MB3_HydromorpholDiversitaetsindex_30062011_SYN

> Der hydromorphologische Index der Diversität: ein Tool für Projekte im
Flussbau
Wörter: ca. 22‘890 Zeichen (inkl. Leerschläge – erlaubt max. 24‘000); Unterstrichen: Glossarbegriffe
Walter Gostner, Anton J. Schleiss
Die strukturelle Vielfalt bildet eine der Kernvoraussetzungen für die Funktionsfähigkeit der
Gewässerökosysteme. Mit dem im vorliegenden Merkblatt beschriebenen hydro-morphologischen
Index der Diversität steht dem Wasserbauer ein Werkzeug zur Verfügung, welches es ihm erlaubt, die
Wirkung der flussbaulichen Projekte im Hinblick auf die Verbesserung der Strukturvielfalt zu
beurteilen.
Titelbild
Diese Einleitung ist eigentlich überflüssig, da sie keine Resultate für die Praxis enthält. In einem
Merkblatt für die Praxis sollte auf allgemeine Einleitungen verzichtet werden.
Die Komplexität der durchzuführenden Projekte erfordert es, dass diese von interdisziplinär
zusammengesetzten Projektgruppen und in einem partizipativen Entscheidungsprozess, bei dem alle
Interessensgruppen mit einbezogen werden, geplant und umgesetzt werden. Der Wasserbauingenieur
benötigt dabei nicht mehr nur Instrumente zur fachgerechten Auslegung der
Hochwasserschutzmassnahmen, vielmehr muss er imstande sein, die Projekte so zu gestalten, dass
auch die Voraussetzungen für die Funktionsfähigkeit der Gewässerökosysteme verbessert werden.
Der in diesem Merkblatt vorgestellte hydro-morphologische Index der Diversität (HMID) trägt diesen
Anforderungen Rechnung. Er soll in erster Linie als Werkzeug dienen, bei Variantenvergleichen von
flussbaulichen Projekten die aus ökologischer Sicht zu priorisierenden Massnahmen festlegen zu
können.
Strukturvielfalt als Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit der Gewässerökosysteme
Für die Funktionsfähigkeit der Gewässerökosysteme ist eine Vielzahl sich gegenseitig beeinflussender
Faktoren abiotischer und biotischer Natur mitbestimmend (Abb. 1). Bei den abiotischen Faktoren spielt
3 Der hydromorphologische Index der Diversität
neben der chemischen Gewässergüte vor allem die Gewässermorphologie eine tragende Rolle. Stellt
man Fliessgewässer mit natürlicher und künstlicher Morphologie einander gegenüber (Abb. 2), sind in
natürlichen Abschnitten (Bild links) stark variable Ausprägungen der Strömung zu erkennen: Zonen
mit hoher Fliessgeschwindigkeit wechseln sich ab mit Bereichen hoher Fliesstiefe und geringer
Fliessgeschwindigkeit. Weiters gibt es Wasserruhezonen, Kiesbänke unterschiedlicher Höhe und
dementsprechend verschiedenen Vegetationscharakteristiken und Sukzessionsstadien, Vorkommen
von Totholz und ein buntes Patchwork an verschiedenen Substrateigenschaften. Auch ist zwischen
dem Fliessgewässer und dem umliegenden Umland ein breiter Ufergürtel vorhanden. In kanalisierten
Abschnitten hingegen (Bild rechts) ist eine starke Monotonie mit konstant bleibenden
Strömungsmustern sowohl in Längs- als auch in Querrichtung und fehlenden aquatischen und
terrestrischen Habitaten zu beobachten.
Es ist weitgehend akzeptiert und durch Untersuchungen nachgewiesen, dass die Veränderung und
vor allem Homogenisierung der Gewässermorphologie in den Fliessgewässern zu einer Dezimierung
von Artenreichtum und Biomasse führt. Umgekehrt gilt der Grundsatz, dass die strukturelle Vielfalt des
Lebensraumes in verschiedenen räumlichen Massstabsebenen eine der wichtigsten
Grundvoraussetzungen für ein Entwicklung und Erhaltung artenreicher Lebensgemeinschaften ist
(Jungwirth et al., 2003).
Deshalb zielen viele Revitalisierungsprojekte an Fliessgewässern darauf ab, die morphologische
Vielfalt wieder herzustellen und damit sowohl für die in Flusslandschaften lebenden terrestrischen
Lebewesen als auch für die aquatischen Organismen eine hohe Vielfalt von Habitaten zu schaffen.
