Länderübergreifende Problemanalyse und Optimierung des Sedimentmonitorings an der österreichisch-slowakisch-ungarischen Donau im Rahmen der EFRE-Projekte SEDDON II und DREAM SK-AT
verfasst von:
DI Sebastian Pessenlehner, Bakk. techn., DI Dr. Marcel Liedermann, DI Philipp Gmeiner, DI Marlene Haimann, DI Dr. Martin Glas, Szilveszter Dömötör, Flóra Pomázi, Dr. Sándor Baranya, Mgr. Katarína Mravcová, Ing. Katarína Holubová, Ph.D., Univ.-Prof. DI Dr. Dr. h.c. Helmut Habersack
Die Donau und die sie umgebende Landschaft liegen heute im Bereich verschiedener Interessen wie Hochwasserschutz, Wasserkraft, Schifffahrt und Ökologie. Aufgrund dieser Tatsache ist das ehemals ungezähmte und wilde Flusssystem seit Ende des 19. Jahrhunderts mit einer Vielzahl anthropogener Veränderungen konfrontiert, die vielfältige hydromorphologische Auswirkungen zur Folge haben. Zusätzlich führen – trotz bereits umgesetzter Renaturierungsprojekte und teilweise adaptiertem Sedimentmanagement – Einengung durch Regulierungen sowie Beeinflussungen des Sedimenthaushalts wie Rückhalt im Einzugsgebiet und Unterbrechung des Sedimentkontinuums, zu sedimentbezogenen Problemen entlang der Donau. Daraus ergibt sich auch die Notwendigkeit, den Sedimenttransport an der Donau länderübergreifend zu untersuchen.
Im Rahmen der EFRE-finanzierten EU-Projekte „Sedimentforschung und -management an der Donau II“ (SEDDON II) und „Forschung und Management an der Donau in der Slowakei und in Österreich“ (DREAM SK-AT) wurde daher eine länderübergreifende Analyse der aktuellen sedimentbezogenen Probleme in drei Projektabschnitten in Österreich, der Slowakei und Ungarn durchgeführt, um die Grundlage für ein gemeinsames Sedimentmanagement zu schaffen. Neben der Analyse der sedimentrelevanten Probleme bildet ein kontinuierliches und einheitliches Monitoringsystem für Geschiebe und Schwebstoff die Basis für die Umsetzung nachhaltiger Maßnahmen im Bereich Flussbau. Durch die Kooperation im Fließgewässermonitoring konnten neben der Implementierung neuer Messstationen an der ungarischen und slowakischen Donau umfangreiche Messreihen zur optimierten Berechnung des Sedimenttransports durchgeführt werden. Die dadurch erhaltenen Daten stellen nicht nur wichtige Erkenntnisse für ein besseres Prozessverständnis dar, darüber hinaus dienen sie auch als Grundlage für numerische Modellierung und physikalische Modellversuche zur Entwicklung und Optimierung von flussbaulichen Maßnahmen, die die vielfältigen Probleme der verschiedenen Interessensgruppen adressieren und negative Auswirkungen in Flusssysteme kompensieren sollen.
Hinweise
Hinweis des Verlags
Der Verlag bleibt in Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutsadressen neutral.
1 Einleitung und Ziele
Die Donau liegt im Spannungsfeld verschiedener Interessen wie Hochwasserschutz, Wasserkraft, Schifffahrt und Ökologie, Trinkwasserversorgung, Erholung und Tourismus (Habersack et al. 2014; Liedermann et al. 2018). Deshalb ist das ehemals ungezähmte und wilde Flusssystem seit den umfangreichen Regulierungsmaßnahmen Ende des 19. Jahrhunderts mit einer Vielzahl anthropogener Veränderungen konfrontiert, die vielfältige hydromorphologische Auswirkungen zur Folge haben. Obwohl in den letzten Jahren einige Renaturierungsprojekte umgesetzt wurden, die das Ziel hatten, das Sedimentmanagement zu verbessern, gibt es aufgrund der Einengung durch Regulierungen sowie durch die Beeinflussung des Sedimenthaushalts im Einzugsgebiet durch die Unterbrechung des Sedimentkontinuums und Sedimentrückhalt, sedimentbezogene Probleme entlang der Donau (Habersack et al. 2016). Stauräume verlanden, während in den freien Fließstrecken Sohleintiefung auftritt. Weiters unterbinden Uferverbauungen die Ausbildung flussmorphologischer Strukturen, wodurch es zu einer Verschlechterung des ökologischen Zustands und zu kritischen Bereichen mit geringen Fahrwassertiefen für die Schifffahrt kommt (Habersack et al. 2014). Daraus ergibt sich die Notwendigkeit einer gesamtheitlichen Problemanalyse und der Forcierung eines länderübergreifenden Sedimenttransportmonitorings an der Donau. Allerdings bestand lange Zeit keine Abstimmung der Untersuchungs- und Lösungsansätze zwischen Österreich, Ungarn und der Slowakei, sodass unterschiedliche Messsysteme bezüglich Fließgewässermonitoring existierten. Diesen Themen widmeten sich das EU-geförderte Projekt SEDDON II (Sedimentforschung und -management an der Donau II) und das Projekt DREAM SK-AT (Forschung und Management an der Donau in der Slowakei und in Österreich).
