 zu testen. Als eine Form des Pre-Processings für die sta-tionäre und instationäre Modellierung, musste der Rauigkeitsbeiwert (Korn ± Formrauigkeit) in den unterschiedlichen Gewässerstrecken (n = 4) kalibriert wer-den. Der Vergleich von gemessenem und berechnetem Wasserspiegel zeigte eine gute Übereinstimmung für den Basisab-fluss: Die meisten Abweichungen in den Querprofilen waren kleiner als ± 4 cm mit maximalen Ausreißern in den Verglei-chen von 13 cm.
Eine Möglichkeit, die Auswirkungen des Schwalleinflusses auf die Gewässer-ökologie zu reduzieren, ist die Dämp-fung des Schwalls (∆Q), die Abnahme der Schwalldauer (∆t) und der Sunkge-schwindigkeit (cm min−1) am absteigen-den Ast der Schwallwelle. Aus diesem Grund wurde bei den Auswertungen der eindimensionalen und zweidimensio-nalen instationären Modellierungen ein spezieller Fokus auf diese drei Parame-ter gelegt. Zusätzlich und im speziellen Interesse für ein zukünftiges Schwallma-nagement wurden hydromorphologische Parameter (z. B. Varianz der Breite) den einzelnen instationären Szenarien und Modellergebnissen (z. B. Schwalldämp-fung) gegenübergestellt, um den Einfluss der variablen Gewässermorphologie auf Sunk-Schwall-Prozesse quantitativ und in einem generellen Modellansatz zu er-fassen.
Zusammenfassend kann gesagt wer-den, dass eine Schwalldämpfung für alle Szenarien (1:3–1:10) nur für jene Teilstre-cken mit einem Sohlgefälle < 0,005 und einer Schwalldauer < 2 h mittels numeri-scher Modellierung nachgewiesen wer-den konnte (unter Berücksichtigung der maximalen Teilstreckenlänge = 23,04 km, Abb. 4). Modellierungen am Inn zeigten in der Kombination der Strecken Inn_1 und Inn_2 (Gesamtlänge = 54,07 km), dass auch Schwallwellen mit einer Dauer > 4 h eine Dämpfung des Wellenscheitels aufweisen können. In einer weiteren Ana-lyse zur Schwalldämpfung konnte gezeigt werden, dass eine Korrelation (R2 = 0,70) zwischen der Differenz von Schwall und Basisabfluss im Verhältnis zum Sohlgefäl-le der Teilstrecken mit der Schwalldämp-fung pro Kilometer Flusslänge besteht, unabhängig von den analysierten Teil-strecken (max. Länge von 23,04 km) und Sunk- Schwall-Verhältniszahlen.
Originalarbeit
332 Grundlagenuntersuchungen und Methodikentwicklung zur Bewertung des Wasserkraft-Schwalls
4.2. Bewertung des Einflusses unterschiedlicher morphologischer Strukturen
Im Allgemeinen wird davon ausgegan-gen, dass Sunk und Schwall in einem Fließgewässer den Stress von aquati-schen Organismen vor allem in den Wasserwechselzonen erhöhen. Dieser Stress, verursacht durch Wasserspie-gelschwankungen, wurde für juvenile Bachforellen (Salmo trutta) in Experi-mentierrinnen durch Flodmark et al. (2002) bzw. in Schmutz et al. (2013) für 0 + Äschen (Thymallus thymallus) getestet. Als eines der Ergebnisse der Forschungs-
arbeit von Flodmark et al. (2002) wurde eine Reduktion dieses Stressparameters bei den Fischen dokumentiert, nachdem sich die Bachforellen (nach mehreren Tagen) durchaus an die regelmäßigen Abfluss- bzw. Wasserstandsschwankun-gen gewöhnt hatten. Die Ergebnisse von Schmutz et al. (2013) dokumentierten hingegen eine sehr starke Reaktion der 0 + Äschen auf künstliche Veränderun-gen der Fließgeschwindigkeiten gerade in den frühen Altersstadien von Äschen. Andere Untersuchungen mit künstlichen Veränderungen des Abflusses zeigten wiederum als Ergebnis nur sehr träge bzw. nur geringe Reaktionen der Fische,
ihre Position im Gewässer in jene Berei-che zu verlagern (lateral), die deutlich geringere Fließgeschwindigkeiten zeig-ten (Shrivell 1994; Vehanen et al. 2000; Kemp et al. 2003; Vilizz und Copp 2005). Von diesem Standpunkt aus betrachtet würde grobes Sohlmaterial einen posi-tiven Effekt auf die Habitatnutzung der z. B. 0 + Bachforellen zeigen, da durch die absolute Rauigkeitshöhe (repräsen-tiert durch den d
90) ein Strömungsschutz
flussab des Rauigkeitselements entsteht, welcher selbst bei steigendem Durchfluss (Schwall) Bereiche mit geringen Fließge-schwindigkeiten aufweisen würde.
