Fischdurchgängigkeit mittels innovativer Buhnen in kombinierten skalierten und ethoyhdraulischen 1:1-Modellversuchen am Beispiel des Wienflusses

Die EU-Wasserrahmenrichtlinie (EU-WRRL, 2000) strebt den guten ökologischen Zustand für alle Oberflächengewässer an. Die konkrete Umsetzung zur Erreichung der Ziele wird in 6‑Jahres-Perioden im Nationalen Gewässerbewirtschaftungsplan (NGP) festgesetzt. In der laufenden Periode des NGP 2021–2027 steht seitens der Stadt Wien, Magistratsabteilung Wiener Gewässer (MA 45), unter anderem die Wiederherstellung der Fischdurchgängigkeit des Wienflusses auf der Agenda. Der Wienfluss ist im Stadtgebiet von Wien mit Ausnahme der bereits renaturierten Strecke bei km 12 ein weitgehend künstliches Gerinne mit hartverbauter Sohle und Ufermauern. Er zählt deswegen zu den erheblich veränderten Gewässern, wofür laut EU-WRRL ein gutes ökologisches Potenzial anzustreben ist. Um das zu erreichen, ist zumindest für einen wesentlichen Teil der Leitarten und einen zumindest geringen Teil der typischen Begleitarten ein sich selbst erhaltender Fischbestand sicherzustellen. Ebenso soll die Durchgängigkeit als hydromorphologische Qualitätskomponente hergestellt werden (Koller-Kreimel und Ofenböck 2020).

In diversen Vorstudien der MA 45 wurden verschiedene Maßnahmen zur Erreichung des guten ökologischen Potenzials des Wienflusses evaluiert. Darunter fallen einerseits Renaturierungskonzepte, die auf die Schaffung von Habitaten abzielen, und andererseits reine Wanderkorridore, die selbst keine Habitate darstellen, aber dazu dienen, einzelne Habitatstrecken zu vernetzen.

Die MA 45 ist an das Institut für Wasserbau, Hydraulik und Fließgewässerforschung (IWA) der BOKU herangetreten, um das bereits vorliegende Grobkonzept zur Schaffung eine Wanderkorridors mittels Buhnen im Detail auszuarbeiten. Dies sollte in einer ersten Phase anhand eines skalierten Modellversuchs ausgearbeitet werden. In einer Phase II sollte der Buhnen-Ausführungsvorschlag aus Phase I im Maßstab 1:1 im Forschungsgerinne des BOKU-Wasserbaulabors aufgebaut werden (das war der erste Versuch nach Fertigstellung des Labors). Ziel des ethohydraulischen Versuchs war es, zu überprüfen, ob Wildfische, welche die Leitfischarten des Wienflusses repräsentieren, in der Lage sind, die Buhnenstrecke zu durchwandern. Der vorliegende Beitrag liefert einen Überblick zu dieser Studie.

Der Wienfluss entspringt im Wienerwald in Niederösterreich und hat ein Einzugsgebiet von 223 km². Auf seiner Strecke bis zur Mündung in den Donaukanal im Zentrum von Wien besitzt er ein mittleres Sohlgefälle von 0,011. Klimatische Daten zeigen einen jährlichen Niederschlag von 695 mm. Geologisch dominiert im Wienerwald Flysch, weshalb die Böden Niederschläge und Schmelzwasser nur in geringem Maß aufnehmen können. Bei starken Regenfällen steigen Hochwasserwellen daher rasch an. Beim Pegel Kennedybrücke im 14. Bezirk in Wien bei Fluss-km 7,9 hat der Wienfluss einen mittleren Durchfluss von 1,2 m³/s, wobei das 100-jährliche Hochwasser bei 325 m³/s liegt (Abb. 1). Historisch war der Wienfluss einem ständigen Wandel unterworfen, geprägt von Regulierungsversuchen seit dem 18. Jahrhundert. Heute fließt der Wienfluss im Stadtgebiet von Wien über weite Strecken in einem gepflasterten, künstlichen Gerinne, parallel zur angrenzenden U‑Bahn-Trasse, weswegen dem Hochwasserschutz besondere Bedeutung zukommt. Er wird im Nationalen Gewässerbewirtschaftungsplan 2021–2027 als erheblich veränderter Wasserkörper eingestuft, mit einem mäßigen bis schlechten ökologischen und chemischen Zustand. Zwischen 1994 und 1999 wurden im Bereich Auhof Renaturierungsprojekte durchgeführt, um die ökologische Vielfalt zu fördern. Weitere Maßnahmen in den 2000er-Jahren zielten darauf ab, Abschnitte des Flusses naturnäher zu gestalten und die Biodiversität zu verbessern (Lasinger und Leutgöb 2022).

