Morphologische und ökohydraulische Entwicklung von Renaturierungsmaßnahmen im Grenzabschnitt der Thaya

Zur Ermittlung der morphologischen Veränderungen und der aktuellen Morphodynamik wurde die Gewässergeometrie in diesem Abschnitt der Thaya wiederholt mittels Querprofilvermessungen erhoben. Die Vermessungen wurden jeweils einmal vor der baulichen Umsetzung der Maßnahme und dreimal danach durchgeführt (Abb. 7). Aus diesen Daten wurden Geländemodelle erstellt und die Änderungen des Geländes zwischen den Vermessungszeitpunkten ermittelt.

Die Differenzenkarten des Mäanders D9 sind in Abb. 8 dargestellt. Die Entwicklung des Mäanders zwischen der Aufnahme 2018 und 2020 ist nicht nur von natürlichen Veränderungen geprägt, sondern zeigt auch Veränderungen, die aufgrund der Baumaßnahmen stattgefunden haben. Da der Mäander D9 vor Umsetzung der Baumaßnahme nicht angeschlossen war, mussten der Ein- und Auslaufbereich neu geschaffen werden. Der Zeitraum zwischen der Vermessung in den Jahren 2020 und 2021 war von einer Phase mit hohen Abflüssen gekennzeichnet, in der auch ein Ereignis größer als ein zwei-jährliches Hochwasser (HQ₂ = 200 m³/s) auftrat. In diesem Zeitraum wurden im Mäander nur in einzelnen Bereichen Erosionen festgesellt; im Großteil des Mäanders wurde eine Anlandung von Sediment beobachtet (Gesamtänderung: 4970 m³). Im darauffolgenden Zeitabschnitt wurden diese Ablagerungen wieder ausgetragen (Gesamtänderung: −3870 m³) und die Sohle liegt im Jahr 2022 auf einem ähnlichen Niveau wie bei der Vermessung 2020 (mittlere Höhenänderung rund 3 cm; Gesamtänderung: 1100 m³). Davon ausgenommen sind der Einlauf und Auslauf des Mäanders, die im Vergleich der Jahre 2020 und 2022 eine Anlandung zeigen. Im Einlaufbereich fand im Untersuchungszeitraum entlang des rechten Ufers Erosion statt.

Im Mäander D18, der auch vor dem Umbau unterseitig angebunden war, hatte sich vor allem im unteren Bereich des Mäanderbogens viel Feinmaterial abgelagert. Dieses Material wurde nach Wiederanbindung teilweise bereits bis zur ersten (2019), aber vor allem bis zur zweiten Vermessung (2020) nach dem Umbau wieder ausgetragen. Im Zeitraum zwischen zweiter und dritter Vermessung trat im Einlaufbereich des Mäanders rechtsseitig Erosion auf.

Durch die Wiederanbindung der Mäander nimmt die Tiefenvariabilität in diesen Abschnitten zu. So kommt es etwa durch die Wiederanbindung des Mäanders D18 bei MJNQT (11,4 m³/s) zu einer Zunahme der maximalen Wassertiefe von 1,3 auf 1,8 m und des Interquartil-Abstands der Wassertiefen von 0,48 m auf 0,65 m im Vergleich zum Zustand vor dem Umbau. Diese Zunahme der Tiefenvariabilität bei der Wiederherstellung von Mäandern wird auch in der Literatur beschrieben (Klein et al. 2007; Pedersen et al. 2007; Sear et al. 1998).

