1.1 Einleitung und Ziele
Der Begriff "Ökomorphologie" bezeichnet das Zusammenwirken der strukturbildenden und damit lebensraumgestaltenden Einflußgrößen der aquatischen, amphibischen und terrestrischen Bereiche von Fließgewässern und deren Organismenbesiedlung. Diese Strukturen, Funktionen und Prozesse sind das Ergebnis der Abflußdynamik mit dem daran gekoppelten Feststofftransport. Sie werden von den natürlichen Gegebenheiten und den anthropogenen Nutzungsformen des Stromgebietes geprägt und determinieren ihrerseits den physikalisch-strukturellen Lebensraum der Organismen.
Ziel der ökomorphologischen Forschung des Bundesministeriums für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF) an der Elbe ist es, die räumlichen und zeitlichen Veränderungen der morphologischen Strukturen und deren ökologischen Funktionen zu erfassen, in ihrem Zusammenhang zu verstehen, zu bewerten und zu prognostizieren sowie umsetzungsfähige Entwicklungskonzepte für eine dauerhaft-umweltgerechte Entwicklung des Stromes und seiner Auen zu erarbeiten.
Somit liegt besonderes Gewicht auf den abiotischen Strukturen, deren Verknüpfung mit den biotischen Funktionen und Prozessen in Strom und Auen sowie deren Veränderungen. Die Wechselbeziehungen zwischen den abiotischen und den biotischen Parametern lassen sich nur dann erfassen, wenn Schnittstellen zwischen einzelnen Fachdisziplinen definiert werden und im Verbund geforscht wird. Insbesondere gilt es, die Verknüpfungen der Flußmorphologie mit den un-terschiedlichen Forschungsbereichen "Ökologie der Auen", "Stoffdynamik" und "Fischfauna" aufzuzeigen.
1.2 Probleme und Wissensdefizite
In die Gewässer- und Auenstrukturen des Fließgewässersystems Elbe sind erhebliche Eingriffe vorgenommen worden; insbesondere sind Siedlung, Landnutzung, Schiffahrt, Wasserkraftnutzung, Hochwasserschutz und Talsperren zu nennen. Aus diesen unterschiedlichen Nutzungsansprüchen resultieren die elbespezifischen Probleme
- Sohlendestabilisierung,
- abschnittsweise gravierende Tiefenerosion,
- gestörte Interaktion von Haupt- (Strom) und Nebenströmungen (Auen),
- Veränderungen ggf. Einschränkungen der Auenentwicklung und
- Veränderung von Transportbedingungen für eine wirtschaftliche, d.h. konkurrenzfähige Binnenschiffahrt.
Die Abflußdynamik der Elbe wird durch die Lage des Quellgebietes und der Nebenflüsse in Mittelgebirgen geprägt: Hochwasser treten vorwiegend im Winter und Frühjahr auf (Regen-Schnee-Typ). In Trockenjahren kommt es im Sommer und Herbst zu ausgeprägten Niedrigwasserperioden, die sowohl für die Sicherheit und Leichtigkeit der Schiffahrt auf der Bundeswasserstraße Elbe, als auch für deren Wirtschaftlichkeit ein Problem darstellen (Niedrigwasserproblematik).
Die charakteristischen geologisch-morphologischen Gegebenheiten des Elbstromgebietes be-günstigen Tiefenerosionserscheinungen, die abschnittsweise gravierende Ausmaße angenommen haben (im Verlauf der Mittelelbe wurden z.T. 2 m in 50 Jahren erodiert). Im Oberlauf werden mittlere Korndurchmesser von etwa 50 mm gemessen; im Staubereich des Wehres Geesthacht verringern sich die Korngrößen bis auf 0,3 mm. Im Längsschnitt nehmen die Korndurchmesser nicht kontinuierlich ab, teilweise sind aufgrund geologisch-hydraulischer Gegebenheiten beträchtliche Diskontinuitäten innerhalb kurzer Abschnitte zu verzeichnen; unterschiedliche Kornverteilungen sind auch im Sohlenquerschnitt anzutreffen: Die Korndurchmesser variieren z.T. um das Drei- bis Zehnfache. Ab Elbe-km 380 umfaßt das Korngrößenspektrum hauptsächlich Mittelsand, so daß der Fluß hier auch als "Sandstrom" bezeichnet wird. Die große Beweglichkeit dieser Sedimente bedingt ein vielgestaltiges Strombett, das durch Sedimentationsvorgänge, Bank- und Transportkörperbildung sowie durch stark reliefierte Vorländer mit z.T. großflächigen Dünenfeldern geprägt ist und damit einer Vielzahl von Habitatansprüchen gerecht wird.
