Optimierung der Klauswehrordnung des Mondsees, Teil I – Hydraulik
Authors:
DI Max Preiml, DI Christoph Klingler, ao. Univ.-Prof. DI Dr. Hubert Holzmann, DI Dr. Petr Lichtneger, PD DI Mag. Christine Sindelar, Univ.-Prof. DI Dr. Dr. h.c. Helmut Habersack
Ziel dieser Arbeit ist die Quantifizierung der hydraulischen Leistungsfähigkeit des Abflusssystems am Mondsee, Österreich. Die hier gewonnenen Ergebnisse dienen als hydraulische Grundlage im Prozess der Optimierung der Seesteuerung und definieren die technisch-hydraulischen Grenzen für Maßnahmen zur Verbesserung des Hochwasserrisikomanagements. Mithilfe eines hybriden Modellierungsansatzes – bestehend aus numerischer und physikalischer Modellierung sowie Feldmessungen zur Kalibrierung und Validierung – konnte gezeigt werden, dass die bestehenden hydraulischen Verhältnisse abflussbegrenzend wirken und die Seewasserstände bei Hochwasserereignissen erhöhen können. Die verringerte hydraulische Leistungsfähigkeit des Wehrzulaufs schränkt die derzeitige Seesteuerung am Klauswehr ein und limitiert die Möglichkeit einer Optimierung. Eine deutliche Erhöhung des Abflusses ist durch die Vergrößerung des effektiven Fließquerschnitts, Verringerung des Strömungswiderstands im Wehrzulauf und Anpassung der Klappenstellung am Wehr möglich. Die hydraulischen Analysen wurden von einer Stakeholderbefragung begleitet, aus der Einschränkungen und nutzerspezifische Kriterien für die Überarbeitung der Seesteuerung am Klauswehr abgeleitet werden konnten. Die Einbeziehung der Interessen der Betroffenen werden als entscheidender Schritt zu einer allgemein akzeptierten und damit realisierbaren optimierten Seesteuerung für ein verbessertes Hochwasserrisikomanagement am Mondsee angesehen.
Notes
Hinweis des Verlags
Der Verlag bleibt in Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutsadressen neutral.
1 Einleitung
Natürliche Seen sind nicht nur prägende Elemente des österreichischen Landschaftsbilds, sondern nehmen auch einen zentralen Stellenwert in der Bewirtschaftung von Wasserressourcen ein. Die Fülle an verschiedenen gesellschaftlichen, ökologischen und wirtschaftlichen Nutzungen, die mit Seen in Verbindung stehen, lassen sich unter dem gemeinsamen Ziel einer nachhaltigen und integrierten Bewirtschaftung des natürlichen Wasserdargebots unter den Aspekten der Wassernutzung, dem Schutz vor dem Wasser und dem Schutz des Wassers zusammenfassen. In ihrer Funktion als Rückhalteräume sind Seen zudem entscheidende Komponenten im Hochwasserrisikomanagement. Durch die Steuerung von natürlichen Seen eröffnen sich Möglichkeiten des aktiven Hochwasserschutzes wie Rückhalt, Vorabsenkung, Vorentlastung oder saisonale Reglements (BMLRT 2018; Maniak 2017; Spreafico 1977).
Doch der sich für den Hochwasserschutz öffnende Handlungsspielraum von Seeregulierungen kann durch verschiedenartige Interessenslagen deutlich eingeschränkt werden. Aspekt der Interessensgegensätzlichkeit sind daher wesentliche Bestandteile vieler Seeregulative. Beispielsweise wurde der am oberbayerischen Tegernsee geplante Hochwasserausgleich nach mehr als 18 Jahren Planungs- und Verhandlungsdauer aufgrund von Unvereinbarkeiten verschiedener Interessensgruppen sowie ökonomischen Überlegungen eingestellt (WWA-RO 2021).
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Topografisch bedingt erfährt die Seeregulation in der Schweiz, wo rund 2/3 der Landfläche über steuerbare Seen entwässern, mehr Aufmerksamkeit im Hochwassermanagement als vergleichsweise in Österreich. Seit 2020 werden für die großen Alpenrandseen in der Schweiz echtzeitbasierte, hydrodynamische Modelle mit kontinuierlichen Prognosen für ein zielgerichtetes Hochwassermanagement eingesetzt (Inderwildi und Bezzola 2021).
Vielerorts haben ein gestiegenes Interesse an Wasserressourcen, der Schutz und die Sicherung von bedrohten Lebensräumen sowie neue sozioökonomische Verflechtungen eine Ausweitung der Anforderungen an die Seeregulierung hervorgebracht. Fortschreitende Flächeninanspruchnahme (UBA 2023) sowie Veränderung der klimatischen Bedingungen, die je nach Region den Wasserkreislauf in unterschiedler Art und Weise beeinflussen (BMLFUW 2017; Chimani et al. 2016; Haslinger et al. 2022; Löschner et al. 2017), stellen existierende Seebewirtschaftungsweisen vor neue Herausforderungen. Aus wasserwirtschaftlicher Sicht sind daher Potenzial- und Machbarkeitsstudien von adaptierten Seesteuerungen zur Erreichung der Bewirtschaftungsziele dringend geboten.
Am Mondsee in Oberösterreich soll den langjährigen Forderungen nach einer Analyse sowie Adaptierung der bestehenden Seesteuerung aus dem Jahr 1982 nachgegangen werden. In diesem ersten Teil des Beitrags wird auf die hydraulischen Aspekte des Seeablaufsystems sowie auf die begleitende Nutzergruppenbefragung (Stakeholderbeteiligung) eingegangen. Teil II des Beitrags (Klingler et al. 2023), welcher auch Teil dieser Ausgabe der ÖWAW ist, widmet sich dem wasserwirtschaftlichen Optimierungsprozess, aus dem schlussendlich konkrete Vorschläge zur Adaptierung der Klauswehrordnung hervorgehen.
