Die erforderliche Geschiebefracht

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1 Im Auftrag des Bundesamtes für Umwelt (BAFU) Die erforderliche Geschiebefracht Fachbericht zum Modul «Geschiebehaushalt Massnahmen» der Vollzugshilfe Renaturierung der Gewässer Zürich, den 5. November 2018 Flussbau AG SAH dipl. Ing. ETH/SIA flussbau.ch Holbeinstr. 34, CH-8008 Zürich, Tel , Fax ,

2 Auftraggeber Bundesamt für Umwelt (BAFU) Abteilung Wasser Papiermühlestrasse Bern Das BAFU ist ein Amt des Eidg. Departements für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation (UVEK). Kontakt: Manuel Nitsche Auftragnehmer Holbeinstrasse 34 CH Zürich Autoren: Dr. Ueli Schälchli ueli.schaelchli@flussbau.ch Dr. Lukas Hunzinger lukas.hunzinger@flussbau.ch Expertengruppe Silke Wieprecht (Universität Stuttgart) Robert Boes (ETH Zürich) Christian Marti (Kanton Zürich) Manuel Nitsche (Bundesamt für Umwelt) Carlo Scapozza (Bundesamt für Umwelt) Volker Weitbrecht (ETH Zürich) Hinweis Diese Studie wurde im Auftrag des BAFU verfasst. Für den Inhalt ist allein der Auftragnehmer verantwortlich.

3 Inhalt 1 Einleitung Zweck des Fachberichts Motivation, Ziele und Konzept der Methodik erforderliche Geschiebefracht Inhalt des Fachberichts Methode 1: Gerinneform Herleitung Ansätze der Regimetheorie Gerinneform Gerinnebreite Datengrundlage Erweiterung der Gerinneformklassen Einfluss der Geschiebefracht auf die Gerinnebreite Prozesse Korrekturfaktor für die Gerinnebreite nach Parker Berechnungsformeln Einfluss der Geschiebefracht auf die Gerinneform Ziele für Gerinneform und Anforderung an die Geschiebefracht Vergleich der Auswertungen mit HQ 2 und HQ Berechnungsschritte und Eingangsparameter Sensitivitätsanalyse Methode 1: Anwendungsempfehlung Methode 2: Kiesablagerungen Ziele für Kiesablagerungen und Anforderung an die Geschiebfracht Modellversuche Interpretation Schätzung erforderliche Geschiebefracht Methode 2: Anwendungsempfehlung Literatur Symbole Anhang 1 Anhang 2 Datensatz Beispielgewässer Dokumentation Beispielgewässer

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5 1 Einleitung 1 1 Einleitung 1.1 Zweck des Fachberichts Der vorliegende Fachbericht enthält die wissenschaftliche Beschreibung der Methodik erforderliche Geschiebefracht, welche als Bestandteil des Vollzugshilfemoduls «Geschiebehaushalt Massnahmen» (Hunzinger et al., 2018, in Anhörung) der Vollzugshilfe Renaturierung der Gewässer des Bundesamts für Umwelt (BAFU) publiziert werden soll. Im Fachbericht wird die Methodik detailliert hergeleitet, es werden Berechnungsschritte und Eingangsparameter nachvollziehbar definiert und es werden mögliche Fehler der Methodik quantifiziert. Die vorliegende Arbeit wurde im Auftrag der Abteilung Wasser des Bundesamtes für Umwelt erstellt, damit Anwender und die projektbegleitende Expertengruppe die Methodik nachvollziehen und beurteilen können. 1.2 Motivation, Ziele und Konzept der Methodik erforderliche Geschiebefracht Die Motivation für die Entwicklung der vorliegenden Methodik gründet auf den konkreten Anforderungen des Gewässerschutzgesetzes: Darin wird verlangt, dass Anlagen den Geschiebehaushalt nicht so verändern dürfen, dass Tiere, Pflanzen und deren Lebensräume, der Grundwasserhaushalt und der Hochwasserschutz wesentlich beeinträchtigt werden (Artikel 43a Gewässerschutzgesetz, GSchG). Unter wesentlicher Beeinträchtigung von Tieren, Pflanzen und deren Lebensräumen durch einen veränderten Geschiebehaushalt versteht der Gesetzgeber eine nachteilige Veränderung von morphologischen Strukturen oder morphologischer Dynamik (Artikel 42a Gewässerschutzverordnung, GSchV). In der Vollzugshilfe wird diese Zielsetzung präzisiert, indem u. a. Ziele für die Gerinneform des Gewässers und für Kiesablagerungen formuliert werden und daraus Anforderungen an die Geschiebefracht abgeleitet werden: Ziel 1 für die Gerinneform: Die Gerinneform des Gewässers ist ähnlich wie im Referenzzustand. Anforderung 1 an die Geschiebefracht: Die Geschiebefracht im Gewässer ist so gross, dass das Ziel für die Gerinneform erreicht werden kann. Ziel 2 für die Kiesablagerungen: Kiesablagerungen haben eine ähnliche Ausdehnung und Mächtigkeit wie im Referenzzustand. Anforderung 2 an die Geschiebefracht: Die Geschiebefracht im Gewässer ist so gross, dass das Ziel für die Kiesablagerungen erreicht werden kann. Die Gesetzgebung bringt den Geschiebetransport als Ursache und morphologische Strukturen als Wirkung in einen Kausalzusammenhang. Auf diesen Zusammenhang hat beispielsweise Marti (2004) auf Basis von physikalischen Modellversuchen hingewiesen. In seiner Publikation erwähnt er in Kapitel weitere Autoren, welche dieselbe Beobachtung beschreiben. Es existiert jedoch keine praxistaugliche Methode, die quantitativ beschreibt, wie sich eine veränderte Geschiebe-

6 1 Einleitung 2 fracht auf morphologische Strukturen auswirkt. Für die konkrete, praxistaugliche Umsetzung der gesetzlichen Forderungen ist eine solche Methode aber zwingend. Bild 1 Veränderung eines Gewässers mit verzweigter Gerinneform (a) zu einem gewundenen Gerinne (b) nach dem Durchgang einer Hochwasserwelle mit auf 20% reduzierter Geschiebezufuhr. Physikalischer Modellversuch von Marti an der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie der ETH Zürich (Marti C. und Bezzols G.R., 2004). Aus diesem Grund beauftragte das BAFU 2016 die Flussbau AG SAH mit der Entwicklung praktischer Ansätze. Die erarbeiteten Ansätze gehen von der zentralen Hypothese aus, dass naturnahe morphologische Strukturen und eine morphologische Dynamik, wie sie in naturnahen oder revitalisierten Gewässerabschnitten angestrebt werden, nur bei genügend Geschiebezufuhr zu erzielen sind und dass sich bei zu geringer Geschiebezufuhr das Gerinne unter Verlust der Strukturen einengt. Die Geschiebefracht, die zur Erreichung der gesetzlich geforderten naturnahen morphologischen Strukturen nötig ist, wird als erforderliche Geschiebefracht bezeichnet. Mit der vorliegenden Methodik wird allerdings nicht die erforderliche Fracht an sich ermittelt, sondern der Anteil der erforderlichen Geschiebefracht an der Fracht im Referenzzustand, der erforderlich ist (zur Erreichung der in der Gewässerschutzverordnung geforderten morphologischen Strukturen). Methoden zur Ermittlung der Geschiebefracht im Referenzzustand sind nicht Bestandteil der vorliegenden Methodik. Die Autoren haben bewusst eine empirische Methode verfolgt, die konkret berücksichtigt, welche Gerinnestrukturen sich tatsächlich im naturnahen Zustand des jeweiligen Gewässers bilden. Die empirische Methode bietet damit entscheidende Vorteile gegenüber theoretischen und numerischen Ansätzen. Sie liefert aufgrund der inhärenten Unsicherheit von Frachtabschätzungen und empirischen Zusammenhängen keine abschliessend korrekte erforderliche Geschiebefracht.

7 1 Einleitung 3 Daher ist der Wert als beste Schätzung und damit als zentrale Planungsgrösse bei Sanierungsund Wasserbauprojekten anzusehen. Mit einem geeigneten Monitoring kann das Ergebnis im Feld evaluiert und wenn notwendig angepasst werden. 1.3 Inhalt des Fachberichts Der Fachbericht stellt zwei Methoden zur Ermittlung der erforderlichen Geschiebefracht dar. Kapitel 2 enthält die Methode 1, welche die Auswirkungen von Geschiebefrachtänderungen auf die Gerinneform beschreibt. Das Kapitel umfasst die Herleitung der Methode, die Beschreibung der Eingangsparameter und Berechnungsschritte, sowie eine Sensitivitätsanalyse. Mit der Fracht, die mit dieser Methode bestimmt wird, kann das im Vollzugshilfemodul formulierte Ziel 1 für die Gerinneform erreicht werden. Kapitel 3 enthält die Methode 2, die den Einfluss der Geschiebefracht auf die Ausdehnung von Kiesablagerungen in gewundenen und eingeengten Gerinnen berücksichtigt. Im Kapitel werden die für diese Methode durchgeführten hydraulischen Modellversuche beschrieben und deren Ergebnisse interpretiert. Mit der erforderlichen Fracht, die mit dieser Methode bestimmt wird, sollte das im Vollzugshilfemodul formulierte Ziel 2 für Kiesablagerungen erreicht werden. Da die Datenlage aber noch nicht für eine Verallgemeinerung ausreicht, wird die breite Anwendung von Methode 2 nicht empfohlen.

8 2 Ansatz 1 - Gerinneform 4 2 Methode 1: Gerinneform 2.1 Herleitung Ansätze der Regimetheorie Gerinneform Es bestehen verschiedene Ansätze der Regimetheorie, mit welchen die Gerinneform eines Gewässers beschrieben werden kann. In Bezzola (2003) werden beispielsweise folgende etablierte Ansätze beschrieben: Anderson et al. (1975), Parker (1976) Jäggi (1983) Da Silva (1991) Bild 2 Die Abgrenzung der Gerinneformen erfolgt in Abhängigkeit der Parameter h/b und J/Fr (h = Abflusstiefe, B = Gerinnebreite, J = Gefälle, Fr = Froude-Zahl). Es wird unterschieden zwischen geraden Gerinnen mit ebener Sohle, Mäandern, Gerinnen mit 1-2 Teilgerinnen, 2-3 Teilgerinnen sowie verzweigten Gerinnen mit bis über 10 Teilgerinnen. Die Abgrenzung der Gerinneformen erfolgt in Abhängigkeit der Parameter B/d m und J (d m = mittlerer Korndurchmesser). Es wird unterschieden zwischen Gerinnen ohne Bänke sowie Gerinnen mit Bänken. Das Kriterium dient insbesondere zur Beurteilung des Auftretens von alternierenden Bänken. Die Abgrenzung der Gerinneformen erfolgt in Abhängigkeit der Parameter h/d 1 und B w /h (B w = Wasserspiegelbreite). Es wird unterschieden zwischen folgenden drei Teilflächen: Bild 2 Einteilung der Gerinneform in der B/h zu h/d Ebene (Yalin / Da Silva Diagramm). Figur 5.2 aus Da Silva (1991). 1 D = d 50 des Sohlenmaterials. d 50 im angelsächsischen Raum entspricht gemäss Marti 2006 etwa dem d m nach Meyer-Peter und Müller.

9 2 Ansatz 1 - Gerinneform 5 (1) Gerade Gerinne, Gerinne mit ebener Sohle / Dünen und mäandrierende Gewässer. (2) Alternierende Bänke. (3) Verzweigte Gerinne. Zarn (1997) hat die Abgrenzung zwischen den Teilflächen (1) und (2) modifiziert. Ahmari Da Silva (2011), Bild 3 In der Publikation von Ahmari Da Silva wird die Abgrenzung der Gerinneformen im sogenannten Yalin/Da Silva Diagramm (Bild 2) anhand von physikalischen Modellversuchen und Naturbeobachtungen vertieft untersucht. Dabei werden folgende Bereiche unterschieden: (1) Gerinne mit ebener Sohle, graue Fläche. (2) Mäandrierende Gerinne, rot schraffierte Fläche. Im rot eingekreisten Bereich sind kaum Punkte vorhanden. In Da Silva (1991) werden in diesem Bereich Gewässer mit Dünen angegeben (Bild 2). (3) Gerinne mit alternierenden Bänken, orange Fläche ( alternate bar region ). (4) Verzweigte Gewässer mit 2 Teilgerinnen, grüne Fläche ( region of 2-row bars ). (5) Verzweigte Gewässer mit mehr als 2 Teilgerinnen, blaue Fläche ( region of multiple bars having three or more rows ). Bild 3 Yalin / Da Silva Diagramm mit originalem Datensatz und Zuordnung der Gerinneform (Ahmari Da Silva 2011). Farben vgl. Text.

10 2 Ansatz 1 - Gerinneform 6 Wie die Literatur zeigt, wird die Gerinnebreite bei abnehmender Geschiebefracht kleiner. Bei Ahmari Da Silva werden B w /h und h/d m als unabhängige Grössen betrachtet. Die Gerinneform ist die abhängige Grösse von W = f(b w /h; h/d m ). Nimmt B w ab, so verändert sich die Gerinneform. Wenn die Gerinnebreite (resp. die Wasserspiegelbreite B w ) von der Geschiebefracht abhängig ist und die Gerinneform von B w, dann zeigt sich im Ahmari Da Silva Diagramm die Auswirkung einer veränderten Geschiebefracht. Daher verwenden wir im Folgenden das Ahmari Da Silva Diagramm, um die Auswirkungen einer Abnahme der Geschiebefracht auf die Gerinneform aufzuzeigen Gerinnebreite Empirische Formeln Die Gerinnebreite eines Gewässers kann anhand von empirischen Formeln abgeschätzt werden. Als Eingangsgrössen benötigen die Formeln einen massgebenden Abfluss und einen charakteristischen Korndurchmesser des Sohlenmaterials (d 50, d m ). Die Formel von Parker (1979) hat die Form BG! = 4.4!!!!!!! (1) mit BG P = Gerinnebreite (Parker) Q = Massgebender Abfluss bei bankfull or dominant conditions s = Verhältnis der Feststoffdichte zur Dichte des Wassers (2.65) g = Erdbeschleunigung (9.81 m/s 2 ) d m = mittlerer Korndurchmesser des Sohlenmaterials 2. Mit der dimensionslosen Gerinnebreite B =!!!!! (2) und dem dimensionslosen Abfluss Q =! (!!!!!!! ) (3) ergibt sich gemäss Parker (1979) B = 4.4 Q (4) 2 In der Originalliteratur wird d 50 anstelle von d m verwendet. Vergleiche Fussnote 1.

