Ökologische Auswirkungen innovativer und konventioneller Wasserkraftanlagen – Ergebnisse aus 10 Jahren Forschung

Um den Fischabstieg an den untersuchten Wasserkraftanlagen möglichst vollumfänglich zu erfassen, wurden die verschiedenen Abstiegskorridore für Fische (Turbinen, technische oder naturnahe Fischaufstiegsanlagen und Bypasssysteme wie Spülrinnen, Spülklappen oder oberflächen- bzw. sohlnahe Abstiegsfenster) mittels Netzfangeinrichtungen beprobt. Dabei wurden sowohl natürlicherweise abwandernde Wildfische als auch Versuchsfische bekannter Kondition in die Untersuchungen einbezogen. Je nach standörtlichen Gegebenheiten wurden ein bis zwei Hamen pro Turbine in die U‑Profile der Revisionsverschlüsse am Turbinenauslauf eingesetzt. Ein Hamen ist ein sich trichterförmig verjüngender Netzsack mit abnehmender Maschenweite, an dessen Ende sich ein Fangnetz, Steertreuse genannt, befindet (zu Details und Aufbau siehe Pander et al. 2018, Smialek et al. 2021). Dazu wurden umfangreiche Vorversuche am Lehrstuhl für Aquatische Systembiologie der Technischen Universität München durchgeführt, bei denen verschiedene Fangtechniken hinsichtlich Effizienz und Fischverträglichkeit verglichen wurden, wobei sich die verwendeten Fangeinheiten am geeignetsten erwiesen (Pander et al. 2018). Der Fischabstieg über technische und naturnahe Fischaufstiegsanlagen wurde mit Hamen bzw. Reusen erfasst. Für die Beprobung von Spülrinnen, Spülklappen und Abstiegsfenstern wurden jeweils individuelle trichterförmige Fangsäcke konstruiert.

Der natürliche Fischabstieg wurde jeweils im Frühjahr und im Herbst an insgesamt 312 Versuchstagen verteilt auf die acht Untersuchungsstandorte (25–49 Versuchstage je Standort) beprobt. Die Netzleerungen erfolgten in der Regel alle zwei Stunden und wurden gleichmäßig auf die erste Tageshälfte (Sonnenaufgang bis 12:00 Uhr), die zweite Tageshälfte (12:00 Uhr bis Sonnenuntergang), die erste Nachthälfte (Sonnenuntergang bis 00:00 Uhr) und die zweite Nachthälfte (00:00 Uhr bis Sonnenaufgang) verteilt.

Um die potenzielle Schädigung (Mortalität und Verletzungen) von Fischen bei der Turbinenpassage zu ermitteln, erfolgten jeweils im Frühjahr und im Herbst Versuche mit standardisierten Fischzugaben der Arten Aal (19,6–71,4 cm), Nase (3,5–29,7 cm), Bachforelle (2,9–42,0 cm), Flussbarsch (4,1–25,8 cm), Barbe (4,0–37,4 cm), Rotauge (4,2–21,7 cm), Äsche (4,8–30,0 cm) und Huchen (7,0–60,0 cm). Diese Versuche wurden bei unterschiedlichen Turbinenlastzuständen durchgeführt. Im Gegensatz zu Schadensbildern bei Wildfischen, die aufgrund von möglichen Vorschädigungen nicht einer spezifischen Anlage und spezifischen Anlagenteilen zugeordnet werden können, konnten durch dieses Versuchsdesign auch genaue Vergleiche zwischen Fischen nach der Passage unterschiedlicher Anlagenteile mit dem genau charakterisierten Vorher-Zustand erfolgen. Die Fischzugaben erfolgten soweit möglich an drei Stellen (Abb. 2a): oberhalb des Rechens (Versuchsgruppe „Turbine & Rechen“), unmittelbar vor der Turbine (Versuchsgruppe „Turbine“) und am Eingang des Hamens unterhalb des Kraftwerks (Kontrollgruppe „Hamen“). Dadurch konnte gezielt zwischen dem Einfluss des Rechens und der Turbine sowie fangbedingten Verletzungen differenziert werden. Die Netzleerungen erfolgten in der Regel stündlich. Die wiedergefangenen Fische wurden auf ihre äußeren Verletzungen untersucht und zur Berechnung der Mortalitätsraten herangezogen. Um ein möglichst naturnahes Verhalten der Versuchsfische zu ermöglichen, wurde darauf verzichtet, diese durch Scheuch-Maßnahmen zum Abstieg zu veranlassen. Stattdessen wurde bei der Fallzahlplanung berücksichtigt, dass ein Teil der besetzten Fische im Oberwasser verbleibt und möglicherweise nicht absteigen wird. Anhand von Stichproben (insgesamt 12.903 Fische) wurde zudem vor Beginn der Versuche untersucht, ob und mit welchen Vorschädigungen die Versuchsfische aus den Fischzuchten und nach dem Transport am Standort eintrafen. Die in den Ergebnissen dargestellten Mortalitätsraten bei den standardisierten Fischzugaben beinhalten sowohl die sofortige als auch die verzögerte Mortalität innerhalb von 96 h nach der Hamenleerung und sind bereits um handling- und fangbedingte Effekte (Kontrollgruppe „Hamen“) korrigiert (Mueller et al. 2022). Während der Untersuchungen wurden dreimal täglich die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Wassers im Hauptstrom (Temperatur, Sauerstoffkonzentration, Leitfähigkeit, pH-Wert und Trübung) sowie die Strömungsgeschwindigkeiten am Rechen und an den Hamen gemessen.

