Sedimentänderung wurde ein signifikantes Wasserbewirtschaftungsthema im Donaueinzugsgebiet – basierend auf dem EU-Projekt DanubeSediment
verfasst von:
Univ.-Prof. DI Dr. Dr. h.c. H. Habersack, DI P. Gmeiner, DI M. Krapesch, Dr. S. Baranya, Ing. K. Holubova, Ph.D., Mgr. K. Mravcova, Dr. F. Vartolomei, Dr. E. Hödl, Dr. I. Liska, DI H. Mühlmann, DI M. Haimann
In vielen Flusseinzugsgebieten ist eine zunehmende Diskrepanz zwischen Überschuss und Defizit an Sedimenten zu beobachten. Dies führt zu einem Anstieg des Hochwasserrisikos, einer Einschränkung der Schifffahrtsmöglichkeiten und der Stromerzeugung aus Wasserkraft und wirkt sich negativ auf die Ökologie aus. Eine Hauptaufgabe des Wasserbaus ist daher die Verbesserung des Sedimentmanagements und der Flussmorphologie. Um bestehende Wissenslücken zu schließen, wurden entlang der gesamten Donau quantitative Sedimentdaten erhoben und analysiert. Es wurde eine Sedimentbilanz erstellt, die die Probleme aufzeigt, die sich aus der Sedimentdiskontinuität ergeben. Das Einzugsgebiet der Donau stellt insbesondere aufgrund der Unausgewogenheit des Sedimentregimes ein stark gestörtes System dar. Der Eintrag von Schwebstoffen in das Schwarze Meer wurde beispielsweise von rund 40 bis 60 Mio. Tonnen pro Jahr auf etwa 15 bis 20 Mio. Tonnen pro Jahr verringert, was zu einer verstärkten Küstenerosion führte. Darüber hinaus wurden in den letzten 200 Jahren lange Abschnitte der Donau eingeengt, reguliert und von den Überflutungsflächen abgetrennt sowie morphologisch degradiert. Dies hat zu erhöhten Sohlschubspannungen und in der Folge zu einer erhöhten Sedimenttransportkapazität geführt. Als Folge der longitudinalen und lateralen Unterbrechungen des Sedimentkontinuums und der zusätzlichen Auswirkungen der Regulierung sind die verbleibenden frei-fließenden Abschnitte der Sohlerosion ausgesetzt. Dies führt im Allgemeinen zu einem Verlust von Strukturen im Fluss, mit einem Verschwinden von Kiesbänken an der oberen Donau und Veränderungen von Sandbänken an der unteren Donau. In den Stauräumen herrscht das Gegenteil, nämlich Sedimentation, die teilweise auch Hochwasserschutzprobleme mit sich bringt. Da die Donau ein in Summe gestörtes Sedimentregime aufweist wurde im dritten Donau-Flussgebietsbewirtschaftungsplan die Änderung der Sedimentverhältnisse als signifikantes Wasserbewirtschaftungsthema verankert. Mögliche Antworten auf diese Probleme werden durch einen Maßnahmenkatalog gegeben.
Hinweise
Hinweis des Verlags
Der Verlag bleibt in Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutsadressen neutral.
1 Einleitung
Als Lebensader für Mensch und Natur muss die Donau eine Vielzahl von Bedürfnissen erfüllen: Sie liefert Trinkwasser, ist ein transeuropäischer Schifffahrtskorridor, dient dem Tourismus und der Naherholung, liefert Energie und Ökosystemdienstleistungen und stellt einen wichtigen Naturraum dar. Um diese wichtige Lebensader besser nutzen zu können, wurden die Donau und ihre Nebenflüsse im Laufe der Jahre schrittweise verändert, um den Hochwasserschutz sowie die Schifffahrt zu verbessern und in jüngerer Zeit auch, um die Wasserkraft zu nutzen (Habersack et al. 2016). Punktuelle und diffuse Verschmutzung und zunehmende landwirtschaftliche Nutzung haben ebenfalls Auswirkungen auf das Flusssystem. An mehreren Flussabschnitten fanden in der Vergangenheit außerdem umfangreiche Baggerarbeiten zur Gewinnung von Baumaterial statt. Nach Angaben der Internationalen Kommission zum Schutz der Donau (IKSD 2009) sind im Vergleich zum 19. Jahrhundert weniger als 19 % der ehemaligen Überflutungsflächen entlang der Donau erhalten. Die reiche und einzigartige biologische Vielfalt und die Flusslebensräume entlang der Donau sind in Gefahr.
