Bewertung des potenziellen Strandungsrisikos für Gewässerorganismen bei Schwall und Sunk hinsichtlich langfristiger morphologischer Veränderungen von alpinen Flüssen

Schwall-Sunk ist eine der größten anthropogenen Belastungen in durch Wasserkraft regulierten Flusssystemen (Hauer et al. 2017a; Melcher et al. 2017; Moreira et al. 2019). Die gravierenden Folgen von Schwall und Sunk beruhen auf zeitlichen regelmäßigen und unregelmäßigen Abflussschwankungen, die stark vom natürlichen Wasserhaushalt entkoppelt sind (Bejarano et al. 2018; Greimel et al. 2018; Sauterleute und Charmasson 2014). Sowohl der tägliche Basisabfluss als auch der Spitzenabfluss werden durch die Regulierung des Abflusses durch Kraftwerke künstlich verändert (Ashraf et al. 2018; Chen et al. 2015; Premstaller et al. 2017). Die stark instationären Abflüsse aufgrund des Turbinenbetriebs von Speicherwasserkraftwerken führen zu entsprechenden Schwankungen der Wasserstände und damit zu unterschiedlichen Anstiegen der Fließgeschwindigkeit und Sohlschubspannungen bei Zuschalten von Turbinen (Schwall) sowie zu variablen Wasserwechselzonen. Diese können bei Abschalten der Turbinen (Sunk), abhängig von den morphologischen Eigenschaften der Unterlaufstrecken, trockenfallen (Hauer et al. 2013, 2014, 2017b). Die daraus resultierenden Auswirkungen auf die Biota sind ein erhöhtes Abdriftrisiko, das physiologisch bedingt sein kann (Fischlarven), oder eine Zunahme der Strandung von Organismen an Kiesbänken bei Sunk. Im Vergleich zu einem erhöhten Abdriftrisiko ist die Strandung insbesondere für Fische letal und wird daher als limitierend („bottleneck“) für Wasserorganismen für Schwall-Sunk-Gewässer dokumentiert (Bakken et al. 2021; Costa et al. 2019; Hayes et al. 2019).

Es wurden bereits viele Studien zu den Umweltauswirkungen von Schwall und Sunk veröffentlicht, die verschiedene Detailaspekte von Schwallereignissen für ihren Bewertungsansatz nutzen (z. B. Zolezzi et al. 2011; Pulg et al. 2016). Für fast alle diese Studien wurden jedoch einzelne oder variable Abflussganglinien auf der Grundlage stabiler Flussmorphologien sowohl in Feld- (Casas-Mulet et al. 2015; Saltveit et al. 2001) als auch in Laborstudien (Richards et al. 2014) untersucht. Daher besteht ein großes Defizit in der Art und Weise, wie Flussmorphodynamik und Korngrößenvariabilität mit diesen instationären Abflussprozessen interagieren. Dies bedeutet auch, dass eine Wissenslücke darüber besteht, inwiefern eine durch technische Restriktionen oder ein bereits ökologisch optimiertes Verfahren vorgegebene („unveränderliche“) Abflusswelle mittel- und langfristig mit variablen Flussmorphologien in ihrer Wirkung auf Gewässerorganismen zusammenspielt. Flüsse können (i) anthropogen gestört oder (ii) hinsichtlich ihrer morphodynamischen Prozesse und ihres Sedimentregimes ungestört sein. Nur wenige Schwall-Sunk-Studien befassen sich mit der Bewertung künstlicher oder natürlicher morphologischer Strukturen, z. B. Refugialhabitate (z. B. Almeida et al. 2017; Ribi et al. 2014), aber keine dieser Studien berücksichtigt bisher die dynamische Entwicklung von Flussabschnitten. Ungestört im Sinne der Gewässermorphologie ist definiert als das Auftreten eines dynamischen Gleichgewichts (z. B. Hohensinner et al. 2018; Wohl et al. 2015) mit einer immer wieder auftretenden Sohlumlagerung und somit Habitaterneuerung (Ward et al. 2002). Dieses dynamische Gleichgewicht bezieht sich auf eine mehr oder weniger ausgeglichene Sedimentverfügbarkeit und natürlichen Sedimenttransport auf Strecken- und Einzugsgebietsebene (z. B. Finnegan et al. 2007). Wenn dieses Gleichgewicht nicht zutrifft, können Fließgewässer einerseits bei Sedimentüberschuss auflanden oder sich anderseits aufgrund mangelnder Sedimentverfügbarkeit und erhöhter Transportkapazität eintiefen (z. B. Church und Ferguson 2015). Alpenflüsse sind von multiplen anthropogenen Änderungen betroffen, insbesondere hydromorphologischen Veränderungen durch Landnutzung sowie Hochwasserschutzmaßnahmen (Schmölz et al. 2022). Dies führt häufig zu erhöhten Transportkapazitäten und Eintiefungen (Herget et al. 2005; Maaß et al. 2021). Die Folgen solcher Eintiefungen sind eine Verringerung der Habitat-Erneuerung und eine Vergröberung des Substrats aufgrund des hochwasserabhängigen selektiven Transports (Reid und Church 2015; Wyżga 2007).

