3.2 Donauausbau von Straubing bis Vilshofen Auswirkung verschiedener Ausbauvarianten auf Stoffhaushalt und Trophie

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1 3.2 Donauausbau von Straubing bis Vilshofen Auswirkung verschiedener Ausbauvarianten auf Stoffhaushalt und Trophie Im Rahmen des geplanten Donauausbaus zwischen Straubing und Vilshofen wurde eine Ökologische Studie 2000 S erstellt, die als Grundlage für die politische Entscheidung über Art und Umfang des weiteren Donauausbaus diente. Bestandteil dieser Studie sind Gewässergütemodellierungen zum Stoffhaushalt und zur Trophie der Donau. Der Prognose der Auswirkung verschiedener Ausbauvarianten liegt eine modellgestützte Analyse der Phytoplanktonentwicklung mit Jahresgangsimulationen zugrunde (s. Jahresbericht 2000). Hier werden die Auswirkungen der verschiedenen Ausbauvarianten beschrieben und bewertet. Die Prognose zu den Ausbauvarianten erfolgt mit Hilfe des in der BfG entwickelten Gewässergütemodells QSim, Version 8.3. Im Juni 2002 beschloss der Bundestag, dass der Abschnitt Straubing bis Vilshofen mit der Variante A ausgebaut werden soll. Die bei unserer damaligen Arbeit zugrunde gelegten Ausbauvarianten waren: Variante A Weiter optimierter Ist-Zustand Variante B Verschärfte Flussregelung durch Einsatz flussregelnder Maßnahmen (Buhnen, Leitwerke, im Querschnitt waagerecht befestigte Sohle) Variante C Eine Staustufe bei Aicha (km 2273) sowie Durchstich Mühlhamer Schleife Variante D1 Zwei Staustufen bei Waltendorf (km 2301,7) und Osterhofen (km 2268) sowie 9 km langer 82

2 Seitenkanal (Abzweigung oberhalb vom Wehr Osterhofen) Variante D2 Drei Staustufen bei Waltendorf (km 2301,7), Aicha (km 2273) und Vilshofen (km 2252) Zur Vereinfachung der Darstellung werden im Folgenden nur drei markante Varianten beschrieben: Ist-Zustand, Regulierung (Variante B), Aufstau (Variante D1). Der untersuchte Abschnitt der Donau (Abb. 42) ist im Vergleich zu anderen staugeregelten Flüssen in Deutschland durch einen hohen Abfluss begünstigt (unterhalb der Isarmündung MNQ 290 m 3 /s, MQ 630 m 3 /s), zumal der Abfluss während der in anderen Flüssen oft kritischen Sommermonate durch Schmelzwasser aus den alpinen Nebenflüssen gestützt wird. Der Sauerstoffhaushalt ist relativ ausgeglichen, die Nährstoffbelastung ist geringer als in anderen Bundeswasserstraßen. Die Isar übt einen wesentlichen Einfluss auf die Wasserbeschaffenheit der Donau aus. Durch die Ausbauvarianten werden der Stoffhaushalt und die Trophie hauptsächlich im unteren Teil der Ausbaustrecke beeinflusst. So bewirkt z.b. eine mit der Zunahme der Wassertiefe verbundene Verringerung der relativen Leistung sessiler Nitrifikanten eine Verlängerung der Selbstreinigungsstrecke. Als deren Folge werden flussabwärtsgelegene Abschnitte mit höheren Ammoniumkonzentrationen und damit auch höheren Sauerstoffverbräuchen belastet. Durch die Veränderung der Morphologie werden auch die Hydraulik und das Lichtklima in der Donau beeinflusst. Durch die Ausbauvarianten wird die mittlere Tiefe in unterschiedlichem Ausmaß erhöht. Tabelle 1 gibt die Werte für eine extreme Niedrigwassersituation (NQ) an. Diese wurden für eine Gütesimulation mit stationären Abflussverhältnissen verwendet. Bei dieser gingen die Nebenflüsse ebenfalls mit dem jeweiligen NQ in die Berechnungen ein. Gleichzeitig verändern sich die mittleren Fließgeschwindigkeiten. Bei den Aufstau-Varianten sind die mittleren Fließgeschwindigkeiten geringer als beim Ist-Zustand, bei den Regulierungs-Varianten sind sie hingegen höher (Tabelle 20). In Abb. 43 ist die mittlere Fließzeit von Straubing bis Vilshofen für eine extreme Niedrigwassersituation