In vielen Flusseinzugsgebieten ist bereits eine zunehmende Diskrepanz zwischen Überschuss und Defizit an Sedimenten aufgrund der anthropogenen Eingriffe zu beobachten. An der Donau wurde über 30 Jahre eine Diskussion über die Bedeutung von Sedimenten als wichtiges wasserwirtschaftliches Thema geführt. Um diese Frage zu klären, wurde das EU-Projekt „DanubeSediment“ gestartet.
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2 Projekt „DanubeSediment“
Das Sedimentregime der Donau und ihrer wichtigsten Zubringer wurde im Rahmen des EU-finanzierten Projekts DanubeSediment untersucht (kofinanziert durch die EU-Fonds EFRE und IPA im Rahmen des Danube Transnational Programme). Dabei arbeiteten 14 Partner aus neun Ländern zusammen, um die erste Sedimentbilanz für die gesamte Donau zu erstellen. Durch das Projekt konnte das Prozessverständnis verbessert werden und es half dabei, Wissenslücken zu schließen. Nur mithilfe dieser donauweiten Sedimentanalyse können Maßnahmen vorgeschlagen und Empfehlungen zur Verbesserung des Sedimentmanagements ausgesprochen werden.
3 Aktuelle Situation bezogen auf Sedimente an der Donau
Um die bestehende Situation in Bezug auf den Sedimenttransport zu analysieren, wurden Monitoringdaten entlang der gesamten Donau erhoben und ausgewertet. Darüber hinaus wurden die historische und die aktuelle Flussmorphologie verglichen, Korngrößen untersucht und Maßnahmen zum Sedimentmanagement zusammengetragen.
Als Haupteinflussfaktoren auf den Sedimenthaushalt der Donau und der wichtigsten ausgewählten Zubringer wurden im Rahmen des Projekts DanubeSediment die Wasserkraft, die Schifffahrt und der Hochwasserschutz (zusätzlich noch Sedimentbaggerungen) identifiziert. Während die Wasserkraft die jüngste Veränderung des Systems darstellt, wurde die Flussregulierung für die Schifffahrt und den Hochwasserschutz vor allem in der Oberen und Mittleren Donau bereits seit dem 19. Jahrhundert umgesetzt. Dabei wurden vor allem die Flussbreite und die Länge der Donau erheblich verändert.
In der Oberen und Mittleren Donau wurden größere Abschnitte von einer ursprünglich komplexen Flussmorphologie mit mäandrierenden und gewundenen Flusstypen sowie verzweigten Abschnitten hin zu einem einheitlich gewundenen Flusstyp verändert (Abb. 1). Vor allem in diesen beiden Abschnitten wurden die Breite der Donau und ihrer Überflutungsflächen sowie die Flusslänge deutlich verringert. Die Gesamtlänge der Donau wurde um 134 Flusskilometer verkürzt, davon 98 Flusskilometer (11 %) an der Oberen Donau und 31 Flusskilometer (4 %) an der Mittleren Donau, was in freien Fließstrecken zur Gefällserhöhung führte. An der Oberen Donau wurde die Gesamtbreite im Durchschnitt um 39 % (die aktive Breite um 22 %) und an der Mittleren Donau um 12 % (die aktive Breite um 1 %) verringert (Habersack et al. 2019a, b; Abb. 2). Der Bau von künstlichen Strukturen, wie Leitwerke und Buhnen, verringerte die Breite bei niedrigem Wasserstand zusätzlich. Als Folge dieser Veränderungen kam es zu verschiedenen Formen der Degradation des Flussbetts, und die natürlich entstandenen Sedimentstrukturen, wie Inseln und Kiesbänke, Seitenarme und Altarme wurden in den verbleibenden frei-fließenden Abschnitten erheblich reduziert. Die Ergebnisse des Projekts zeigen, dass die seitlichen Einschränkungen durch Begradigungen im Fall der Unteren Donau weniger stark ausgeprägt sind. So verringerte sich die Länge nur um etwa 1 %, und die mittlere Gesamtbreite veränderte sich um 4 %, wobei die Breite des aktiven Flusses um 1 % zunahm (Habersack et al. 2019a, b).
