Neue Wege in der interdisziplinären Fließgewässerforschung – Vorstellung des FWF-Doktoratsprogramms „Industrialisierte Flusslandschaften“ im Rahmen der Doktoratsschule HR21 an der BOKU Wien
verfasst von:
Univ.-Prof. Dr. T. Hein, Mag. Dr. E. Bondar-Kunze, Univ.-Prof. DI Dr. T. Ertl, Assoc. Prof. Dr. W. Graf, Univ.-Prof. DI Dr. Dr. h.c. H. Habersack, PD Mag. Dr. G. Haidvogl, PD DI Dr. C. Hauer, PD R. Hood-Nowotny, MBA Ph.D., Assoc. Prof. PD DI Dr. G. Laaha, Ass.-Prof. B. Mehdi-Schulz, MSc. Ph.D., PD DDI Dr. H. Mitter, Ass.-Prof. DI Dr. R. Schinegger, Univ.-Prof. Mag. Dr. E. Schmid, Assoc. Prof. DI Dr. M. Schmid, Univ.-Prof. DI Dr. S. Schmutz, Ass.-Prof. DI Dr. W. Seher, DI Dr. M. Stockinger, Univ.-Prof. Dr. G. Stöglehner, Univ.-Prof. Dr. C. Stumpp, Assoc. Prof. PD Mag. Dr. G. Weigelhofer, PD DI Dr. G. Langergraber
Die meisten Flüsse der Erde sind durch interagierende soziale und natürliche Prozesse geformt und verändert worden. Als industrialisierte Flusslandschaften (Industrialized Riverine Landscapes – IRL) sind sie Teil unserer kritischen Infrastruktur geworden, entscheidend für den Nexus Wasser-Energie-Nahrung, aber auch geprägt durch Extremereignisse und anfällig für den Biodiversitätsverlust im Zuge des globalen Wandels. Diese Situation stellt das Management von Flusslandschaften vor große Herausforderungen und erfordert dringend einen interdisziplinären Ansatz, der Natur‑, Sozial- und Ingenieurwissenschaften integriert, um die Ursachen und den Verlauf des Wandels von Flusssystemen zu analysieren und zu Lösungsansätzen beizutragen. Das FWF-Doktoratsprogramm IRL baut auf der Doktoratsschule „HR21 – Human Rivers Systems in the 21st century“ (hr21.boku.ac.at) an der BOKU Wien auf und erforscht Flusslandschaften als gekoppelte sozio-ökohydrologische Systeme (SEHS). Im Rahmen von Promotionsprojekten werden die Ursachen des Wandels und der Wandel selbst analysiert und mögliche Zukunftsszenarien dargestellt. Die Erforschung von Flüssen als SEHS bringt neue Einsichten in die Koevolution von Natur und Gesellschaft als Wissensgrundlage in eine nachhaltigere Zukunft. Die Doktoratsschule ist in vier Forschungscluster gegliedert, die sich an wesentlichen Systemgrößen der aktuellen Fluss- und Nachhaltigkeitswissenschaft orientieren: (1) Konnektivität, (2) Governance und Planung, (3) Metabolismus und (4) Vulnerabilität. Die DoktorandInnen forschen gemeinsam mit Teams aus BOKU-WissenschaftlerInnen und internationalen KooperationspartnerInnen mit dem Ziel, ein umfassendes Verständnis der Kopplung von natürlichen mit sozialen Systemen zu erhalten. Drei Forschungsfelder, die gleichzeitig drängende Probleme in Flusslandschaften und für die Gesellschaft darstellen, bilden den thematischen Schwerpunkt der fünfzehn neuen Doktoratsprojekte: (1) Extremereignisse, (2) Infrastruktur und Urbanisierung und (3) der Nexus Wasser-Energie-Nahrung.
Hinweise
Hinweis des Verlags
Der Verlag bleibt in Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutsadressen neutral.
1 Einleitung
Mit Beginn des Anthropozäns haben sich Landschaften und Flusssysteme weltweit verändert. Dieser Wandel wurde nicht zuletzt durch den Übergang von einem agrarischen (auf Sonnenenergie basierenden) zu einem industrialisierten (auf fossilen Brennstoffen basierenden) sozialmetabolischen Regime (Fischer-Kowalski und Haberl 2007) vorangetrieben, was sich bis heute stark auf die Verfügbarkeit und Qualität von Wasser und die Funktionsweise aquatischer Ökosysteme auswirkt. Folglich können fast alle Flusssysteme nicht mehr als natürliche Systeme angesehen werden. Dynamische, komplexe Wechselwirkungen und Rückkopplungsmechanismen zwischen natürlichen und sozialen Systemen kennzeichnen die heutigen Flüsse und ihre Einzugsgebiete, sie wurden in „Industrialisierte Flusslandschaften“ (Industrialized Riverine Landscapes, kurz IRL) transformiert.
