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umwelt-online: Richtlinie für naturnahe Unterhaltung und naturnahen Ausbau der Fließgewässer (7)

Tote Baustoffe sind mineralische oder künstlich hergestellte Stoffe und Holz. Sie können eingesetzt werden, wenn eine eigendynamische Entwicklung der Fließgewässer nicht zugelassen werden kann. Tote Baustoffe sollen jedoch nur dort verwendet werden, wo lebende die Aufgabe der Sicherung nur unzureichend erfüllen können. Dabei sollten Verbundbauweisen mit lebenden Baustoffen bevorzugt werden. Es dürfen nur solche Baustoffe verwendet werden, die den natürlichen Wasserchemismus nicht ändern und sich nicht nachteilig auf Fauna und Flora auswirken. Bei Pflanzungen, die erst im späteren Entwicklungsstadium eine ausreichende Befestigung bieten, sind tote Baustoffe für eine vorübergehende Sicherung nicht immer zu vermeiden.

Im folgenden sind für einige Bauweisen mit toten Baustoffen die Eigenschaften und Anwendungsbereiche beschrieben.

Grobkies, Schotter oder Bruchsteine werden flächig geschüttet und von Hand oder maschinell abgeglichen. Reicht die Steinschüttung über die Mittelwasser- bzw. Staulinie hinaus, kann sie zur Förderung von Bewuchs übererdet werden. Bei einem Untergrund aus feinkörnigen Sanden ist eine Filterunterlage erforderlich.

Die Steinschüttung ist leicht herzustellen und sehr flexibel, aber materialaufwendig. Die Hohlräume zwischen den Steinen bieten Kleinbiotope für Niedere Tiere und Fischbrut. Günstig ist die Verwendung von unsortiertem Material. Durchwurzelung ist möglich. Daher eignet sich die Steinschüttung für die Sicherung von Sohle und Böschung etwa bis zur Mittelwasserlinie.

Gebrochene Steine von etwa gleicher Höhe werden von Hand auf einem Planum in der Sohle und im unteren Böschungsbereich versetzt. Die Hohlräume werden mit kleinen Steinen verzwickt. Zur Erhöhung der Rauhigkeit sind einzelne herausragende Steine einzufügen (etwa 1 Stück/m²).

Diese Befestigung ist zwar sehr widerstandsfähig, aber lohnintensiv und wenig flexibel. Sie ist für den Verbund mit Gehölzen ungeeignet. Sie bietet keine Unterschlupfmöglichkeit für Fische. Ihre Verwendung darf nur in begründeten Ausnahmefällen erfolgen.

Lagerhafte Bruchsteine werden mauerwerksartig trocken versetzt. Die dabei entstehenden Fugen können nur wenig durchwurzelt werden. Diese Befestigung ist widerstandsfähig und verhältnismäßig starr. Ihre Herstellung ist lohnaufwendig.

Der Steinsatz wird im Böschungsbereich verwendet. Zum Schutz gegen Unterspülung werden in der Sohle nötigenfalls Steine vorgeschüttet.

Bruchsteine, auch behauen, werden auf einer Bettung im Verband verlegt. Bei Bettung des Pflasters auf Kies, Sand oder Splitt werden die Fugen mit dem gleichen Material oder mit Boden verfüllt. Erfolgt die Bettung ausnahmsweise auf Beton, bleiben die Fugen bis auf etwa 5 cm Tiefe von Mörtel frei. Das Pflaster wird an den Rändern in dem notwendigen Umfang mit Pfahlreihen gesichert. Pflaster ist besonders standfest gegen Wasserangriff; in Beton versetzt ist es jedoch starr und deshalb gegen Setzungen, Auftrieb und Unterspülungen empfindlich. Die Verwendung von Pflaster ist auf das unbedingt notwendige Maß zu beschränken.

Verbundpflastersteine, Sohlschalen aus Beton, Kaskadenabstürze, Verbundplatten und Rasenkammersteine verhindern eine naturnahe Gewässerentwicklung. Auf ihren Einsatz ist daher zu verzichten.

