Modellansatz für die Auswirkungen eines dynamischen Restwasserregimes auf die Kolmation und die Reproduktion kieslaichender Fischarten

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1 Modellansatz für die Auswirkungen eines dynamischen Restwasserregimes auf die Kolmation und die Reproduktion kieslaichender Fischarten AGAW Symposium, Innsbruck Markus Noack Universität Stuttgart Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung Lehrstuhl für Wasserbau und Wassermengenwirtschaft Prof. Dr.-Ing. Silke Wieprecht

2 Einleitung und Motivation Was ist Kolmation? Ergebnisse einer Literaturstudie: Keine Kolmation Starke Kolmation (Eastman, 2004) term description/definition reference embeddedness outer embeddedness inner embeddedness colmation/clogging physical colmation/clogging biological colmation/clogging chemical colmation/clogging The degree to which coarser particles are surrounded or covered by fine material. The fine material is larger than the pore space of the gravel-matrix of the river bed and is deposited on the surface layer. Deposition of suspended load in the pore spaces of the gravel-matrix of the river bed with reduction of pore space in the subsurface layer All processes that lead to a reduction of pore volume, consolidation of the sediment matrix, and a decrease in permeability of the stream bed Fine sediment deposition, accumulation and infiltration into streambed sediments Microbial activity lead to interstitial biofilms with adhesive capacities that reduces the transects of pores Iron clogging, redox potentials, ion exchange, flocculation change the geometry of the pore canals by disaggregation, dispersion or swelling Platt et al Fitzpatrick et al Gutknecht et al Schälchli, 2002 Brunke & Gonser, 1997 Descloux et al Beyer & Banscher 1975 Schwarz, 2003 physikalische und biogeochemikalische Prozesse

3 Einleitung und Motivation Was ist Kolmation? Kolmation Physikalische Prozesse Infiltration und Akkumulation von Feinsedimenten Biogeochemikalische Prozesse Biofilme, Redoxreaktionen, Respiration Infiltration und Akkumulation; Schälchli (1993) Biofilme, Stoffumsetzung, Sauerstoffzehrung; Gerbersdorf et al Größe, Form, Menge von Sedimenten, die zur Flusssohle transportiert werden Transportart (Schwerkraft, Turbulenz) Porengröße, Porenform des Kiesgerüstes der Gewässersohle Sohlnahes Strömungsfeld, interstitiales Strömungsfeld Typ und Menge an organischem Material Respirationsprozesse, Sauerstoffzehrung Mineralisierung von Nährstoffen Aufenthaltszeit im Interstitial Hyporheischer Austausch Kolmation ist ein hochkomplexer und hochdynamischer Prozess

4 Einleitung und Motivation Kolmation und Reproduktion kieslaichender Fischarten Laichphase Nov Laichgrube Augenpunktstadium Inkubationsphase Jan Augenpunktstadium Schlupf Larvenstadium März Larve Emergenz Emergenzphase Mai Noack, 2012 Auswirkungen der Kolmation während der Reproduktion: Laichphase Erschwertes Schlagen von Laichgruben durch kolmatierte/verfestigte Sohle Inkubationsphase Mortalität/eingeschränkte Entwicklung aufgrund von reduzierten Porenvolumen und folgender mangelnder Sauerstoffversorgung Emergenzphase Einschluss der Larven im Interstitial, unzureichende Porengröße

5 Einleitung und Motivation Wasserkraft: Kolmation und kieslaichende Fischarten Abflussregime Hydrologische/Hydraulische Variabilität Sedimentregime Morphologische/Sedimentologische Variabilität Anthropogene Aktivitäten Landwirtschaft Abholzung Eingriffe in Abfluss- und Sedimenthaushalt Auswirkungen Keine regelmäßigen Sohlumlagerungen Keine Neusortierung der Korngrößenverteilung Akkumulation von anorganischem und organischem Material (Kolmation) Dynamisches Restwasserregime Dekolmation

