Hochwässer – eine ökologische Notwendigkeit

Fr, 28.11.2014 - 08:52 — Mathias Jungwirth & Severin HohensinnerIcon Biologie

Matthias JungwirthSeverin HohensinnerHochwässer und das mit ihnen verbundene Prozessgeschehen sind natürliche Ereignisse. Aus der Sicht der Ökologie stellen Hochwässer lebensraumerhaltende und damit absolut notwendige „Störungen“ dar. Die langfristige Erhaltung, Entwicklung und Restauration von Fließgewässern setzt daher die Initiierung/Wiederherstellung natürlicher Prozesse voraus.

Im vorangegangenen Artikel „Leben im Fluss nach (Extrem-) Hochwässern“ [1] hatten wir bereits dargestellt, wie Hochwässer als wichtige Komponente im Zuge des hydrologischen Geschehens ein dynamisches Gleichgewicht von Erosion, Umlagerung und Sedimentation, und damit stetige Erneuerung und Umgestaltung des Lebensraumes von Flusslandschaften garantieren. Die damit verbundenen Verjüngungs- aber auch Alterungsprozesse sind für die Tier- und Pflanzenwelt von elementarer Bedeutung, da sie eine enorme Vielfalt der Habitatausstattung und damit die hohe Artenvielfalt solcher Lebensräume bewirken.

Bettsedimente als Lebensraum

Betrachtet man ein Fließgewässer im Querschnitt, so stellt der Porenraum der aus Kies und Schotter bestehenden Bettsedimente, das sogenannte hyporheische Interstitial, den zentralen Lebensraum dar (Abbildung 1a). Die kleinräumige Morphologie der Bachsohle und die vom Bachwasser durchflossenen Sohlsubstrate werden von Geologie, Gefälle, Abfluss und Art der Feststoffe (Kies, Schotter, Sande etc.) bestimmt. Der Lebensraum der Bettsedimente reicht seitlich vielfach weit über das eigentliche Bachbett bzw. die Ufer hinaus und geht vertikal in den Grundwasserkörper über, der Lebensraum einer typischen Grundwasserfauna ist.

Während an der Oberfläche der Bettsedimente Algen sitzen, die mittels Photosynthese Biomasse produzieren, lebt im lichtlosen Porenraum der Sedimente eine ungeheure Vielfalt an kleinen tierischen Organismen, das sogenannten Makrozoobenthos (MZB). Dies sind vor allem Insektenlarven, Kleinkrebse, Schnecken und Muscheln. Im Durchschnitt finden sich rund 30 000 - 100 000 derartige Organismen unter 1 m2 Sedimentoberfläche (Abbildung 1b). Sehr klein, aber mit einer insgesamt hohen Biomasse und Produktion, sind es zudem Bakterien, Pilze und andere Mikroorganismen, die in Form von Biofilmen jedes Substratkörnchen überziehen. Zusammen mit dem MZB bilden sie den „Bioreaktor“ der Bettsedimente, der die enorme Selbstreinigungskraft von Fließgewässern ausmacht.

Abbildung 1. Querschnitt durch ein Bachbett. a) Der Porenraum der Bettsedimente (das hyporheische Interstitial) ist b) Lebensraum für eine Vielzahl an benthischen Organismen: photosynthetisch aktive Algen an der Oberfläche und repräsentative Vertreter des Makrozoobenthos.

Das MZB und die Mikroorganismen stellen aber auch wertvolle „Bioindikatoren“ für die Qualität bzw. Güte unserer Fließgewässer dar. Zudem sind die Organismen der Bettsedimente auch die wichtigste Nahrungsquelle der Fische. Der Porenraum der Bettsedimente selbst dient darüber hinaus auch einer Reihe typischer Fischarten unserer Fließgewässer als Laichplatz und Bruthabitat.

