Calculational approach to FST-hemispheres for multiparametrical benthos habitat modelling [Elektronische Ressource] / von Ianina Kopecki
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Calculational approach to FST-hemispheres for multiparametrical benthos habitat modelling [Elektronische Ressource] / von Ianina Kopecki

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Heft 169 Ianina Kopecki Calculational Approach to FST-Hemispheres for Multiparametrical Benthos Habitat Modelling Calculational Approach to FST-Hemispheres for Multiparametrical Benthos Habitat Modelling Von der Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften der Universität Stuttgart zur Erlangung der Würde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung Vorgelegt von Ianina Kopecki aus Leningrad Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E.h. Jürgen Giesecke Mitberichter: Prof. Dr.-Ing. Silke Wieprecht Prof. Dr.-Ing. habil., Prof. h.c. Ulrich C.E. Zanke Tag der mündlichen Prüfung: 18. Januar 2008 Institut für Wasserbau der Universität Stuttgart 2008 Heft 169 Calculational Approach to FST-Hemispheres for Multiparametrical Benthos Habitat Modelling von Dr.-Ing. Ianina Kopecki Eigenverlag des Instituts für Wasserbau der Universität Stuttgart D93 Calculational Approach to FST-Hemispheres for Multiparametrical Benthos Habitat Modelling Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek Kopecki, Ianina: Calculational Approach to FST-Hemispheres for Multiparametrical Benthos Habitat Modelling / von Ianina Kopecki. Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart. - Stuttgart: Inst. für Wasserbau, 2008 (Mitteilungen / Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart: H. 169) Zugl.: Stuttgart, Univ.

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Published 01 January 2008
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Heft 169 Ianina Kopecki

Calculational Approach to FST-
Hemispheres for Multiparametrical
Benthos Habitat Modelling



Calculational Approach to FST-Hemispheres for
Multiparametrical Benthos Habitat Modelling





Von der Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften der
Universität Stuttgart zur Erlangung der Würde eines
Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung



Vorgelegt von
Ianina Kopecki
aus Leningrad




Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E.h. Jürgen Giesecke
Mitberichter: Prof. Dr.-Ing. Silke Wieprecht
Prof. Dr.-Ing. habil., Prof. h.c. Ulrich C.E. Zanke

Tag der mündlichen Prüfung: 18. Januar 2008









Institut für Wasserbau der Universität Stuttgart
2008





Heft 169 Calculational Approach to
FST-Hemispheres for
Multiparametrical Benthos
Habitat Modelling



von
Dr.-Ing.
Ianina Kopecki













Eigenverlag des Instituts für Wasserbau der Universität Stuttgart D93 Calculational Approach to FST-Hemispheres for Multiparametrical
Benthos Habitat Modelling






















Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek


Kopecki, Ianina:
Calculational Approach to FST-Hemispheres for Multiparametrical Benthos Habitat
Modelling / von Ianina Kopecki. Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart. -
Stuttgart: Inst. für Wasserbau, 2008

(Mitteilungen / Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart: H. 169)
Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2008)
ISBN 3-933761-73-5
NE: Institut für Wasserbau <Stuttgart>: Mitteilungen


Gegen Vervielfältigung und Übersetzung bestehen keine Einwände, es wird lediglich
um Quellenangabe gebeten.