6 Kolmation Physikalische Prozesse Infiltration von Feinsedimenten in die Gewässersohle Theorie: Infiltrationswiderstände - statisch: Korngerüst vs. infiltrierendes Material (β) - dynamisch: Widerstand durch Reduzierung der Porenräume (α) Gleichgewicht: Deposition = Resuspension Numerischer Ansatz: Hiding/Exposure Infiltrationswiderstand [1/m] maximaler Widerstand α β Infiltrationsmasse [kg/m²] Steuerung des Gleichgewichtszustand durch Hiding/Exposure-Funktion Wu et al. 2000

7 Kolmation Physikalische Prozesse 3D-numerische Feststofftransportmodellierung (SSIIM) Numerische Simulation von Rinnenversuchen (Schächli 1993) Einfluss des Exponenten in der Hiding/Exposure Funktion: Horizontale Fließgeschwindigkeit [m/s]: 1.50 m=0.0 m= m=0.2 m=0.3 Infiltrationmasse mk [kg/m²] m=0.4 m=0.6 m=0.8 m=0.5 m=0.7 m= Zeit [10³s] Infiltration von Feinsedimenten und deren Auswirkung auf die Porosität Kalibrierung des numerischen Modells anhand unterschiedlicher Exponenten der Hiding/Exposure-Funktion Unterschiedliche Konzentrationen, Kornverteilungen, Abflüsse etc. Auswirkungen auf Porosität und Infiltrationswiderstand

8 Kolmation Physikalische Prozesse 3D-numerische Feststofftransportmodellierung (SSIIM) 1 R² = Hiding/Exposure Exponent [-] E E E E E+11 Infiltrationswiderstand [m/kg]

9 Kolmation Ökologische Auswirkungen Fuzzy-Ansatz Habitateignungsmodell (CASiMiR) Laichhabitat Korngrößenverteilung Fließgeschwindigkeit Wassertiefe HSI Laich Inkubationshabitat Interstitialhabitatqualität Sohlhöhenänderungen Hydraulischer Gradient HSI Ei HSI Schlupf HSI Larve Emergenzhabitat Geom. Korndurchmesser Fraktionsanteil <8mm Sohlhöhenänderung HSI Emergenz

10 Kolmation Ökologische Auswirkungen Fuzzy-Ansatz: Interstitialhabitatqualität Gelöster Sauerstoffgehalt Sedimentcharakteristik Hyporheische Austauschprozesse Hyporheischen Respiration Interstitiale Temperatur Oberflächenwassertemperatur Grundwassertemperatur Hyporheische Austauschprozesse Hydr. Leitfähigkeit Transport von Sauerstoff und Stoffwechselprodukten Temperatur Metabolische Aktivität und Stoffwechselprozesse fuzzy-logisches Habitatmodell Respiration Sauerstoffverbrauch Interstitialhabitatqualität Augenpunktstadium (IHS Ei ) Schlupf (IHS Schlupf ) Larve (IHS Larve )

11 Fallstudie Fließgewässer Spöl Untersuchungsgebiet - Schweizer Nationalpark, Engadin - Öko-Region: Alpen (>800m Höhe) - regulierter Abfluss - Winter: 1.44m³/s, Sommer: 0.68m³/s - jährliche künstliche ökologische HW-Ereignisse - reproduzierende Bachforellenpopulation Monitoring während der ökologischen HW-Ereignisse und über die gesamte Reproduktionsphase der Bachforelle (Oktober Mai) 3D-Feststofftransportmodell zur Simulation der Sedimentinfiltration (SSIIM) Fuzzy-Modell zur Simulation der Habitateignungen während der Reproduktion (CASiMIiR) Ziel: Können die Auswirkungen des dynamischen Restwasserregimes auf die Reproduktionsbedingungen der Bachforelle modelltechnisch erfasst werden?