Fische laichen auf und in den Kies…

Kieslaicher, wie Forelle, Äsche und Huchen, vergraben ihre Eier je nach Fischart und Größe in einer Tiefe von 10 – 20 cm des Interstitials. Im Gegensatz dazu kleben Substratlaicher – beispielsweise Barbe, Nase und Nerfling – ihre Eier an die oberflächlichen Substrate (Abbildung 2). Dass dabei Hochwässer für den Reproduktionserfolg der Kieslaicher enorm wichtig sind, sei am Beispiel der für alpine Gewässer typischen Bachforelle aufgezeigt.

Abbildung 2. Kieslaicher vergraben ihre Eier (orange) im Interstitialraum, Substratlaicher kleben sie oberflächlich an.

…Hochwässer bestimmen den Reproduktionserfolg der Kieslaicher

Die Laichzeit der Bachforelle fällt in den Spätherbst. Durch ruckartige seitliche Drehung des Körpers (Abbildung 3) schlagen die weiblichen Tiere ihre Laichgruben bevorzugt im flussaufwärts gelegenen Teil rasch überströmter Kiesfurten. Erfolgreiches Ablaichen ist allerdings nur dann gegeben, wenn der Kies einen durchschnittlichen Korndurchmesser von 10 – 40 mm aufweist und der Feinsedimentanteil weniger als 12 % beträgt. Höhere Anteile von Feinmaterial bewirken eine Verlegung des Porensystems und damit eine Reduktion der Frischwasser-und Sauerstoffversorgung, Grundvoraussetzung für das Überleben von Eiern und Fischlarven.

Das Ausspülen der feinen Teilchen besorgen Hochwässer, indem sie die Bettsedimente wiederkehrend einem „turnover“ unterziehen. Entfallen derartige Spülungen, nimmt das Ausmaß funktionsfähiger Laichplätze drastisch ab.

Die ersten Lebensstadien der Bachforelle

Wo Wasser in die Bettsedimente einströmt, ist der ideale Platz für die Platzierung der Eier. Die Inkubationszeit der Eier von der Befruchtung, über das sogenannte Augenpunktstadium bis hin zum Schlüpfen der Larven hängt von der Wassertemperatur ab und dauert zwischen 5 Wochen und mehrere Monate. Die mit einem großen Dottersack ausgestatteten Larven dringen nach dem Schlüpfen aktiv tief in das Interstitial ein, wo sie vor Winterhochwässern und dem damit verbundenen Geschiebetrieb geschützt sind (Lachslarven fand man sogar in einer Tiefe der Bettsedimente von mehreren Metern). Erst nach weitgehender Resorption des Dottersackes, etwa 1 – 2 Monate nach dem Schlüpfen, wandern die Forellenlarven wieder an die Sedimentoberfläche, um dort die ersten Jungfischhabitate einzunehmen.

Auch für die Jungfische bleiben gut strukturierte Bettsedimente eine entscheidende ökologische Größe. Im Hinblick auf die Substratsortierung und damit die kleinmaßstäbliche Habitatausstattung der oberflächlichen Bettsedimente sind erneut Hochwässer, speziell die bettbildenden Wasserführungen beim Abklingen solcher Ereignisse, verantwortlich.

Abbildung 3. Vom Schlagen der Laichgrube zur Eiablage und zum Jungfisch. Der Reproduktionserfolg der Bachforelle hängt von der Struktur der Bettsedimente ab. Diese müssen locker und gut durchströmt sein und dürfen während der relativ langen Entwicklungsdauer der Eier und frühen Larven nicht umgelagert werden.

Hochwässer in richtigem Ausmaß

Das erste Lebensstadium der Bachforelle von der der Eiablage bis zum Verlassen der Bettsedimente (Abbildung 3) dauert im Durchschnitt ein halbes Jahr. Während dieser Phase sind die Tiere auf funktionsfähige Bettsedimente angewiesen. Weder bei zu stark verdichtetem Material – wenn vor Beginn der Laichzeit das Hochwasser ausblieb und deshalb das Sediment nicht gelockert und gereinigt wurde – noch bei zu starken Hochwässern während des ersten Lebensstadiums im Winter, gibt es ausreichendes Fischaufkommen.