11 2 Ansatz 1 - Gerinneform 7 Einige weitere Autoren (Ikeda 1988, Ashmore 2001, Millar 2005) berücksichtigen in ihren Formeln zusätzlich das Gefälle und den Korndurchmesser d 90. Gerinnebreite in Funktion des Geschiebetransports Eine weitere Formel von Parker (27c in Parker 1979) beschreibt die Gerinnebreite zusätzlich in Funktion der Geschiebetransportrate Q b. Wird in der Formel Q b zu Null gesetzt, so wird die Gerinnebreite auch Null. Diese Formel ist für die vorliegende Fragestellung nicht geeignet, weil eine Übertragung der Transportrate auf eine jährliche Geschiebefracht nicht eindeutig machbar ist. bankfull or dominant conditions Die Wahl des Abflusses hat einen massgebenden Einfluss auf die Berechnung der Gerinnebreite. Der für die Gerinnegeometrie massgebende Abfluss wird je nach Studie als bordvoller (gerinnefüllender) oder als gerinnebildender Abfluss definiert. Der gerinnebildende oder effektive Abfluss wurde erstmals bei Wolman und Miller (1960) beschrieben: als Abfluss, bei dem das Produkt aus Geschiebetransportrate und Häufigkeit maximal ist. Der gerinnebildende Abfluss wird oft als Abfluss verstanden, der massgebend für den Erhalt der Gerinnegrösse und der Gerinneform ist. Sowohl der bordvolle als auch der gerinnebildende Abfluss können als Jährlichkeit (HQ X ) angegeben werden sie variieren aber zwischen Gewässern. Bei Talmäandern ist der bordvolle Abfluss kaum zu bestimmen und bei Gewässern mit grobem Sohlenmaterial dürfte der gerinnebildende Abfluss höher sein, als bei Gewässern, bei welchen Sohlenmaterial und Geschiebe identisch sind. Als massgebender Abfluss wird oft ein Abfluss zwischen HQ 2 und HQ 5 angenommen. Im Folgenden werden diese zwei Abflüsse berücksichtigt. Für die nachfolgende Herleitung der Methode zur Bestimmung der erforderlichen Geschiebefracht wird die Gerinnebreite nach Parker (Gleichung 1) als Referenzbreite aus folgenden Gründen verwendet: Die Formel ergibt einen plausiblen Mittelwert. Die Formel ist robust und unabhängig von sensitiven Parametern wie dem Gefälle.

12 2 Ansatz 1 - Gerinneform Datengrundlage Für die vorliegende Studie wurden 33 Gewässerabschnitte untersucht, die sich im natürlichen oder naturnahen Zustand befinden oder sich befunden haben (Tabelle 1). Im Anhang sind die Grundlagen dokumentiert. Tabelle 1 Datensatz der ausgewerteten Gewässerabschnitte. HQ 2, HQ 5 : Bettbildende Abflüsse. GF: Geschiebefracht. BG: Gerinnebreite. Geschiebefracht, Gerinnebreite und Gerinneform wurden für den Referenzzustand bestimmt. Klassen Gerinneform (vgl. Kapitel 2.1.3): 5: Verzweigt mit mehr als 2 Gerinnen, 4: Verzweigt mit 2 Gerinnen, 3: Gewunden mit Inseln und Bänken, 2: Gewunden mit Bänken, 1: Mäander. HQ 2 HQ 5 GF BG [m] Gerinneform Nr. Gewässer Abschnitt (Ort) [m 3 /s] [m 3 /s] [m 3 /a] 1 Alpenrhein Mastrils Alpenrhein Kriessern Alpenrhein Rheineck Aare Grenchen Aare Wynau Aare Aarau-Biberstein Aare Wildegg-Brugg Aare Klingnau Hinterrhein Cazis Ilfis Kröschenbrunnen Kleine Emme Malters-Emmen Limmat Dietikon Reuss Rathausen-Perlen Reuss Perlen-Gisikon Sihl Adliswil Sellenbodenbach Neuenkirch Suhre Triengen Wiese Basel Wigger Altishofen Brenno Castro Brenno Marogno Brenno Loderio Schwarzwasser Heubach Thur Wattwil Thur Niederstetten Thur Bürglen Thur Frauenfeld Thur Niederneunforn Töss Kollbrunn Töss Leisental Töss Dättlikon Simme Niedermettlisau Gadmerwasser Chalenegg

13 2 Ansatz 1 - Gerinneform Erweiterung der Gerinneformklassen Datensatz Schweizer Gewässer In Bild 4 ist der in vorliegender Studie verwendete Datensatz von Schweizer Gewässern im natürlichen oder naturnahen Zustand im Diagramm von Ahmari Da Silva (2011) eingetragen. Der Datensatz verteilt sich auf die drei Bereiche Verzweigte Gewässer mit mehr als 2 Gerinnen, Verzweigte Gewässer mit 2 Gerinnen und Mäandrierende Gewässer und alternierende Bänke. Bild 4 Datensatz von Schweizer Gewässern im modifizierten Ahmari Da Silva-Diagramm (2011). Der Bereich mäandrierende Gewässer und alternierende Bänke ist unterteilt in Gewundene Gerinne mit Inseln und Bänken sowie Gewundene Gerinne mit Bänken. Die Punktfarbe entspricht der Gerinneform nach Feldbeurteilung. Dunkelblaue Punkte: Verzweigte Gewässer mit mehr als 2 Gerinnen Hellblaue Punkte: Verzweigte Gewässer mit 2 Gerinnen Grüne Punkte: Gewundene Gerinne mit Inseln und Bänken Orange Punkte: Gewundene Gerinne mit Bänken Berechnung der Wasserspiegelbreite B w und der Abflusstiefe h mit HQ 5. relative Breite B W /h [-] Hinterrhein Gadmerwasser Ebene Sohle HQ5 Simme Brenno Loderio Thur Wattwil Sellenbodenbach Alpenrhein Kriessern Limmat Suhre Verzweigte Gewässer mit mehr als 2 Gerinnen Alpenrhein Rheineck Aare Wynau Verzweigte Gewässer mit 2 Gerinnen Gewundene Gerinne mit Inseln und Bänken Gewundene Gerinne mit Bänken Mäandrierende Gewässer und alternierende Bänke [1] Mäander ohne Kiesbänke relative Tiefe h/d 10 3 m [-] Verzweigte Gewässer In den Bereichen mit verzweigten Gewässern stimmt die beobachtete Gerinneform mit der Zuordnung im Ahmari Da Silva Diagramm überein. Alle verzweigten Gewässer zeigen ein sehr dynamisches Flussbett mit Teilgerinnen und Bänken ohne Gehölz. Der Auenwald begrenzt den dynamischen Bereich seitlich. Stark verzweigte Gewässer mit mehr als 2 Gerinnen weisen die grössten Werte B w /h auf und befinden sich oben links (Beispiele Hinterrhein bei Cazis, Brenno bei Loderio). Verzweigte Gewässer mit durchschnittlich 2 Gerinnen weisen ein etwas kleineres Verhältnis B w /h auf (Beispiele Alpenrhein Kriessern, Thur Frauenfeld, Reuss Perlen).

14 2 Ansatz 1 - Gerinneform 10 Mäandrierende Gewässer und alternierende Bänke Im Bereich Mäandrierende Gewässer und alternierende Bänke können folgende Gerinneformen identifiziert werden: Im oberen Bereich mit vergleichsweise grossen Werten B w /h befinden sich vorwiegend Gewässer mit lokalen Verzweigungen, Inseln und Bänken. Die Inseln sind mit Gehölz bewachsen. Infolge der gegenüber den verzweigten Gewässern reduzierten morphologischen Dynamik wird der dynamische Bereich durch Gehölzstrukturen unterteilt. Diese Gerinneform bezeichnen wir als Gewundene Gewässer mit Inseln und Bänken. Im unteren Bereich mit vergleichsweise kleinen Werten B w /h befinden sich gewundene Gewässer mit Bänken. Die Bänke befinden sich entlang der Kurveninnenseiten und in gestreckten Abschnitten alternierend an den Ufern. Diese Gerinneform bezeichnen wir als Gewundene Gewässer mit Bänken. Unterteilung des Bereichs Mäandrierende Gewässer und alternierende Bänke Mäandrierende Gewässer Wird einem gewundenen Gerinne mit Inseln und Bänken Geschiebe entzogen, so verändert es sich zu einem gewundenen Gerinne mit Bänken. Dabei verlanden und verbuschen die trocken fallenden Teilgerinne. Gleichzeitig verschwinden charakteristische morphologische Strukturen und der Lebensraum verändert sich. Die morphologischen Strukturen und Prozesse sind deutlich differenzierbar, sodass wir die oben vorgeschlagene Unterteilung für die Vollzugshilfe als sinnvoll erachten. Im Ahmari Da Silva Diagramm (Bild 3) befinden sich mäandrierende Gewässer zwischen den Linien L M und L 0,1 mit h/d m > Entsprechend grosse Werte h/d m können nur bei sehr feinem Sohlenmaterial erreicht werden. Solche Gewässer transportieren demnach kein Kies als Geschiebe. Dem Bereich mit kleineren Werten h/d m wurden in Da Silva (1991) Gewässer mit Dünen zugeordnet (Bild 2). Entsprechende Gewässer verfügen nicht über Kiesbänke im engeren Sinne. Daher wird der Bereich (entspricht dem Bereich zwischen den Linien L M und L 0,1 Bild 3) in der vorliegenden Arbeit als Mäander ohne Kiesbänke bezeichnet. Im verwendeten Datensatz ist die Aare bei Grenchen das einzige Gewässer, das diesem Bereich zugeordnet werden kann. Bei einer feinkörnigen Sohle mit Dünen erreicht h/d m einen Wert von Der Datenpunkt liegt ausserhalb des in Bild 4 dargestellten Bereichs.

15 2 Ansatz 1 - Gerinneform Einfluss der Geschiebefracht auf die Gerinnebreite Prozesse Wird aus einem geschiebeführenden Gewässer Kies entnommen, so nimmt dessen Gerinnebreite ab und die Gerinneform verändert sich hin zu einem gewundenen Gerinne mit Bänken. Wird einem Gewässer sämtliches Geschiebe entnommen, so wird eine minimale Breite erreicht, die Sohle pflästert sich stark ab und es bestehen keine sich regelmässig erneuernden Geschiebebänke mehr. Marti (2004, 2006) hat diese Zusammenhänge in physikalischen Modellversuchen untersucht und die Veränderung der Gerinneform infolge reduzierter Geschiebezufuhr aufgezeigt (Bild 1). Beispiel Simme Niedermettlisau Verlagerung im modifizierten Ahmari Da Silva Diagramm Bild 5 zeigt die Simme bei der Niedermettlisau in den Jahren 1940 und Im Jahr 1940 war die Gerinneform gewunden mit Inseln und Bänken, die mittlere Geschiebefracht betrug m 3 /a und die Gerinnebreite erreichte durchschnittlich 52m. Im Jahr 2015 betrug die durchschnittliche Geschiebefracht 6 000m 3 /a (Reduktion der Geschiebefracht aufgrund von Kiesentnahmen und dem Bau von Sammlern). Die Gerinneform war gewunden mit Bänken und die Gerinnebreite erreichte durchschnittlich noch 33m. Das Abflussregime wurde nicht verändert und es sind keine bedeutenden Uferverbauungen vorhanden. Die Abnahme der Gerinnebreite ist alleine auf die reduzierte Geschiebefracht zurückzuführen. Bild 6 zeigt für das Beispiel Simme Niedermettlisau die Verlagerung der dimensionslosen Variablen h/d m und B w /h im modifizierten Ahmari Da Silva Diagramm infolge der Abnahme der Gerinnebreite von 1940 bis Die Reduktion der Geschiebefracht führte demnach zu einer sichtbaren Veränderung der Gerinneform vom oberen Rand des Bereichs der gewundenen Gerinne mit Inseln und Bänken in den Übergangsbereich zu den gewundenen Gerinnen mit Bänken. Die beobachteten Gerinneformen passen gut mit den Gerinneformen gemäss Bild 4 überein. Ebenfalls dargestellt ist die Verlagerung der dimensionslosen Variablen h/d m und B w /h des Alpenrheins bei Kriessern, wenn man die Variablen bei einer schrittweisen Abnahme der Gerinnebreite um je 50m berechnet. Damit kann die theoretische Veränderung der Gerinneform bei einer Reduktion der Gerinnebreite veranschaulicht werden. Es zeigt sich, dass die Punkte in doppeltlogarithmischer Darstellung etwa auf einer Geraden liegen.

