Hydroakustik zur Analyse von Fischbeständen und Fischverhalten – Fallstudien aus Österreich

Im Rahmen des FIDET-Projekts (Fischdetektion und Fischverhalten: Hydroakustische Untersuchungen zur Präsenz und zum Verhalten von Fischen im Einzugsbereich und am Rechen von Kraftwerksanlagen¹) wurden im Oberwassergraben des KW Kirchbichl mit drei parallel montierten Single-beam-Echoloten (EK15; 28°-Schwinger, 200 kHz) Langzeitdaten erhoben (Schmidt und Schletterer 2017; Schmidt et al. 2018).

Die drei Echolote bzw. Kanäle (Channel 01, 02 und 03) wurden über die EK15-Software miteinander verbunden und sequenziell angesteuert (50 Millisekunden, das entspricht ca. 7 Pings pro Sekunde pro Kanal), um gegenseitige Störungen auszuschließen. Durch drei parallele Systeme konnte ein vergleichsweise großes Datenerfassungsvolumen erreicht werden (Abb. 2). Über eine Internetverbindung wurde der Fernzugriff auf die Echolote bzw. den Steuerungs-PC realisiert, um eine kontinuierlich überwachte Datenerfassung zu ermöglichen. Die Auswertung der Echolot-Daten erfolgt mit der Post-Processing-Software Sonar 5 Pro (Details zur Auswertung in Schmidt und Schletterer 2017).

Im Zeitraum Februar 2015 bis März 2016 erfolgte die Langzeitdatenerfassung im Oberwassergraben Kirchbichl (Schmidt und Schletterer 2017). Dieser Datensatz hat gezeigt, dass die meisten Fische im Frühjahr detektiert wurden (vgl. Schmidt et al. 2018). Grundsätzlich erwies sich das Setup als robust und zuverlässig, allerdings traten im Sommer Schwierigkeiten (false positive detections) auf – so kam es einerseits bei hohen Abflüssen zu einem ungünstigen Verhältnis von Signalstärke und Hintergrundrauschen und andererseits wurde Grasschnitt als Störquelle identifiziert. Die Detektion war auch in anderen Zeiträumen teilweise eingeschränkt: Im Herbst sorgte Laubfall und im Winter schwimmender Schnee (Einbringung von Räumschnee in Gewässer) für problematische Verhältnisse. Bei hohen Abflüssen muss die Datenerfassung unterbrochen und das technische Equipment geborgen werden, daher ist eine entsprechende Wartung und Betreuung (Reinigen bzw. Bergen der Schwimmkörper) vorzusehen. Im gegenständlichen Projekt konnte das Frühjahr als Zeitraum erhöhter Fischaktivität identifiziert werden, um im Nachgang dann detaillierte Untersuchungen mit akustischen Kameras durchzuführen (vgl. Kap. 4.).

Bei Split-beam-Echoloten ist der Schallkegel energetisch in 4 Sektoren unterteilt (vgl. hierzu auch MacLennan und Simmonds 1992; Simmonds und MacLennan 2005). Neben einer laufzeitabhängigen Nachverstärkung kann gleichzeitig auch die Abweichung von der akustischen Schallachse kompensiert werden. Dabei wird innerhalb des 3‑dB-Schallkegels sichergestellt, dass eine korrekte Erfassung der Echostärke auch bei einer Abweichung von der Schallkegelachse erfolgt.

Wesentliche Teile des Echolots sind der Schallgeber (Transducer) und die Recheneinheit (GPT = General Purpose Transceiver). Bestandteile der Recheneinheit sind ein Timer, Sender und Empfänger sowie ein Verstärker. Die Steuerung und die Visualisierung (Display) erfolgt über ein Notebook. Die Verbindung der Recheneinheit mit dem Schallgeber wird über ein Kabel zur Energieversorgung und für den Datentransfer hergestellt. Der Schallgeber ist zumeist im vorderen Bereich des Bootes oder seitlich in etwa 25 cm Wassertiefe installiert (Abb. 3).

Der Timer initiiert einen elektrischen Impuls, der den Sender aktiviert. Entsprechend der verwendeten Frequenz erzeugt der Sender einen Impuls bestimmter Länge. Die elektrische Energie dieses Impulses wird durch den Schallgeber in akustische Energie umgewandelt und als Schallimpuls ins Wasser abgestrahlt. Die vom Schallimpuls getroffenen Objekte reflektieren Echos, die zum Schallgeber zurücklaufen und durch den Empfänger wieder in elektrische Signale umgewandelt werden.

Eine Nachverstärkung (TVG) dieser elektrischen Signale erfolgt durch die Verstärkereinheit. Grundlage hierfür ist die Zeitdifferenz zwischen abgestrahltem Schallimpuls und eintreffendem Echosignal. Anschließend erfolgt die Weiterverarbeitung und Speicherung der Signale sowie deren Visualisierung auf dem Display des Notebooks.