Das Bewusstsein für diese Wechselwirkungen hat deutlich zugenommen, die Initiative „Panta Rhei – Everything Flows“, die die Internationale Gesellschaft für Hydrologische Wissenschaften (IAHS) 2013 gestartet hat, ist nur ein Beispiel dafür (Montanari et al. 2013). Es wurden Konzepte und Forschungsfragen entwickelt, die auf die Verknüpfung von hydrologischen mit gesellschaftlichen Phänomenen und Prozessen abzielen (Montanari et al. 2013) und ungelöste Probleme angehen (Blöschl et al. 2019; Sutherland et al. 2013). Wir sehen allerdings den dringenden Bedarf, über diese sozial-hydrologischen Wechselwirkungen hinauszugehen (Cabello et al. 2015), indem sozioökonomische, ökologische und hydrologische Perspektiven gleichberechtigt in einen neuen Forschungsrahmen integriert werden (Hein et al. 2021).
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Auf der Grundlage einer interdisziplinären, forschungsorientierten Ausbildung untersucht die Doktoratsschule „HR21 – Human Rivers in the 21st century“ (hr21.boku.ac.at) IRL als gekoppelte sozio-ökohydrologische Systeme (Socio-ecohydrological systems – SEHS) (Hein et al. 2021) und stellt die Frage, wie diese auf vergangene, gegenwärtige und künftige ökologische, soziale, kulturelle und wirtschaftliche Triebkräfte des Wandels, einschließlich Klima‑, Demografie- und Landnutzungsänderungen, reagieren (Hein et al. 2023). Diese Doktoratsschule bildet eine neue Generation von ExpertInnen aus und liefert wissenschaftliche Erkenntnisse für ein solides adaptives Management, das alternative Transformationspfade von IRL in widerstandsfähigere Systeme unterstützt. Die Doktoratsschule HR21 verkörpert die Vision der Universität für Bodenkultur Wien (BOKU) als führende Universität für Nachhaltigkeit in Europa. Die an der Betreuung und Ausbildung der DoktorandInnen beteiligten WissenschafterInnen zeichnen sich durch ihre Expertise in den Natur‑, Ingenieur- und Sozialwissenschaften und ihr hohes Potenzial zur Unterstützung eines evidenzbasierten, adaptiven Managements von Flusslandschaften aus.
2 Problemstellung
Der Industrialisierungsprozess hat aquatische Ökosysteme verändert und zu komplexen Wechselwirkungen und Rückwirkungen mit sozialen Systemen geführt, die Belastungen verursachen, von denen sich aquatische Systeme nur langsam (oder nie) erholen und die die Bereitstellung von Leistungen durch aquatische Ökosysteme über kurz oder lang beeinträchtigen (Borgwardt et al. 2019; Pham et al. 2019). Diese Belastungen zeigen bereits heute und weltweit schwerwiegende Auswirkungen, sie führen beispielsweise zu einem Verlust an biologischer Vielfalt (Dudgeon 2019), zur Bodenversiegelung durch Siedlungen und Infrastruktur (Davies 2017; Carlucci 2023), zur Verschlechterung der Wasserqualität (de Graaf et al. 2019), zu Verschärfung der Hochwassersituation (Laaha et al. 2024), sowie zu Ungleichgewichten bei der Sicherheit der Wasserverfügbarkeit (Vörösmarty et al. 2010) und der Sedimentdynamik (Loon et al. 2016; Owens 2020) in Flüssen und ihren Einzugsgebieten.
Die vom Umstieg auf fossile Energieträger angetriebene Industrialisierung (Krausmann et al. 2016) hat in eine globale Klimakrise geführt, die sich unter anderem in einer Zunahme von Extremereignissen wie Überschwemmungen und Dürren manifestiert (Posthuma et al. 2019), global schreitet dieser Industrialisierungsprozess weiter voran, was sich etwa in schnell wachsenden Städten, dem massiven Ausbau von Infrastrukturen oder der Übernutzung natürlicher Ressourcen zeigt. Das stellt auch das positive Zusammenwirken zwischen Wasser, Energie und Nahrung („Water-Energy-Food Nexus“) in Frage, was wiederum unter anderem den ökologischen und chemischen Zustand der aquatischen Ökosysteme beeinträchtigen kann (Bidoglio et al. 2019; Gordon et al. 2008; Ondiek et al. 2020). Durch die Transformation der IRL verringerte sich die Selbstreinigungskapazität der Gewässer, die Bereitstellung von Ökosystemleistungen und die biologische Vielfalt, was wiederum die Anfälligkeit ökologischer und sozioökonomischer Systeme erhöht und somit heutige und künftige Generationen gefährdet (Lach und Ingram 2005). Viele dieser vom Menschen verursachten Umweltbelastungen sind anhaltend, hochkomplex, manchmal miteinander verflochten, oft global und mit verzögerten Reaktionen, hierbei können Ursache und Wirkung räumlich und zeitlich weit auseinander liegen und in der Regel zahlreiche Interessengruppen beteiligt sein (Mohammed et al. 2022). Flusslandschaften müssen heute nicht nur an globale Herausforderungen wie den Klimawandel angepasst werden. Als Elemente des Kohlenstoffkreislaufs sind sie auch Orte potenzieller Lösungen, z. B. als Kohlenstoffsenken oder durch Reduktion von Treibhausgasemissionen aus IRL (Walling et al. 2006; Wedding et al. 2021).