16 2 Ansatz 1 - Gerinneform 12 Bild 5 Simme Niedermettlisau bei Därstetten. Oben 1940, durchschnittliche Gerinnebreite 52m, Geschiebefracht m 3 /a. Unten 2015, durchschnittliche Gerinnebreite 33m, Geschiebefracht 6 000m 3 /a. Bild 6 Veränderung der Gerinneform und Gerinnebreite der Simme Niedermettlisau zwischen 1940 und Dargestellt ist zudem die Veränderung der Gerinneform des Alpenrheins bei Kriessern bei einer schrittweisen Reduktion der Gerinnebreite um je 50m. relative Breite B W /h [-] Simme Niedermettlisau 52m (1940) 33m (2015) Alpenrhein Kriessern 380m Verzweigte Gewässer mit mehr als 2 Gerinnen Verzweigte Gewässer mit 2 Gerinnen 80m Gewundene Gerinne mit Inseln und Bänken Gewundene Gerinne mit Bänken Mäander ohne Kiesbänke Ebene Sohle (L 01 ) 10 0 HQ relative Tiefe h/d 10 3 m [-]

17 2 Ansatz 1 - Gerinneform Korrekturfaktor für die Gerinnebreite nach Parker Die bisherigen Ausführungen haben gezeigt, dass die Geschiebeführung einen massgebenden Einfluss auf die Gerinnebreite hat, aber keine praxistauglichen Formeln bestehen, deren Einfluss zu quantifizieren. Daher wird im Folgenden eine empirische Beziehung hergeleitet, mit welcher der Einfluss der durchschnittlichen jährlichen Geschiebefracht auf die Gerinnebreite berechnet werden kann. Relative Geschiebefracht Als massgebender Parameter zur Berücksichtigung der Geschiebefracht wird die relative Geschiebefracht GF verwendet, welche durch das dimensionslose Verhältnis zwischen der Geschiebefracht GF und dem gerinnebildenden Abfluss HQ x definiert wird: GF =!"!!! (5) Werden die Geschiebefracht in [m 3 /a] und der Abfluss in [m 3 /s] eingesetzt, so resultiert aufgrund des Verhältnisses zwischen Jahr und Sekunde ein Faktor von Die die relative Geschiebefracht GF hat den Vorteil, dass die normierten Frachten unterschiedlicher Gewässer verglichen werden können und nicht von der Grösse des Gewässers abhängig sind. Anwendung der Gerinnebreite nach Parker für Schweizer Gewässer In Bild 7 ist das Verhältnis der Gerinnebreite im Referenzzustand zur Gerinnebreite nach der Formel von Parker (Gleichung 1) in Funktion der relativen Geschiebefracht GF dargestellt. Dabei zeigt sich Folgendes: Mit der Formel von Parker wird die beobachtete Gerinnebreite teilweise unter- und teilweise überschätzt. Bild 7 Verhältnis der beobachteten Gerinnebreite im Referenzzustand zur berechneten Gerinnebreite nach Parker in Funktion der relativen Geschiebefracht GF/HQ 2 für verschiedene Schweizer Gewässer. Gerinnebreite / Gerinnebreite nach Parker Aare Wildegg-Brugg 1.5 Limmat Dietikon Aare, Wynau Kleine Emme, Malters Alpenrhein, Kriessern Sellenbodenbach, Neuenkirch Aare, Grenchen Gerinnebreite nach Parker Schwarzwasser Alpenrhein, Mastrils Simme Gadmerwasser GF = Geschiebefracht / HQ2 * [-] klein gross Relative Geschiebefracht schmalere Gerinne breitere Gerinne

18 2 Ansatz 1 - Gerinneform 14 Unterschätzt wird die Gerinnebreite von Gewässern mit hoher Abfluss- und Geschiebedynamik (Beispiele Kleine Emme, Alpenrhein). Überschätzt wird die Gerinnebreite von wenig dynamischen Gewässern (Beispiele Aare Wynau, Sellenbodenbach). Korrekturfaktor der Gerinnebreite nach Parker Hypothesen Dividiert man die beobachtete Gerinnebreite des Gewässers BG durch die Gerinnebreite BG P des Gewässers, welche nach der Formel von Parker (Gleichung 1) berechnet wird, ergibt das einen Korrekturfaktor KF an der Gerinnebreite nach Parker: KF =!"!!! (6) Für die Berechnung des Korrekturfaktors an der Gerinnebreite nach Parker in Funktion der Geschiebefracht werden die zwei Hypothesen (1) und (2) aufgestellt, welche in einem Diagramm mit folgenden Achsen visualisiert werden (Bild 8): Abszisse: Ordinate: Relative Geschiebefracht GF Korrekturfaktor KF an der Gerinnebreite nach Parker (1) Ausgehend von einem Gewässer mit Geschiebefracht > 0 bewegt sich das Gewässer bei abnehmender Geschiebefracht auf einem linearen Pfad bis zum Schnittpunkt mit der Ordinate (0; b). Bild 8 Korrekturfaktor an der Gerinnebreite nach Parker in Funktion der relativen Geschiebefracht. Für zwei fiktive Gewässer dargestellt sind die linearen Pfade bei Abnahme der Geschiebefracht bis zum Erreichen des Korrekturfaktors b bei fehlender Geschiebefracht. Korrekturfaktor an Gerinnebreite nach Parker Gerinnebreite / Gerinnebreite nach Parker b Steigung a individuell y-achsenabschnitt b konstant Geschiebefracht / HQx * [-] klein Gewässer 1 Abnahme der Gerinnebreite bei Reduktion der Geschiebefracht Relative Geschiebefracht Gerinnebreite nach Parker Gewässer 2 Zustand 2 Gewässer 2 Zustand 1 gross breitere Gerinne schmalere Gerinne

19 2 Ansatz 1 - Gerinneform 15 (2) Alle Geraden schneiden die Ordinate bei b. Der Schnittpunkt b ist unabhängig vom Gewässer. Daraus folgt, dass für jedes Gewässer die Steigung a der Geraden individuell ist. Dieser lineare Pfad kann für ein Gewässer i durch folgende Geradengleichung beschrieben werden: KF = a! GF + b (7) Kalibriergewässer Für den Nachweis dieser Hypothese wurden Gewässer gesucht, bei denen die Gerinnebreite ausschliesslich durch Reduktion der Geschiebefracht abgenommen hat. Andere Einflussgrössen wie der Abfluss wurden nicht verändert und es bestehen auch keine Uferverbauungen. Die Verbindungslinie zwischen mehreren Zuständen desselben Gewässers sollte dann in Richtung des Punktes (0; b) zeigen (Bild 8). Es wurden folgende Gewässerabschnitte gefunden, auf welche diese Anforderungen zutreffen und für welche ausreichend gute Grundlagen bestehen: (1) Simme Niedermettlisau, Därstetten (2) Schwarzwasser, Heubach (3) Gadmerwasser, Chalenegg (4) Aare Wildegg Brugg (Zustand mit KW) (5) Alpenrhein Kriessern und Rheineck Zusätzlich wurden Gewässer mit geringer oder fehlender Geschiebefracht gesucht. Trifft die Hypothese zu, so müssen die Wertepaare (GF; KF) dieser Gewässer nahe dem Ordinatenabschnitt b liegen. Es wurden folgende Gewässerabschnitte gefunden, auf welche diese Anforderungen zutreffen und für welche ausreichend gute Grundlagen bestehen: (6) Sellenbodenbach, Neuenkirch (7) Aare, Grenchen Berechnungen mit HQ 2 und HQ 5 Für die Ermittlung der Wertepaare (GF! ; KF i ) werden folgende Grössen benötigt: HQ x, d m, BG RZ, BG i, GF RZ, GF i. Die Auswertungen werden für die Abflüsse HQ 2 und HQ 5 separat durchgeführt. Nachfolgend sind die Gewässerabschnitte beschrieben und die Zustände in Bild 9 und Bild 10 eingezeichnet. Dazugehörende Grundlagen sind in Anhang 1 und Anhang 2 zu finden. Simme Niedermettlisau, Därstetten, BE Flussbau AG et. al. (2013) Referenzzustand um 1940: Morphologie: Gewundenes Gerinne mit Inseln und Bänken Dynamische Gerinnebreite 52m Durchschnittliche Geschiebefracht m 3 /a Relative Geschiebefracht GF = 141 (HQ 2 ); 101 (HQ 5 ) Korrekturfaktor an Gerinnebreite nach Parker 1.2 (HQ 2 ); 1.0 (HQ 5 )

20 2 Ansatz 1 - Gerinneform 16 Aktueller Zustand (2015): Morphologie: Übergangsbereich Gewundenes Gerinne mit Inseln und Bänken zu Gewundenes Gerinne mit Bänken Dynamische Gerinnebreite 35m Durchschnittliche Geschiebefracht 6 000m 3 /a Relative Geschiebefracht GF = 69 (HQ 2 ); 49 (HQ 5 ) Korrekturfaktor an Gerinnebreite nach Parker 0.83 (HQ 2 ); 0.66 (HQ 5 ) Die reduzierte Geschiebefracht ist auf Kiesentnahmen im Oberwasser des betrachteten Abschnittes zurückzuführen. Schwarzwasser Heubach, BE Flussbau AG (2017) Referenzzustand um 1950: Morphologie: Verzweigtes Gerinne mit 2 Gerinnen Dynamische Gerinnebreite 48m Durchschnittliche Geschiebefracht 3 200m 3 /a Relative Geschiebefracht GF = 128 (HQ 2 ); 94 (HQ 5 ) Korrekturfaktor an Gerinnebreite nach Parker 2.5 (HQ 2 ); 2.1 (HQ 5 ) Aktueller Zustand (2015): Morphologie: Verzweigtes Gerinne mit 2 Gerinnen und einzelnen bewachsenen Inseln (Übergangsbereich der 2 morphologischen Typen) Dynamische Gerinnebreite 38m Durchschnittliche Geschiebefracht 2 400m 3 /a Relative Geschiebefracht GF = 96 (HQ 2 ); 71 (HQ 5 ) Korrekturfaktor an Gerinnebreite nach Parker 1.9 (HQ 2 ); 1.7 (HQ 5 ) Die reduzierte Geschiebefracht ist auf Kiesentnahmen im Oberwasser des betrachteten Abschnittes zurückzuführen. Gadmerwasser Chalenegg, BE KW Oberhasli (2017) Referenzzustand um 1960: Morphologie: Übergangsbereich Gewundenes Gerinne mit Inseln und Bänken zu Gewundenes Gerinne mit Bänken Dynamische Gerinnebreite 21m Durchschnittliche Geschiebefracht 4 300m 3 /a Relative Geschiebefracht GF = 172 (HQ 2 ); 116 (HQ 5 ) Korrekturfaktor an Gerinnebreite nach Parker 1.0 (HQ 2 ); 0.83 (HQ 5 ) Zustand : Morphologie: Gewundenes Gerinne mit Bänken Dynamische Gerinnebreite 10m Durchschnittliche Geschiebefracht 300m 3 /a Relative Geschiebefracht GF = 12 (HQ 2 ); 8.1 (HQ 5 ) Korrekturfaktor an Gerinnebreite nach Parker 0.48 (HQ 2 ); 0.39 (HQ 5 ) Die reduzierte Geschiebefracht ist auf Kiesentnahmen im Oberwasser des betrachteten Abschnittes zurückzuführen. Es ist nicht auszuschliessen, dass lokale Uferverbauungen die Abnahme der Gerinnebreite leicht förderten.

21 2 Ansatz 1 - Gerinneform 17 Aare Wildegg Brugg, AG Flussbau AG (2014) Alpenrhein Kriessern und Rheineck, SG Flussbau AG (2018) Mit der Inbetriebnahme des KW Wildegg-Brugg 1945 wurde die Aare zur Restwasserstrecke, was zu einer starken Abnahme der Gerinnebreite führte. Luftbilder von 1961 und 1969 zeigen eine vergleichbare Gerinnebreite (Abschnitt Villnachern-Brugg). Infolge des Baus des Geschiebesammlers an der Emmemündung sowie weiterer Kiesentnahmen nahm die Geschiebefracht der Aare stark ab. Infolgedessen ist das Gerinne weiter eingewachsen. Es wird nur die Veränderung durch die reduzierte Geschiebefracht berücksichtigt. Referenzzustand um 1970: Morphologie: Gewundenes Gerinne mit Bänken nahe Übergangsbereich zu gewundenen Gerinnen mit Inseln und Bänken Dynamische Gerinnebreite 78m Durchschnittliche Geschiebefracht 7 000m 3 /a Relative Geschiebefracht GF = 15 (HQ 2 ); 11 (HQ 5 ) Korrekturfaktor an Gerinnebreite nach Parker 0.87 (HQ 2 ); 0.73 (HQ 5 ) Zustand 2012: Morphologie: Gewundenes Gerinne mit Bänken Dynamische Gerinnebreite 42m Durchschnittliche Geschiebefracht 1 000m 3 /a Relative Geschiebefracht GF = 2.2 (HQ 2 ); 1.5 (HQ 5 ) Korrekturfaktor an Gerinnebreite nach Parker 0.5 (HQ 2 ); 0.42 (HQ 5 ) Es ist nicht auszuschliessen, dass lokale Uferverbauungen die Abnahme der Gerinnebreite leicht förderten. Der Alpenrhein war im natürlichen Zustand eine Auflandungsstrekke. Mit dem Wachstum des Deltas in den Bodensee landete der Rhein langsam auf, womit die Geschiebefracht in Fliessrichtung abnahm. Im Folgenden werden die zwei Abschnitte bei Kriessern und bei Rheineck betrachtet. Weil es sich um zwei verschiedene Abschnitte desselben Gewässers handelt, sind andere Parameter nicht identisch (Korndurchmesser infolge Abrieb und Gefälle bei Rheineck leicht kleiner). Beide Abschnitte sind in historischen Karten gut dokumentiert. Rhein Kriessern, Zustand : Morphologie: Verzweigtes Gewässer mit 2 Gerinnen Dynamische Gerinnebreite 380m Durchschnittliche Geschiebefracht m 3 /a Relative Geschiebefracht GF = 40 (HQ 2 ); 31 (HQ 5 ) Korrekturfaktor an Gerinnebreite nach Parker 2.0 (HQ 2 ); 1.8 (HQ 5 ) Rhein Rheineck, Zustand : Morphologie: Übergangsbereich Gewundenes Gerinne mit Inseln und Bänken zu Gewundenes Gerinne mit Bänken Dynamische Gerinnebreite 190m Durchschnittliche Geschiebefracht m 3 /a Relative Geschiebefracht GF = 15 (HQ 2 ); 12 (HQ 5 ) Korrekturfaktor an Gerinnebreite nach Parker 0.97 (HQ 2 ); 0.85 (HQ 5 )

