Geschiebehaushalt

A revised Water Protection Act has been in force in Switzerland since 2011. The act states that rivers are to be restored and that negative effects on the ecosystem, caused by installations such as hydropower dams, sediment traps, river controls and gravel extractions, are to be overcome. In the course of strategic planning, the canton of Bern examined the bed load balance in its rivers and identified which installations affect the bed load rate excessively and must be remediated. For all rivers of concern, the average yearly bed load rate under current conditions was determined. This rate was compared to the required bed load rate in order to fulfil animal and plant needs in their habitat. In the canton of Bern installations significantly alter the bed load rate on 56% of the length of the river reaches investigated. 56 installations must be remediated by 2030.

Seit der II. Juragewässerkorrektion und dem Bau der Kraftwerke Flumenthal und Bannwil hat die Geschiebeführung der Aare stark abgenommen. Das resultierende Geschiebedefizit führte zu einer massiven Beeinträchtigung des aquatischen Lebensraums. Auf Basis einer Machbarkeitsstudie beschlossen die Kantone Bern und Solothurn, den Geschiebehauhalt der Aare zwischen Flumenthal und Murgenthal zu reaktivieren. Die Kernstücke der Massnahmen bilden zwei Kiesschüttungen in Deitingen und Aarwangen im Jahr 2005 mit einem Schüttvolumen von 12´000 m3, resp. 10´000 m3. Die Schüttungen wurden im Laufe der Zeit von der Aare teilweise erodiert und der Kies flussabwärts abgelagert. Dies wurde mittels periodisch statt findender Vermessung der Kiesschüttungen, weiterer Kontrollprofile sowie durch ein morphologisches Monitoring bei Wolfwil-Wynau dokumentiert. Als Indikator für die Wirkung dieser Kiesschüttungen auf den ganzen „Lebensraum Aare“ wurden die kieslaichenden Fischarten gewählt. Die Resultate der Äschenlarven-Kartierungen in mehreren Kontrollstrecken sind ermutigend, der Fortpflanzungserfolg der Äschen war unterhalb der Kiesschüttungen um ein Vielfaches grösser als im Ausgangszustand vor den durchgeführten Schüttungen.

Durch die hohen Abflüsse und teilweise sehr hohen transportierten Feststofffrachten während des Hochwassers im August 2005, kam es in der Schweiz an vielen Orten zu grossen Schäden durch Überschwemmungen, Übersarungen oder Murgänge. Hohe Feststofftransporte in Form von Geschiebe und Schwemmholz traten hauptsächlich in den Bergregionen auf. Die grösseren Flüsse des Schweizer Mittellandes wiesen hohe Abflüsse auf; der Geschiebetransport spielte dort eine geringere Rolle. An vielen Stellen reichte die Gerinnekapazität nicht mehr aus, um die auftretenden Abflüsse innerhalb des Bachbettes abzuführen. Die beobachteten Geschiebefrachten sind ab Gerinnegefällen von mehr als 5% deutlich geringer als die mit einer einfachen Geschiebetransportformel berechneten Werte. Mögliche Gründe dafür sind bedeutende Formverluste, welche die für den Geschiebetransport verfügbare Abflussenergie vermindern, sowie eine beschränkte Geschiebeverfügbarkeit in steileren Gerinnen.

The flood events of August 2005 in Switzerland were associated with high water discharges and very high transported sediment loads in some channel reaches. This caused large damage in many places due to flooding, sediment deposition, debris flows, and woody debris. High sediment transport occurred primarily in mountain regions where intense bank and channel bed erosion was observed, and where deposition of sediment and woody debris also occurred outside of the channel. The larger rivers of the Swiss plateau had high flow discharges but sediment transport played only a minor role. In many places the channel conveyance capacity was too small in comparison to the high discharges. For channel reaches steeper than about 5% observed bedload volumes are significantly smaller than values calculated with a simple bedload transport equation. Possible reasons for this discrepancy are large form resistance losses, which reduce the flow energy available for sediment transport, and limited sediment availability in steeper streams.

Die Geschiebeführung im Hochrhein und der Aare wurde durch den Bau von Wasserkraftwerken und Geschiebesammlern auf einen Bruchteil der Verhältnisse im natürlichen Zustand reduziert. Das damit ausgelöste Geschiebedefizit führte in den ungestauten Flussabschnitten zu einer Eintiefung, Ausräumung, Abpflästerung und Kolmation der Gewässersohle. Aufgrund dieser veränderten Lebensraumbedingungen ist die Fortpflanzung kieslaichender Fischarten stark beeinträchtigt oder verunmöglicht. Ebenso beeinträchtigt werden die in der Gewässersohle lebenden Insektenlarven. Damit die Lebensraumverhältnisse im Hochrhein und der Aare wieder verbessert werden können, sind Bestrebungen im Gange, den Geschiebehaushalt zu reaktivieren. In den Kantonen Bern und Solothurn werden Kiesbänke geschüttet, die bei Hochwasserabfluss erodiert werden, im Kanton Aargau sollen Geschiebesammler zukünftig nicht mehr geleert werden und am Hochrhein läuft ein Pilotprojekt mit künstlichen Kiesschüttungen. Erste Beobachtungen an der Aare zeigen eine Zunahme des Fortpflanzungserfolgs der Äsche.