2 Untersuchungsgebiete
Für die Untersuchungen wurden eine Strecke in Österreich, die der Oberen Donau zugeordnet wird, ein ungarischer Abschnitt im Bereich der Mittleren Donau, der bereits ein geringeres Gefälle, geringere Fließgeschwindigkeiten und feineres Sohlmaterial als die Obere Donau aufweist, sowie die Grenzstrecke Österreich-Slowakei gewählt.
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2.1 Projektregion Österreich
Das Untersuchungsgebiet auf dem österreichischen Donauabschnitt befindet sich zwischen Witzelsdorf und Hainburg (Abb. 1, links oben). Der Abschnitt ist 10 km lang (von Strom-km 1884 bis 1894) und liegt etwa 30 km östlich von Wien nahe der Grenze zur Slowakei, in einer der letzten beiden freien Fließstrecken der österreichischen Donau.
Abb. 1
Die Donau in der Nähe von Bad Deutsch-Altenburg in Österreich (Fotos: IWA/BOKU), bei Gönyü in Ungarn (Fotos: ÉDUVIZIG) sowie am Stauraum des KW Gabčíkovo in der Slowakei (Foto: VÚVH)
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Vor der Regulierung wurde der untersuchte Flussabschnitt als kiesdominierter, lateral aktiver und verzweigter Flusstyp klassifiziert. In diesem natürlichen Zustand befand sich das Flussbett in einem dynamischen Gleichgewicht. Durch die Regulierung Ende des 19. Jahrhunderts sowie die spätere Errichtung des Kraftwerks Freudenau wurde die in diesem Bereich lateral aktive Donau eingeengt, die Morphologie durch die Errichtung von Buhnen und die Sicherung der Ufer mit Blockwurf stark verändert sowie das Sedimentkontinuum unterbrochen (Hohensinner et al. 2005; Habersack et al. 2014). Stromab des KW Freudenau befindet sich der Nationalpark Donau-Auen. Außerdem hat die Donau eine bedeutende Rolle als Wasserstraße, zumal sie Teil des Paneuropäischen Verkehrskorridors VII ist.
Die Donau hat im Bereich des Pegels Hainburg einen Mittelwasserdurchfluss von 1930 m3/s, der höchste schiffbare Wasserstand liegt bei einem Durchfluss von 5130 m3/s (1 % Überschreitungsdauer) (KWD 2010). Das durchschnittliche Gefälle im Untersuchungsgebiet liegt bei 40 cm/km, der maßgebliche Korndurchmesser dm bei 27,5 mm und die durchschnittliche Flussbettbreite beträgt 280 m (Habersack et al. 2014).
2.2 Projektregion Slowakei
Die slowakische Projektstrecke befindet sich in der Grenzstrecke zu Österreich, wobei dem Wasserkraftwerk Gabčíkovo eine zentrale Rolle zukommt. Am Übergang zwischen Oberer und Mittlerer Donau in der Slowakei wurde das KW Gabčíkovo errichtet und 1992 in Betrieb genommen. Es hat einen wesentlichen Einfluss auf die Charakteristik, den Feststoffhaushalt sowie die Sedimentbilanz dieses Abschnitts. Das Kraftwerk wurde an einem Ausleitungskanal gebaut, wodurch nur ein reduzierter, weitgehend gleichmäßiger Abfluss von etwa 400 bis 600 m3/s im alten Flusslauf der Donau verbleibt. Die Fläche des Stausees Čunovo beträgt 40 km2, die Länge mehr als 120 km. Grobsedimente (Geschiebe) werden im oberen Stauraum (Strom-km 1873 bis 1758) und Feinsedimente (Sand, Schluff und Ton) innerhalb des Stausees (Strom-km 1758 bis 1751,75) und des Zulaufkanals abgelagert (siehe Abb. 1, rechts oben). Der Sedimentrückhalt des slowakischen KW Gabčíkovo kann mit ~ 65 % und einer Reduktion der mittleren jährlichen Schwebstofffracht im stromabgelegenen Bereich (zwischen Bratislava und Medvedov) von 3,5 Mio. t/a auf 1,3 Mio. t/a beziffert werden (DanubeSediment 2019b).
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Gemeinsam mit anderen Faktoren (Hochwasserschutzmaßnahmen, Buhnenfelder und Leitwerke für die Schifffahrt, Kiesentnahme) hat das Sedimentdefizit zu erheblichen Erosionen des Flussbetts stromab geführt, während im Gegensatz dazu im gestauten Bereich stromauf in der österreichisch-slowakischen Grenzstrecke Sedimentation dominiert (DanubeSediment 2019a).
2.3 Projektregion Ungarn
Das ungarische Untersuchungsgebiet liegt in Nordwest-Ungarn zwischen Nagybajcs und Gönyű (Strom-km 1796 bis 1800) (Abb. 1, links unten). In diesem Gebiet ist die Donau stark durch intensive Landnutzung sowie Ackerbau beeinflusst. Die Morphologie des Flussbetts ist komplex und sehr dynamisch. Etwa 25 km stromauf des Gebiets befindet sich das Wasserkraftwerk Gabčíkovo (Slowakei) und beeinflusst den Feststoffhaushalt im Untersuchungsgebiet. Zusätzlich ist der untersuchte Donauabschnitt aus morphologischer Sicht als Übergangsabschnitt einzustufen, das Gefälle reduziert sich von 37 cm/km auf 6 cm/km, während die Gewässerbreite zunimmt. Das bedeutet, dass das freie Wasserspiegelgefälle und damit auch die Sedimenttransportkapazität abnimmt, was lokal zu erheblichen Sedimentablagerungen führt. Vier Kilometer stromauf des Pegelquerschnitts in Gönyű mündet die stark sedimentbeladene Kleine-Donau („Mosoni-Duna“) inklusive der Raab rechtsufrig in die Donau, deren Sedimentwolke sich erst nach mehreren Kilometern vollständig mit dem Wasser der Donau vermischt. Während die Wassermenge der Kleinen-Donau selten über 10 % der Wassermenge der Donau beträgt, kann die Sedimentkonzentration bis auf das 6‑Fache der Donau ansteigen. Der mittlere Abfluss der Donau beträgt hier ca. 2000 m3/s und kann bei Hochwasserereignissen bis zu 10.000 m3/s erreichen (Baranya und Józsa 2006).