Das Projektgebiet, für das eine Buhnenlösung entwickelt werden sollte, reicht von der Kennedybrücke (km 7,9) bis zur Einwölbungsstrecke im Stadtpark bei km 3,9 und ist in Abb. 1 ersichtlich.

Vor der Durchführung der Versuche wurden im Projektgebiet mehrere Querprofile hinsichtlich Sohlbreite und Uferböschungsneigung vermessen. Das Ziel war es, daraus ein charakteristisches Querprofil abzuleiten, das die natürlichen Gegebenheiten im Projektgebiet bestmöglich repräsentiert (Abb. 2). Das charakteristische Sohlgefälle wurde aus Daten der MA 45 ermittelt und beträgt 0,0046. Es wurde das steilere Gefälle im Projektgebiet ausgewählt, da dieses hinsichtlich Durchwanderbarkeit den schlechtesten Fall darstellt. Ein größeres Gefälle erzeugt nämlich größere Geschwindigkeiten und kleinere Wassertiefen. Kann die Fischdurchgängigkeit für dieses Gefälle nachgewiesen werden, so gilt dies insbesondre auch für flachere Passagen.

Analog zum Leitfaden für Fischaufstiegshilfen (Leitfaden FAH 2021) wurde mit der MA 45 festgelegt, dass der Wanderkorridor für den Mindestwasserabfluss Q₃₃₀ passierbar sein soll, also für jenen Abfluss, der an 330 Tagen im Jahr überschritten wird. Für die Bestimmung von Q₃₃₀ und des Mittelwasserabflusses MQ wurden die Daten des Pegels Kennedybrücke herangezogen. Die Strömungsbedingungen sind in Tab. 1 zusammengefasst.

Die Leitfischarten des Wienflusses sind der Aitel, der Gründling und die Bachschmerle. Das Ziel ist, einen Wanderkorridor für alle Leitfischarten zu schaffen, einschließlich aller Altersstadien. Für die Festlegung des Geschwindigkeitsbereichs wurden verschiedene Schwimmleistungen von Fischen analysiert. Dazu gehören bspw. die Dauerschwimmgeschwindigkeit, bei der Fische ohne Ermüdung über eine bestimmte Zeit schwimmen können, und die Sprintgeschwindigkeit, die nur kurzzeitig möglich ist. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die positive Rheotaxis, ein Verhalten von Fischen, das sie zur Strömungsrichtung führt.

Unter Berücksichtigung dieser Faktoren wurden schließlich vier Zonen festgelegt, die anhand von Geschwindigkeiten und Wassertiefen klassifiziert wurden (Tab. 2).

Die gesuchte Buhnenvariante sollte einen durchgehenden Wanderkorridor erzeugen, aber auch Ruhezonen bieten. Die Zonen erhöhter Geschwindigkeit oder ungenügender Wassertiefe sollten möglichst kleine Bereiche einnehmen. Für die Gewährleistung des Betriebs musste sichergestellt werden, dass große Fahrzeuge die Strecke für Wartungs- und Instandhaltungsmaßnahmen weiterhin befahren können. Daraus ergab sich die Anforderung, dass die Buhnen entweder einen Mindestabstand von 20 m oder eine maximale Höhe von 0,20 m aufweisen sollten.