In Bezug auf die Variabilität der unter-suchten Gewässerabschnitte und als Grundlage für die Notwendigkeit einer flusstypspezifischen Bewertung sind die Ergebnisse in der Abb. 5 anzusehen. Ausge-wählte Querschnitte der unterschiedlichen Detailabschnitte (n = 16) zeigen die Verän-derung der benetzten Breite in Abhängig-keit von zunehmendem Durchfluss (∆Q = 5 m3s−1, Maximum: 250 m3s−1). Um die hydro-logischen Unterschiede zwischen den aus-gewählten Abschnitten zu verdeutlichen, wurde in den jeweiligen Abschnitten mit der Lamellenrechnung vom zugehörigen MNQT-Wert ausgegangen (Tab. 1) bzw. fin-det sich ebenfalls ein Verweis auf die Größe des MQ-Wertes in der Grafik.
Die grafischen Auswertungen zeigen eine Ähnlichkeit in den Ergebnissen für die Analysen der Krümmungskiesbänke (point bars) (1–3) mit einer mehr oder weniger kontinuierlichen Zunahme der benetzten Gewässerbreite bei steigendem Durchfluss. Im Gegensatz dazu zeigen die beiden alternierenden Kiesbänke eine hohe Variabilität in Bezug auf die Breiten-änderung in Abhängigkeit vom Durch-fluss. Der Abschn. 2 am Inn weist eine nur geringe Änderung (Zunahme) der benetz-ten Breite (< 15 m) bis zu einem Abfluss von 140 m3s−1 auf (Abb. 5), wohingegen die Bregenzerach (Abschn. 1, Stadtgebiet von Bregenz) aufgrund der morphologischen Gegebenheiten bei einer Abflusszunahme in diesen Bereichen einen sehr großen An-stieg der benetzten Breiten zeigt (> 40 m). Die grafische Auswertung der Abfluss-Ge-wässerbreiten-Beziehung zeichnet ein ähnliches Bild für die ‚mid-channel bars‘ in Bi-Furkationsabschnitten wie für die zuerst genannten Krümmungs-Kiesbän-ke (point bars). Der Anstieg der Kurven in diesen Abschnitten ist jedoch deutlich steiler, bedingt durch eine geringere Zu-nahme der benetzten Breiten mit steigen-dem Abfluss. Generell kann aufgrund der Ergebnisse der Abb. 5 festgehalten werden das bei gleichen Änderungen des Abflus-
Abb. 5 Sensitivitätsanalyse für die Änderung der benetzten Breite in Abhängigkeit vom Durchfluss für unterschiedliche repräsentative Querprofile ausgewählter mor-phologischer Detailabschnitte; Abflussszenarien wurden aufgrund einer äquidis-tanten Varianz von ∆Q = 5 m3s−1 durchgeführt; pb = point bar, agb = alternierende Kiesbänke, mcb = mid channel bar, gwd = Buhnenfeld mit fluviatilen Ablagerungen, gwod = Buhnenfeld ohne fluviatile Ablagerungen, schwarze Punkte = MQ-Werte für die bestimmten Abschnitte (n = 10). (Grafik aus Hauer et al. 2013b)
Abb. 4 Schwalldämpfung (∆Q), standardisiert für 1 km Flusslänge, für unterschied-liche Szenarien der Schwalldauer; a 0,5 h (Symbole: weiß), b 1 h (Symbole: grau), und c 2 h (Symbole: schwarz). z. B. 1_3 = Verhältnis QBasis/ QSchwall (Grafik aus Hauer et al. 2012)
Grundlagenuntersuchungen und Methodikentwicklung zur Bewertung des Wasserkraft-Schwalls 333
Abb. 6 Untersuchte Habitattypen am Inn a Buhnenfeld bei Telfs (Detailabschnitt Inn 2), b eigendynamisch entwickelte Krüm-mungskiesbank im Detailabschnitt Inn 3 (Haiming); rot = hohe Habitatnutzung; blau = ungeeigneter Lebensraum für 0 + Bachforellen