3 Sedimentbezogene Problemanalyse an der Oberen und Mittleren Donau
Eines der Hauptziele der Projekte war es, den Sedimenttransport an der Donau mit abgestimmten Methoden und länderübergreifend zu untersuchen. Ausgangspunkt hierfür war eine Analyse der aktuellen sedimentbezogenen Probleme in den Projektabschnitten in Österreich, der Slowakei und Ungarn, um die Grundlage eines gemeinsamen Sedimentmanagements zu schaffen. Im Zuge der durchgeführten Problemanalyse wurden drei Hauptursachen für die bestehenden Probleme im Zusammenhang mit (i) Flussbau, (ii) Schifffahrt und (iii) Wasserkraftnutzung identifiziert, die zu ähnlichen Problemen mit unterschiedlichen Auswirkungen führen. Abweichungen ergeben sich aufgrund der Unterschiede der beiden Abschnitte in Bezug auf morphologische Merkmale (Gefälle, charakteristische Korngrößen) einerseits und die Nutzung des Flusses (Trinkwasserversorgung, Erholung, Schifffahrt) andererseits.
3.1 Probleme im Zusammenhang mit Flussbau
Durch die Regulierung Ende des 19. Jahrhunderts wurde die ehemals lateral aktive Donau eingeengt und die Morphologie durch die Errichtung von Buhnen und die Sicherung der Ufer mit Blockwurf stark beeinflusst (Hohensinner et al. 2005). Insbesondere zwischen ca. 1850 und 1950 wurde die systematische Mittel- und Niederwasserregulierung realisiert und damit die Morphologie sowie das Sedimentregime beeinflusst. Der Donauraum wurde zur Verringerung des Hochwasserrisikos, zur Verbesserung der Bedingungen für die Binnenschifffahrt, durch den Bau von Wasserkraftwerken sowie zur Gewinnung neuer Flächen für Besiedlung und landwirtschaftliche Entwicklung verändert (Habersack et al. 2016). Infolgedessen wurde die Morphologie des Flusses, wie in Abb. 2 für den Bereich östlich von Wien (Franziszeische Landesaufnahme) und im ungarisch-slowakischen Abschnitt bei Gönyű (Franzisco-Josephinische Landesaufnahme) dargestellt, stark umgeformt.
Abb. 2
Vergleich der historischen und aktuellen Grundrissform der Donau in ausgewählten Abschnitten a östlich von Wien – AT, b ungarisch-slowakischer Abschnitt bei Gönyű – SK/HU. (Modifiziert nach DanubeSediment 2019a)
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Der Hochwasserschutz wurde an der Donau sukzessive auf eine Jährlichkeit von bis zu 100 Jahren dimensioniert und große Überflutungsgebiete wurden durch jene Flussregulierungen und Hochwasserschutzmaßnahmen beeinträchtigt. So wurde beispielsweise in Ungarn eine Fläche von 3,7 Mio. Hektar durch Dämme abgeschnitten. Die damit einhergehende Reduktion der Rückhaltekapazität änderte auch die Häufigkeit und Dauer von Hochwasserereignissen (DanubeSediment 2019a; Habersack et al. 2016).
An der österreichischen Donau wurde die Gesamtbreite im Durchschnitt um 42 % (die aktive Breite um 24 %), im slowakisch-ungarischen Grenzabschnitt um 48 % (die aktive Breite um 39 %) und an der ungarischen Donau um 40 % (die aktive Breite um 23 %) verringert. Der Bau von Regulierungsmaßnahmen wie Leitwerken und Buhnen verringerte die Breite bei niedrigeren Wasserständen zusätzlich (Habersack et al. 2023, in diesem Heft).
Dadurch wurden in der Donau große Teile zu einem gewundenen Flusstyp mit nur einem Gerinne verändert. Der Fluss ist nun in zwei klar unterscheidbare Einheiten unterteilt: Fluss und Vorland, wobei die Auen in beiden Ländern drastisch reduziert wurden. Infolgedessen kommt es – mit Ausnahme der Staustrecke des KW Gabčíkovo – zu verschiedenen Formen der Sohleintiefung, während natürlich entstandene Sedimentbänke, Inseln, Seitenarme und Altarme in den frei fließenden Abschnitten drastisch reduziert wurden oder verschwunden sind (Hohensinner et al. 2005).
3.2 Probleme im Zusammenhang mit Wasserkraft
Durch das natürliche Gefälle bietet die Obere Donau großes Wasserkraftpotenzial, das die Errichtung von Kraftwerken zur Folge hatte. Entlang des österreichischen Abschnitts existiert heute einschließlich des KW Jochenstein an der Grenze zu Deutschland eine Kette von zehn Wasserkraftwerken (Bachmann 2010). Die Errichtung und Inbetriebnahme erfolgte zwischen 1955 (KW Jochenstein) und 1997 (KW Freudenau). Die Länge der Stauräume variiert zwischen 16 und 41 km. Rund 78 % der Donau in Österreich sind somit gestaut, während nur 22 % oder 77 km frei fließen (DanubeSediment 2019a). In Österreich stammen rund 34 % der jährlich erzeugten Elektrizität aus Wasserkraftwerken entlang der Donau (Wagner et al. 2015).