Für die Phase I wurde ein physikalisches, Froude-ähnliches Modell im Maßstab 1:8 im Wasserbaulabor der Universität für Bodenkultur Wien aufgebaut. Die Versuchsanordnung in einer Glasrinne bestand aus einem Trapezgerinne mit fester Sohle im Gefälle 0,0046. Das Querprofil entsprach dem charakteristischen Profil des Projektgebiets (Abb. 2). Zur Herstellung des Trapezgerinnes wurde mit Schaltafeln eine Unterkonstruktion gebaut. Die Beplankung erfolgte ebenfalls mit Schaltafeln. Die Rauigkeit des Modells wurde anhand von Naturmessungen kalibriert und korrelierte gut mit den Naturverhältnissen.

Die Buhnen im Modell wurden aus Hartschaum-Platten hergestellt, die mit Klebestreifen oder durch Anschrauben an der Sohle befestigt wurden. Insgesamt wurden zehn Buhnenvarianten im physikalischen Modell untersucht, wobei die folgenden Parameter variiert wurden: Inklinationswinkel α, Buhnenhöhe H, Buhnenlänge L, Buhnenbreite B, Buhnenabstand D (Abb. 3). Weiters wurde der Einfluss des Buhnenquerschnitts (Abb. 3c) und der Neigung des Buhnenrückens untersucht.

Das Messkonzept umfasst ein definiertes Messraster, das von der Anordnung der Buhnen abhängt. Wassertiefen und Wasserspiegelgefälle wurden mit einem Stechpegel und einer Messharfe gemessen. Geschwindigkeiten wurden mittels Flügelrad-Strömungssensor erfasst.

Komplementär dazu wurde ein numerisches, hydrodynamisches 2D-Modell aufgesetzt. Das numerische Modell wurde mit experimentellen Daten kalibriert und validiert. Anschließend wurde das numerische Modell für vertiefte Variantenstudien herangezogen, um die Effekte einzelner Buhnenparameter bestmöglich zu isolieren.

Vergleicht man die Anforderungen an den Wanderkorridor in Tab. 2 mit den Strömungsbedingungen des Wienflusses im Projektgebiet in Tab. 1, so wird klar, dass bei Q₃₃₀ die querschnittsgemittelte Fließgeschwindigkeit U mit 1,0 m/s bereits die erlaubte Maximalgeschwindigkeit darstellt. Die Wassertiefe liegt mit 0,11 m deutlich unter der geforderten Wassertiefe von 0,20 m. Bei MQ ist die Wassertiefe ausreichend, jedoch die Geschwindigkeit mit 1,3 m/s über der erlaubten Geschwindigkeit.

Die Ergebnisse werden anhand der vier definierten Zonen (Tab. 2) als Konturplot dargestellt. Dadurch ist eine visuelle Beurteilung des Vorhandenseins eines durchgängigen Wanderkorridors und von Ruhezonen möglich. Für eine detaillierte Zusammenstellung der Ergebnisse wird auf die Publikation von Lasinger et al. (im Druck) verwiesen.

In den Versuchen zeigte sich, dass eine Wasserspiegelerhöhung leicht durch die Erhöhung der Buhnen erreicht werden konnte. Je größer dabei der Buhnenabstand war, umso höher bzw. umso länger mussten die Buhnen sein. Um den betrieblichen Aspekt der Befahrbarkeit in der Variante von mindestens 20 m Buhnenabstand zu gewährleisten, konnte dies durch Anpassung von Buhnenhöhe H und Buhnenlänge L entsprechend erreicht werden. Abb. 4 zeigt eine orthogonale Buhnenvariante mit einem Buhnenabstand von D = 20 m. Die erforderliche Wassertiefe wurde mit einer Buhnenhöhe von H = 0,5 m und einer Buhnenlänge von L = 5,4 m erzielt. Die Buhnen waren nicht überströmt. In Abb. 4 sind die in Tab. 2 definierten Zonen dargestellt. Durch den starken Aufstau werden überall die erforderlichen Wassertiefen erreicht, d. h. es gibt keine weißen Zonen. Da die Buhnen einen sehr großen Teil der Gerinnebreite einnehmen, verbleibt nur ein kleiner Bereich, in dem die Strömung abfließen kann. In diesem Bereich treten dann zu hohe Geschwindigkeiten (blaue Zone) auf. Es sind ausreichend Ruhezonen vorhanden, der Wanderkorridor nimmt aber nur 33 % der Fläche ein und ist nicht durchgängig. Diese Variante erfüllt daher die gestellten Anforderungen nicht. Das gilt für alle untersuchten nicht überströmten Buhnenvarianten mit mindestens 20 m Abstand.