2 Ausgangslage und Fragestellung
Nach den Hochwasser-Extremereignissen von 1897 und 1899 rückte die Bedeutung der Salzkammergutseen für die Hochwasserretention zunehmend in den Fokus (Flögl und Blaschke 1980). Während die Anfänge der Seesteuerung noch durch die Verwendung manuell zu bedienender Staubretter und Schützen charakterisiert waren, wurde 1982 mit dem Bau des Klauswehrs und seinen hydraulisch steuerbaren Klappen eine neue Ära in der Wehrsteuerung am Mondseeablauf eingeleitet. Schon in den ersten Berichten zum Seeregulativ wurden jedoch Unstimmigkeiten zwischen dem tatsächlichen und beabsichtigten Seeabfluss angemerkt (Flögl 1982; Flögl und Blaschke 1980; Weinberger 1994).
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Das Hochwasserereignis vom 03.06.2013 ließ den Seewasserstand im Mondsee auf 482,24 m ü. A. ansteigen und sorgte für Überschwemmungen und Schäden an den Ufergrundstücken (Abb. 1). Der Seespiegel lag dabei 142 cm über dem Mittelwasser MW = 480,83 m ü. A. In der Aufarbeitung des Extremereignisses, dessen statistische Jährlichkeit mit 30 Jahren (HW30) beziffert wird (BMLFUW 2015), wurde die in der Geschichte des Klauswehrs immer wieder zum Ausdruck gebrachte Diskrepanz zwischen den tatsächlichen und den laut Wehrordnung zu erwartenden Abflüssen aus dem See deutlich. Die attestierte Überschätzung der Abflüsse bedeutet, dass die Seewasserstände bei Hochwasserereignissen höher ausfallen als die Wehrordnung indizieren würde. Ob durch die reduzierte Abflussleistung des Seeablaufsystems des Mondsees eine Zunahme des Schadensausmaßes infolge erhöhter Seewasserstände zu erwarten ist, konnte angesichts mangelnder Daten und fehlender Untersuchungen bislang nicht beurteilt werden.
Abb. 1
Überschwemmungen während des Hochwassers im Jahr 2013 (Foto: P. Hemetsberger, IG Mondsee)
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Das Hochwasserereignis von 2013 war letztendlich Anlass für zwei Studien, in diesen die Abflusssituation des Seeablaufsystems sorgfältig erfasst und beurteilt werden soll. Während der thematische Schwerpunkt im Vorprojekt (Habersack et al. 2018) auf der Evaluierung der hydraulischen Kapazität des Klauswehrs sowie einer Untersuchung des Potenzials zur prognosebasierten Vorabsenkung lag, wurden im hier vorgestellten Folgeprojekt eine umfangreiche hydrologisch-hydraulische Analyse der Seesteuerung am Mondsee durchgeführt und Optimierungsmaßnahmen ausgearbeitet. Gemeinsam mit den Forderungen aus den technischen Prüfberichten nach dem Ereignis von 2013 bestand – ausgehend von der Interessengemeinschaft IG Mondsee – der Wunsch, die bestehende Seesteuerung in Hinblick auf ihr Verbesserungspotenzial für eine Risikoreduzierung bei zukünftigen Hochwasserereignissen zu prüfen.
Oberstes Ziel der Studie sind die Erarbeitung und Bewertung der technischen Grundlagen für eine adaptierte Wehrsteuerung am Mondsee zur Verbesserung des Hochwassermanagements unter Einbeziehung von Nutzungsgruppeninteressen (Stakeholder). Im Mittelpunkt steht eine vertiefende Analyse der operationalen Seebewirtschaftungsweisen als Optimierungsanforderung im Umgang mit hydrologischen Extremereignissen. Maßnahmen der saisonalen oder ereignisbezogenen Seeabsenkung werden mit den Ansprüchen von Ökologie, Wirtschaft und Gesellschaft konfrontiert und evaluiert. Die Interessen der Stakeholder werden in einem Befragungs- und Partizipationsprozess erhoben. Die Ausarbeitung eines Vorschlags zur Adaptierung der Wehrordnung wird dann als wasserwirtschaftliche Optimierungsaufgabe angegangen, die durch einen mehrstufigen Automatisierungsprozess unter Einbezug nutzungsspezifischer Kriterien gelöst wird.
Die Auswertung und Evaluierung unterschiedlicher Optimierungsmöglichkeiten setzt jedoch die Kenntnis der hydraulischen Randbedingungen des Seeablaufsystems voraus. Noch bevor eine Integration der Rückmeldungen aus der Nutzungsgruppenbefragung in den Prozess der Steuerungsoptimierung erfolgen konnte, mussten die hydraulischen Grenzen des Seeabflusses untersucht werden. Einerseits war eine etwaige Diskrepanz zwischen der aktuellen und der konsensgemäßen Seesteuerung zu prüfen und anderseits das Abflusspotenzial unterschiedlicher abflussertüchtigender Maßnahmen am Klauswehr und an der Zulaufstrecke zu quantifizieren.
3 Projektgebiet
3.1 Mondseeablaufsystem
Der Abfluss des Mondsees erfolgt gänzlich über die Seeache in den Attersee und wird vom Stau- und Regulierungsbauwerk Klauswehr kontrolliert. Das Klauswehr befindet sich nicht direkt am östlichen Seeufer, sondern liegt rund 200 m stromab davon. Der Abschnitt der Seeache zwischen Mondsee und dem Oberwasser des Wehrs wird als Wehrzulauf bezeichnet und ist durch eine deutliche Rechtskrümmung gekennzeichnet. Mondsee, Wehrzulauf und Klauswehr bilden gemeinsam das Seeablaufsystem des Mondsees (Abb. 2).
