Stefan Schmutz

University of Natural Resources
and Life Sciences, Vienna
Department of Water, Atmosphere
and Environment
Hydrologie schwallbeeinflusster Strecken
und ökologische Auswirkungen
Stefan Schmutz, Thomas Friedrich, Wolfram Graf, Franz Greimel, Mathias Jungwirth,
Helga Kremser, Patrik Leitner, Andreas Melcher, Bernhard Zeiringer
Institut für Hydrobiologie und Gewässermanagement
Department Wasser - Atmosphäre - Umwelt
BOKU - Universität für Bodenkultur Wien
Sachverständigentagung 2013
23./24. Mai 2013
Götzis, Vorarlberg
Stefan Schmutz
University of Natural Resources
and Life Sciences, Vienna
Department of Water, Atmosphere
and Environment
Forschungsprojekt
Schwallproblematik an Österreichs
Fließgewässern
–
Ökologische Folgen und
Sanierungsmöglichkeiten
Stefan Schmutz
Konsortium und Kooperationen
• Koordination und Forschungspartner: IHG - BOKU
• E-Wirtschaftspartner (6): VERBUND-Austrian Hydro Power AG,
Vorarlberger Illwerke AG, TIWAG – Tiroler Wasserkraft AG, Salzburg AG, KELAG,
ÖBB
In Zusammenarbeit mit dem Institut für Wasserbau und hydrometrische Prüfung (BAW),
dem IWHW BOKU (Projekt Schwall_2012, Leitung Helmut HABERSACK) und der
Universität Innsbruck (Fritz SCHÖBERL).
Datenaustausch mit dem BAW Scharfling, den Ländern Vorarlberg, Tirol, Salzburg,
Oberösterreich, Steiermark, Kärnten, Büro PETZ-GLECHNER und dem Bundesamt für
Wasserwirtschaft (Institut für Wasserbau und hydrometrische Prüfung) als
Kooperationspartner.
Stefan Schmutz
3
Stefan Schmutz
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Inhalt
1) Einleitung
2) Hydrologische Analyse von Abflussschwankungen
3) Verschneidung: Hydrologie - Gewässermorphologie
4) Makrozoobenthos
5) Fische
6) Verschneidung hydromorphologischer Schwallkennzahlen mit
fischökologischen Kriterien
7) Experimente HyTEC
8) Zusammenfassung
9) Empfehlungen zur Schwalldämpfung
Stefan Schmutz
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1.1) Fragestellungen
•
Welche typischen Schwall- und Sunkerscheinungen treten in österreichischen
Fließgewässern auf (Schwallamplituden, Schwallfrequenzen, Schwallan- und abstiege, Schwallüberlagerungen, Schwalldämpfungsstrecken)?
•
Können Schwall- und Sunkerscheinungen nach einheitlichen Verfahren ökologisch
beurteilt werden (Nationale Bewertungsmethode, zusätzliche Methoden)?
•
Wie reagieren Fische und Makrozoobenthos auf Schwall- und Sunkerscheinungen
(Sensible Arten und Stadien, Reaktion von Populationen und Lebensgemeinschaften)?
•
Welche Schwallkennzahlen weisen den stärksten Zusammenhang mit der
Biozönose auf (Schwallamplituden, Schwallfrequenzen, Schwallan- und –abstiege)?
Stefan Schmutz
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1.2) Fragestellungen
•
Gibt es gewässertypspezifische Unterschiede in der Reaktion der
Gewässerbiozönose (Kleine vs. große Fließgewässer, Fischregionen)?
•
Welche Wechselwirkungen gibt es mit anderen Belastungen (Interaktion mit
Morphologie)?
•
Lassen sich ökologisch begründete Schwellenwerte für die Sanierung von
Schwallstrecken ableiten?
•
Welche möglichen Sanierungsmaßnahmen können aus ökologischer Sicht definiert
werden (Maßnahmentypen)?
Stefan Schmutz
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2) Hydrologische Analyse von
Abflussschwankungen
• Analyseschritte Hydrologie: Datenerfassung – Verschneidung Ökologie
Stefan Schmutz
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2) Hydrologische Analyse von
Abflussschwankungen
• Kennzahlen zur Bewertung von Abflussschwankungen
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2) Hydrologische Analyse von
Abflussschwankungen
• Schwallstrecken in Österreich (BMLFUW, 2010)
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2) Hydrologische Analyse
Was ist ein Schwall?
