RAISE – Research on Alpine sediment processes, morphodynamics and ecosystem behaviour considering extreme events


Extreme Hochwassersereignisse sind in Österreich in den letzten Jahren vermehrt aufgetreten, wodurch die Vulnerabilität der Menschen gegenüber solchen Ereignissen wiedermal aufgezeigt wurde. Die Gewässergeometrie reagiert auf starke Überschwemmungen mit massiven morphologischen Veränderungen. Häuser und Infrastruktur sind in den betroffenen Gebieten in Gefahr. Daher ist ein verbessertes Verständnis der Sedimenttransportprozesse für die Analyse der Morphodynamik und damit für das Hochwasserrisikomanagement entscheidend. Auch der Erfolg von Gewässerrenaturierungen hängt von Sedimenttransport und Morphodynamik als Randbedingungen ab, aber es besteht ein erheblicher Mangel an Wissen über diese Prozesse und dem damit vernetzten Ökosystem.

Sedimentmonitoring soll diese Wissenslücken schließen, doch bezieht sich die Analyse bisher primär auf die Flussabschnitte, an denen die jeweiligen Daten erhoben wurden. Das Projekt RAISE zielte nun auf die Kombination von Langzeit- mit Kurzzeit-Sedimentforschung (z.B. Extremhochwässer) ab, um diese Daten erstmals in Beziehung zu setzen und integrativ zu diskutieren.

Eine ganzheitliche hydromorphologische Bewertung, die die Sedimentkonnektivität berücksichtigt, wurde weiter entwickelt. Die Bewertung, die auf dem Hydromorphologischen Bewertungsinstrument (HYMET, Klösch und Habersack, 2017) basiert, umfasst nun die Erstellung einer Karte, die die Konnektivität des gesamten Gewässernetzes darstellt. Diese Karte ermöglicht es den Entscheidungsträgern, sich einen Überblick über großräumige Auswirkungen von Maßnahmenszenarien auf die Hydromorphologie von Unterläufen zu verschaffen. Eine beispielhafte Anwendung an der Drau zeigt die Auswirkungen eines zusätzlichen Wasserkraftwerks auf den hydromorphologischen Zustand. Demnach verlor die renaturierte Gewässerstrecke, durch den Bau des Wasserkraftwerks an der Schwarzach den „guten“ hydromorphologischen Zustand, trotz der großen Entfernung flussauf im Einzugsgebiet.

Der Stand der Technik der Messmethoden zur Erfassung des Transports von Geschiebe und Schwebstoffen wurde bewertet. Die große Vielfalt der hydraulischen, morphologischen und sedimentologischen Bedingungen in natürlichen Flüssen erfordert den Einsatz spezieller Messgeräte, um den unterschiedlichen standortspezifischen Anforderungen gerecht zu werden. In Laborversuchen im BOKU-Forschungsgerinne wurden die Möglichkeiten und Restriktionen bei der Messung mit den verschiedenen Geschiebeprobensammler ermittelt. Die in Österreich angewendeten Geschiebe-Messgeräte sind auf die jeweilige standortspezifische Messsituation angepasst. Die Modellversuche helfen nun, die Ergebnisse durch Korrekturfaktoren miteinander vergleichbar zu machen.