Neben regional begrenzten Abschnitten mit überwiegender Tiefenerosion befinden sich bereits heute weite Stromabschnitte nur in einem quasistabilen Bettzustand. Das bedeutet, daß alle wasserbaulichen Eingriffsmaßnahmen im Elbestrom u.a. im Hinblick auf die Veränderungen der lokalen und großräumigen Sohlenstabilität zu beurteilen sind. Diese wichtigen Analysen stellen Schnittstellen zu allen biotischen Aspekten in Strom und Auen dar.
Die morphologischen Untersuchungen der Elbe stammen aus den 60er und 90er Jahren. Zur Verifizierung und Verdichtung der vorhandenen Ergebnisse sind weitergehende Messungen bzw. Untersuchungen erforderlich. Wissensdefizite bestehen bezüglich der
- Analyse und Bewertung der zeitlichen und räumlichen Variabilität der Strömungs- und Feststofftransportvorgänge,
- Massenbilanzierung bei differenzierter Betrachtung von Geschiebe- und Schwebstofftransport,
- Bedeutung des Interstitials als Lebensraum und damit für die (Wieder-)Besiedlung des Flußbettes und
- Entwicklung alternativer, auch ökologisch verträglicher wasserbaulicher Maßnahmen.
1.2.2 Wasserbauliche Maßnahmen
In der Tschechischen Republik und der Bundesrepublik sind die Elbe und ihre großen Nebenflüsse als Binnenwasserstraßen ausgewiesen. Der deutsche Flußlauf der Elbe wird insbesondere durch natürliche Fixpunkte (z.B. Domfelsen in Magdeburg) und Flußregelungsbauwerke - wie Buhnen, Kopf- und Sohlschwellen, Leit- und Deckwerke u.a. - geregelt; die einzige Staustufe liegt bei Geesthacht (Elbe-km 586).
Als Ausbauziel für die Elbe wird vom Bundesverkehrsministerium eine Fahrrinnentiefe von 1,6 m und eine Fahrrinnenbreite von 50 m an mindestens 345 Tagen im Normaljahr angestrebt.
Um dieses Ausbauziel ohne die Errichtung von Staustufen zu erreichen, werden derzeit umfangreiche Sanierungsmaßnahmen an den z.T. verfallenen Flußregelungsbauwerken durchgeführt. Diese Sanierungsmaßnahmen können die Sohlenerosion verstärken und damit die fließgewässer- und auentypischen Lebensgemeinschaften beeinträchtigen.Es ist zu klären, wie diese technischen Maßnahmen zukünftig nicht allein nach wirtschaftlichen Kriterien geplant, sondern insbesondere auch unter morphologischen und ökologischen Gesichtspunkten verträglich gestaltet und durchgeführt werden können. Entsprechende Wissenslücken z.B. hinsichtlich Ufergestaltungs- und Strombaumaßnahmen sind zu schließen, wobei diese Erkenntnisse auch in die Erarbeitung von Unterhaltungs- und Begleitplänen einfließen sollen.
Die im Hauptstrom liegenden Staustufen befinden sich, mit Ausnahme der genannten Staustufe Geesthacht, auf tschechischem Gebiet; hier wird ein Großteil des Geschiebes der Elbe zurückgehalten. In der Tschechischen Republik ist auf ca. 210 km Flußlauf Schiffahrt mit einer Tauchtiefe von ca. 2 m nahezu ganzjährig möglich.
Laufverkürzungen und Breiteneinschränkungen des Stromes stellen Hauptursachen der Erosionserscheinungen dar. Aufgrund der derzeitigen Höhenlage der Buhnen und Deckwerke ("Herauswachsen") sowie der angestrebten Vergleichmäßigung des Flußbettes durch zukünftige Strombaumaßnahmen können größere Durchflüsse mit erhöhter Fließgeschwindigkeit den "Flußschlauch" passieren und begünstigen somit die Tiefenerosion. Zukünftige Bau- bzw. Sanierungsmaßnahmen sind an die aktuellen Wasserspiegellagenverhältnisse anzupassen, um eine Stabilisierung des Flußbettes zu bewirken. Die derzeit zur Stabilisierung des Wasserspiegels und damit zur Verminderung der Erosion in anderen Flüssen angewandten Verfahren (z.B. Geschiebezugabe) bzw. durchgeführten Maßnahmen (z.B. Kulturwehre) sind hinsichtlich ihrer Übertragbarkeit auf die Elbe zu prüfen.