Diesen Zusammenhang zwischen Auftreten und Ausmaß von Hochwässern und Aufkommen junger Bachforellen haben Wissenschaftler vom WasserCluster Lunz u.a. am Ois-Fluss belegt. Dabei wurden über eine 12-jährige Untersuchungsperiode in regelmäßigen Intervallen die Durchflussraten und die Populationsstruktur der Bachforelle bestimmt [2].

In vielen Flüssen gibt es heute kaum noch natürliche, durch Hochwassergeschehen entsprechend freigespülte Laichplätze. Um das Sediment aufzurühren und es von Verdichtung und Verstopfung zu befreien, werden z.B. in Dänemark oder Bayern Bagger als „Hochwassersatz“ eingesetzt.

Restauration von Flusslandschaften

Hochwässer und die durch diese geprägten Prozesse sind natürliche und zugleich notwendige Störungen. Sie spielen ökologisch eine wichtige Rolle, beispielsweise hinsichtlich der Selbstreinigung oder der Grundwasserneuerung. Essenziell ist ihre Funktion im Hinblick auf die Biodiversität, da sie vielfältige Lebensräume auf unterschiedlichster Maßstabsebene generieren, und damit die Basis für eine artenreiche Besiedelung schaffen. Bleiben Hochwässer aus, altern die Flusslandschaften und verarmen hinsichtlich ihrer Fauna und Flora. Letztlich sind damit aber häufig auch Einschränkungen wasserwirtschaftlichen Nutzungen, beispielsweise hinsichtlich der Hochwasserretention oder der Trinkwassergewinnung verbunden.

Wie lassen sich Fließgewässer schützen und intakt erhalten, wieweit können durch Regulierungen und Wasserkraftwerke gestörte Flusslandschaften restauriert werden?

Diese Fragestellungen stehen seit Jahrzehnten im Fokus des Instituts für Hydrobiologie und Gewässermanagement an der der Universität für Bodenkultur [3]. Entsprechend dem komplexen Charakter von „Flusslandschafts-Ökosystemen“ bedarf es dazu einer breiten interdisziplinären Zusammenarbeit von VertreterInnen verschiedenster Fachrichtungen, wie Biologie, Ökologie, Hydrologie, Landschaftsplanung, Geographie etc. bis hin zu Wasserbau und Gewässermanagement.

Bei der Konzeption und Planung größerer Restaurationsvorhaben stehen zwei Aspekte im Vordergrund. Einerseits besteht ein wichtiges Ziel darin, dem ehemaligen Gewässertyp entsprechende und damit leitbildkonforme Prozesse wiederherzustellen. Andererseits geht es um die Frage, wie dafür ausreichend Flächen zur Verfügung gestellt werden können.

Die Revitalisierung der Drau bei Kleblach (Abbildung 4) ist dafür ein erfolgreiches Beispiel. Hier konnten im Rahmen mehrerer Projekte zahlreiche Landwirtschaftsflächen angekauft und ins öffentliche Wassergut übergeführt werden. Nach anfänglich noch vergleichsweise detaillierter Gestaltung im Rahmen der Bauarbeiten ging man später im Rahmen eines jüngeren EU-Life Projekts [4] dazu über, nur mehr „Initialzündungen“ zu setzen. Dazu wurden Grabensysteme ausgehoben und deren weitere flusstypische Entwicklung der dynamischen Kraft von Hochwässern überlassen. Das folgende Monitoring belegte eine insgesamt stark steigende Biodiversität, aber auch wasserwirtschaftlich relevante Verbesserungen hinsichtlich des Grundwasserhaushaltes und des Hochwasserschutzes.

Abbildung 4. Revitalisierung der Drau bei Kleblach. Vorher: 1999 war der Fluss beidufrig mit Steinwurf fixiert und durchgehend 40 m breit. Nachher: Breit aufgeweitet, unterliegt der Fluss der prägenden Kraft von Hochwässern.