Diese ist notwendig, um den Gewässerlebewesen und semiaquatischen Lebensgemeinschaften für
verschiedene Lebensstadien und Aktivitäten Teillebensräume bereitzustellen. Fische zum Beispiel
erheben im Lauf ihres Lebenszyklus verschiedene Ansprüche an ihre Umwelt: es braucht geeignete
Laichplätze mit dem entsprechenden Sohlsubstrat, für die Nahrungsaufnahme begeben sich die
Fische in Bereiche schnellfliessenden Wassers mit hohem Nahrungsangebot, dann wiederum
benötigen sie zur Erholung Bereiche mit hohen Fliesstiefen und geringer Fliessgeschwindigkeit, wobei
die Präferenzen für Jungfische anders sind als für adulte Fische. Organismen können sich also nur
behaupten und erhalten, wenn ein bestimmtes Grundangebot an von ihnen benötigten Habitaten
vorhanden ist.
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3 Der hydromorphologische Index der Diversität
Der hydro-morphologische Index der Diversität (HMID)
Für die Entwicklung des HMID wurden folgende Hypothesen postuliert:
a. Die strukturelle Vielfalt eines Fliessgewässerabschnittes lässt sich mithilfe der dafür
massgebenden Schlüsselfaktoren und ihrer statistischer Parameter erfassen;
b. Die statistischen Parameter können anhand einer mathematischen Formulierung in einem
globalen Index zusammengefasst werden, der somit die strukturelle Vielfalt des
Fliessgewässerlebensraumes zu charakterisieren vermag.
Das wichtigste Charaktermerkmal des HMID ist seine Fähigkeit zur Vorhersage, womit er
hauptsächlich bei der Planung von flussbaulichen Projekten Anwendung finden kann. Anhand von
numerischen Abflussmodellierungen und darauffolgender statistischer Analyse der Schlüsselvariablen
kann der HMID für einzelne zur Diskussion stehende Varianten berechnet werden. Aus dem Vergleich
des für die einzelnen Varianten berechneten Wertes für den HMID kann man jene Variante definieren,
die das Fliessgewässer mit dem besten Strukturreichtum auszustatten imstande ist. Auch kann eine
Abschätzung darüber getroffen werden, inwieweit eine gewählte Variante sich aus
struktureller-morphologischer Sicht an den gewünschten Referenzzustand bzw. an das vorgegebene
Leitbild annähern kann.
In zeitlicher Sukzession betrachtet reiht sich der HMID damit zwischen den Methoden, welche eine
Bewertung des Ist-Zustandes eines Fliessgewässers erlauben (z.B. BUWAL, 1998) und den Anlass
zur Lancierung eines Projektes geben können, und den Methoden für die Erfolgskontrolle (z.B.
Woolsey, 2005), welche nach Umsetzung des Projekts zur Anwendung kommen, ein. Er füllt damit
jene Lücke, die zwischen der Bewertung von Fliessgewässern vor und nach Durchführung eines
flussbaulichen Projektes liegt und schafft eine Möglichkeit, als Ergänzung zu den gängigen
Bewertungsmethoden eine a-piori Bewertung von Projekten vorzunehmen und diese in
strukturell-morphologischer Hinsicht zu optimieren.
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3 Der hydromorphologische Index der Diversität
Die Entwicklung des HMID lief in mehreren Phasen ab (Gostner & Schleiss, 2010). An verschiedenen
Fliessgewässern in der Schweiz (Bünz - Kanton Aargau, Venoge - Kanton Waadt, Sense - Kantone
Freiburg/Bern) erfolgten bei Mittelwasserabfluss Felderhebungen mit der Aufnahme von hydraulischen
und morphologischen Grössen (Abb. 3). Allen Fliessgewässern ist gemein, dass Abschnitte mit
unterschiedlicher morphologischer Charakteristik vorhanden sind. Diese reicht von vollständig
naturbelassen über teilweise bis hin zu komplett verbaut, auch sind revitalisierte Abschnitte
vorhanden. An jedem der untersuchten Abschnitte wurden Querprofile definiert, entlang welcher
jeweils an den selben Punkten die topographische Lage, die Sohlhöhe, die Wassertiefe und die
Fliessgeschwindigkeit aufgenommen wurden. Weiters wurde die Korngrössenverteilungen der
vorhandenen Sohlsubstrate erhoben.
Danach erfolgte die Auswertung der erhobenen Daten, um wiederkehrende Muster und innere
Abhängigkeiten der gemessenen abiotischen Variablen zu erkennen. Aufgrund dieser statistischen
Analysen konnte die wichtige Erkenntnis gezogen werden, dass sich die Variabilität der Morphologie
und der Sohlsubstrate in der Variabilität der einfachen hydraulischen Grössen Fliesstiefe,
Fliessgeschwindigkeit und benetzte Breite widerspiegelt. Auch die komplexen hydraulischen Variablen
wie Sohlenschubspannung, Reynolds- oder Froudenummer sind direkt von den einfachen
hydraulischen Grössen abhängig. Aus diesem Grund ist es durchaus legitim, dass die strukturelle
Variabilität durch die Variabilität der hydraulischen Grössen ausgedrückt wird.