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Studien darüber fehlen, wie sich ökologisch relevante Schwall-Sunk-Parameter entwickeln und variieren, wenn (i) Flussabschnitte zunehmend auflanden oder (ii) Flussabschnitte kontinuierlich erodieren. Aus diesem Grund hat die vorliegende Arbeit zum Ziel, diese beiden Aspekte für zwei ausgewählte Flüsse zu bewerten. Dieser Ansatz einer mittel- bis langfristigen morphologischen Bewertung ist vor allem auch für die Revision der Lizenzen bzw. der Genehmigungen für Wasserkraftwerke von hoher Praxisrelevanz. Um das Ziel der Arbeit zu erreichen, wurden zwei Flüsse ausgewählt: Die Bregenzerach (Vorarlberg) repräsentiert im Deltabereich einen Flussabschnitt mit kontinuierlicher Anlandung und der Inn (Tirol) ein Beispiel für ein Fließgewässer als degradierendes System mit Sohleintiefung aufgrund mangelnder Geschiebeversorgung und erhöhter Transportkapazität.

Insbesondere im Hinblick auf die Revision von Lizenzen für Wasserkraftwerke werden Konzessionen für einzelne Anlagen auf Jahrzehnte vergeben (Viers 2011; Young et al. 2011). Dies bedeutet, dass bei der Bewertung der Auswirkungen von Schwall-Sunk und möglicher gezielter Minderungsmaßnahmen auch die langfristige morphologische Entwicklung der flussabwärts gelegenen Flussabschnitte mitberücksichtigt werden sollte; – insbesondere bei Flüssen mit Mehrfachbeanspruchung („Multi-stressed-rivers“). Die vorliegende Arbeit befasst sich mit diesem wichtigen und bisher eher wenig beachteten Aspekt und beleuchtet zwei Fälle von Flüssen, die sich hinsichtlich ihrer langfristigen Entwicklung unterschiedlich verhalten (dokumentiert über einen Zeitraum von 20 Jahren). Die Bregenzerach bei Bregenz zeigte im untersuchten Zeitraum Verlandungstendenzen, hingegen wurden für den Inn flussauf von Telfs Sohleintiefungen dokumentiert. Verursacher dieser Entwicklungen sind (i) ein Sedimentüberschuss durch ein geringeres Gefälle des Flusses bzw. der Mündungssituation im Allgemeinen (z. B. Fagherazzi et al. 2015; Rinaldi et al. 2005) und (ii) der Mangel an grobem Sediment (Geschiebe) im Vergleich zur Transportkapazität auf der Streckenebene (Bravard et al. 1997; Kondolf 1997; Molnar et al. 2006). Die Eintiefung am Inn ist ein klassisches Beispiel künstlich veränderter Flusssysteme aufgrund erhöhter Transportkapazität (z. B. teilweise verbesserter Hochwasserschutz) (Reichholf 1976, Finnegan et al. 2007) und mangelnder Sedimentverfügbarkeit (Pfeiffer et al. 2019). Eine solche dokumentierte Entwicklung von Flussabschnitten in beide Richtungen (Anlandung/Eintiefung) hat jedoch verschiedene Auswirkungen in Bezug auf Schwall-Sunk.

Erstens verursachten die mit der Bildung von dynamischen Kiesbänken einhergehenden Entwicklungen von Fließgewässerabschnitten (z. B. Ashmore 1991; Church und Rice 2009; Desloges und Church 1987; Lisle 1982) keinen weiteren (signifikanten) Anstieg des Strandungsrisikos (im Vergleich zum Ausgangszustand von 1995) für Gewässerorganismen. Zweitens waren die Anlandungen in der Bregenzerach mit (Tendenzen) einer Zunahme der Varianz der benetzten Breite des ausgewählten Querschnitts verbunden. Die Zunahme der Varianz der benetzten Breite als Methode zur hydraulischen Bewertung des Lebensraums (vgl. Tharme 2003) wurde häufig als Parameter für die Heterogenität des Lebensraums und damit für die Lebensraumqualität dokumentiert (Jungwirth et al. 1993; Kaufmann et al. 1999). Ein wichtiger Aspekt in der Diskussion ist somit, dass morphologische Heterogenität das Strandungsrisiko mitunter erhöhen könnte, aber auch wichtige geeignete Lebensräume für verschiedene Lebensstadien bietet (Hauer et al. 2014, 2017). Es ist jedoch auch wichtig festzuhalten, dass es sich bei diesen Ergebnissen um eine Analyse „innerhalb des Flusses“ und eine relative Aussage über die dokumentierte Fluss‑/Kiesbank-Entwicklung und die quantitativen Zahlen (einschließlich des Anfangsstadiums im Jahr 1995) handelt. Im Vergleich zum zweiten untersuchten Standort (Inn) ist beispielsweise das Strandungsrisiko an der Bregenzerach um den Faktor zwei bis drei höher. Diese vergleichenden Ergebnisse im Zusammenhang mit der Querschnittsanalyse unterstreichen somit auch die Bedeutung der Berücksichtigung geomorphologischer Randbedingungen und ihrer Auswirkungen auf Gerinne- und Kiesbank-Entwicklung bzw. den Grundzustand der Gewässermorphologie in Bezug auf die Einflüsse von Schwall und Sunk.

