Heinz Patt Peter Jürging Werner Kraus Naturnaher Wasserbau

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1 Heinz Patt Peter Jürging Werner Kraus Naturnaher Wasserbau

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3 Heinz Patt Peter Jürging Werner Kraus Naturnaher Wasserbau Entwicklung und Gestaltung von Fließgewässern 2., überarbeitete und aktualisierte Auflage Mit 189 Abbildungen und 32 Farbtafeln 21 3

4 Universitätsprofessor Dr.-Ing. habil Heinz Patt Universität Duisburg-Essen Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft Universitätsstraße Essen vormals Wasserwirtschaftsamt Rosenheim Dr. Dipl.-Ing. Peter Jürging Adolf-Kolping-Str Erding vormals Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft Dipl.-Ing. Werner Kraus vormals Wasserwirtschaftsamt Rosenheim isbn Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, 2. Auflage, 2004 Printed in Germany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.b. din, vdi, vde) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Einbandentwurf: deblik, Berlin Satz: medio AG, Berlin Gedruckt auf säurefreiem Papier 68/3020kk

5 Vorwort zur 2., überarbeiteten und aktualisierten Auflage Die fachliche Diskussion im Rahmen der politischen Beratungen zur Einführung der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (EG-WRRL) und die Arbeiten im Hinblick auf eine termingerechte Umsetzung haben die Wasserwirtschaft in den vergangenen beiden Jahren in erheblichen Ausmaße beschäftigt. Einige Arbeiten, wie zum Beispiel die Ausweisung von Fließgewässerlandschaften in der Bundesrepublik Deutschland oder die Ausweisung von Referenzgewässern, sind ganz oder teilweise abgeschlossen, andere fachliche Details, wie zum Beispiel die Prozedur zur Ausweisung der erheblich veränderten Wasserkörper ( heavily modified water bodies ), waren bei der Drucklegung dieses Buches noch nicht abschließend beraten. Mit der Novellierung des Wasserhaushaltsgesetzes (WHG) vom 19. August 2002 wurde das bundesdeutsche Wasserrecht an die europäischen Regelungen angepasst. Die in diesem Zusammenhang erforderlichen Novellierungen der Landeswassergesetze stehen noch aus. Das flussgebietsorientierte Management von Flüssen ist nicht neu. In der Euro päischen Wasserrahmenrichtlinie sind vielfach nur andere Begriffe gewählt worden. Was fehlt sind praktische Erfahrungen mit der neuen integralen Betrachtungsweise. Die zahlreichen Vorgänger des Flussgebietsmanagements waren in ihrer über lange Jahre gewachsenen Ausrichtung auf dem richtigen Weg. Die in der Vergangenheit gewonnenen Erfahrungen sollten deshalb konsequent genutzt werden. Das ist ein Grund, warum in dieser 2. Auflage die bisher angewandten Planungsinstrumente nochmals benannt und beschrieben werden. Die modernen Kommunikationsmittel (Internet, ) sind heute eine unabdingbare Voraussetzung für den Austausch von Wissen. Das Internet hat gegenüber einem Buch den großen Vorteil der ständigen Aktualität, weil die neuesten Entwicklungen dort zeitnah eingestellt und weltweit abgerufen werden können. Wer sich heute über neue Entwicklungen informieren will, kommt deshalb um die Nutzung dieses Mediums nicht herum. Wir, die Autoren eines Fachbuches über den naturnahen Wasserbau, können uns daher auf die Darstellung der Systematik und grundlegenden Verfahren beschränken. Weitergehende Informationen können nicht nur in der ange-