12 Fallstudie Fließgewässer Spöl Feststofftransportmodellierung: Dynamisches Regime Sohlhöhenänderungen gemessen simuliert Summenprozent [%] simuliert gemessen initial (gemessen) Korngrößensortierung/Korngrößenverteilung Korngröße [mm] Prozentualer Anteil pro Fraktion [%] simuliert gemessen Korngröße [mm] Auswirkung des dynamischen Restwasserregimes auf Sohlhöhenänderungen und Korngrößenverteilung Erosion Q max =40m³/s Deposition Spülereignis und Reproduktionszeit (Okt Mai)

13 Fallstudie Fließgewässer Spöl Feststofftransportmodellierung: Leitfähigkeit Räumliche Verteilung der Leitfähigkeit R9 R8 R7 Zeitlicher Verlauf der Leitfähigkeit R1-R9: Laichgruben Leitfähigkeit [cm/h]: R5 R4 R6 Hydraulische Leitfähigkeit [cm/h] R1 R3 R2 Okt 2009 Mai 2010 Zunehmende Infiltration/Akkumulation von Feinsedimenten Rückgang der hydraulischen Leitfähigkeit Physikalischen Prozess der Kolmation

14 Kolmation Ökologische Auswirkungen Fuzzy-Ansatz: Habitateignung in der Laichphase Sedimentcharakteristik Laichsubstratindex Laichhabitateignung 7 3 <2mm 2-31mm 31-64mm >64mm 3 Sand Feinkies Grobkies Steine 1. Fuzzy Schritt 2. Fuzzy Schritt 9 low medium high HSI [-]:

15 Kolmation Ökologische Auswirkungen Fuzzy-Ansatz: Habitateignung in der Inkubationsphase Räumliche Verteilung R9 R5 R2 HSI Ei HSI Schlupf HSI [-]: HSI Larve Habitateignung HSI [-] HSI R2 Ei HSI R2 Schlupf HSI R2 Larve HSI R5 Ei HSI R5 Schlupf HSI R5 Larve HSI R9 Ei HSI R9 Schlupf Augenpunktstadium: kaum Einschränkungen Zeitlicher Verlauf Augenpunktstadium Schlupf Larvenstadium HSI R9 Larve 0.0 N 09 D 09 J 10 F 10 M 10 A 10 Schlupf: limitierende Temperaturen und Leitfähigkeiten im Interstitial reduzierter Porenraum durch Infiltration von Feinsedimenten Larvenstadium: limitierende Leitfähigkeiten durch Infiltration von Feinsedimenten

16 Kolmation Ökologische Auswirkungen Fuzzy-Ansatz: Gesamte Reproduktionsphase Räumliche und zeitliche Auswirkung der Kolmation auf die Habitateignungen während der Reproduktion Habitatdynamik Identifizierung von Bottlenecks (räumlich und zeitlich), keine Black-Box Darstellung in Form von Karten, Ganglinien oder als Habitatangebot

17 Zusammenfassung und Fazit Kolmation beinhaltet physikalische und biogeochemikalische Prozesse die zu einer Verringerung des gelösten Sauerstoffgehalts im Interstitial führen Kombination von Feststofftransportmodellen und Habitateignungsmodellen ermöglicht die Simulation der räumlichen und zeitlichen Kolmationsentwicklung Modellansatz berücksichtigt nur abiotische Variablen und erlaubt keine Aussagen zu Überlebensraten Simulation von unterschiedlichen Szenarien für dynamische Restwasserregime unter Berücksichtigung ökonomischer und ökologischer Aspekte

18 Universität Stuttgart Institut für Wasser- um Umweltsystemmodellierung Prof. Dr.-Ing. Silke Wieprecht Dr.-Ing. Markus Noack Universität Stuttgart Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung

19 Fallstudie Fließgewässer Spöl Untersuchungsgebiet Seit 2000: Dynamisches Restwasserregime Robinson et al. 2003

20 Fallstudie Fließgewässer Spöl Feststofftransportmodellierung: Sediment-Infiltration Räumliche Verteilung der Infiltration Zeitlicher Verlauf der Infiltration FC4 20 mk SSIIM2 BS1/FC1 18 mk SSIIM2 BS2/FC2 FC3 Infiltrationsmasse [kg/m²] FC2 infiltration Infiltrationsmasse mk m [kg/m²] k [kg/m²] mk SSIIM2 BS5/FC5 mk SSIIM2 BS6/FC6 mk Sch BS1/FC1 mk Sch BS2/FC2 mk Sch BS5/FC5 mk Sch BS6/FC FC1 mk SSIIM2 0 S 09 O 09 N 09 D 09 J 10 F 10 M 10 A 10 M 10 Vergleich der simulierten Infiltrationsmengen mit gemessenen Infiltrationsmengen ( Freezecores)

21 Kolmation Ökologische Auswirkungen Fuzzy-logischer Ansatz: Interstitialhabitatqualität Hydr. Leitfähigkeit Temperatur LOW MEDIUMHIGH VERY HIGH 1 LOW MEDIUM 1 HIGH Respiration LOW MEDIUM HIGH Interstitialhabitatqualität LOW MEDIUM HIGH VERY HIGH Erstellung eines Fuzzy-Regelwerks: WENN Leitfähigkeit GERING MITTEL HOCH SEHR HOCH UND Temperatur GERING MITTEL HOCH UND Respiration GERING MITTEL HOCH DANN Interstitialhabitatqualität GERING MITTEL HOCH SEHR HOCH Regelerstellung basierend auf Literaturwerten und biologischer Expertise

22 Kolmation Ökologische Auswirkungen Fuzzy-logischer Ansatz: Interstitialhabitatqualität R9 Eyed-Egg-Stage Hatching Stage Larval Stage R5 IHS Incubation [-]: R2 IHS Egg IHS hatch IHS larv fluctuations of interstitial habitat conditions during the incubation period identification of critical areas and time steps during the incubation period

23 Inkubationsphase zweistufiges Fuzzy-System Interstitialhabitatqualität Sohlhöhenänderung (Gefährdung durch Ausspülen von Eiern und Larven) Vertikaler hydraulischer Gradient (influente und effluente Fließbedingungen, Sauerstoffgehalt) 1. Fuzzy-Schritt Zwischenergebnis 2. Fuzzy-Schritt Ergebnis Permeabilität Interstitiale Temperatur Interstitial-habitatqualität: IHS Ei IHS Schlupf IHS Larve IHS Sohlhöhenänderung Inkubationshabitateignung: HSI Ei HSI Schlupf HSI Larve Hyporheische Respiration Vertikaler hydraulischer Gradient

24 Kolmation Ökologische Auswirkungen Fuzzy-Ansatz: Interstitialhabitatqualität Hydr. Conductivity: hydro- and morphodynamic numerical simulation with SSIIM3D (Oct May 2010) simulating of fine sediment infiltration and its effect on porosity calculation of the conductivity using mathematical approaches Interstitial Temperature: continuous measurements via data-logger assumption: spatially homogenous distribution Hyporheic Respiration: measurements of the respiration + numerical simulations temporal distribution is based on a temperature correction function (Arrhenius-Equation) spatial distribution is based on porosity, layer thickness and percentages of particles sizes <8mm

25 Case Study Input Data Temperature Method: continuous measurements via a data-logger Assumption: spatially homogenous distribution limiting optimal limiting lethal interstitial temperatures below optimal conditions during winter season affecting the metabolic processes in the incubation phase

26 Case Study Input Data Hyporheic Respiration Method: Measurements of the respiration + numerical simulations temporal distribution is based on a temperature correction function (Arrhenius-Equation) spatial distribution is based on porosity, layer thickness and percentages of particles sizes <8mm R9 R8 R7 limiting not critical R1-R9 artificial spawning redds Repiration [go 2 /m²d]: R5 R4 R6 R3 R2 R1 Oct 2009 May 2010 seasonality given the interstitial temperature competing with oxygen demand