Kiesbänke sind Makrostrukturen und Teil des sogenannten Riffle-Bar-Pool-Tripletts (Church und Rice 2009), welche einen kontinuierlichen Übergang von unterschiedlichen Lebensräumen, von hochenergetischen bis hin zu niedrigeren Flachwassergebieten aufweist (Hauer et al. 2009). Die Lebensraumnutzung von Salmoniden verändert sich im Laufe des ersten Jahrs von Larvenstadien zu Fischen im Herbst (0+), wobei hier die als Lebensraum geeigneten Strömungsgeschwindigkeiten und Wassertiefen zunehmen (Riley et al. 2006). In Bezug auf Schwall und Sunk wurden vor allem die sehr frühen Stadien in Niedrigenergie-Flachwassergebieten als „Flaschenhals“ im Populationsaufbau identifiziert (Auer et al. 2017; Halleracker et al. 2003; Saltveit et al. 2001). Die vorliegende Studie zeigte, dass die zeitliche Querschnittsentwicklung keinen signifikanten Einfluss auf eine Zunahme oder Abnahme des Strandungsrisikos von Gewässerorganismen sowohl für (i) einen Flussabschnitt mit Anlandungstendenz (Bregenzerach) als auch (ii) einen Fluss mit Eintiefungstendenz (Inn) hatte. Alle untersuchten Zeiträume (n = 9) enthielten Querschnittsänderungen aufgrund von Hochwässern. Es ist bekannt, dass wiederkehrende Umlagerungen durch Hochwässer ein wichtiger natürlicher ökologischer Prozess (Nakamura et al. 2000) für die Lebensraumqualität von Makrowirbellosen (McCabe und Gotelli 2000) und Fischen (Leprieur et al. 2006) in verschiedenen Lebensstadien sind, sowie auch Bedeutung für das Wachstum semiaquatischer und terrestrischer Vegetation besitzen (z. B. Shafroth et al. 2002). Allerdings unterscheiden sich solche Störungen durch Hochwässer im Vergleich zur Schwall-Sunk-Hydrologie hinsichtlich Dauer, Jahreszeit, Häufigkeit und Ausmaß des Abflusses und bieten keine Möglichkeiten für Verhaltensanpassungen von Organismen (Lytle und Poff 2004; Hauer et al. 2024). Am Inn führten beispielsweise die morphologischen Veränderungen des 100-jährlichen Hochwassers 2005 zu einer deutlichen, aber nicht signifikanten Änderung des Strandungsrisikos (Queranstiegsgeschwindigkeit) mit einer Verschiebung der mittleren lateralen Sunkgeschwindigkeit um 9,24 cm min⁻¹ (1995) und 7,93 cm min⁻¹ (1998) auf 4,73–4,47 cm min⁻¹. Hervorgerufen wurde dies aufgrund der Eintiefung und der morphologischen Änderungen im Querschnitt. Ähnliche Ergebnisse konnten jedoch nicht für das HQ₁₀₀-Ereignis an der Bregenzerach im Jahr 2005 ausgewiesen werden.

Die vorliegende Studie zeigt, dass das quantifizierte Strandungsrisiko für Gewässerorganismen (z. B. auf Grund der lateralen Sunkgeschwindigkeit) bereits eine Funktion des allgemeinen morphologischen Grundzustands des betroffenen Fließgewässers ist. Obwohl langfristige Eintiefungs- oder Anlandungstendenzen aufgrund der morphologischen Entwicklung innerhalb bestimmter Flüsse auch zu erheblichen Veränderungen des Strandungsrisikos (z. B. Inn) führen können, unterscheidet sich vor allem das Strandungsrisiko im Vergleich zwischen den Flüssen für alle Zeiträume erheblich. Dies ist wiederum auf die starke individuelle Abhängigkeit der Ausbildung von Strukturen in Zusammenhang mit Geomorphologie, Abflüssen und Feststoffregime zurückzuführen. Dies bedeutet für die Bewirtschaftung von Speicherkraftwerken und die Überarbeitung von Genehmigungen/Konzessionen, dass die allgemeinen Randbedingungen (i) Sedimentversorgung, (ii) Transportkapazität und (iii) dokumentierte und vorhergesagte Kiesbankentwicklung wichtige Parameter sind, die berücksichtig werden müssen.