Folien, Gitterplanen und Vliese unterschiedlicher Konstruktion dienen als Hilfsbaustoffe für Abdichtungen, Auftriebs- und Erosionssicherungen. Sie sind nur in Verbindung mit Überschüttungen zu verwenden.

Alle flächenhaften Filter aus natürlichen Materialien oder Kunststoffen müssen den Wasseraustausch und die Durchgängigkeit für Kleinlebewesen ermöglichen. Sie müssen deshalb möglichst zahlreiche Öffnungen von mindestens 1,2 mm Durchmesser bzw. Poren entsprechender Größe aufweisen. Je tiefer diese Baustoffe unter der Gewässersohle liegen, um so weniger wird der Lebensraum der Sandlückenbewohner gestört. Wirkung und Lebensdauer dieser Elemente sind von Materialart, Struktur, Bemessung und Überschüttung abhängig.

Nicht ausschlagfähiges Reisig wird mit geglühtem Stahldraht zu Walzen von 25 bis 40 cm Durchmesser und beliebiger Länge gebunden. Diese Reisigbündel lassen sich ohne großen Aufwand am Böschungsfuß auch in mehreren Lagen hinter Pfählen einbauen.

Da ihre Lebensdauer begrenzt ist, sind sie als Übergangsbefestigung bis zum Wirkungsbeginn von Ufergehölz gut geeignet.

Im Abstand von 0,30 bis 0,50 m werden Pfähle senkrecht oder schräg eingeschlagen und mit kräftigem, nicht ausschlagfähigem Reisig umflochten, das in die Sohle eingebunden wird. Diese einfach herzustellende Befestigung .von begrenzter Lebensdauer eignet sich gut als Übergangssicherung bis zum Wirkungsbeginn von Ufergehölz. Dies gilt nicht für Flechtwerk aus Hartholzleisten, das dem Gewässer für lange Zeit einen unnatürlichen Charakter gibt. Auf die Verwendung von Tropenhölzern ist zu verzichten.

Spreitlagen bestehen aus nicht ausschlagfähigen Reisigruten. Diese werden dicht an dicht verlegt und mit Draht an Holzpflöcken befestigt. Buschen oder Schanzen sind Bündel aus nicht ausschlagfähigem Reisig. Diese Materialien dienen dem vorübergehenden Schutz von Böschungsflächen, die dem Wasserangriff ausgesetzt sind, bis lebende Baustoffe diese Aufgabe übernehmen.

Diese Bauweisen kommen den Belangen des naturnahen Wasserbaus entgegen, wenn auch ihre Herstellung lohnintensiv ist.

Reisiglagen werden mit geglühtem Stahldraht flechtwerkartig zu Matten von 10 bis 30 cm Dicke verbunden. Ihre Herstellung ist einfach, aber lohnintensiv.

Buschmatten werden bei feinkörnigem Untergrund als Unterlage für Steinschüttungen im Sohl- und Böschungsbereich verwendet. Sie kommen den Anforderungen des naturnahen Wasserbaus entgegen.

Reisighüllen von 15 bis 20 cm Wandstärke (gepreßt) mit Füllung aus Grobkies oder Bruchsteinen werden an der Einbaustelle mit einem Durchmesser von 0,80 bis 1,20 m hergestellt und eingebaut.

Die Füllung bleibt auch nach Verrottung der Hülle wirksam. Herstellung und Einbau sind lohnaufwendig. Senkfaschinen eignen sich zur streckenweisen Ufersicherung an größeren Gewässern, auch im Verbund mit lebenden Baustoffen.