Originalarbeit
334 Grundlagenuntersuchungen und Methodikentwicklung zur Bewertung des Wasserkraft-Schwalls
ses bzw. der Abflussrelationen sehr unter-schiedliche Breitenänderungen (Größe der Wasserwechselzonen) auftreten kön-nen, wobei eine ähnlich hohe Variabilität auch für Fließgeschwindigkeiten, Sohl-schubspannung, Froude-Zahl und spe-zifische Strömungsenergie ausgewiesen werden konnte.
4.3. Bedeutung von Buchten in Sunk-Schwall-Gewässerstrecken
Im Zuge der numerischen Analyse auf der lokalen Ebene zeigte sich, dass Buchtbe-reiche, ob eigendynamisch entstanden oder künstlich angelegt, aus hydrauli-scher Sicht günstige Habitatbedingungen in Sunk-Schwall-Strecken zeigen, da a) die Wasserwechselzone aufgrund des steileren Böschungswinkels (tlw. kohäsi-ves Material) gering ist bzw. b) sowohl bei Schwall als auch bei Sunk tlw. nur gering-fügige Änderungen der Fließgeschwin-digkeitsverteilung auftreten (sehr geringe Fließgeschwindigkeiten durch Sekun-därströmungseffekte). Daher war es im Zuge des Forschungsprojekts von beson-derem Interesse, diese Strukturbereiche im Detail auf ihre Lebensraumqualität zu bewerten. Die beispielhaft durchge-führte Untersuchung der Makrozoobent-hos-Besiedelung von unterschiedlichen Buchtbereichen am Inn (Vergleich eines künstlichen Stillwasserbereichs eines Buhnenfeldes mit einem natürlichen Ruhigwasserbereich (point bar)) zeig-ten hierbei wesentliche Unterschiede. Hinsichtlich Abundanz (Ind./m2) und Biomasse (g/m2) wurden etwa 22- bzw. 51-fach höhere Werte für die Kiesbank-Bucht errechnet, was die unterschiedli-che Habitatqualität eindrucksvoll belegt. Die Zönosenstruktur wurde in beiden Fällen von der Dipterenfamilie der Chi-ronomidae dominiert. Während jedoch im Buhnenfeld ausschließlich drei Groß-gruppen (Chironomida, restliche Dip-tera und Oligochaeta) vorkamen, war im Bereich der point bar eine weitaus hete-rogenere Besiedlung einer flusstypischen Fauna gegeben (u. a. Ephemeroptera, Plecoptera, Trichoptera), wobei Oligo-chaeta gänzlich fehlen. Dabei spielt die Substratzusammensetzung eine wesent-liche Rolle. Im Buhnenfeld sedimentieren ausschließlich sandige Feinpartikel, die nur von detritivoren Habitatspezialisten spärlich besiedelt werden. Flussab der Krümmungskiesbank lagern sich, neben sandigen Sedimenten, zum Großteil auch kiesige Fraktionen (Akal bis Mikro-lithal) ab, was zu einer unterschiedli-chen Fresstypenzusammensetzung führt
und typischen Lithalbewohnern einen Lebensraum bietet (Abb. 6b). Obwohl in beiden untersuchten Buchtstruktu-ren günstige Lebensräume für juvenile Bachforellen nachgewiesen wurden bzw. ein geringeres Strandungsrisiko besteht (Abb. 6), ist auch aufgrund der benthischen Besiedelung (z. B. als Nah-rungsgrundlage für die Fischökologie) eindeutig den eigendynamischen Bucht-bereichen im Vergleich zu technischen Lösungen wie z. B. Buhnenfelder am Inn (Abb. 6) der Vorzug zu geben.