Abb. 2
Überblick des Seeablaufs des Mondsees (Kartenhintergrund: Orthofoto Land ÖO, Flugjahr 2020)
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Das mittlere Sohlgefälle des Wehrzulaufs beträgt 0,25 % und ist wie auch der heutige Verlauf auf die Regulierungsarbeiten im Zuge der Errichtung des Wehrs in den Jahren 1970 bis 1971 zurückzuführen. Historische Daten belegen, dass der ursprüngliche Auslauf des Mondsees weiter südlich verlaufen ist. Nahe dem Seebereich kreuzt eine Straßenbrücke mit drei Mittelpfeilern das Gewässer. Die Ufer sind beidseitig mit geschütteten Wasserbausteinen befestigt. Aufkommender Schilf- und Röhrichtbewuchs hat sich auf Anlandungen feiner Sedimente angesetzt und an vielen Stellen dazu geführt, dass die Gewässerrandbereiche verkrautet sind. Eingriffe in die Wehrzulaufstrecke erfordern entsprechende ökologische Überlegungen, da die Seeache als Fauna-Flora-Habitat-Lebensraum im Europaschutzgebiet Mondsee-Attersee deklariert ist. Als weiteres Merkmal im Untersuchungsgebiet sind die nördlich des Seeablaufs befindlichen und zum UNESCO-Welterbe zählenden prähistorischen Pfahlbauten zu erwähnen (Abb. 2), welche seitens des Bundesdenkmalamts geschützt sind.
Die Steuerung des Mondsees erfolgt auf Grundlage der 1982 behördlich bewilligten Klauswehrordnung (KWO1982), die eine exakte und rechtlich verbindliche Beziehung zwischen dem Seewasserstand, gemessen am W‑Pegel See am Mondsee (HZB-Nummer: 205302) und dem Seeabfluss vorschreibt. Zwei unabhängige, hydraulisch bewegliche Fischbauchklappen dienen als Staukonstruktion und sind den beiden 10 m breiten Wehrfeldern des Klauswehrs aufgesetzt. Die Klappenstellung wird selbsttätig in Abhängigkeit von dem am W‑Pegel See am Mondsee gemessenen Seewasserstand eingestellt. Die Klappenoberkante (KOK) der beiden Wehrfelder kann im Bereich zwischen 480,80 m ü. A. (höchste Position) und 479,45 m ü. A. (tiefste Position) verstellt werden. Gemäß der gültigen KWO1982 wird die volle Bandbreite der Klappenstellungspositionen nicht ausgenutzt und für Seewasserstände > 481,00 m ü. A. die betriebliche Tiefstellung von KOK 479,90 m ü. A. eingestellt (KWO1982).
Seit 2017 sorgt eine Fischaufstiegshilfe, realisiert als technischer Beckenpass am orografisch linken Ufer, für eine flussaufgerichtete Durchwanderbarkeit des Querbauwerks. Die Dotation des Fischaufstiegs beträgt rd. 540 l/s (Kollaudierungsbericht FAH). Im Unterwasser des Klauswehrs, etwa 30 m flussab des Bauwerks, befindet sich der Q‑Pegel Seeache-Au (HZB-Nummer: 206185).
3.2 Anlandungen und hydraulische Verluste im Seeablauf
Ein historischer Vergleich der aufgezeichneten Vermessungsdaten deutet auf eine progressive Anlandung der Wehrzulaufstrecke in den letzten Jahren hin. Charakteristisch für die bestehende Situation sind eine ausgeprägte natürliche Schwelle nahe dem Seeauslauf flussauf der Verkehrsbrücke sowie lokale, ufernahe Depositionsbereiche. Der Einfluss der Schwelle auf die Abflusskapazität ist über das gesamte Abflussspektrum vorhanden, tritt allerdings bei Niederwasserverhältnissen verstärkt in den Vordergrund und ist als deutlicher Knick im hydraulischen Längenschnitt erkennbar (Abb. 6). Der Seeabfluss wird dann maßgeblich durch diese Schwelle bestimmt, was dazu führt, dass die Steuerbarkeit des Seewasserstands durch das Klauswehr eingeschränkt wird.
Im Rahmen von Erhaltungsmaßnahmen im Jahr 2021 fand eine teilweise Entfernung der mitunter verkrauteten oder mit Schilf bewachsenen Anlandungen im Regulierungs- und Instandsetzungsbereich des Klauswehrs, der oberwasserseitig bei Kilometer 2852 bzw. 145 m flussauf der Wehrschwelle endet, statt. Während im unmittelbaren Wehroberwasser nahezu jenes Abflussprofil wiederhergestellt werden konnte, das auch schon in den Regelplänen von 1979 ersichtlich ist, blieben weiter flussauf gelegene Abschnitte, wo sich auch die markante Sohlschwelle befindet, von den Maßnahmen unberührt. Der Abschnitt zwischen See und Straßenbrücke wird weiterhin durch signifikante Anlandungen geprägt, welche als Ursache für die bestehenden hydraulischen Verluste anzusprechen sind.
4 Methodik und Daten
4.1 Hybride Modellierung
Zur Bestimmung der Abflusskapazität als grundlegende hydraulische Randbedingung wurde ein hybrider Modellansatz gewählt. Darunter ist im vorliegenden Fall eine Kopplung zwischen einem skalierten physikalischen Labormodell und einem numerischen Computermodell zu verstehen (Rutschmann 2006). Feldmessungen ergänzen das duale System und ermöglichen eine Validierung der gewählten Modellparameter. Der hybride Ansatz sieht vor, die Leistungskennwerte des Klauswehrs, welche mit dem physikalischen Modell (Habersack et al. 2018) ermittelt wurden, in den numerischen Modellaufbau des Seeabflusssystems zu integrieren. Aufgrund des hydraulischen Zusammenspiels zwischen Seewasserstand und Wehrsteuerung war eine gemeinsame Betrachtung des Wirkungsgefüges See–Wehrzulauf–Klauswehr unabdingbar. Der hybride Modellansatz kommt den Ansprüchen dieses Wirkungszusammenhangs bestmöglich nach.