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Die äußerlich sichtbaren Verletzungen der Fische wurden mit einem standardisierten Protokoll erfasst. Mit dieser Methode lässt sich für jeden Fisch ein Verletzungsmuster aus 86 Kombinationen von möglichen Verletzungstypen (z. B. Schuppenverluste, Quetschungen, Amputationen), betroffenen Körperteilen (z. B. Kopf, Körper, Flossen) sowie fünf allgemeinen Gesundheitskriterien (Vitalität, Atemfrequenz, Ernährungszustand, Verpilzung und Parasiten) dokumentieren (Mueller et al. 2017). Gegenstand der Untersuchungen waren auch innere Verletzungen der Fische. Zu diesem Zweck wurden von einer Stichprobe an Fischen (insgesamt 11.154 Individuen) Röntgenbilder mittels Kontaktradiographie erstellt. Wie bei den äußerlich sichtbaren Verletzungen erfolgte die Auswertung der Röntgenbilder mit einem standardisierten Protokoll (Mueller et al. 2020). Zur Bestimmung der verzögerten Mortalität wurden die Fische getrennt nach Arten und Versuchsgruppen über maximal 96 h in wassergefüllten Becken, die ständig mit Frischwasser aus dem jeweiligen Untersuchungsgewässer durchströmt wurden, gehältert und täglich kontrolliert.

Die physikalischen Bedingungen, die bei der Passage der Kraftwerke auf die Fische einwirken, wurden mittels sogenannter „Sensorfische“ untersucht. Ein Sensorfisch ist ein autonomes Messgerät, das Beschleunigung, Rotation, Druck und Temperatur direkt während der Turbinenpassage bzw. der Passage alternativer Korridore messen und aufzeichnen kann (Deng et al. 2007). Die Ergebnisse der Sensorfisch-Messungen erlauben Rückschlüsse darauf, welchen Kräften und Ereignissen – wie Druckabfällen, Kollisionen und starken Turbulenzen – die Fische während der Passage von Turbinen und alternativen Korridoren ausgesetzt sind (Boys et al. 2018).

Um das Fischverhalten im Oberwasser der Wasserkraftanlagen zu untersuchen, wurde ein hochfrequentes Multibeam-Sonar verwendet (ARIS Explorer 3000). Die Sonartechnik ist für die Erfassung von Fischbewegungen vor Wasserkraftanlagen besonders gut geeignet, da sie unabhängig von Wassertrübung, Lichtverhältnissen sowie Wassertiefe arbeitet (Egg et al. 2018). Das ARIS-Sonargerät wurde beispielweise während der Wanderung von Blankaalen eingesetzt, um die Funktionalität eines Aalbypasses und das zeitweilige Öffnen des Leerschützes als alternative Managementoption für den Aalabstieg zu überprüfen (Egg et al. 2017). Weiterhin wurde das ARIS-Sonargerät während der Untersuchungsperioden im Frühjahr und Herbst eingesetzt, um das Verhalten von standardisiert zugegebenen Versuchsfischen und von natürlich absteigenden Fischen am Fischschutzrechen des Turbineneinlaufs zu untersuchen (Funk et al. 2024).

Zur Bewertung der ökologischen Auswirkungen auf den Lebensraum Fluss wurden die Zusammensetzung der aquatischen Lebensgemeinschaft sowie abiotische Umweltfaktoren im Ober- und Unterwasser der Wasserkraftanlagen untersucht (Knott et al. 2024). Wasserkraftanlagen schränken die Durchwanderbarkeit eines Gewässers ein (Fragmentierung), beeinflussen aber auch wichtige Habitateigenschaften des Fließgewässers. Der Aufstau des Flusses verlangsamt die Strömungsgeschwindigkeit im Oberwasser und erhöht die Wassertiefe. Dadurch verändert sich auch die Substratzusammensetzung: Im Staubereich lagert sich verstärkt Sediment an, der Geschiebetransport wird unterbunden oder stark eingeschränkt. Der Einbau von Turbinen kann die Habitateigenschaften an einem bereits bestehenden Querbauwerk weiter verändern. Das Wehr wird nach dem Kraftwerksbau in der Regel nicht mehr auf der gesamten Breite überströmt, da sich der Abfluss auf die Turbinenseite konzentriert. Diese Veränderungen können sich auf die aquatische Lebensgemeinschaft auswirken. Ziel der Untersuchungen war es, die Auswirkungen der Unterbrechung des Fließgewässerkontinuums (serielle Diskontinuität) sowie Lebensraumveränderungen nach dem Bau der jeweiligen Kraftwerke im Vergleich mit den Vorher-Bedingungen (Querbauwerk ohne Kraftwerk) zu charakterisieren und zu quantifizieren.