In den Elbenebenflüssen existieren zahlreiche Wehre und Staustufen, teilweise mit Was-serkraftnutzung. Stauanlagen sowie - z.T. verfallene - Flußregelungsbauwerke in der Elbe (Buhnen, Deckwerke etc.) greifen stark die Abflußdynamik, den Feststoffhaushalt und die biologische Durchgängigkeit im Längsverlauf des Fließgewässersystems ein. Damit stellen diese Bauwerke zum einen eine der Ursachen der Tiefenerosion dar, zum anderen verändern sie das faunistische Wiederbesiedlungspotential.
Flußregulierende Bau- und Sanierungsmaßnahmen beeinflussen das hyporheische Lückensystem der Stromsohle und des Ufersaums, das vielfältige ökologische Funktionen - z.B. als Refugialbiotop, als Lebensraum für Mikro- und Makroorganismen sowie als Laichplatz für Fische - besitzt und damit auch zum Selbstreinigungsvermögen des Fließgewässersystems beiträgt. Wissensdefizite bestehen hinsichtlich der Zusammenhänge zwischen den Lebensraumfunktionen morphologischer Strukturen und der Organismenbesiedlung sowie hinsichtlich der Auswirkungen flußbaulicher Maßnahmen.
In den Talgrundwasserleitern der Elbe, die weiträumig zur Trinkwasserversorgung herangezogen werden, sind komplizierte Strömungsverhältnisse anzutreffen, wie z.B. Unterströmung der Elbe und Grundwasserströme in den Auen. Wissensdefizite bestehen insbesondere bzgl. der Auswirkungen von wasserbaulichen Maßnahmen auf die Grundwasser- und Stoffdynamik sowie auf die Reichweite der In- und Exfiltration von Stoffen.
Einen weiteren Problembereich stellt die starke Verringerung der natürlichen Retentionsflächen dar (z.B. im heutigen Regierungsbezirk Magdeburg von ca. 220.000 ha auf ca. 35.000 ha).
Zum Schutz von Siedlungen und landwirtschaftlich genutzen Flächen wurden - vereinzelt seit dem 12. Jahrhundert und verstärkt seit Beginn des großräumigen preußischen Deichbaus - in weiten Abschnitten Hochwasserschutzanlagen errichtet.
Derzeit werden im Auftrag einiger Elbeanrainerländer Sanierungskonzepte für den Umgang mit unterhaltungsbedürftigen Deichen entwickelt. Neben konventionellen Unterhaltungsmaßnahmen wird für einige Abschnitte Deichrückverlegung/ Deichschlitzung mit dem Ziel geplant, ehemalige Überflutungsflächen für eine Auenregenerierung zu gewinnen und damit einem ökologischen Hochwasserschutz Rechnung zu tragen. In diesem Zusammenhang sind die hydrologischen, hydraulischen und morphologischen Änderungen innerhalb der wiederhergestellten Retentionsflächen und im Fluß nicht ausreichend bekannt.
1.2.3 Schnittstellen zu anderen Themen
Inwieweit sich Grundwasserspiegelabsenkungen auf die Entwicklung der Flora und Fauna in den Auen und auf mögliche Formen der Landnutzung auswirken, ist differenziert zu analysieren und zu beurteilen (vgl. Teilkonzept "Ökologie der Auen" und "Ökologie der Fließgewässer", Abschnitt "Stoffdynamik").
Die Existenz bestimmter flußmorphologischer Strukturen (Laichplätze, Aufwuchsgebiete) ist die Voraussetzung für die Reproduktion elbetypischer Fischarten. Durch wasserbauliche Maßnahmen können diese Strukturen zum Nachteil der Fischpopulationen verändert werden (vgl. Teilkonzept "Ökologie der Fließgewässer" und "Ökologie der Fließgewässer", Abschnitt "Fischfauna").
Die Flußsohle und das Interstitial sind Lebensraum für einen Großteil der aquatischen Fauna, die wesentlich zum Stoffumsatz und damit zum Selbstreinigungsvermögen eines Gewässers beitragen. Änderungen des Feststoffhaushalts wirken sich deshalb auch unmittelbar auf die Biozönosen aus (vgl. Teilkonzept "Ökologie der Fließgewässer", Abschnitt "Stoffdynamik").