Hydraulische Berechnungen sind erforderlich, wenn Regelungen zur Nutzung von Gewässern und zum Hochwasserschutz getroffen werden müssen oder Prognosen für die Gewässerentwicklung zu machen sind. Hierzu ist die Angabe der maßgebenden Abflüsse erforderlich. Während früher die Festlegung von Bemessungsabflüssen in vielen Fällen anhand von Schätzwerten erfolgen mußte, können heute die Abflüsse wesentlich zuverlässiger angegeben werden. Dieses ist in dem systematischen Ausbau des Wasserstands- und Abflußmeßnetzes begründet, darüber hinaus in der zielgerichteten Erfassung der Niederschlagsverhältnisse und dem Einsatz der damit gewonnenen Daten in Niederschlag-Abfluß-Modellen.

Im Vordergrund stehen heute hydraulische Berechnungen im Zusammenhang mit der naturnahen Entwicklung von in früherer Zeit technisch ausgebauten Gewässern. Das Konzept zur naturnahen Entwicklung (vgl. 4.) sieht vor, daß zunächst der Istzustand unter Einschluß der Abflußverhältnisse zu erfassen ist. Sofern keine Unterlagen über die Abflüsse des Gewässers vorliegen, sind entsprechende Ermittlungen erforderlich.

Hydraulische und auch sedimentologische Nachweise sind unverzichtbar, wenn die Auswirkungen von Änderungen am Gewässerbett, im Umfeld und im Einzugsgebiet beurteilt werden müssen. Veränderungen der Form des Gewässers und des Bewuchses können die hydraulische Leistungsfähigkeit des Gewässers, den zeitlichen Verlauf des Abflusses und die Strömungsverhältnisse deutlich beeinflussen. Die geänderten Strömungsverhältnisse wiederum wirken sich auf die Struktur des Fließgewässers aus. Bei Fließgewässern mit beweglicher Sohle ist die Wechselbeziehung zwischen Abflußgeschehen, Sedimenttransport und Morphologie besonders ausgeprägt. Die Abschätzung der morphologischen Veränderungen erfolgt im Rahmen hydraulisch-sedimentologischer Untersuchungen. Bei diesen Untersuchungen ist auch der Einfluß des Bewuchses auf die Strömungsverhältnisse und damit auf den Sedimenttransport zu berücksichtigen. Da die Entwicklung von technisch geprägten Gewässern zu naturnahen Verhältnissen hin sehr komplex verläuft, müssen die zu treffenden Prognosen und Abschätzungen auf breiter fachlicher Grundlage erfolgen. Es ist, gegebenenfalls unter Bewertung alternativer Lösungen, zu entscheiden, auf welche Weise die Entwicklung des Gewässers am besten gefördert werden kann.

Bei Veränderungen zu naturnahen Verhältnissen hin kann es zu Wasserstandserhöhungen kommen. Wurden in früherer Zeit Gewässer mit einem verbindlichen Bemessungsabfluß für den Hochwasserschutz

angrenzender Flächen ausgebaut und sollen die getroffenen Festlegungen auch künftig gelten, ist im Rahmen der hydraulischen Berechnungen nachzuweisen, daß der diesem Bemessungsabfluß zugehörige Wasserstand eingehalten wird. Für den Bemessungsabfluß bedeutet dies, daß er bordvoll anzusetzen ist. Ein beim ehemaligen Ausbau berücksichtigter Freibord als Abstand zwischen dem Bemessungswasserstand und der Oberkante der Ufer steht daher zur Kompensation für eventuell eintretende Wasserstandserhöhungen zur Verfügung. In diesem Zusammenhang ist auch zu berücksichtigen, daß die Bemessungsabflüsse heute wesentlich zuverlässiger festgelegt werden können als in früheren Zeiten. Es ist daher immer zu prüfen, ob der Bemessungsabfluß für den Hochwasserschutz trotz Beibehaltung der Hochwasserjährlichkeit herabgesetzt werden kann.

Ferner ist zu berücksichtigen, daß beim Ausbau eines Gewässers seit jeher der Bemessungsabfluß für den Hochwasserschutz angrenzender Flächen in Abhängigkeit von ihrer Nutzung festgelegt wurde. Für den Fall der Extensivierung der Flächennutzung muß der Bemessungsabfluß in konsequenter Weise herabgesetzt werden. Die sich dann einstellenden Wasserstände sind mit hydraulischen Berechnungen zu ermitteln. Damit ist eine wesentliche Voraussetzung für die naturnahe Entwicklung des Gewässers gegeben.