Sediment bezogene Prozesse, Einflüsse und auslösende Faktoren im Einzugsgebiet

Verschiedene Varianten zur Berechnung des Sedimentbudgets wurden verglichen und diskutiert. Die Anteile der Schwebstoff- und Geschiebeanteile am Gesamtsedimenttransport wurden für alle Messstationen in Österreich erstellt. Je größer das Einzugsgebiet ist, desto homogener ist das berechnete Verhältnis; in kleinen Einzugsgebieten können Extremereignisse oft zu sehr großen Schwankungen innerhalb eines Jahres führen. Ein weiterer Einflussfaktor sind Querbauwerke, die über einen langen Zeitraum Schwebstoffe akkumulieren, welche während Großereignissen freigesetzt werden können (dies ist auch für die Donau von Relevanz). Ausgehend von einem Hochwasserereignis im Oktober 2018 wurde ein Sedimentbudget für die Gail zu berechnet. Hierbei konnte gezeigt werden, dass bei einem Fluss der in den vergangenen Jahrzehnten über weite Strecken ein Sedimentdefzit aufwies, durch die Mobilisierung von Material plötzlich einen Sedimentüberschuss festgestellt werden konnte, welcher in weiterer Folge in vielen Bereichen zu Managementproblemen führte. Im Verlauf des Ereignisses wurden 1,4 Millionen m³ Sedimente transportiert und mögliche Quellen und Senken konnten identifiziert werden.

Dieses Beispiel zeigt wie wichtig fundierte Messungen, ein gutes Prozessverständnis und schließlich ein, an das Einzugsgebiet angepasstes Sedimentmanagement sind, um den Herausforderungen von Extremereignissen in den kommenden Jahre zu begegnen. Durch dieses Beispiel und viele weitere Analysen im Projekt RAISE wurde die Dringlichkeit eine gewisse Resilienz des Flusses auf Sedimente zu erreichen, herausgearbeitet. Daher müssen im Rahmen des Sedimentmanagements beide Zustände - sowohl das Sedimentdefizit als auch der Überschuss behandelt werden.

Je größer das Einzugsgebiet, desto eher besteht ein direkter Zusammenhang zwischen Abfluss und Geschiebetransport. In kleinen Einzugsgebieten können die Morphologie, stark variable Ereignisse oder eine bestimmte hydrologische Vorgeschichte oft zu starken Schwankungen des Geschiebetransports von mehreren Größenordnungen bei gleichem Abfluss führen. Dies führt oft bei den Auswertungen von Messdaten zu größeren Problemen, insbesondere in Hinblick auf Managementfragen. Aus diesem Grund wurde im Projekt der Begriff Sedimentforensik eingeführt. Ziel ist es hierbei, auftretende Phänomene des Sedimenttransportprozesses im Detail zu analysieren.

Es wurden fünf Beispiele gezeigt, wo Ereignisse zu den oben erwähnten Schwankungen im Sedimenttransport führen. So konnte beispielsweise ein Sedimentpeak an der Messstation in Vent durch das Monitoring der Bayrischen Akademie der Wissenschaften erklärt werden. Die Schneeschmelze und ein Niederschlagsereignis am Vernagtferner führten zu umfassenden morphologischen Veränderungen direkt unterhalb des Gletschers, die schließlich mit einer Zeitverzögerung von fünf Tagen in den Messdaten des Geophonsystems Vent sichtbar wurden. An der Urslau und an der Drau/Falkensteinsteg führte bei einem Hochwasser der ersten Scheitelabschluss zu einer starken Mobilisierung des Sediments. Auch nachdem der Scheitelabfluss wieder abgeklungen ist, blieb der Geschiebetransport auf einem sehr hohen Niveau. An der Isel wurde auf die Unterschiede zwischen einem Frühlingsereignis und einem Herbstereignis eingegangen. Neben den unterschiedlichen Charakteristika zwischen den Jahreszeiten weist die Isel auch eine Geschiebetransport-Durchfluss Hysterese auf, da die Spitze des Geschiebetransports immer vor der Abflussspitze auftritt. Dies hat Auswirkungen auf das Monitoring aber auch auf die Interpretation der Daten. An der Drau/Dellach zeigte eine genauere Analyse der Daten, dass das Hochwasserereignis im Jahr 2018 einen großen Einfluss auf die Geschiebemobilisation und in weiterer Folge auf den Geschiebeeintrag des Folgejahres  (2019) hat. Die Jahresfracht lag 2019 mit über 30.000 Tonnen nicht nur deutlich über der durchschnittlichen Jahresfracht, sondern auch weit über dem Sedimentbudget des Jahres mit dem entsprechenden Ereignis (2018: rund 20.000 Tonnen).