Die Gewässerabschnitte wurden zu diesem Zweck im unmittelbaren Ober- und Unterwasser jeweils vor und nach dem Kraftwerksbau mit einem standardisierten Versuchsdesign systematisch untersucht (Mueller et al. 2011): Standardmäßig wurden das Ober- und Unterwasser in mehrere Längsspuren eingeteilt, in denen wiederum einzelne Untersuchungsstrecken mit einer Länge von je 30 m verteilt lagen (Abb. 2b). An den innovativen Kraftwerksstandorten fanden die Beprobungen in der Regel an jeweils zwei Terminen im Frühjahr und im Sommer/Herbst vor dem Bau des Kraftwerks und nach dem Bau des Kraftwerks statt. Zur Charakterisierung der Habitateigenschaften in den verschiedenen Gewässerabschnitten wurden in jeder Untersuchungsstrecke folgende abiotische Parameter erfasst: Wassertiefen, Strömungsgeschwindigkeiten, physikalisch-chemische Eigenschaften (Sauerstoffkonzentration, Temperatur, pH-Wert, Leitfähigkeit, Redoxpotenzial) im Freiwasser und im Porenwasser des Interstitials (Kieslückensystems), und Sedimentqualität (Substratzusammensetzung und flächige Verteilung der Substrattypen).

Für eine aussagekräftige Charakterisierung des Lebensraums ist es wichtig, zusätzlich zu den abiotischen Messungen möglichst viele Ebenen biologischer Organisation zu betrachten. Sie reagieren teilweise unterschiedlich auf veränderte Habitateigenschaften. Untersucht wurden daher folgende taxonomische Gruppen: Periphyton (Aufwuchsalgen am Gewässergrund), Makrophyten (Wasserpflanzen), Makrozoobenthos (am Gewässergrund lebende wirbellose Kleintiere) und Fische.

Die meisten Fische, die die Anlagen während der Untersuchung des natürlichen Fischabstiegs passierten, gehörten, abgesehen von Arten wie Barbe und Äsche, zu eher kleinwüchsigen Arten. Insgesamt hatten kleinwüchsige Fischarten bzw. junge Altersstadien mit einer Totallänge von ≤ 15 cm einen Anteil von 92 % am Gesamtfang des natürlichen Fischabstiegs. Die starke flussabwärts gerichtete Verbreitung dieser Fischarten bzw. -größen durch aktive Wanderung oder passive Drift wurde bislang offensichtlich deutlich unterschätzt (Pander et al. 2013). Dies deutet darauf hin, dass auch diese Arten und speziell kleine Fischgrößen stärker in die Überlegungen zum Fischschutz an Kraftwerksanlagen einbezogen werden müssen.

Über alle Standorte hinweg war die mittlere Zahl der gefangenen Fische nachts (6 Fische pro Stunde) doppelt so hoch wie tagsüber (3 Fische pro Stunde). Eine deutliche Präferenz für einen Abstieg bei Nacht wurde dabei für die Arten Barbe, Mühlkoppe, Zander, Elritze und Nase beobachtet. Eine Präferenz für einen Abstieg bei Tageslicht war weniger deutlich ausgeprägt, wurde aber tendenziell für die Arten Rotfeder, Schneider und Laube festgestellt (Knott et al. 2020). Über alle Standorte war die mittlere Zahl der gefangenen Fische pro Untersuchungsstunde im Herbst (6 Fische) deutlich höher als im Frühjahr (2 Fische). Allerdings bevorzugten die einzelnen Fischarten unterschiedliche Jahreszeiten für den Abstieg. Während im Herbst verstärkt die Arten Rotauge, Hasel, Flussbarsch, Nase, Zander, Äsche und Elritze gefangen wurden, wurden im Frühjahr vor allem Rotfeder, Blaubandbärbling, Gründling, Kaulbarsch, Schleie und Rutte in größerer Individuenzahl als im Herbst in den Fangeinrichtungen der Abstiegskorridore nachgewiesen (Knott et al. 2020).

Die Ergebnisse der vorliegenden Studie zeigen, dass auch die installierten Fischschutzrechen an den Standorten Lindesmühle, Baiersdorf-Wellerstadt, Eixendorf, Großweil und Höllthal (mit geneigten Vertikal- und Horizontalrechen bzw. Rundbogenrechen und lichten Stabweiten von 15 und 20 mm) einen maßgeblichen Anteil der Fische nicht effizient von der Turbinenpassage abhalten konnten. Dies ist zu großen Teilen darauf zurückzuführen, dass es sich bei den Fischen, die die Turbinen passierten, überwiegend um kleine Fischarten bzw. junge Altersstadien handelt, für die die Rechenanlagen physisch passierbar waren.