22 2 Ansatz 1 - Gerinneform 18 Sellenbodenbach Neuenkirch, LU Flussbau AG (2016) Der Sellenbodenbach ist ein kleines Gewässer des Mittellandes mit geringer absoluter und relativer Geschiebefracht. Das Wertepaar (GFquer;KF) liegt daher nahe beim Ordinatenschnittpunkt b. Der Gewässerabschnitt wird wegen der guten Datenlage (Abflussmessstation, Geschiebefracht, Korndurchmesser) berücksichtigt. Naturnaher Zustand (kurze Abschnitte): Morphologie: Gewundenes Gerinne mit Bänken Dynamische Gerinnebreite 8m Durchschnittliche Geschiebefracht 30m 3 /a Relative Geschiebefracht GF = 3.3 (HQ 2 ); 2.1 (HQ 5 ) Korrekturfaktor an Gerinnebreite nach Parker 0.45 (HQ 2 ); 0.38 (HQ 5 ) Bild 9 Korrekturfaktor für die Gerinnebreite nach Parker in Funktion der relativen Geschiebefracht unter Berücksichtigung des Abflusses HQ 2. Dargestellt sind alle Kalibriergewässer. Korrekturfaktor an Gerinnebreite nach Parker Gerinnebreite / Gerinnebreite nach Parker [-] KF Simme NMA KF Schwarzwasser KF Gadmerwasser KF Aare WB KF AR Kriessern-Rhenieck KF Sellenbodenbach KF Aare Grenchen BGi/BG(P) = a * (GFi/HQ2) + b Steigung a individuell b= Geschiebefracht / HQ2 * [-] Bild 10 Korrekturfaktor für die Gerinnebreite nach Parker in Funktion der relativen Geschiebefracht unter Berücksichtigung des Abflusses HQ 5. Dargestellt sind alle Kalibriergewässer. Korrekturfaktor an Gerinnebreite nach Parker Gerinnebreite / Gerinnebreite nach Parker [-] KF Simme NMA KF Schwarzwasser KF Gadmerwasser KF Aare WB KF AR Kriessern-Rheineck KF Sellenbodenbach KF Aare Grenchen Referenzzustand Zustand mit reduzierter Geschiebefracht BGi/BG(P) = a * (GFi/HQ5) + b Steigung a individuell b= Geschiebefracht / HQ [-]

23 2 Ansatz 1 - Gerinneform 19 Aare Grenchen, SO VAW (1987) Die Aare war zwischen Büren und Solothurn bereits vor der Juragewässerkorrektion ein Gewässer mit Sandsohle und ohne Geschiebetrieb (Kies). Dementsprechend kann die Gerinnebreite im natürlichen Zustand einen Hinweis auf den Ordinatenabstand b liefern. Zustand Erstausgabe Siegfriedkarte: Morphologie: Mäandrierendes Gerinne ohne Kiesbänke Dynamische Gerinnebreite 146m Durchschnittliche Geschiebefracht 0m 3 /a Relative Geschiebefracht GF = 0 (HQ 2 ); 0 (HQ 5 ) Korrekturfaktor an Gerinnebreite nach Parker 0.4 (HQ 2 ); 0.38 (HQ 5 ) Zusammenfassung Bild 9, Bild 10 Werden die zwei Zustände der 5 Gewässer je mit einer Geraden verbunden, so schneiden diese Geraden die Ordinate bei den Werten gemäss Tabelle 2. Die Werte variieren für HQ 2 zwischen 0.41 und 0.44 und für HQ 5 zwischen 0.35 und Der Alpenrhein wird zur Bestimmung des Ordinatenabschnitts nicht berücksichtigt, weil zwei verschiedene Gewässerabschnitte verglichen wurden. Bei der Aare Grenchen (kein Geschiebetrieb) beträgt der Ordinatenabschnitt 0.41 (HQ 2 ), resp (HQ 5 ). Der Ordinatenschnittpunkt b kann für den Sellenbodenbach nicht bestimmt werden. Da die relative Geschiebefracht GF aber sehr klein ist, liegt der Punkt zumindest in der Nähe der Ordinate mit Werten für KF von 0.56 (HQ 2 ) und 0.45 (HQ 5 ). Ausgehend von einem konstanten Ordinatenabschnitt für alle Gewässer im Bereich von 0.4 sowie den 2 zusätzlichen Punkten für jedes Beispielgewässer ist ein linearer Zusammenhang zwischen relativer Geschiebefracht und dem Korrekturfaktor wahrscheinlich. Tabelle 2 Ordinatenabschnitte b der 5 Beispielgewässer. Simme Schwarzwasser Gadmerwasser Aare WB Alpenrhein HQ HQ Verifikation mit anderen Datensätzen Bild 11 und Bild 12 In Bild 11 (Berechnung mit HQ 2 ) und Bild 12 (Berechnung mit HQ 5 ) ist die dimensionslose Gerinnebreite B* nach Parker (Gleichung 2) in Funktion des dimensionslosen Abflusses (Gleichung 3) für die von Parker verwendeten Naturdaten dargestellt. Zusätzlich sind Daten von Marti (2006) sowie der vorliegenden Studie eingezeichnet (blaue Punkte). Dabei zeigt sich Folgendes:

24 2 Ansatz 1 - Gerinneform 20 Bild 11 Dimensionslose Gerinnebreite B* in Funktion des dimensionslosen Abflusses Qquer gemäss Potenzfunktion (2), den Datenpunkten aus Parker 1979, den Modellversuchen von Marti 2006 und gemäss vorliegender Studie (blaue Punkte, Berechnung mit HQ 2 ; Zahlen: KF = BG/BG P ). Rote Linie = 0.45 B* Bei Bild 11 befinden sich alle Punkte auf oder über einer Geraden 0.45 B* (rote Linie). Das heisst, die Gerinnebreite aller Gewässer ist gleich breit oder breiter als 0.45 mal die Breite nach Gleichung 1. Sowohl einzelne Punkte aus dem Datensatz aus Parker (1979), als auch Punkte aus dem vorliegenden Datensatz liegen auf der roten Linie. Bei Bild 12 befinden sich alle Punkte auf oder über einer Geraden 0.40 B* (rote Linie). Das heisst, die Gerinnebreite aller Gewässer ist gleich breit oder breiter als 0.40 mal die Breite nach Gleichung 1. Mehrere blaue Punkte liegen deutlich über Gleichung 2 und den Datenpunkten aus Parker (1979). Das heisst, es wurden Gewässer ausgewertet, welche deutlich grössere dimensionslose Breiten aufweisen. Dabei handelt es sich um stark verzweigte Gewässer mit grosser Dynamik (Beispiel Hinterrhein bei Cazis). Bild 12 Dimensionslose Gerinnebreite B* in Funktion des dimensionslosen Abflusses Qquer gemäss Potenzfunktion (2), den Datenpunkten aus Parker 1979, den Modellversuchen von Marti 2006 und gemäss vorliegender Studie (blaue Punkte, Berechnung mit HQ 5 ; Zahlen: KF = BG/BG P ). Rote Linie = 0.40 B*

25 2 Ansatz 1 - Gerinneform 21 Fazit: Die zu Beginn des Kapitels aufgestellten Hypothesen können durch folgende Nachweise bestätigt werden: (1) Die Verbindungslinien der 2 Wertepaare der fünf Kalibriergewässer mit unterschiedlicher Geschiebefracht und Gerinnebreite schneiden die Ordinate im Bereich von 0.45 (Auswertung mit HQ 2 ), resp (Auswertung mit HQ 5 ). (2) Die Verbindungslinien weisen individuelle Steigungen auf. (3) Gewässer mit sehr kleiner oder fehlender Geschiebefracht weisen einen Ordinatenwert im Bereich von 0.45 (Auswertung mit HQ 2 ), resp (Auswertung mit HQ 5 ) auf. (4) Daten anderer Autoren weisen ebenfalls minimale Breiten von 0.45 B* auf (Bild 12). Es ist jedoch nicht bekannt, mit welchen charakteristischen Abflüssen die Auswertungen durchgeführt wurden ( bankfull or dominant conditions, vgl. Abschnitt ) Berechnungsformeln Mit Hilfe der Gleichungen 1 und 7 können folgende Formeln hergeleitet werden: Gerinnebreite in Funktion der Geschiebefracht BG! = b BG! +!!!!!!" BG!" b BG! (8) Gleichung 8 nach GF i aufgelöst, ergibt GF! = GF!"!!!!!!!!!!"!!!! (9) Darin bedeuten BG P = Gerinnebreite nach Parker (Gleichung 1) BG RZ = Gerinnebreite in einem bekannten Referenzzustand BG i = Gerinnebreite bei Geschiebefracht GF i GF RZ = Geschiebefracht in einem bekannten Referenzzustand GF i = Geschiebefracht im Zustand i Der Ordinatenabstand b nimmt folgende Werte an b = 0.40 (Abfluss HQ 5 ) b = 0.45 (Abfluss HQ 2 ) Als Referenzzustand ist ein in der Breite nicht eingeschränkter Zustand mit bekannter Geschiebefracht zu berücksichtigen. Gültigkeitsbereich Die Formeln sind anwendbar für geschiebeführende Gewässer mit einem Gefälle bis ca. 3% (Beispielgewässer: Schwarzwasser 2.6%, Brenno bei Castro 2.7%).

26 2 Ansatz 1 - Gerinneform Einfluss der Geschiebefracht auf die Gerinneform Vorgehen Für den Datensatz der vorliegenden Studie (Anhänge 1 und 2) wurde untersucht, zu welcher Verschiebung der Wertepaare (B w /h; h/d m ) im modifizierten Ahmari Da Silva Diagramm es bei fehlender Geschiebefracht kommt. Dabei wurde die in Kapitel hergeleitete Gerinnebreite von b BG P berücksichtigt mit b = 0.45 für einen gerinnebildenden Abfluss HQ 2 b = 0.40 für einen gerinnebildenden Abfluss HQ 5 Eingabegrössen Für die Berechnung der Wertepaare (B w /h; h/d m ) werden folgende Eingabegrössen benötigt. Zudem wird eine Angabe zur Genauigkeit der Daten gemacht. Abfluss HQ 2, HQ 5 Genauigkeit abhängig von der Verfügbarkeit einer Messstation und der Güte der Messdaten. Korndurchmesser d m, d 90 Genauigkeit abhängig von der Güte und der Anzahl der Probenahmen. Uferrauheit Erfahrungswert, abhängig von Bestockung. Längsgefälle 3 Js In der Regel zuverlässig zu ermitteln. Bei Kiesentnahmen wird eine Eintiefungstendenz ausgelöst, deren Ausmass bei Gewässern mit grober Sohle (latente Erosion) schwer abzuschätzen ist. Parameter Breite Es sind folgende Begriffe zu unterscheiden: Gerinnebreite Entspricht der Breite zwischen den Böschungsoberkanten. Die Gerinnebreite ist in der Regel mehr oder weniger identisch mit der Wasserspiegelbreite beim gerinnebildenden Abfluss (natürlicher Zustand). Dabei ist ein Teil des Ufergehölzes benetzt. Dynamische Gerinnebreite Die dynamische Gerinnebreite betrifft den gehölzfreien Bereich des Gerinnes (Niederwasserbereich zuzüglich Bänke, inkl. Pioniervegetation). Die dynamische Gerinnebreite dürfte etwa der Wasserspiegelbreite bei einem Q 9 entsprechen (Schälchli, Abegg + Hunzinger, 2000). Aus historischen Karten und Luftbildern wird oft die dynamische Gerinnebreite bestimmt. Wasserspiegelbreite bei Mittelwasserabfluss Bei gewundenen Gerinnen mit Bänken wird in historischen Karten in der Regel der benetzte Bereich dargestellt. Es ist davon auszugehen, dass dies etwa dem Mittelwasserabfluss entspricht. 3 Gefälle im Istzustand; bei Vorhandensein von Schwellen wird das Bruttogefälle berücksichtigt.

27 2 Ansatz 1 - Gerinneform 23 Sohlenbreite Die Sohlenbreite ist um die Böschungsbereiche schmaler als die Gerinnebreite. In der vorliegenden Studie wird vereinfachend von einem Rechteckgerinne ausgegangen, das heisst, dass alle erwähnten Breiten identisch sind 4. Datensatz im modifizierten Ahmari Da Silva Diagramm mit HQ 2, resp. HQ 5, Rechteckgerinne In Bild 13 und Bild 14 sind im modifizierten Ahmari Da Silva Diagramm alle Wertepaare (B w /h; h/d m ) des verwendeten Datensatzes der Schweizer Gewässer im Referenzzustand sowie im Zustand ohne Geschiebe bei hydraulischer Berechnung mit einem Rechteckgerinne eingezeichnet 5. In Bild 13 sind die Punkte für HQ 2 und eine minimale Gerinnebreite mit einem Korrekturfaktor von 0.45 und in Bild 14 die Punkte für HQ 5 und eine minimale Gerinnebreite mit einem Korrekturfaktor von 0.40 eingezeichnet. Im Referenzzustand (blaue Punkte) liegen alle Wertepaare verstreut über die vier Gerinneformen mit Geschiebetransport (Verzweigte Gerinne mit mehr als 2 Gerinnen bis gewundene Gerinne mit Bänken). Im Zustand ohne Geschiebe (rote Punkte) verlagern sich alle Wertepaare in den Übergangsbereich zwischen gewundenen Gerinnen mit Bänken und Mäandern ohne Kiesbänke. Die Punktewolke kann durch eine Linie angenähert werden, die parallel zu den anderen Linien, welche die verschiedenen Gerinneformen gegeneinander abgrenzen, verläuft. Bestätigung Ordinatenschnittpunkt b Die ausgewerteten Kalibriergewässer und die empirische Datenanalyse in Kapitel haben gezeigt,, dass bei fehlender Geschiebefracht die Gerinnebreite auf 40% (HQ 5 ), resp. 45% (HQ 2 ) der Gerinnebreite nach Parker abnimmt. Gleichung 7 mit b=0.40 / 0.45 wurde unabhängig vom Ahmari Da Silva Diagramm entwickelt. Kommen nun die Punkte bei fehlender Geschiebefracht in den Übergangsbereich zwischen den gewundenen Gerinnen mit Bänken und den Mäandern zu liegen, so bestätigt dies die ermittelten b-werte (rote Punkte in den Bildern 12 und 13): Wäre der b-wert grösser, so kämen die Punkte in die Gerinneform gewundene Gerinne mit Bänken zu liegen. In diesem Bereich ist aber immer Geschiebe verfügbar (GF > 0). Wäre der b-wert kleiner, so kämen die Punkte in einen Bereich der Gerinneform Mäander zu liegen, in welchem sich gemäss Bild 2 Dünen bilden müssten, was bei geringer Geschiebeführung nicht zutreffen kann. 4 5 Bei Gewässern mit grosser Breite (verzweigte Gerinneform) hat die Wahl der Uferneigung keinen spürbaren Einfluss auf die Werte B w und h. Bei gewundenen Gerinnen ist die Uferneigung in der Regel steil und die Annahme eines Recheckgerinnes entspricht eher der Realität.. Berechnung der Abflusstiefe mit dem logarithmischen Fliessgesetz. Rauheitselement 2 d 90, Wandrauheit k Wand = 21 m 1/3 /s, reduziertes Gefälle bei kleiner Überdeckung nach Jäggi.