Das physikalische Modell (Abb. 3) wurde im Maßstab 1:10 angefertigt und erlaubte es, die Anlagenkapazität des Wehrs zu erfassen sowie die Auswirkungen einer optimierten Klappenstellung zu prüfen (Habersack et al. 2018). Für die 2D-hydrodynamische, numerische Modellierung wurde auf die kommerzielle Software Hydro_AS-2D in der Version V5.0.2 zurückgegriffen. Das numerische Modell baut auf Vermessungsdaten auf, die seitens des Landes Oberösterreich bereitgestellt wurden. Die Aufnahme von Gerinne, Seeauslauf und Umland erfolgte am 09.01.2022 durch ein drohnengestütztes Laserscanning der Geländeoberfläche. Die Verwendung der „Grünen Lasertechnologie“ ermöglichte die Erfassung der Gewässersohle des Auslaufbereichs des Mondsees sowie der Seeache mit einer Rastergröße von 25 cm (Abb. 4).
Abb. 3
Physikalisches Labormodell der Wehranlage
Abb. 4
Digitales Geländemodell des Seeablaufs mit Ausschnitt der Netzgeometrie
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Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Daten im Gewässerbereich konnte durch terrestrische Profilvermessungen, durchgeführt am 25.10.2023, validiert werden. Eine Auflösung in dieser Genauigkeit ist für Gewässer nicht Standard und wertet die Modellgüte eklatant auf. Durch die Verwendung von flächenbasierten Vermessungsdaten war es möglich, die Morphologie im Seeablauf mit hoher Detaillierung im Modell wiederzugeben. Anders als beim Vorliegen von Vermessungsprofilen, wo eine räumliche Interpolation des Bereiches zwischen den Profilen notwendig ist und entsprechende Oberflächenstrukturen verloren gehen, konnte die Punkthöhe der Netzknoten im Modell aus den gemessenen Höheninformationen direkt übernommen werden.
Geodätische Wasserspiegelaufnahmen ergänzen den hybriden Modellaufbau im Sinne einer Validierung und liefern unverzichtbare Informationen zur Beurteilung der bestehenden Verhältnisse.
Mithilfe der Geschwindigkeits- und Wassertiefeninformationen aus dem Abflussmodell wurden Sohlschubspannungen ermittelt, anhand derer Aussagen hinsichtlich der zu erwartenden Sedimentation bzw. Erosion bei Hochwasserabflüssen in der Seeache und im seenahen Bereich nach Umsetzung von Ertüchtigungsmaßnahmen gewonnen werden. Zudem kann beurteilt werden, ob sich Eingriffe in das Wehrzulaufgerinne negativ auf die prähistorische Pfahlbausiedlung am Ostufer des Mondsees auswirken.
4.2 Ertüchtigungsszenarien
Aufbauend auf dem kalibrierten und robusten Modell wurden Rechenläufe zur Ermittlung der hydraulischen Leistungsfähigkeit des Seeablaufbereichs für die bestehende Situation und für Ertüchtigungsszenarien bei unterschiedlichen Seewasserständen und Wehrklappenhöhen (KOK) durchgeführt (Abb. 5 und 6). Die Ertüchtigungsszenarien umfassen Maßnahmen am Bauwerk (Optimierung/Anpassung der Klappenstellung) und wasserbauliche Eingriffe im Wehrzulauf (Sohlausräumung).
Abb. 5
Schematischer Lageplan des Modellierungsgebiets
Abb. 6
Profildarstellung und Kurzbeschreibung der Modellierungsvarianten bzw. Ertüchtigungsmaßnahmen (IST, AP, EV1, EV2 und EV3)
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5 Ergebnisse
5.1 Hydraulische Leistungsfähigkeit
Die Ergebnisse der Berechnungen sind als Konsumptionslinien in Abb. 7 grafisch veranschaulicht. Die Konsumptionslinien stellen den funktionalen Zusammenhang zwischen Seewasserstand und Seeabfluss dar. Die Konsumptionslinien IST, AP, EV1, EV2 und EV3 sind Grenzkurven der hydraulischen Leistungsfähigkeit und beschreiben die gegenwärtige bzw. durch die wasserbauliche Ertüchtigung des Wehrzulaufs und Klappenstellungsanpassung erzielbare maximale Abflussleistung. Die oberste Konsumptionslinie (Grenzkurve der Retention) markiert den durch die Klappenanhebung maximal erzielbaren Seerückhalt. Anhand der Abb. 7 zeigt sich, wie sich die aktuelle Situation, die Konsumption laut der KWO1982 und die Maßnahmen der Ertüchtigungen auf die Abflussleistung auswirken.
Abb. 7
Zusammenhang zwischen Seewasserstand W und Seeabfluss Q, dargestellt als Konsumptionslinien
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Zunächst wurde geprüft, ob die bestehende Situation mit den der KWO1982 zugrunde liegenden hydraulischen Annahmen übereinstimmt und folglich eine Steuerung des Mondsees nach der KWO1982 in der Realität auch umgesetzt wird. Die gegenwärtig zur Anwendung kommende KWO1982 sieht im Hochwasserfall eine Absenkung beider Klappen auf KOK 479,90 m ü. A. vor. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Diskrepanz zwischen der behördlich bewilligten Wehrordnung KWO1982 und der bestehenden Situation (IST KOK 479,90) auch nach den lokalen Sedimententnahmen im Sommer 2021 besteht. Gegenwärtig ist daher im oberen Abflussspektrum (Q > 40 m3/s) mit verringerten Abflüssen und erhöhten Seewasserständen zu rechnen. Im Nieder- und Mittelwasserbereich fällt die Diskrepanz geringer aus.
