Sedimentstudie im Biosphärenpark Mur-Drau-Donau im Rahmen des EU-Projekts lifelineMDD

Die Grundlage dieser Analysen bildeten größtenteils historische Karten der Zweiten Militärischen Landesvermessung der Habsburgermonarchie (begonnen 1815) sowie abschnittsweise Karten der Ersten Militärischen Landesvermessung zwischen 1736 und 1787, in Bereichen, wo die Flusslandschaft zum Zeitpunkt der Zweiten Militärischen Landesvermessung bereits stark anthropogen verändert war (Schwarz 2022). Diese Karten wurden im Rahmen dieses Projekts von Schwarz (2022) digitalisiert und gegenwärtigen Karten aus 2013 (Schwarz 2013) gegenübergestellt. Aufgrund der starken Abweichung der Flussläufe im historischen und aktuellen Zustand wurden, um die Vergleichbarkeit zu gewährleisten, die Talachsen anstatt der Flussachsen als gemeinsamer Bezug festgelegt, die von Schwarz (2022) über topografische Karten ermittelt und zur Verfügung gestellt wurden.

Für die Analyse der durchflossenen Breiten wurden entlang der Talachsen orthogonale Linien in 500 m Abständen gezogen, an deren Schnittpunkten mit den Flussarmen jeweils die Breite normal zur Fließrichtung im jeweiligen Arm gemessen wurde (Abb. 2).

Im Zuge der Breitenanalyse wurde zusätzlich die Anzahl der durchflossenen Arme ermittelt.

Die Längenänderung ergab sich aus der Differenz der Längen der historischen und der aktuellen Flussachse, wobei in verzweigten Abschnitten jeweils nur ein Hauptarm von mehreren herangezogen wurde. Der Quotient aus den Längen der Flussachsen und der jeweiligen Talachsen ergibt die Sinuosität. Weiters wurde die Änderung des Gefälles aufgrund der Laufverkürzung berechnet. Bei der Darstellung der Ergebnisse wurde teilweise auf die historischen morphologischen Flusstypen eingegangen, um die Bedeutung von Parameteränderungen besser einordnen zu können.

Für die Identifizierung von Trends in der Entwicklung der Sohllage sind langjährige Aufzeichnungen an derselben Stelle erforderlich. Profilvermessungen lassen eine direkte Bestimmung der Sohllage zu, sind jedoch nur zeitlich und räumlich begrenzt verfügbar. Hier bieten sich Pegeldaten an, die im Projektgebiet in regelmäßigen Abständen entlang der drei Flüsse verfügbar waren und teilweise bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts zurückreichen.

Die in Abb. 3 dargestellten Pegelmessstellen wurden auf den jährlich maximalen, minimalen und mittleren Wasserstand untersucht und Trends dargestellt. Besonders die Entwicklung des jährlichen minimalen Wasserstands lässt einen Rückschluss auf die Sohleintiefung zu.

Daten zum Schwebstofftransport im Projektgebiet lagen an 12 Messtellen vor, von denen sieben über einen längeren Zeitraum verfügbar waren: Mureck und Gorican an der Mur, Botovo, Terezino Polje und Donji Miholjac an der Drau und Dombori und Mohacs an der Donau. Mit diesen Daten wurden mittlere jährliche Schwebstofffrachten berechnet. Aufzeichnungen zum Geschiebetransport lagen bei Letenye, Botovo, Belavar, Barcs und Dravaszabolcs im Zeitraum zwischen 1986 und 2003 vor.

Wiederholte Profilvermessungen über 40 Jahre entlang der Grenzmur zwischen Österreich und Slowenien ermöglichten die Berechnung eines Sedimentbudgets von 1974 bis 2006.

Der Hauptstrom der Mur im TBR wies im Referenzzustand eine Länge von 158 km auf, 2013 betrug die Gesamtlänge 143 km, was einer Abnahme der Länge und damit der Sinuosität von 9 % entspricht. Die Fließlänge der Drau reduzierte sich von historischen 472 km um 35 % auf 306 km, die Donau wurde um 23 % verkürzt und betrug 2013 nur mehr 216 km verglichen mit 282 km im Referenzzustand (Abb. 4a.).

Am stärksten betroffen von den Laufverkürzungen ist an der Drau der morphologische Abschnitt Dr3 zwischen Hereszny und der Mündung in die Donau, der historisch von hoher Sinuosität geprägt war. Die Fließlänge in diesem Abschnitt beträgt mit 188 km nur mehr 60 % der ursprünglichen 316 km. Entlang der Mur erfuhr M1, in dem die Grenzmur liegt, die größte Veränderung (−18 %), entlang der Donau der Abschnitt D1 flussauf von der Draumündung (−33 %), flussab davon verläuft der Hauptstrom – bis auf einen Mäanderdurchstich – großteils unverändert.

