Revitalisation

Aufgelöste unstrukturierte Blockrampen aus grossen, isolierten Einzelblöcken werden in Hochwasserschutz- und Revitalisierungsprojekten vermehrt als Alternative zu klassischen Absturzbauwerken eingesetzt. Der Artikel befasst sich mit ihrer baulichen Ausführung. Es werden konkrete Hinweise zu Bauablauf und Wasserhaltung gegeben und verschiedene Vorgehensweisen vorgestellt. Anschliessend werden Anforderungen an die Ausschreibung, Qualitätskontrolle, Dokumentation und das Monitoring formuliert.

Dans le cadre de projets de protection contre les crues ou de revitalisation, des rampes en enrochement non-structurées composées de blocs isolés sont de plus en plus construites comme alternative aux ouvrages de chute. L´article traite de la réalisation de la construction des rampes en enrochement non-structurées. Dans la première partie, le déroulement des travaux, l´épuisement des eaux ainsi que les différentes options de réalisation sont précisés. Ensuite, les exigences de l´appel d´offres, du contrôle de la qualité, de la documentation et de la surveillance sont definis.

Das Buch "Niederwassergerinne", herausgegeben von den Kantonen Luzern, Zürich und Aargau, informiert unter anderem über die zentrale Funktion dieser Baustruktur bei Niedrigwasser wie auch bei grossen Abflüssen.

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.

Renaturierungsprojekt Die Kander floss unterhalb des Zusammenflusses mit der Simme in einem stark verbauten Gerinne. Mit Buhnen war der Fluss in ein enges und kanalähnliches Gerinne gezwungen. Die Kander unterlag einer starken Erosionstendenz. Die auentypischen Lebensräume waren weitgehend verschwunden und die bestehenden Sperrenbauten oberstrom waren durch die tiefe Sohlenlage gefährdet. Lediglich im unteren etwas breiteren Abschnitt teilte sich der Abfluss bei Niederwasser in mehrere Arme auf und umfloss einzelne stationäre Kiesbänke. In den Wintern 2004/2005 und 2005/2006 wurden auf rund 1300 m Länge die Ufersicherungen entfernt und das Gerinne von 30 m auf 60 m aufgeweitet. Die Sohle wurde beim Zusammenfluss von Kander und Simme um rund 2 m angehoben und mit einer aufgelösten Blockrampe gesichert. Die Hauptziele des Renaturierungsprojektes waren die Wiederherstellung der auentypischen Abfluss- und Geschiebedynamik mit einer selbsttätigen Verbreiterung durch Seitenerosion sowie die Stabilisierung der Sohle und damit Sicherung der flussaufwärts liegenden Sperrentreppen (Spycher & Künzi, 2002). Ziele der Erfolgskontrolle Die Wirkung des Projektes und der fortlaufende Renaturierungsprozesses sollen mit Hilfe eines flussmorphologischen Monitorings dokumentiert werden. Zudem soll der Erfolg des Projektes quantifiziert werden. Dazu wurde eine Methodik angewandt, welche erst kürzlich im Rahmen des Rhone-Thur-Projektes entwickelt worden war (Woolsey et al., 2005). Die Kander in der Augand ist somit eines der ersten grösseren Gewässer, bei welchem die Methode angewandt wird. Methodik Verschiedene Indikatoren dienen als Werkzeuge zur qualitativen und quantitativen Charakterisierung der Projektziele. Für die Erfolgskontrolle der Kander wurden Indikatoren herangezogen, welche den Geschiebehaushalt, die Überflutungsdynamik, die hydraulische Variabilität, die Sohlenstruktur, die Uferstruktur und -länge sowie die Stabilität der Blockrampe bewerten. Sie werden jeweils im Zustand vorher und nachher untersucht und miteinander verglichen. Ergebnisse Der Erfolg des Renaturierungsprojektes wird qualitativ als sehr gross beurteilt. Die Kander in der Augand zeigt heute ein vielfältiges, verzweigtes Gerinne. Auch die aufgelöste Blockrampe kann als erfolgreiches Bauwerk bezeichnet werden. Zwischen den beiden Bauetappen wurde die kurz vorher fertig gestellte Blockrampe mit dem ausserordentlichen und lang andauernden Hochwasser vom August 2005 belastet. Die Rampe hat elastisch reagiert und trotz der hohen Belastung nicht versagt. Die quantitative Bewertung des Renaturierungsprojektes nach der verwendeten Methode ist strenger. Einige Indikatoren wurden zusätzlich mit einer alternativen Auswertungsmethode plausibilisiert. Der Ausgangszustand konnte in einzelnen Indikatoren nicht zufrieden stellend rekonstruiert werden. Das Gesamtprojekt fällt in die mittlere von drei Verbesserungskategorien (kleiner, mittlerer und grosser Erfolg). In den einzelnen Projektzielen werden je nach Auswertungsmethode und Wahl der Indikatoren kleine bis mittlere Erfolge erzielt. Schlussfolgerung Die Erfolgskontrolle des Ausgangszustandes und der Erhebung 1 ist eine erste Beurteilung. Einige wichtige Indikatoren, welche die Dynamik beschreiben, können erst mit einer weiteren Erhebung beurteilt werden. Zudem ist der Renaturierungsprozess in der Augand noch nicht abgeschlossen. Die Uferlinie und Sohlenstrukturen verändern sich bei jedem Hochwasser und das Flussbett wird sich durch Seitenerosion noch weiter verbreitern. Mit weiteren Erhebungen kann der fortlaufende Renaturierungsprozess dokumentiert und untersucht werden. Literaturhinweis Spycher E. & Künzi R. (2002): Mit moderner Hydraulik Auenbeschluss erwirken. Int. Symposium Moderne Methoden und Konzepte im Wasserbau, 7.-9. Okt. 2002, Mitteilung der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie, 174, Zürich, 133-140. Woolsey, S., Weber, C., Gonser, T., Hoehn, E., Hostmann, M., Junker, B., Roulier, C., Schweizer, S., Tiegs, S., Tockner, K., Peter, A. (2005): Handbuch für die Erfolgskontrolle bei Fliessgewässerrevitalisierungen. Publikation des Rhone-Thur Projektes. Eawag, WSL, LCH-EPFL, VAW-ETHZ. 112 pp.