Der zweite Ansatz, die betriebliche Vorgabe der Befahrbarkeit durch eine maximale Buhnenhöhe H = 0,2 m zu erfüllen, erwies sich als zielführender. Hierzu mussten die Buhnenabstände deutlich reduziert werden. Es stellte sich heraus, dass inklinante Buhnen die Geschwindigkeiten besser über den Querschnitt verteilen als deklinante. Somit waren die Geschwindigkeitsmaxima bei inklinanten Buhnen geringer, weswegen diese Anordnung bevorzugt wurde (Lasinger et al. im Druck). Der Inklinationswinkel, der zwischen 30 und 70 Grad variiert wurde, hatte hingegen bei gleicher projizierter Buhnenlänge einen vernachlässigbaren Einfluss. Aus ökonomischen Gründen sind daher die 70-Grad-Buhnen zu bevorzugen, da diese den geringsten Materialaufwand verursachen (Lasinger et al. im Druck). Es ist zu erwarten, dass der Inklinationswinkel nicht vernachlässigbar ist, wenn die Sohle nicht fest, sondern beweglich ist.

In Abb. 5 ist jene Buhnenvariante in wechselseitiger inklinanter Anordnung illustriert, die nach Abschluss der 1:1-Versuche (sh. nachfolgend) schlussendlich der MA 45 als Ausführungsvorschlag präsentiert wurde. Diese Buhnenvariante hat einen Winkel von 70 Grad, einen Buhnenabstand von D = 6 m, eine Buhnenhöhe von H = 0,2 m und eine Buhnenlänge von L = 4,0 m. Der Buhnenrücken ist auf einer Länge von 1,65 m abgeschrägt und ist am Ende auf Sohlniveau. Der Querschnitt der Buhne ist trapezförmig mit Neigungen von 1:1 bzw. 2:3. Für diese Buhnenvariante bildet sich ein durchgehender Wanderkorridor aus. Es sind auch ausreichend Ruhezonen hinter den Buhnen vorhanden. Diese Buhnenvariante ist sowohl bei Q₃₃₀ als auch bei MQ überströmt. Die Geschwindigkeiten sind bei beiden Abflüssen ≤ 1,0 m/s.

Um den finalen Ausführungsvorschlag zu erhalten und die Funktion nachzuweisen, wurden ethohydraulische 1:1-Versuche im Forschungsgerinne des BOKU-Wasserbaulabors durchgeführt, das gerade fertiggestellt worden war. In dem 5 m breiten Rechteckgerinne aus Stahlbeton wurde auf einer 26 m langen Versuchsplattform analog zum 1:8-Versuch in Phase I das charakteristische Querprofil des Wienflusses aus Schaltafeln hergestellt. Das Gefälle betrug S = 0,0046. Die Buhnenvariante des Ausführungsvorschlags aus Phase I wurde aufgebaut. Fünf Buhnen wurden aus Schaltafeln hergestellt und im Abstand von 6 m wechselseitig eingebaut (Abb. 6).

Analog zum 1:8-Modell wurden die Durchflüsse Q₃₃₀ und MQ untersucht. Der Durchfluss konnte am Beginn des Forschungsgerinnes mit einem Schütz eingestellt werden und wurde kontinuierlich erfasst. Die Geschwindigkeitsmessungen wurden mit der Acoustic Doppler Velocimetry (ADV)-Sonde Nortek Vector durchgeführt. Sie erlaubte das zeitaufgelöste Erfassen von drei Geschwindigkeitskomponenten in einem Messpunkt. Für Q₃₃₀ und MQ wurden sieben Querprofile mit je neun Messlotrechten zwischen der zweiten und der dritten Buhnen gemessen (weiß gestrichener Bereich der Versuchsstrecke in Abb. 6).