Die Ertüchtigungsmaßnahmen bewirken eine Verschiebung der Konsumptionslinie nach rechts, was bedeutet, dass der Abfluss bei einem definierten Seewasserstand erhöht wird. Die Abflusssteigerung der untersuchten Maßnahmen fällt aber unterschiedlich aus, was sich im Grad der Verschiebung der Konsumptionskurven ausdrückt (Abb. 7).
Solitäre Maßnahmen am Wehr, simuliert durch eine Tieferstellung der Klappen von derzeit KOK 479,90 m ü. A. auf KOK 479,45 m ü. A. (Szenario AP), können den Seeabfluss nur geringfügig verbessern. Eine deutliche Abflusssteigerung ist hingegen bei zusätzlicher Ertüchtigung des Wehrzulaufs (EV 1–3) erkennbar, wobei erwartungsgemäß mit zunehmendem Ausräumungsgrad der Sohle (EV1–EV3) die hydraulische Leistungsfähigkeit steigt.
Um die Abflusssteigerung exemplarisch zu beziffern und das Ausmaß der Abflussertüchtigung zu verdeutlichen, wird der Seewasserstand von 481,00 m ü. A., der zwischen MW 480,80 m ü. A. und HQ1 481,10 m ü. A liegt, herangezogen. Dieser Seewasserstand markiert den Beginn des Betriebsbereichs Hochwasser, in dem laut KWO1982 beide Klappen voll abgesenkt sind. Derzeit fließen 24,41 m3/s über das Klauswehr in die Seeache ab. Durch die Ertüchtigungsmaßnahmen AP | EV1 | EV2 | EV3 kann der Abfluss um 1,46 | 3,27 | 13,77 | 15,60 m3/s auf 25,87 | 27,68 | 38,18 | 40,01 m3/s vergrößert werden.
In Hinblick auf eine mögliche Vorabsenkung als Bestandteil einer optimierten Seesteuerung wurde der Frage nach den relativen Leistungszuwächsen bei typischen Seewasserständen am Beginn von Hochwasserereignissen nachgegangen. So zeigt sich beispielswiese nach Ausführung der Ertüchtigung des Wehrzulaufs gemäß EV3 und abgesenkten Klappen auf KOK 479,45 m ü. A. bei einem Seewasserstand von 480,73 m ü. A. (Beginn der Vorabsenkung lt. KWO1982) ein Abflusszugewinn gegenüber der gegenwärtigen Situation um 13,22 m3/s. Die hydraulische Leistungsfähigkeit wird von 15,12 auf 28,34 m3/s angehoben. Das entspricht einer Zunahme um 87 % bezogen auf den Ausgangswert. Bei einem Seewasserstand von 482,00 m ü. A. (HW30 482,10 m ü. A.) steigt der Abfluss von 79,04 auf 100,93 m3/s. Der Zugewinn beträgt absolut 21,89 m3/s. Wieder auf den Ausgangswert bezogen, entspricht diese Steigerung aber nur mehr 28 %. Der absolute Zugewinn an Abfluss einer bestimmten Kronenhöhe am Klauswehr steigt also mit zunehmendem Seewasserstand leicht an, wirkt sich jedoch bei geringen Abflüssen relativ gesehen deutlich stärker aus.
5.1.2 Fließverluste und Energieüberfallhöhe
Die reduzierte hydraulische Leistungsfähigkeit, die sich als Diskrepanz zwischen einem Sollwert und einem Istwert äußert, ist auf übermäßige Fließverluste infolge morphologischer Veränderungen der Wehrzulaufstrecke zurückzuführen. Das Zusammenspiel zwischen den Fließverlusten und der hydraulischen Leistungsfähigkeit lässt sich eindrücklich anhand der Energieüberfallhöhe am Wehr nachvollziehen. Die Energieüberfallhöhe stellt eine Erweiterung der Wehrüberfallhöhe um die Geschwindigkeitshöhe v2 / (2 * g) dar und eignet sich bei unveränderte Kronenhöhe und konstantem Anlagenkennwert als Maß für den Wehr- und Seeabfluss.
Eine Klappenabsenkung bei der Wehranlage wirkt grundsätzlich leistungssteigernd, was solitär betrachtet als Zunahme der Energieüberfallhöhe sichtbar wird. Mit gestiegenem Potenzial nehmen allerdings auch die Fließverluste in der Wehrzulaufstrecke zu und die gewonnene Energiehöhe wird dadurch stark abgeschwächt. Maßnahmen zur Leistungssteigerung am Wehrbauwerk alleine führen daher nicht zu einer nennenswerten Steigerung der hydraulischen Leistungsfähigkeit des Seeablaufs. Erst eine Kombination aus Maßnahmen am Wehr und im Wehrzulauf bewirken eine erkennbare Steigerung der hydraulischen Leistungsfähigkeit.
Eine umfangreichere Ertüchtigung der Wehrzulaufstrecke hat erwartungsgemäß auch eine höhere hydraulische Leistungsfähigkeit zur Folge. Die Ausräumung der Sohle vergrößert einerseits den effektiv nutzbaren Fließquerschnitt und reduziert andererseits die Fließwiderstände.
5.1.3 Sohlschubspannungen in der Wehrzulaufstrecke
Die Sohlschubspannungen im Wehrzulauf sind im aktuellen Zustand überwiegend heterogen verteilt und geben auch die unregelmäßigen morphologischen Verhältnisse wieder. Der größte Strömungsangriff auf die Sohle wird an der Flusskrümmung flussab der Brücke hervorgerufen und bleibt auch nach Umsetzung der Ertüchtigungsmaßnahmen als ungünstigster Ort bestehen. Eine Ausnahme bildet der Wehrtisch, an dem naturgemäß die höchsten hydraulischen Kräfte wirken.