Stellt man die hydraulischen Grössen einander gegenüber, lassen sich verschiedene Beobachtungen
anstellen (Abb. 4). In kanalisierten Abschnitten (S3 an der Bünz, S2 und S3 an der Venoge, S5 an der
Sense) ist die Standardabweichung und somit auch Diversität der Variablen gering. Besonders evident
ist dies bei der benetzten Breite, aber auch bei Fliesstiefe und -geschwindigkeit bleibt die Streuung auf
einen engen Bereich beschränkt. Auch ist in diesen Abschnitten eine hohe durchschnittliche
Fliessgeschwindigkeit zu beobachten, Stillwasserzonen sind kaum vorhanden. An den
naturbelassenen Abschnitten hingegen lässt sich eine grössere Variabilität der Messgrössen
feststellen. Dies lässt die Schlussfolgerung zu, dass gemäss Erwartungen die Diversität der
abiotischen Umwelt an den natürlichen Abschnitten (S1 und S2 an der Bünz, S1 und S4 an der
Venoge, S1 bis S3 an der Sense) deutlich höher ist als an kanalisierten Strecken (S3 an der Bünz, S2
und S3 an der Venoge, S5 an der Sense) oder auch am revitalisierten Abschnitt S4 der Bünz.
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3 Der hydromorphologische Index der Diversität
Zur Beschreibung der Vielfalt kann die Standardabweichung s verwendet werden (Palmer et al.,
1997), wobei deren Gewichtung eng mit dem Mittelwert µ zusammenhängt. Dieser Umstand kann am
besten mit dem Variationskoeffizienten cv = s/µ ausgedrückt werden. Die Teilvielfältigkeit eines
einzelnen Parameters lässt sich wie folgt berechnen (Schleiss, 2005):
V(i)  1 
 2i
 2i
Der HMID für einen Abschnitt wiederum wird aus dem Produkt der Teilvielfältigkeitsindizes für
Fliessgeschwindigkeit, Fliesstiefe und benetzte Breite berechnet:
HMID Abschnitt   V(i)  V(v)V(t)V(b)
i
Diese vorliegende Formulierung für den HMID beschreibt die räumliche Vielfalt der abiotischen
Umwelt. Durch numerische 2d-Modellierung der Untersuchungsabschnitte an der Sense für
verschiedene Abflüsse konnte nachgewiesen werden, dass der HMID in natürlichen Abschnitten für
nahezu alle im Jahresverlauf auftretenden Abflüsse (mit Ausnahme jener, die an ca. 5 Tagen pro Jahr
überschritten werden) annähernd konstant bleibt, während der HMID in verbauten Abschnitten mit
grösser werdenden Abflüssen sukzessive kleiner wird. Es sind also auch im Hinblick auf die zeitliche
Variabilität Unterschiede zwischen Abschnitten mit verschiedener morphologischer Ausprägung
festzustellen.
Der HMID stellt ein Hilfsmittel für die Optimierung von flussbaulichen Projekten im Hinblick auf die
Verbesserung der Strukturvielfalt dar. Er enthebt die zuständigen Fachstellen und den beauftragten
Wasserbauingenieur jedoch nicht der Pflicht zur Beachtung verschiedener Grundsätze, die es zur
Umsetzung eines nachhaltig wirksamen und erfolgreichen Projekts zu bewältigen gilt.
In erster Linie ist bei Projekten im Flussbau und vor allem bei Revitalisierungsprojekten ein Leitbild mit
klar definierten Zielen zu definieren (Palmer et al., 2005) und dementsprechend die Frage zu
beantworten, ob die strukturell-morphologischen Eigenschaften tatsächlich eine relevante Hürde auf
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3 Der hydromorphologische Index der Diversität
dem Weg zu diesem Leitbild darstellen. Sind nämlich andere Elemente massgeblich für eine verarmte
Biodiversität verantwortlich (z.B. zu starke Fragmentierung des betroffenen Fliessgewässers,
Nährstoff- und Sedimenteinträge durch eine intensive landwirtschaftliche Nutzung bis an den
Gewässerrand, mangelnde chemische Gewässergüte, usw.) und wird dieser Frage nicht auf den
Grund gegangen, können Massnahmen zur Verbesserung der Strukturvielfalt eventuell ohne positive
Effekte bleiben und damit den erwarteten Erfolg des Projektes nicht erreichen.