28 2 Ansatz 1 - Gerinneform relative Breite B W /h [-] Verzweigte Gewässer mit mehr als 2 Gerinnen 3 Verzweigte Gewässer mit 2 Gerinnen Gewundene Gerinne mit Inseln und Bänken Gewundene Gerinne mit Bänken Mäander ohne Kiesbänke Ebene Sohle 10 0 HQ2, b=0.45 Referenzzustand Bw = 0.45 BG P relative Tiefe h/d 10 3 m [-] Bild 13 Datensatz der Schweizer Gewässer im modifizierten Ahmari Da Silva Diagramm im Referenzzustand sowie im Zustand ohne Geschiebe (Gerinnebreite entspricht 0.45 mal der Gerinnebreite nach Parker, Formel (1)) unter Berücksichtigung eines gerinnebildenden Abflusses HQ 2. Hydraulische Berechnung mit einem Rechteckgerinne relative Breite B W /h [-] Verzweigte Gewässer mit mehr als 2 Gerinnen Verzweigte Gewässer mit 2 Gerinnen 3 Gewundene Gerinne mit Inseln und Bänken Gewundene Gerinne mit Bänken Mäander ohne Kiesbänke Ebene Sohle 10 0 HQ5, b=0.40 Referenzzustand Bw = 0.40 BG P relative Tiefe h/d 10 3 m [-] Bild 14 Datensatz der Schweizer Gewässer im modifizierten Ahmari Da Silva Diagramm im Referenzzustand sowie im Zustand ohne Geschiebe (Gerinnebreite entspricht 0.40 mal der Gerinnebreite nach Parker, Formel (1)) unter Berücksichtigung eines gerinnebildenden Abflusses HQ 5. Hydraulische Berechnung mit einem Rechteckgerinne.

29 2 Ansatz 1 - Gerinneform 25 Kritischer Pfad Wird einem natürlichen Gewässer Geschiebe entzogen, so nimmt dessen Gerinnebreite ab und die Position im modifizierten Ahmari Da Silva-Diagramm (B w /h; h/d m ) bewegt sich auf einem kritischen Pfad bis in den unteren Bereich der gewundenen Gerinne mit Bänken. Dabei verändert sich die Gerinneform vom Referenzzustand hin zu einem gewundenen Gerinne mit abgepflästerter Sohle ohne Geschiebebänke Ziele für Gerinneform und Anforderung an die Geschiebefracht In der Vollzugshilfe sind Ziel 1 und Anforderung 1 definiert: Ziel 1 für die Gerinneform Anforderung 1 an die Geschiebefracht Begründung der Zielvorgabe Bedingung 1 Die Gerinneform des Gewässers ist ähnlich wie im Referenzzustand. Die Geschiebefracht im Gewässer ist so gross, dass das Ziel für die Gerinneform erreicht werden kann. Wenn die Gerinneform annähernd erreicht ist, dann ist auch der Lebensraum ähnlich wie im Referenzzustand. Wenn die Gerinneform nicht annähernd erreicht wird, dann ist die Zusammensetzung des Lebensraums des Gewässers wesentlich anders als im Referenzzustand, was zur Folge hat, dass die gewässertypischen Tiere und Pflanzen im Vergleich zum Referenzzustand wesentlich beeinträchtigt sind. Übertragen auf die Gerinneformen im modifizierten Ahmari Da Silva Diagramm kann man von einer ähnlichen Gerinneform sprechen, wenn sich die Position des Gewässers im Diagramm nicht mehr als um ungefähr den halben Abstand zwischen zwei Gewässerformgrenzen verschiebt. Für Gewässer, die sich im Referenzzustand weit oben in einem Gerinneformbereich befinden heisst das, dass sie sich im Zielzustand maximal in den mittleren Bereich der Gerinneform verlagern dürfen. Für Gewässer, die sich im Referenzzustand im unteren Bereich einer Gerinneform befinden heisst das, dass sie im Zielzustand die Grenzlinie 6 zur nächsten Gerinneform nur leicht unterschreiten dürfen. Diese qualitative Zielvorgabe wird mit der folgenden quantitativen Bedingung sichergestellt:!!!!"#$ 0.75!!!!" (10) Das heisst, dass die relative Breite B w /h um maximal 25% reduziert werden darf. 6 Wird einem Gewässer Geschiebe entzogen, so verändert sich die Gerinneform kontinuierlich. Die Übergänge der im modifizierten Ahmari Da Silva Diagramm definierten Flächen sind nicht scharf, sondern fliessend.

30 2 Ansatz 1 - Gerinneform 26 Bedingung 2 Bei gewundenen Gerinnen mit Bänken, welche im Referenzzustand eine geringe Geschiebefracht aufweisen und deren Wertepaar (B w /h; h/d m ) sich im unteren Bereich der entsprechenden Fläche im modifizierten Ahmari Da Silva Diagramm befindet, könnte die oben definierte Anforderung dazu führen, dass die erforderliche Fracht null würde. Aus diesem Grund ist zusätzlich folgende Bedingung zu erfüllen:!!!!"#$!!!!!!" +!!!!"!! (11) Bild 15 Modifiziertes Ahmari Da Silva Diagramm. Beispiel Alpenrhein Kriessern: Verlagerung des Wertepaares (B w /h; h/d m ) bei einer schrittweisen Abminderung des Verhältnisses B w /h um 25%. Angegeben ist zudem W gemäss Gleichung 12. Beispiel Schwarzwasser: Verlagerung des Wertepaares von 1954 bis 2016 mit einer Reduktion von Bw/h um 29%. Das heisst, dass sich das Wertepaar (B w /h; h/d m ) ausgehend vom Referenzzustand maximal um die halbe Distanz bis zu dessen Position ohne Geschiebefracht verlagern darf. In Bild 15 ist die Veränderung der Gerinneform im modifizierten Ahmari Da Silva Diagramm bei einer schrittweisen Abminderung von der relativen Breite B w /h um jeweils 25% beispielhaft dargestellt. Die entsprechende Veränderung der Gerinneform von einem Punkt zum anderen ist im Sinne der oben beschriebenen Bedingung 1 noch zulässig. Bild 16 zeigt eine wesentliche Veränderung der Gerinneform am Beispiel des Schwarzwassers. Infolge von Kiesentnahmen nahm das Verhältnis B w /h von (1954) auf 74.5 (2016) ab, was einer Reduktion von 29% entspricht. Dadurch hat sich die Gerinneform von einem verzweigten Gewässer mit 2 Gerinnen verändert zu einem Gewässer im Übergangsbereich zu gewundenen Gerinnen mit Inseln und Bänken. Die zwei Gerinneformen sind nicht mehr ähnlich und Anforderung 1 ist nicht mehr erfüllt. relative Breite B W /h [-] Schwarzwasser Bw/h(RZ) Bw/h(RZ)*0.71 Berechnung mit HQ2 rote Punkte HQ5 grüne Punkte Ebene Sohle Beispiel Alpenrhein Kriessern Bw(i)/h(i) = Bw(i-1)/h(i-1) 0.75 Verzweigte Gewässer mit mehr als 2 Gerinnen 1 2 Verzweigte Gewässer mit 2 Gerinnen W=44 32 Gewundene Gerinne 23 mit Inseln und Bänken Gewundene Gerinne 6.4 mit Bänken 4.6 n Mäander ohne Kiesbänke relative Tiefe h/d m [-] 10 3

31 2 Ansatz 1 - Gerinneform 27 Bild 16 Schwarzwasser flussabwärts von Heubach. Orthofotos von 1928 bis Fliessrichtung von links nach rechts. Infolge von Kiesentnahmen nahm die dynamische Gerinnebreite ab und die Gerinneform hat sich von einem verzweigten Gerinne zu einem Gewässer im Übergangsbereich zu gewundenen Gerinnen mit Inseln und Bänken verändert. Erforderliche Geschiebefracht Beispielgewässer Unter Berücksichtigung dieser Anforderungen lässt sich mit Gleichung 9 für alle Gewässer die erforderliche Geschiebefracht berechnen. In Bild 17 und Bild 18 sind für Auswertungen mit HQ 5 und HQ 2 das Verhältnis zwischen der erforderlichen Geschiebefracht und der Fracht im Referenzzustand in Funktion der dimensionslosen Grösse W =!!!!!!.!!!! (12) dargestellt. W kann als Mass der Gerinneform interpretiert werden. Wertepaare (B w /h; h/d m ) mit gleichem W liegen im modifizierten Ahmari Da Silva Diagramm auf einer Geraden parallel zu den ansteigend verlaufenden Trennlinien zwischen den Gerinneformen. Je grösser W, desto stärker verzweigt ist das Gerinne.

32 2 Ansatz 1 - Gerinneform 28 Es zeigt sich Folgendes: Verzweigte Gerinne mit mehr als 2 Gerinnen: Die erforderliche Geschiebefracht liegt bei 80% der Geschiebefracht im Referenzzustand (beim Hinterrhein mit W = 390 erreicht die erforderliche Geschiebefracht den Maximalwert von 81%, Auswertung mit HQ 5 ). Verzweigte Gerinne mit 2 Gerinnen: Die erforderliche Geschiebefracht beträgt 73 bis 80% der Geschiebefracht im Referenzzustand. Gewundene Gerinne mit Inseln und Bänken: Die erforderliche Geschiebefracht beträgt ca. 63 bis 78% der Geschiebefracht im Referenzzustand. Gewundene Gerinne mit Bänken: Die erforderliche Geschiebefracht beträgt 47 bis etwa 70% der Geschiebefracht im Referenzzustand. Beim Sellenbodenbach und der Suhre wurde Bedingung 2 massgebend. Auf die Unterschiede zwischen den Auswertungen mit HQ 5 und HQ 2 wird in Kapitel eingegangen. Zusammenfassung Damit die Gerinneform eines Gewässers nicht massgebend verändert wird, muss die Geschiebefracht mindestens folgende Prozentwerte der Fracht im Referenzzustand erreichen: Verzweigte Gewässer 75 80% Gewundene Gerinne mit Inseln und Bänken 63 78% Gewundene Gerinne mit Bänken 47 70% Bild 17 Verhältnis zwischen erforderlicher Geschiebefracht und der Geschiebefracht im Referenzzustand in Funktion der dimensionslosen Grösse W bei einer Auswertung mit HQ 5. W = f(b w /h;h/dm), vgl. Gleichung 12 und Bild 15, ist ein Mass für die Gerinneform. GF erf/ GF RZ HQ5 Bedingung 1 Bedingung 2 Gewunden mit Bänken Gewunden mit Inseln und Bänken Verzweigt mit 2 Gerinnen Verzweigt mit > 2 Gerinnen W [-] 120

33 2 Ansatz 1 - Gerinneform 29 Bild 18 Verhältnis zwischen erforderlicher Geschiebefracht und der Geschiebefracht im Referenzzustand in Funktion der dimensionslosen Grösse W bei einer Auswertung mit HQ 2. W = f(b w /h;h/dm), vgl. Gleichung 12 und Bild 15, ist ein Mass für die Gerinneform. GF erf /GF RZ HQ2 Bedingung 1 Bedingung 2 Gewunden mit Bänken Gewunden mit Inseln und Bänken Verzweigt mit 2 Gerinnen Verzweigt mit > 2 Gerinnen W [-] Vergleich der Auswertungen mit HQ 2 und HQ 5 Die Wahl des massgebenden Abflusses hat einen Einfluss auf die Gerinnebreite nach Parker, die Abflusstiefe h und den Ordinatenwert b (Diagramm Korrekturfaktor Parker). bankfull or dominant conditions Wie bereits in Kapitel ausgeführt, wird in der Literatur als massgebender Abfluss entweder der bordvolle oder der bettbildende Abfluss erwähnt. Der bordvolle Abfluss, wie er bei Ahmari Da Silva verwendet wird, wird in der Literatur meist als HQ 1.5, manchmal als HQ 1, selten über HQ 3 angegeben. Zum bettbildenden oder morphologischen Abfluss gibt es sehr unterschiedliche Angaben. Bei Gebirgsflüssen mit steiler Geschiebefunktion kann der bettbildende Abfluss viel grösser als der bordvolle Abfluss sein (Bunte, 2014). Bei alluvialen Flüssen im Gleichgewicht soll der bettbildende Abfluss aber nahe dem bordvollen Abfluss liegen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der massgebende Abfluss kein Abfluss mit konstanter Jährlichkeit HQ x ist, sondern von Gewässer zu Gewässer verschieden ist. In der Regel dürfte er im Bereich von HQ 2 liegen, bei steilen Gewässern aber grösser sein. Datenverfügbarkeit Auf ist HQ 2 in einer Tabelle angegeben. HQ 5 ist aus einer Graphik zu lesen.