4.4. Korngrößeneigenschaften und Schwall (Freeze-Core-Proben)
Bei den Auswertungen der getrockne-ten und gesiebten Freeze Cores (Siebung im Zeitraum Juli bis September 2011) wurden jeweils drei unterschiedliche Korngrößenklassen bei der Bestimmung der Feinanteile gewählt (< 0,125 mm, < 0,5 mm, < 2 mm). Als repräsentativ für den relativen Feinanteil der Ton- und Schluff-Fraktion wurden alle Siebdurch-gänge < 0,125 mm angesehen. Für ein zukünftiges Schwallmanagement von besonderer Bedeutung war die Analyse von möglichen Wechselwirkungen zwi-schen Feinsedimentanteil und lokaler Flussmorphologie bzw. hydrologischen Kenngrößen (z. B. Sunk-Schwall-Verhält-nis). Abbildung 3.17 zeigt die Ergebnisse einer Gegenüberstellung des relativen Feinanteils (< 0,125 mm) mit dem jewei-ligen Sunk-Schwall-Verhältnis in den gewählten Gewässerabschnitten. Die Größenordnung dieses Verhältnisses, dargstellt auf der x-Achse, wurde auf-grund der ausgewiesenen Kenngrößen (MNQT, Ausbaudurchfluss) der Tab. 1 gewählt. Die Auswertungen zeigen deut-lich, dass kein Zusammenhang zwischen einer Sunk-Schwall-Verhältniszahl und dem relativen Feinanteil < 0,125 mm in einer Tiefe von 0–10 cm (R2 = 0,05; Abb. 7) bzw. 10–20 cm (R2 < 0,01) besteht. Eine Tiefe des Freeze Cores von 20 cm wurde für die Bewertung aufgrund der Bedeu-tung als Lebensraum bzw. als mögliches Laichhabitat ausgewählt. Die weiter-führenden hydromorphologischen Ana-lysen brachten ein ähnliches Ergebnis. Es wurde kein Zusammenhang mit dem lokalen Gefälle der unterschiedlichen Detailabschnitte (n = 14, zwei Detailstre-cken wurden nicht beprobt) und dem Feinanteil < 0,125 mm für eine Substrat-tiefe von 0–10 cm (R2 < 0,01) bzw. auch von 10–20 cm (R2 < 0,01) festgestellt. Die Gegenüberstellung der bordvollen Abflusstiefe mit R2 < 0,01 für 0–10 cm
und R2 = 0,04 für 10–20 cm zeigte eben-falls keinen Zusammenhang. Ein Trend wurde jedoch für eine Zunahme der ober-flächennahen Feinanteile in der Was-serwechselzone nachgewiesen, wobei allgemein anzumerken ist, dass im Zuge der Studie nur schwallbeeinflusste Fließ-gewässerstrecken untersucht wurden (kein Vergleich daher zu Referenzgewäs-sern möglich).