Um die ökologische Wirksamkeit der Mäanderanbindung objektiv und quantitativ zu überprüfen, wurde ein ökohydraulischer Evaluierungsprozess mithilfe von meso- und mikroskaligen Habitatmodellen durchgeführt (Habersack et al. 2022c). Für die Habitatmodellierung wurde die spezielle Habitatmodellierungssoftware HEM (Habitat Evaluation Model) angewendet, die am Institut für Wasserbau, Hydraulik und Fließgewässerforschung (IWA/BOKU) entwickelte wurde (Hauer et al. 2009, 2011; Tritthart et al. 2008). In einem Sub-Modul (Mesohabitat-Evaluation-Model MEM) können sechs verschiedene Mesohabitattypen über eine funktionale Verknüpfung von tiefengemittelter Fließgeschwindigkeit (m/s), Wassertiefe (m) und Sohlschubspannung (N/m²) aus der 2D-tiefengemittelten, hydrodynamischen Modellierung ausgewiesen werden, wobei in dieser Untersuchung ein besonderes Augenmerk auf die räumliche und zeitliche Verfügbarkeit der hydromorphologischen Einheit Kolk (bzw. Pool) als Refugiallebensraum gelegt wurde. Kolke bzw. Kolktiefen wurden in mehreren Studien als maßgebliches Kriterium für Refugialhabitate von Fischen im Falle von langanhaltender Trockenheit ausgewiesen (Capone und Kushlan 1991; Labbe und Fausch 2000; Magoulick und Kobza 2003). In Tieflandflüssen wie der Thaya (Metapotamal) wären diese vor allem im Bereich der Prallufer von Mäanderschleifen vorzufinden. Bei morphologisch degradierten, begradigten Fließgewässern hingegen ist der Wegfall geeigneter Habitate durch ein mehr oder weniger gleichförmiges Strömungsbild mit niedrigen Wassertiefen im Falle von langanhaltenden Niederwasserphasen zu erwarten. Die Verfügbarkeit von Kolken an der Thaya am Mäander D18 wurde vor und nach Wiederanbindung untersucht. Die durchgeführten Analysen zeigen einen deutlichen Anstieg der modellierten Fläche für die hydromorphologische Einheit Kolk über ein breites Abflussspektrum, aber vor allem auch bei niedrigen Abflüssen (< 25 m³/s). Im Gegensatz dazu ist das Mesohabitat Kolk vor der Wiederanbindung kaum vorhanden (Abb. 9). Durch die Wiederanbindung des Mäanders wurde die morphologische Heterogenität und damit einhergehend das Vorhandensein von Refugialhabitaten an der Thaya deutlich verbessert. Somit wird die Resilienz der aquatischen Organismen gegenüber langanhaltenden Niederwasserwasserphasen, wie sie im nordwestlichen Teil des Donaueinzugsgebiets durchaus prognostiziert werden (ICPDR 2018), gestärkt.

Über ein weiteres Submodul im HEM-Modell wurde neben der Mesohabitatbewertung auch die Analyse von Mikrohabitaten durchgeführt. Für die Mikrohabitatmodellierung wird der PHABSIM Ansatz (Bovee 1986) angewendet, der die Nutzungskurven bestimmter Zeigerarten mit den Ergebnissen aus der hydrodynamischen Modellierung kombiniert. Nutzungskurven beschreiben die Habitateignung (bzw. „Habitat Suitability“) von Zeigerarten (z. B. Makrozoobenthos, Fische) in Abhängigkeit von physischen Parametern wie z. B. der Wassertiefe oder der Fließgeschwindigkeit (Bovee 1982; Heggenes 1988). Im vorliegenden Fall wurden die Nutzungskurven für die adulte und juvenile Barbe (Barbus barbus) aus den Arbeiten von Schöberl et al. (2014a, b) für die ökologische Bewertung der Mäanderanbindung anhand von Fischen herangezogen. Zusätzlich wurden die Nutzungskurven für ausgewählte Taxa des Makrozoobenthos (Orthotrichia sp., Oecetis sp., Potamanthus luteus., Aphelocheirus aestivalis) anhand von an der Thaya erhobenen Multi-Habitat-Sampling (MHS)-Daten und den an Ort und Stelle gemessenen hydraulischen Parametern abgeleitet. Die MZB-Beprobung wurde im Auftrag des Umweltbundesamts vom Institut für Hydrobiologie und Gewässermanagement (IHG/BOKU) im Jahr 2019 durchgeführt. Suitability Indices für einzelne Parameter wie z. B. Wassertiefe (SI_d) oder Fließgeschwindigkeit (SI_v) werden durch Multiplikation zu einer „Gesamt-Suitability“ (SI_total) kombiniert (Gl. 1).

Mithilfe der Gl. 2 konnten mit der Software HEM die Weighted Usable Areas an den verschiedenen Untersuchungsstrecken für alle modellierten Durchflüsse ermittelt werden. Dabei wird für jede Zelle im Rechennetz die Fläche (A_i) mit deren Nutzungsindex (SI_total) gewichtet. Bildet man die Summe aller Einzelergebnisse des gesamten Rechennetzes, so erhält man die Weighted Usable Area (WUA) als Maß für die Habitatverfügbarkeit für die untersuchte Flussgeometrie in Abhängigkeit vom modellierten Durchfluss.