34 2 Ansatz 1 - Gerinneform 30 Gerinneform im modifizierten Ahmari Da Silva Diagramm Bild 19 In Bild 19 sind alle Datenpunkte im Referenzzustand sowie ohne Geschiebe basierend auf Berechnungen mit HQ 2 und HQ 5 im modifizierten Ahmari Da Silva Diagramm eingezeichnet. Bei der Auswertung mit HQ 2 befinden sich alle Punkte weiter oben links, als bei der Auswertung mit HQ 5. Dementsprechend verläuft auch die Trennlinie, welche die Wertepaare bei fehlender Geschiebefracht annähert, etwas weiter oben. Dasselbe gilt für die Trennlinie zwischen den Gerinneformen Gewundene Gerinne mit Inseln und Bänken und Gewundene Gerinne mit Bänken. Wird die Lage einzelner Wertepaare mit Lagebestimmung mit HQ 2 und HQ 5 mit der Abgrenzung gemäss modifiziertem Ahmari Da Silva verglichen, so kann folgendes festgestellt werden (beobachtete Gerinneformen vgl. Anhang 2): relative Breite B W /h [-] W = 64.3 W = 25 Ebene Sohle 23 W = W = 9.0 Bw/h, RZ (HQ5) Bw/h, GF=0 (HQ5) Bw/h, RZ (HQ2) Bw/h, GF=0 (HQ2) Bw/h_L1,2 Bw/h_L0,1 Bw/h_LM Bw/h_L2,3 Bw/h_gew_HQ2 Bw/h_GF0_HQ2 Bw/h_gew_HQ5 Bw/h_GF0_HQ Verzweigte Gewässer mit mehr als 2 Gerinnen Verzweigte Gewässer mit 2 Gerinnen Gewundene Gerinne mit Inseln und Bänken Gewundene Gerinne mit Bänken Mäander ohne Kiesbänke relative Tiefe h/d m [-] W = 3.0 W = 2.4 Bild 19 Vergleich der Auswertungen mit HQ 5 (dunkelblaue und rote Punkte) und HQ 2 (hellblaue und orange Punkte).

35 2 Ansatz 1 - Gerinneform 31 Brenno Castro (Nr. 20) Töss Dättlikon (Nr. 31) Simme Därstetten, Niedermettlisau (Nr. 32) Aare Wildegg-Brugg (Nr. 7) Schwarzwasser Heubach (vgl. Bild 15) Der Punkt befindet sich bei einer Auswertung mit HQ 5 an der unteren Grenze des Bereichs der verzweigten Gerinne mit 2 Gerinnen; bei einer Auswertung mit HQ 2 innerhalb des Bereichs der verzweigten Gerinne mit 2 Gerinnen. Auf Luftbildern ( ) sind 2 Gerinne mit ausgedehnten Bänken sowie Inseln mit Gehölz zu erkennen. Die Gerinneform ist dem Übergangsbereich zuzuordnen. Der Punkt befindet sich bei einer Auswertung mit HQ 5 im Bereich der verzweigten Gewässer mit 2 Gerinnen; bei einer Auswertung mit HQ 2 auf der Grenzlinie zum Bereich der verzweigten Gerinne mit mehr als 2 Gerinnen. Auf der historischen Karte pendelt die Töss in der breiten Schotterebene mit 1 bis 3 Gerinnen. Die Gerinneform entspricht eher einem verzweigten Gewässer mit 2 Gerinnen. Der Punkt befindet sich bei einer Auswertung mit HQ 5 noch im Bereich der gewundenen Gerinne mit Inseln und Bänken; bei einer Auswertung mit HQ 2 im unteren Bereich der verzweigten Gerinne mit 2 Gerinnen. Der morphologisch nicht ganz einheitliche Abschnitt zeigt beide Gerinneformen. Bei einer Auswertung mit HQ 2 befindet sich der Punkt im Bereich der verzweigten Gewässer mit 2 Gerinnen; bei einer Auswertung mit HQ 5 auf der Grenzlinie zwischen den verzweigten Gewässern mit 2 Gerinnen und den gewundenen Gerinnen mit Inseln und Bänken. Auf den historischen Karten ist die Gerinneform gewunden mit Inseln und Bänken. Alle Punkte befinden sich im Bereich der verzweigten Gewässer mit 2 Gerinnen. Bei reduzierter Geschiebezufuhr zeigt das Gewässer Merkmale von gewundenen Gerinnen mit Inseln und Bänken. Dies passt besser zur Auswertung mit HQ 5. Fazit Weil die Grenzen zwischen den Gerinneformen fliessend sind, zeigen Gewässer im Grenzbereich zweier Gerinneformen oft Merkmale beider Gerinneformen. Die Auswertung der Gewässerbeispiele zeigt eine etwas bessere Übereinstimmung für HQ 5. Vergleich der erforderlichen Geschiebefrachten bei Auswertungen mit HQ 2 und HQ 5 In Bild 20 ist der Vergleich der erforderlichen Geschiebefrachten bei Auswertungen mit HQ 5 und HQ 2 dargestellt. Es zeigt sich, dass beide Auswertungen praktisch identische Resultate ergeben. Einzig bei der Aare Wynau und dem Sellenbodenbach (beides gewundene Gerinne mit Bänken) ergibt eine Auswertung mit HQ 2 eine um 8 bis 13% geringere Geschiebefracht.

36 2 Ansatz 1 - Gerinneform 32 Fazit Die Berechnung der erforderlichen Geschiebefracht für die Beispielgewässer in Kapitel hat gezeigt, dass der Einfluss der Wahl von HQ 2 und HQ 5 nicht signifikant ist. Dies bedeutet, dass eine Auswertung mit beiden Abflüssen zielführend ist und zu vergleichbaren Ergebnissen führt. Eine Auswertung mit dem Abfluss HQ 2 bietet aber folgende Vorteile: Ungefähre Übereinstimmung mit dem bordvollen Abfluss, wie er bei Ahmari Da Silva verwendet wird. Direkte Verfügbarkeit bei den Bafu-Messstationen auf Ein Nachteil ist die vergleichsweise kleinere erforderliche Geschiebefracht bei einzelnen gewundenen Gerinnen mit Bänken. Wir empfehlen daher, eine Auswertung mit HQ 2 zu verwenden, die in Kapitel formulierten Bedingungen aber wie folgt zu ergänzen: Die erforderliche Geschiebefracht ist 50% der Geschiebefracht im Referenzzustand. Bild Vergleich der erforderlichen Geschiebefracht bei einer Auswertung mit HQ 2 und HQ 5 für die untersuchten Gewässerstrecken. GF erf. HQ2 / GF erf. HQ5 1.1 Bedingung 1 Bedingung Aare Wynau Sellenbodenbach Gewässer Nr. [-]

37 2 Ansatz 1 - Gerinneform Berechnungsschritte und Eingangsparameter Schritt 1 Gerinnebreite des Referenzzustandes Schritt 2 h und B W des massgebenden Abflusses Schritt 3 Gerinneform des Referenzzustandes Schritt 4 Historische Karten und Pläne, Luftbilder oder Felderhebungen in Vergleichsstrecken veranschaulichen die charakteristische Gerinneform im Referenzzustand. Zur Bestimmung der dynamischen Gerinnebreite wird die gehölzfreie Fläche eines Gewässerabschnitts dividiert durch die Länge des Talwegs des Abschnitts (Bild 21). Mit einer Normalabflussberechnung im Rechteckgerinne wird für den massgebenden Abfluss (HQ 2 ) das Wertepaar (B w /h; h/d m ) bestimmt, das zur Darstellung des Referenzzustands im modifizierten Diagramm von Ahmari Da Silva nötig ist. Dabei ist h die Abflusstiefe und B W die Wasserspiegelbreite bei HQ 2 (Wasserspiegelbreite B W und Gerinnebreite BG sind wegen der Annahme eines Rechteckgerinnes identisch). d m ist der mittlere Korndurchmesser des Sohlenmaterials. HQ 2 ist der Abfluss eines 2-jährlichen Ereignisses und dient als pragmatische Annäherung an den bordvollen Abfluss. Das Wertepaar (B w /h; h/d m ) für den Referenzzustand wird im modifizierten Diagramm von Ahmari Da Silva markiert und die entsprechende Gerinneform abgelesen (Bild 22). Zur Plausibilisierung ist das Resultat mit der Gerinneform zu vergleichen, welche in den historischen Karten oder Luftbildern sichtbar ist. Berechnung der Gerinnebreite nach Parker (1979) aus: Gerinnebreite nach Parker mit BG! = 4.4!!!!!!!!! (13) s = relative Dichte von Sediment und Wasser (= 2.65) g = Erdbeschleunigung (= 9.81 m/s 2 ) Bild 21 Beispiel Aare Klingnau: Gehölzfreie Fläche und Talweg.

38 2 Ansatz 1 - Gerinneform 34 Bild 22 Beispiel Aare Klingnau: Position des Wertepaares (B w /h; h/d m ) des Referenzzustandes im modifizierten Ahmari Da Silva Diagramm mit Zuordnung der Gerinneform (Schritt 3). relative Breite B W /h [-] Aare Klingnau Verzweigte Gewässer mit mehr als 2 Gerinnen Referenzzustand Verzweigte Gewässer mit 2 Gerinnen Gewundene Gerinne mit Inseln und Bänken Gewundene Gerinne mit Bänken 10 1 Mäander ohne Kiesbänke Ebene Sohle 10 0 HQ2, b= relative Tiefe h/d 10 3 m [-] Schritt 5 Gerinnebreite bei fehlender Geschiebezufuhr Schritt 6 Gerinneform bei fehlender Geschiebezufuhr Die Gerinnebreite bei fehlender Geschiebezufuhr ergibt sich aus der Gerinnebreite nach Parker und dem Korrekturfaktor 0.45 (bei Verwenden von HQ 2 ): BG!"!! = 0.45 BG! (14) Für die Gerinneform bei fehlender Geschiebezufuhr wird mit einer Normalabflussberechnung das Wertepaar (BG GF=0 /h; h/d m ) berechnet und im modifizierten Ahmari Da Silva Diagramm eingezeichnet (Bild 23). Zwischen den Wertepaaren (B w /h; h/d m ) für den Referenzzustand und bei fehlender Geschiebezufuhr wird eine Verbindungslinie gezogen. Diese stellt den kritischen Pfad dar, auf welchem sich das Wertepaar (B w /h; h/d m ) verändert, wenn die Geschiebefracht kleiner ist als die Fracht im Referenzzustand (Bild 23). Schritt 7 Es sind folgende zwei Bedingungen zu erfüllen: Relative Breite im Zielzustand und!!!!"#$ 0.75!!!!" (15)!!!!"#$!!!!!!" +!!!!"!! (16) Bei Erfüllung dieser Bedingungen ist die Gerinneform ähnlich derjenigen im Referenzzustand (Bild 24). Schritt 8 Gerinnebreite im Zielzustand Die Gerinnebreite BG Ziel, welche sich im Zielzustand einstellt, wird mit einer Normalabflussberechnung bestimmt, indem iterativ für verschiedene Breiten der Term B w /h berechnet wird und mit (B w /h) Ziel verglichen wird.

39 2 Ansatz 1 - Gerinneform 35 Schritt 9 Erforderliche Geschiebefracht Die erforderliche Geschiebefracht wird berechnet aus GF!"# = GF!"!!!"#$!.!"!!!!!!"!.!"!!! (17) Die resultierende erforderliche Geschiebefracht muss grösser sein als GF!"# 0.5 GF!" (18) Bild 23 Beispiel Aare Klingnau: Position des Wertepaares (B w /h; h/d m ) im Referenzzustand und im Zustand ohne Geschiebe mit dem kritischen Pfad im modifizierten Ahmari Da Silva Diagramm (Schritt 6). relative Breite B W /h [-] Aare Klingnau Verzweigte Gewässer mit mehr als 2 Gerinnen Referenzzustand Kritischer Pfad Verzweigte Gewässer mit 2 Gerinnen Gewundene Gerinne mit Inseln und Bänken Gewundene Gerinne mit Bänken 10 1 Zustand GF = 0 Mäander ohne Kiesbänke Ebene Sohle 10 0 HQ2, b= relative Tiefe h/d 10 3 m [-] Bild 24 Beispiel Aare Klingnau: Position des Wertepaares (B w /h; h/d m ) bei Erfüllung von Bedingung 1, resp. im Zielzustand im modifizierten Ahmari Da Silva Diagramm (Schritt 7). relative Breite B W /h [-] Aare Klingnau Zielzustand Verzweigte Gewässer mit mehr als 2 Gerinnen Referenzzustand Verzweigte Gewässer mit 2 Gerinnen Gewundene Gerinne mit Inseln und Bänken Kritischer Pfad Gewundene Gerinne mit Bänken 10 1 Zustand GF = 0 Mäander ohne Kiesbänke Ebene Sohle 10 0 HQ2, b= relative Tiefe h/d 10 3 m [-]

40 2 Ansatz 1 - Gerinneform Sensitivitätsanalyse Ziel der Sensitivitätsanalyse Mit Hilfe der Sensitivitätsanalyse soll aufgezeigt werden, wie robust die hier vorgestellte Methode bei der Anwendung in der Praxis ist. Die Methode erfordert die Erhebung von Messgrössen aus Karten (Gerinnebreite im Referenzzustand, Gefälle), aus der Natur (Korndurchmesser) oder deren Schätzung mit Hilfe empirischer Ansätze (Abflusswerte). Die Messgrössen sind mit Fehlern behaftet, welche sich auf die Unschärfe des Endergebnisses, das Verhältnis der erforderlichen Fracht zur Fracht im Referenzzustand, auswirkt. Mit der Sensitivitätsanalyse wird das Ausmass dieser Unschärfe bestimmt. Vorgehen Der Einfluss eines Fehlers an den Eingangsgrössen wird mit Hilfe einer Variation der Eingangsgrössen bestimmt. Das für die Beispielgewässer von Anhang 1 bestimmte Verhältnis der erforderlichen Fracht zur Fracht im Referenzzustand (Bild 18) wird als beste Schätzung betrachtet. Jede Eingabegrösse wird um Werte zwischen ±10 % und ±20% variiert und die Abweichung von der besten Schätzung in Prozent bestimmt. Die einzelnen prozentualen Abweichungen werden nach dem Gaussschen Fehlerfortpflanzungsgesetz geometrisch addiert und daraus ein mittlerer Fehler am Endergebnis abgeleitet. Tabelle 3 Variation der Eingangsgrössen für die Sensittivitätsanalyse Eingangsgrösse BG RZ ± 10 % geschätzter mittlerer Fehler J ± 10 % d 90 ± 20 % d m ± 20 % HQ 2 ± 15 % k Wand ± 3 m 1/3 /s Ergebnisse In Bild 25 und Bild 26 sind die relativen Fehler am berechneten Verhältnis GF erf /GF RZ in Funktion von W (im Referenzzustand) für verschiedene Eingangsgrössen bzw. Kombinationen davon abgebildet. Der relative mittlere Fehler am Endergebnis nimmt mit zunehmender Verzweigung (zunehmendem Wert W) ab. Für gewundene Gerinne mit Bänken wurden relative mittlere Fehler zwischen 6% und 13% bestimmt. Für alle übrigen Gewässer relative mittlere Fehler kleiner als 5% (Bild 25). Die Methode erweist sich insgesamt also als robust.