Entsprechend der skizzierten Schnittstellen stellt die Bearbeitung ökomorphologischer Themenbereiche Anforderungen an die Fachdisziplinen Wasserbau, Hydraulik, Hydrologie, Geomorphologie, Auenökologie, Limnologie, Fischökologie u.a.. Aus diesem Grund sollen diese Fachgebiete in Verbundforschungsvorhaben mit gemeinsamen bzw. sich ergänzenden Themenstellungen eingebunden werden.
1.3 Prioritäre Forschungsaufgaben
Flußmorphologische Strukturen und deren Entwicklung beeinflussen direkt die biotischen Funktionen und Prozesse eines Fließgewässersystems. Die vielfältigen Eingriffe in die Stromlandschaft Elbe (vgl. Abschnitt 1.2) und deren derzeit meist nicht abschätzbaren Auswirkungen auf das Ökosystem zeigen die Dringlichkeit und damit die hohe Priorität der ökomorphologischen Forschung innerhalb der "Elbe-Ökologie".
1.3.1 Problemorientierte Auswertung vorhandener Untersuchungsergebnisse
Vorhandene Datensätze sind für die Entwicklung großräumiger Modelle, die die Strömungs- und Morphodynamik als Grundlage für biotische Untersuchungen in Strom und Aue erfassen sollen, problemorientiert auszuwerten und zu validieren.
Insbesondere gilt dies für geometrische, hydrologische und morphologische Daten unterschiedlicher räumlicher und zeitlicher Auflösungen. Hierzu gehören u.a. folgende Daten: Querprofile des Flußbettes, der Vorländer inkl. Deichaufnahmen, Wasserspiegellagen, Ganglinien, Schwebstoff-, Geschiebetransport, etc..
Lücken in der vorhandenen Datenlage sind projektbezogen zu identifizieren und zu schließen. Für zukünftige Datenerhebungen ist im Hinblick auf die Datenverwaltung ein Anforderungskatalog zu erarbeiten und fortzuschreiben.
Vorhandene Literatur bzw. Veröffentlichungen sind zu sichten, problemorientiert zusammenzustellen und auszuwerten, um z.B. Analysen zum historischen Strom- und Sohlenverlauf durchzuführen.
1.3.2 Entwicklung ökologischer Leitbilder
Der Wissensbedarf zur Analyse und Bewertung morphologischer Strukturen und deren ökologischen Funktionen ist insbesondere darin begründet, daß hierfür bisher keine einheitlichen Parameter für große Ströme definiert wurden. In die Entwicklung von Bewertungsmaßstäben und ökologischen Leitbildern (vgl. Rahmenkonzept, Abschnitt 3.1) sind
- historische Unterlagen u.a. zum Strom- und Sohlenverlauf auszuwerten sowie
- naturnahe Referenzgewässerstrecken festzulegen und zu dokumentieren,
Aufbauend auf vorhandene Methoden und Instrumentarien (z.B. Gewässerstrukturgütekartierung für kleine Fließgewässer der LAWA) ist ein Bewertungsverfahren für große Fließgewässer zu entwickeln. Abiotische Parameter und biotische Indikatoren sind so auszuwählen, daß morphologische Strukturen und ökologische Funktionen sowie deren natürliche bzw. anthropogene Veränderungen bewertet werden können.
Dies gilt insbesondere für die Bedeutung
- der Strukturen im Schwankungsbereich zwischen Niedrig- und Mittelwasser,
- von flußtypischen Sohlen- und Auenstrukturen (Interstitial, Transportkörper, Auenwälder, Altarme etc.) (vgl. Teilkonzept "Ökologie der Auen" und Teilkonzept "Ökologie der Fließgewässer", Abschnitt "Stoffdynamik"),
- des natürlichen und des schiffahrtsbedingten Feststofftransportes für die Wiederbesiedlung der Sohle (vgl. Teilkonzept "Ökologie der Fließgewässer", Abschnitt "Stoffdynamik") und
- der Sohlenstrukturen, des Geschiebetransportes und der Sedimentation/ Kolmation für die Reproduktion der Fischfauna (vgl. Teilkonzept "Ökologie der Fließgewässer", Abschnitt "Fischfauna").