Abb. 1
Oben links: Donau in Deutschland flussaufwärts von Donauwörth. Oben rechts: Grenzabschnitt zwischen Serbien und Kroatien bei Bezdan. Unten: Grenzabschnitt zwischen Rumänien und Bulgarien flussabwärts von Oltenita (Habersack et al. 2019a)
Abb. 2
Breite der Donau: Vergangenheit und Gegenwart (modifiziert nach Habersack et al. 2019a)
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Darüber hinaus fehlen der Donau durch flussbauliche Maßnahmen wie Ufersicherungen die seitlichen Erosionsprozesse, was zu einer entsprechend reduzierten Morphodynamik in den nicht gestauten Abschnitten führt. Dies hat zur Folge, dass in den verbleibenden frei-fließenden Abschnitten verschiedene Größenordnungen der Sohleintiefung und ein Mangel an Uferstrukturen zu verzeichnen sind. Die eingeschränkte Seitenerosion und die fehlende Morphodynamik begrenzen auch den Sedimenteintrag von den Ufern, wodurch der laterale Austausch von Sedimenten (Ablagerung und Erosion) verringert wird. Diese kombinierten Faktoren führen zu einer Erosion des Flussbetts von bis zu mehreren Zentimetern pro Jahr in den frei-fließenden Abschnitten (Abb. 3). Dadurch können vom Menschen geschaffene Strukturen wie Ufersicherungen unterspült und ihre Stabilität gefährdet werden. Weitere Folgen der Sohleintiefung sind ein Absenken des Grundwasserspiegels, die Abtrennung von Seitenarmen, der Verlust von Fließgewässerstrukturen und eine Verschlechterung der Lebensraumqualität, wodurch der ökologische Zustand des Flusses und wertvoller Auen beeinträchtigt wird.
Abb. 3
Beispiel der Sohlenerosion in einem frei-fließenden Abschnitt der österreichischen Donau (Habersack et al. 2019b; Datenquelle: viadonau)
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Kraftwerksanlagen zur Wasserkraftnutzung unterbrechen oder reduzieren das Sedimentkontinuum der Donau und ihrer Nebenflüsse in Längsrichtung. Dies führt zusammen mit anderen identifizierten Belastungen (einige betreffen die laterale Konnektivität, z. B. Dämme, Flussregulierung) zu einer signifikanten Veränderung des Sedimenthaushalts. Auf der Grundlage der von den Projektpartnern bereitgestellten Monitoringdaten wurde eine Grafik erstellt, die die Entwicklung der Schwebstofffracht entlang der Donau aufzeigt (Abb. 4). Die Ergebnisse zeigen deutlich die Auswirkungen der Eingriffe von der Oberen Donau bis zum Donaudelta.
Abb. 4
Schwebstoffe entlang der Donau: Vergangenheit und Gegenwart (modifiziert nach Habersack et al. 2019a, b)
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Die Sedimente werden in erster Linie in den Stauräumen der Wasserkraftwerke zurückgehalten, wo es aufgrund der verringerten Fließgeschwindigkeiten, Sohlschubspannungen und Transportkapazitäten zu Sedimentation kommt. Die Unterbrechung der Flusskontinuität verhindert auch den Geschiebedurchtransport, was flussab zu einem Mangel an flussbildenden Sedimenten führt. Feinsedimente können bei großen Hochwasserereignissen, z. B. in den Stauräumen der Oberen Donau, remobilisiert werden (Abb. 5), was bei Ausuferung zu einer Erhöhung der Verlandung in den Vorländern und damit zu einer Zunahme der Schäden in den überfluteten Gebieten führen kann.
Abb. 5
Sedimentation und Remobilisierung von Sedimenten bei extremen Hochwasserereignissen am KW Aschach (AT) (Datenquelle: VERBUND)
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3.1 Erste Sedimentbilanz an der Donau
Der erste Schritt zur Erstellung der Sedimentbilanz der Donau bestand darin, eine große Menge an Daten zum Sedimenttransport zu sammeln und zu analysieren. An den meisten Sedimentmessstationen (mehr als 60) werden Daten zu Schwebstoffen erhoben, während an nur acht Stationen Geschiebedaten zur Verfügung standen. Schwebstoffe stellen zwar den größeren Teil der transportierten Sedimente, aber das Geschiebe hat einen großen Einfluss auf die Flussmorphologie, weshalb dessen Erhebung für die Sedimentbilanz ebenfalls von großer Bedeutung wäre. Vorhandene Messdaten zeigten, dass das Kontinuum beim Geschiebe noch stärker unterbrochen ist.
Nach Harmonisierung der verschiedenen Datensätze konnte eine Schwebstoffbilanz der Donau für zwei verschiedene Zeiträume erstellt werden, wobei auch die wichtigsten Zubringer an ihren flussabwärts gelegenen Messstationen berücksichtigt wurden (Abb. 6). Seit dem Bau der großen Wasserkraftwerke an der Donau und ihren Zubringern ist die jährliche Schwebstofffracht, die das Donaudelta und das Schwarze Meer erreicht, um bis zu 60 % zurückgegangen. In der Vergangenheit erreichten jährlich etwa 40 bis 60 Mio. Tonnen das Donaudelta und das Schwarze Meer, während heute nur noch etwa 15 bis 20 Mio. Tonnen Schwebstoffe ankommen (Habersack et al. 2019a, b).