Ziele Seit Beginn der 1990er Jahre werden Gerinneaufweitungen als wasserbauliche Maßnahme gebaut. Mit der Aufweitung des Flussbettes verfolgt man i.d.R. eines oder mehrere der folgenden Ziele: · Sohlensicherung: die fortschreitenden Sohlenerosion in den schmalen kanalisierten Gerinnen soll gebremst werden. Damit soll der Bau neuer Schwellen vermieden werden oder bestehende Schwellen durch Aufweitungen ersetzt werden. · Struktur der Sohle: Die Bildung von Kiesbänken und Kolken erhöht die Variabilität der Strömungsverhältnisse und damit die Variabilität der Habitate im Gerinne. · Dynamische Ufer: Die (beschränkte) Erosion des Ufers soll neue Lebensräume an der Grenze zwischen dem terrestrischen und dem aquatischen Bereich schaffen. Durch Kiesbänke gebildete Flachufer sollen die Zugänglichkeit erhöhen. · Geschiebebewirtschaftung: Eine Gerinneaufweitung erleichtert die Entnahme von Kies zur Geschiebebewirtschaftung in einem Gewässer. · Erholung: Kiesbänke, flache Ufer und Zonen mit geringer Strömungsgeschwindigkeit sollen das Gewässer als Erholungsraum erlebnisbar machen. Prozesse Wird ein kanalisiertes Gerinne aufgeweitet, laufen im wesentlichen die folgenden Prozesse ab: · lokale Sohlenhebung: Abflusstiefe und Fließgeschwindigkeit sind im breiten Abschnitt geringer als im kanalisierten. Aus Gründen der Kontinuität und der Energieerhaltung landet die Sohle auf, bis die Energielinie in der Aufweitung mindestens auf der Höhe der Energielinie im Unterwasser zu liegen kommt. Es bildet sich ein lokaler Versatz der Sohle zwischen dem breiten und dem schmalen Gerinne. Wegen der lokalen Sohlenhebung liegen Nieder- und Mittelwasserspiegel in der Aufweitung höher als im schmalen Gerinne (-> Grundwasserspiegel). Die Wasserspiegel bei großen Hochwassern liegen hingegen tiefer. (Es sei denn, die Sohle werde durch das größere Längsgefälle zusätzlich markant angehoben). · neues Gleichgewichtsgefälle: Mit zunehmender Flussbettbreite nimmt die Transportkapazität in einem Gerinne ab. Bei gleichem Geschiebeeintrag ist das Gleichgewichtsgefälle in einem breiten Gerinne größer als in einem schmalen Gerinne. In einer langen Aufweitung wirkt sich das größere Gefälle auf die Sohlenlage im Oberwasser der Aufweitung aus. · Bankstrukturen: In Abhängigkeit vom Verhältnis Flussbettbreite zu Abflusstiefe sowie Abflusstiefe zu Korndurchmesser bilden sich unterschiedliche Gerinneformen aus. In den kiesführenden Flüssen der Alpen und des Alpenvorlandes ist die Verzweigung die charakteristische Gerinneform, wenn ein kanalisierter Fluss aufgeweitet wird. · Kolk bei der Verengung: Beim flussabwärts liegenden Ende der Aufweitung wird die Strömung konzentriert und ins ursprüngliche Gerinne umgelenkt. Dies führt lokal erheblichen Kolktiefen, weshalb die Ufersicherung in diesem Bereich entsprechend tief fundiert werden muss. · Geschieberückhalt: Der Geschieberückhalt durch die lokale Sohlenhebung führt zu einem vorübergehenden Geschiebedefizit im Unterwasser und dort unter Umständen zu einer Sohlenerosion. Hindernisse Weshalb können die obengenannten Ziele nicht immer erreicht werden? Welche Hindernisse ergeben sich aufgrund von planerischen oder naturräumlichen Gegebenheiten? · Raumbedarf: Der notwendige Raum für eine große (lange) Flussaufweitungen ist nicht immer gegeben. Als Folge dessen werden oftmals kurze Aufweitungen realisiert. In kurzen Aufweitungen verändert sich die Sohle wenig (geringe morphologische Dynamik) und die Auswirkung eines steileren Gefälles im Oberwasser ist bescheiden. · Uferschutz: Wegen der Querströmungen und Kolke ist die Belastung von Uferschutzbauten größer als in einem gestreckten Gerinne mit ebener Sohle. Ufersicherungen sind deshalb grundsätzlich aufwändiger als in kanalisierten Gerinnen. · Sohlenerosion im Unterwasser: Der Geschieberückhalt in einer Aufweitung bewirkt ein Defizit im Unterwasser. Je größer das in der Aufweitung zurückgehaltenen Geschiebe im Verhältnis zur jährlichen Fracht ist, desto stärker wirkt sich das auf die Sohle im Unterwasser aus. Der Effekt der Sohlenhebung im Oberwasser – erreicht dank größerem Längengefälle – kann damit zunichte gemacht werden. Dieser Effekt wird häufig dadurch verstärkt, dass das Kies der Aufweitung verkauft wird, um die Maßnahme zu finanzieren. Damit wird dem unter Geschiebemangel leidenden Gewässer noch mehr Kies entzogen. · Geringer Geschiebeeintrag: Nach der Realisierung der Aufweitung stellt sich oft ein intensives Verzweigungsmuster ein, welches mit der anfänglichen Ablagerungstendenz verbunden ist. Bei geringem Geschiebeeintrag verändert sich die Morphologie und es entsteht ein dominantes Einzelgerinne. Dieses ist relativ schmal, stabil und hat ein geringeres Längsgefälle als ein verzweigtes Gerinne mit der gesamten zur Verfügung stehenden Flussbettbreite. · Erwartungen: Der Erfolg von Gerinneaufweitungen misst sich an den Erwartungen, die an sie gestellt werden. Unter Umständen sind die Erwartungen nicht den naturräumlichen Gegebenheiten (Hydrologie, Geschiebeaufkommen, Morphologie) angepasst. Chancen Mit Flussaufweitungen können ökologische und flussbauliche Ziele erreicht werden, wenn die folgenden Grundsätze beachtet werden: · Dem Fluss Raum geben, wo immer möglich · Möglichst lange, zusammenhängende Strecken aufweiten · Von unten nach oben bauen (Geschieberückhalt) · Uferdynamik tolerieren · Kies im Fluss belassen · Keine Kiesbänke «nach Plan»

