Hydromorphologische und morphodynamische Analyse von Buhnenfeldern der unteren Mittelelbe im Hinblick auf eine ökologische Gewässerunterhaltung

Abstract

Im Rahmen von zwei Projekten, welche zum einen vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und zum anderen von den Bundesanstalten für Wasserbau und Gewässerkunde (BAW/BFG) durchgeführt wurden, erfolgten von 1997 bis 2002 Naturmessungen und Feldversuche zur Morphologie, Hydraulik und Sedimentation in Buhnenfeldern der unteren Mittelelbe zwischen Sandau und Wittenberge. Das extreme Augusthochwasser 2002 wurde berücksichtigt. Die Daten wurden in Geografischen Informationssystemen analysiert und Veränderungen über bestimmte Zeiträume quantifiziert. Es galt, wasserbauliche Einflüsse verschiedener Buhnentypen (mikroskalig) von flussgebietsabhängigen (meso- bis makroskaligen) Einflüssen abzugrenzen. Digitale Geländemodelle dienten u.a. der Ermittlung der Uferlinienlängen bei unterschiedlichen Wasserständen und der Sedimentationsmächtigkeiten in den Buhnenfeldern. Diese sind durch die Korngrößenverteilung im Flussschlauch und damit überwiegend flussgebietsabhängig, d.h. von meso- und makroskaligen Effekten beeinflusst. Die Verlandungsformen innerhalb der Buhnenfelder (Mikroskala) werden durch die Buhnentypen modifiziert. Umfangreiche Messungen zur Hydraulik in Buhnenfeldern fanden bei Niedrig- bis Hochwasser statt. Die Anteile klassifizierter Strömungsgeschwindigkeiten der unterschiedlichen Wasserstände wurden quantifiziert und gingen weiter in die Berechnung von Sohlschubspannungen ein. Es konnten keine flussgebietsabhängigen Differenzen wie bei den Sedimentationsmächtigkeiten und Korngrößenverteilungen festgestellt werden. Die geringen Unterschiede zwischen den Buhnenfeldern sind mehr von ihren jeweiligen Lagen und den Buhnentypen beeinflusst. Zusätzlich wurde das Phänomen periodischer Wasserspiegelschwankungen und regelmäßiger Strömungsänderungen in Buhnenfeldern bei nicht überströmten Buhnen anhand von Feldversuchen vertiefend untersucht. In zwei unterschiedlich strukturierten Buhnenfeldern konnten regelmäßige Schwingungen von Strömungen und Wasserspiegellagen in einem ca. 4- bis 5-minütigen Rhythmus festgestellt und bekannte Laborergebnisse dazu in situ bestätigt werden. Mögliche Auswirkungen des Schiffsverkehrs wurden berücksichtigt und spielten in diesem Zusammenhang keine Rolle. Wiederholte Einmessungen von Buhnenfeldern unterschiedlicher Flussabschnitte dienten der Erfassung von Sohlhöhenänderungen und somit von Sedimenteinträgen bzw. -austrägen nach einzelnen und mehreren Phasen. Die aggregierte Bilanz von 2001 bis 2002 inklusive einer Niedrigwasserphase, eines zweijährlichen Winterhochwassers und des 50-jährlichen Sommerhochwassers 2002 ergab eine Unterscheidung von Flussabschnitten, die der Unterteilung auf der Grundlage langfristig entstandener Sedimentationsmächtigkeiten entsprach. Ohne Berücksichtigung des Sommerhochwassers wurde eine fortschreitende Verlandungstendenz festgestellt. Ein weiterer Aspekt war die Verknüpfung von Fließgeschwindigkeiten, Morphologien und Substraten mit Habitatpräferenzen ausgewählter Tiergruppen für eine Bilanzierung von Habitateignungen. Dies wurde beispielhaft für Fische, Laufkäfer und Makrozoobenthos durchgeführt und ermöglichte die Identifizierung der räumlichen Verteilungen mikro- und mesoskaliger Parameter, welche zu differenzierten Artenspektren in den Untersuchungsgebieten führen.

In the context of two projects, one funded by the German Federal Ministry for Education and Research (BMBF) and the other organised by the Federal Waterways Engineering and Research Institute (BAW) and the Federal Institute of Hydrology (BFG), extensive surveys and field experiments on morphology, hydraulics and sedimentation were carried out in groyne fields in the lower middle Elbe between Sandau and Wittenberge from 1997 to 2002, taking into account the extreme flooding in August 2002. The data were analysed in Geographical Information Systems and changes were quantified over certain time periods. The aim was to differentiate between the influence of hydraulic engineering as a factor of various groyne types (on the micro scale) and the influence of particular river areas (meso to macro scale). Digital terrain models were employed, for example to determine the bank contours with varying water levels and the thickness of sedimentation in the groyne fields. The thickness of sedimentation varied as a factor of the particle distribution in the talweg and is thus primarily dependent on the section of the river, i.e. influenced by meso and macro scale effects. The type of accumulation within the groyne fields (micro level) is modified by the groynes. Extensive measurements of the hydraulic conditions in groyne fields were carried out at low and high water levels. The proportions of flow speeds at different water levels were quantified and were also used to calculate shear stress. No differences determined by the river areas examined could be found as for the extent of sedimentation and the grain size distribution. The slight differences between the groyne fields are influenced more by the location of the groyne fields and the structure of the groynes. Furthermore, the links between periodic fluctuations in water level and regular changes in flow in groyne fields for groynes that are not submerged was studied in more detail on the basis of field experiments. In two different groyne fields regular oscillations of flows and water levels were identified with a periodicity of c. 4 to 5 minutes and recognised laboratory results on this phenomenon were confirmed. The possible impact of river navigation was taken into account and did not play a role in this context. Repeated measurements at groyne fields in various sections of the river made it possible to calculate bathymetry changes and thus to calculate sediment inputs and/or outputs after individual phases and after several phases. In particular the aggregated results from 2001 to 2002 including a low water phase, a biannual winter flood and the extreme summer flood event revealed a differentiation in river sections that corresponded to the categorisation on the basis of long-term sediment thickness. Irrespective of the summer flood in 2002, a once-in-fifty years event, an ongoing tendency to sediment accumulation was identified. A further key aspect was the link established between flow speeds, morphologies and substrata on the one hand and habitat preferences of various groups of fauna in order to calculate habitat suitability. Such studies were carried out taking selected fish, ground beetles and macro-zoobenthos as examples and made it possible to identify the spatial distribution of micro to meso-scale parameters that give rise to differing species spectrums in the areas studied.