Basierend auf Erkenntnissen der Prozessanalyse (Sedimentforensik) können Managementaufgaben neu gewonnenes Prozessverständnis berücksichtigen und damit verbessert werden. Auch hier wurden einige Beispiele während des Projekts durchgearbeitet und fünf davon genauer vorgestellt.

An der Drau/Falkensteinsteg weisen die Geophonimpulse bei ähnlichen hydraulischen Verhältnissen eine Streuung von über drei Größenordnungen auf. Die Ursache ist etwa 2 km flussauf der Messstation zu finden, wo ein 24 km langer Flussabschnitt als Restwasserstrecke ausgewiesen werden kann. Aufgrund dieser anthropogen veränderten Bedingungen reicht der Wasserstand in diesem Flussabschnitt oft nicht aus, um das Geschiebematerial flussab zu transportieren. Dies führt zu sedimentarmen Zuständen mit der Bildung einer ausgeprägten Deckschicht direkt flussauf der Messstation. Bei Hochwasserereignissen wird das Sediment in der Restwasserstrecke mobilisiert, was zusammen mit dem Sedimentinput durch die Zubringer, zur Bildung von Geschiebewellen („sediment pulses“) führt. Basierend auf einer langen Datenreihe war es möglich, die Zeitdifferenz des Geschiebewellenereignisses für verschiedene Abflusssituationen zu bestimmen und damit die Flussbewirtschaftung zu verbessern. An derselben Messstation war es aufgrund der langen Datenreihe und einiger Erkenntnisse aus der Sedimentforensik möglich, eine während eines Hochwassers entstandene Datenlücke neu zu berechnen und damit ein kontinuierliches Geschiebebudget zu erhalten, was wiederum für ein gutes Sedimentmanagement entscheidend ist. An der Urslau ermöglichten die langen Datenreihen und die Sedimentforensik eine Klassifizierung von Hochwasserereignissen in Bezug auf das Verhältnis von Geschiebetransport zum Abfluss. Es wurden vier verschiedene Ereignistypen definiert, die je nach Sedimentverfügbarkeit und Transportkapazität auftreten. Durch die Zuordnung der Ereignistypen kann die Berechnung des Jahresbudgets und das Sedimentmanagement wesentlich verbessert werden. Durch kontinuierliches Monitoring des Geschiebetransports an der Drau/Dellach konnte die Transportgeschwindigkeit von aus einem Zubringer eingebrachten Geschiebematerials (Gailbergbach) bestimmt werden. Mit diesen Informationen wurde eine Transportformel kalibriert und damit die Geschwindigkeit eines weiteren Geschiebeinputs vorhergesagt. Diese Information ist für ein funktionierendes Geschiebemanagement von großer Bedeutung. Das erweiterte Prozessverständnis und die umfangreichen Geschiebe-Monitoring Daten haben zu einem besseren Verständnis der Sedimentbilanz zwischen den einzelnen Geschiebemessstationen im Drau-Isel System geführt. Die angewandten Methoden ermöglichten es, eine schlüssige Geschiebebilanz zu erstellen und ein weiterführendes Monitoring soll die genauen Quellen und Senken der Sedimente klären.

Das RAISE Projekt machte es möglich, auch im Bereich der Geschiebemessstationen hydrodynamische Modelle anzuwenden und deren Möglichkeiten zur Extrapolation von Daten und Szenarien zu nutzen. So wurde beispielsweise das Sedimenttransportmodell iSed anhand der umfangreichen Monitoring Daten an der Drau so kalibriert, dass es möglich war, eine Hochwasserwelle mit einer instationären Berechnung zu simulieren. Mit dem nun kalibrierten Werkzeug können weitere Wellen berechnet und damit das Sedimentmanagement verbessert werden. An der Rofenache wurde das Sedimenttransportmodell iSed verwendet, um Geschiebetransportformeln zur Extrapolation von Ratingkurven zu kalibrieren. Im Bereich der Messdaten funktioniert dies sehr gut, ob auch für nicht beprobte hohe Fließgeschwindigkeiten schlüssige Werte abgeschätzt werden konnten, sollte in den kommenden Jahren durch Monitoringarbeiten geklärt werden. Darüber hinaus wurde das Geschiebetransportmodell iSed mit dem Habitatbewertungsmodell HEM gekoppelt. Somit können nun sowohl Habitate auf der Mikro- als auch auf der Mesoskala unter Berücksichtigung der morphologischen Veränderungen, die während Hochwasserereignissen stattfinden, bewertet werden. Exemplarisch wurde durch die Modellierung einer Hochwasserwelle mit dem neuen gekoppelten Modul gezeigt, dass entscheidende morphologische Prozesse, die Habitatvielfalt schaffen, nun modelliert und quantifiziert werden können.