Seit rund 12 Jahren werden in der Schweiz Flussaufweitungen geplant und ausgeführt. Mit ihrer Hilfe soll die Sohle eines Flusses stabilisiert und das Flie§gewässer aufgewertet werden. In der Aufweitung soll sich ein dynamisches, verzweigtes Gerinne entwickeln. Die Erfahrungen der vergangenen Jahre lehren uns, unter welchen Voraussetzungen diese Zielsetzungen erfolgreich umgesetzt werden k nnen. Das Ausmass der morphologischen Prozesse wie Bank- und Kolkbildung, Geschiebeablagerung und Veränderung des Längengefälles hängen einerseits von den Abmessungen der Aufweitung (Länge und Breite) und andererseits von den übergeordneten naturräumlichen Randbedingungen ab. Die Hochwasserhydrologie und die Geschiebelieferung aus dem Einzugsgebiet prägen massgeblich die Entwicklung in der Aufweitung. Wird beim Bau einer Aufweitung kiesiges Aushubmaterial abtransportiert, wird das Ziel einer Sohlenstabilisierung unterlaufen. Wie alle Wasserbauten sollten auch Flussaufweitungen auf ihr Verhalten bei Überlast geprüft werden. Wegen des ungleichförmigen Abflusses sind die Ufer in Aufweitungen besonders hohen hydraulischen Belastungen ausgesetzt und müssen entsprechend gesichert werden. Die grössten Belastungen treten mit wenigen Ausnahmen nicht bei den höchsten Abflüssen auf. Die Aufweitungen reagieren sehr elastisch auf die Belastung durch hohe Abflüsse oder durch hohen Geschiebeeintrag.

Depuis environ douze ans des élargissements de rivières ont été projetés et réalisés en Suisse avec pour objectifs la stabilisation du lit de larivière et l'amélioration écologique du cours d'eau. Le but de ces élargissements aux endroits propices est le développement d'une morphologie dynamique et diversifié. Les expériences des années passées nous montrent dans quelles conditions ces objectifs peuvent être réalisés avec succès. L'importance des processus morphologiques, soit la formation de bancs de gravier et des affouillements, les dépôts de gravier et le changement de la pente longitudinale dépendent d'une part de la dimension de l'élargissement (longueur et largeur) et de l'autre des conditions prioritaires du cadre naturel. L'hydrologie des crues et l'apport du charriage provenant du bassin versant dominent le développement morphologique de la rivière. La pratique d'évacuer le gravier lors d'un élargissement de rivière agit contre l'objectif de stabilisation du lit. Comme pour toute oeuvre hydraulique le fonctionnement d'un élargissement lors d'une surcharge doit être vérifié. Vu l'écoulement non uniforme, les berges des tronçons élargis sont exposées à des charges hydrauliques particulièrement élevées et doivent être renforcées en conséquence. A quelques exceptions près, les plus grandes charges ne surviennent pas lors de débit maximal. Les élargissements réagissent d'une manière très élastique aux crues et au charriage.