Herausgegeben 2008 vom Eigenverlag des Instituts für Wasserbau
Druck: Document Center S. Kästl, Ostfildern
Vorwort
Veranlassung
¨Der Lebensraum Fließgewasser
Gewasser¨ sind ein pragender¨ Bestandteil des Naturhaushaltes. Die fließende Wel
le, das Gewasserbett,¨ die Flussniederungen, das Luckensystem¨ unter und neben der
Gewassersohle¨ als Lebens und Schutzraum, das sog. Interstitial, ferner die Auezonen und
das Grundwasser – diese alle bilden eine Einheit. Menschliche Einflusse¨ bedingen deren
Verander¨ ungen. Daher steht der Zustand eines Gewassers¨ in enger Wechselbeziehung zu
sozialen und wirtschaftlichen Strukturen. Deren Verbindung mit okologischen¨ Erfordernis
sen legen umsetzbare Entwicklungskonzepte nahe.
Diesbezugliche¨ Strategien stellen die begrenzten Nutzungsmoglichkeiten¨ des betrach
teten Lebensraumes den anzupassenden, gesellschaftlichen und okonomischen¨ Zielsetzun
gen gegenuber¨ . Neue Verhaltens und Lebensweisen sollen ebenso zu nachhaltigen, d. h.
dauerhaften umweltgerechten Nutzungen eines Gewasserlaufes¨ unter Ausgewogenheit von
¨ ¨Okologie und Okonomie fuhr¨ en. Derartige Entwicklungskonzepte lassen sich durch die Ver-
flechtung von Natur- und Ingenieurwissenschaften erarbeiten.
Die Vorgehensweise ergibt sich aus dem im Wasserhaushaltgesetz verankerten Leitge
danken: “Die Gewasser¨ sind als Bestandteil des Naturhaushaltes so zu bewirtschaften, dass
sie dem Wohl der Allgemeinheit dienen und im Einklang mit ihm auch dem Nutzen Ein
zelner entsprechen sowie jede vermeidbare Beeintrachtigung¨ unterbleibt.” Und die 2002 er-
lassene Europaische¨ Wasserrahmenrichtlinie fuhrt¨ hinsichtlich der unabdingbaren Bewah
¨rung aquatischer Okosysteme aus, dass Wasser kein Handelsprodukt wie jedes andere ist
sondern vielmehr ein Lebensgut, welches geschutzt,¨ verteidigt und als solches behandelt
werden muss.
¨Gewasser als Lebensader
Grundlage allen Lebens ist das Wasser. Es gibt hierfur¨ keinen Ersatz. Der mit der geschicht
lichen Entwicklung des Menschen gewachsene Instinkt lasst¨ die uberragende¨ Bedeutung
des Umweltfaktors Wasser jedem einzelnen bewusst werden. Die Eingriffe des Menschen in
den naturlichen¨ Kreislauf des Wassers, die durch die enge Verflechtung des Wassers mit der
Vielzahl an Lebensvorgangen¨ bedingt sind, bedurfen¨ der Ordnung.ii
In allen Phasen der Menschheitsgeschichte waren Kreativitat,¨ Erfindungsgeist und tech
nische Kunst gefordert, die Existenz zu sichern und die Lebensqualitat¨ zu verbessern. Heu
¨te ist mehr denn je die Abstimmung der Lebensbelange des Menschen mit dem Okosystem
Natur notwendig. Die Natur inklusive des Menschen mit seinen sozialen, psychischen und
¨kulturellen Forderungen ist hierbei als Umwelt zu verstehen. Ein Okosystem umfasst die
Schutzguter¨ der Natur, die die Pflanzen und Tierwelt mit ihren terrestrischen und aquati
schen Umgebungen enthalten.
Typische Strom¨ ungsmuster eines Fließgewasser¨ s
Jeder wesentliche Eingriff in den Flussquerschnitt oder in den naturlichen¨ Abfluss bedeu
tet eine Verander¨ ung der ursprunglichen¨ Stromungsver¨ haltnisse.¨ Beispielsweise erfolgt in
Staubereichen vor allem eine Verminderung und Vergleichmaßigung¨ der Stromung.¨ In Aus
¨ ¨ ¨leitungsstrecken bei Wasserentnahme z. B. fur Bewasserungsflachen oder Wasserkraftnut
zung bewirkt die Abflussreduzierung eine Verringerung des Wasservolumens und damit
des aquatischen Lebensraumes, der uberstr¨ omten¨ Sohlflache,¨ der Wassertiefen und der mitt
leren Fließgeschwindigkeiten.
Diese Einflusse¨ haben gleichzeitig zur Folge, dass sich die Charakteristik der sohlna
hen Stromungsbedingungen,¨ d. h. der Sohlschubspannungen, Auftriebskrafte¨ und Turbu