Bei den ethohydraulischen Versuchen wurden tierethische Aspekte stets berücksichtigt, ein entsprechendes Tierethik-Statement wurde vom BOKU-Ethikrat begutachtet und bewilligt. Es wurden die drei Leitfischarten (Aitel, Gründling, Bachschmerle) untersucht, die zuvor elektrobefischt und in speziellen Behältern am Beginn des Forschungsgerinnes unter natürlichen Bedingungen gehalten wurden. Bei der Planung orientierte man sich an Vorgaben für ethohydraulische Versuche (Adam und Lehmann 2011). Für die Versuche wurden die Fische in Gruppen von drei bis fünf Fischen eingeteilt. Die Fisch-Gruppe wurde aus dem Hälterungsbecken in ein Startbecken gesetzt, das sich am unteren Ende der Versuchsstrecke befand. Die Fische bekamen hier für 30 min die Möglichkeit, sich an die neue Situation zu gewöhnen, konnten aber auch schon in die Versuchsstrecke schwimmen. Danach begann die eigentliche Versuchszeit. Insgesamt befand sich eine Fisch-Gruppe für 2,5 h in der Versuchsstrecke oder im Startbecken. Danach wurden sie in die Fischhälterung zurückgebracht. Jede Fisch-Gruppe machte maximal einen Versuch pro Tag. Während des Versuchs wurden das Verhalten der Fische und deren Wanderbewegungen dokumentiert. Dazu wurden zwei Kameras im Buhnenfeld der zweiten und dritten Buhne installiert. Das Buhnenfeld wurde weiß gestrichen, um die Sichtbarkeit der Fische in der Strömung zu verbessern. Die Kameras machten jede Sekunde synchron eine Aufnahme. Zusätzlich filmte eine Videokamera das Verhalten der Fische im Startbecken. Während der gesamten Versuchszeit dokumentierten zwei Personen die Fischwanderungen auf einem Tablet. Somit wurden die Fischwanderwege in der gesamten Versuchsstrecke erfasst.

Durch den Einbau der Buhnen wurde die Wassertiefe bei Q₃₃₀ auf 0,23 m angehoben und liegt deutlich im strömenden Abflussregime. Im unverbauten Referenzzustand war die Wassertiefe 0,11 m und lag nahe an der Grenze zum schießenden Abfluss. Es entstand ein ausgeprägter mäandrierender Stromstrich, die geforderte Maximalgeschwindigkeit wurde nicht überschritten. Analog wurde der Wasserspiegel bei MQ um ca. 0,14 m auf 0,34 m angehoben. Der Talweg war leicht mäandrierend, jedoch nicht mehr so stark ausgeprägt wie bei Q₃₃₀. Einzelne Messpunkte überschritten die Geschwindigkeit von 1,0 m/s, jedoch ergab sich ein durchgehender Korridor innerhalb des vorgegebenen Geschwindigkeitsbereichs.

In Abb. 7 ist exemplarisch das Wanderverhalten von zwei adulten Aiteln bei Q₃₃₀ anhand überlagerter Fotoaufnahmen im Sekundentakt ersichtlich. Die beiden Fische wanderten zunächst (vom rechten Bildrand ausgehend) im Buhnenschatten parallel zur Buhne und stiegen dann ufernahe zur nächsten Buhne auf. Dort passierten sie die Buhne im Bereich des sohlebenen Buhnenkopfes und suchten dann wieder eine Zone mit geringeren Geschwindigkeiten auf.

Die Fischpassierbarkeit konnte für einen Großteil der Arten Aitel und Gründling für Q₃₃₀ und MQ nachgewiesen werden. Eine Schmerle durchwanderte die Strecke, die anderen Individuen konnten sich problemlos in den strömungsberuhigten Zonen aufhalten, nächtliche Versuche konnten für die nachtaktive Schmerle nicht durchgeführt werden. Abhängig von Art und Alter werden unterschiedliche Fischpfade und damit Strömungsmuster bei der Wanderung bevorzugt.