An allen Standorten mit Fischschutzrechen ≤ 20 mm wurden jedoch auch größere Individuen in den Turbinenhamen nachgewiesen, welche die kritischen Körperlängen nach Ebel (2013) und Schwevers und Adam (2020) deutlich überschritten. Insbesondere bei den Fischarten Huchen (Eixendorf, Großweil und Höllthal), Bachforelle (Eixendorf) und Barbe (Großweil) kam es zu deutlichen Überschreitungen der kritischen Körperlängen für die angenommene Passierbarkeit eines Fischschutzrechens mit 20 mm Stababstand zwischen 65 und 94 % (Knott et al. 2023a). Die untersuchten Fischschutzrechen mit 15 und 20 mm Stababstand konnten von adulten Barben, Bachforellen und Flussbarschen bis zu einer Totallänge von 32 cm (15 mm) bzw. 34 cm (20 mm) passiert werden. Darüber hinaus konnten die 20 mm-Fischschutzrechen von Huchen bis 39 cm Totallänge passiert werden (Abb. 3). Dies war zum einen auf Abweichungen vom nominalen Stababstand, größere Öffnungen zwischen dem Rechen und dem Betonbauwerk (z. B. Spalt zwischen Betonwand und Rechen in Eixendorf und Großweil) oder Schäden am Rechen zurückzuführen. Zum anderen lassen sich die Abweichungen von der Modellierung zu den Ergebnissen dieser Studie auch dadurch erklären, dass die Kondition einzelner Fische je nach Ernährungszustand und Fortpflanzungsaktivität variieren kann, sodass sich Körperbreite und -höhe sogar bei gleichen Totallängen innerhalb einer Art unterscheiden können. Ein weiterer Grund für die Abweichungen von den Modellen ist, dass beispielsweise in Ebel (2013) identische Schwellenwerte für die Salmoniden Bachforelle, Äsche und Huchen angenommen wurden. Die Ergebnisse dieser Studie zeigten jedoch, dass deutlich größere Huchen als Bachforellen und Äschen die Fischschutzrechen passieren konnten, was wahrscheinlich auf Unterschiede in Morphologie und Verhalten dieser Arten zurückzuführen ist. So haben Huchen in den untersuchten Größenklassen bei gleicher Gesamtlänge meist eine geringere Körperbreite als Bachforellen (Knott et al. 2023a). Zudem können sich neben dem Aal vermutlich auch weitere Fischarten durch Öffnungen quetschen, die kleiner als deren maximale Körperbreite sind.

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Trotz vorhandener Bypässe und Fischschutzrechen mit 15 und 20 mm Stababstand, die Fische von der Turbinenpassage abhalten sollen, passierte ein großer Teil der Fische (35–88 %) die Turbinen. Die überwiegend schlechte Effizienz der untersuchten Bypässe war wahrscheinlich auf den geringen Abfluss und die ungünstige Lage bzw. Auffindbarkeit der Bypässe zurückzuführen (Knott et al. 2019, 2023b). Die verschiedenen Bypass-Typen wurden aufgrund artspezifischen Verhaltens und unterschiedlicher Fischartengemeinschaften je nach Standort von unterschiedlichen Fischarten und -größen genutzt. Die Wirksamkeit der untersuchten Abstiegskorridore (Turbinen & Bypässe) korrelierte positiv mit dem Anteil des verfügbaren Abflusses (Abb. 4). Um die negativen ökologischen Auswirkungen von Wasserkraftanlagen auf flussabwärts wandernde bzw. driftende Fische zu verringern, sind gut funktionierende Bypässe erforderlich, die nicht nur die aktuellen Anforderungen an Design, Dimensionierung und Lage, sondern auch die standortspezifische Fischgemeinschaft berücksichtigen. Bypässe sollten idealerweise für ein möglichst breites Arten- und Größenspektrum funktionieren, was durch weniger selektive Bypass-Typen wie Bypässe, die die gesamte Wassersäule abdecken oder eine Kombination verschiedener Bypass-Systeme erreicht werden kann (Knott et al. 2019, 2023b).

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Bei den standardisierten Fischzugaben lagen die mittleren Mortalitätsraten durch Turbine und Rechen an den neun untersuchten Wasserkraftanlagen über alle getesteten Fischarten und Lastzustände zwischen 2 % (VLH-Turbinen Au) und 43 % (Kaplan-Rohrturbine Lindesmühle) (Abb. 5). Bei der Berechnung wurden die fangbedingte Mortalität und die verzögerte Mortalität bereits berücksichtigt (Mueller et al. 2022).

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Die geringste Mortalität über alle Fischarten von 2–6 % wurde an den VLH-Turbinen am Standort Au an der Iller beobachtet, gefolgt von den Wasserkraftschnecken am Standort Höllthal an der Alz mit 3–6 % und dem ebenfalls am Standort Höllthal installierten konventionellen Kraftwerk mit Kaplan-Rohrturbine mit 5–8 %. Die Mortalitätsraten an der Wasserkraftschnecke am Standort Heckerwehr und am Schachtkraftwerk am Standort Großweil lagen über alle Fischarten mit 4–13 % bzw. 9–13 % im Mittelfeld der untersuchten Wasserkraftanlagen. Die höchste Mortalität über alle Fischarten wurde mit 35–43 % an der konventionellen Wasserkraftanlage mit Kaplan-Rohrturbine Lindesmühle ermittelt, gefolgt vom beweglichen Kraftwerk mit Kaplan-Rohrturbine am Standort Eixendorf mit 22–25 % und der konventionellen Wasserkraftanlage mit Kaplan-Rohrturbinen am Standort Baiersdorf-Wellerstadt mit 13–21 %. An der VLH-Turbine am Standort Baierbrunn wurden mit 15–19 % ähnliche Mortalitätsraten über alle Fischarten wie an den Standorten Eixendorf und Baiersdorf-Wellerstadt mit Kaplan-Rohrturbinen ermittelt (Abb. 5). Auffallend an diesen Ergebnissen ist, dass auch bei einem innovativen Kraftwerkskonzept wie dem beweglichen Kraftwerk, welches von einem wirksamen Ableiten der Fische durch die integrierte Fischschutz- und Fischabstiegsanlage ausgeht, durch den Einsatz einer konventionellen Kaplan-Rohrturbine (Drehzahl: 333 U/min, Laufraddurchmesser: 1 m; Fallhöhe: ca. 5 m) hohe artspezifische Mortalitätsraten von bis zu 59 % (Nase bei Niedriglast) auftreten können. Aber auch als „fischverträglich“, „wenig fischschädlich“ oder gar „fischfreundlich“ bezeichnete Turbinentypen (VLH-Turbine, Wasserkraftschnecke) können annähernd hohe oder sogar höhere artspezifische Mortalitätsraten als die hier untersuchten konventionellen Kraftwerke mit Kaplan-Rohrturbinen erzeugen (z. B. 64 % bei der VLH-Turbine am Standort Baierbrunn für das Rotauge bei Niedriglast, 26 % bei der Wasserkraftschnecke am Standort Höllthal an der Alz für die Nase bei Hochlast).