In Abb. 10 ist die modellierte Habitateignung für die adulte Barbe (Barbus barbus) bei einem Durchfluss von 25 m³/s vor und nach der Mäanderanbindung dargestellt. Es zeigt sich, dass infolge der Wiederanbindung des Mäanders die WUA von ursprünglich 3430 m² auf das 6,5-Fache (22.295 m²) zunimmt.

Wiederholt man diesen Vorgang für unterschiedliche Durchflüsse, erhält man als Ergebnis eine für die jeweilige Gewässermorphologie und Zeigerart spezifische Habitat-Durchfluss-Beziehung (Abb. 11).

Es ist somit möglich, beide untersuchten Gewässermorphologien hinsichtlich ihrer zeitlichen Variation der Habitatverfügbarkeit durch die Verschneidung von gemessenen Abflusszeitreihen gegenüberzustellen. Dies gibt darüber Aufschluss, wie sich die veränderte Gewässermorphologie hinsichtlich der modellierten Habitatverfügbarkeit in der Vergangenheit verhalten hätte (Ex-post-Analyse). Für die Ex-post-Analyse wurde eine Durchflusszeitreihe von 20 Jahren (Anfang 1998 bis Ende 2018) gemessen am Pegel Bernhardsthal herangezogen und mit den jeweiligen Habitat-Durchfluss-Beziehungen verschnitten.

Um eine objektive Interpretation bzw. Vergleichbarkeit der modellierten Habitat-Zeitreihen durchzuführen, wurde die Auswertemethodik nach Capra et al. (1995) angewendet (Abb. 12). Diese Methode geht davon aus, dass die Populationsdynamik von aquatischen Organismen maßgeblich von jenen Zeiten gesteuert wird, in denen die Habitatverfügbarkeit begrenzt ist (Gesetz des Minimums). Bei der Auswertemethodik nach Capra et al. (1995) wird daher ein Grenzwert für die WUA eingeführt und alle aufeinander folgenden Zeitschritte innerhalb der untersuchten Zeitreihe, in denen der Grenzwert unterschritten wird, werden aufsummiert. In der vorliegenden Arbeit wurde als Grenzwert 50 % der maximalen WUA in der Habitat-Durchfluss-Beziehung des morphologischen Pre-Monitoring-Zustands definiert, d. h., dass Änderungen in den CUT-Dauerlinien aufgrund der Mäanderanbindung immer relativ zur Ausgangssituation vor der Mäanderanbindung zu betrachten sind. Anschließend werden alle Unterschreitungsereignisse nach ihrer Dauer absteigend sortiert und zusätzlich der relative Anteil der kumulativen kontinuierlichen Dauer in Prozent der Gesamtdauer eines jeden Unterschreitungsereignisses berechnet. Als Ergebnis erhält man eine sogenannte Continuous Under Threshold (CUT) Habitat-Dauerlinie (Abb. 12b).

Dieses Verfahren gibt somit einen Überblick über Dauer und Auftrittswahrscheinlichkeiten von begrenzter Habitatverfügbarkeit im aquatischen Lebensraum. Eine morphologische Maßnahme kann dann als erfolgreich betrachtet werden, wenn sowohl die kontinuierliche Dauer der Grenzwertunterschreitungen als auch die relative Gesamtdauer aller Unterschreitungen im Vergleich zum Vorzustand deutlich abnehmen. Dies zeigt sich deutlich in den in Abb. 13 dargestellten CUT-Dauerlinien für die adulte Barbe. Zieht man für die Auswertung die Gewässermorphologie vor der Wiederanbindung heran, wird der 50-%-Grenzwert für die adulte Barbe an 2274 aufeinanderfolgenden Tagen unterschritten. Dies entspricht einer kumulativen kontinuierlichen Dauer von 31,13 % der untersuchten Gesamtzeit (20 Jahre). Selbst die niedrigste, modellierte kontinuierliche Unterschreitung fällt mit 369 Tagen und einer kumulativen kontinuierlichen Dauer von 99,78 % sehr hoch aus. Ein völlig anderes Bild zeigt diese Form der Auswertung unter Verwendung der Flussmorphologie nach der Anbindung des Mäanders D18. Da es in diesem Fall zu keinerlei Unterschreitungen des WUA-Grenzwerts kommt, verschwindet die CUT-Dauerlinie im Koordinaten-Ursprung. Auch für die untersuchte juvenile Barbe kommt es in der Auswertung nach Capra et al. (1995) zu einer deutlichen Verbesserung der Habitatverfügbarkeit (siehe Abb. 13).

