Neue Ansätze für naturbasierte Lösungen in Perlmuschelgewässern – eigendynamische Entsandung in einem physikalischen Modellversuch

Die Maltsch an der oberösterreichisch-tschechischen Grenze ist eines der letzten Gewässer mit Flussperlmuschelvorkommen. Als Referenz für das physikalische Modell wurde ein mäandrierender Abschnitt der Maltsch gewählt, der etwa 1500 m flussauf des Pegels Leopoldschlag liegt (HZBNR: 806557; N48°37′1,60″ E14°30′15,80″) (Abb. 2). Aus dem Geländemodell und zusätzlichen tachymetrischen Vermessungen des Flussschlauchs wurden die Daten zur Gewässergeometrie ermittelt und ein hydrodynamisch-numerisches 1D-Modell erstellt, aus dem wiederum die Wassertiefen für die charakteristischen Durchflüsse MQ, HQ₁ und HQ₅ errechnet wurden. Aus Sedimentproben wurden die charakteristischen Korngrößen ermittelt (Hauer et al. 2021). Der mittlere Korndurchmesser (d₅₀) in versandeten Abschnitten beträgt 2,3 mm (SD = 1,8 mm), ein typischer Wert für Gewässer der Böhmischen Masse mit einem Sedimentüberschuss (Hauer 2015). Alle Eingangsparameter hinsichtlich Geometrie, Hydrologie und Sedimente im Natur- und Modellmaßstab sind in Tab. 2 aufgelistet.

Das Modell im Maßstab 1:20 wurde in einer 1 m breiten und 9 m langen Versuchsrinne aufgebaut. Das Modellgewässer verläuft im ersten Abschnitt gerade, gefolgt von zwei Kurven mit engem und weiterem Radius. Das linksufrige Vorland zwischen erstem und zweitem Bogen wurde auf die Hälfte der ursprünglichen Höhe abgesenkt; das Sohlgefälle beträgt sowohl in der Natur als auch im Modell 3 ‰ (Abb. 3). Alle nachfolgend erläuterten Eingangsparameter hinsichtlich Geometrie, Hydrologie und Sedimente im Natur- und Modellmaßstab sind in Tab. 2 angeführt. Für die detaillierte Erläuterung der verwendeten Formeln zur Berechnung der Modellparameter wird auf Stelzer et al. (2022) verwiesen.

Die Versuche wurden unter stationären (HQ₁ und HQ₅) und quasi-instationären Abflussbedingungen (idealisierte Abflusswelle HQ₁) durchgeführt. Es wurde eine Hochwasserwelle vom Pegel Leopoldschlag ausgewählt, die einem einjährlichen Hochwasser entspricht; daraus wurden Abflussstufen in 30-Minuten-Intervallen berechnet (vgl. Stelzer et al. 2022). Die Versuchsdauer der stationären Versuche betrug 30 min, die der quasi-instationären Versuche 6 h (Sprünge im Durchfluss und in der Sedimentzugabe alle 30 min). Die Durchflusskontrolle erfolgte mittels magnetisch-induktivem Durchflussmesser (MID) mit einer Genauigkeit von ± 0,1 ls⁻¹.

Die Rauigkeit der Sohle konnte nicht geometrisch umgerechnet werden, da dies häufig zu nicht-ähnlichen Verlusten in Modell und Natur führt (Kobus und Abraham 1984). In Vorversuchen wurden deshalb unter Einhaltung von erforderlichem Durchfluss und Wassertiefe die Korndurchmesser der Sohle auf 16 bis 25 mm ermittelt. Die Skalierung von Grobsand und Feinkies nach dem geometrischen Ähnlichkeitsprinzip hätte aber für die Modellsedimente zu einem Durchmesser < 0,1 mm geführt, wo bereits kohäsive Kräfte wirksam werden können (Hjulström 1935; van Rijn 1993; Patt 2018; Mhashhash et al. 2018). Da für Versuche mit beweglichem Sediment der Transportbeginn von Interesse ist, konnte das Korn anhand von Shields-Ähnlichkeit skaliert werden (Kobus und Abraham 1984). Dazu wurde die Froude-Zahl des Korns (Shields-Parameter) konstant gehalten. Um Kohäsionskräfte bei Modellsedimenten < 0,1 mm zu vermeiden, wurden Ersatzsedimente mit geringerer Dichte und größerem Durchmesser verwendet (Bettess 1990). Als Ersatzsediment wurde rotes Polyamidgranulat gewählt, welches 1,7 mm großen Körnern im Naturmaßstab entspricht. Die Sedimentzugabe bei Mittelwasser-Abfluss wurde mit einer Geschiebetransportformel für flache Gewässer mit limitierter Transportkapazität berechnet (Aigner und Carstensen 2015; Glazik 1971). Für die Hochwasserabflüsse HQ₁ und HQ₅ wurde der Sedimenttransport nach Meyer-Peter und Müller (1948) berechnet und davon der Anteil der Fraktion 1 bis 2 mm mit 21 % ermittelt (Wu et al. 2000). Ebenso wurde der Sedimenttransport bzw. die Zugaberate für die Intervalle des quasi-instationären Versuchs berechnet; 90 min nach der Abflussspitze wurde die Sedimentzugabe auf 5,4 kgh⁻¹ gesenkt (vgl. Stelzer et al. 2022), um so die limitierte Sedimentverfügbarkeit bei abfallender Hochwasserwelle darzustellen (vgl. Karimaee Tabarestani und Zarrati 2015).