Der Lastzustand wirkte sich sowohl bei den Kaplan-Rohrturbinen als auch bei den VLH-Turbinen auf die Mortalitätsraten aus. Bei den Kaplan-Rohrturbinen stellte sich eine niedrige Turbinenlast aufgrund der engeren Stellung der Turbinenschaufeln und dem damit verbundenen höheren Kollisionsrisiko vor allem für größere Individuen in der Regel als fischschädlicher heraus als eine hohe Turbinenlast (z. B. Nase, Äsche, Huchen in Eixendorf; Nase, Barbe, Rotauge, Äsche, Huchen in Großweil; Nase, Äsche in Höllthal). Bei der drehzahlvariablen VLH-Turbine, bei der bei Niedriglast ebenfalls die Turbinenschaufeln enger gestellt waren und zusätzlich die Drehzahl etwas geringer war, wurde dieser Effekt bei bestimmten Fischarten (Bachforelle, Äsche in Baierbrunn und Au) ebenfalls beobachtet.

Die äußeren und inneren Verletzungen der Fische aus den standardisierten Fischzugaben waren auch bei gleichem Turbinentyp in Abhängigkeit von den standortspezifischen Bedingungen teils sehr unterschiedlich. Darüber hinaus waren die Intensität und die Art der Verletzungen, die durch die Passage der Kraftwerke verursacht wurden, stark artspezifisch. Durch die Passage der VLH-Turbinen am Standort Au und der Wasserkraftschnecken am Heckerwehr und in Höllthal entstanden überwiegend Verletzungen, die nicht sofort tödlich waren. Dazu zählten etwa Schuppenverluste, Hautverletzungen und Pigmentveränderungen. Es ist aber davon auszugehen, dass diese subletalen Verletzungen erheblich zur verzögerten Mortalität beigetragen haben. An diesen Standorten kamen Verletzungen wie Amputationen von Körperteilen, die meist zum sofortigen Tod der Fische führen, nur sehr selten vor (< 1 % der Fische). Im Gegensatz dazu wiesen nach der Passage der Kaplan-Rohrturbinen in Lindesmühle und in Eixendorf 22 % bzw. 14 % der gefangenen Fische Amputationen von Körperteilen auf.

Generell können manche Verletzungen, die potenziell bei der Turbinenpassage auftreten können (vgl. Abb. 6), auch Folgeverletzungen verursachen, die vermutlich entscheidend zu der in diesem Projekt beobachteten verzögerten Mortalität beigetragen haben. Im Gesamtdatensatz über alle Fischarten stellte sich heraus, dass ein statistisch signifikanter Zusammenhang zwischen einer nach der Turbinenpassage stark vergrößerten bzw. geplatzten Schwimmblase und einem Anstieg in der Verletzungsintensität von Frakturen und Verformungen der Wirbelsäule und der Rippen besteht. Dieser Zusammenhang war besonders stark bei Bachforelle, Flussbarsch, Barbe und Äsche ausgeprägt. Die Anfälligkeit von Flussbarschen gegenüber Barotrauma-Verletzungen, wie einer geplatzten Schwimmblase, ist bekannt, da Flussbarsche als Physoclisten keinen Verbindungsgang zwischen Schwimmblase und Darm besitzen und der Gasausgleich bei einem schnellen Druckabfall daher deutlich länger dauert als bei physostomen Fischarten mit Schwimmblasengang (Abernethy et al. 2001). Allerdings wurden auch bei physostomen Fischarten nach der Turbinenpassage überfüllte bzw. geplatzte Schwimmblasen beobachtet. Physostome Fischarten können ihr Schwimmblasenvolumen zwar generell schneller anpassen als Physoclisten (Brown et al. 2014, Pflugrath et al. 2018), offensichtlich ist die geringe Zeitspanne (meist < 1 s) des raschen Druckabfalls während der Turbinenpassage aber auch für physostome Fischarten zu gering, um den notwendigen Druckausgleich schnell genug vorzunehmen (Abernethy et al. 2001), was wiederum schwerwiegende Folgeverletzungen verursachen kann (Rummer und Bennet 2005). Die Ergebnisse in diesem Projekt deuten darauf hin, dass die Anfälligkeit gegenüber Barotrauma-Verletzungen, die durch den raschen Druckabfall während der Turbinenpassage verursacht werden, bei physostomen Fischarten bisher unterschätzt wird (Mueller et al. 2020). Artübergreifend führten zudem Frakturen der Wirbelsäule und der Rippen, die entweder durch Überfüllung bzw. Platzen der Schwimmblase oder Kollisionen während der Turbinenpassage verursacht wurden, zu einer statistisch signifikant erhöhten Intensität von inneren Blutungen.