41 2 Ansatz 1 - Gerinneform 37 Eine Unsicherheit an der Bestimmung der Gerinnebreite im Referenzzustand BG RZ wirkt sich am stärksten auf das Endergebnis aus. Unsicherheiten an den Eingangsgrössen, welche die Abflussberechnung beeinflussen (Gefälle J, Korngrösse d 90 und Wandrauheit k Wand ), wirken sich weniger stark aus als Unsicherheiten an HQ 2 und d m, welche beide für die Bestimmung der Gerinnebreite nach Parker verwendet werden. Bild 25 Relatver mittlerer Fehler am Ergebnis GF erf /GF RZ bei einer Variation der Eingangsgrössen gemäss Tabelle 3. relatver Fehler GF erf /GF RZ HQ2 Gewunden mit Inseln und Bänken Verzweigt mit 2 Gerinnen rel. Fehler alle Eingangsgrössen Verzweigt mit > 2 Gerinnen 0.05 Gewunden mit Bänken W [-] 120 Bild 26 Relativer mittlerer Fehler am Ergebnis GF erf /GF RZ bei einer Variation ausgewählter Eingangsgrössen gemäss Tabelle 3. relatver Fehler GF erf /GF RZ HQ2 Gewunden mit Inseln und Bänken Verzweigt mit 2 Gerinnen rel. Fehler Rauheiten rel. Fehler dm rel. Fehler HQ2 rel. Fehler J rel. Fehler BGref Verzweigt mit > 2 Gerinnen 0.05 Gewunden mit Bänken W [-] 120

42 2 Ansatz 1 - Gerinneform 38 Einfluss der Geschiebefracht im Referenzzustand Die Berechnung der erforderlichen Geschiebefracht ist abhängig von der Geschiebefracht im Referenzzustand. Fehler an der Geschiebefracht im Referenzzustand wirken sich linear auf die erforderliche Geschiebefracht aus. Aus diesen Gründen ist der Bestimmung der Geschiebefracht im Referenzzustand grosse Aufmerksamkeit zu schenken und, soweit möglich, aufgrund verschiedener Ansätze zu bestimmen und zu plausibilisieren. Mit der Methode 1 wird der Anteil an der Geschiebefracht im Referenzzustand bestimmt. Damit ist die Methodik selbst nicht von der Genauigkeit der Geschiebefracht im Referenzzustand abhängig.

43 2 Ansatz 1 - Gerinneform Methode 1: Anwendungsempfehlung Die in Kapitel 2 vorgestellte Methode wurde spezifisch für die Anforderungen an die Gewässerschutzgesetzgebung entwickelt. Sie ist robust und geeignet, um die erforderliche Geschiebefracht im Verhältnis zur Geschiebefracht im Referenzzustand zu ermitteln und wird für die Massnahmenplanung zur Sanierung des Geschiebehaushaltes nach Gewässerschutzgesetz empfohlen. Es sind zwei Varianten zur Anwendung geeignet: 1. Umfassende Variante (Vorgehen gemäss Kapitel 2.2) 2. Vereinfachte Variante (ohne hydraulische Berechnungen) Mit der umfassenden Variante wird die erforderliche Geschiebefracht mithilfe von morphologischen Berechnungen bestimmt. Sie erlaubt eine zuverlässige und gewässerspezifische Abschätzung der erforderlichen Geschiebefracht. Die umfassende Variante wird für die Herleitung der erforderlichen Geschiebefracht von grossen Gewässern empfohlen. Mit der vereinfachten Variante wird anhand der Gerinneform im Referenzzustand schnell und einfach abgeschätzt, wie gross die erforderliche Geschiebefracht relativ zur Referenzfracht ist. Dabei wird GF erf /GF RZ im mittleren Bereich der beobachteten Prozentwerte eines Gerinneformbereichs festgelegt (Bild 27). Dementsprechend hat die erforderliche Geschiebefracht folgende Prozentwerte der Referenzfracht zu erreichen: Verzweigte Gewässer mit mehr als 2 Gerinnen 80% Verzweigte Gewässer mit 2 Gerinnen 77% Gewundene Gewässer mit Inseln und Bänken 72% Gewundene Gewässer mit Bänken 65% Die Gerinneform im Referenzzustand wird mit Hilfe historischer Karten und Luftbildern oder bestehender naturnaher Gewässerabschnitte bestimmt. Die vereinfachte Variante wird für die Herleitung der erforderlichen Geschiebefracht von kleinen Gewässern empfohlen. Beide Varianten sind anwendbar für Gefälle bis 3%. Bild 27 Vereinfachte Variante zur Bestimmung der erforderlichen Geschiebefracht in Abhängigkeit der Gerinneform. GF erf /GF RZ % 0.6 HQ2 Bedingung 1 Bedingung 2 Gewunden mit Bänken 72% Gewunden mit Inseln und Bänken Verzweigt mit 2 Gerinnen 77% Verzweigt mit > 2 Gerinnen 80% W [-] 120

44 3 Methode 2: Kiesablagerungen 40 3 Methode 2: Kiesablagerungen 3.1 Ziele für Kiesablagerungen und Anforderung an die Geschiebfracht In der Vollzugshilfe sind Ziel 2 und Anforderung 2 definiert: Ziel 2 für die Kiesablagerungen Anforderung 2 an die Geschiebefracht Kiesablagerungen haben eine ähnliche Ausdehnung und Mächtigkeit wie im Referenzzustand. Die Geschiebefracht im Gewässer ist so gross, dass das Ziel für die Kiesablagerungen erreicht werden kann. Anforderung 2 ist erfüllt, wenn die Kiesablagerungen verglichen mit dem Referenzzustand in ihrer Ausdehnung und Mächtigkeit auf maximal zwei Drittel, in Auengebieten auf maximal vier Fünftel reduziert werden. Prozesse Begründung der Zielvorgabe Die Anforderung stützt sich auf die Beobachtung, dass mit verstärktem Geschiebedefizit Kiesablagerungen erodiert, das Gerinne ausgeräumt und die Sohle zunehmend abgepflästert wird. Entsprechende Prozesse sind vor allem zu beobachten in gewundenen Gerinnen mit Bänken, in welchen das Sohlenmaterial gröber ist als das Geschiebe. Lockere und gut durchströmte Kiesablagerungen werden von kieslaichenden Fischen für die Eiablage genutzt. Bei einzelnen Fischarten schlagen die Weibchen mit ihrer Rückflosse eine bis zu 30cm tiefe Grube, in welche sie die Eier ablegen und anschliessend wieder mit Kies überdecken. Für die Eiablage nutzbare Kiesablagerungen müssen also mindestens 30cm mächtig sein. Bild 28 zeigt in einer schematischen Darstellung für eine locker gelagerte Kiesbank mit maximaler Mächtigkeit von 0.6m die für Laichgruben nutzbare Fläche. Wenn die Ausdehnung dieser Kiesablagerung auf 2/3 reduziert wird nimmt die Fläche, welche eine Mächtigkeit von mindestens 0.3m aufweist, um 73% ab. Die Reduktion der nutzbaren Fläche ist im dargestellten Beispiel gravierend. Bei Kiesbänken mit grösserer Mächtigkeit ist die Reduktion geringer und bei Kiesbänken mit geringerer Mächtigkeit stärker, als im dargestellten Beispiel. Aufgrund dieser Zusammenhänge ist die definierte Anforderung als untere Grenze zu betrachten und im konkreten Fall nach Möglichkeit nicht auszuschöpfen.

45 3 Methode 2: Kiesablagerungen 41 Bild 28 Schematische Darstellung einer Kiesbank mit einer maximalen Mächtigkeit von 0.6m. Ausdehnung der Kiesbank im Ausgangszustand und mit Reduktion auf 2/3 der Fläche sowie für kieslaichende Fische resultierende nutzbare Flächen. 3.2 Modellversuche Für die Erarbeitung der Methodik zu Bestimmung der erforderlichen Fracht wurden eigens Modellversuche an der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie der ETH Zürich durchgeführt. Die Modellversuche sind in VAW (2017) detailliert beschrieben. Nachfolgend sind die wichtigsten Ergebnisse in Kürze zusammengefasst. Modellgerinne In einer 30m langen und 4m breiten Rinne wurde die Topographie eines Gerinnes mit typischer, sinusförmiger Kurvenfolge von Kreisbögen im Massstab 1 : 50 nachgebildet. Die idealisierte Gerinnegeometrie, die Kornzusammensetzung und die Abflüsse orientierten sich an der Sihl bei Adliswil. Das Gefälle betrug ca Modellversuche In einer ersten Versuchsphase wurde die Morphologie der Sohle mit einem Abfluss Q > Q D mit Geschiebeeintrag entsprechend der Transportkapazität modelliert und anschliessend bei einem Abfluss 0.8 Q D ohne Geschiebezufuhr belastet und eine grobe Deckschicht hergestellt 7. Dies entsprach dem Zustand eines ausgeräumten Gerinnes. Die Sohle wurde als Ausgangszustand für Versuchsphase 2 fixiert. 7 Die charakteristischen Korndurchmesser des Sohlenmaterials und des Geschiebes waren identisch: d m = 7.6cm; d 90 = 18.6cm.

46 3 Methode 2: Kiesablagerungen 42 In der zweiten Versuchsphase wurden die Parameter Geschiebezugabe, Abfluss und Kornverteilung variiert. Ausgehend von einer Kornmischung des Geschiebes und einem bestimmten Abfluss wurde die Geschiebezugabe schrittweise erhöht und jeweils, nach Erreichen des Gleichgewichtszustandes, die Ausdehnung der Kiesablagerungen vermessen. Dabei wurden nur Kiesablagerungen mit einer Mächtigkeit von > 30cm berücksichtigt. Die Geschiebezugabe wurde solange erhöht, bis die Transportkapazität erreicht wurde. Es wurden 3 Versuchsreihen durchgeführt: Reihe I Abfluss 200m 3 /s Kornverteilung Geschiebe fein 8 Reihe II Abfluss 350m 3 /s Kornverteilung Geschiebe fein Reihe III Abfluss 500m 3 /s Kornverteilung Geschiebe grob 9 Resultate In Bild 29 sind die ausgewerteten Resultate der Versuchsreihen I bis III dargestellt. Dabei ist in Bild a) die relative Ausdehnung der Kiesablagerungen mit einer Mächtigkeit > 30cm in Funktion der relativen Geschiebetransportrate, ausgedrückt in Prozenten der Transportkapazität (%TK) dargestellt. A max bezeichnet die maximale Ausdehnung der Kiesablagerungen bei einer Geschiebezufuhr entsprechend der Transportkapazität. Die Geschiebetransportrate bezeichnet die Geschiebezufuhr verglichen mit der Geschiebetransportkapazität. Bild b) zeigt das entsprechende Diagramm bei einer Auswertung des Volumens der Kiesablagerungen. Die verschiedenen Linien bezeichnen: Versuchsreihe I Versuchsreihe II Versuchsreihe III Dreiecke und Rautezeichen Blaue Linien Schwarze Linien Rote Linien Auswertungen in den drei Krümmungen Jede dieser Linien zeigt, wie die Fläche, resp. das Volumen der Kiesablagerungen mit steigender Geschiebefracht zunahm. Dabei zeigen die blauen Linien (Reihe I mit kleinstem Abfluss) einen nach unten gekrümmten Verlauf, die schwarzen Linien einen Verlauf nahe der Diagonalen (Reihe II mit mittlerem Abfluss) und Reihe III einen Verlauf mit nach oben gekrümmtem Verlauf (Reihe III mit grösstem Abfluss). Versuchsreihe I Der vergleichsweise kleine Abfluss führte zu einem abgestuften Verlauf des Wasserspiegels im Längenprofil mit grossem Gefälle über den Furten (Wechselpunkt zwischen Krümmungen) und flachem Gefälle in den Krümmungen (resp. den Kolken). Infolgedessen wurde das Geschiebe vorwiegend im Bereich des Talweges abgelagert. 8 9 d m = 2.1cm, d 90 = 4.9cm d m = 3.8cm, d 90 = 9.1cm

47 3 Methode 2: Kiesablagerungen 43 Versuchsreihe III Versuchsreihe II Beim grössten untersuchten Abfluss ist der Verlauf des Wasserspiegels im Längenprofil ausgeglichen. Die Sohlenschubspannung ist im Wesentlichen eine Funktion der Abflusstiefe, womit Ablagerungen auf den Bänken (Gleitufer) und im Bereich der Furten entstehen. Die Versuchsreihe II stellt einen Übergang zwischen den Zuständen der Reihen I und III dar. Bild 29 Zusammenhang zwischen der Geschiebetransportrate (%TK) und der relativen Ausdehnung der Kiesablagerungen A/Amax (Bild a), resp. des relativen Ablagerungsvolumens V/Vmax (Bild b). Versuchsreihe I: blaue Linien; Versuchsreihe II: schwarze Linien; Versuchsreihe III: rote Linien. Dreiecke, Raute: Auswertung in den 3 untersuchten Krümmungen. 3.3 Interpretation Bedeutung der Kurven In Bild 30 sind die mittleren Kurven der drei Versuchsreihen entsprechend Bild 29a) dargestellt. Es zeigt sich Folgendes: Reihe I: Q=200m 3 /s: Ausgehend von der Transportkapazität kann anfänglich relativ viel Geschiebe entnommen werden, ohne dass die Kiesablagerungen stark abnehmen. Bei einer Geschiebetransportrate von 50% erreichen die Kiesablagerungen immer noch 70% der maximalen Ausdehnung. Sinkt die Geschiebetransportrate unter 50%, so nehmen die Kiesablagerungen stark ab.