Bei der Untersuchung der Breitenänderung wurden zwei Breiten berücksichtigt: zum einen die gesamte durchflossene Breite als Summe der Breiten der einzelnen Teilarme normal zur Fließrichtung und zum anderen die Breite des gesamten Flusssystems als Distanz zwischen den äußeren Uferkanten der jeweils am äußersten gelegenen, durchflossenen Seitenarme.

Die durchflossenen Breiten der Mur sind in Abb. 5 dargestellt, wobei historische Breiten grau und die gegenwärtigen Breiten schwarz gefärbt sind.

Die mittlere durchflossene Breite beträgt nach dieser Auswertemethode im gegenwärtigen Zustand 72,9 m, was, verglichen mit der historischen Breite von 175,5 m, einer Reduktion von 59 % entspricht. Die einzelnen morphologischen Abschnitte weichen hier nur geringfügig voneinander ab; so beträgt die relative Änderung im vormals verzweigten Abschnitt M1 −61 % und in M2 und M3, die historisch einem Übergangstypen zwischen verzweigt und mäandrierend bzw. einem mäandrierendem Flusstypen entsprechen, rund −56 %. Besonders abgenommen hat die Variabilität der Breiten in den einzelnen Abschnitten, so betrug die Standardabweichung in M1 im historischen Zustand noch 60,8 m, während diese gegenwärtig nur mehr 13,6 m beträgt.

Die durchflossenen Breiten der Drau weichen in den einzelnen morphologischen Abschnitten stark voneinander ab (Abb. 6).

Der Bereich Dr1 flussauf der Einmündung in die Mur ist heute von den drei großen Stauseen Ormož, Čakovec und Dubrava und deren Kraftwerksausleitungen geprägt. Historisch betrachtet war diese Strecke von einem furkierenden Flusslauf gezeichnet, entsprechend drastisch fällt der Vergleich der historischen Breiten mit der aktuellen Fließbreite aus. Von historischen 374,25 m verringert sich die Breite auf 81 m, was einer Reduktion von 78 % entspricht. Hier wurde im gegenwärtigen Zustand entlang der Kraftwerkszuleitungen nur die Restwasser-führende alte Drau als morphologisch relevant angesehen und im Vergleich herangezogen. Die Stauseen selbst wurden ebenfalls nicht berücksichtigt. Flussab der Mureinmündung entsprach die Drau historisch einem flussmorphologischen Übergangstyp zwischen verzweigt und mäandrierend. Aktuell beträgt die mittlere durchflossene Breite in diesem Bereich mit 195 m nur mehr rund 50 % der historischen 383 m. Im Abschnitt Dr3 beträgt die aktuelle Breite im Durchschnitt 198 m, was verglichen mit 230 m in den historischen Karten einer Reduktion von rund 14 % entspricht. Die verhältnismäßig geringe Änderung hat liegt daran, dass die Drau hier einem mäandrierenden Flusstypen entspricht; Regulierungsarbeiten machen sich hier vor allem in der Laufverkürzung und in der Reduktion der Sinuosität bemerkbar.

Die Situation entlang der Donau im TBR MDD ist in Abb. 7 dargestellt.

Im oberen Abschnitt der Donau im TBR fällt auf, dass die Breite teilweise über jener im historischen Zustand liegt; der Grund hierfür ist, dass die Regulierungsbreite in diesen Abschnitten über der natürlichen Breite der Donau liegt, die hier historisch aus zwei mäandrierenden Haupt- und weiteren Seitenarmen bestand. Die mittlere Breite reduziert sich hier um 14 % von 567 auf 485 m. Im vormals verzweigten Abschnitt D2 erfuhr die Donau eine Breitenreduktion von 22 %, was vor allem an der Abtrennung der zahlreichen Seitenarme liegt. Die historisch durchflossene mittlere Breite von 661 m reduziert sich auf 513 m im aktuellen Zustand.

Zusätzlich wurde die Gesamtbreite der Flusssysteme analysiert, welche als die Distanz zwischen den jeweiligen Außenufern der äußeren durchflossenen Seitenarme definiert wurde (Tab. 1).

Neben der Breitenreduktion zeigt die Änderung in der Anzahl der Flussarme im Talachsenprofil den anthropogenen Einfluss deutlich auf (Abb. 8).

Nach zahlreichen Regulierungsarbeiten verläuft die Mur im aktuellen Zustand entlang 94 % ihrer Fließstrecke im TBR in einem Einzelgerinne. Im historischen Zustand war das nur entlang 20 % der Fall, großteils teilte sich der Durchfluss auf zwei (28 %), drei (20 %) oder mehr (31 %) Seitenarme auf. Entlang der Grenzmur bildete die Mur historisch sogar bis zu neun Arme aus. Verzweigte Systeme mit vier oder mehr Armen sind im aktuellen Zustand verschwunden.