Um dem resultierenden Sedimentdefizit und der Eintiefungstendenz östlich von Wien entgegenzuwirken, wurde die Kieszugabe durch die VHP (VERBUND Hydro Power GmbH) flussab vom KW Freudenau jüngst von ca. 200.000 m3/a auf 235.000 m3/a erhöht. Direkte Korbmessungen belegen jedoch, dass der Geschiebetransport an der Donau bei Bad Deutsch-Altenburg im Bereich zwischen 196.000 und 394.000 m3 pro Jahr beträgt (Gmeiner et al. 2016), und so kommt es u. a. auch als Folge der Flussregulierung zu einer Eintiefung der Sohle, zum Verlust dynamischer Schotterbänke und Gewässerstrukturen sowie zu einer Verschlechterung der ökologischen Situation. Im Zuge von Pilotprojekten wurden und werden jedoch Maßnahmen umgesetzt, die neben der Sohlstabilisierung und dem Flussrückbau auch Möglichkeiten zur nachhaltigen Verbesserung des ökologischen Zustands bieten (Habersack et al. 2012a). Als Folge der erfolgreichen Implementierung von Pilotprojekten (Liedermann et al. 2016) und einem laufenden Geschiebemanagement des österreichischen Wasserstraßenmanagements viadonau GmbH, legen jüngere Analysen eine Reduktion der Eintiefung nahe. Pessenlehner et al. (2016) kommen dabei unter Berücksichtigung umgesetzter Projekte mit Buhnenabsenkungen, Uferrückbau und Gewässervernetzungen sowie aktivem Geschiebemanagement (Rückführung von bei Bad Deutsch-Altenburg in einer Geschiebefalle gebaggertem Material) auf eine jährliche Eintiefung von ca. 0,6 cm/a (2009 bis 2015), während ältere Studien (Klasz et al. 2016: 2005 bis 2009 mit 2 cm/a; Balzhieva 2015: 2003 bis 2008 mit 1,7 cm/a; Habersack et al. 2009: 2005 bis 2009 mit 2 cm/a) höhere Werte angeben.
Die slowakische sowie die ungarische Projektstrecke sind in großem Maße durch das KW Gabčíkovo beeinflusst, das die Sedimentbilanz stark beeinflusst. Dadurch dominiert im gestauten Bereich stromauf in der österreichisch-slowakischen Grenzstrecke Sedimentation, was unter anderem Implikationen für den Hochwasserschutz hat. Stromab des Kraftwerks führt die Unterbrechung der Sedimentkontinuität zu Sedimentdefiziten und gemeinsam mit anderen Faktoren (Hochwasserschutzmaßnahmen, Buhnenfelder und Leitwerke für die Schifffahrt, Kiesentnahme) zu erheblichen Erosionen des Flussbetts im slowakisch-ungarischen Abschnitt der Donau.
3.3 Probleme im Zusammenhang mit Schifffahrt
Die Schifffahrt ist für die Donau von großer Bedeutung und wird seit 1856 von einer internationalen Kommission und seit 1948 von der Donaukommission geregelt. Von Sulina bis Kelheim stehen 2415 Stromkilometer oder rund 85 % der Donau für den internationalen Gütertransport auf der Wasserstraße zur Verfügung (viadonau 2019).
Der Güterverkehr auf der Donau beläuft sich auf ca. 79,5 Mio. Tonnen jährlich und beinhaltet Transitverkehr und Massengüter. Österreich gehört dabei neben Rumänien und Serbien zu den Ländern mit der höchsten auf der Donau transportierten Tonnage (ICPDR 2015). Im langjährigen Durchschnitt werden auf der österreichischen Donau jährlich rund 10 Mio. Tonnen Güter transportiert. Rund ein Drittel dieser Güter sind Erze und Altmetalle, während Mineralölprodukte, land- und forstwirtschaftliche Produkte jeweils rund ein Achtel der transportierten Güter ausmachen (viadonau 2019). In Ungarn haben landwirtschaftliche Produkte den höchsten Anteil am Transport in der Binnenschifffahrt, gefolgt von Erzen und Roheisen für die Eisen- und Stahlindustrie sowie Eisen- und Stahlprodukten (Scholten und Rothstein 2016).
Im Donauraum schränken mehrere Faktoren die Binnenschifffahrt ein, z. B. begrenzen die Größe und Kurvenradien der Fahrrinne und die Höhe der Brücken den Wasserstraßenverkehr auf der Oberen Donau. Zentrale Faktoren sind die sogenannten Problemstellen mit schwierigen Schifffahrtsbedingungen. Niedrige Wasserstände haben zwar entlang des gesamten Flusses Auswirkungen auf die Binnenschifffahrt, am stärksten sind diese jedoch an Furten. Mehrere solcher Nadelöhre finden sich sowohl in Österreich als auch in Ungarn, wo die für die Schifffahrt erforderliche Mindestfahrwassertiefe von 2,5 m (Muilerman et al. 2018) bei Niederwasser nicht erreicht wird (Scholten und Rothstein 2016).