Im Stauraum des Limmatwerkes Wettingen liegt ein stark kontaminierter Sedimentkörper in geringer Tiefe unter dem Seegrund. Die Schadstoffe wurden bis in die 1970er Jahre mit Abwässern aus dem Einzugsgebiet in den Stauraum eingetragen und dort abgelagert. Es besteht heute ein geringes Risiko, dass sie wieder mobilisiert werden und in das Limmatwasser, das Grundwasser oder in die Nahrungskette gelangen. Neuere Untersuchungen zeigen zudem, dass die Kolmatierung der Flusssohle stellenweise wieder erodiert ist und dass vermehrt Flusswasser in Grundwasser infiltriert. Das führt dort zu einer größeren Sauerstoffzehrung und beeinträchtigt die Grundwasserqualität. Im Rahmen der Konzessionserneuerung für das Limmatwerk Wettingen wurde der Betreiber des Kraftwerkes deshalb verpflichtet, den Stauraum und die angrenzenden Grundwasservorkommen langfristig zu überwachen. Mit einer sorgfältigen Überwachung können Veränderungen im Stauraum und in der Grundwasserqualität frühzeitig erkannt werden und gegebenenfalls rechtzeitig Maßnahmen zur Sicherung der Trinkwasservorkommen eingeleitet werden. Der vorliegende Beitrag beschreibt die flussmorphologischen Analysen, welche im Rahmen der Umweltverträglichkeitsberichte und im Hinblick auf die Überwachung des Stauraumes durchgeführt wurden.

Die Risikountersuchung am Renggbach umfasste zwei Hauptaufgaben. Zum einen wurden die Voraussetzungen und Bedingungen untersucht, bei denen der Wildbach über seine Ufer tritt. Zum andern wurden diejenigen Siedlungsgebiete der Stadt Luzern und ihrer Umgebung ermittelt, die bei einem solchen Gerinneasubruch überlfutet würden. Die Ergebnisse der Studie können wie folgt zusammengefasst werden: Solange der Unterhalt der Bachverbauungen im Einzugsgebiet des Renggbachs im selben Umfang wie bisher weitergeführt wird, bleibt die Wiederkehrperiode eines Gerinneausbruchs größer als 300 Jahre. Der sehr geringen Eintretenswahrscheinlichkeit eines solche Ereignisses steht jedoch eine großes Schadenpotenzial in den Überlfutungsgebieten gegenüber. Würde der Unterhalt der Bachverbauungen gegenüber der heutigen Praxis künftig stark eingeschränkt, so müsste mittel- bis langfristig mit einer Erhöhung der Gefährdung in den Überflutungsgebieten gerechnet werden.

Herein we present a risk analysis for the Renggbach, a torrent on an alluvial fan in a densely populated Swiss prealpine area. We investigated both the conditions for the onset of overbank flooding and the overbank area inundated by a flood. The probability of a flood is strongly influenced by the maintenance of existing check dams in the watershed. If the maintenance continues on a high level, then the probability of inundation of a popultated area of Lucerne and neighbouring communities remains small, with an estimated return period of about 300 years or more. If the check dam maintenance decreases, then the risk increases and carries the potential to cause significant damgage.

River widenings are used to control general bed degradation and to improve river ecosystems. Re-widening of channelized rivers may restore the early braiding patterns and the original morphological dynamics of gravel bed rivers. Aquatic habitat conditions will become more variable, which increases the density and variety of fish and invertebrate population. Extensive experiments were performed to investigate the morphological processes in rivers with variable bed width. The investigation lead to design criteria for widenings of gravel bed rivers. In local widenings with limited length, the flow conditions and the channel forms are influenced by the transition zones between narrow and wide cross sections. At enlargements, flow expands smoothly with an expansion angle that increases downstream. In the wake zone of the expanding flow, the hydraulic load on the banks is neglectable and bank protection measures may be omitted. A empirical approach to predict the wake length is proposed. A braided pattern forms only after a transition zone, which is approximately twice as long as the wake zone. Thus, in short local river widenings no dynamic morphology will form.