Der Sedimenttransport über und die Ablagerung am abgesenkten Vorland mit verschiedenen Einbauten im Gewässer wurden mithilfe von bildverarbeitenden Methoden gemessen. Eine Kamera (NIKON D7100) wurde auf der Messbrücke in einer Höhe von 1,5 m über dem Modell montiert. Serienaufnahmen über dem abgesenkten Vorland nach 10, 20 und 30 min während jedes Versuchs ermöglichten die Berechnung einer qualitativen Sedimenttransportrate. Die Farbpalette der Fotos wurde auf fünf Farben reduziert, und die Sedimentbedeckung (Anteil der roten Pixel, die roten Polyamid-Sedimentpartikeln zuzuordnen sind) und die mittlere Transportgeschwindigkeit wurden anhand des Versatzes der roten Pixel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Fotos auf der Grundlage der maximalen Korrelation berechnet. Die Kombination beider Werte ermöglichte eine qualitative Schätzung der Sedimenttransportgeschwindigkeit. Der Volumenstrom V wurde qualitativ berechnet, wobei von einer einzelnen Schicht mit konstanter Höhe h ausgegangen wurde. Zur Erstellung von digitalen Höhenmodellen wurden am Ende jedes Versuchs 60 Fotos aufgenommen (83 % Längsüberlappung, mit einer Auflösung von 6000 × 4000) und photogrammetrisch ausgewertet (Software: Agisoft Photoscan). Außerdem wurden die Sedimente nach Beendigung jedes Versuchs getrocknet und anschließend gewogen. Dabei wurde unterschieden zwischen Material, das (i) durch die gesamte Versuchsrinne transportiert und in einem Netz aufgefangen wurde, (ii) im Gerinne abgelagert und (iii) am abgesenkten Vorland abgelagert wurde. Dieser Ansatz ermöglichte eine eindeutige Bewertung der Wirksamkeit verschiedener Maßnahmen und bathymetrischer Veränderungen sowie eine Kontrolle der zugegebenen Sedimentmenge.

Zur Optimierung der EE und zur Beurteilung von Gewässereinbauten hinsichtlich ihres Einflusses auf den Sedimenttransport aus dem Gerinne über das Vorland wurden drei unterschiedliche Einbauten und ein Referenzversuch ohne Maßnahmen getestet (Grundriss in Abb. 4, für detaillierte Angaben wird auf Stelzer et al. 2022 verwiesen): (i) eine Rampe, die am Scheitelpunkt der ersten Kurve auf der rechten Uferseite beginnt und vom ursprünglichen Vorlandniveau auf das Sohlenniveau abfällt, (ii) drei Buhnen entlang des rechten Ufers mit einer Neigung von 80° (12 cm Abstand; Höhe = 2,5 cm; Basisbreite = 2,4 cm; seitliche Neigung 3:1), (iii) drei Buhnen entlang des linken Ufers (analog zu (ii)) und (iv) Referenzversuch.