Moderne Gesellschaften scheinen schlecht gerüstet, um auf die extremen Veränderungen und das beschleunigte Tempo des Wandels in IRL angemessen zu reagieren. Während sie auf deren Integrität und ökologische sowie gesellschaftliche Funktionalität angewiesen sind, sehen sie sich mit einem dringenden Handlungsbedarf (z. B. Landnutzungsänderung, Sedimentmanagement, Klimaschutz und -anpassung, Biodiversitätskrise, Wasserverfügbarkeit, Abschwächung von Infrastruktureffekten) und der gleichzeitigen Notwendigkeit eines langfristigen, nachhaltigen Managements konfrontiert. Verbesserte Vorhersagen als Grundlage für ein anpassungsfähiges Management und die Bewertung der Wirksamkeit von naturbasierten Lösungen („Nature-based Solutions“ – NbS) sind dringend erforderlich, um den ökologischen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Anforderungen angesichts des globalen Wandels gerecht zu werden. Solche Herausforderungen erfordern interdisziplinäre Ansätze, da vielfältige Belastungen auf verschiedenen zeitlichen und räumlichen Ebenen zusammenwirken. Zu den entscheidenden Zukunftsfragen gehören der weiterhin wachsende gesellschaftliche Bedarf an Ressourcen und Energie (z. B. Ausbau erneuerbarer Energien), der sich unmittelbar auf den Zusammenhang Wasser, Energie und Ernährung auswirkt, die durch hydrologische Extreme beeinträchtigte Wasserverfügbarkeit und die ökologischen und sozialen Auswirkungen des Infrastrukturausbaus (Hein et al. 2021). Innovationen sind erforderlich, z. B. beim Verständnis der Kaskadeneffekte von Dürren und Überschwemmungen, oder Wechselwirkungen zwischen sozialem und ökologischem Stoffwechsel.
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Neben Flusslandschaftsforschung im engeren Sinn nimmt HR21 auch die Einwirkungen der Siedlungen auf den Fluss genauer in den Blick. Das Wassermanagement in Städten hat großen Einfluss auf die Gewässer. Aktuelle Herausforderungen ergeben sich dabei aus dem vermehrten Einsatz Blau-Grüner Infrastruktur (Pucher et al. 2023). Durch die klimatische Veränderung kommt es häufiger zu Starkregenereignissen. Für das Management von Regenwasser in Siedlungen kommen vermehrt naturbasierte Lösungen zum Einsatz. Im Zuge der neuen EU-Abwasserrichtlinie werden dafür auch (Regenwasser‑)Bewirtschaftungspläne vorgeschrieben (UWWTD 2024). Ein weiterer Einsatz von Blau-Grüner-Infrastruktur ist die verstärkte Begrünung, um der Erhitzung von Siedlungen entgegenzuwirken. Bei allen diesen Anwendungen muss für eine ausreichende Bewässerung der Blau-Grünen Infrastruktur gesorgt werden, da das vorhandene Regenwasser für die Wasserversorgung der Pflanzen nicht immer ausreicht (Langergraber et al. 2023; Prenner et al. 2023). Um den neuen Herausforderungen gerecht zu werden, ist es neben einer verstärkten Interdisziplinarität auch nötig, sich der eigenen (Ingenieurs‑)Umweltgeschichte zu stellen, daraus zu lernen und diese Erkenntnisse für zukünftige Planungen zu berücksichtigen. Neue Erkenntnisse werden daher in HR21 in einen umweltgeschichtlichen Zusammenhang gestellt.
