Monitoring von Sedimenteinträgen in stehenden Gewässern mittels vereinfachtem Echoloteinsatz als Entscheidungshilfe erforderlicher Gegenmaßnahmen (Akronym: MonSeGeEnt)
Projektdurchführung
Hochschule Coburg
Fakultät Design
Bauingenieurwesen
Sachgebiet Wasserbau und Siedlungswasserwirtschaft
Am Hofbräuhaus 1 a
96450 Coburg
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens
Stoffliche Einträge in stehende oder fließende Gewässersysteme sind nach wie vor einer der Hauptgründe für die Nichterreichung der gewässerökologischen Ziele der Wasserrahmenrichtlinie. Sowohl der rein partikuläre Eintrag, als auch der Eintrag mit anhaftenden Schadstoffen bilden dabei die Kernprobleme. Um sinnvolle Maßnahmen zur Eintragsreduzierung umzusetzen, müssen die Eintragspfade sichtbar gemacht und bilanziert werden, wie groß die Einträge abschließend sind. Messungen durch bathymetrische Verfahren werden bisher, aufgrund hoher Kosten, nur in langen Abständen durchgeführt. Dadurch werden Einträge meist nicht erkannt und Maßnahmen sind somit nicht auf die Ursachen optimiert abgestimmt. Für die Lokalisierung möglicher Eintragspfade ist es jedoch sinnvoll, regelmäßige Messungen der Gewässersohle durchzuführen, um aus den Ablagerungsveränderungen und -bereichen im Jahresverlauf auf Eintragsquellen zurückzuschließen, Fließpfade aus den seitlichen Flächen zu verifizieren und entsprechend sinnvolle Gegenmaßnahmen zu treffen. Für den Bereich der stehenden Gewässer gilt es, im Vorhaben eine Methode zu entwickeln, die als Monitoringsystem und gleichzeitig als Entscheidungshilfe für gezielte Gegenmaßnahmen dienen bzw. helfen soll, Sedimenteinträge proaktiv zu reduzieren. Mit den hiesigen Messmethoden sollen die partikulären Einträge und Ablagerungsbereiche erfasst werden.
Die Erfassung und Aufzeichnung von Eintragspfaden ist mit Kosten verbunden und abhängig von der zur Verfügung stehenden Messtechnik. Ist der Kostenaufwand zu hoch, werden schadhafte Ursachen für Gewässersysteme oftmals nicht konsequent genug vom zuständigen Gewässerunterhalter untersucht bzw. wird der zeitliche Zusammenhang der Einträge durch Einmalmessungen nicht erfasst. Vor allem für Kommunen ist der monetäre Aufwand nicht zu unterschätzen. Lassen sich die Kosten für Messungen reduzieren, lässt sich die Bereitschaft erhöhen. Bisher erfolgen Kontrollmessung in langfristigen Zeitabständen, so wie es das Budget der Unterhalter ermöglicht. Zielführend ist dies nicht, vor allem, wenn es sich um sehr eintragssensible Bereiche handelt. In diesen sollte regelmäßig die Verlandungstendenz überprüft werden. Dadurch ist eine genauere Zuordnung der Ursachen und Eintragspfade von Feinsedimenten möglich.
Der Begriff Citizen Science stellt eine nicht zu unterschätzende Möglichkeit dar, private Beobachtungen oder Messungen unterstützend einzusetzen. Die Kooperation von Forschenden mit Bürgerinnen und Bürgern bietet viele Innovationspotenziale für die Wissenschaft und kann dazu beitragen, einen größeren Umfang wissenschaftlich validierter Daten zu erheben und zu nutzen. Ein Beispiel, welches einen direkten Bezug zum hiesigen Projekt aufweist, sind die verstärkten Einsätze von niederschwelligen Echolotsystemen wie sie im Zuge der Fischerei im Privat- und Hobbybereich eingesetzt werden. Es existieren zahlreiche Systeme unter diesen Fischfindern, die bei ausreichender Genauigkeit eine derartige Zusatzinformation darstellen können. Als Fischfinder werden die Echolote bezeichnet, die vornehmlich der Identifikation und Lokalisierung von Fischen dienen. Darüber hinaus gibt ein integriertes Fischfinder-Echolot zudem Aufschluss über Wassertiefe und Bodenbeschaffenheit oder zeigt Kanten und Senken sowie Erhebungen am Gewässergrund an. Die Ergebnisse der Messungen können in Tiefenkarten öffentlich sichtbar gemacht werden, das heißt, es besteht eine Sichtbarkeit für alle. Es handelt sich somit um Daten, die durchaus eine unterstützende Funktion für Gewässerunterhalter mitbringen.
Ziel dieses Projektes ist es, zu prüfen, ob derartige Systeme grundsätzlich nutzbar sind bzw. ob es Systeme unter den Fischfindern gibt, die zielgerichtet anwendbar sind und von denen Daten somit auch als Informations- und Entscheidungsquelle genutzt werden können.
