Staugewässer verlanden

'Last century was used to build reservoirs. This one will be used to solve sediment problems.‘
World Bank

Verlandung

Durch anthropogene Eingriffe in natürliche Gewässer hat der Mensch die Hydromorphologie stark verändert. Dies hat signifikante Auswirkungen auf den Sedimenthaushalt und somit direkt auf die Ökologie des Gewässers. Zu den Hydromorphologischen Qualitätskomponenten gehören laut der WRRL zu einem sehr guten Zustand eines Oberflächengewässers die Durchgängigkeit für Sedimente als notwendiges Kriterium. Für erheblich veränderte oder künstliche Wasserkörper gilt es, die beste Annäherung an die ökologische Durchgängigkeit sicherzustellen. 

Es gilt die Problematik der Verlandung langfristig zu lösen, um somit alle Stakeholder und Schutzgüter dauerhaft ins Gleichgewicht zu bringen. Dabei müssen neben den anthropologischen und wirtschaftlichen Interessen ebenfalls die ökologische Nachhaltigkeit von Lebewesen und Lebensräumen beachtet werden. Für eine nachhaltige Gewässerbewirtschaftung sollte das Sediment dem Sedimenthaushalt nicht dauerhaft entnommen werden, sondern dem System direkt wieder hinzugefügt werden.

Verlust von Stauraum

Stauseen sind wichtige und teure Infrastrukturen. Sie versorgen uns in Trockenzeiten und schützen gleichzeitig vor Hochwasser. Aber mit der Zeit sedimentiert jeder Stausee. Er verliert schleichend seine Funktion und wird von einem Segen zu einer Last.

Viele Staubecken werden zudem als Retentionsraums genutzt, um das Hinterland vor Überschwemmung und Schäden durch Fluten zu schützen. Durch den Klimawandel scheinen Extremwettersituationen wie Starkregenereignisse in Frequenz und Ausprägung zuzunehmen. Die dauerhafte Funktionalität der Retentionsräume ist daher zukunftsrelevant.

In südlicheren Regionen nehmen Dürreperioden zu, es gilt Wasser zu schützen und nicht zu verschwenden. Herkömmliche Methoden zur Entsedimentierung von Staugewässern gehen mit einem hohen Wasserverlust einher und haben somit negative Auswirkungen auf die Umwelt.

„Verlandung ist eine Sache. Das bedeutet aber vor allem, dass im Unterwasser zu wenig natürliches Sediment verfügbar ist. Das schadet Pflanzen, Tieren, verödet Auen und Uferregionen und gefährdet mittelfristig die Standfestigkeit von Brücken und sonstigen Kunstbauwerken.“
Thomas Groß, Geschäftsführer Hülskens Sediments GmbH

Erosion, Sedimentmangel und Bauwerksicherheit

Sedimentmangel in Gewässern

Ein Sedimentmangel im Unterwasser verursacht starke Probleme für Mensch, Flora und Fauna. 

Durch einen Sedimentmangel im Gewässer kommt es unmittelbar zu Erosion von vorhandenem Sohlsubstrat. Die Zusammensetzung der Gewässersohle verändert sich und es kann zur Ausbildung von Panzerschichten kommen. Dies hat Auswirkungen auf den Lebensraum von Kleinstlebewesen, die die Ernährungsgrundlage für angesiedelte Fische bilden. Fehlt die Nahrung wandern Fische ab. Dies kann dazu führen, dass die Qualität eines Gewässers sinkt und bei indigenen Völkern die Fischerei zum Erliegen kommt, sodass es an einer Nahrungsgrundlage fehlt.

Sohl- und Ufererosion

Durch Sohl– und Uferosion kommt es zu einer Erweiterung des Flussquerschnitts. Als Auswirkung kann es zu seltenerem Übertreten des Gewässers über die Ufer kommen. Dadurch wird die Überschwemmung von Flussauen reduziert und die Pflanzen und Bäume bekommen weniger Nährstoffe. Der Lebensraum verändert sich und die Artenvielfalt verringert sich. Die Funktion des Auenwaldes als natürlicher Retentionsraum geht verloren und es kommt zu stärkeren Hochwasserereignissen in urbanen Gebieten. 

Durch die Erosion in Flussdeltas kommt es stetig zu einem erhöhten Landverlust im Delta. Die Küstenlinie schreitet ins Landesinnere hinein und verdrängt Lebensraum für Mensch und Tier. Durch den steigenden Meeresspiegel kann sich dieses Phänomen noch verstärken.

Standscherheit an Wasserbauten

Querbauwerke verändern die Strömungsprozesse in Gewässern und greifen in den natürlichen Sedimenthaushalt ein. Vor dem Querbauwerk kommt es zu Sedimentation, hinter dem Querbauwerk zu einem Mangel an Sediment. Dieser kann im Unterwasser zu tiefen Kolken führen, welche besonders hinter Wasserbauwerken wie Brückenpfeilern oder Seitenbauwerken zu Problemen in der Standsicherheit führen.