Damit konnte die Funktion der optimierten Buhnen mit Fischen nachgewiesen und eine Umsetzung in der vorgeschlagenen Form empfohlen werden.

Die wechselseitig angeordneten inklinanten Buhnen des Ausführungsvorschlags gehören zur Kategorie der Lenkbuhnen, da sie bereits bei niedrigen Abflüssen überströmt sind (Sindelar und Mende 2009; Werdenberg et al. 2014; Sindelar et al. 2022). Um eine verbesserte Wirkung zu erzielen, nehmen die Lenkbuhnen in der Regel rund zwei Drittel der Sohlbreite ein. Der bis zur Sohle abfallende Buhnenrücken sorgt trotz der großen Buhnenlänge für einen ausreichenden Fließquerschnitt. Der Ausführungsvorschlag folgt in seinem Design den Faustformeln für die Gestaltung von Lenkbuhnen.

In einer kombinierten Herangehensweise aus skalierten Modellversuchen und 1:1-ethohydraulischen Versuchen wurde eine innovative Buhnenvariante für den Wienfluss entwickelt, die die Fischpassierbarkeit im Projektgebiet zwischen Kennedybrücke (km 7,9) und dem Beginn der Einwölbungsstrecke beim Stadtpark (km 3,9) wiederherstellen kann. Das Projektgebiet ist als Wanderstrecke konzipiert, die – auch wenn sie selbst keine Habitate schafft – andere renaturierte Abschnitte vernetzen kann.

Im skalierten 1:8-Modell und in begleitenden hydrodynamischen 2D-Simulationen wurden systematisch die Buhnenparameter Höhe, Länge, Breite, Abstand, Winkel und Querschnittsform variiert. Als Ergebnis dieser Versuche wurde eine optimale Buhnenvariante vorgeschlagen, die die ökohydraulischen Anforderungen hinsichtlich Geschwindigkeit und Wassertiefe ebenso berücksichtigte wie betriebliche Vorgaben. Die wechselseitig inklinant angeordneten Buhnen mit einem Winkel von 70 Grad sind 0,2 m hoch, 4,0 m lang und haben einen Abstand von 6,0 m. Sie sind bereits bei Q₃₃₀ überströmt und erzeugen für Q₃₃₀ und MQ einen mäandrierenden Stromstrich, der den Talweg verlängert und die Geschwindigkeiten reduziert.

Für die anschließenden ethohydraulischen Versuche wurde der Wienfluss inklusive der Buhnenvariante im Naturmaßstab im Forschungsgerinne des BOKU-Wasserbaulabors aufgebaut. Bei den Versuchen mit Lebendfischen konnte ein Großteil der Leitfischarten Aitel und Gründling bei Q₃₃₀ und MQ die Buhnenstrecke passieren. Die nacht- und dämmerungsaktiven Schmerlen konnten in der Nacht nicht beobachtet werden, hielten sich aber problemlos in der Buhnenstrecke auf, ohne abzudriften. Abhängig von Art und Alter wurden unterschiedliche Fischpfade und damit Strömungsmuster bei der Wanderung bevorzugt.

Die Kombination aus skalierten und 1:1-Versuchen vereint die Vorteile skalierter Modelle, die in viel kürzerer Zeit und mit deutlich geringeren Kosten durchgeführt werden können, mit den Vorteilen der 1:1-Versuche. Eine Skalierung der Fische ist nicht möglich, außerdem ist eine ausreichende Wasserqualität wichtig, die im Wasserbaulabor mit Donauwasser gewährleistet ist. Die 1:1-Untersuchungen sind unter anderem wichtig, um in den Versuchen die gleichen Reynolds-Zahlen wie in der Natur zu erzielen. Damit deckt man das volle Spektrum an groß- und kleinskaligen Wirbeln in der turbulenten Strömung ab, das ganz wesentlich auch das Fischverhalten beeinflusst. Eine Grundvoraussetzung für naturähnliche 1:1-Versuche ist ein großer verfügbarer Durchfluss, der mit bis zu 10 m³/s beim neuen BOKU-Wasserbaulabor gegeben ist.