5. Diskussion und Schlussfolgerungen
Flussmorphologische Unterschiede wur-den bisher für die ökologischen Bewer-tungen von Sunk/Schwall in Österreich nicht im Detail betrachtet, sondern es wurde für die rechtliche Handhabe eine Vereinfachung der Sunk- und Schwall-prozesse durch eine Grenzwertbestim-mung (z. B. 1:3) durchgeführt – wobei in Erlässen und Erläuterungen zu den Ver-ordnungen bestimmte Differenzierun-gen gemacht wurden (siehe Einleitung). Die derzeit auch international stark in Diskussion befindlichen Sunk-Schwall-Verhältnisse (relative Beziehung zwi-schen Basis- und Schwallabfluss) wurden bereits in der Arbeit von Parasiewicz et al. (1998) bzw. Moog (1993) für die Bregen-zerach zusammen mit der quantitati-ven Analyse von nutzbaren Habitaten (Makrozoobenthos, Fische) analysiert und bewertet, wobei hier die Größenord-nung von Sunk-Schwall-Verhältniszah-len positiv mit den Auswirkungen auf die Gewässerökologie in Beziehung gesetzt wurde. Um die nun vorliegenden Ergeb-nisse und die Bedeutung der Variabi-litäten der Gewässergeometrie in den zukünftigen Diskussionsprozess hinsicht-lich einer möglichen Ergänzung bzw. Überarbeitung von Gewässerbewirtschaf-tungsplänen einfließen zu lassen, sei hier auf weiterführende Analysen hinsicht-
Abb. 7 Gegenüberstellung des Sunk-Schwall-Verhältnisses und der relativen Feinanteile < 0,125 mm der Freeze-Core-Probenauswertungen in einer Tiefe von (a) 0–10 cm
0.00.51.01.52.02.53.03.
1050 15 20 25VerhältinsSunk/Schwall
Fei
nan
teil
< 0.
125
mm
(%
)
Originalarbeit
Grundlagenuntersuchungen und Methodikentwicklung zur Bewertung des Wasserkraft-Schwalls 335
lich einer Trennung von hydrologischem (Schwall) und morphologischem Einfluss (Regulierung), dargestellt in Abb. 8, ver-wiesen. Das dargestellte Beispiel zeigt eine Untersuchung an der Ill, wobei der numerisch modellierten Abflussganglinie in der Strecke 2 (bei Frastanz) eine som-merliche Mittelwassersituation zugrunde liegt (+ Schwall aus 2 Turbinen Walgau-werk). In Ergänzung dazu ist in der Abb. 8b die quantitative zeitliche Änderung der Mesohabitatverteilung in Bezug auf das gewählte Schwallszenario dargestellt.
Der Abfluss des aufgezeichneten Sze-narios (Pegel Frastanz) steigt an diesem konkreten Beispiel von ca. 80 m3s−1 auf über 140 m3s−1 an, was einer Abflusszu-
nahme von 75 % entspricht. Die durch den Schwall ausgelöste Habitatveränderung (Abb. 8b) ist jedoch sehr klein. Der hohe Basisabfluss (≠ nat. Abfluss) im Sommer führt dazu, dass bereits ohne Schwall sehr schlechte Habitatverhältnisse aufgrund der sehr hohen Fließgeschwindigkeiten (Schnelle Rinner) ausgewiesen wurden. Der Anteil an Schnellen Rinnern (Fließ-geschwindigkeit > 1 ms−1) liegt während des Sunks bereits bei 78 % und nimmt bei Schwall nur mehr geringfügig zu (81 %). Ausschlaggebend für diese habitatlimi-tierende Situation ist die Hochwasser-Regulierung der Ill. Ab einer bestimmten Abflussmenge gelangt der Wasserspiegel bis an die gesicherten Uferböschungen.
Das Strömungsbild wird homogen und die Habitate werden von Bereichen mit sehr hohen Fließgeschwindigkeiten do-miniert. Abbildung 8b zeigt, wie oft im Zeitraum 1990 bis 2001 ein Abfluss von 80 m3s−1 an der Ill im Abschn. 2 (Daten Pegel Frastanz) überschritten wird. Die durchschnittliche Überschreitungsdauer liegt bei 42 Tagen pro Jahr.