lenzen teilweise erheblich verandert.¨ Die Verander¨ ungen hangen¨ von der Wassertiefe, dem
Wasserspiegel und Sohlgefalle¨ sowie der Substratrauheit ab, auch von der Fließgeschwin
digkeit in Sohlennahe.¨ Sie geben den Ausschlag fur¨ Geschiebetrieb, Erosion und Sedimen
tation, ferner fur¨ die Umformung des Gewasserbettes¨ und des als Lebensraum genutzten
Substrates, der sogenannten, einem bestimmten Struktursediment zugeordneten Chorioto
pe.
Einflusse¨ auf das biologische System eines Fließgewasser¨ s
Die vorgenannten wesentlichen Faktoren eines Stromungsmusters¨ haben fur¨ die wasser-
gebundenen Organismen eine ausschlaggebende Bedeutung bezuglich¨ der Eignung der
ortlichen¨ Gewassersohle,¨ d. h. des den Lebensraum bildenden Benthals. Sie kennzeichnen
mit ihrer raumlichen¨ und zeitlichen Heterogenitat¨ das hydraulisch morphologische Habi
tatangebot, wonach sich das Benthos als Lebensgemeinschaft ausrichtet.
Die Flora und Fauna von Gewassern¨ stellen ein sehr komplexes System dar. Mit der Was
serbewegung stehen das Vorkommen von Arten, die Lebensweisen und die spezifische Um
welt in Zusammenhang. Kaum besiedelt ist die frei fließende Welle. Unter dieser, oberhalb
der Gewassersohle,¨ befindet sich jene Wasserschicht, die bereits durch die Rauheit der Sohle
beeinflusst wird. Sie weist zur Sohle hin stark veranderliche¨ mittlere Geschwindigkeiten auf.
Hydraulisch betrachtet ist dies die raue Grenzschicht. Unterhalb dieser Zone schließt sichiii
das turbulente Totwasser im Bereich großer¨ er Substratkorper¨ an. Darunter folgt innerhalb
des Interstitiales der Lebensraum der wassergefullten¨ und ganz schwach durchstromten¨
Kieslucken.¨
Jede Umbildung des Stromungsmusters¨ im Freiwasserraum sowie an der
Gewassersohle,¨ verbunden mit den veranderlichen¨ Substratgroßen,¨ bewirkt Verander¨ ungen
bei den Tier- und Pflanzengemeinschaften, die die erwahnten¨ Lebensraume¨ besiedeln. Viele
Fischarten, benthische Organismen (Kleinkrebse, Insektenlarven, Weichtiere usw.) und
Makrophyten (Wasserpflanzen) sind auf ganz bestimmte Stromungsgeschwindigkeiten¨
oder Stromungskr¨ afte¨ sowie auf geeignete Substrate, die Choriotope, angewiesen.
Erfassung des hydraulischen Habitatangebotes
Der geschilderte Lebensraum der benthischen Organismen wird in erster Linie durch
¨das Substrat und die sohlnahen Stromungsbedingungen charakterisiert. Dieser Lebens
raum kann anhand hochsignifikanter Referenzen sowohl fur¨ stromungsliebende¨ (rheophi
¨le) als auch fur¨ stillwasserliebende (stagnophile) Arten beschrieben werden. Uber stabi
len Habitatstrukturen ergibt sich die wirksame hydraulische Variabilitat¨ der sohlnahen
Stromungsbedingungen¨ aus Verander¨ ung der Dicke der Prandtl´schen Grenzschicht, der
Sohlschubspannungen, der Froude Zahl und der Reynolds Zahl. Dar uber¨ hinaus spielen
Stor¨ ungen, die bestehende physikalische Eigenschaften der Gewassersohle¨ verandern,¨ eine
wichtige Rolle fur¨ die Entwicklung fließgewassertypischer¨ benthischer Lebensgemeinschaf
ten.
Fur¨ die Erfassung und Simulation des hydraulischen Habitatangebotes fur¨ die Bewoh
ner der Gewassersohle¨ bietet sich an, ein derartiges hydraulisches Habitatangebot als ei
ne Kombination unterschiedlicher physikalischer Faktoren zu betrachten. Sind diese Mu
ster ermittelt, werden sie anschließend mit den diesbezuglichen¨ Anspruchen¨ unterschiedli
cher Tier- oder Pflanzenarten bzw. gesellschaften verglichen. Beispielsweise wird mit Hilfe
der sog. FST Halbkugel Methode dasortliche¨ hydraulische Muster an der Gewassersohle¨
bei veranderlichen¨ Abflussen¨ gemessen und anschließend mittels statistischer Verfahren
die Verteilung der sohlnahen Stromungskr¨ afte¨ als Funktion des Abflusses formuliert. Die