Die auf Basis der hydroakustischen Datenerfassung im August 2018 errechnete Fischbiomasse des Hintersteiner Sees beträgt für die Tagbefahrung 40,6 kg/ha (±25,4) und für die Nachtbefahrung 34,9 kg/ha (±19,0). Die Fischdichte über alle Größenklassen lag für die Tagbefahrung bei 390 Ind./ha (±141) und für die Nachtbefahrung bei 228 Ind./ha (±115). Als Mittelwert für Tag- und Nachtbefahrung ergibt sich eine Fischbiomasse von 37,8 kg/ha bei einer mittleren Fischdichte von 309 Ind./ha.

Die mittleren Längen-Biomassenverteilungen für Tag und Nacht zeigen, dass der Großteil der Fischbiomasse von Fischen zwischen 30 und 55 cm Länge gestellt wird. Tagsüber wurden anteilig mehr große Fische detektiert als in der Nacht (Abb. 6).

Die Fischbiomasse des Hintersteiner Sees beträgt auf Grundlage der aktuellen Untersuchung 40,6 kg/ha (Tag) bzw. 34,9 kg/ha (Nacht) mit einem Durchschnitt von knapp 38 kg/ha für beide Befahrungen und ist damit etwas geringer als der durch das Bundesamt für Wasserwirtschaft im Jahr 2011 (3 Befahrungen) ermittelte Wert von 54 kg/ha (Gassner et al. 2013). Während der Hauptteil der Fischbiomasse im Jahr 2018 von Fischen mit Längen zwischen 30 und 55 cm gestellt wird, geben Gassner et al. (2013) den Hauptanteil der Fischbiomasse für einen Längenbereich von 36 bis 70 cm an.

Mit knapp 90 kg/ha wurde 2018 auf Transekt 11 tagsüber die höchste Fischbiomasse ermittelt, Gassner et al. geben für den westlichen Teil des Sees im Jahr 2011 eher geringe Biomassen an, weisen aber auf grundsätzliche große Schwankungen zwischen den einzelnen Transekten hin. Dieses Ergebnis ist auch für 2018 feststellbar und wird durch die vergleichsweise hohen Standardabweichungen verdeutlicht.

Bei der Untersuchung von vier Seen im österreichischen Salzkammergut ermittelten Gassner et al. (1999) die Fischbiomasse des Hallstätter Sees sowie des Mond‑, Irr- und Wallersees. Die Fischbiomassen der vier Gewässer, die zu jeweils drei verschiedenen Zeitpunkten des Jahres 1998 befahren wurden, liegen im Mittel im Bereich von 49 bis 87 kg/ha. Dabei sind für die einzelnen Seen in Abhängigkeit vom Untersuchungszeitpunkt z. T. erhebliche Unterschiede festzustellen. Für den Achensee geben Gassner & Achleitner (2006) eine Fischbiomasse von 44,3 kg/ha an. Untersuchungen am Starnberger See aus dem Jahr 2017 weisen eine Fischbiomasse von 40 kg/ha aus (Schmidt und Schubert 2018). Die vor mehr als 20 Jahren durchgeführten Untersuchungen von Appenzeller (1997) an bayerischen Voralpenseen weisen für den Ammersee eine Fischbiomasse von 76 kg/ha (1995) aus; der niedrigste Wert mit 10 kg/ha (1995) wurde für den Chiemsee ermittelt. Im Vergleich ist die Fischbiomasse des Hintersteiner Sees auf Basis der vorliegenden Daten und unter Berücksichtigung der nährstoffarmen Verhältnisse sowie hohen Sichttiefen als verhältnismäßig einzustufen. Obwohl keine Horizontalakustik durchgeführt wurde (Kubečka und Wittingerova 1998) und bodennahe Fische sowie Fische im Litoral methodisch nicht erfasst wurden, so gelten diese Voraussetzungen auch für die hydroakustische Untersuchung aus dem Jahr 2011 (Gassner et al. 2013). Dabei ist grundsätzlich zu berücksichtigen, dass die Fischverteilung und damit auch die Fischbiomasse saisonal und tageszeitlich stark schwanken kann (Mehner und Schulz 2002; Draštík et al. 2009). Um diese Variabilität zu minimieren wird empfohlen, 3 Datenerfassungen pro Jahr und Gewässer durchzuführen (Gassner und Wanzenböck 2005).

Das Dual-Frequency Identification Sonar (DIDSON) sowie das Adaptive Resolution Identification Sonar (ARIS Explorer) wurden ursprünglich für die Observation technischer Gerätschaften und Bauteile sowie für militärische Zwecke entwickelt. Dabei ist das ARIS als eigenständige Produktlinie das Nachfolgegerät des Dual-Frequency Identification Sonars.