An 42 Tagen pro Jahr werden für diesen Abschnitt der Ill bereits sehr schlechte Le-bensraumbedingungen ohne Schwallein-fluss ausgewiesen (ca. 80 % der benetzten Fläche), wobei auch hier anzumerken ist, dass der Basisabfluss nicht gleich dem natürlichen Abfluss ist. Der natürliche Abfluss könnte im Vergleichszeitraum
Abb. 8 a Beispiel eines Modellierungsszenarios an der Ill, aufgezeichnet am Pegel Frastanz; b Mesohabitatverteilung an der Ill (Detailabschnitt 2) bei einem Schwallereignis im Sommer (Basisabfluss = mittlerer Abfluss Juni bis August der Datenreihe 1985 bis 2006; Schwall = beide Turbinen des Wallgauwerks in Betrieb); shallow water = Flachwasserhabitate, backwater = Kehrströ-mungsbereiche, pool = Kolk, Run = Rinner, Fast run = Schnelle Rinner, Riffle = Furt; c Anzahl der Überschreitungen von 80 m3s−1 pro Jahr am Pegel Frastanz (Ill); Datengrundlage: Zeitreihe 1990 bis 2001
Originalarbeit
336 Grundlagenuntersuchungen und Methodikentwicklung zur Bewertung des Wasserkraft-Schwalls
noch größere Werte aufweisen und somit die negativen Auswirkungen der Regulie-rungsmaßnahmen auf den aquatischen Lebensraum verstärken. Die Zunahme der Schnellen Rinner (Fließgeschwindig-keiten > 1 ms−1) bei steigendem Abfluss ist physikalisch bedingt durch eine Zu-nahme des hydraulischen Radius in einer Fließgewässerstrecke. Aufgrund der Kon-tinuitätsgleichung sind die < ∆Breite (B) in Abhängigkeit äquidistanter Änderun-gen von Q (z. B. ∆Q = 5 m3s−1) ein Indiz für eine Zunahme des hydraulischen Radius und einer damit verbundenen Zunahme der Fließgeschwindigkeiten. In Abb. 5, Darstellung der Variabilität der benetzten Breiten mit steigendem Durchfluss, sind als Bestätigung für diese Nichtlinearität eindeutig Knickpunkte in den ∆Q/∆B-Kurvenverläufen erkennbar.
Vor allem in den stark regulierten Fließgewässerstrecken der Bregenzerach (Stadtgebiet von Bregenz) bzw. des Zil-lers sind diese Änderungen der ∆Q/∆B-Beziehung eindeutig um MQ (mittlerer jährlicher Durchfluss) definiert (Abb. 5). Strukturierte Gewässerabschnitte (z. B. Krümmungskiesbank Drau, alternieren-de Kiesbänke Inn) zeigen ab einem ge-wissen Punkt ebenfalls einen deutlichen Anstieg des Kurvenverlaufs (geringe Brei-tenänderung bei steigendem Durchfluss), welcher aber zum Teil deutlich über der Mittelwassermarke liegt (z. B. Drau). Aus diesen Ergebnissen der hydrodyna-misch-numerischen bzw. Habitatmo-dellierung geht weiters eindeutig hervor, dass Fließgewässerregulierungen bereits ohne Schwallbelastung ab bestimmten Durchflüssen aufgrund der Zunahme des hydraulischen Radius (> Fließgeschwin-
digkeiten) in Kombination mit fehlenden gewässermorphologischen Strukturen als Mitverursacher einer unzureichenden oder schlechten ökologischen Bewertung anzusehen sind. Vor allem bei natürlich auftretenden Hochwässern verursachen die Regulierungen eine überproportio-nale Belastung der Gewässersohle (spä-tere Ausuferung). Dies führt wiederum in den alpinen Fließgewässer meist zu einer deutlichen Abpflasterung des Sohl-substrates, welches in Kombination mit natürlichem/anthropogen verursachtem Eintrag von Feinsedimenten die Quali-tät als Lebensraum (MZB) oder Laich-platz reduziert bzw. limitiert (Hauer et al. 2013a).