Die Ertüchtigungsmaßnahmen verändern die Strömungssituation im Wehrzulauf (Abb. 8). Die Absenkung der Klappen auf KOK 479,45 m. ü. A. ohne Maßnahmen im Gerinne (Szenario AP) führt zu einer leichten Zunahme der Sohlschubspannungen im Wehrzulauf. Während bei Ertüchtigung des unteren Wehrzulaufs (EV1) sowohl Zunahmen als auch Abnahmen der Sohlschubspannungen auftreten, zeigen die umfangreicheren Ertüchtigungsvarianten des Wehrzulaufs EV2 und EV3 eine deutliche Reduktion der Sohlschubspannungen über die gesamte Wehrzulaufstrecke.
Abb. 8
Berechnete Sohlschubspannungen an ausgewählten Standorten entlang der Gerinneachse bei einem HW100-Ereignis mit Seewasserstand im Mondsee von 482,50 m ü. A. Kartenhintergrund: Orthofoto Land OÖ, Flugjahr 2020
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Die Abnahme der Sohlschubspannungen nach abflussertüchtigenden Maßnahmen im Wehrzulauf trotz größerer Wassertiefen und Fließgeschwindigkeiten kann mit dem deutlich reduzierten Sohl-, Reibungs-, als auch Energieliniengefälle erklärt werden.
Von besonderer Bedeutung sind die Auswirkung einer Ertüchtigung der Seeache auf die prähistorischen Pfahlbauten im Mondsee. Die Ergebnisse weisen den Bereichen bei den prähistorischen Pfählen sehr geringe Schubspannungen bei niedrigen Seewasserständen aus. Mit ansteigendem Seewasserstand nehmen die Schubspannungen zu, betragen beim untersuchten ungünstigsten Seewasserstand von 482,50 m ü. A im Bereich der Pfahlbauten flächendeckend weniger als 0,25 N/m2 und sind daher äußert gering (Abb. 9). Erosionserscheinungen im Bereich der Pfahlbausiedlung durch die beschriebenen Ertüchtigungsmaßnahmen sind daher nicht zu erwarten.
Abb. 9
Berechnete Sohlschubspannungen an den prähistorischen Pfählen (Standorte übermittelt vom Kuratorium Pfahlbauten) bei einem HW100-Ereignis mit Seewasserstand von 482,5 m ü. A. Kartenhintergrund: Orthofoto Land OÖ, Flugjahr 2020
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6 Schlussfolgerungen
Wie viel Wasser aus dem Mondsee in Abhängigkeit vom Seespiegel abfließen kann, ist für die Verbesserung des Hochwasserrisikomanagements von essenzieller Bedeutung, da sämtliche Überlegungen zur Optimierung der Bewirtschaftung die Kenntnis der hydraulischen Leistungsfähigkeit des Seeablaufs voraussetzen.
Gegenwärtig ist die hydraulische Leistungsfähigkeit des Seeablaufsystems allerdings limitiert. Die Limitierung äußert sich dadurch, dass die Beziehung zwischen Seewasserstand und Seeabfluss laut gültiger KWO1982 in der Realität nicht umgesetzt wird. Diese Diskrepanz zwischen den tatsächlichen Verhältnissen und den der KWO1982 bedeutet eine Überschätzung der Abflüsse oder umgekehrt betrachtet, dass in der Realität weniger Wasser abfließt als behördlich vorgegeben. Die Konsequenz ist eine verstärkte Seeretention mit erhöhten Seewasserständen, die vor allem bei Abflüssen Q > 40 m3/s evident werden.
Sieht man von einer Standortverlagerung des Klauswehrs hin zum See, einer Bypass-Lösung mittels Druckrohrleitung oder baulichen Eingriffen in der Anlage ab, ist eine Abflussertüchtigung durch eine weitere Absenkung der Stellungshöhen der Wehrklappen am Klauswehr sowie durch Maßnahmen zur Vergrößerung des effektiven Fließquerschnitts und Verringerung der Fließverluste im Wehrzulauf möglich.
Eine Absenkung der Wehrklappen von derzeit KOK 479,90 m ü. A. (betriebliches Minimum laut KWO1982) auf KOK 479,45 m ü. A. (Revisionsstellung) ist technisch ohne großen Aufwand realisierbar. Als Einzelmaßnahme ist diese Optimierung jedoch nahezu wirkungslos, da mit zunehmendem Abfluss die Fließverluste im Wehrzulauf überproportional zum Seewasserstand zunehmen und die Verbesserung der hydraulischen Leistungsfähigkeit des Seeablaufs folglich ausbleibt. Hydraulisch leistungsbegrenzend ist primär nicht das Klauswehr selbst, sondern die rd. 200 m lange Wehrzulaufstrecke. Ein verringerter Fließquerschnitt des Wehrzulaufs infolge von Anlandungen und Vegetation kann ursächlich für den beschränkten Seeabfluss erachtet werden. Für eine nennenswerte Verbesserung der hydraulischen Situation ist die Erneuerung bzw. Herstellung eines leistungsstarken Abflussquerschnitts im Wehrzulauf daher unabdingbar. Der Abflussquerschnitt ist durch wasserbauliche Eingriffe, die eine Ausräumung von Sohlmaterial beinhalten, zu erweitern. Die ökologische Variabilität und Funktionsfähigkeit des Wehrzulaufs sind dabei durch gewässermorphologische Strukturen unter Einhaltung der Hydraulik sicherzustellen.
Die im Rahmen dieser Studie beleuchteten Ertüchtigungsvarianten beschreiben Grenzkurven der hydraulischen Leistungsfähigkeit und zeigen das Potenzial der jeweiligen Maßnahmen auf. Gänzlich ausgenutzt werden kann die hydraulische Leistungsfähigkeit des Seeabflusses nur bei vollständig umgelegten Klappen (Ausnutzung der Revisionsstellung). Ob die erreichbare hydraulische Leistungsfähigkeit auch tatsächlich voll ausgeschöpft wird, ist von einer Vielzahl an Fragestellungen abhängig. Die umfangreichere Ertüchtigungsvariante EV3 ist der moderateren EV2 folglich nicht intuitiv zu bevorzugen, da die endgültige Wehrordnung nicht auf einen maximalen Seeabfluss zu bemessen ist. Erst durch eine Bilanzierung der Zu- und Abflüsse aus dem See (hydrologische Modellierung) kann ermittelt werden, wie die einzelnen Ertüchtigungsszenarien den Seewasserstand und den Seeabfluss über einen Zeitraum beeinflussen.