Für Staugewässer bedeutet die Sedimentation langfristig einen Verlust der Funktion von wirtschaftlich nutzbarem Stauraum für die Wasserkraft bis hin zur vollständigen Verlandung des Staubeckens.

Staubecken als Retentionsraum

Viele Staubecken werden zudem als Retentionsraums genutzt, um das Hinterland vor Überschwemmung und Schäden durch Fluten zu schützen. Durch den Klimawandel scheinen Extremwettersituationen wie Starkregenereignisse in Frequenz und Ausprägung zuzunehmen. Die dauerhafte Funktionalität der Retentionsräume ist daher zukunftsrelevant. In südlicheren Regionen nehmen Dürreperioden zu, es gilt Wasser zu schützen und nicht zu verschwenden. Herkömmliche Methoden zur Entsedimentierung von Staugewässern gehen mit einem hohen Wasserverlust einher und haben somit negative Auswirkungen auf die Umwelt.

Sediment

Sediment ist ein essenzieller Bestandteil einer gesunden Flussökologie im Mittel-, und Unterlauf sowie im Delta eines Flusses. Während der Boden an der Quelle meist eher felsig und steinig ist, wird das Material flussabwärts kleiner und kiesiger, bis es an der Mündung fast nur noch aus Feinsediment und Sand besteht. 

Sedimenttransport

Das Material wird in verschiedenen Bewegungsprozessen durch den Flusslauf transportiert. Beim bodennahen Transport wird zwischen einer rollenden, springenden oder schiebenden Fortbewegungsweise unterschieden. Zudem gibt es Transportprozesse von gelösten sowie Schwebstoffen in der Wassersäule.

Diese Transportprozesse sind instationär und sofern ungestört, stellt sich ein Transportgleichgewicht im Gewässer ein, welches durch verschiedene Faktoren beeinflusst wird. Vereinfacht gesagt, transportiert der Fluss genauso viel Sediment, wie er durch seine kinetische Energie bewegen kann. Jeder Fluss hat eine spezifische Transportkapazität, die von vielen Faktoren abhängig ist.

Ein Faktor beim Sedimenttransport ist das Gefälle der Gewässersohle, welches mit dem Verlauf eines Flusses stetig abnimmt und wird flacher. Abhängig von der Steigung ist unter anderem die Fließgeschwindigkeit und die damit verbundene kinetische Energie im Fluss. Folglich wird die Transportkapazität des Flusses von der Quelle zur Mündung stetig geringer. Daraus resultiert die bekannte Verteilung des Sohlmaterials im Flussbett. An der Quelle meist steinig und felsig mit großen Steinen, bis zur sandigen und feinsedimentbeladenen Mündung.

Zusätzlich wir das Bodenmaterial stetig durch Abrasion und Erosion beansprucht und zerkleinert.

Sediment und Lebensräume

So wie sich die Gewässersohle von der Quelle bis zur Mündung verändert, so Leben auch unterschiedliche Fischarten in den Flussabschnitten. Diese werden meist über die Leitfische angegeben. In der Quellregion und dem Oberlauf leben, angepasst an die starke Strömung und hohe Fließgeschwindigkeit, schwimmstarke Fische wie Forellen oder Äschen. Im Mittel– oder Unterlauf eher schwimmschwächere Fische wie Barben oder Brachsen.  

In der Nahrungskette der Fische befinden sich unter Anderem Kleinstlebewesen, die im Sohlsubstrat leben wieder. Diese sind an die Lebensbedingungen in ihrem Flussabschnitt angepasst und leben zwischen den Sedimenten verschiedenster Korngrößen.

Auch das Laichverhalten von Fischen kann je nach Art variieren. Für einige Fischarten ist die Sohlsubstratbeschaffenheit für das Laichen relevant, da sie Kies–, Sand- oder Schlammlaichende Fische sind. Sie legen ihre Laich interstitial in den Zwischenräumen oder auf der Oberfläche des Sohlsubstrats ab. Fehlt dem Sohlsubstrat das Feinsediment, kann sich die Fischlaich nur schwer verankern und kann abtreiben.

Sediment und Auen

Das Übertreten eines Flusses über seine Ufer gehört zum natürlichen Gewässerverhalten dazu. Mit dem Übertreten werden für die Pflanzen nährstoffreiche Sedimente angespült, die als natürlicher Dünger verwertet werden. Dies wird z.B. für die Landwirtschaft am Nil in Ägypten ausgenutzt. 

Zudem sind Auenwälder geprägt von dem teilzeitigen Überströmen der Flüsse, sodass sie ihre einzigartige Charakterisik ausprägen können. Sie dienen dem natürlichen Erosionsschutz des Gewässers und befestigen durch ihr asugeprägtes Wurzelsystem das Ufer. Zudem bieten sie Lebensraum für viele verschiedene Tierarten. Auch die in Deutschland vom Aussterben bedrohten Biber bevorzugen Auenwälder als Lebensraum.
Auenwälder sind natürliche Hochwasserrückhalteräume. Durch ihren dichten und flächig verwurzelten Bewuchs nehmen sie Wasser auf und verlangsamen dadurch die Fortbewegung der Hochwasserwelle flussabwärts.