Die Möglichkeiten zur Bearbeitung angewandter fischereibiologischer Fragestellungen mittels Imaging-Technologie wurden frühzeitig erkannt. DIDSON und ARIS arbeiten nach dem Prinzip der akustischen Linsen je nach Ausführung im Frequenzbereich von 0,7 bis 3,0 MHz. Der Schallkegel setzt sich abhängig von Gerät und Frequenz aus 48 bis 128 einzelnen Schallkegeln zusammen (Multi-beam-Sonar) und der Abstrahlwinkel beträgt etwa 14° (vertikal) und 29° (horizontal). Bedingt durch die vertikale Anordnung der einzelnen Schallkegel ist die räumliche Erfassung von Objekten durch die Entfernung vom Sonar (Range) sowie durch den Winkel bzw. Abstand zur akustischen Achse definiert (zweidimensionale Erfassung von Fischen oder anderen Objekten). In Abhängigkeit von der Anwendung und den definierten Aufnahmeparametern werden durch das Sonar bis zu 16 Bilder pro Sekunde erfasst und so die Aufzeichnung von videogleichen Bildsequenzen ermöglicht. Die Reichweiten zur Datenerfassung sind geräte- und frequenzabhängig und reichen bis zu 30 m, bei sogenannten „Long-Range-Systemen“ bis 60 m. Die Standard-Reichweiten liegen im Bereich von 5 bis 15 m.

Die DIDSON- und ARIS-Sonare stellen den Stand der Technik der sogenannten Visualisierungs-Sonare dar und erzeugen videogleiche Bildsequenzen unabhängig von Lichtverhältnissen und extremer Wassertrübung (Schmidt 2008). Damit ist diese Technik mobil und stationär überall dort einsetzbar, wo optische Sensoren und Kameras aufgrund schwieriger Bedingungen versagen. Die Einsatzmöglichkeiten sind sehr vielfältig und ermöglichen u. a. die Erfassung und Untersuchung von Fischwanderungen, Fischverhalten an Wasserkraftanlagen und Bypass-Systemen, Wehren und Wanderbarrieren, Fischauf und -abstiegsanlagen, natürlichen und künstlichen Strukturen sowie passiven und aktiven Fanggeräten.

Am Kraftwerk Kirchbichl wurden im Rahmen des FIDET-Projekts zwei Didson-Sonare (Didson 300 mit 1,8 MHz) jeweils am linken und rechten Ufer kurz vor dem Rechen (mittels einer Laufschienenmontage zur Tiefenverstellung) eingesetzt (horizontales Survey). Das ARIS (ARIS 3000 mit 1,8 MHz) wurde auf dem Rechenreiniger bzw. -ausleger montiert und konnte somit an sechs Positionen entlang des Rechens (vertikales Survey) eingesetzt werden (Abb. 7; vgl. Schmidt et al. 2018).

Das Setup kam zweimal zum Einsatz, wobei jeweils circa 180 h Sonardaten generiert wurden (vgl. Schmidt et al. 2017, 2018): im Herbst (06.–10.09.2016) konnten allerdings keine Fischkontakte ausgemacht werden, während im Frühjahr (04.–08.04.2017) Detektionen erfolgten. Dies deckt sich mit der im Vorfeld durchgeführten Untersuchung mit Single-beam-Echoloten, die eine erhöhte Fischpräsenz im Frühjahr ergab (vgl. Abschn. 2.2.). In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass ein Fischkontakt dem Aufenthaltszeitraum eines Fisches im Schallkegel entspricht (vom Einschwimmen bis zum Verlassen), sodass es im Beobachtungszeitraum zu mehrfachen Kontakten derselben Fische kommt (vgl. Schmidt et al. 2017). Damit ist eine absolute Quantifizierung nicht möglich, allerdings liefert die Beobachtung klare Muster zu Aufenthaltswahrscheinlichkeiten und Informationen zum Fischverhalten.

Die orographisch rechts bzw. links installierten DIDSON-Systeme lieferten Daten aus verschiedenen Tiefenhorizonten, wobei insgesamt 851 Fischkontakte registriert wurden, davon 191 am rechten Ufer und 660 am linken Ufer. Ein auffallendes Ergebnis war, dass in allen Horizonten die kumulierten Kontaktzahlen links signifikant höher als rechts waren. Im 1‑m-Horizont wurden 110 Fischkontakte rechts und 266 links registriert und im 3‑m-Horizont 36 bzw. 249 Kontakte (vgl. Schmidt et al. 2017). Die meisten Fischkontakte wurden im Grenzbereich zwischen Rechenanströmung und dem orographisch linken Ruhig- bzw. Kehrwasserbereich registriert, was eine wesentliche Information für die Planung eines Fischabstiegskorridors lieferte (vgl. Schmidt et al. 2018).