Am Beispiel der Urslau wurde eine Methodik angewandt, die einen Einfluss auf die zukünftige Gestaltung von Restaurierungsmaßnahmen haben könnte. Große Felsblöcke könnten in alpinen Flüssen, wo glaziale Ablagerungen in Form von End-, Seiten- oder Buckelmoränen erkennbar sind, eingebracht werden, Strukturelle Elemente, wie beispielsweise diese Felsblöcke, haben den Vorteil, dass sie speziell bei hohen Durchflüssen schützende Lebensräume in der Kehrwasserzone bieten, begleitet von reduzierten Fließgeschwindigkeiten und Sohlschubspannungen. Da an einigen Abschnitten der Urslau eiszeitlich bedingte große Rauhigkeitselemente exponiert sind, kann die Möglichkeit der Implementierung von großen strukturellen Elementen für das zukünftige Sedimentmanagement in ähnlichen alpinen Flüssen von großer Bedeutung sein.

Physikalische Laborexperimente wurden verwendet, um grundlegende hydraulische Prozesse besser zu verstehen. So wurden, beispielsweise der Bewegungsbeginn von Donauschotter mit einem tomographischen Partikelverfolgungsgeschwindigkeitsmesser (TOMO-PVT) untersucht. Bei den meisten Experimenten fand die Teilchenablösung beim Maximum der positiven kinematischen Energie statt. Die Bedeutung von Sweep-Ereignissen wurde hervorgehoben – obwohl „Sweeps“ und „Ejections“ die höchsten Spitzen der turbulenten kinetischen Energie verursachen, wurde die Bewegung fast ausschließlich bei Sweeps beobachtet. Diese Erkenntnisse sind vor allem für die Donau von großer Bedeutung, wo hydraulische Strukturen für einen späteren Bewegungsbeginn genutzt werden können. In einem weiteren Laborversuch wurde die Deltabildung eines typisch österreichischen Kleinwasserkraftwerks untersucht. Die Versuche zur Deltabildung ergaben, dass sich praktisch alle einströmenden Sedimente am Stauraumkopf ansammeln. Mit der Zeit nimmt die resultierende Deltabildung an Höhe zu und wandert weiter in den Stausee hinein. Das Delta kann potentiell das Hochwasserrisiko für große Überschwemmungen erhöhen. Es hat auch ökologische Auswirkungen, da sich Kiesfraktionen der Laichhabitate im Delta ansammeln können und weiter flussab fehlen. Um die Bewirtschaftungssituation zu verbessern, wurden Empfehlungen für die Absenkung eines Stausees erarbeitet.

a) Kohärente Strömungsstrukturen eines TOMO-PTV Tests, b) Korngrößenverteilung der Deckschicht mittels unterschiedlich gefärbter Korngrößen, c) Auswertung der prozentuellen Anteile der Größenklassen

Darüber hinaus wurden Methoden zur Vorhersage von Sedimenttransportraten in Flusssystemen ohne Monitoring entwickelt und getestet, wobei der Schwerpunkt auf der integrativen Analyse (Hochwasserschutz und Ökologie) lag, die für zukünftige sozioökonomische Strategien im Flussgebietsmanagement von Bedeutung sind. Die Rolle von Sedimenten in alpinen Flüssen wurde unter Anbetracht eines neuen Ansatzes zur Unterscheidung zwischen nicht-fluvialen, semi-fluvialen und fluvialen Quellen diskutiert, -einschließlich Aspekte der Habitat Modellierung und Flusswiederherstellung.