Die historische Drau verlief zu 45 % in einem Gerinne, was an der mäandrierenden Natur der unteren Drau in Dr3 liegt. Regulierungen und die Errichtung der Kraftwerke in den vormals verzweigten Abschnitten erhöhen den Einzelgerinne-Anteil an der gesamten Fließstrecke auf 74 %. Bereiche mit mehr als 4 Seitenarmen sind auch hier nahezu gänzlich verschwunden.

Im Referenzzustand verlief die Donau entlang 21 % ihres Laufes in einem Einzelgerinne, entlang 27 % in zwei Teilgerinnen und entlang 21 % in drei. Entlang 30 % ihres Laufes im TBR bestand die Donau im Referenzzustand aus 4 oder mehr Teilgerinnen. Im aktuellen Zustand besteht der Flusslauf zu 58 % aus einem Einzelgerinne und zu 36 % aus zwei Teilgerinnen, in vier Teilgerinnen verläuft sie nur selten.

Je nach morphologischem Flusstyp ist die Auswirkung der Verbauungen in verschiedenen Parametern unterschiedlich deutlich sichtbar. So fällt in mäandrierenden Systemen die Änderung in der Sinuosität deutlich aus, während in verzweigten Flussabschnitten die Änderung in der Anzahl der Seitenarme aussagekräftiger ist (Abb. 9a).

Die Gegenüberstellung der Änderungen in der Sinuosität und der Anzahl der Seitenarme mit dem Verbauungsgrad (Abb. 9b, Schwarz 2022) lässt eine Korrelation deutlich erkennen, besonders im Bereich der Grenzmur und entlang der Drau bis zum Zusammenfluss mit der Mur. Abschnitte mit hohem Sinuositätsverlust bedeuten jedoch nicht unbedingt einen hohen Verbauungsgrad, zumindest nicht nach dieser Art der Errechnung. Das liegt daran, dass die alleinige Befestigung von Außenufern von Mäanderbögen verglichen mit der gesamten Uferlänge im Segment rechnerisch einen günstigen Verbauungsgrad ergibt; tatsächlich reicht in mäandrierenden Systemen diese Art der Verbauung jedoch bereits aus, um eine natürliche morphologische Entwicklung zu unterbinden (Schwarz 2022).

Die gesamte Uferlänge der Mur, Drau und Donau im TBR beträgt ungefähr 1350 km, wovon 538 km durch Blockwurf verbaut sind. Berücksichtigt man eine Einflusslänge von 300 m je Buhne, so erhöht sich die verbaute Uferlänge um weitere 200 km, also insgesamt auf 55 % der gesamten Uferlänge. Wird zusätzlich der Fixierung des Laufs durch einseitige Verbauung an Außenbögen Rechnung getragen, können die drei Flüsse letztlich im gesamten TBR (bis auf vereinzelte freie Mäanderbögen) als verbaut angesehen werden (Schwarz 2022).

Im TBR waren an sieben Stationen mehrjährige Daten zum Schwebstofftransport verfügbar. An den meisten Stationen gehen die Aufzeichnungen jedoch nicht weit genug zurück, um signifikante Aussagen zu Änderungen im Transportverhalten treffen zu können; an diesen Stationen wurden die aktuellen mittleren jährliche Transportfrachten bestimmt (Tab. 2).

Tamas (2019) führte den Anstieg der mittleren jährlichen Schwebstofffracht von Botovo bis Terezino Polje auf die Staudämme und die Veränderung der Flussbettzusammensetzung zurück: Durch den Sedimentrückhalt der Kraftwerke ist die Drau flussab relativ frei von Schwebstoff und kann aufgrund des Kiesbetts bis Terezino Polje nicht viel Feinsediment loslösen. Die Sohlzusammensetzung ändert sich flussab von Terezino Polje, weswegen dort der Schwebstofftransport zunimmt. Weiter flussab nimmt die Gewässerbreite zu und es kommt aufgrund der geringeren Transportkapazität zur Sedimentation, weswegen bei Donji Miholjac wieder weniger Schwebstofftransport aufgezeichnet wird.

Drei Messstellen an der Drau – Varaždin, Botovo und Donji Miholjac – lassen durch langjährige Aufzeichnungen (z. B. seit 1967 bei Botovo) Auswirkungen der Kraftwerkserrichtungen an der oberen kroatischen Drau auf den Schwebstofftransport erkennen, wie bei Botovo (Abb. 10) ersichtlich.

