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09-04-2020 | Originalarbeit | Issue 5-6/2020 Open Access

Österreichische Wasser- und Abfallwirtschaft 5-6/2020

Hydroakustik zur Analyse von Fischbeständen und Fischverhalten – Fallstudien aus Österreich

Journal:
Österreichische Wasser- und Abfallwirtschaft > Issue 5-6/2020
Authors:
MSc Dr. Marc B. Schmidt, Mag. Dr. Martin Schletterer
Important notes

Hinweis des Verlags

Der Verlag bleibt in Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutsadressen neutral.

1 Einleitung

Der Einsatz von Echoloten und Sonaren (Hydroakustik) zur Untersuchung wissenschaftlicher und angewandter Fragestellungen ist in Binnengewässern eine etablierte Methode (Gassner und Wanzenböck 2005). In Abhängigkeit von der Fragestellung kommen verschiedene technische Gerätschaften zum Einsatz (Abb.  1).
Das Single-beam-Echolot wird typischerweise auf Seen und Fließgewässern von Fischern zum Auffinden von Fischen verwendet („Fischfinder“), diese Geräte arbeiten oft mit Frequenzbereichen um 200 kHz, d. h. kurzen Wellenlängen. In tiefen Gewässern werden daher sogenannte Dual-beam-Echolote eingesetzt, die mit zwei Frequenzbereichen arbeiten (hohe [200 kHz] sowie niedere [83 kHz, d. h. längere Wellenlängen] Frequenzen). Grundsätzlich gilt:
  • Hohe Frequenz = geringe Reichweite ABER hohe Auflösung (target separation).
  • Niedrige Frequenz = große Reichweite ABER niedrigere Auflösung (target separation).
Split-Beam-Echolote im mobilen Einsatz vom Boot aus ermöglichen u. a. die Erfassung von räumlichen und zeitlichen Fischverteilungen (Schmidt et al. 2004a und 2004b) und in Kombination mit herkömmlichen Fischereimethoden die Quantifizierung von Fischbeständen hinsichtlich Abundanz und Biomasse (Schmidt et al. 2005; Gassner und Wanzenböck 2005). Darüber hinaus sind auch die Untersuchung von Gewässerstrukturen (Tiefenprofile, Tiefenkarten, Erfassung von Unterwasservegetation) und die stationäre Anwendung (z. B. Fischzählungen) wichtige Einsatzgebiete. Zusätzlich sind auch die Untersuchung von Gewässerstrukturen (Tiefenprofile, Tiefenkarten) und die Erfassung submerser Vegetation (Jäger et al. 2004; Winfield et al. 2007; Spears et al. 2009) sowie die stationäre Anwendung (z. B. Fischzählungen) wichtige Einsatzgebiete.
Neben dem Einsatz konventioneller Echolote bzw. Sonare ist der Verwendung sogenannter Visualisierungssonare (z. B. DIDSON- und ARIS-Sonar) eine immer größere Bedeutung zuzumessen (Hateley et al. 2006; Hateley und Gregory 2008; Martignac et al. 2015). In den letzten Jahren sind viele wissenschaftliche Arbeiten zum Einsatz von Imaging-Sonaren in aquatischen Lebensräumen veröffentlicht worden, die sich u. a. mit der automatisierten Erfassung von Fischen an aktiven Fanggeräten (Handegard und Williams 2008), der Beobachtung in reich strukturierten Habitaten und auf Laichgründen (Langkau et al. 2016), der computergesteuerten Identifikation von Aalen (Mueller et al. 2008) sowie der Untersuchung und Quantifizierung von Wirbellosen (Han und Uye 2009) beschäftigt haben. Auch die ARIS-Sonare werden insbesondere für Verhaltensstudien an Fischen und zur Fischdetektion eingesetzt (USGS 2013; O’Connell et al. 2014; Shahrestani et al. 2017; Schmidt et al. 2018).
Der gegenständliche Artikel zeigt Anwendungsbeispiele aus Österreich zum Einsatz hydroakustischer Methoden zur Fischdetektion, Fischbiomassebestimmung und zur Analyse von Fischverhalten. Während die Fischbiomassebestimmung eine Standardmethode darstellt (Gassner und Wanzenböck 2005), werden Visualisierungssonare („hydroakustische Kameras“) maßgeblich in Forschungs- & Entwicklungsprojekten und Monitoringprogrammen eingesetzt.

2 Fischdetektion mit Single-beam-Echoloten

2.1 Methodik

Im Rahmen des FIDET-Projekts (Fischdetektion und Fischverhalten: Hydroakustische Untersuchungen zur Präsenz und zum Verhalten von Fischen im Einzugsbereich und am Rechen von Kraftwerksanlagen 1) 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).