Viele weitere Analysen im Rahmen des RAISE-Projekts zeigen, wie wichtig ein gut durchdachtes und funktionierendes Sedimentmanagement in Flüssen ist. Häufig wird auf Schäden nach einem Ereignis reagiert, anstatt vor dem Ereignis durch ein ordnungsgemäßes Sedimentmanagement zu handeln. Um herauszufinden, welche Fragstellungen für ein funktionierendes Management geklärt werden müssen und welche Daten erhoben werden sollten, wurde ein Fragebogen im Zuge eines transdisziplinären Ansatzes entwickelt. Unter Beteiligung verschiedener Akteure der Landesregierungen und anderer verantwortlicher Behörden wurde der Fragebogen erstellt und anschließend am Beispiel der Gail auf seine Funktionalität getestet. Es wurden Personen aus verschiedenen Disziplinen und Bereichen der Flussbewirtschaftung befragt. Es zeigte sich, dass viele wertvolle Erkenntnisse über morphologische Veränderungen, sowie über Extremereignisse gewonnen werden konnten. Bei der Befragung von Personen, die mit der Thematik weniger vertraut sind (Nachbarn o.ä.), konnte der Fragebogen nur als Impuls genutzt werden; wertvolle Information konnten eher aus persönlichen Gesprächen gewonnen werden.

Durch die im Rahmen des Projekts begonnene und etablierte Forschungskooperation mit der Bayerischen Akademie der Wissenschaft (BAdW) konnten erste interdisziplinäre Ansätze im Einzugsgebiet der Vent-Messstation umgesetzt werden. Die Verknüpfung der Geschiebemessdaten mit den Klimadaten der BAdW am Vernagtferner bietet die Möglichkeit, langfristige Auswirkungen des Klimawandels mit Veränderungen an der Geschiebemessstation zu verknüpfen. Die ersten vielversprechenden Ergebnisse des Projektes sind der Ausgangspunkt für eine weitergehende zukünftige Forschungszusammenarbeit mit der BAdW.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit der integrativen Betrachtung der Daten, die durch die Sedimentmessstationen in Österreich gewonnen wurden, ein wichtiger Schritt getan wurde. Das Verständnis von Prozessen des Sedimenttransports konnte gesteigert und auftretende Phänomene konnten erklärt werden. Der Begriff Sedimentforensik beschreibt gut den Umfang an Details, der manchmal notwendig ist, um Einblick in die Sedimenttransportprozesse in einem Einzugsgebiet zu erhalten. Es konnte aber auch gezeigt werden, wie wichtig ein funktionierendes Sedimentmanagement ist und dass ein solches Management für die österreichischen Flüsse oftmals fehlt. Es konnte gezeigt werden, dass bereits ein einziges Extremereignis an einem Fluss, der grundsätzlich ein Sedimentdefizit aufweist, die Sedimentbilanz in einen Sedimentüberschuss verändern kann, was wiederum zu Problemen führt. Ein Sedimentmanagementsystem sollte daher eine gewisse Sediment-Resilienz ermöglichen, damit Extremereignisse ohne hohe Schäden ablaufen können. Die Auswertungen in den verschiedenen Einzugsgebiete haben gezeigt, wie unterschiedlich die Probleme und damit verbundenen Lösungsansätze an den einzelnen Flüssen sind. Der entwickelte Fragebogen dient als Instrument zur transdisziplinären Erfassung von Problemen und Schwächen des Sedimentmanagements an einem Fluss. Jetzt ist es Aufgabe der kommenden Jahre, Konzepte für das Sedimentmanagement an österreichischen Flüssen zu etablieren, die durch Messdaten abgesichert und unterstützt werden.