3 Wissenschaftliches Konzept der Doktoratsschule HR21
Die Doktoratsschule HR21, welche an keiner anderen europäischen Universität in dieser Form angeboten wird, wurde 2017 an der BOKU eingerichtet. Die wichtigste konzeptionelle Innovation besteht darin, industrialisierte Flusslandschaften (Industrialized Riverine Landscapes, IRL) als SEHS zu untersuchen und die interdisziplinäre Forschung auf die ko-evolutionäre Kopplung von natürlichen und sozialen Systemen zu fokussieren. Die IRL-Forschung berücksichtigt Transformationsprozesse in einem umfassenden Sinne (ökologisch, soziokulturell und ökonomisch), adressiert drei übergreifende Forschungsfelder und ist in vier Forschungscluster gegliedert. Dieses hohe Maß an Integration soll zu Ergebnissen führen, die auch außerhalb der akademischen Welt wirksam werden; nicht zuletzt durch die Ausbildung einer neuen Generation von ExpertInnen für Flussforschung und -management.
Der Ansatz von HR21 basiert auf der analytischen Unterscheidung zwischen natürlichen (öko-hydrologischen) und sozialen (sozio-kulturellen-ökonomischen) Systemen, die wir als sich gemeinsam entwickelnde SEHS betrachten (Haberl et al. 2016; Hein et al. 2021). Die Untersuchung von SEHS erfordert Beiträge aus allen beteiligten Fachbereichen: Natur‑, Ingenieur‑, Sozial- und Geisteswissenschaften. Transformationsprozesse in IRL sind das Ergebnis von natürlichen und sozialen Prozessen und wie diese in Flusssystemen gekoppelt waren und sind. Daher ist das Verständnis dieser Kopplung von ökohydrologischen und sozialen Systemen, einschließlich der relevanten Akteure und Institutionen, durch die Konzepte des gesellschaftlichen Metabolismus und der Kolonisierung natürlicher durch soziale Systeme, wie sie in der Wiener Sozialen Ökologie (Fischer-Kowalski und Erb 2016; Schmid 2016) entwickelt wurden, die Grundlage unserer interdisziplinären Forschung.
Die wissenschaftliche Integration erfolgt über vier Forschungscluster (FC), die von allen beteiligten Disziplinen – wenn auch auf unterschiedliche Weise – adressiert werden können: (i) Konnektivität, die soziale, ökologische, hydrologische und landschaftliche Eigenschaften von IRL im Raum adressiert, (ii) Governance und Planung, die sich damit befassen, wie soziale Systeme mit IRL interagieren, (iii) Metabolismus sozialer und natürlicher Systeme, der sich damit befasst, wie gesellschaftlich verursachte Stoff- und Energieströme ökohydrologische Systeme als Quellen und Senken dieser Ströme verändern, und (iv) Vulnerabilität, um die Anfälligkeit für Auswirkungen, Risiken und sich verändernde Ausgangssituationen zu adressieren, die wesentlich mitentscheiden, wie ökohydrologische und soziale Systeme in SEHS aneinander gekoppelt sind.
3.1 Konnektivität
IRL weisen im Vergleich zu vorindustriellen Flusslandschaften veränderte Konnektivität mit einer neuen räumlichen Anordnung von Landschaftsmerkmalen (Lebensraumtypen, Landnutzung und Flusskorridore) und Austauschprozessen von Wasser, Stoffen und Organismen auf (Baldan et al. 2023; Funk et al. 2023). Wasserbau oder Bodenversiegelung verändern die Vernetzungseigenschaften, insbesondere auf lokaler und regionaler Ebene (Baldan et al. 2020). So schränken beispielsweise Landnutzungsänderungen in Überschwemmungsgebieten die Verfügbarkeit von Auenlebensräumen für Flussgemeinschaften ein und haben Auswirkungen auf den Hochwasserrückhalt und die Erholungsnutzung. In Anlehnung an einen Meta-Ökosystem-Ansatz (Bondar-Kunze et al. 2022) konzeptualisieren und analysieren wir skalenübergreifende, flussabwärts gerichtete Auswirkungen solcher Eingriffe, um neue Einblicke in SEHS zu gewinnen und neuartige, emergente Eigenschaften des resultierenden industrialisierten Systems zu identifizieren. Die Berücksichtigung der strukturellen und funktionalen Konnektivität, die in Netzwerkanalysen identifiziert wird, ermöglicht innovative Wege zur Quantifizierung von Veränderungen der SEHS-Eigenschaften (Eros et al. 2012).
3.2 Governance und Planung
Um die Widerstandsfähigkeit und Vielfalt von IRL als Lebensraum für Menschen und andere Arten zu verbessern, muss die Aneignung von IRL-Ressourcen (Boden, Wasser, Luft, Energie, biologische Vielfalt, Landschaft usw.) grundlegend verändert werden. Dies erfordert neue strategische Planungs- und Governance-Rahmenpraktiken sowie proaktive und reaktive Managementprozesse zur Förderung der Nachhaltigkeit (Stoeglehner 2020; Stoeglehner und Abart-Heriszt 2022). Daher befasst sich dieser Forschungscluster mit dem Zusammenspiel von formalen Planungs- und Governance-Prozessen sowie von Prozessen der Interessengruppen zum Management von IRL auf verschiedenen Ebenen, über Sektoren, wissenschaftliche Disziplinen und Verwaltungsgrenzen hinweg. Sie befasst sich mit der Frage, wie die Politikgestaltung und das adaptive Management optimiert werden können, um mit den verschiedenen Triebkräften des Wandels und den unterschiedlichen menschlichen Bedürfnissen fertig zu werden und somit eine nachhaltige Entwicklung von IRL zu fördern.
