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unilogo Universität Stuttgart
Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung - IWS

Abstract

 
   

"Ansatz zur Erfassung morphologischer Prozesse für die Habitatmodellierung auf Grundlage hydraulischer Modellierung"

Morphodynamische Prozesse sind wesentlich für die Strukturvielfalt und das Habitatangebot aquatischer Organismen in Fließgewässern verantwortlich. Sie treten jedoch in einer Vielzahl von anthropogen veränderten Gewässern nur noch in naturferner Form auf, da der natürliche Sedimenthaushalt und damit auch die Lebensgrundlage für gewässergebundene Organismen durch Ufersicherung, Einengung, Sohlstufen oder auch Geschiebesperren gestört ist.

Habitatmodelle, wie das am Institut für Wasserbau der Universität Stuttgart entwickelte Softwarepaket CASiMiR (Computer Aided Simulation Model for Instream Flow Requirements), mit deren Hilfe die Lebensräume von z.B. Fischen im Computer nachgebildet werden können, werden immer häufiger bei wasserbaulichen und wasserwirtschaftlichen Fragestellungen eingesetzt und bilden eine objektive und quantitative Grundlage zur Bewertung des ökologischen Zustands der Gewässer. Morphodynamische Entwicklungen der Gewässer finden jedoch bislang größtenteils keine Berücksichtigung bei der Habitatmodellierung. Umgekehrt werden ebenso selten Habitatmodelle in das Untersuchungsprogramm von Studien zum Sedimenttransport eingebunden. Abhängig von den gewässerspezifischen Fragestellungen findet derzeit in den meisten Fällen eine vollständig getrennte Behandlung dieser beiden Disziplinen statt. In dieser Arbeit werden die Bedeutung morphodynamischer Prozesse für aquatische Organismen sowie die Auswirkungen künstlich erzeugter Hochwässer auf die Gewässerökologie erläutert und die derzeitigen Grundlagen hydraulischer und morphologischer Modellierung dargestellt.

Aufbauend auf den Modellergebnissen einer Fallstudie an der Mittleren Isar, in der den Merkmalen der verschiedenen hydraulischen Modelle besondere Aufmerksamkeit geschenkt wird, werden zwei unabhängige Ansätze entwickelt, welche in der Lage sind, die für die Habitatmodellierung relevanten morphologischen Prozesse qualitativ zu erfassen. Der erste Ansatz dient zur Erfassung des Bewegungsbeginns und unterstützt die Bewertung der Kolmationsgefahr sowie von Geschiebeumlagerungen auf der Mesoskala. Der zweite, ein mit CASiMiR gekoppelter Ansatz zur Erfassung der Habitatveränderung durch Morphodynamik, kann zur ökologischen Bewertung wasserwirtschaftlicher Planungsszenarien, welche die Gewässermorphologie nachhaltig beeinflussen, genutzt werden.

Die Anwendung im Rahmen zweier Szenarien/Fallstudien zeigt, dass beide Ansätze bei kontinuierlicher Weiterentwicklung großes Potenzial besitzen, die direkte Kopplung morphologischer Prozesse mit bestehenden Habitatsimulationsmodellen wie CASiMiR in naher Zukunft zu ermöglichen.

Schlüsselwörter: Morphologie, Morphodynamik, Fließgewässerökologie, Modellierung, Habitatsimulationsmodelle, CASiMiR, HYDRO_AS-2D, MIKE11, Mittlere Isar

Abstract:

Morphodynamic processes are, in large part, responsible for both the structural variability and the amount of suitable habitats for aquatic organisms in running waters. However, waters altered by humans take on an unnatural form, because the natural sediment household and the base of life for aquatic organisms are disturbed. This is due, for example, to bank stabilization, constrictions and sediment traps.

Habitat models, like the software package CASiMiR (Computer Aided Simulation Model for Instream Flow Requirements), which was developed at the Institute of Hydraulic Engineering at the University of Stuttgart, are used to predict suitable habitats, e.g. for fish. These models are frequently utilized to answer questions in hydraulic engineering and water management problems. They provide an objective and quantitative basis for the evaluation of the ecological conditions of rivers. Morphodynamic changes are rarely considered in habitat modelling. Similarly habitat models are seldom integrated in to sediment transport studies. At present, habitat modelling and sediment transport are considered separately.

In this study the meaning of morphodynamic processes for aquatic organisms as well as the effects of artificially produced floods on river ecology is described. The present practice in hydraulic and morphological modelling is presented. Using modelling results of a case study at the Middle Isar, in which special attention is given to the characteristics of different hydraulic models, two independent approaches are developed. These approaches are able to capture relevant morphological processes, important for habitat modelling, qualitatively. The first approach is used to capture the beginning of sediment movement and serves to evaluate the danger of embeddedness as well as the relocation of coarser sediment on a meso-scale. The second approach, which is coupled with CASiMiR, describes habitat changes based on morphodynamics and can be used to ecologically evaluate planning scenarios, which effect river morphology substantially. The application of these approaches in two scenarios/case studies shows that both approaches possess, with continuous further development, large potential to couple morphological processes with existing habitat simulation models, such as CASiMiR, in the near future.

Keywords: Morphology, Morphodynamics, Ecohydraulics, Modelling, Habitat Simulation Models, CASiMiR, HYDRO_AS-2D, MIKE11, Middle Isar