3.4 Weitere beeinflussende Faktoren
3.4.1 Baggerungen
Neben den oben erwähnten Hauptursachen für sedimentbezogene Probleme an der Donau spielen auch Baggerungen eine Rolle. In der Vergangenheit wurden Baggerarbeiten häufig aus kommerziellen Gründen durchgeführt, um Rohmaterial für die Bauindustrie (Gebäude, Straßen, Infrastruktur usw.) zu gewinnen (Habersack et al. 2019). Zwischen 1971 und 2016 belief sich das Baggervolumen in der Donau im Abschnitt von Österreich nach Ungarn (inkl. slowakischer Grenzabschnitte) auf insgesamt ca. 110 Mio. m3, wobei der größte Teil in der ersten Hälfte dieses Zeitraums gebaggert wurde. Ein beträchtlicher Teil dieser Sedimente wurde für kommerzielle Zwecke genutzt. In einigen Teilen der Slowakei und Ungarns überstiegen die Baggermengen sogar die von stromauf eingetragene Geschiebemenge. Die entnommenen Sedimente waren primär Geschiebe, das bereits durch Kontinuumsunterbrechungen im Fluss erheblich beeinflusst wird (Habersack et al. 2019). Heutzutage werden Baggerarbeiten hauptsächlich für den Hochwasserschutz und für die Schifffahrt durchgeführt und auch der Umgang mit dem Baggergut hat sich geändert. Zwischen 1996 und 2005 wurden 30 % des gebaggerten Materials aus der österreichischen Donau entnommen, seit 2006 wird die gesamte Menge an Baggergut wieder in das Hauptgerinne eingebracht (Habersack et al. 2019). In Österreich, der Slowakei und Ungarn wird heutzutage kommerzielles Baggern (von Kies) nicht mehr durchgeführt/erlaubt.
3.4.2 Wasserversorgung
Im Einzugsgebiet der Donau verwenden viele Wasserwerke entlang der Donau und ihrer Nebenflüsse am Ufer gefiltertes Wasser für die Trinkwasserversorgung von Haushalten, die Industrie und die Bewässerung (Natchkov 1997). In Österreich stammt nur ein kleiner Teil der Wasserversorgung aus Uferfiltrat aus der Donau, z. B. werden ca. 5 % des Wiener Wassers aus Grundwasser einschließlich Uferfiltrat aus der Donau gewonnen (Vienna Water 2020). Einige der wichtigsten Grundwasserspeicher im Osten Österreichs befinden sich an der Donau östlich von Wien: das Marchfeld auf der linken Uferseite, das Gebiet bei Haslau und das Gebiet bei Petronell, beide auf der rechten Uferseite. Hier werden die Grundwasservorkommen hauptsächlich für die landwirtschaftliche Bewässerung, für Trinkwasser und als Brauchwasserversorgung genutzt (Donauconsult 2006). In der Slowakei hingegen wird z. B. für Bratislava ein Gutteil des Trinkwassers aus den Donauauen entnommen. Besonders in Ungarn wird ein hoher Prozentsatz von 95 % des Trinkwassers aus Grundwasser gewonnen. Uferfiltrat spielt eine wichtige Rolle und ist Quelle für 40 % der landesweiten Trinkwasserversorgung sowie für das Trinkwasser fast aller Bürger Budapests. Das dafür verwendete Brunnensystem befindet sich vor allem entlang des oberen und mittleren Abschnitts der ungarischen Donau, wo Kies und Sand das Flussbett kennzeichnen.
4 Weiterentwicklung des länderübergreifenden Sedimentmonitorings
Neben der Analyse der sedimentrelevanten Probleme bilden die Erarbeitung wissenschaftlicher Grundlagen und ein kontinuierliches und einheitliches Monitoringsystem für Geschiebe und Schwebstoff, begleitet durch gemeinsame Messungen im Sinne des Wissenstransfers, die Basis für die Umsetzung von nachhaltigen Maßnahmen an der Donau. Durch eine Standardisierung der Messmethoden und der Datenerfassung sowie die Abstimmung der Sedimentmonitoringtechniken und Implementierung neuer Messstationen stehen nun vergleichbare Daten – unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Charakteristiken in Bezug auf Korngröße und Gefälle – zur Verfügung. Die neu gewonnenen Daten wurden genutzt, um das bestehende Sedimentmonitoring zu optimieren und Korrelationen zwischen Abfluss und Feststofftransport für die Berechnung von Sedimentfrachten zu erstellen. Dies ermöglicht es, die zeitliche Entwicklung des Sedimenttransports länderübergreifend zu evaluieren sowie insgesamt ein besseres Prozessverständnis zu erlangen.
4.1 Schwebstoffmonitoring
Als eines der Hauptziele wurde im Zuge der Projekte das transnationale Schwebstoffmonitoring vereinheitlicht und entsprechend der österreichischen Messstation bei der Straßenbrücke Hainburg (Strom-km 1886,24) implementiert. Es wurden zwei Messstationen im slowakischen Streckenabschnitt gebaut und in Betrieb genommen: eine Messstation in Bratislava bei Strom-km 1871,0 und eine weitere stromab der Einmündung des alten Donaukanals und des Auslasskanals des Kraftwerks Gabčíkovo bei Strom-km 1796,5. Im ungarischen Projektgebiet befindet sich nunmehr eine Messstation bei Gönyü (Strom-km 1790,61) sowie eine weitere an der Raab in Györ.