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Insgesamt zeigen die Ergebnisse der durchgeführten Sensorfisch-Messungen, dass Fische auch bei der Passage von innovativen Turbinentypen wie Wasserkraftschnecken und VLH-Turbinen mitunter erheblichen physikalischen Kräften (vor allem Kollisionsereignissen) ausgesetzt sein können. Die potenziellen physikalischen Belastungen der Fische bei der Turbinenpassage waren dabei sehr standortspezifisch und auch bei gleicher Turbinentechnik wurden mitunter deutliche Unterschiede festgestellt. Dieser Befund entspricht auch den stark von den jeweiligen Standortbedingungen abhängigen Ergebnissen zur turbinenbedingten Mortalität und den äußeren und inneren Verletzungsmustern. Hierbei gilt es jedoch zu beachten, dass der Sensorfisch nicht die exakt gleichen Eigenschaften wie ein lebender Fisch aufweist (z. B. keine aktive Bewegung, Unterschiede in Form und Viskosität). Die mit den Sensorfischen gemessene Häufigkeit und Schwere von Kollisionen ist daher nur eingeschränkt auf lebende Fische übertragbar, da beispielsweise vitale, schwimmstarke Fische feststehenden Bauteilen vermutlich besser ausweichen und dadurch Kollisionen vermeiden können als passiv driftende Sensorfische. Im Gegensatz dazu werden die gemessenen Druckveränderungen (z. B. Tiefstdruck während der Turbinenpassage, Dekompressionsrate) nicht von den Eigenschaften des Sensors beeinflusst. Daher ist davon auszugehen, dass lebende Fische, im Vergleich zu den mittels Sensorfischen aufgezeichneten Werten, sehr ähnliche Druckveränderungen erfahren.

Schwere Kollisionsereignisse > 95 g (zur Einstufung siehe Hou et al. 2018), die anhand der Beschleunigung des Sensorfisches gemessen werden und deren Stärke als Faktor der Erdbeschleunigung g (= 9,81 m/s²) beurteilt wird, traten wiederholt an allen untersuchten Kraftwerksanlagen bei der Turbinenpassage auf (vgl. Abb. 7). Schwere Kollisionen > 95 g können für Fische unmittelbar tödlich sein oder schwerwiegende Verletzungen hervorrufen (Deng et al. 2005). Die schwersten Kollisionen wurden dabei am Schachtkraftwerk in Großweil (max. 348 g), am beweglichen Kraftwerk in Eixendorf (max. 316 g) und an der VLH-Turbine in Baierbrunn (max. 281 g) gemessen. Auffällig war vor allem der hohe Anteil an schweren Kollisionsereignissen > 95 g an der VLH-Turbine in Baierbrunn (56 %) und Au (36 %), welcher mit Ausnahme der Kaplan-Rohrturbine in Eixendorf (54 %) sogar höher war als an den übrigen Standorten mit Kaplanturbinen (Baiersdorf-Wellerstadt 26 %, Großweil 34 %, Höllthal 23 %). Ursächlich dafür ist vermutlich die hohe Anzahl von acht Schaufelblättern, die insbesondere an der VLH-Turbine in Baierbrunn in Kombination mit einer für diesen Turbinentyp fallhöhenbedingt ungewöhnlich hohen Drehzahl schwerwiegende und vergleichsweise häufig auftretende Kollisionen hervorruft. Vermutlich können aber auch bereits mäßige Kollisionsereignisse zwischen 40 und 95 g, die sowohl an den untersuchten konventionellen als auch an den innovativen Wasserkraftanlagen sehr häufig gemessen wurden, zu ernsthaften Verletzungen führen. Insgesamt wurden Kollisionen während der Turbinenpassage als Haupttodesursache identifiziert, was sowohl anhand der beobachteten Amputationen, inneren Frakturen und Hautverletzungen als auch anhand der Sensorfisch-Messungen (Boys et al. 2018, Knott et al. 2023c) deutlich wird.