6 VI Vorwort gebenen Literatur, sondern auch durch Eingabe entsprechender Fachbegriffe in die Internet-Suchmaschinen gefunden werden. Auch bei der Neuauflage haben uns wieder FachkollegInnen mit Rat und Tat zur Seite gestanden. Nennen möchten wir insbesondere Assessor Klaus-Dieter Fröhlich (Institut für das Recht der Wasser- und Entsorgungswirtschaft an der Universität Bonn), Christian Göldi (Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft, Zürich), Ministerialrat Dr. Franz Oberleitner (Wien), Dipl.-Ing. Wolfgang Kraier (Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft, München) sowie Dr.-Ing. Joachim Renner (Achern), Dr. Birgit Esser (Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz) und Dipl.-Biol. Hella Heuer von der Stadt Freiburg. Die Genannten haben jeweils einzelne Kapitel kritisch durchgesehen und uns wertvolle Hinweise gegeben. Herr Dipl.-Ing. Eberhard Städtler (Euskirchen) hat uns aktuelle Bilder zur Verfügung gestellt. Dafür möchten wir allen ganz herzlich danken. Bonn und Erding, im Januar 2004 Prof. Dr.-Ing. Heinz Patt Dr. Peter Jürging

7 Vorwort Auf mühevollem, meist empirischen Wege hat sich die Kunst des Flussbaues entwickelt. Seine Anfänge waren von den Bedürfnissen des Augenblicks geboten. Die Beweglichkeit des zu behandelnden Elements ließ die Übertragung einer einzelnen Erfahrung und allgemeine Schlüsse nur selten zu und, obwohl der Wasserbau schon seit Jahren eine zunehmende wissenschaftliche Behandlung erfahren hat.. so sind neben den wenigen ganz allgemeinen Grundgesetzen allgemein anwendbare Regeln und Vorschriften nur in geringem Maße gewonnen worden. Der wichtigste Satz aller Studien ist der, dass jeder Fluss ein Individuum ist, das seine eigene Behandlung verlangt, da die bestimmenden Faktoren, Wassermenge, Gefälle, Geschiebe und Uferbildungen bei allen Flüssen, ja sogar innerhalb einzel ner Flussstrecken große Verschiedenheiten aufweisen. Nichts wäre weniger angezeigt, und nichts würde zu größerer Geldverschwendung führen, als wenn alle Flüsse nach einer einzelnen Schablone behandelt würden; denn schon die Un gleichheit einer einzigen wesentlichen Eigenschaft zwingt im Flussbau zur Anwendung anderer Mittel. Diese fast philosophisch anmutende Sichtweise, in der die Fließgewässer als sehr eigensinnig reagierende Individuen dargestellt werden, die aber bei entsprechender Behandlung sehr dienlich sein können, stammt aus einer Denkschrift der Bayerischen Obersten Baubehörde aus dem Jahre Der Mensch hat sich leider in den vergangenen Jahrzehnten die damit verbundene Umgangsweise mit den Fließgewässern nicht zu eigen gemacht. So ist es nicht verwunderlich, wenn z.b. in einer Bürgerpetition aus dem Jahre 1928 an einen Gemeinderat die Einbeziehung eines Baches in das Kanalisationsnetz der Gemeinde beantragt wird. Als Gründe werden angeführt: Die unterzeichnenden Einwohner, die an dem vorstehend genannten Bach wohnen, bitten hiermit den wohllöblichen Gemeinderat, auch diesen Bach in die zu bauende Kanalisation einzubeziehen, und zwar aus folgendem Gründen: Die zu bauende Kanalisation hat den Zweck, die den Ort durchziehenden Gewässer unterirdisch abzuleiten. Weiter ist der sich an diesem Bach entlangziehende Verkehrsweg nur sehr schmal und es ist darum auch im Verkehrsinteresse von größtem Vorteil, wenn dieser Bach unterirdisch abgeleitet wird.