48 3 Methode 2: Kiesablagerungen 44 Reihe III: Q=500m 3 /s: Ausgehend von der Transportkapazität nehmen bei einer Abnahme der Geschiebetransportrate die Kiesablagerungen anfänglich relativ stark ab. Bei einer Geschiebetransportrate von 50% bestehen nur noch 25% der Kiesablagerungen. Bei einer weiteren Abnahme der Geschiebetransportrate nehmen die Kiesablagerungen nur noch wenig ab. Reihe II: Q=350m 3 /s: Ausgehend von der Transportkapazität nehmen bei einer Abnahme der Geschiebetransportrate die Kiesablagerungen mehr oder weniger linear ab. Bild 30 Bild links: Mittlere Kalibrierkurven entsprechend Bild 29 sowie Grenzwertbetrachtung für Q 0 und Q D. Bild rechts: Abflussganglinie mit Gültigkeitsbereichen der drei Kalibrierkurven. Grenzwertbetrachtung Bild 30 Erreicht oder überschreitet der Abfluss den Wert Q D, so ist die Deckschicht mobil. Wird weniger Geschiebe zugeführt, als transportiert werden kann, so werden die Kiesablagerungen erodiert und es kommt zu einer Eintiefung der Sohle. In Bild 30 sind die Prozesse durch die Kurve Q = Q D dargestellt. Wird Geschiebe bei einem Abfluss um Q 0 zugeführt, so bleibt es unabhängig von der Geschiebetransportrate liegen. Dies wird durch die Kurve Q = Q 0 dargestellt.

49 3 Methode 2: Kiesablagerungen 45 Prozesse beim Durchgang einer Hochwasserwelle Beim Durchgang einer Hochwasserwelle werden, ausgehend vom Abfluss Q 0, die verschiedenen Kurven bis zur Abflussspitze durchschritten. In Bild 30 rechts ist angegeben, in welchem Abflussbereich welche Kurve massgebend ist. Bei Abflüssen nur wenig grösser als Q 0 ist die Geschiebezufuhr oft vernachlässigbar und zur Bildung von Kiesablagerungen kaum relevant. Zugeführtes Geschiebe lagert sich vorwiegend in den Rinnen ab. Bei ansteigendem Abfluss sind Kiesablagerungen sowohl in den Rinnen, als auch auf Gleithängen möglich (Reihe II, schwarze Kurve). Bei grossen Abflüssen < Q D werden Kiesablagerungen im Talweg ausgeräumt und das Geschiebe entlang der Gleithänge und im Bereich der Furten abgelagert (Reihe III, rote Kurve). Beim abklingenden Ast der Ganglinie werden die Kurven in umgekehrter Richtung durchlaufen. Falls bei kleinen Abflüssen Q > Q 0 noch Geschiebe zugeführt wird, so wird es im Bereich des Talweges abgelagert. Massgebender Abfluss Damit stellt sich die Frage nach dem bezüglich der Bildung von Kiesablagerungen massgebenden Abfluss. Grundsätzlich kann für jeden Gewässerabschnitt bestimmt werden, welches der bezüglich transportierbarer Geschiebefracht massgebende Abfluss ist: Bild 31 zeigt für die Sihl bei Zürich die Abflussdauerkurve sowie die transportierbare Geschiebefracht von Abflussklassen von je 10m 3 /s Bandbreite. Die transportierbare Geschiebefracht je Klasse ergibt sich durch Multiplikation der Geschiebetransportkapazität mit der Abflussdauer. Bei der Sihl vermögen Abflüsse um Q 1 über das gesamte Jahr betrachtet am meisten Geschiebe zu transportieren. Dementsprechend ist Q 1 der bezüglich transportierbarer Geschiebefracht massgebende Abfluss. Dies ist insofern eine theoretische Betrachtung, als das Geschiebe bei den entsprechenden Abflüssen auch verfügbar sein muss. Bei Gewässern mit grober Sohle und einer Geschiebefracht kleiner der Transportkapazität ist es oft so, dass das Geschiebe erst bei vergleichsweise grossen Hochwasserereignissen zugeführt wird.

50 3 Methode 2: Kiesablagerungen 46 Bild 31 Dauerkurve und transportierbare Geschiebefracht (GF) verschiedener Abflussklassen. Berechnung für zwei Korngrössen. Stunden [h] Sihl Zürich Dauerkurve GF, dm=3.5cm GF, dm=3.8cm Geschiebefracht [m3] Sihl Zürich Q Abfluss [m3/s] 3.4 Schätzung erforderliche Geschiebefracht Die erforderliche Geschiebefracht für Anforderung 2, Kiesablagerungen, kann wie folgt abgeschätzt werden: Schritt 1 Schritt 2 Berechnung der durchschnittllich jährlich transportierbaren Geschiebefracht GF TK. Berechnung der relativen Geschiebefracht im Referenzzustand rel GF RZ : rel GF!" =!!!"!!!" (19) Schritt 3 Bild 32 Wahl einer massgebenden Kurve auf Basis des massgebenden Abflusses (Kapitel 3.3) sowie einer fachkundigen Beurteilung des Gewässers: In der Regel dürften Kurven der Versuchsreihen II und III (schwarze oder rote Linien) massgebend sein. Die Kurve der Versuchsreihe I (blaue Linie) ist wegen der geringen Geschiebeführung von geringerer Bedeutung. Schritt 4 Bild 32 Schritt 5 Ausgehend von der relativen Geschiebefracht im Referenzzustand wird die relative Ausdehnung der Geschiebeablagerungen im Referenzzustand bestimmt. Anschliessend werden die Kiesablagerungen um 33% reduziert für Gewässerabschnitte in Auengebieten nur um 20% und mit Hilfe derselben Kurve die relative erforderliche Geschiebefracht bestimmt. Die erforderliche Geschiebefracht ergibt sich aus: GF erf = relgf erf GF TK

51 3 Methode 2: Kiesablagerungen 47 Bild 32 Bestimmung der erforderlichen Geschiebefracht für Anforderung 2, Kiesablagerungen, auf Basis der mittleren Kalibrierkurven gemäss Bild 17. Das für zwei Kurven dargestellte Vorgehen zeigt, dass je nach verwendeter Kurve die erforderliche Geschiebefracht stark variieren kann. Vereinfachte Variante Falls keine Argumente für die Wahl einer Kurve gefunden werden können, wird empfohlen, die Diagonale zu verwenden (der Verlauf entspricht etwa der Versuchsreihe II). Unter diesen Verhältnissen entspricht die erforderliche Geschiebefracht 67% der Geschiebefracht im Referenzzustand, in Auengebieten entspricht sie 80% der Fracht im Referenzzustand. 3.5 Methode 2: Anwendungsempfehlung Die in Kapitel 3 vorgestellte Methode wurde spezifisch für die Anforderungen an die Gewässerschutzgesetzgebung entwickelt. Die Methodik stützt sich auf Laborexperimente 10 an der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie der ETH Zürich. Die bisher durchgeführten Versuche decken die vielfältigen morphologischen und hydraulischen Bedingungen eines natürlichen Gewässers nur teilweise ab. Die der Methode zugrundeliegenden Hypothesen und Prozesse sind mit den Experimenten noch nicht ausreichend abgestützt. Aus diesem Grund ist die Methode mit Unsicherheiten behaftet und wird nicht zu Anwendung empfohlen. Sie kann allenfalls als Ergänzung zur Methodik 1 verwendet werden. Das BAFU sieht vor, Methodik 2 weiterzuentwickeln. 10 Im Rahmen desselben Auftrages wurden durch die VAW numerische Modellberechnungen für ähnliche Gerinneformen auch mit steileren Gefällen von 8 und 15 durchgeführt. Die Berechnungsresultate sind unsicher und können nicht zur Erweiterung des Gültigkeitsbereiches der im Labor beobachteten Prozesse verwendet werden.

52 4 Literatur 48 4 Literatur Ashmore P.E. (2001): Braiding Phenomena: statics and kinetics. In: Gravel-Bed River V (Ed M.P. Mosley), pp New Zealand Hydrological Society. Wellington New Zealand. Bezzola Gian Reto (2003): Vorlesungsmanuskript Flussbau. Eidgenössische Technische Hochschule Zürich. Bunte K., Abt S.R., Swingle K.W., Cenderelli D.A. (2014): Effective discharge in Rocky Mountain headwater streams. Journal of Hydrology, 519, Da Silva A.M.A.F. (1991): Alternate bars and Related Alluvial Processes. Thesis of Master of Science, Queens University, 225 S. Flussbau AG, Bern und NDR Consulting GmbH (2013): Simme. Studie über den Geschiebehaushalt (2013). Im Auftrag des Tiefbauamts des Kantons Bern. Flussbau AG, Zürich (2014): Aare Bielersee Rhein, Sanierungsplanung Geschiebehaushalt, Schlussbericht. Im Auftrag des Tiefbauamts des Kantons Bern, des Amts für Umwelt des Kantons Solothurn und des Departements Bau, Verkehr und Umwelt des Kantons Aargau. Flussbau AG, Zürich (2016): Sellenbodenbach, Neuenkirch. Sanierungs- und Aufwertungskonzept. Im Auftrag der Gemeinde Neuenkirch. Flussbau AG, Bern (2017): Sanierung Geschiebehaushalt Schwarzwasser. Im Auftrag des Tiefbauamts des Kantons Bern. Flussbau AG, Zürich (2018): Hochwasserschutz Alpenrhein, Internationale Strecke, km65 km91, Generelles Projekt, Fachplanung Hydraulik und Geschiebe, Morphologie. Im Auftrag der Internationalen Rheinregulierung. Habib Ahmari Ana Maria Ferreira Da Silva (2011): Regions of bars, meandering and braiding in Da Silva and Yalin s plan, Journal of Hydraulic Research, 49:6, Hunzinger L., Schälchli U., Nitsche M., Kirchofer A., Roulier C., Rüesch T. (2018, in Anhörung): Geschiebehaushalt Massnahmen. Ein Modul der Vollzugshilfe Renaturierung der Gewässer. Bundesamt für Umwelt. Bern. Ikeda S., Parker G., und Kimura Y. (1988). Stable Width and Depth of Straight Gravel Rivers with Heterogeneous Bed Materials. Water Resources Research, 24(5), KW Oberhasli AG (2017): Baumgartner Jan: Mailverkehr. Marti Ch., Bezzola G.R. (2004): Sohlenmorphologie in Flussaufweitungen. Jahrestagung der SGMG 2003 in Erstfeld: Turbulenzen in der Geomorphologie. Mitteilung Nr. 184 der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie der ETH Zürich. Marti Christian (2006): Morphologie von verzweigten Gerinnen. Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich, Mitteilung Nr Millar R.G. (2005): Theoretical regime equations for mobile gravel bed rivers with stable banks. Geomorphology, 64, Parker Gary (1979): Hydraulic Geometry of Active Gravel Rivers. Journal of the Hydraulics Division, HY9, pp

53 4 Literatur 49 Schälchli, Abegg + Hunzinger, Zürich und Bern (2000): Auenschutzpark Rohr-Rupperswil, Restwasserstrecke Kraftwerk Rupperswil Auenstein. Ökologisch begründetes Dotierregime. Im Auftrag des Baudepartements des Kantons Aargau. VAW (1987): Aare-Erosion. Bericht über die Untersuchungen betreffend das Ausmass und den zeitlichen Ablauf der erwarteten Sohlenerosion in der Aarestrecke zwischen Büren und Solothurn. Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich, Bericht Nr VAW (2017): Grundlagenversuche zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Geschiebefracht und Morphodynamik in Kiesflüssen. Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie der ETH Zürich, Bericht Nr. 4348, Januar Wolman, M. G. and J. P. Miller (1960). Magnitude and Frequency of Forces in Geomorphic Processes. The Journal of Geology 68(1): Zarn B. (1997): Einfluss der Flussbettbreite auf die Wechselwirkung zwischen Abfluss, Morphologie und Geschiebetransportkapazität. Mitteilung Nr. 154 der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie der ETH Zürich.

54 5 Symbole 50 5 Symbole A Ausdehnung einer Kiesablagerung [m 2 ] A max maximale Ausdehnung einer Kiesablagerung bei einer Geschiebezufuhr entsprechend der Transportkapazität B Breite [m] b Ordinatenabschnitt [-] B* Breite, an Q normiert [-] BG Gerinnebreite [-] BG i Gerinnebreite im Zustand i [m] BG P Gerinnebreite nach Parker [m] BG RZ Gerinnebreite im Referenzzustand [m] BG Ziel Gerinnebreite im Zielzustand [m] B w Wasserspiegelbreite [m] d m Mittlerer Korndurchmesser einer Mischung [m] d x Korndurchmesser, welcher von x Gewichtsprozenten der Körner einer Mischung unterschritten wird GF Geschiebefracht [m 3 /a] GF i Geschiebefracht im Zustand i [m 3 /a] GF RZ Geschiebefracht im Referenzzustand [m 3 /a] GF TK Transportierbare Geschiebefracht [m 3 /a] GF Geschiebefracht, an HQ x normiert [-] h Abflusstiefe [m] HQ x Hochwasserabfluss, der statistisch gesehen alle x Jahre einmal erreicht oder überschritten wird J Gefälle [-] KF Korrekturfaktor zur Berechnung der Gerinnebreite nach Parker [-] [m 2 ] [m] [m 3 /s] Q Abfluss [m 3 /s] Q 0 Grenzabfluss für den Geschiebetransportbeginn [m 3 /s] Q b Geschiebetransportrate [m 3 /s] oder [kg/s] Q D Grenzabfluss für das Aufreissen der Deckschicht [m 3 /s] Q x Abfluss, der an x Tagen im Jahr erreicht oder überschritten wird [m 3 /s] Q Abfluss, an der Korngrösse im Gerinne normiert [-] TK Transportkapazität [m 3 /s] oder [kg/s] V Volumen einer Kiesablagerung [m 3 ] V max maximales Volumen einer Kiesablagerung bei einer Geschiebezufuhr entsprechend der Transportkapazität [m 3 ]

55 Anhang 1 Datensatz Beispielgewässer

56

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61 Anhang 2 Dokumentation Beispielgewässer

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