Die Wirksamkeit der Maßnahmen hinsichtlich EE am abgesenkten Vorland wurde anhand (i) des abgelagerten Sedimentvolumens und (ii) der Stabilität der Sedimentablagerungen definiert. Weiterhin wurde angestrebt, dass die betrachteten Maßnahmen zwar zur Ablagerung am Vorland führen, den Sedimenttransport im Hauptgerinne aber nicht beeinträchtigen („Erhalt des Sedimentkontinuums“). Nach Vorversuchen wurde eine bestimmte Maßnahmenkombination für das abgesenkte Vorland definiert. Die vorgeschlagene NbS besteht aus einem Längsdamm entlang der linken Uferseite mit einem Auslass, zwei Lenkbuhnen und einem durchlässigen Querbauwerk (Abb. 5, detaillierte Abmessungen in Stelzer et al. 2022). Der Längsdamm beginnt am Wendepunkt des ersten zum zweiten Kurvenradius und endet am flussabwärts gelegenen Ende des abgesenkten Vorlands mit angrenzenden durchlässigen Elementen, die den Ablagerungsbereich begrenzen. Es wurde angenommen, dass eine Kombination der besten (hinsichtlich EE) Maßnahmen im Gewässer zusammen mit Vorlandmaßnahmen zu den höchsten Sedimentablagerungen führen würde. Die Intensität der kreisförmigen Strömung und die Fließgeschwindigkeit über das Vorland konnten durch Variation der Auslassbreite und der Durchlässigkeit der flussabwärts gelegenen Elemente beeinflusst werden. Dabei musste stets darauf geachtet werden, dass durch die Einbauten die Fließgeschwindigkeit und damit der Sedimenttransport nicht zu stark verringert wurden. Bei erhöhter Rauigkeit am abgesenkten Vorland (Rasenteppich) musste die Maßnahmenanordnung sowohl für die stationären (Anordnung 2: breiterer Auslass und Schwelle vor durchlässiger Querbarriere) und auch für die quasi-instationären Versuche (Anordnung 3: noch breitere Auslassöffnung und Schwelle vor durchlässiger Querbarriere) adaptiert werden. Darüber hinaus wurden zwei überströmte (inklinante) Leitbuhnen links vom Ablagerungsbereich platziert, um die Strömungsrichtung vom Ablagerungsbereich weg (verringertes Auswaschen der abgelagerten Sedimente) und gleichzeitig die Sedimentbewegung in Richtung Ablagerungsbereich zu lenken (vgl. Sindelar und Mende 2009). Die Abweichungen der tatsächlichen von den berechneten Sedimentzugaberaten lagen bei −0,7 % (M = 31,0 kgh⁻¹, und SD = 0,62 kgh⁻¹) für HQ₁ und bei +5,9 % (M = 41,3 kgh⁻¹, und SD = 1,41 kgh⁻¹) für HQ₅.

In Tab. 3 sind die Sedimenttransportraten über das abgesenkte Vorland (berechnet aus Serienaufnahmen) für die verschiedenen Arten von Gewässereinbauten angegeben. Bei HQ₁-Durchfluss mit mäßiger Wassertiefe und Fließgeschwindigkeit förderten alle untersuchten Maßnahmen den erwünschten Transport aus dem Gerinne auf das Vorland, während diese bei HQ₅ weniger positive oder sogar negative Effekte erzielten. Die Buhnen am linken Ufer zeigten unter HQ₁-Bedingungen die höchsten Transportraten über das Vorland (+55,8 %), sie befanden sich in der Hauptströmung und induzierten turbulente und spiralförmige Strömungen zwischen den Buhnen, die die Sedimente in Richtung Wasseroberfläche hoben und somit in der Folge über das abgesenkte Vorland transportiert wurden (vgl. Abb. 5). Der Sedimentaustrag aus dem Gewässer über das abgesenkte Vorland war also mit den Buhnen am linken, äußeren Ufer hoch, während die Transportgeschwindigkeit reduziert wurde. Die Rampe und die Buhnen am rechten Ufer führten dagegen zu einem geringeren Sedimentaustrag, aber zu höheren Transportgeschwindigkeiten am abgesenkten Vorland. Unter höheren Abflussbedingungen (HQ₅) hatten sowohl die Buhnen am linken Ufer als auch die Buhnen am rechten Ufer nur einen geringen Einfluss auf die insgesamt transportierten Sedimente, förderten aber dennoch den Sedimentaustrag und reduzierten gleichzeitig die Transportgeschwindigkeit. Die Rampe unter HQ₅-Bedingungen verringerte dagegen den Sedimentaustrag und erhöhte die Transportgeschwindigkeiten.