Wenn die Gewässerauen in die naturnahe Entwicklung einbezogen sind oder die Entwicklungsziele dieses vorsehen, sind über die Ermittlung der Häufigkeit von Hochwasserscheitelwasserständen hinaus auch Angaben über die Dauer und Ausdehnung von Überflutungen erforderlich. Da Gewässer und ihre Auen als Lebensraum für Tiere und Pflanzen vom Wechsel zwischen Hochwasser und Niedrigwasser geprägt werden, müssen ferner Angaben über die zu erwartende Häufigkeit und Dauer von Niedrigwasserständen für unterschiedliche Entwicklungsstufen des Gewässerbettes gemacht werden. Diese statistischen Prognosewerte für Niedrigwasser werden über hydraulische Berechnungen aus Daten der Abflußganglinie eines längeren Zeitraumes gewonnen.

Unverzichtbar sind hydraulische Nachweise ferner zur Beurteilung von Maßnahmen zum Ausgleich von nachteiligen Veränderungen des Abflusses. Bei diesen Maßnahmen kann es sich handeln um:

Für die Beurteilung wesentlich sind die Ergebnisse aus hydraulischen Ermittlungen einerseits der Wasserstände bei naturnahen Abflüssen und andererseits der Wasserstände bei den durch Veränderungen geprägten Abflüssen.

Auskünfte über gemessene Abflüsse, über die Ergebnisse von Niederschlag-Abfluß-Untersuchungen sowie über bekannte Wasserstände geben die Staatlichen Umweltämter. Sofern wasserwirtschaftliche Grundlagen von anderen, z.B. von Wasserverbänden, ermittelt werden, erfolgt die Festlegung planungsrelevanter Werte im Einvernehmen mit den Staatlichen Umweltämtern.

Die Strömungsvorgänge sind in naturnahen Fließgewässern wegen ihrer Vielgestaltigkeit sehr komplex. Entsprechend schwierig ist die mathematische Beschreibung der auftretenden physikalischen Vorgänge.

In früherer Zeit fand bei der hydraulischen Berechnung von technisch geprägten Fließgewässern die rein empirische Fließformel nach Gauckler-Manning-Stricklerv =k_st x_hy^2/3 x I^1/2 breite Anwendung (v [m/s] =

Fließgeschwindigkeit,k_st [m¹³/s] = Manning-Strickler-Widerstandsbeiwert, r_hy [m] = hydraulischer Radius = A/_lw a [m²] = Fließquerschnitt, l_u [m] = benetzter Umfang, I [1] = Gefälle). Für Abschätzungen und bei der hydraulischen Berechnung von Fließgewässern mit kompakten Querschnitten (Rechteck, Trapez, Parabel usw.), die nur mittlere Rauheiten und lediglich Kleinbewuchs aufweisen, liefert dieses Verfahren ausreichend gute Ergebnisse. Ein wesentlicher Nachteil dieser Fließformel ist in der Tatsache begründet, daß der Widerstandsbeiwert k_st vom hydraulischen Radius r_hy, somit von der Wassertiefe abhängt, und die physikalischen Verhältnisse durch den Beiwert k_st nicht korrekt wiedergegeben werden. Bei komplexen Strömungsverhältnissen können hydraulische Berechnungen mit dieser Fließformel nur dann zuverlässige Ergebnisse liefern, wenn die Eingangsparameter durch Kalibrierung anhand gemessener Beziehungen zwischen Wasserspiegellagen und Abfluß ermittelt wurden. Wegen der Abhängigkeit des Beiwertes von der Wassertiefe ist je nach Betrachtungsfall eine bereichsweise Kalibrierung für unterschiedliche Wasserstände erforderlich.