abgebildet. Es wird deutlich, dass durch die Variante Regulierung die Fließzeit gegenüber dem Ist- Zustand als Folge der flussbaulichen Maßnahmen etwas verkürzt wird. Bei der Variante Aufstau verlängert sich die Fließzeit deutlich. Diese Unterschiede in der Fließzeit werden mit steigenden Abflüssen kleiner. Bei den verschiedenen Ausbauvarianten sind zwei Prozesse für die Algenentwicklung von grundsätzlicher Bedeutung. Zum einen wird die Fließzeit verändert, eine Verlängerung der Aufenthaltszeit durch zusätzliche Staustufen ermöglicht einen größeren Algenzuwachs auf der Strecke. Eine Verkürzung der Fließzeit als Folge flussbaulicher Veränderung hat den umgekehrten Effekt, so z.b. bei der Variante Regulierung, bei welcher der durchflossene Schwarze Regen Regensburg Naab Kelheim Laber Geisling 2340 MDK 2400 REGENSBURG 2320 Donau Donau KELHEIM km 2411, ,72 Bad Abbach Gr. Laber STRAUBING 2300 Straubing 2280 DEGGENDORF Isar 2260 Ilz Jochenstein Legende Vilshofen Vils N 2400 Staustufe Probestelle Kachlet PASSAU Inn Donau ÖSTERREICH 2200 Abb. 42: Karte des Untersuchungsgebietes 83

3 Tabelle 20: Mittlere Tiefe und mittlere Fließgeschwindigkeit für den Ist-Zustand und die beiden Varianten auf der Strecke Straubing bis Vilshofen bei einem Abfluss von 132,44 m 3 /s in Kelheim ( MNQ) Straubing bis Vilshofen Ist-Zustand Regulierung Aufstau Tiefe (m) 2,16 2,50 3,16 Fließgeschwindigkeit (m/s) 0,63 0,65 0,43 NQ Mittlere Fließzeit (h) Ist-Zustand Regulierung Aufstau Abb. 43: Mittlere Fließzeit für den Ist- Zustand und die Varianten von Straubing bis Vilshofen bei einem Abfluss von 132,44 m 3 /s in Kelheim ( MNQ) Querschnitt eingeengt wird. Zum anderen wird durch die Ausbauvarianten die mittlere Tiefe erhöht, was eine Verringerung des Algenwachstums zur Folge hat, da der unbelichtete Anteil des Wasserkörpers vergrößert wird und somit die Algen mehr Zeit im Dunkeln verbringen. Zur Analyse der durch die verschiedenen Varianten verursachten Veränderungen werden zunächst Szenarien mit stationärem Abfluss und einheitlichen Abflussbedingungen für den Hauptstrom und die Nebenflüsse betrachtet. Dabei zeigt sich, dass bei Niedrigwasser-Verhältnissen alle Varianten in Deggendorf (km 2284,6) einen höheren Chlorophyll-a- Gehalt als beim Ist-Zustand aufweisen (Abb. 44, oben). Dies ist bei der Variante Aufstau besonders deutlich. Bei Niedrigwasser dominiert der Einfluss der Verlängerung der Aufenthaltszeit auf das Algenwachstum, während die Unterschiede im Lichtklima zwischen den einzelnen Varianten gering sind. Bei mittleren Abflussbedingungen (MQ) als Eingabewert für den Abfluss der Donau und die Nebenflüsse, bei ansonsten identischen Eingabegrößen, sind in Deggendorf (km 2284,6) die Chlorophyll-a- Gehalte sowohl bei den Varianten Regulierung als auch bei der Variante Aufstau niedriger als im Ist- Zustand (Abb. 44, unten). Bei diesen Abflussverhältnissen hat das gegenüber dem Ist-Zustand bei den Varianten verschlechterte Lichtklima einen entscheidenden Einfluss auf das Algenwachstum. Dies hängt damit zusammen, dass bei steigendem Abfluss der Unterschied in der Aufenthaltszeit zwischen den Varianten kleiner wird, während sich die unterschiedlichen mittleren Wassertiefen zunehmend auf das Lichtklima auswirken. Mit steigendem Abfluss sinken somit bei allen Varianten mit größeren mittleren Tiefen, also bei den Varianten Regulierung und Aufstau (Tabelle 20), die Algengehalte im Vergleich zum Ist-Zustand. Die heutige Simulationstechnik erlaubt, zusätzlich zu der bisher üblichen Betrachtung von charakteristischen Szenarien mit stationären Abflussverhältnissen, die Simulation ganzer Jahresgänge mit dem tatsächlich