8 VIII Vorwort Der zuständige Kreisbaumeister führt dazu aus: Infolge der geringen Abmessung des Bachprofils und der hohen Lage der Sohle kommt es bei Hochwasserabfluss häufig zu Überschwemmungen der Straßen in der Dorflage. Zudem wird der Grundwasserspiegel hochgehalten und hält so die Fundamente der anliegenden Wohnhäuser feucht, wodurch die Wohnungen ungesund sind. Bei den geringen Wassermengen, die der Bachlauf im Sommer führt, bleiben die eingeleiteten Abwässer stehen. Es ist doch nicht zu vermeiden, dass der Bachlauf als Abladestelle für alle möglichen Abfälle dient, wodurch derselbe zum Schmutzbach wird. Die Beseitigung des Bachlaufes erscheint daher in sanitärer Hinsicht besonders erwünscht. Bei einem derartigen Umgang mit den Fließgewässern, war das Verschwinden zahlreicher Fließgewässer aus urbanen Bereichen vorprogrammiert. Konnten die Gewässer bleiben, wurden sie meist technisch ausgebaut. Die Probleme mit der Gewässergüte blieben oft ungelöst und wurden an den jeweiligen Unterlieger weitergereicht. Vor etwa zwei Jahrzehnten wurde jedoch mehr und mehr erkennbar, dass ein derartiger Umgang mit den natürlichen Ressourcen auf die Dauer zu irreversiblen Schäden führen wird. In der Folge trugen zahlreiche Berichte in den Medien über Umweltprobleme und deren gesundheitliche Auswirkungen erheblich dazu bei, das Interesse der Bevölkerung für ökologische Zusammenhänge zu wec ken und so das Umweltbewusstsein generell zu fördern. In diesem Zusammenhang wurde der Begriff der nachhaltigen Entwicklung geprägt, der heute ein übergeordnetes Ziel im Umweltschutz ist. Im Zuge dieser neuen Sichtweise hat sich wohl kein Arbeitsfeld in den letzten Jahren derartig stark verändert wie dasjenige des Wasserbauingenieurs. Über lange Zeit angewandte Strategien und Baumethoden bei Ausbau und Unterhaltung von Fließgewässern mussten völlig neuen, ökologisch ausgerichteten Ansprüchen genügen, die in der klassischen, konstruktiv oder nutzungsorientiert ausgerichteten Ausbildung des Wasserbauers und Kulturbauingenieurs nicht vorgesehen waren. Die neuen Anforderungen, die nun bei Ausbau und Unterhaltung von Fließgewässern berücksichtigt werden müssen, sind nur noch im Team mit anderen Fachdisziplinen zu lösen. Diese Zusammenarbeit hat deutliche Spuren bei Planung und Ausführung hinterlassen; oftmals wird heute genau um gekehrt verfahren, wie vor einigen Jahren. Schon die Begriffe Rückbau, Revitalisierung und Renaturierung deuten auf Korrekturen an den bislang verfolgten Ausbau strategien hin. Die plastische Darstellung vieler Sünden des technischen Wasserbaus in diesem Buch soll keine Abrechnung mit der Vergangenheit sein. Die Nutzung der natürlichen Ressourcen dient uns allen und hat daher auch im Rahmen einer nachhaltigen Entwicklung weiterhin ihre Berechtigung. Wie viele andere Auswirkungen der Industrialisierung wurde die anthropogene Beeinflussung der Fließgewässer von der Gesellschaft gewünscht und durch politische Entscheidungsprozesse eingeleitet.

9 Vorwort IX Wesentliche Intention des Buches ist die Darstellung der Auswirkungen von Eingriffen in die natürliche Fließgewässerentwicklung als Entscheidungshilfe für zukünftige Planungen. Das Für und Wider eines Eingriffs muss möglichst frühzeitig in seinen Gesamtauswirkungen bewertet werden. Ist ein Eingriff notwendig, können die Methoden des naturnahen Wasserbaus dazu beitragen, die Beeinträchtigungen von notwendigen baulichen Maßnahmen abzumildern. An ausgebauten Fließgewässern können durch Renaturierungen wieder naturnähere Zustände hergestellt werden. Der Lebensraum Fließgewässer ist dabei ein wichtiges Kriterium. Die Berücksichtigung ökologischer Belange bei Baumaßnahmen an Fließgewässern sind jedoch eine Voraussetzung dafür, dass sich auch spätere Generationen auf die Erneuerungskräfte der Natur verlassen können. Bei einem derart komplexen Thema ist auch bei einem Buch eine gemeinsame Arbeit zwischen verschiedenen Fachdisziplinen erforderlich. Als Autoren sind deshalb zwei Wasserbauer, ein Hochschullehrer und ein Praktiker, sowie ein Landespfleger beteiligt. Diese interdisziplinäre Zusammensetzung hat sich auch in anderen gemeinsamen Projekten bestens bewährt. Prof. Dr.-Ing. G. Vogel (Hochschule Wismar), Assessor K.-D. Fröhlich (Institut für das Recht der Wasser- und Entsorgungswirtschaft an der Universität Bonn), Dipl.-Ing. (FH) W. Gröbmaier und Dipl.-Ing. W. Kraier (beide Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft) haben jeweils einzelne Kapitel kritisch durchgesehen und wertvolle Hinweise gegeben. Das gilt auch für Dipl.-Ing. E. Städtler (Staatliches Umweltamt Köln), der uns zusätzlich zahlreiche Fotos zur Verfügung gestellt hat. An der Illustration des Buches haben Dipl.-Ing. R. Sonn (technische Grafiken) und H. Geipel (Zeichnungen) mitgewirkt. Allen Genannten möchten wir ganz herzlich danken. Bonn, München, Rosenheim im Dezember 1997 Prof. Dr.-Ing. Heinz Patt Dr. Peter Jürging Dipl.-Ing. Werner Kraus