3.3 Metabolismus
Im Zuge des Industrialisierungsprozesses hat sich die Rolle der Flüsse im Stoffwechsel der Gesellschaft (de Molina und Toledo 2014) stark verändert. Dieser Forschungscluster geht dieser Veränderung nach und untersucht, wie dieser veränderte soziale Metabolismus auf kleineren räumlichen Skalen mit Stoffwechselprozessen in Flusslandschaften und aquatischen Organismen (Haberl et al. 2019) verbunden ist, um eine nachhaltigere Kopplung von sozialen und ökohydrologischen Systemen in IRL beschreiben zu können. Flüsse waren und sind Quellen für essenzielle materielle und energetische Inputs in die Gesellschaft, sie bieten Raum für Infrastruktur und nehmen als Senken Outputströme aus dem sozialen System in Form von Abfällen, Emissionen aber etwa auch Abwärme auf. IRL sind wichtige Energiequellen für die Gesellschaft, als Transportwege und Räume der Stromerzeugung sind sie Quellen für unsere „High Energy Civilization“, die jahrzehntelang keine energetischen Limits zu kennen schien (Smil 2018). Die durch fossile Brennstoffe angetriebene Industrialisierung des sozialen Stoffwechsels hat das Ausmaß, die Intensität und die ökologischen Hinterlassenschaften menschlicher Eingriffe erheblich verändert und Flüsse in IRL verwandelt. Ein sozialmetabolischer Forschungsansatz (Rodríguez-Castillo et al. 2019) wird im Doktoratsprogramm IRL mit Forschung aus den Bereichen Fließgewässerökologie und Wasserbau kombiniert, um das Verständnis für die Kopplung von natürlichen und sozialen Systemen in SEHS zu vertiefen und um mitzuhelfen, nachhaltigere IRL zu realisieren.
3.4 Vulnerabilität
Die Vulnerabilität ist eine Funktion der Exposition, der Empfindlichkeit und der Anpassungsfähigkeit. Die Bewertung der Anfälligkeit aquatischer Ökosysteme gegenüber (vielfältigen) menschlichen Belastungen und dem Klimawandel ist von entscheidender Bedeutung für die Wasserbewirtschaftung und die Entwicklung nachhaltiger Lösungen für die Wassersicherheit und die Gesundheit der Ökosysteme. Die Vulnerabilität ist nicht nur eine Komponente der Risikobewertung (Montanari et al. 2013), sondern wird auch für die integrierte Analyse von sozioökonomischen und ökologischen Aspekten bei der Nachhaltigkeitsbewertung eingesetzt (Bottero 2011; Eakin und Luers 2006). In der Vergangenheit wurden statische Systemzustände und die Auswirkungen einzelner Belastungs-Reaktions-Prozesse bewertet (Adger et al. 2004). Jüngste Entwicklungen zeigen jedoch, dass die Systeme hochdynamisch sind und von mehreren Belastungen gleichzeitig überlagert werden, sodass es keine eindeutigen Ausgangsbedingungen und kaum vorhersehbare Folgen für Gewässer, aquatische Organismen und die menschliche Gesellschaft gibt (Schinegger et al. 2018).
Unser Forschungsrahmen hat gemeinsame wissenschaftliche Anliegen in Bezug auf räumliche und zeitliche Skalen, Vorhersage, Unsicherheiten und Festlegung von Indikatoren. Innerhalb unseres sozio-ökohydrologischen Rahmens ist es wichtig zu berücksichtigen, dass Eingriffe und Prozesse an einem Ort stattfinden, deren Auswirkungen aber oft anderswo beobachtet werden und für diese Kausalität relevante Entscheidungen wieder an einem dritten Ort getroffen werden. Gerade bei Fließgewässerforschung ist es eine große Herausforderung, Zusammenhänge zwischen den räumlichen Maßstäben von Prozessen und der Organisation und räumlichen Zuständigkeit der Entscheidungsinstitutionen und Behörden zu berücksichtigen (Tschikof et al. 2024). Die Auswirkungen können auf kurzen zeitlichen Skalen sofort eintreten oder sie können aufgrund der diversen Verweilzeiten des Wassers, die entlang einzelner Fließwege von Tagen bis zu mehreren hundert Jahren reichen (Sprenger et al. 2019), sowie aufgrund langfristiger Veränderungen biogeochemischer und anderer Prozesse (sogenannter „Legacy-Effekte“) und gesellschaftlicher Anpassungen stark verzögert sein. Erkenntnisse aus der Umweltgeschichte sind hilfreich, wenn man die spezifischen Zeithorizonte von politischen und soziokulturellen Prozessen, Ökosystemdienstleistungen und deren langfristige Auswirkungen in Gesellschaft und Natur berücksichtigen will (Winiwarter et al. 2016).