Weiters ist es unabdingbar, die Dynamik des Fliessgewässers und sein langfristiges Verhalten im
betroffenen Fliessgewässerabschnitt zu untersuchen und zu beurteilen. Fliessgewässer, die langfristig
positive strukturelle Lebensbedingungen anbieten, sind durch ein dynamisches Gleichgewicht
gekennzeichnet. Es treten zwar in periodischen Abständen bettbildende Prozesse mit der Neubildung
der Habitate auf, es kommt aber zu keinen irreversiblen Eintiefungs- bzw. Auflandungstendenzen, die
in der Regel zu einer Dezimierung des Habitatsangebot führen. Um diese Vorgänge bewerten zu
können, sind Untersuchungen des Geschiebe- und Wasserhaushaltes auf der Einzugsgebietsebene
notwendig.
Überdies ist bei Projekten, die integrale und ganzheitliche Ansätze verfolgen, auch in Zukunft die
fächerübergreifende Zusammenarbeit und der Input von Experten mit unterschiedlichem Hintergrund
notwendig. Die Abkehr von sektoriellen Betrachtungsweisen ist zu intensivieren und bereits bei der
Definition von Projektvarianten sind alle Entscheidungsträger und Interessensgruppen in einen
partizipativen Prozess einzubinden (s. auch Hostmann et al., 2005).
Anwendungsbeispiel für den HMID
In Abb. 5 ist ein Beispiel von möglichen Projektvarianten bei einem Revitalisierungsprojekt skizziert.
Als Ausgangszustand wird ein kanalisierter, trapezprofilförmiger und mit einem festen Uferschutz
gesicherter Abschnitt angenommen. Weiters wird die Annahme zugrunde gelegt, dass der betreffende
Abschnitt in seinem Referenzzustand ein verzweigter kiesführender Alpenfluss war und dass eines der
Zieles des Projektleitbildes ist, den Fluss wieder in Nähe des morphologischen Referenzzustandes zu
bringen.
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3 Der hydromorphologische Index der Diversität
Die ins Auge gefassten Massnahmen könnten sein: kleinräumiger Eingriff durch die Platzierung von
Störsteinen (Variante 1), die Auflösung einer der beiden Uferlinien zur Initiierung von alternierenden
Kiesbänken mit einem verdeckten Uferschutz am Rande des zugelassenen Pufferstreifens (Variante
2) oder eine Aufweitung mit Auflösung beider Uferlinien und Zulassen der vollständigen Eigendynamik
des Fliessgewässerabschnitts ohne laterale Einschränkungen (Variante 3).
Der HMID für die einzelnen Projektvarianten wird nun folgendermassen ermittelt:

Durchführung einer numerischen 2d-Modellierung für den Mittelwasserabfluss. Als Eingabedaten
für die Modellierung dienen das im Normalfall bereits vorliegende DTM der einzelnen Varianten,
da es auch für die Hochwasserabflussberechnung benötigt wird, und der Mittelwasserabfluss, der
entweder zu berechnen ist oder aus einer vorliegenden Abflussdauerkurve abgelesen werden
kann.

Auslesen der Fliessgeschwindigkeiten und Abflusstiefen für die einzelnen Zellen des Gitternetzes
des numerischen Abflussmodells sowie Definition einer genügend grossen Anzahl von
Querprofilen (mindestens 15) und Feststellung der jeweiligen benetzten Breite.

Berechnung der Mittelwerte und Standardabweichungen für die hydraulischen Variablen
Fliessgeschwindigkeit, Abflusstiefe und benetzte Breite und Berechnung des HMID gemäss oben
wiedergegebener Formel.
Variante 1 stellt in Bezug auf die strukturell-morphologische Vielfalt lediglich eine leichte Verbesserung
dar, sie ist auch eher als Habitatverbesserungsmassnahme denn als Revitalisierung zu beschreiben.
Bei Variante 2 ist ein wesentlich höherer HMID zu erreichen, aufgrund des nach wie vor existierenden
Uferschutzes ist aber auch bei Variante 2 keine vollständige Entwicklung der natürlichen aquatischen
und terrestrischen Habitate vorherzusehen. Variante 3 hingegen wäre für die Revitalisierung des
betroffenen Abschnittes ein Optimum: es kann sich eine grosse Vielfalt an Habitaten ausbilden und
der Fluss erhält wieder eine sehr hohe Eigendynamik, wodurch eine starke Verbesserung der
Biodiversität zu erwarten ist.
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3 Der hydromorphologische Index der Diversität
Durch die Anwendung des HMID eröffnet sich die Möglichkeit, den voraussichtlichen Erfolg von
verschiedenen zur Diskussion stehenden Projektvarianten abzuschätzen und somit im Sinne der
Gewässerschutzverordnung (Art. 41d.2b) eine Feststellung darüber zu treffen, welcher Nutzen im
Verhältnis zum voraussichtlichen Aufwand zu erwarten ist.
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