2.2 Ergebnisse

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.).

3 Fischbiomassebestimmung mit Split-beam-Echoloten

3.1 Methodik

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.

3.1.1 Datenerfassung

Als Echolot kam ein SIMRAD EK60 Split-Beam mit einer Frequenz von 120 kHz zum Einsatz. Das Gerät wurde gemäß Herstellerangaben vor Ort kalibriert (vgl. Simrad 2004). Die Felddatenerfassung am Hintersteiner See erfolgte am 22./23.08.2018 in der Zeit von ca. 12.30 bis 15.30 (Tagaspekt) bzw. 21.45 bis 23.45 (Nachtaspekt) auf 12 Zick-Zack-Transekten mit einer Gesamtlänge von etwa 4,9 km von Ost nach West (Abb.  4, vgl. auch EN 15910: 2014). Die Bootsgeschwindigkeit (Elektromotor) betrug 4–5 km/h. Der Survey-Track wurde mit einem an das Echolot gekoppelten GPS parallel erfasst und aufgezeichnet.

3.1.2 Datenauswertung

Die Datenauswertung erfolgte mit der Post-Processing-Software Sonar 5 Professional (Balk und Lindem 2014) und der integrierten Biomassenanalyse (Abb.  5). Zur Auswertung herangezogen wurden die am Tag und in der Nacht erhobenen Daten >2 m Wassertiefe (Schallgeber-Nahfeld). Dabei entspricht ein Transekt einer elementaren Stichprobeneinheit (ESU = Elementary Sampling Unit). Für die Bestimmung der Abundanz und Fischbiomasse wurde das Echointegrationsverfahren angewandt (Kubečka und Wittingerova 1998; Balk und Lindem 2014; Draštík et al. 2017).
Grundlage für die Fischbiomassebestimmung durch Echointegration ist das Verhältnis von Gesamtechorückstreuung und Einzelfischdetektionen (Schwellenwert = Threshold =−58 dB). Die Fischlänge in Zentimeter errechnet sich aus der akustischen Größe der Einzelechos in Dezibel (TS = Target Strength = Zielmaß), dabei wird eine empirische Formel nach Love ( 1971) zugrunde gelegt. Die ermittelte Anzahl von Fischen pro Flächeneinheit (ha) wird mit dem Fischgewicht der jeweiligen Größe auf Basis einer Längen-Gewichtsregression multipliziert. Da begleitende standardisierte Netzbefischungsergebnisse für das Untersuchungsjahr 2018 nicht zur Verfügung standen, wurde zur Biomassebestimmung eine allgemeine Längen-Gewichts-Beziehung des Bundesamts für Wasserwirtschaft (BAW, Institut Scharfling, Mondsee) verwendet, die einen Querschnitt für österreichische Saiblingsseen bildet. Die mittlere Fischbiomasse errechnet sich als arithmetisches Mittel der Summe der Biomassen für jeden Transekt.

3.2 Ergebnisse

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).

4 Analyse von Fischverhalten mit hydroakustischen Kameras (DIDSON und ARIS)

4.1 Methodik

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.

4.2 Ergebnisse

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).

5 Schlussfolgerung

Der Einsatz von Echoloten und Sonaren (Hydroakustik) zur Untersuchung wissenschaftlicher und angewandter Fragestellungen ist in Binnengewässern grundsätzlich verbreitet. Dieser Artikel zeigt anhand von Fallbeispielen in Österreich das Potenzial verschiedener Methoden für die Anwendung in Fließgewässern auf. Mit einfachen Single-Beam-Echoloten kann die Langzeiterfassung von Fischwanderbewegungen durchgeführt werden. Split-beam-Echolote werden für die Biomassebestimmung verwendet, die in der Zwischenzeit eine etablierte Methode darstellt. Schließlich können Imaging-Sonare Fische und deren Verhalten unter Realbedingungen erfassen und ermöglichen so Studien zum Individualverhalten unter Berücksichtigung lokaler Strömungs- und Druckverhältnisse. Die Sonartechnik kommt somit erfolgreich in der Grundlagenforschung und angewandten Wissenschaft zum Einsatz, kann aber auch als innovative Technologie im Monitoring eingesetzt werden.
Open Access Dieser Artikel wird unter der Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz veröffentlicht, welche die Nutzung, Vervielfältigung, Bearbeitung, Verbreitung und Wiedergabe in jeglichem Medium und Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle ordnungsgemäß nennen, einen Link zur Creative Commons Lizenz beifügen und angeben, ob Änderungen vorgenommen wurden.
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