Die räumliche Verteilung des Schwebstofftransports wird sowohl in Österreich, als auch mittlerweile in der Slowakei und in Ungarn, mittels Vielpunktentnahmen (z. B. mittels US-P61-A1-Schwebstoffsammler) bzw. über ADCP-Messungen kombiniert mit über das Querprofil verteilten Probenentnahmen bestimmt (Haimann et al. 2012). ADCP-Geräte nutzen einerseits den Dopplereffekt zur Ermittlung der Fließgeschwindigkeit und des Durchflusses, gleichzeitig kann aus der Rückstreuintensität des Signals, bei der gleichzeitigen Entnahme von Schwebstoffproben zur Kalibrierung, auf die Schwebstoffkonzentration geschlossen werden (Baranya und Józsa 2013). Ein Beispiel dafür ist in Abb. 3b anhand einer Messung am 10.06.2021 bei der Hainburger Straßenbrücke (Q = 2750 m3/s) dargestellt.
Abb. 3
a Zusammenhang zwischen Schwebstoffkonzentration in Sensornähe und mittlere Schwebstoffkonzentration im Querschnitt an der Monitoringstation Hainburg Straßenbrücke – SEDDON-II-Messungen sind rot markiert, b ADCP-Messung kombiniert mit Vielpunktprobenahme am 10.06.2021 an der Hainburger Straßenbrücke bei einem Abfluss von ca. 2750 m3/s
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Zusätzlich wird die zeitliche Veränderung der Schwebstoffkonzentration über die Aufzeichnung der Trübung kontinuierlich erfasst. Zu diesem Zweck ist eine optische Streulichtsonde fix am Ufer montiert, die die Trübung im Gewässer im 15-Minuten-Intervall erfasst. Da die Sondenaufzeichnungen von den Korngrößen anhängig sind, müssen diese mittels Probenentnahmen kalibriert werden. Die Berechnung der Schwebstofffracht erfolgt anschließend über einen Koeffizienten zwischen Sondenaufzeichnung, sondennahen Proben und Querprofilmessungen. In Abb. 3a ist die mittlere Konzentration im Querprofil den sondennahen Konzentrationen gegenübergestellt. Während bei geringen Konzentrationen (< 40 mg/l) die Werte noch homogen sind, treten bei höheren Durchflüssen im Querprofil etwa 1,5-mal höhere (bei Extremereignissen bis zu 2,5-mal höhere) Werte auf als in Sondennähe. Nach Multiplikation mit dem Durchfluss können in weiterer Folge der Schwebstofftransport und die Schwebstofffracht für gewünschte Zeiträume (Ereignis, Monat, Jahr) berechnet werden (Habersack et al. 2014).
Da zur Erfassung des Schwebstofftransports eine Vielzahl an direkten und indirekten Methoden zur Verfügung steht, die unterschiedliche Vorteile und Anwendungsbereiche aufweisen (Wren et al. 2000; Gray und Gartner 2009; Habersack et al. 2012b), wurden im Zuge des Projekts auch vergleichende Messungen durchgeführt – folgenden Methoden wurden dabei angewendet (siehe Abb. 4):
direkte Methode:
(a) Probenentnahme und Filtration (Überdruck-Filtergerät);
indirekte Methoden:
akustische Geräte – basierend auf der Reflexion von Hochfrequenz-Schallwelle:
(b) ADCP Rio Grande 1200 kHz,
(c) LISST-ABS;
nach optischem Prinzip funktionierende Geräte:
(d) auf Laserlichtstreuung basierende Geräte (LISST-Portable/Xr),
(e) auf Reflexion des Infrarotlichts basierende Geräte (Manuelles Trübungsmessgerät VELP TB1).
Abb. 4
Während der Vergleichsmessungen verwendete Analysegeräte zur direkten und indirekten Schwebstoffmessung: a Überdruckflitrationsgeräte, b ADCP Rio Grande 1200 kHz, c LISST-ABS, d LISST-Portable/Xr, e Manuelles Trübungsmessgerät VELP TB1
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Ziel war es, einfache, schnelle und zuverlässige Verfahren zur Schwebstoffmessung verwenden zu können. Dabei konnten gute Korrelationen zwischen den einzelnen Methoden erreicht werden, wie in Abb. 5 ersichtlich ist. Durch die Korrelation können indirekte Messmethoden kalibriert und die zeitaufwendige Analyse im Labor reduziert werden. Trotzdem bedarf es auch weiterhin Kontrollmessungen sowie Aktualisierungen der Kalibrierfunktionen.
Abb. 5
Beziehungen zwischen der direkten Filtermethode und den indirekten Schwebstoffmessverfahren: a LISST-Portable/Xr, b Manuelles Trübungsmessgerät VELP TB1, c LISST-ABS, d ADCP Rio Grande 1200 kHz. (Adaptiert nach Pomázi und Baranya 2020)
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4.2 Geschiebemonitoring
Geschiebe spielt im Vergleich zu den Schwebstoffen mengenmäßig eine untergeordnete Rolle, aber als Schlüsselparameter für die Morphodynamik sind die Kiesfraktionen von großer Bedeutung (Pessenlehner et al. 2022). Sowohl in Ungarn, der Slowakei als auch an der österreichischen Donau bei Bad Deutsch-Altenburg werden für die Erfassung des Geschiebetransports Korbfänger von der Brücke bzw. von Schiffen eingesetzt. Dabei wird der Querschnitt in 7 bis 12 Lotrechten unterteilt und der Fänger für je drei Einzelmessungen zu je 5 min auf die Gewässersohle abgesenkt. In Österreich werden diese Messungen mit einem modifizierten BfG-Sammler (Abb. 6) durchgeführt (Liedermann et al. 2018). In Ungarn kam lange Zeit ein Karolyi-Fänger zum Einsatz, im Zuge des SEDDON-II-Projekts wurde auch hier ein modifizierter BfG-Sammler angeschafft. In der Slowakei kommt der WRI-Sammler zum Einsatz.