Als Ergebnis umfangreicher Forschungsarbeiten liegen heute Lösungsansätze vor, mit denen die Fließwiderstände von Gewässern mit geschwungenem Verlauf, Querschnittsgliederung, verschiedenen Rauheiten und durchströmtem Ufer- bzw. Vorlandbewuchs (Bäume, Sträucher) zuverlässiger als bisher abgeschätzt werden können. Offen ist die hydraulische Quantifizierung von überströmtem und durchströmtem flexiblen Bewuchs (Hochstauden, Röhricht).

Die neuen Berechnungsverfahren basieren auf dem allgemeinen Fließgesetz nach Darcy-Weisbach

welches physikalisch gut begründet ist v [m/s] = Fließgeschwindigkeit, λ [1] = Widerstandsbeiwert, g [m/²]

= Fallbeschleunigung, r_hy [m] = hydraulischer Radius = A/l_w a [m²] = Fließquerschnitt, 1_u [m] = benetzter Umfang, I [1] = Gefälle). Für den Widerstandsbeiwert λ wird das von Colebrook und White empirisch ermittelte Widerstandsgesetz herangezogen. Da bei naturnahen Fließgewässern in der Regel vollkommen turbulente Strömungsverhältnisse vorliegen, kann der Einfluß der Reynolds-Zahl vernachlässigt werden; dann gilt

mit k_s [m] = äquivalente Sandrauheit. Hiermit kann der dimensionslose Fließwiderstand λ nach Einzelwiderständen λ_i differenziert ermittelt werden. Diese Widerstände sind z.B. verursacht durch:

Die λ_i-Werte sind bei naturnahen Fließgewässern in der Regel separat zu ermitteln und dann zu überlagern.

Wesentlich verbessert sind heute auch die Kenntnisse über Interaktionsvorgänge im Wasserkörper naturnaher Fließgewässer. Modelluntersuchungen und Beobachtungen in der Natur haben gezeigt, daß in den Übergangsbereichen von gegliederten Querschnitten und insbesondere auch in den Randbereichen von Großbewuchs aus Bäumen und Sträuchern ein intensiver Wasser- und Impulsaustausch stattfindet. Bei diesem Vorgang gelangt langsam fließendes Wasser aus Bereichen mit geringer Strömung in den freien Querschnittsteil und bremst dort die Hauptströmung deutlich ab. Dagegen erhöht das aus Kontinuitätsgründen in die strömungsschwächeren Bereiche zurückströmende Wasser die Fließgeschwindigkeiten dort wegen der vergleichsweise großen Fließwiderstände nur wenig. Da die eintretenden Wirbel- und Walzenströmungen den inneren Fließwiderstand im Hauptgerinne vergrößern, wird das Abflußvermögen reduziert. Vereinfachend wird dieser Fließwiderstand einer fiktiven, senkrechten Trennfläche zwischen Hauptgerinne und Vorland bzw. Gehölzbereich als scheinbare Schubspannung zugewiesen.

Die heute vorliegenden Verfahren zur hydraulischen Berechnung von Fließgewässern erfassen die sehr komplexen Strömungsverhältnisse naturnaher Gewässer wesentlich besser als die früher üblichen Verfahren. Dennoch lassen sich die Strömungsverhältnisse nur näherungsweise abbilden, da nach wie vor Vereinfachungen, Annahmen und empirische Ansätze getroffen werden müssen. Insbesondere durch Naturmessungen müssen die bisher vorliegenden Kenntnisse und Erfahrungen erweitert werden.

Die neuen Berechnungsverfahren sind im Vergleich zu den früheren Verfahren mit einem größeren Aufwand verbunden, da die Aufnahme des Bewuchses bei bestehenden Gewässern im Gelände erfolgen muß.