vorkommenden instationären Abflussgeschehen. Bei Anwendung dieser Simulationstechnik zeigt sich, dass mit der stationären Niedrigwasserbetrachtung ein Extremfall betrachtet wird, der in der Praxis so nicht auftritt. Tabelle 21 zeigt Ergebnisse der instationären Jahresgangsimulation. Bei der Variante Regulierung sind die Chlorophyll-a- Gehalte gegenüber dem Ist-Zustand etwas geringer. Dies wird durch die Zunahme der mittleren Tiefe bei gleichzeitiger Fließzeitverkürzung verursacht (Tabelle 20 und Abb. 43). Bei der Variante Aufstau sind sowohl die mittlere Tiefe als auch die Fließzeit wesentlich größer als beim Ist-Zustand. Dadurch wirken bei diesen Varianten zwei gegenläufige Prozesse auf die Algenentwicklung ein, die 84

4 80 NQ Chlorophyll a (µg/l) Zufluss der Isar MQ Chlorophyll a (µg/l) Zufluss der Isar Abb. 44: Ist-Zustand Regulierung Aufstau geplante Wehre Modellierter Chlorophyll-a-Gehalt für den Ist-Zustand und alle Varianten bei stationärer Abflussberechnung (Lastfall) mit NQ bzw. MQ als Eingabe für die Donau und alle Nebenflüsse Mittelwert, µg Chla/l Ist-Zustand Regulierung Aufstau Deggendorf 39,9 39,5 39,5 Aicha 34,6 34,5 34,3 Vilshofen 36,9 36,6 37,4 Tabelle 21: Berechneter Chlorophyll-a-Mittelwert jeweils April bis September 1995 bis 1997 der Stationen Deggendorf, Aicha, Vilshofen und Kachlet, für den Ist- Zustand und zwei Varianten (dynamische Abflussberechnung) Kachlet 39,9 39,3 39,9 dazu führen, dass die Abweichungen des Prognosezustands vom Ist-Zustand gering bleiben. So liegt in Deggendorf für die untersuchten Jahre 1995 bis 1997 der mittlere Chlorophyll-a-Gehalt der Varianten Regulierung und Aufstau unter den Werten des Ist-Zustandes (Tabelle 21). Da bei der instationären Abflusssimulation über drei Jahre der Abfluss im Mittel in der Größenordnung von MQ liegt, spiegelt der Lastfall bei MQ im Gegensatz zu NQ die Situation im Gewässer deutlich besser wider. Die stationäre Berechnung für den Lastfall NQ stellt also eine Extremwertbetrachtung für den denkbar ungünstigsten Fall dar, der für die Praxis nur von begrenzter Bedeutung ist, da die Wahrscheinlichkeit, dass in der Donau und in den Zuflüssen gleichzeitig Niedrigwasser auftritt, gering ist. 85

5 Insgesamt wird die Auswirkung der verschiedenen Ausbauvarianten auf die Wasserbeschaffenheit und den Algengehalt also sehr gering sein. Insbesondere wird keine der Varianten eine Änderung der Trophieklasse zur Folge haben. Der Ist-Zustand und alle Varianten sind der Trophieklasse II III, eu- bis polytroph nach MAUCH ET AL. (1998) wie auch nach LAWA-Bewertungsmethode (LAWA 2002) zuzuordnen. Beeinflussung durch die Benthosbesiedlung Die prognostizierte Trophieentwicklung bei den einzelnen Varianten wurde unter der vereinfachenden Annahme berechnet, dass sich der Einfluss benthischer Filtrierer bei den verschiedenen Ausbauvarianten nicht ändert. Nach Erfahrungen beim Bau der Staustufen Geisling und Straubing erhöhte sich nach dem Aufstau aber die Individuendichte des Schlickkrebses an der Sohle (BANNING pers. Mitt.; BANNING 1998). Deshalb wurden für das Jahr 1997 die Dichten des Schlickkrebses in der Staustufe Kachlet an der Sohle auf 65 Ind/m 2 entsprechend den flussaufwärts gelegenen Staustufen erhöht (Tabelle 22). Die aus der unterschiedlichen Besiedlungsdichte resultierenden mittleren Chlorophyll-a- Gehalte sind in Tabelle 22 für Deggendorf im Jahr 1997 aufgeführt. Es wird deutlich, dass eine Erhöhung der benthischen Filtrierer aufgrund veränderter morphologischer und hydraulischer Bedingungen eine erhöhte Filtriertätigkeit und damit geringere Algengehalte zur Folge hätte. Diese Betrachtung verdeutlicht den engen