Dass der See infolge der Ertüchtigungsmaßnahmen dauerhaft oder in Trockenwetterphasen Wasser verliert und praktisch langsam ausrinnt, ist fachlich zu verneinen. Eine Erhöhung der Abflussleistung des Wehrzulaufgerinnes ist nicht gleichbedeutend mit einem erhöhten Seeabfluss. Der einem Seewasserstand zugehörige Abfluss kann durch unterschiedliche Klappenstellungen gemäß einer Wehrbetriebsordnung reguliert werden. Hohe Klappenstellungen bewirken einen Aufstau und der Effekt der Seeretention wird verstärkt. Tiefe Klappenstellungen erhöhen den Abfluss und senken den See ab. Seewasserstand und Seeabfluss sind durch eine entsprechende Optimierung der Wehrbetriebsordnung, der die hydraulischen Grenzkurven zugrunde liegen, neu zu bestimmen. Sämtliche Limitierungen und Kriterien für die Optimierung der Seesteuerung werden im Teil II – Hydrologie (Klingler et al. 2023, in diesem Heft) ausführlich erläutert.
Im Rahmen der Studie wurde zudem versucht, die praktische Umsetzbarkeit der beschriebenen Maßnahmen zur Verbesserung des Seeabflusses am Mondsee zu eruieren und vorläufig abzuschätzen. Mondsee und Seeache sind gemäß Fauna-Flora-Habitat-Richtlinie Teil des Europaschutzgebiets Mondsee-Attersee. Wie aus der vorab übermittelten naturschutzfachlichen Einschätzung hervorgeht, sind im Rahmen der fortführenden Planungen die Auswirkungen von Ertüchtigungsmaßnahmen auf die Schutzgüter Perlfisch und Seelaube sowie den Lebensraumtyp der Seeache detailliert auszuarbeiten. Sämtliche wasserbaulichen Eingriffe bedürfen einer engen Abstimmung mit der Ökologie, respektive der Gebietsbetreuung des Schutzgebiets sowie den Abteilungen Naturschutz und Gewässerökologie beim Amt der Oö Landesregierung. Die mit diesem Projekt bereitgestellten Daten dienen als Grundlage für das obligatorische naturschutz- und wasserrechtliche Bewilligungsverfahren.
Ein weiterer Aspekt im Sinne der Umsetzbarkeit sind die am Ostufer, im Nahbereich des Seeablaufs gelegenen prähistorischen Pfahlbauten. Eine Veränderung der Strömungsbedingungen im Bereich der prähistorischen Pfähle konnte rechnerisch nicht nachgewiesen werden. Weder im jetzigen Zustand noch nach Ausräumung der Sohle im Seenahbereich kann auf einen kausalen Zusammenhang zwischen Erosionserscheinungen an den Pfählen und dem Seeabfluss geschlossen werden. Die berechneten Sohlschubspannungen für unterschiedliche Seewasserstände und Abflüsse sind im Bereich der Pfahlbauten zu gering, um Schäden an den Pfählen oder der Sohldeckschicht zu bewirken. Wasserbauliche Eingriffe in der Wehrzulaufstrecke liegen im Nahbereich der Bundesdenkmalzone und erfordern daher eine intensive Einbindung von Verantwortlichen des Bundesdenkmalamts sowie des Kuratoriums für Pfahlbauten.
In Hinblick auf eine nachhaltige Verbesserung der hydraulischen Leistungsfähigkeit des Seeabflusses ist ein Erhaltungsmanagement des Wehrzulaufs von großer Bedeutung. Die derzeitigen Fließverluste im Wehrzulauf sind auf verstärke Anlandungserscheinungen in den letzten 10 bis 15 Jahren zurückzuführen. Um einer erneuten Verlandung nach einer Abflussertüchtigung entgegenzuwirken, sind daher regelmäßige Erhaltungsmaßnahmen erforderlich. Für die Durchsetzung zukünftiger Instandhaltungsmaßnahmen ist eine Erweiterung des konsensualen Regulierungs- und Instandhaltungsbereichs bis zum Seeufer anzustreben. Als Unterstützung für das Erhaltungsmanagement wird sich der geplante Pegel im Oberwasser des Klauswehrs erweisen, anhand dessen Rückschlüsse auf die hydraulischen Bedingungen möglich werden.
7 Nutzungsgruppenbefragung und Interessenslagen
Die Einbeziehung der verschiedenen Interessenslagen beabsichtigt die soziale, ökologische und ökonomische Verträglichkeit verschiedener wasserwirtschaftlicher Optimierungsmaßnahmen zu ermitteln. In Abstimmung mit der Interessengemeinschaft Mondsee konnten im Rahmen einer breit ausgelegten Stakeholderbeteiligung acht spezifische Nutzungsgruppen identifiziert werden. Diese umfassen in alphabetischer Reihenfolge: Einsatzorganisationen; Fischerei; Historisches Erbe – Pfahlbauten; Kommunale Dienste und Einrichtungen; Ökologie und Landschaftsschutz; Schifffahrt, Segel‑, Ruder- und Wassersport; Tourismus, Erholung und Freizeit und Wasserkraft.