10 Inhaltsverzeichnis 1 Zielsetzung Rechtlicher Rahmen Europäische Rechtsnormen EG-Wasserrahmenrichtlinie Europäische Naturschutzrichtlinien Rechtliche Grundlagen Bundesrepublik Deutschland Rahmengesetzgebung, Gesetze der Bundesländer Wasserhaushaltsgesetz Grundsätzliches Gemeinsame Bestimmungen für die Gewässer Erlaubnis und Bewilligung Bestimmungen für oberirdische Gewässer Unterhaltung und Ausbau Wasserwirtschaftliche Planung Gesetz über die Wasser- und Bodenverbände Bundesnaturschutzgesetz (BNatSchG) Gesetz über die Umweltverträglichkeitsprüfung (UVPG) Verwaltungsverfahren Planfeststellung, Plangenehmigung Unselbstständige Teile verwaltungsbehördlicher Verfahren und Planungsinstrumente Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP) Eingriffsregelung Bestimmungen in Österreich und in der Schweiz Österreich Schweiz Morphologie der Fließgewässer Klima Geomorphologie Natürliche Fließgewässerentwicklung Gewässerbettbildende Prozesse

11 XII Inhaltsverzeichnis Linienführung (Laufform) Längsprofil, Querprofile, Sohlenstrukturen Zeiträume für eine natürliche Entwicklung Anthropogen beeinflusste Fließgewässer Landnutzung und Besiedlung Laufkorrekturen und Profilausbau Hochwasserschutzmaßnahmen Wehre und Stauanlagen Einschränkung der Durchgängigkeit Künstliche Gewässer Inkubationszeit Reaktion der Fließgewässer auf anthropogene Beeinflussungen Systematik der Fließgewässer Einteilung der Fließgewässer Fließgewässertypisierung Fließgewässerlandschaften Lebensraum Fließgewässer Natürliche Fließgewässer Fließgewässer- und Auendynamik Physikalische Faktoren Chemische Faktoren Biotische Faktoren Lebensräume und Lebensgemeinschaften Anthropogen veränderte Fließgewässer Fließgewässer- und Auendynamik Physikalische Faktoren Chemische Faktoren Biotische Faktoren Anthropogen bedingte und beeinflusste Lebensräume und Lebensgemeinschaften Gewässergüte, Gewässerstruktur Gewässergüte Chemisch-physikalische Verfahren Biologische Verfahren Güteklassen Gewässergütekarte Leitbildorientierte biologische Fließgewässerbewertung Fließgewässerstrukturkartierung Entwicklung der Strukturkartierung Verfahren zur Ermittlung der Gewässerstruktur Leitbild für die Bewertung Verfahrensablauf Arbeitsschritte bei der Strukturkartierung Fließgewässerstrukturkarten