Schwallpegel ohne „Störwellen“
Referenzpegel ohne „Störwellen“
Referenzpegel mit „Störwellen“
Schwallpegel mit„ Störwellen“
7 Tage
7 Tage
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2) Hydrologische Analyse
Schwall versus Hochwasser
Beispiel einer Woche (rotes Dreieck – Anstieg (IC), blaues Dreieck – Abstieg (DC)
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2) Hydrologische Analyse von
Abflussschwankungen
15 min
• Kennzahl „mittlere Abflussänderungsgeschwindigkeit“
95 % Percentil
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2) Hydrologische Analyse von
Abflussschwankungen
Stefan Schmutz
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2) Hydrologische Analyse von
Abflussschwankungen
„mittlere Abflussänderungsgeschwindigkeit“ in Abhängigkeit der
Einzugsgebietsgröße (Abstiegsereignisse)
Stefan Schmutz
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2) Hydrologische Analyse von
Abflussschwankungen
• anthropogene hydrologische Beeinflussung
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3) Hydrologie - Gewässermorphologie
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3) Hydrologie – Gewässermorphologie
Wasserwechselzone
„verbaut“
„unverbaut“
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3) Hydrologie – Gewässermorphologie
Tiefenänderung
Modellvalidierung der mittleren spezifischen Tiefenänderung
(dTsp) an ausgewählten Pegelmessstellen
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5) Makrozoobenthos
• Schwerpunkte
•
•
•
Quantitative Untersuchung ufernaher
Flussbereiche
Analyse der benthischen Besiedlung
wechselfeuchter Uferbereiche
Methodik der Freilanderhebung und
Defizitanalyse an den Stressor Schwall
Stefan Schmutz
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5) Makrozoobenthos
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5) Makrozoobenthos
• Untersuchungsdesign pro Gewässerabschnitt
am Beispiel Ziller
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5) Makrozoobenthos
• Probenahmedesign an der Drau
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5) Makrozoobenthos
Sölk
Sölk
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5) Makrozoobenthos
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5) Makrozoobenthos
Rückgang der Individuendichte und Biomasse mit
Veränderung der taxonomischen Zusammensetzung
Individuen- und Biomasseverlust durch Strandungsphänomene
in der Wasserwechselzone, als Folge des Sunks
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5) Fische
Tabelle 1: Gesamtanzahl Beprobungen
Epirhithral
Vergleich naturnah
Metarhithral
2
Hyporhithral
Epipotamal
Summe
13
15
9
Vergleich naturfern
8
1
Schwall naturnah
10
25
1
36
Schwall naturfern
3
47
10
60
Restwasser (ausgeschieden)
3
7
11
Summe
5
28
97
Stefan Schmutz
21
11
141
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5) Fische
Fish Index Austria
Abundanz
Biomasse
Abundanz Äsche
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6) Verschneidung hydromorphologischer
Schwallkennzahlen mit fischökologischen Kriterien
Index: Sunk-Schwall-Verhältnis x Anzahl
Tiefenänderung cm/min
Fischökologischer Zustand (FIA)
Stefan Schmutz
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6) Verschneidung hydromorphologischer
Schwallkennzahlen mit fischökologischen Kriterien
Kombinierte Schwallkennzahl
Stefan Schmutz
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6) Verschneidung hydromorphologischer
Schwallkennzahlen mit fischökologischen Kriterien
Kombinierte Schwallkennzahl
Stefan Schmutz
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7) Experimente HyTEC
Hydromorphology and Temperature Experimental Channel
 Ergebnisse
Stefan Schmutz
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7) Experimente HyTEC
Stefan Schmutz
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7) Experimente HyTEC
• Versuchstiere 0+ Äschen
1) Larvenstadium (+1 bis 4 Tage nach Emergenz)
Larvenlänge 15-16 mm
2) Larvenstadium (+5 bis 8 Tage nach Emergenz)
Larvenlänge 16-18 mm
Stefan Schmutz
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7) Experimente HyTEC
• Schwallszenarien
1)
Sunk
25 l∙s-1
2)
Anstieg konstant
0.6 cm∙min-1
3)
Schwall
125 l∙s-1
4)
Abstieg variabel
0.2 – 3.0 cm∙min-1
(c)
0,6 cm/min
(12 cm/min)
(b)
2,3 cm/min
(46 cm/min)
(a)
3,0 cm/min
(60 cm/min)
DS [m]
Q reguliert [l/s]
(d)
0,2 cm/min
(4 cm/min)
125
0,26
100
0,22
75
0,20
Q [l/s]
Wsp [m]
0,24
50
0,18
25
0,16
-50
14
44
45 55
44
-50
14
44
46 56
44
-50
14
44
58 68
-5 0
14
44
79 89
Zeit [min]
Stefan Schmutz
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7) Experimente HyTEC
• Dotationsmessung
Stefan Schmutz
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7) Experimente HyTEC
Überdauern der Äschenlarven nach einem
Schwall/Sunkereignis bei unterschiedlichen
Sunkgeschwindigkeiten
100
80
60
[%]
A
40
20
0
n=21
n=7
n=7
n=7
Referenz
0,6 cm/min
2,3 cm/min
3,0 cm/min
Stefan Schmutz
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7) Experimente HyTEC
Drift der Äschenlarven bei einem Schwall/Sunkereignis
Stefan Schmutz
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7) Experimente HyTEC
Einfluss der Morphologie - Buchtstrukturen
Jungäschen bei unterschiedlichen Sunkgeschwindigkeiten
Stefan Schmutz
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8) Zusammenfassung
• Wirkungsgefüge ökologischer Auswirkungen von Schwallbelastung
unter Berücksichtigung der Gewässermorphologie
Stefan Schmutz
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8) Zusammenfassung
• Hydromorphologische Schwallbelastung an Pegelstellen Risikoausweisung
Stefan Schmutz
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8) Zusammenfassung
• Sowohl Fische als auch Benthos reagieren signifikant auf Sunk•
•
•
•
Schwall-Erscheinungen.