Während die vier FC die konzeptionelle Grundlage für HR21 durch wesentliche interdisziplinäre wissenschaftliche Ansätze liefern, definieren drei übergreifende Forschungsfelder (FF) in IRL unsere Forschung durch spezifische Themen, die durchaus auch außerhalb der Wissenschaft als entscheidend für die nachhaltige Transformation von SEHS angesehen werden (vgl. Abb. 1).
Abb. 1
Die drei übergreifenden Forschungsfelder (orange Water-Energy-Food Nexus, violett Urbanisation & Infrastructure und cyan Extreme Events), die in den Rahmen der vier Forschungscluster (Governance, Connectivity, Vulnerability and Metabolism) von HR21 eingebettet sind. (Basierend auf Hein et al. (2021))
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4 Übergreifende Forschungsfelder
Um den Wandel von IRL im Anthropozän (Haines und Frumkin 2021) zu verstehen, befasst sich unsere Forschung mit den großen Herausforderungen im Zusammenhang mit Klima- und Landnutzungsänderungen in städtischen und ländlichen Einzugsgebieten und dem Ressourcenbedarf moderner Gesellschaften. Folgende drei große übergreifende Forschungsbereiche (FF) werden von 15 Doktoratsprojekten mit spezifischen Forschungsfragen adressiert: (1) Extremereignisse, (2) Urbanisierung und Infrastruktur und (3) der Zusammenhang zwischen Wasser, Energie und Nahrung („Water-Energy-Food Nexus – WEF“). Unsere innovativen Forschungsansätze im Rahmen der Themenfelder orientieren sich an aktuellen Initiativen, um Lösungen für diese Krisen zu entwickeln (IAHS 2024). Die Umsetzung der Doktoratsprojekte wird durch interdisziplinäre und internationale Betreuungsteams und ein auf die spezifischen Anforderungen der Studierenden ausgerichtetes Ausbildungsprogramm unterstützt. Durch internationale Kooperationen fördert die Doktoratsschule die Sichtbarkeit der Studierenden, der BOKU und des Forschungsstandorts in der integrierten Wasser- und Gewässerforschung auf nationaler und internationaler Ebene und unterstützt neue Wege in der Umsetzung.
4.1 Extremereignisse
IRLs sind komplexe Systeme, die durch den Wasserkreislauf geformt und durch menschliche Eingriffe verändert werden. Um die Kopplung von sozialen und natürlichen Systemen in IRLs zu verstehen, sind Extremereignisse von besonderer Bedeutung (Blöschl et al. 2019; Montanari et al. 2013). Sie stellen vielfältige Bedrohungen und Störungen für Ökosysteme und Gesellschaften dar und führen zu Überschwemmungen von Siedlungen, Infrastrukturen oder landwirtschaftlichen Flächen, aber auch zu einer Verschlechterung der Wasserqualität oder einem Mangel an Wasserressourcen. Durch diese Störungen sind sie aber gleichzeitig auch integraler Bestandteil der Charakteristik hydrologischer Systeme, die zur Ausbildung typischer Ökosysteme und sozioökonomischer Nutzungen und Entwicklungen geführt hat. Es wird erwartet, dass das Ausmaß und die Häufigkeit von hydrometeorologischen Extremen aufgrund des globalen Wandels (Field et al. 2012) der hydrologischen, biogeochemischen und biologischen Dynamik in Flusssystemen regional zunehmen werden. Diese Prozesse stellen eine Herausforderung für die Integrität und das Funktionieren von Ökosystemen dar und schränken damit die Bereitstellung von Ökosystemleistungen für die Gesellschaft ein (Lynch et al. 2023). Diese Einschränkungen können auch zu langfristigen natürlichen und gesellschaftlichen Transformationsprozessen führen. Daher ist die Bestimmung kurz- und langfristiger Veränderungen der Konnektivität und des Wasseralters nicht nur für die Bewertung hydrologischer Aspekte, sondern auch für den Transport von Schadstoffen, die die Wasserqualität beeinflussen, von Bedeutung.