12 Inhaltsverzeichnis XIII 6 Hydrologische Grundlagen Wasserkreislauf Wasserhaushaltsgleichung Niederschlag Verdunstung Abflussentstehung Retention (Rückhalt) Verbesserung des Wasserrückhaltes Hydrologische Daten für die Planung Hydrometrie Hydrologische Verfahren Abflüsse Hydraulische Nachweise Geschwindigkeitsverteilung Strömen Schießen Froudezahl Grenzverhältnisse Formen des Fließwechsels Abfluss- und Wasserspiegelberechnungen Berechnung nach Manning-Strickler Berechnung nach Darcy-Weisbach Berechnungsverfahren nach Mertens Transportkörper auf der Sohle Verklausungen und lokale Fließwiderstände Überströmte Strukturen Sohlenbauwerke Hydraulische Wirksamkeit Bemessung von Sohlenrampen Physikalische und mathematische Modelle Wasserspiegellagen, Überschwemmungsgrenzen Feststofftransportmodelle Habitatmodellierung Öko-Hydraulik Physikalische Modelle, wasserbauliches Versuchswesen Feststofftransport in Fließgewässern Systematik Transportbeginn Kritische Geschwindigkeit Kritische Schubspannung Geschiebetransportformeln Formel von Einstein Formel nach Meyer-Peter & Müller Anwendungsbereiche

13 XIV Inhaltsverzeichnis Geschiebejahresfracht Messmethoden für den Feststofftransport Geschiebemessung Schwebstoffmessung Fließgewässerentwicklung, Umsetzung und Förderprogramme, Flussgebietsmanagement Fließgewässerentwicklung Planungsebenen Planungsablauf Gebietsübersicht Leitbild Ist-Zustand und Bewertung Ausbau- und Unterhaltungsmaßnahmen, Überschwemmungsgebiete Entwicklungsziele Flussgebietsmanagement Bewirtschaftung nach Flussgebietseinheiten Bestandsaufnahme Maßnahmenprogramme Umsetzung Grunderwerb, Vertragliche Absprachen Beteiligung der Öffentlichkeit und Akzeptanzförderung Staatliche Fördermaßnahmen und Programme Naturnahe Gestaltung Eigendynamische Fließgewässerentwicklung Einleiten dynamischer Prozesse Veränderungen an der Laufentwicklung Verbesserung des Geschiebehaushaltes Querschnittsgestaltung, Bettausbildung Gewässeraufweitungen Anlage von Altgewässern Revitalisierung einzelner Ökosystem-Bausteine Durchgängigkeit Anbinden von Seitengewässern Auenvitalisierung, Anlage von Uferstreifen Sicherung gegen Seitenerosion, Längsverbau Röhrichte Rauhbaum Faschinenbündel Senkwalzen, Senkfaschinen Flechtzaun Weidenspreitlage

14 Inhaltsverzeichnis XV Weidenbuschlage Böschungsrasen Gehölze Steinverbau Sicherung gegen Seitenerosion, Buhnen Buhnen aus Steinen Dreiecksbuhnen aus Steinen (Steinsporne) Buhnen aus Wurzelstöcken Felchtwerksbuhnen Steinkastenbuhnen Sicherung gegen Tiefenerosion Totholzschwellen Sohlenschwellen und Grundschwellen Sohlenrampen Fischwanderhilfen Planungsgrundlagen Naturnahe Bauweisen Technische Bauweisen Gestaltung von Deichen Baumaterialien im naturnahen Wasserbau Pflanzen Rasen Röhrichte Gehölze Steine Chemismus Grundsätze des Arbeitens mit Steinen Weitere Baustoffe Holz Metalle Geotextilien Gewässerunterhaltung Unterhaltungslast, Eigentumsverhältnisse und Duldungspflichten Aufgaben der Gewässerunterhaltung Unterhaltungsmaßnahmen Regelmäßig wiederkehrende Unterhaltungsmaßnahmen Unregelmäßig wiederkehrende Unterhaltungsmaßnahmen Sonstige Unterhaltungsmaßnahmen Zeitrahmen für Unterhaltungsarbeiten im Jahresgang Gewässerunterhaltungsplan

15 XVI Inhaltsverzeichnis Anhang Literaturverzeichnis DIN Normen Symbolverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Bildnachweis Glossar Farbtafeln Sachwortverzeichnis