Abb. 6
Schwebstoffbilanz entlang der Donau und ihrer wichtigsten Zubringer vor (links) und nach (rechts) dem Bau von Kraftwerken an der Donau (gestrichelte Linien: Zubringer, für die keine Daten verfügbar sind oder die für die Schwebstoffbilanz nicht relevant sind). Die horizontale Skala (Mt) gilt sowohl für die Donau als auch für ihre Zubringer (Habersack et al. 2019a, b)
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Um die erste Sedimentbilanz der Donau zu erstellen, wurden weitere Daten wie Bagger- und Zugabemengen von Sedimenten sowie die Zusammensetzung und die Korngrößen der transportierten Sedimente und des Bettmaterials erhoben. Darüber hinaus wurden anhand von Längs- und Querprofilen die Veränderungen der Sohlhöhen für verschiedene Zeiträume untersucht.
Im Donaudelta führt der Mangel an Sedimenten in Verbindung mit dem Abschneiden von Mäandern, der Regulierung und dem Ausbaggern auch zu Erosion in den Hauptarmen der Donau (Schwarz et al. 2008). Dies wirkt sich auf die Küstenmorphologie aus und führt zu einer erhöhten Küstenerosion von bis zu 20 bis 25 m pro Jahr (Stanica & Panin 2009) (Abb. 7).
Abb. 7
Küstenerosion am Schwarzen Meer (Stanica & Panin 2009)
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Insgesamt bestätigte sich die Annahme, dass Sedimente in gestauten Bereichen abgelagert werden, während Erosion vor allem in den frei-fließenden Abschnitten stattfindet. Eine Übersicht über Bereiche mit Erosion und Anlandung für die gesamte Donau ist in Abb. 8 dargestellt. Rund 733 Flusskilometer der Donau sind durch Erosion gekennzeichnet. In der Unteren Donau ist die Datenlage über weite Strecken unzureichend, aber punktuelle Daten an Pegelstationen deuten auf einen Erosionstrend für etwa 670 Flusskilometer flussabwärts des Eisernen Tores II hin. Insgesamt sind etwa 56 % der gesamten Donau einer Erosionstendenz unterworfen. Demgegenüber überwiegt Sedimentation auf etwa 857 Flusskilometern, insbesondere flussaufwärts der Kraftwerke Aschach, Gabčíkovo und Eisernes Tor I. Auf 241 Flusskilometern oder 10 % der Donau ist ein mehr oder weniger dynamisches Gleichgewicht zu beobachten oder es treten keine signifikanten Veränderungen auf (Habersack et al. 2019a, b).
Abb. 8
Abschnitte an der Oberen, Mittleren und Unteren Donau mit Sedimentation und Erosion (Habersack et al. 2019a, b)
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4 Signifikantes Wasserbewirtschaftungsthema
Belastungen der Gewässer, die die Erreichung der Umweltziele der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) am stärksten gefährden, werden als signifikante Wasserbewirtschaftungsthemen (Significant Water Management Issues – SWMIs) bezeichnet. Im Donaueinzugsgebiet wurden bereits vier signifikante Wasserbewirtschaftungsthemen (SWMIs) für Oberflächengewässer identifiziert (IKSD 2015): organische Verschmutzung, Belastung durch Nährstoffe, Verschmutzung durch gefährliche Stoffe und hydromorphologische Veränderungen.
Im ersten und zweiten Bewirtschaftungsplan für das Donaueinzugsgebiet wurden Sedimente als „sonstiges Problem“ und nicht als bedeutendes wasserwirtschaftliches Problem behandelt. Die Projektergebnisse zeigen, dass der Sedimenthaushalt der Donau aus dem Gleichgewicht geraten ist. Auf der Grundlage der Projektergebnisse und der Diskussionen mit Expert:innen der IKSD wurde entschieden, die Veränderung des Sedimenthaushalts als integralen Bestandteil der Hydromorphologie in Zukunft als Unterpunkt unter dem SWMI „Hydromorphologische Veränderungen“ aufzuführen.