In Abb. 14 sind die modellierten CUT-Dauerlinien von ausgewählten Taxa des Makrozoobenthos vor und nach der Mäanderanbindung von D18 dargestellt. Es zeigt sich, dass infolge der Mäanderanbindung mit Ausnahme von Aphelocheirus aestivalis die modellierten Unterschreitungen des Grenzwerts für die untersuchten Taxa deutlich abnehmen. Im Falle von Oecetis sp., einer Köcherfliegenlarve der Familie Leptoceridae, sinkt die höchste errechnete, aufeinanderfolgende Unterschreitung von 303 Tagen (= 4,15 % der Gesamtzeit) auf 140 Tage (= 1,92 % der Gesamtzeit), wobei die kürzesten Unterschreitungen mit nur einem Tag anstatt an 56,26 % der Gesamtzeit nur mehr an 34,98 % der untersuchten Gesamtzeit auftreten. Für Potamanthus luteus, eine filtrierende Eintagsfliegenlarve, verkürzt sich die maximale Dauer der aufeinanderfolgenden Unterschreitung von 203 Tagen (= 2,78 % der Gesamtzeit) auf 84 Tage (= 1,15 % der Gesamtzeit). Betrachtet man die minimale kontinuierliche Dauer von 1 Tag, so verkürzt sich die kumulierte Zeit, in der diese Unterschreitung auftritt von 43,39 % auf 24,71 % des gesamten Untersuchungszeitraums (= 20 Jahre). Ebenfalls deutlich positiv wirkt sich die Mäanderanbindung auf die Köcherfliegenlarve Orthotrichia sp. (Hydroptilidae) aus. Anhand der modellierten CUT-Dauerlinien wird ersichtlich, dass der gewählte Grenzwert an WUA anstatt an vormals aufeinanderfolgenden 156 Tagen nur mehr an aufeinanderfolgenden 48 Tagen unterschritten wird. Die modellierte minimale Unterschreitung von nur einem Tag tritt hingegen nur mehr an 13,12 % im Vergleich zu vormals 58,89 % der Gesamtzeit auf.

Die ökohydraulische Evaluierung der Wiederanbindung des Mäanders an der Thaya fällt sowohl aus Sicht der Meso- als auch aus Sicht der Mikrohabitatmodellierung für die untersuchten aquatischen Organismen eindeutig positiv aus.

Durch die Maßnahmen werden auch weitere positive Effekte erzielt, etwa für die Fischerei und den Paddelsport. Durch die Umsetzung der Maßnahmen wurde die Landschaft in dem Abschnitt der Thaya ästhetisch aufgewertet und durch eine größere Variabilität der Habitate und Fließgeschwindigkeiten abwechslungsreicher und somit attraktiver zu befahren. Entlang der Mäanderbögen liegen Daubelhütten, an denen durch die verbesserte Anbindung nunmehr Durchfluss vorbeiströmt und somit die Habitatverfügbarkeit für Fische erhöht wird. Um Ufererosion im Bereich der Hütten, aber auch in Bereichen anderer schützenswerter Infrastruktur wie Straßen und Schutzdämme zu unterbinden, wurden die Ufer teilweise gesichert. Hier kamen großteils ebenfalls naturnahe Maßnahmen wie Krainerwände aus Holz und Totholzstrukturen zum Einsatz.

Weitere positive Effekte durch die Anbindung von Mäandern sind aus der Literatur bekannt. So werden gemäß Bukaveckas (2007) auch positive Auswirkungen auf den biochemischen Kreislauf und die Lebensgemeinschaften erwartet, da die Verweildauer der Nährstoffe verlängert wird. Die Wiederherstellung von Mäandern kann sich auch positiv auf die Versorgung mit Totholz auswirken (Sear et al. 1998). Diese Auswirkungen wurden im Rahmen dieses Projekts allerdings nicht untersucht.