Ein besonderer Stellenwert wird der-zeit auch der Ausdehnung der Wasser-wechselzone bzw. der relativen Änderung der benetzen Fläche in der Qualitätsziel-verordnung Ökologie (QZVÖ 2010) gege-ben, in der eine Reduktion der benetzten Fläche bei Sunk um 20 % zum Schwallab-fluss (Erläuterung siehe Einleitung) als signifikante Belastung des Schallwalls ausgewiesen wird. Ein Vergleich der Aus-dehnung der benetzten Fläche zwischen Sunk und Schwall und dem Habitatan-gebot für 0 + Bachforellen für bestimmte morphologische Strukturen (z. B. point bar) zeigt auch hier, dass eine flusstyp-spezifische Unterscheidung notwendig ist (Abb. 9). Die Ergebnisse zeigen deut-lich eine hohe Variabilität in Bezug auf die quantitativ nutzbaren Habitatflächen bei Schwall, die bei einer Zunahme des Sunk-Schwallverhältnisses auf 1:5 eine Vergrößerung (z. B. pb_Drau_1) bzw. eine Verringerung der nutzbaren Fläche (z. B. Ziller 2) zeigen können.
Als Zusammenfassung der Ergebnis-se und Diskussionen rund um das For-schungsprojekt SCHWALL_2012 bzw. der vorliegenden Arbeit können folgende Punkte genannt werden: Einerseits wur-de die Grundhypothese einer notwen-digen flusstypspezifischen Bewertung des Schwall-Sunk-Einflusses in alpinen Fließgewässern bestätigt, wobei hier – in Ergänzung zu den ersten Annahmen – auch eine Differenzierung innerhalb eines Fließgewässers als notwendig er-achtet wurde (z. B. teils beträchtliche Unterschiede zwischen den einzelnen Inn-Strecken).
Weiters geben die derzeitigen Schwall-grenzwerte im NGP und der QZVÖ (2010) trotz der Hinweise auf die Einzelfallbe-urteilung für große Fließgewässer (z. B. Inn), für die unterschiedlichen Fließ-gewässerlebensräume in kleinen bis mittleren schwallbeeinflussten Fließ-gewässerstrecken eine allgemein zu dis-kutierende abiotische Zielwertvorgabe vor. Für die zukünftig notwendigen Über-arbeitungen der Bewertungskriterien wird ein skalenorientierter Ansatz emp-fohlen, um die relevanten (instationären) Prozesse innerhalb eines Gewässers (ge-wässertypspezifisch) zu beschreiben.
Abschließend gilt es für ein zukünfti-ges Management bzw. für Maßnahmen-planungen darauf hinzuweisen, dass in vielen Fließgewässern Mehrfachbe-lastungen der Hydromorphologie (z. B. Regulierungen, Sohlbefestigungen, Ge-schieberückhalt, Feinstoffeintrag) als zu-sätzliche Stressoren vorhanden sind und diese, in Abhängigkeit von den saisona-len Abflussverhältnissen, in manchen Fällen die aquatischen Lebensräume so-
Abb. 9 Reduktion der benetzten Fläche (dA) in Abhängigkeit vom Maximalabflusswert (Schwall) (y-Achse 1); gewichtete nutz-bare Fläche (WUA) von 0 + Bachforellen bei Schwall (y-Achse 2) in den einzelnen untersuchten Detailabschnitten (ohne Bregen-zerach aufgrund der überproportional hohen nutzbaren Habitatflächen)
Originalarbeit
Grundlagenuntersuchungen und Methodikentwicklung zur Bewertung des Wasserkraft-Schwalls 337
gar stärker beeinflussen als der Schwall selbst (Bsp. Ill). Es wird aus diesem Grund für die Sanierung von schwallbe-einflussten Fließgewässern beides not-wendig sein, (a) eine Verbesserung der
Literatur
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des Feststoffhaushaltes als zentrales Ele-ment, vor allem für die Nachhaltigkeit von Maßnahmen anzusehen ist. ■
Originalarbeit
338 Grundlagenuntersuchungen und Methodikentwicklung zur Bewertung des Wasserkraft-Schwalls
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