In den vergangenen Jahren wurden an verschiedenen Gebirgsflüssen im Kanton Bern Blockrampen errichtet, um die Fischgängigkeit bei Sohlenabstürzen zu verbessern. Beim Hochwasser 2005 waren diese Bauwerke einer hohen Belastung ausgesetzt. Die aufgelösten Blockrampen haben dabei sehr elastisch auf die Belastung reagiert: Bei einer Rampe an der Simme ist durch Setzungen am Rampenkopf die ursprüngliche Absturzkante wieder hydraulisch wirksam geworden und es hat sich ein Kolk gebildet. Dieser behindert aber vorerst den Fischaufstieg nicht. Eine Rampe an der Kander wurde mit Abflüssen belastet, welche weit über dem Bemessungsabfluss gelegen hat. Diese Rampe hat sich deformiert, sie konnte ihre Wirkung als Sohlenfixpunkt dennoch zum größten Teil bewahren. Konventionelle Rampen haben den Hochwassern entweder standgehalten oder sind vollständig zerstört worden. Sie haben starr auf die Überlast reagiert.

In den vergangenen Jahren wurden an verschiedenen Gebirgsflüssen im Kanton Bern Blockrampen errichtet, um die Fischgängigkeit bei Sohlenabstürzen zu verbessern. Beim Hochwasser 2005 waren diese Bauwerke einer hohen Belastung ausgesetzt. Die aufgelösten Blockrampen haben dabei sehr elastisch auf die Belastung reagiert: Bei einer Rampe an der Simme ist durch Setzungen am Rampenkopf die ursprüngliche Absturzkante wieder hydraulisch wirksam geworden und es hat sich ein Kolk gebildet. Dieser behindert aber vorerst den Fischaufstieg nicht. Eine Rampe an der Kander wurde mit Abflüssen belastet, welche weit über dem Bemessungsabfluss gelegen hat. Diese Rampe hat sich deformiert, sie konnte ihre Wirkung als Sohlenfixpunkt dennoch zum größten Teil bewahren. Konventionelle Rampen haben den Hochwassern entweder standgehalten oder sind vollständig zerstört worden. Sie haben starr auf die Überlast reagiert.

Im Rahmen einer Diplomarbeit an der ETH Zürich zum Thema «Schadensfälle bei ingeneiurbiologischen Ufersicherungen an Fliessgewässern» wurden insgesamt knapp 20 Interviews mit Experten durchgeführt, die sich mit Planung, Ausführung oder Pflege von ingenieurbiologischen Verbauungen befassen. Dabei konnte viel wertvolles Erfahrungswissen zusammengetragen und systematisch aufbereitet werden. Der vorliegende Artikel zeigt anhand der drei Bauweisen Steckholz, Faschine und Spreitlage auf, wo die häufigsten Probleme liegen und wie unterschiedlich diese von den verschiedenen Experten gelöst werden. Ausserdem wird darauf eingegangen, welche Punkte in der Planung, Ausführung und Pflege von ingeneiurbiologischen Ufersicherung an Fliessgewässern beonders beachtet werden müssen, um spätere Schadensfälle zu vermeiden.