EU-Life Projekte

Bei Flussrevitalisierungen im Rahmen von EU-Life Projekten hat Österreich eine Vorreiterrolle. Besonders viele Projekte gibt es an der Donau [5], von denen einige bereits realisiert sind – beispielsweise in den Bereichen von Dürnstein und Melk (Abbildung 5). Andere Projekte befinden sich noch in Bau oder bedürfen noch der Bewilligung.

Wie an der Drau gilt auch hier, möglichst große Flächen anzukaufen und in das öffentliche Wassergut überzuführen. Möglichst wenig zu bauen und das natürliche Prozessgeschehen zu fördern, ist auch hier die Maxime. Unter dem Titel “let the river do its work” entstanden an der Donau im Rahmen mehrerer Projekte wieder sehr schön strukturierte Abschnitte. Die Fischfauna reagiert darauf, donautypische Arten wie Nase und Huchen zeigen bereichsweise wieder erstarkte Bestände mit natürlicher Reproduktion.

Nicht zuletzt entstehen auf diese Weise aber auch für den Menschen wieder wertvolle Erholungsräume. Wie zahlreiche Beispiele zeigen, werden z.B. die neuen Schotterbänke und Kiesinseln entlang der Donau umgehend intensiv zum Baden genutzt (Abbildung 5).

Abbildung 5. Revitalisierungen an der Donau: die Fischfauna erholt sich, Kiesufer werden wieder zu Badestränden.

Fazit

  • Hochwässer sind natürliche und ökologisch notwendige „Störungen“.
  • Dynamisches Prozessgeschehen bei Hochwasser ist Grundvoraussetzung für hohe Biodiversität, d.i. Habitat- u. Artenvielfalt.
  • Die nachhaltige Erhaltung, Entwicklung und Restauration von Fließgewässern ist eine komplexe Aufgabe.
  • Wesentliche Voraussetzungen dafür sind „Integrative Planung,” Bereitstellung ausreichender Flächen und Initiierung/Förderung natürlicher Prozesse.

Von der Erhaltung/Wiederherstellung dynamischer Flusslandschaften profitiert nicht zuletzt der Mensch: derartige Ökosysteme garantieren Grund-/Trinkwasser hoher Qualität, ergeben Verbesserungen hinsichtlich des Hochwasserschutzes, der Fähigkeit zur Selbstreinigung etc. und bieten schließlich viele Möglichkeiten für Freizeit und Erholung.


[1] Der Artikel basiert auf dem zweiten Teil des Vortrags, den Mathias Jungwirth anlässlich der Tagung „Land Unter - Leben mit Extremhochwässern“ an der ÖAW gehalten hat. Ein Audio-Mitschnitt und die von ihm gezeigten Bilder finden sich auf der Seite: http://www.oeaw.ac.at/kioes/wasser2.htm.
Der erste Teil des Vortrags ist bereits erschienen: Leben im Fluss nach (Extrem-) Hochwässern. Teil 1: Intakte und gestörte Flusslandschaften. http://scienceblog.at/leben-im-fluss-nach-Extrem-Hochwässern-1

[2] Unfer, G., Hauer, C. & Lautsch, E. (2011): The influence of hydrology on the recruitment of brown trout in an Alpine river, the Ybbs River, Austria. Ecology of Freshwater Fish, 20, 438-448.

[3] Institut für Hydrobiologie und Gewässermanagement: http://www.wau.boku.ac.at/ihg/

[4] EU-Förderprogramm LIFE: http://www.bmlfuw.gv.at/umwelt/natur-artenschutz/life-natur/life-natur-e...

[5] Jungwirth, M., Haidvogl, G., Hohensinner, S., Waidbacher, H. & Zauner, G. (2014): Österreichs Donau. Landschaft – Fisch – Geschichte. Institut für Hydrobiologie & Gewässermanagement, BOKU Wien.


Weiterführende Links

Hochwasser im Machland 1812 (Rekonstruktion auf YouTube), Video 0:47 min: http://youtu.be/HqCdEsM6r_U?list=PL40A6EA54EF903919
Institut für Hydrobiologie und Gewässermanagement, Universität für Bodenkultur, Wien:

http://www.boku.ac.at/hfa