Abb. 6
An der Donau eingesetzte adaptierte BfG-Geschiebefänger in a Ungarn (Foto: EDUVIZIG) und b Österreich (Foto: IWA/BOKU) sowie c der in der Slowakei verwendete WRI-Sammler (Foto: VÚVH)
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Liedermann et al. (2018) beschreiben den Geschiebetransport in der österreichischen Donau östlich von Wien bis zu einem 15-jährlichen Hochwasser mittels Sigma-Funktion, da die Transportwerte zwischen dem bordvollen Abfluss (HQ1) und 8000 m3/s kaum ansteigen. Durch die Flussregulierung steigen die Wasserstände und damit der Geschiebetransport bis zum Erreichen des bordvollen Abflusses schnell an. Jenseits der Ufer bietet der Nationalpark eine große Überschwemmungszone mit Seitenarmsystemen in einem Auwald, bis er am äußersten Ende einen 100-jährlichen Hochwasserschutzdeich erreicht. Daher gibt es ein großes Volumen im Überschwemmungsgebiet, das gefüllt werden muss, sobald der bordvolle Abfluss überschritten ist. Wenn das Überschwemmungsgebiet überflutet ist, nimmt der Transport jedoch wieder eklatant zu, wie Messungen bei einem 100-jährlichen Hochwasserereignis 2013 zeigten (Abb. 7, schwarze Linie).
Abb. 7
Zusammenhang zwischen Sedimenttransport und Abfluss an der Monitoring-Station Hainburg Straßenbrücke (Strom-km 1886,24) schwarz (erweitert nach: Liedermann et al. 2018), in der österreichisch-slowakischen Grenzstrecke (Strom-km 1878,15) blau (Holubova et al. 2004) und in Ungarn bei Gönyü (Stom-km 1790,61) rot dargestellt – gesamtes Durchflussspektrum (a) und Detailbereich (b)
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Zum Vergleich zeigt die Grafik auch Messungen von Holubova et al. (2004) in der österreichisch-slowakischen Grenzstrecke bei Strom-km 1878,15 (Abb. 7, blaue Linie). Aufgrund des ähnlichen Gefälles zeigt sich auch eine ähnliche Geschiebe-Durchfluss-Beziehung, wenngleich Messungen für Hochwasserabflüsse fehlen. Die leicht geringere Transportkapazität kann mit dem beginnenden Rückstau des KW Gabčíkovo begründet werden, dessen Auswirkung mit steigenden Durchflüssen zunimmt. Dies legen numerische Untersuchungen von Glas et al. (2023, in diesem Heft) nahe, anhand derer bei Extremereignissen (HQ100) ein bis zu 2,5-mal geringerer Geschiebetransport in der Grenzstrecke (SK-AT) als in der frei fließenden Strecke (Bad Deutsch-Altenburg) ermittelt wurde.
Ein anderes Bild zeigt sich bei den Messungen im ungarischen Abschnitt der Mittleren Donau, wo eine deutlich geringere Geschiebetransportkapazität zu erkennen ist. Um zuverlässige Beziehungen für den Sedimenttransport abzuleiten, wurde eine Vielzahl an Probenahmen vor Ort durchgeführt. Diese decken zum jetzigen Zeitpunkt den niedrigen und mittleren Abflussbereich ab, Hochwassermessungen sind für die ungarische Strecke bisher unterrepräsentiert. Jedoch ist aufgrund der Messdaten eindeutig ersichtlich, dass im Übergang von der Oberen zur Mittleren Donau durch die starke Gefällsreduktion auch der Geschiebetransport abnimmt. Die Durchfluss-Geschiebe-Funktion für diesen Abschnitt wird durch eine Potenzfunktion beschrieben (Abb. 7, rote Linie). Trotz derzeit noch fehlender Messungen bei hohen Abflüssen sind Berechnungen von Sedimentfrachten für die letzten Jahre (2018 bis 2021) gültig, da es auch keine extremen Hochwässer gab.
4.3 Bedeutung der Messungen für die Sedimentbilanz an der Oberen und Mittleren Donau
Die im Rahmen von SEDDON II und DREAM SK-AT in Betrieb genommenen Schwebstoffmessstationen sowie das implementierte Geschiebemonitoring liefern quantitativ und qualitativ völlig neue Informationen über den Sedimenthaushalt des untersuchten Donauabschnitts, die als neues Element des länderübergreifenden Messnetzes entlang der gesamten Donau fungieren. Die Evaluierung großskaliger Sedimentbilanzen wird dadurch wesentlich genauer. Während die slowakischen Messstationen noch im Testbetrieb befindlich sind, konnten für den ungarischen Abschnitt bereits kontinuierliche Messungen gemacht werden, wenngleich auch noch Daten zu Extremereignissen fehlen.