Die Kombination der hinsichtlich EE besten Gewässereinbauten mit einer Maßnahmenanordnung am abgesenkten Vorland führte nicht zu den höchsten Sedimentablagerungen, wie ursprünglich angenommen wurde. In Tab. 4 ist die Wirkung von Buhnen am linken Ufer in Kombination mit Maßnahmen auf glattem (Beton) und rauem Vorland (Rasenteppich) dargestellt. Unter HQ₁-Bedingungen konnten 2,3 kg bzw. 14,7 % der insgesamt zugeführten Sedimente abgelagert werden. Die Buhnen am linken Ufer, die den Sedimenttransport deutlich erhöhten (+55,8 % im Vergleich zum Nullversuch unter HQ₁-Bedingungen, wie in Tab. 3 dargestellt), verloren ihre positive Wirkung, wenn sie mit den Maßnahmen am Vorland kombiniert wurden (von 2,3 kg auf 2,2 kg abgelagerte Sedimente, wie in Tab. 4 ersichtlich). Mit zunehmender Rauigkeit wurden die Körner jedoch früher abgelagert und akkumulierten weniger in die Höhe, wodurch die abgelagerte Menge auf 1,6 kg sank. Durch eine Modifikation der Maßnahmen (Anordnung 2: breiterer Auslass und Schwelle vor durchlässiger Querbarriere) waren die Sedimentverteilung und die Akkumulationshöhe ähnlich wie am glatten Vorland, obwohl die abgelagerte Menge nur geringfügig erhöht werden konnte (von 1,6 kg auf 1,7 kg, wie in Tab. 4 dargestellt).

Abb. 6 veranschaulicht die Ablagerungsmuster bei den verschiedenen Oberflächenrauigkeiten und der modifizierten Anordnung der Maßnahmen unter HQ₁-Bedingungen. Am glatten Vorland (Abb. 6a) bewegte sich jedes Korn an den Lenkbuhnen vorbei in Richtung der durchlässigen Querbarriere und drehte sich dann stromaufwärts entlang des Damms, bis es in der Nähe der Auslassöffnung abgelagert wurde. Die Sedimentkörner wurden wie angestrebt in einem klar abgegrenzten Bereich auf dem Vorland (0,3 m²) mit einer maximalen Höhe von 30 mm akkumuliert. Die Erhöhung der Rauigkeit verringerte die Fließgeschwindigkeit und damit die gewünschte Kreisströmung, was sich in dem in Abb. 6b dargestellten veränderten Ablagerungsmuster widerspiegelt. Um die Fließgeschwindigkeit zu erhöhen und gleichzeitig zu verhindern, dass das abgelagerte Material remobilisiert wird, wurden die Einbauten modifiziert (Anordnung 2, Abb. 6c).

Die Ergebnisse der stationären Versuche aus dem physikalischen Modell können für ähnliche Gewässer bzw. Fließabschnitte hochskaliert werden. So könnten mit den optimierten Maßnahmen im Gewässer und am abgesenkten Vorland bis zu 16,8 m³ bzw. 25,2 t (HQ₁) und 19,6 m³ bzw. 29,4 t (HQ₅) auf einer Fläche von ca. 120 m² deponiert werden (Tab. 5).

Die guten EE-Ergebnisse unter stationären Abflussbedingungen konnten vorerst unter quasi-instationären Verhältnissen (Hochwasserwelle HQ₁) nicht wiederholt werden. Abb. 7 zeigt die zwischenzeitlichen Anlandungen (siehe Fotos) und die endgültigen Ablagerungen (DEMs) der quasi-instationären Versuche der unterschiedlichen Anordnungen 1 bis 3. Während der ersten 180 min mit steigendem Wasserstand kam es zu einer ähnlichen Sedimentakkumulation wie bei den Experimenten mit stationärer Strömung (vgl. die Bilder des Experiments bei Q_max, Abb. 7 mit Abb. 6). Entscheidend für die tatsächlich abgelagerte Materialmenge war jedoch der absteigende Ast der Welle: Das bereits abgelagerte Material reduzierte die Kreisströmung, sodass weder das bereits abgelagerte noch das ankommende Material liegen blieb und auch nicht im Uhrzeigersinn (in Richtung Auslass) transportiert werden konnte. Stattdessen wurde das Material remobilisiert und in Längsrichtung weiter flussab transportiert (Abb. 7a). Mit den durchgeführten Modifikationen (Anordnung 2: breiterer Auslass und Schwelle vor durchlässiger Querbarriere, Abb. 7b; Anordnung 3: noch breitere Auslassöffnung und Schwelle vor durchlässiger Querbarriere, Abb. 7c) konnte die Menge des abgelagerten Materials in den Bereich der stationären Experimente erhöht werden (Tab. 4). Hochgerechnet auf die Ergebnisse von Anordnung 2 (Abb. 7c) könnten somit bei einem 1‑jährlichen Hochwasserereignis theoretisch 14,6 m³ bzw. 21,9 t am abgesenkten Vorland abgelagert werden (Tab. 4).