Wie bereits im Beitrag «Mehr Raum für die Kander» erläutert, hat man die Kander im letzten Jahrhundert durch Flussbegradigungen und Uferverbauungen mit Buhnen in ein kanalähnliches, enges Bett gezwungen und damit die seit dem Kanderdurchstich vor 300 Jahren anhaltende Sohleneintiefung verstärkt. Die Sohleneintiefung führte dazu, dass die auentypischen Lebensräume im Augand (Auengebiet von nationaler Bedeutung) weitgehend verschwunden und bestehende Sperrenbauwerke im Oberlauf von Simme und Kander gefährdet waren. Die im Augand umgesetzten Massnahmen wurden dem Hochwasserschutz und dem Auenschutz gleichermassen gerecht. Aus Sicht des Auenschutzes brauchte die Kander in erster Linie wieder mehr Raum. Dazu wird die Kander auf einer Strecke von ca. 1 300 m aufgeweitet. Zur Stabilisierung der Sohle wurde eine aufgelöste Blockrampe mit einem Gefälle von 2,5% angelegt. Mit der Blockrampe konnten die Strömungsverhältnisse einer natürlichen Steilstrecke sehr gut nachgebildet werden. Die Blockrampe und ein erster Teil der Aufweitung wurden mit der ersten Bauetappe im April dieses Jahres fertiggestellt. Der folgende Beitrag gibt einen Überblick über die im Rahmen des Gesamtprojektes Augand umgesetzten Massnahmen. Das Augenmerk liegt dabei auf der Funktionsweise und Dimensionierung der Schutzbauwerke und deren Realisierung (1. Etappe). Beim letzten Hochwasser am 22. August 2005 wurde die bereits fertig gestellte Blockrampe ihrer ersten Belastungsprobe oberhalb der Dimensionierungswassermenge ausgesetzt.

Die Auen des Brenno im Valle di Blenio (Kanton Tessin) gehören zu den wenigen verbleibenden Auenlandschaften in der Schweiz welche noch eine natürliche Dynamik aufweisen. Die morphologische Entwicklung folgt einem Schema, welches als Schema von "Trend und Störung" bezeichnet werden kann. Die seltenen, extremen Ereignisse (Hochwasserereignisses von 1925, 1987 und 1993) spielen dabei die Rolle einer Störung. Das Flussbett wird durch Geschiebeablagerungen vollkommen umgestaltet. Es entsteht ein breites, dynamisches verzweigtes Gerinne mit neuen Uferanrissen und neuen freien Kiesflächen. Nach einer solchen Störung bestimmt eine Periode mit kleineren Hochwasserspitzen die morphologischen Veränderungen. Die kleineren Ereignisse vermögen weniger Geschiebe aus dem Einzugsgebiet zu mobilisieren und führen daher tendenziell zu einer Erosion der Flusssohle in den bestehenden Teilgerinnen, und schließlich zur Stagnation des Gewässerbettes. Mit der Eintiefung verändern sich auch andere Parameter wie benetzte Breite oder Grundwasserspiegel, welche für die Entwicklung der Aue als Lebensraum von Bedeutung sind. Die Entwicklung der Auen im Valle di Blenio werden durch anthropogene Tätigkeiten beeinflusst: Die Nieder und Mittelwasserabflüsse und z.T. auch die Hochwasserabflüsse sind durch Wasserkraftnutzung vermindert. Hochwasserschutzmaßnahmen im Einzugsgebiet vermindern den Geschiebeeintrag und Uferverbauungen entlang des Gerinnes reduzieren die für die Dynamik verfügbare Fläche. Wie stark ist der Einfluss dieser Tätigkeiten auf den Lebensraum Aue? Mit welchen Maßnahmen lässt sich ein Maximum an natürlicher Dynamik langfristig erhalten? Dieser Fragenkomplex wurde im Rahmen eine umfassenden Studie über die Auen im Bleniotal behandelt. Neben Fauna und Flora, Hochwasserhydrologie, Niederwasser und Grundwasserhydraulik wurde der Sedimenttransport und die Flussmorphologie eingehend untersucht. Der Vortrag fasst die Ergebnisse zu diesem Fachbereich zusammen.

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.

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»

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.