Menschliche Gesellschaften versuchen seit langem, sich vor hydrologischen Gefahren zu schützen, aber die Anpassungsstrategien konzentrieren sich – vor allem seit Beginn der Industrialisierung – eher auf den Schutz als auf die Entwicklung resilienter Systeme, wobei technische oder natürliche Maßnahmen eingesetzt werden. Während die Kosten technischer Hochwasserschutzmaßnahmen besonders intensiv untersucht wurden, sind Extremereignisse als Treiber von Baumaßnahmen und die in Wasserbauwerken gebundenen materiellen Ressourcenströme noch nicht gemeinsam untersucht worden. Die gesellschaftliche Ressourcennachfrage wächst jedoch und damit verändern sich auch die Stoffströme. Dies wird zu gesellschaftlichen Wechselwirkungen und Rückkopplungen mit der Natur und dem Wasserkreislauf führen, die noch komplexere wasserwirtschaftliche Probleme verursachen.
4.2 Urbanisierung und Infrastruktur
Der aktuell signifikante globale Trend der Verstädterung ist eine der wichtigsten Triebkräfte für globale Umweltveränderungen (Seto und Satterthwaite 2010). Urbanisierung hat erheblich zur Herausbildung von IRL beigetragen. Immer mehr Wohn‑, Gewerbe- und Industriegebiete, Straßen, Brücken und andere Infrastrukturen breiten sich in (ehemaligen) Auenzonen aus. Der Fluss selbst ist zu einer Wasserstraße mit Häfen geworden, Anlagen zur Wasserversorgung, Abwasserbehandlung und -entsorgung leiten Gewässer um und verändern deren Eigenschaften. Energie wird direkt mit Wasserkraft oder indirekt über die Wasserkühlung von anderen Kraftwerken oder Industrieanlagen erzeugt und in Netzen weitertransportiert, die Teil von Flusslandschaften sind und damit auch zu deren industriellem Charakter beitragen. Darüber hinaus stehen Hochwasserschutz, Siedlungsentwicklung, Be- und Entwässerung für die Landwirtschaft in Wechselwirkung mit aquatischen Ökosystemen. In all diesen Infrastrukturen hat sich der historische Prozess der Industrialisierung manifestiert.
Viele dieser industriellen Flussinfrastrukturen sind für die modernen menschlichen Gesellschaften von existenzieller Bedeutung (National Research Council et al. 2009). Städte wirken sich nicht nur direkt auf Flussabschnitte in ihrem eigenen Gebiet aus, sie verwandeln auch entfernte Flusslandschaften in ihr Hinterland, aus dem sie Ressourcen beziehen und in dem sie ihre Abfälle und Emissionen deponieren. Solche materiellen und physischen Ströme zwischen Städten und (Fluss‑)Umland werden von der urbanen Metabolismusforschung untersucht (Barles 2007). In Europa wurden aquatische Ökosysteme spätestens seit dem 19. Jahrhundert umfassend und tiefgreifend kolonisiert, ihre Erschließung und Integration in Infrastrukturen haben sie in IRL verwandelt. Infrastrukturen verbinden öko-hydrologische mit sozialen Systemen, ihre Erforschung ist daher zentral für unser Verständnis gekoppelter SEHS (Gierlinger et al. 2013; Gingrich et al. 2012).
Eine erfolgreiche Nachhaltigkeitstransformation von IRL wird davon abhängen, wann und wie sich die Formen und Funktionen von Städten und Infrastrukturen in Flusslandschaften verändern, ob sie weiter genutzt, aufgegeben oder neu errichtet werden (Seto et al. 2016). Die Steuerung einer nachhaltigen Urbanisierung und Infrastrukturentwicklung erfordert eine integrative Grundlagenforschung, um Zielkonflikte und Abwägungen zu verstehen. Eine stärker kreislauforientierte Wirtschaft würde zumindest einige der Kreisläufe des High-Input-High-Output-Stoffwechsels der Industriegesellschaften (Haas et al. 2020) schließen, die die Flusssysteme tiefgreifend verändert haben. Daher ist die systematische Integration von Studien zum urbanen mit solchen zum ökologischen Metabolismus (Madrid-López und Giampietro 2015) eine Schlüsselinnovation dieses Forschungsfelds.