Dieser erhöhte Aufwand läßt sich aber durch systematisches Vorgehen zu einem großen Teil ausgleichen. So kann die Aufnahme des Bewuchses eines bestehenden Gewässers in zweckmäßiger Weise im Zusammenhang mit der Vermessung des Gewässers erfolgen. Die Aufnahme des Bewuchses läßt sich aber auch während der Kartierung der Gewässerstrukturgüte oder bei anderen Bestandsaufnahmen durchführen (vgl. 4. und 6.1.4, Bestandsaufnahme und Datensammlung).

Weitere fachliche Hinweise sind in einschlägigen, aktuellen Schriften enthalten¹⁶¹⁷¹⁸. Diese Schriften behandeln die wesentlichen Grundlagen für die hydraulische Berechnung von naturnahen Fließgewässern sowie die zweckmäßige Vorgehensweise sowohl zur Berechnung des Abflusses bei bekanntem Wasserstand als auch zur eindimensionalen Berechnung der Wasserspiegellinie bei stationär - ungleichförmigem Abfluß.

Die Behandlung von stationären, eindimensionalen Spiegellinienmodellen entspricht dem derzeitigen praktischen Bedarf. Verfahren zur Berechnung instationärer Strömungen haben in der Praxis noch eine untergeordnete Bedeutung. Zweidimensionale Strömungsmodelle sind wegen des vergleichsweise sehr großen Aufwandes nur in besonderen Fällen zu vertreten.

Wachsende Bedeutung bei Planungen zur naturnahen Umgestaltung technisch geprägter Gewässer gewinnen Untersuchungen zu den im Laufe der Zeit aufgrund gezielter Maßnahmen und der Eigendynamik eintretenden morphologischen Veränderungen. Fachliche Hinweise auf die nach dem heutigen Kenntnisstand geeigneten hydraulisch-sedimentologischen Berechnungen gibt eine spezielle Schrift¹⁹.

Mit wachsenden Ansprüchen an Planungen und Maßnahmen zur Gestaltung der Fließgewässer sind auch die Anforderungen an hydraulische Berechnungen nach Art und Umfang ständig gestiegen. Hydraulische Nachweise müssen der Aufgabenstellung entsprechen und mit den heute verfügbaren Berechnungsverfahren nach dem Stand der Technik durchgeführt werden. Daher kann der Aufwand bei der hydraulischen Berechnung von Fließgewässern hoch sein. Dies gilt insbesondere für die Ermittlung der komplexen Strömungsverhältnisse natürlicher oder naturnaher Fließgewässer. Manuell können solche Analysen nicht geleistet werden. Aufgrund dieser Tatsache sind in der Vergangenheit zahlreiche Computerprogramme entwickelt worden. Gestützt wurde diese Entwicklung durch die rasch wachsenden Möglichkeiten zum Einsatz der elektronischen Datenverarbeitung.

In Nordrhein-Westfalen wird seit rund 20 Jahren das Wasserspiegellagenprogramm WSPLWa eingesetzt²⁰. Das Programmsystem WSPLWa dient zur Berechnung der Wasserspiegellagen bei stationär-ungleichförmigem Abfluß in natürlichen Fließgewässern, auch mit Bauwerken.

Das Programm wird zentral vom Landesumweltamt Nordrhein-Westfalen gewartet und konsequent weiterentwickelt. Die Weiterentwicklung betrifft die zeitnahe Umsetzung neuer, geeigneter Berechnungsverfahren, wie sie in aktuellen Merkblättern aufgezeigt werden, und die Anpassung an verbesserte technologische Möglichkeiten in der elektronischen Datenverarbeitung. So steht heute für den Einsatz des Programms auf dem PC eine leistungsfähige WINDOWS-gestützte Benutzeroberfläche (WSPWIN) zur Verfügung.

Mit dem Programmsystem zur Berechnung von Wasserspiegellagen WSPWIN / WSPLWa können folgende Aufgaben gelöst werden:

Hinweise zur Anwendung des Programmsystems WSPWIN / WSPLWa enthält ein Handbuch, welches entsprechend dem jeweiligen Entwicklungsstand des Programms fortgeschrieben wird²¹ und beim Landesumweltamt NRW bezogen werden kann.

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