Die Benthosfauna zeigt in schwallbeeinflussten Gewässern eine
Veränderung der Artenzusammensetzung und eine Abnahme der
Dichte und Biomasse in der Wasserwechselzone.
Die Fischfauna reagiert auf das Produkt aus Sunk-Schwall-Verhältnis
und Häufigkeit von Schwallwellen, Abstiegsgeschwindigkeit und
morphologischen Strukturierungsgrad.
Sensibelstes Stadium bei den Fischen ist das Larvenstadium, bei
welchem Schwall zu Drift und Strandung führt.
Morphologische Strukturen wie Buchten führen bei Jungäschen zu
reduzierter Drift und Strandung.
Stefan Schmutz
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9) Empfehlungen zur Schwallsanierung
 Reduktion der Abstiegsgeschwindigkeit (krit. Abstiegsgeschw. 0,2 -0,6
cm/min)
 Larvenfenster: Reduktion des Schwalls während des Larvalstadiums
 Verbesserung der Habitatverhältnisse durch Revitalisierung regulierter
Flussabschnitte
Stefan Schmutz
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10.1) Offene Fragen
 Übertragbarkeit der Ergebnisse auf die Bachforelle
 Eingrenzung der kritischen Abstiegsgeschwindigkeit innerhalb des





Bereiches von 0,2 - 0,6 cm/min und Identifizierung der kritischen
Anstiegsgeschwindigkeiten (ab wann erfolgt ein Impuls für die Drift)
Bestimmung des Larvenfensters in unterschiedlichen Gewässertypen
Auswirkungen von Schwall auf andere kritische Stadien, z.B.
Laichstadium
Schwalleinfluss in der Nacht und im Winter
Welche morphologischen Verbesserungsmaßnahmen sind
besonders wirksam in Schwallstrecken
Welche Maßnahmenkombinationen sind sowohl ökologisch als
auch ökonomisch betrachtet am effektivsten
Stefan Schmutz
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Bearbeitungsteam
• Projektleitung: Schmutz Stefan
• Koordination: Melcher Andreas und Zeiringer Bernhard
• Hydrologie und Morphologie: Greimel Franz, Zeiringer Bernhard, Höller
Norbert, Fuhrmann Martin, Schmutz Stefan
• Datenerhebung und Analyse Fische: Friedrich Thomas, Melcher
Andreas, Unfer Günther
• Datenerhebung und Analyse Benthische Invertebraten: Graf
Wolfram, Leitner Patrick, Moog Otto, Steidl Clemens, Salcher Gabriele, Ochsenhofer
Gerald, Müllner Kathrin
• Verschneidung Hydromorphologie und Fische: Schmutz Stefan,
Greimel Franz, Zeiringer Bernhard
• Versuchsanlage HyTEC: Zeiringer Bernhard, Fohler Nora, Greimel Franz,
Schmutz Stefan, Jungwirth Mathias
Stefan Schmutz
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Bearbeitungsteam
Weitere Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter (alphabetisch):
AUER Stefan, BAUER Magdalena, BÜRZLE Stefan, CLARK Andreas, DOSSI Florian,
ECKERT Mario, FUCHSHUBER Stefan, GAITZENAUER Christina, GALLOWITSCH
Michael, HASLAUER Melanie, HUBER Thomas, JANECEK Berthold, JUNG Fabian,
KENDLBACHER Florian, KNOR Lisa, KRAUSZ Joscha, KREMSER Helga, KYRNYCHNYI
Andrey, LAUSS Elisabeth, LAUTSCH Erwin, LEBSCHY Markus, LINHART Caroline,
LEHNER Agnes, MACKOWITZ Thomas, MAIER Franziska, MAYER Tobias, MOOG Kevin,
MÜLLER Martin, ROSENBERGER Katharina, TOTH Astrid, SCHAUER Michael,
SCHMELLER Ferdinand, SCHMUTZ Leon, SEEBACHER Martin, SITTENTHALER Lucia,
STEINER Laura, TAUER Bernhard, ULREICH Agnes, WELZIG Kim, WIESNER Christian,
ZEIRINGER Johannes
Stefan Schmutz
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