Verknupfung¨ der Muster mit Abflussganglinien und anschließend mit standardisierten
Prafer¨ enzfunktionen ausgewahlter¨ benthischer Organismen ermoglicht¨ die Einbeziehung
der raumlichen¨ Heterogenitat¨ und der zeitlichen Dynamik okologisch¨ relevanter Faktoren.
Dabei wird erkennbar, wie sich die Gewasserbettmorphologie,¨ hydrologisch unterschiedli
che Jahre und verschiedene Wasserfuhr¨ ungen tatsachlich¨ auf das hydraulische Habitatan
gebot auswirken. Die Komplexitat¨ der maßgebenden Einflussgroßen¨ erfordert computer-
gestutzte¨ Simulationsmodelle.iv
Zielsetzung der Dissertation
¨ ¨ ¨Am Institut fur Wasserbau, Lehrstuhl fur Wasserbau und Wasserwirtschaft der Universitat
Stuttgart, wurde Anfang der 90er Jahre eine bundesweite Forschergruppe aufgebaut, die
sich zunachst¨ mit Entscheidungsgrundlagen fur¨ Mindestwasserregelungen in Ausleitungs
strecken von Wasserkraftanlagen befasste, um effektive Losungsans¨ atze¨ fur¨ Konfliktsitua
tionen zwischen den Interessen der Wassernutzung auf der einen Seite und den Anforderun
gen der Gewasser¨ okologie¨ auf der anderen Seite zu entwickeln. Hieraus entstanden Simula
tionsmodelle fur¨ die Verknupfung¨ von Hydraulik und Morphologie, die dank des modula
rartigen Aufbaus die Einbindung wasser- und energiewirtschaftlicher Kennwerte einerseits
und von Flora und Fauna einschließlich zugehoriger¨ Prafer¨ enzfunktionen andererseits mehr
und mehr erlaubten. Die entwickelten Modelle sind vor allem CASIMIR (Computer Aided
Simulation Model for Instream Flow Requirements), BHABIM (Benthos Habitat Model) und
das Fischhabitate einschließende SORAS (Structure Oriented River Analysing System). Sie
alle fanden weltweite Verbreitung.
Ausgangspunkt waren die FST Halbkugel Messungen, die von Statzner und M uller¨ an
der Universitat¨ Karlsruhe 1989 als aussagekraftige¨ Indikatoren fur¨ die Sohlschubspannung
und die davon abgeleiteten Benthos Charakteristika mittels standardisierter 24 Halbkugeln
unterschiedlicher Dichte begrundet¨ worden sind. Der Name FST ruhrt¨ aus den Anfangs
buchstaben der zwei Substantive Fließwasser und Stammtisch her.
Nach wie vor ist diese mehr qualitativ, empirisch und statistisch gepragte¨ Methode von
hohem Wert, jedoch lag es nahe, angesichts der in den zuruckliegenden¨ zwei Jahrzehnten
gewonnenen vielfaltigen¨ Messergebnisse und der so standig¨ erweiterten Datenbanken fur¨
das FST Verfahren die physikalischen Grundlagen zu klar¨ en, eventuell einen numerischen
Hintergrund zu schaffen, schließlich anhand von Felddaten zu verifizieren und die Aussa
gekraft aufgrund von Fließgerinnedaten auszudehnen.
Fur¨ Ziele der Gewasserr¨ evitalisierung bedeutet der hierdurch vorgegebene einparamet
rige Ansatz einen Mangel. Die Standardprafer¨ enzen decken hauptsachlich¨ jene Benthos
organismen ab, welche auf den Steinen des Flussbettes sitzen. Auch durften¨ die FST-
Halbkugeln nicht jene Krafte¨ erfassen, die auf die Tiere selbst wirken, sondern re
prasentier¨ en ein Objekt auf der Gewassersohle.¨ Dagegen sind die Bedingungen, die an der
Oberflache¨ der Halbkugel bei bestimmten Stromungsver¨ haltnissen¨ zu verzeichnen sind, mit
jenen vergleichbar, welche auf die auf den Steinen sitzenden Benthosorganismen wirken.
Das heißt jedoch, dass fur¨ Tiergemeinschaften, die aus Nahrungsgrunden¨ ein Habitat hin
ter großen Steinen bevorzugen, die Methode nicht zu uberzeugenden¨ Ergebnissen fuhr¨ en
konnte,¨ obwohl die Stromungskr¨ afte¨ dieselben sein werden. Daher ist eher ein mehrpara
metriger Ansatz zu verfolgen, da die gleichen Stromungskr¨ afte¨ auf eine Gewassersohle¨ aus
grobem Substrat und ebenso auf eine feinkornige,¨ stark kolmatierte Sohle wirken konnen.¨