Das wurde im dritten Bewirtschaftungsplan für das Einzugsgebiet der Donau (IKSD 2021a) im Jahr 2021 umgesetzt:
„Änderungen der Sedimentbilanz
Vision und Managementziele
Die einzugsgebietsweite Vision der IKSD ist ein ausgeglichenes Sedimentregime und eine ungestörte Sedimentkontinuität. Typspezifische natürliche Sohlformen und Sohlmaterial sowie ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Sedimentation und Erosion sind gegeben. Das ausgewogene Sedimentregime ermöglicht die langfristige Bereitstellung geeigneter Lebensräume für die typspezifischen aquatischen Lebensgemeinschaften und grundwasserabhängigen terrestrischen Ökosysteme. […]“
Darüber hinaus werden Empfehlungen für Managementziele und Maßnahmen, die bis 2027 als Schritte zur Verwirklichung der Vision umgesetzt werden sollen, genannt. Diese beinhalten unter anderem den Vorschlag zur Einrichtung eines harmonisierten Messnetzes des Sedimenttransports im Rahmen des Transnationalen Monitoringnetzes (TNMN), um ein tieferes Verständnis der mit der Sedimentmenge zusammenhängenden Probleme zu erlangen. Dieses Messnetz soll unter der Aufsicht der Arbeitsgruppe Hydromorphologie (HYMO TG), der ExpertInnengruppe Überwachung und Bewertung und der Expertengruppe Hochwasserschutz errichtet werden. Das Handbuch für Stakeholder (Habersack et al. 2019b) bietet Hilfestellungen für sedimentbezogene Maßnahmen im Donauraum und zukünftige Maßnahmenprogramme. Ein Katalog von Maßnahmen zur Verringerung der Auswirkungen ist verfügbar, um gezielte Maßnahmen zur Verbesserung des Sedimenthaushalts und der Kontinuität zu unterstützen. Darüber hinaus lieferte das Projekt Empfehlungen für eine verbesserte Sedimentbilanz im Einzugsgebiet der Donau, die in der Danube Sediment Management Guidance (Habersack et al. 2019a) zusammengefasst sind. Die Projektergebnisse und -empfehlungen wurden in den von der IKSD veröffentlichten Donau-Flussgebietsbewirtschaftungsplan und den Donau-Hochwasserrisikomanagementplan integriert, sodass das Projekt einen direkten Beitrag zum transnationalen Wassermanagement und zur Hochwasserrisikoprävention leistet (IKSD 2021a, b).
5 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
Die Donau weist ein völlig gestörtes Sediment-System auf (Unterbrechung des Sedimentkontinuums, gestörte Sedimentbilanz). Weniger als 40 % der Schwebstoffe erreichen heute das Schwarze Meer, das Geschiebekontinuum ist nahezu unterbrochen. Sedimente sind für die Hydromorphologie und damit für die Ökologie, aber auch für die Wasserkraft, die Schifffahrt, das Hochwasserrisikomanagement usw. von entscheidender Bedeutung. Basierend auf den Ergebnissen des Projekts DanubeSediment wird empfohlen, den Sedimenthaushalt an der Oberen und Mittleren Donau durch Flussrenaturierungen zu verbessern und die Sohlerosion in frei-fließenden Abschnitten zu stoppen. An der Unteren Donau ist die Erhaltung der Morphodynamik und die Verhinderung weiterer Sohlveränderungen wichtig. Eine Verbesserung des Sedimentkontinuums (inkl. Nebenflüsse) sollte einen wichtigen Teil des zukünftigen Flussgebietsmanagements im Donaueinzugsgebiet bilden. Weiters wird empfohlen, sedimentbezogene Maßnahmen für die Schifffahrt, die Wasserkraft und das Hochwasserrisikomanagement zu entwickeln/umzusetzen. Eine definierte Rückführung des Baggerguts, eine angepasste Landnutzung und die Reduzierung des Sedimentaustrags aus der Landwirtschaft sollten weitere Ziele sein, wobei hier auch Aspekte der Sedimentqualität mit einbezogen werden müssen. Schließlich sollte ein einzugsgebietsweiter Sedimentmanagementplan entwickelt werden, der die Grundlage für die künftigen Bewirtschaftungspläne für das Donaueinzugsgebiet und die Hochwasserrisikomanagementpläne bilden sollte. Das wird in das HORIZON-EUROPE-Mission-Projekt DANUBE4all einfließen, welches 2023 startete und als Hauptergebnis einen „Danube River Basin Restoration Action Plan“ zum Ziel hat.
Danksagung
Das Projekt „DanubeSediment“ wurde von der EU über das Interreg Danube Transnational Programme gefördert. Die finanzielle Unterstützung durch das österreichische Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Regionen und Wasserwirtschaft (BML), das Bundesministerium für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie (BMK) sowie das Amt der Oberösterreichischen Landesregierung wird dankend anerkannt. Weiters möchten wir uns bei viadonau und Verbund für die Bereitstellung von Daten bedanken.
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