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Ein starker Druckabfall während der Turbinenpassage deutlich unterhalb des atmosphärischen Drucks (= rund 101 kPa auf Meereshöhe) und damit ein hohes Risiko für Barotrauma-Verletzungen wurde an den Kaplan-Rohrturbinen in Baiersdorf-Wellerstadt (mittlerer Tiefstdruck 67 kPa), Eixendorf (69 kPa) und Höllthal (70 kPa) gemessen. Aber auch an der VLH-Turbine in Baierbrunn war der Tiefstdruck während der Turbinenpassage in einem ähnlichen Bereich wie an den Kaplan-Rohrturbinen in Baiersdorf-Wellerstadt, Eixendorf und Höllthal. Im Gegensatz dazu wurde an den VLH-Turbinen in Au sowie an den Wasserkraftschnecken in Höllthal und am Heckerwehr kein starker Druckabfall beobachtet. Der mit dem Sensorfisch gemessene Tiefstdruck während der Turbinenpassage lag an diesen Standorten in einem ähnlichen Bereich wie der atmosphärische Druck (Mittlerer Tiefstdruck Wasserkraftschnecken Höllthal: 96 kPa, Heckerwehr: 99 kPa, VLH-Turbinen Au: 107 kPa). Vergleichsweise niedrige maximale Druckveränderungsraten (= Tiefstdruck/Akklimatisierungsdruck; Wertebereich von 0 (maximale Druckveränderung) bis 1 (keine Druckveränderung)), die ernsthafte Barotraumata verursachen können (Boys et al. 2016), wurden an den Kaplan-Rohrturbinen in Baiersdorf-Wellerstadt (Mittelwert 0,43), Eixendorf (0,47) und Höllthal (0,54) sowie an der VLH-Turbine in Baierbrunn (0,55) gemessen. Die höchste maximale Druckveränderungsrate (0,92) und damit das geringste Risiko für druckbedingte Verletzungen wurde an der Wasserkraftschnecke am Heckerwehr festgestellt.

Die Ergebnisse der Sensorfisch-Messungen an den alternativen Abstiegskorridoren der Standorte Eixendorf, Großweil und Baierbrunn zeigten, dass Kollisionen die Hauptgefährdungsursache für Fische bei der Passage dieser Korridore sind. Schwere Kollisionen > 95 g, die potenziell tödlich für Fische sein können (Deng et al. 2005), traten zumindest vereinzelt an nahezu allen Abstiegskorridoren auf. Das höchste Risiko für schwere Kollisionen > 95 g wurde dabei bei der Passage des Klappenwehrs mit anschließender rauen Rampe am Standort Großweil (mittlere Kollisionsstärke 121 g) festgestellt. Schwere Kollisionsereignisse > 95 g ereigneten sich überwiegend beim nahezu senkrechten Absturz der Sensorfische über das Klappenwehr aus ca. 1,4 m Höhe auf die betonierte Sohle im oberen Bereich der Rampe. Der Aufprall erfolgte hier unmittelbar auf eine betonierte Fläche, da an diesem Standort kein Unterwasserpolster vorhanden ist (Abb. 8). Generell hat die Ausgestaltung des Unterwassers, insbesondere in Bezug auf Wassertiefe und Strukturen, mit denen Fische kollidieren können, eine entscheidende Bedeutung für das Verletzungspotenzial beim Abstieg über Wehre (Pflugrath et al. 2019).

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Die Sonaruntersuchungen an den Standorten Baiersdorf-Wellerstadt und Lindesmühle lieferten wichtige Erkenntnisse zum Aalverhalten und Aalabstieg an Wasserkraftanlagen. Das Aalrohr nach Hassinger und Hübner (2009), das am Standort Lindesmühle installiert war, hatte unter den standörtlichen Gegebenheiten nicht die erwünschte Wirkung für den Aalabstieg. Einfache Alternativlösungen wie das zeitweilige Öffnen eines Leerschützes, wie am Standort Lindesmühle, können dagegen einen weitaus wirksameren Abstiegskorridor für die Abwanderung der Aale darstellen, sofern Aale durch geeignete Fischschutz- und Fischleitsysteme effizient vom Turbineneinlauf abgeleitet werden können. Der am Standort Lindesmühle verbaute schräge Horizontalrechen mit einem Stababstand von 15 mm hat sich für Aale > 50 cm Totallänge als geeignete Barriere erwiesen. Bei einer Leerschützöffnung von 20 cm sind durchschnittlich 23 Aale pro 15 min Beobachtungsintervall abgestiegen im Vergleich zu durchschnittlich 3 Aale pro 15 min Beobachtungsintervall bei einer Öffnungsweite von 10 cm (Egg et al. 2017).

Die am Standort Großweil durchgeführten Verhaltensbeobachtungen von standardisiert zugegebenen Versuchsfischen und natürlich vorkommenden Fischen am Rechen der horizontalen Einlaufebene mittels Sonaruntersuchung lassen darauf schließen, dass die Wirksamkeit von verhaltensbeeinflussenden Effekten durch den installierten Rechen mit 20 mm Stababstand, die beispielsweise ein deutliches Meidungsverhalten oder eine gerichtete Ableitung der Fische in Richtung der alternativen Abstiegskorridore hervorgerufen hätten, relativ gering ist (Funk et al. 2024). Da die Grenzen für die physische Passierbarkeit von Rechen mit 20 mm Stababstand in den bestehenden Modellen (siehe Ebel 2013; Schwevers und Adam 2020) meist deutlich unterschätzt werden (vgl. Abb. 3; Knott et al. 2023a), ist eine Barrierefunktion nur für einen geringen Anteil des vorkommenden Fischarten- und Größenspektrums und für deutlich weniger als 10 % der abwandernden Individuen zuverlässig gegeben.

An jedem der Untersuchungsstandorte zeigten die Ergebnisse zu den ökologischen Auswirkungen der Kraftwerksanlagen, in welchem Ausmaß das Fließgewässerkontinuum durch die Kraftwerksanlage bzw. das jeweils zugehörige Querbauwerk unterbrochen wird. Die Stärke der seriellen Diskontinuität spiegelte sich sowohl in unterschiedlichen abiotischen Habitateigenschaften als auch in einer unterschiedlichen Zusammensetzung der aquatischen Lebensgemeinschaft zwischen Ober- und Unterwasser der Kraftwerksanlagen wider (vgl. Abb. 9). Dabei waren die Auswirkungen der Unterbrechung des Fließgewässerkontinuums je nach Standort unterschiedlich stark ausgeprägt.