Während in Botovo in den acht Jahren vor dem Bau des Kraftwerks Varaždin 1975 eine durchschnittliche Schwebstoffjahresfracht von über 1 Mio. t/Jahr gemessen wurde, reduziert sich diese nach der Errichtung des Damms um 17 %. Der Bau des KW Čakovec 1982 reduziert diese transportierte Jahresfracht weiters um 55 %. Im Zeitraum nach der Errichtung des Dubrava-Staudamms 1989 bis 2019 beträgt die mittlere jährliche Schwebstofffracht bei Botovo mit 305.287 t/Jahr nur mehr 30 % der ursprünglichen 1.001.186 t vor dem Bau des Kraftwerks Varaždin. 70 km weiter flussab bei Donji Miholjac wird der Sedimentrückhalt durch die Staudämme sogar noch deutlicher: Während der Bau des KW Varaždin sich in der Ganglinie wenig bemerkbar macht, so sinkt die mittlere jährliche Schwebstofffracht nach der Errichtung von Čakovec und Dubrava von 1.302.267 t/Jahr auf lediglich 250.623 t/Jahr, was 19 % der ursprünglichen Fracht vor dem Bau des KW Varaždin entspricht. Die ursprünglich transportierten Frachten dürften wohl noch deutlich darüber liegen, da die Stauketten an der Unteren Drau in Österreich und Slowenien bereits zwischen 1918 und 1988 errichtet wurden.

Daten zum Geschiebetransport der Drau wurden von Rákóczi und Szekeres (2004) bei Botovo, Bélavár, Barcs und Drávaszabolcs für den Zeitraum zwischen 1986 und 2003 erhoben (Tab. 3).

Der Geschiebetransport wurde ebenfalls an der Mur bei Letenye zwischen 1986 und 2003 gemessen, wobei in diesem Zeitraum im Jahresmittel 27.588 t/Jahr transportiert wurden. An der Grenzmur zwischen Österreich und Slowenien beläuft sich die Transportkapazität auf ca. 45.000 m³/Jahr (~ 83.000 t/Jahr) (Klösch et al. 2021), bei nahezu keinem Geschiebeeintrag von flussauf (Hengl et al. 2001). Auswertungen von Profilvermessungen der Grenzmur zwischen 1974 und 2006 ergaben für diesen Zeitraum einen Geschiebeaustrag von insgesamt 860.000m³ bei vernachlässigbarem Eintrag.

Basierend auf den jährlichen Minimum‑, Maximum- und Mittelwerten der Wasserspiegellage lässt sich auf die Entwicklung der Sohllage rückschließen. Aufgrund der häufigen Verfügbarkeit auch über sehr lange Zeiträume stellen sie eine gute Datengrundlage dar, um Eintiefungstendenzen über ganze Flussläufe abzuschätzen. Insgesamt standen entlang der Mur Daten von vier Pegelmessstellen, entlang der Drau von zwölf und entlang der Donau von acht Pegelmessstellen zur Verfügung (Abb. 11).

Die erste Messstelle an der Mur ist Mureck, wo der Niederwasserspiegel in den letzten 45 Jahren bis 2019 insgesamt 17,7 cm gesunken ist, was einer jährlichen Eintiefungsrate von 0,4 cm/Jahr entspricht.

Die Eintiefung am Pegelprofil selbst scheint jedoch nicht für den ganzen Abschnitt repräsentativ zu sein. 3 km weiter flussab etwa zeigen Profilanalysen weitaus höhere Eintiefungsraten, wobei die Erosion des quartären Kieses bereits so weit fortgeschritten ist, dass ein Sohldurchbruch droht, wodurch es durch die hohe Erodierbarkeit des darunterliegenden tertiären Feinmaterials innerhalb eines Hochwasserereignisses zur starken Sohlerosion kommen kann. Betrachtet man die Jahre 1993 bis 2019, so liegen die jährlichen Änderungen in der Sohllage zwischen 0,1 cm (Letenye) und −1 cm (Petanjci).

Entlang der Drau liegen die jährlichen Eintiefungsraten zwischen 1993 und 2019 zwischen 0,1 und 2 cm, wobei in diesem Zeitraum auch Anlandungen auftreten, wie bei Novo Virje (0,3 cm/Jahr) und bei Šemovec in der Restwasserstrecke flussab des Dubrava Staudamms (0,3 cm/Jahr). Betrachtet man den 10-Jahres-Trend zwischen 2010 und 2019, so weisen alle Messstellen bis auf Šemovec und Varaždin Sohlhöhenänderungen von min. −1 cm/Jahr auf (Abb. 12).

Die Niederwasserspiegellagen an den Pegelmessstellen entlang der Donau zeigen ein deutliches Bild: Die Messstelle Dombori weist seit 1950 eine Gesamteintiefung von 1,2 m auf (Abb. 13); die Messstelle Paks flussauf des TBR 1,6 m.

Im Zeitraum 1993–2019 liegen die Eintiefungsraten an allen neun Messstellen über 1,8 cm/Jahr und reichen bis zu 3,1 cm/Jahr (Dalj).