Repräsentantinnen und Repräsentanten dieser Nutzungsgruppen (Stakeholder) hatten die Möglichkeit, ihre partikulären Interessen zur wasserwirtschaftlichen Situation am Mondsee zu äußern, indem sie ihre gegenwärtigen Einschränkungen darlegen konnten. Neben der Erhebung der nutzungsspezifischen Defizite des Status quo wurde ergänzend dazu der aus Sicht der Stakeholder notwendige Handlungsbedarf zur Verbesserung der bestehenden Situation (Änderungswünsche) abgefragt. Darüber hinaus konnten die Befragten kritische Wasserstände nennen, ab welchem Nutzungseinschränkungen bzw. Schäden eintreten. Die Daten wurden in Einzelgesprächen vor Ort erhoben, wobei ein vorausgesendeter Fragebogen als Gesprächsleitfaden diente.
Es konnten insgesamt 18 Rückmeldungen eingeholt werden, aus welchen sich fünf allgemeine Schlüsse ziehen lassen.
1) Die Interessen einzelner Nutzungsgruppen stehen sich in einigen Aspekten diametral gegenüber. 2) Zu hohe Seewasserstände werden über alle befragten Gruppen hinweg als nachteilig beurteilt. 3) Natürliche Schwankungen um den Mittelwasserstand sind erwünscht bzw. werden zumindest nicht einschränkend empfunden. 4) Ein leichter Anstieg des mittleren Seewasserstands in den letzten Jahren wird von einigen Befragten beobachtet. 5) Einzelne Nutzungsgruppen erwarten sich durch eine adaptierte Wehrordnung eine Verbesserung der Situation.
Damit die gesammelten Daten in die Ermittlung einer adaptierten Wehrordnung einfließen, werden einerseits Limitierungen zur Eingrenzung des Optimierungsprozesses aufgestellt und anderseits Kriterien definiert, welche die nutzungsspezifischen Interessen abbilden.
8 Zusammenfassung
Oberstes Ziel dieses Beitrags ist es, das Abflusspotenzial des Seeablaufsystems mit quantitativ belastbaren Daten zu beschreiben. Die hier gewonnenen Ergebnisse fließen als hydraulische Grundlagen in den Prozess zur Optimierung der Seesteuerung ein und stecken den technischen Handlungsspielraum in Bezug auf mögliche abflussertüchtigende Maßnahmen zur Verbesserung des Hochwassermanagements am Mondsee ab.
Anhand eines hybriden Modellansatzes bestehend aus numerischer und physikalischer Modellierung sowie Feldmessungen zur Kalibrierung und Validierung konnte gezeigt werden, dass die bestehenden hydraulischen Bedingungen abflusslimitierend wirken. Die reduzierte hydraulische Leistungsfähigkeit des Seeablaufsystems führt derzeit zu Unstimmigkeiten in der Seesteuerung und schränkt die Möglichkeit zu einem verbesserten Hochwasserrisikomanagement am Mondsee deutlich ein.
Wie in den Ertüchtigungsvarianten zum Ausdruck gebracht werden konnte, ist eine nennenswerte Abflusssteigerung durch eine Vergrößerung des effektiven Fließquerschnitts, eine Reduktion der Fließwiderstände des Wehrzulaufgerinnes und die Anpassung der Klappenstellung am Klauswehr erzielbar. Die hydraulischen Rahmenbedingungen ergeben sich folglich durch eine Kombination von wasserbaulichen Maßnahmen am Seeausrinn und betrieblichen Optimierungen am Klauswehr, wobei die Herstellung einer ausreichenden Abflussleistung als grundlegend erachtet wird und eine Feinjustierung der Wehrordnung durch eine Überarbeitung der Seewasserstands-Seeabfluss-Beziehung zu verfolgen ist (siehe Teil II – Hydrologie, Klingler et al. 2023, in diesem Heft).
Nicht näher betrachtet wurden Maßnahmen der Abflusssteigerung, die eine Verlegung des Klauswehrs zum See oder eine Bypass-Lösung vorsehen, da diese Optionen aufgrund ihrer geringen Chance auf Realisierbarkeit a priori ausgeschlossen wurden.
Begleitet wurden die hydraulischen Analysen durch eine Stakeholderbefragung, woraus Limitierungen und nutzungsspezifische Kriterien für eine Überarbeitung der Seesteuerung am Klauswehr abgeleitet werden konnten. Die Einbeziehung der Stakeholderinteressen wurde als entscheidender Schritt hin zu einer allgemein akzeptierten und damit realisierbaren Wehrordnung erachtet und findet im Teil II – Hydrologie von Klingler et al. (2023, in diesem Heft) bei der Festlegung von saisonal optimierten Wehrbetriebsordnungen Berücksichtigung.
Danksagung
Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen eines Forschungsprojekts für den Wasserverband Mondseeklause durchgeführt und von der Europäischen Union (LEADER) sowie den Anrainergemeinden des Mondsees finanziert. Dem Obmann der Interessensgemeinschaft Mondsee Hochwasser, Herrn DI Christoph Skolaut, sei herzlich für seine Rolle als zentraler Ansprechpartner sowie die tatkräftige Unterstützung gedankt. Besten Dank an die Hydrographischen Dienste der Länder Oberösterreich und Salzburg sowie den Gewässerbezirk Gmunden und die Abteilung Geoinformatik im Land OÖ für die Bereitstellung der Daten sowie den fachlichen Austausch. Dank gilt weiters der Gebietsbetreuung des Landschaftsschutzgebiets Mondsee-Attersee sowie der konstruktiven Mitwirkung aller Interessensgruppen im Rahmen der Stakeholderbefragung.
Interessenkonflikt
M. Preiml, C. Klingler, H. Holzmann, P. Lichtneger, C. Sindelar und H. Habersack geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.
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Optimierung der Klauswehrordnung des Mondsees, Teil I – Hydraulik
Authors
DI Max Preiml DI Christoph Klingler ao. Univ.-Prof. DI Dr. Hubert Holzmann DI Dr. Petr Lichtneger PD DI Mag. Christine Sindelar Univ.-Prof. DI Dr. Dr. h.c. Helmut Habersack