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Antragsteller planen im Praxistest an realen Gewässern eine Validierung von kostengünstigen Echolotsensoren, die in Fischfindersystemen verbaut sind. Über die Analyse der Messdaten sollen neue geeignete Messparameter abgeleitet werden, welche das Bodenprofil und damit den Sedimentierungsprozess am repräsentativsten abbilden.
Neben der Sensoranwendung und -untersuchung werden nach der Auswertung der Ergebnisse die Ablagerungsbereiche in Zonen und Eintragsbereiche definiert. Es erfolgt die Erarbeitung einer Maßnahmenmatrix mit Zuordnung der erfassten Eintragspunkte. Die Maßnahmen umfassen sowohl organisatorische als auch bauliche Überlegungen. Damit wird erreicht, dass Maßnahmen möglichst effizient und nur im erforderlichen Maße umgesetzt werden, wodurch eine Kostenminimierung für den Unterhalter erreicht wird. Die Definition zielführender Maßnahmen wird durch einen unterstützenden GIS-Algorithmus erarbeitet (Gefälleanalyse, Bodenbeschaffenheit, Erosivität, Vegetationsstrukturen, Abflussbündelung, etc.). Mittels GIS basierter Fließweganalyse und Bodenerosionskarten lassen sich Hot Spots in den Einzugsgebieten ableiten und die Eintragspfade abschätzen. Mittels Echolotmessung wäre es möglich, diese Eintragspfade dann punktuell im stehenden Gewässer zu bestätigen. In einem gestuften Vorgehen wird ein Verfahren entwickelt, welches basierend auf einer Messtechnik potenzielle Einträge von Sedimenten ins Gewässersystem registriert. Daraus werden die Ablagerungszonen visualisiert und mittels Berechnungstools plausibilisiert und darauf aufbauend effektive Maßnahmen zur Reduzierung der Einträge festgelegt.
Die Vorgehensweise erfolgt in mehreren Phasen, die mit Vertretern der Gewässerunterhalter, Genehmigungsbörden und Fachbehörden der Wasserwirtschaft und des Naturschutzes abgestimmt werden. Es erfolgt eine Anwendung von Messsensoren an stehenden Gewässern unterschiedlicher Flächenausdehnung und Tiefe. Aktuelle hochgenaue Bestandsvermessungen dienen zur Verifizierung und zeigen auf, ob die eingesetzte einfache Messtechnik belastbare Ergebnisse liefert, die aufgrund der geringeren Anschaffungs- und Betriebskosten einen regelmäßigeren Einsatz erlauben und damit eine größere Datendichte und die Ereigniszusammenhänge von Hochwässern und anderen Gründen für stoffliche Einträge besser aufzeigen. Zum Einsatz kommen verschiedene Fischfinder-Echolot-Systeme aus dem Massenmarkt, die auch von privaten Nutzern eingesetzt werden und bei Anwendbarkeit somit ein Mehr an Datenverfügbarkeit bieten. Nach der Datenauswertung werden die Sensoren bzgl. ihrer Einzelparameter untersucht und bewertet. Dabei sollen nicht nur die bereits vorverarbeiteten Sensordaten (Lage und Tiefe der Sohlpunkte), sondern auch die Rohdaten wie Laufzeitwerte miteinander verglichen und Mess- und Wiederholgenauigkeit ermittelt werden. Über die Analyse der Messdaten sollen neue geeignete Messparameter abgeleitet werden, welche das Bodenprofil und damit den Sedimentierungsprozess am repräsentativsten abbilden. Die Anwendung erfolgt zunächst an verifizierbaren Referenzgewässern und wird ausgeweitet auf weitere Testgewässer. Durch die Messung an unterschiedlichen Gewässern mit unterschiedlichen Charakteristika können die eingesetzten Messsensoren bei unterschiedlichen Randbedingungen getestet und deren Einsatzgrenzen weiter bewertet und Messparameter weiter angepasst werden. An jedem Gewässer wird die Phase der Messung, Auswertung und Anpassung durchlaufen. Nach Auswertung und Visualisierung der Sohlauffälligkeiten werden die Einzugsgebiete hinsichtlich der präferenziellen Fließwege aus dem Vorland mittels GIS-Tools untersucht. Mit der Verschneidung von Bodenerosionskarten können die Quellen der Einträge näher eingegrenzt werden. In der nächsten Stufe werden Maßnahmen abgeleitet, die eine Bodenmobilisierung verhindern und somit als Maßnahme, vorsorgend im Einzugsgebiet, umgesetzt werden können. Es erfolgt die Erarbeitung einer Maßnahmenmatrix in Abhängigkeit der erfassten Eintragspunkte und Ursachen. Die erarbeiteten Maßnahmen umfassen, nach Abstimmung mit dem Projektbeirat, sowohl organisatorische, nutzungsorientierte als auch bauliche Überlegungen.