1.3.3 Entwicklung von Instrumentarien zur Analyse der Morphodynamik und zur Prognose von Eingriffsfolgen
Instrumentarien, die die Dynamik eines Fließgewässers erfassen, basieren auf Geländemodellen, die sowohl das Gerinne als auch die Vorländer (Überflutungsräume) und Deiche im Quer- und Längsprofil erfassen. Die vorhandenen Quer- und Längsprofildatensätze sind den Fragestellungen entsprechend aufzubereiten und ggf. zu ergänzen. Als Grundlage insbesondere für die biotische Forschung soll ein großräumiges Geländemodell erstellt werden, das den gesamten Strom Elbe und dem Bedarf entsprechend auch die Nebenflüsse erfaßt.
Aufgabe eines großräumigen Strömungsmodells für die Elbe und die Mündungsbereiche der Nebenflüsse wird es sein, die Abflußdynamik (Veränderungen der Wasserspiegellagen, Fließgeschwindigkeiten) zu erfassen sowie Auswirkungen von flußbaulichen und wasserwirtschaftlichen Eingriffen in das Fließgewässer und die Überflutungsbereiche darstellen zu können.
Morphologische Modelle sind abschnittsspezifisch zu erstellen, um Sohleninstabilitäten bzw. Tiefenerosionserscheinungen erfassen zu können und Maßnahmen zur Sohlenstabilisierung insbesondere dort zu entwickeln, wo sie aus Sicht der Auenentwicklung als vordringlich einzustufen sind.
Vorhandene Grundwassermodelle für die Vorländer/ Auen sind so weiter zu entwickeln (vgl. Teilkonzept "Ökologie der Auen", Abschnitt 3.2), daß Auswirkungen von Eingriffen in das Flußsystem auf die Grundwasserdynamik und -beschaffenheit sichtbar werden. Insbesondere sind die In- und Exfiltrationsvorgänge bzw. die Ausbreitungsmechanismen (z.B. von Schadstoffen im Uferfiltrat) zu erfassen.
Es sind gekoppelte Flußgebiets-Grundwasser-Vegetationsmodelle zu entwickeln. Diese sollen in der Lage sein, die Wechselwirkungen abiotischer Parameter und biotischer Indikatoren darzustellen.
Ziel ist es, Folgewirkungen von Nutzungen und Eingriffen in das Fließgewässersystem abschätzen zu können; zusammenfassend handelt es sich dabei um die
- Untersuchung der räumlichen und zeitlichen Variabilität des Schweb- und Feststofftransportes; Massenbilanzierung und -differenzierung von Schwebstoffen und Geschiebe;
- Analyse der Auswirkungen der Sohleninstabilität auf abiotische Faktoren (z.B. Korngrößenverteilung, Grundwasserdynamik in den Vorländern) sowie biotische Funktionen und Prozesse in Strom (z.B. Besiedlung des Interstitials), und Auen(z.B. Auenwaldentwicklung); Untersuchung des Zusammenwirkens der primären Ursachen der derzeitigen und zu erwartenden Tiefenerosion; natürliche Selbststabilisierung der Strömung aufgrund naturnaher Flußbettgestaltung;
- großräumige Analysen der Abflußdynamik insbesondere im Hinblick auf die
- Untersuchungen der Folgewirkungen von Nutzungen (z.B. Schiffahrt) wasserbaulichen Einzelmaßnahmen (z.B. Kolkverbau, Buhnen) auf ökomorphologische Strukturen;
- Auswirkungen von Flußbaumaßnahmen auf die In-/ Exfiltration von (Schad-) Stoffen in die Grundwasserleiter der Uferbereiche;
- Entwicklung von ökonomisch und ökologisch verträglichen Maßnahmenvarianten für wasserbauliche Eingriffe in die Stromlandschaft, z.B. Flußbettstabilisierung,
- Entwicklung von Instrumentarien zur Erfolgskontrolle umgesetzter Maßnahmen.
- Auswirkungen flußbaulicher Maßnahmen (bzgl. Tiefenerosion, Strömungsdynamik, Wasserspiegellagen, Besiedlungspotential, Erreichung ökonomisch angestrebter Ausbauziele),
- Folgewirkungen der Deichrückverlegung, -schlitzung und -sanierung (z.B. für die Hochwasserableitung, Lebensgemeinschaften der Auen) und
- Möglichkeiten der Entwicklung und Umsetzung ökologisch verträglicher Ufergestaltungsmaßnahmen;
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