4.3 Wasser-Energie-Nahrung-Nexus (WEF)
Der Wasser-Energie-Nahrung-Nexus (WEF) ist angesichts des steigenden Ressourcenbedarfs einer wachsenden Bevölkerung und weiterer ökologischer und wirtschaftlicher Aspekte der Wasser‑, Nahrungsmittel- und Energiesicherheit von zentraler Bedeutung für die nachhaltige Transformation von IRL und deren Ökosystemperspektive (Simpson und Jewitt 2019). Im Zusammenhang mit SEHS bietet der WEF eine sektorübergreifende und dynamische Perspektive (FAO 2014) und befasst sich mit den komplexen, oft widersprüchlichen Wechselbeziehungen zwischen Wasser‑, Energie- und Landressourcen, die vielfältige Stressfaktoren auf IRL ausüben, vor allem in Bezug auf Wasserqualität, -quantität und Biodiversität, zunehmende land- und forstwirtschaftliche Produktion, Verstädterung, Freizeitnutzung und Energieerzeugung sowohl innerhalb des aquatischen Systems (Wasserkraft) als auch im Einzugsgebiet (z. B. Wind- und Solarenergie, Biokraftstoffanbau) (Zarei et al. 2021). Durch die Anwendung des SEHS-Konzepts verbindet unser Ansatz die WEF-Nexus-Forschung (Purwanto et al. 2021) mit spezifischen Forschungsfragen für IRL. Da der WEF die Wasser- und Landbewirtschaftung sowie Governance-Ansätze sektor- und maßstabsübergreifend integriert, zielt er u. a. auf eine höhere Ressourceneffizienz, die Verringerung von Zielkonflikten und eine Steigerung der Synergien für mehr politische Kohärenz ab (Hoff 2011) und versucht, die Nutzung und den Schutz der Gewässer zu integrieren.
Die WEF-Forschung im Bereich IRL basiert auf den Wechselwirkungen zwischen den gesellschaftlichen Nutzungen, Anforderungen, Entscheidungen und Anpassungen, den Stoff- und Energieflüssen, die Einzugsgebiete und Flusslandschaften miteinander verbinden, und ihrem ökologischen Zustand. Der Klimawandel bedeutet zusätzlichen Stress für die Ökosysteme der Flusslandschaften und erhöht möglicherweise den Landnutzungsbedarf aufgrund von Produktivitätsverlusten in der Landwirtschaft (Tataw et al. 2016), und auch die Strategien zur Abschwächung des Klimawandels üben durch die Energiewende zusätzlichen Druck auf die Flusslandschaften aus: Einerseits können Bioenergiepflanzen für den Anbau in hochwassergefährdeten Gebieten geeignet sein, andererseits erhöhen sie den Landnutzungsdruck auf die Flusslandschaften.
5 Ausbildung einer neuen Generation von AbsolventInnen
Die Umsetzung der PhD-Projekte wird durch ein interdisziplinäres und auf die spezifischen Anforderungen der Studierenden ausgerichtetes Ausbildungsprogramm unterstützt (Hein et al. 2023). Das Ausbildungsprogramm basiert auf internationalen Leitlinien, wie den Sieben Prinzipien für eine innovative Doktorandenausbildung und den Salzburger Empfehlungen der European University Association.
Die BOKU-Doktoratsschule HR21 und das darin eingebettete FWF-Doktoratsprogramm IRL bieten eine konsequent interdisziplinäre Ausbildung auf höchstem Niveau. Wissenschaftsbasiert bilden wir DoktorandInnen für die Analyse und Lösung realer Herausforderungen im Bereich der Bewirtschaftung aquatischer Ökosysteme und Ressourcen aus. Die AbsolventInnen dieser Doktoratsschule sind qualifiziert, sich in einem trans- und interdisziplinären sowie internationalen Umfeld zu bewähren und gesellschaftliche Herausforderungen im integrierten Flussmanagement zu bewältigen. So waren HR21-Studierende schon jetzt aktiv und unter anderem bei der Umsetzung des „3rd National Participation Day 2024“ zum Thema Waters2040 (https://capacitycooperation.danube-region.eu/events/3rd-national-participation-day-austria-waters-2040) involviert. Sie konnten in diesem Rahmen die Relevanz ihrer Forschung für drängende Probleme im Bereich Wasser und Gewässer mit unterschiedlichen Sektoren demonstrieren und diskutieren. Die erste Generation von HR21-AbsolventInnen begann ihre Laufbahn entweder in der Wissenschaft, in Institutionen der Politik und Verwaltung, in internationalen Behörden und Agenturen, die mit diesen Themen befasst sind, oder im Privatsektor.
Danksagung
Wir danken Christian Vihanek vom BOKU DocService für die administrative Unterstützung, Astrid Schmidt-Kloiber für die Erstellung der Grafik und Astrid Kleber für die Unterstützung bei der Formulierung der Zusammenfassung.
Förderung
Die AutorInnen danken dem FWF-Projekt DOC 216‑N „Industrialized Riverine Landscapes“ und der Universität für Bodenkultur Wien im Rahmen der Doktoratsschule HR21 für die finanzielle Unterstützung.
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Neue Wege in der interdisziplinären Fließgewässerforschung – Vorstellung des FWF-Doktoratsprogramms „Industrialisierte Flusslandschaften“ im Rahmen der Doktoratsschule HR21 an der BOKU Wien
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