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Abgesehen von diesen standortspezifischen Unterschieden ließen sich über alle Gewässer hinweg folgende Kernaussagen ableiten: Der Unterschied in der Zusammensetzung der aquatischen Lebensgemeinschaft (Fische, Makrozoobenthos, Makrophyten, Periphyton) zwischen Ober- und Unterwasser zeichnete sich vor allem durch einen höheren Anteil von Fischarten und Makrozoobenthos-Taxa im Oberwasser aus, die bezüglich verschiedener Umweltfaktoren wie Strömungsverhältnisse oder Habitatstrukturen keine besonders hohen Ansprüche an ihren Lebensraum stellen (= Generalisten). Dazu zählen etwa die indifferente Fischart Rotauge oder Makrozoobenthos-Taxa wie Wenigborster (Oligochaeta) und Zuckmückenlarven (Chironomidae). Zudem war im Oberwasser der Anteil von Makrophyten an der aquatischen Lebensgemeinschaft höher (z. B. Schmalblättrige Wasserpest), während Periphyton-Taxa (z. B. Kieselalgen) im Unterwasser höhere Anteile an der aquatischen Lebensgemeinschaft hatten. Diese Unterschiede in der Zusammensetzung der aquatischen Lebensgemeinschaft sind auf die unterschiedlichen abiotischen Habitateigenschaften im Ober- und Unterwasser zurückzuführen und entsprechen auch den Beobachtungen, die bei einer früheren Untersuchung an fünf weiteren Querbauwerken in Bayern gemacht wurden (Mueller et al. 2011). Im Oberwasser war generell die Strömungsgeschwindigkeit verringert und die Wassertiefe im Vergleich zum Unterwasser erhöht. Der Aufstau und die dadurch verringerte Schleppkraft des Wassers führt zu einer erhöhten Ablagerung von Feinsediment. Dementsprechend wurde im Oberwasser an den meisten Untersuchungsstandorten ein höherer Feinsedimentanteil im Substrat als im Unterwasser vorgefunden. Sowohl durch die geringere Strömung als auch durch das feinere Substrat im Oberwasser wird das Wachstum von Makrophyten gegenüber dem Wachstum von Periphyton begünstigt. Anspruchsvollere, auf stärkere Strömung und kiesiges Substrat angewiesene Taxa, wie z. B. Eintags- und Steinfliegenlarven, kommen im staubeeinflussten Oberwasser meist in deutlich geringerer Anzahl vor als im Unterwasser, wohingegen Generalisten wie Wenigborster und Zuckmückenlarven im Oberwasser meist sehr zahlreich vertreten sind. An Makrophyten laichende oder geringe Strömungsgeschwindigkeiten bevorzugende Fischarten (z. B. Rotauge, Bitterling) finden im staubeeinflussten Oberwasser noch geeignete Lebensraumbedingungen vor, während das Vorkommen strömungsliebender, kieslaichender Fischarten (z. B. Äsche, Barbe) im Vergleich zum Unterwasser reduziert ist.

Aus dem Vergleich der Untersuchungen vor und nach dem Einbau der innovativen Kraftwerksanlagen lässt sich schließen, dass die stärksten Unterschiede in der Zusammensetzung der aquatischen Lebensgemeinschaft zwischen Ober- und Unterwasser der bereits bestehenden Querbauwerke schon vor Kraftwerksbau bestanden. Entgegen den Versprechungen der Entwickler dieser innovativen Konzepte hat die Installation der verschiedenen Typen innovativer Wasserkraftanlagen die Lebensraumbedingungen für strömungsliebende Arten nicht verbessert. An keinem der innovativen Kraftwerksstandorte kam es nach dem Kraftwerksbau zu einer statistisch signifikanten Erhöhung der Individuendichten von strömungsliebenden Fisch- und Makrozoobenthos-Arten. Im Gegenteil, die Nachrüstung bestehender Wehre in Verbindung mit einer Erhöhung des Stauziels an den Standorten Großweil und Au hat die dortigen Auswirkungen der Unterbrechung des Fließgewässerkontinuums sogar noch deutlich verstärkt und die Habitatbedingungen für strömungsliebende Arten im staubeeinflussten Oberwasser der Wasserkraftanlagen weiter verschlechtert. Dies zeigte sich insbesondere beim Makrozoobenthos im wehrnahen Oberwasserbereich, wo nach dem Bau der Wasserkraftanlagen eine signifikante Abnahme der Dichte strömungsliebender Eintags‑, Stein- und Köcherfliegenlarven beobachtet wurde (Knott et al. 2024). Darüber hinaus kann durch den Kraftwerksbau auch Lebensraum im unmittelbaren Unterwasser der Anlagen verloren gehen (z. B. Laichplätze für strömungsliebende Fischarten am Standort Eixendorf; Knott et al. 2021), wenn der überwiegende Abfluss durch die Turbinen fließt und das Querbauwerk nicht mehr oder nur noch unregelmäßig überströmt wird.