Abb. 8 zeigt die jährlichen Zeitreihen des mittleren täglichen Schwebstofftransports von 2018 bis 2021 im Pegelprofil bei Bad Deutsch-Altenburg. In gleicher Weise sollen die neu implementierten Messstellen in den slowakischen und ungarischen Abschnitten künftig detaillierte Gesamtsedimentbilanzen ermöglichen. Erst durch kontinuierliches Monitoring des Schwebstofftransports, unter Berücksichtigung des Einflusses der Kleinen Donau („Mosoni-Duna“) inklusive der Raab sowie des Restwassers im alten Flussbett der Donau, kann dies gewährleistet werden.
Abb. 8
Ganglinien des mittleren täglichen Schwebstofftransports von 2018 bis 2021 im Pegelprofil bei Bad Deutsch-Altenburg
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In Abb. 9 sind die ermittelten Geschiebetransportmengen in Bad Deutsch-Altenburg (AT) und Gönyü (HU) gegenübergestellt. Wie bereits erwähnt, ist der Geschiebetransport aufgrund der unterschiedlichen Charakteristik zwischen Oberer und Mittlerer Donau im ungarischen Projektgebiet erwartungsgemäß niedriger (55.000 bis 84.000 m3/a) und beträgt im Untersuchungszeitraum in etwa ein Fünftel des österreichischen Transportes (275.000 bis 380.000 m3/a).
Abb. 9
Geschiebebilanzen für die untersuchten Donauabschnitte in den Jahren 2018 bis 2021 – Österreich gelb, Ungarn blau
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5 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
In diesem Artikel werden eine länderübergreifende Problemanalyse sowie neue Erkenntnisse im Bereich Sedimentmonitoring an der österreichischen, slowakischen und ungarischen Donau als Ergebnis der EFRE-Projekte SEDDON II und DREAM SK-AT präsentiert. Anhand von drei ausgewählten Abschnitten an der Oberen Donau bei Bad-Deutsch Altenburg (AT), der Grenzstrecke (SK-AT) und der Mittleren Donau bei Gönyü (HU) wurden basierend auf bereits bestehenden Forschungskooperationen Probleme identifiziert, um die Grundlage eines gemeinsamen Sedimentmanagements zu schaffen. Da die untersuchten Streckenabschnitte ähnliche Probleme aufweisen, aber durch unterschiedliche Charakteristika (Gefälle, Korngröße, Nutzungsansprüche, Kraftwerkseinfluss) geprägt sind, soll ein kontinuierliches und einheitliches Monitoringsystem für Geschiebe und Schwebstoff die Basis für die Umsetzung von nachhaltigen Maßnahmen im Bereich Flussbau bilden.
Ein fundierter Wissensaustausch über die Messpraxis sowie ein Vergleich der angewendeten Messgeräte bei gemeinsamen Messungen belegen den Fortschritt in der Homogenisierung der Datenermittlung und Zuverlässigkeit der Auswertung. Insbesondere an der ungarischen Donau, aber auch der österreichisch-slowakischen Grenzstrecke konnten im Zuge des Projekts neben der Implementierung neuer Messstationen auch umfangreiche Messreihen, die der optimierten Berechnung von Sedimentfrachten dienen, durchgeführt werden. Während die slowakischen Messstationen noch im Testbetrieb befindlich sind, konnten für den ungarischen Abschnitt bereits kontinuierliche Messungen durchgeführt werden, die neue Einblicke in die Sedimenttransportcharakteristik zwischen Oberer und Mittlerer Donau geben.
Die Rolle des Sedimentrückhalts durch das Kraftwerk Gabčíkovo, der Einfluss der Kleinen Donau („Mosoni-Duna“) inklusive der Raab sowie des Restwassers im alten Flussbett der Donau auf die Gesamtsedimentbilanz in diesem komplexen Donauabschnitt wird Gegenstand zukünftiger Fragestellungen sein und unterstreicht die Bedeutung des Sedimentmonitorings. Dabei stellen die neu implementierten Messstellen wichtige Bestandteile im länderübergreifenden Messnetz entlang der gesamten Donau dar. Die präsentierten Ergebnisse fungieren darüber hinaus als wichtige Datenbasis für künftige Renaturierungsmaßnahmen im Sinne eines besseren Prozessverständnisses und bilden die Grundlage für die Anwendung von numerischen Modellen und physikalischen Versuchen.
Danksagung
Die präsentierten Ergebnisse wurden in den grenzüberschreitenden Kooperationsprogrammen der Europäischen Union für Österreich – Ungarn im Rahmen des Projekts SEDDON II und für Österreich – Slowakei im Rahmen des Projekts DREAM SK‑AT realisiert. Die finanzielle Unterstützung durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) wird dankend anerkannt. Weiters danken wir für die finanzielle Unterstützung durch das Bundesministerium für Arbeit und Wirtschaft und die Nationalstiftung für Forschung, Technologie und Entwicklung. Dank gebührt außerdem Alexander Gasteiner, Doris Gangl und Martin Hinterleitner für die Mithilfe bei Freilandarbeiten, Recherche und Datenauswertung.
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Länderübergreifende Problemanalyse und Optimierung des Sedimentmonitorings an der österreichisch-slowakisch-ungarischen Donau im Rahmen der EFRE-Projekte SEDDON II und DREAM SK-AT
verfasst von
DI Sebastian Pessenlehner, Bakk. techn. DI Dr. Marcel Liedermann DI Philipp Gmeiner DI Marlene Haimann DI Dr. Martin Glas Szilveszter Dömötör Flóra Pomázi Dr. Sándor Baranya Mgr. Katarína Mravcová Ing. Katarína Holubová, Ph.D. Univ.-Prof. DI Dr. Dr. h.c. Helmut Habersack