Zusammenhang zwischen dem Algengehalt und der Dichte und Aktivität von benthischen Filtrierern. Da die Besiedlungsstruktur benthischer Filtrierer starken saisonalen und jährlichen Schwankungen unterliegt und durch Veränderungen in der Gewässermorphologie beeinflusst wird, wird die Prognose der Algengehalte in der Donau entsprechend erschwert. Auswirkungen auf die Wasserbeschaffenheit Bei den Varianten mit geringerer Trophie, d.h. geringerem Chlorophyll-a-Gehalt als beim Ist- Zustand sind als Folge der geringeren Algenaktivität auch die Sauerstoffübersättigung und der ph-wert geringer, damit fällt die Bewertung nach dem chemischen Index der BfG (in Anlehnung an den chemischen Index von BACH 1980) besser aus als beim Ist-Zustand. Der Sauerstoffhaushalt kann in abflussarmen Flüssen von der Stauerrichtung stark beeinträchtigt werden. In der Donau, mit ihrem vergleichsweise hohen Abfluss und der heutigen geringen Abwasserbelastung, wirkt sich die weitere Stauregelung der Donau kaum negativ aus. Der Ammoniumgehalt wird durch mehrere zum Teil gegenläufige Prozesse beeinflusst. Nach den Modellergebnissen überwiegen in der Donau bei den Ausbauvarianten die Effekte, die den Ammoniumgehalt geringfügig erhöhen, folglich zu einer Abwertung im Vergleich zum Ist-Zustand führen. Der Abbau organischer Substanz wird durch die Varianten nur geringfügig verändert und hat damit keine Auswirkungen auf die Bewertung. Wie beim Algengehalt sind der Sauerstoff- und Nährstoffhaushalt das Resultat zum Teil gegenläufiger Prozesse bei den Ausbauvarianten. Im Endergebnis unterscheidet sich der Stoffhaushalt der einzelnen Varianten kaum vom Ist-Zustand. Der Ist- Zustand und alle Varianten sind im Bereich Straubing bis Vilshofen der Wertstufe gering belastet zuzuordnen. Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Auswirkungen der verschiedenen Varianten auf den Stoffhaushalt und die Trophie der Donau so gering sind, dass sie nur mit Modellrechnungen quantitativ ermittelt werden können. Dies steht im Einklang mit früheren Untersuchungen (BfG-0484, 1989). Da es sich beim Gewässergütemodell QSim um ein rein deterministisches Modell handelt, sind auch die sehr geringen Abweichungen zwischen den Varianten kein Zufallsprodukt, sondern lassen die Tendenzen bei den einzelnen Varianten erkennen. Das spätere Nachmessen in der Donau zur Beweissicherung ist allerdings nicht möglich, da bereits die Variabilitäten innerhalb eines Jahres und zwischen den Jahren so groß sind, dass ein statistisches Herausfiltern der Auswirkungen der einzelnen Varianten nicht möglich sein wird. Andreas Schöl, Volker Kirchesch und Dr. Dieter Müller Tabelle 22: Mittlerer berechneter Chlorophyll-a-Gehalt 1997 für die Varianten Ist-Zustand, Regulierung und Aufstau in Deggendorf und Kachlet bei unterschiedlichen Besiedlungsdichten des Schlickkrebses Ist-Zustand Regulierung Aufstau Schlickkrebsdichte (Ind/m 2 ) Mittlerer Chla (µg/l) Deggendorf 31,5 32,0 31,6 31,5 31,2 Mittlerer Chla (µg/l) Kachlet 33,9 34,6 33,2 34,3 33,2 86

6 BACH, E. (1980): Ein chemischer Index zur Überwachung der Wasserqualität von Fließgewässern. Deutsche Gewässerkundliche Mitteilungen 24 (4/5), BANNING, M. (1998): Auswirkungen des Aufstaus größerer Flüsse auf das Makrozoobenthos dargestellt am Beispiel der Donau. Essener Ökologische Schriften, Band 9, Westarp Wissenschaften, 285 S. und Anhang LÄNDERARBEITSGEMEINSCHAFT WASSER (LAWA) (2002): Methode zur Klassifikation der Trophie planktonführender Fließgewässer-Ergebnisse der Erprobungsphase. Bearbeitet vom LAWA-Unterarbeitskreis Planktonführende Fließgewässer, Saarbrücken, 54 S. MAUCH, HAMM, HEUSS, SCHAUMBURG, SCHMEDTJE, SCHMIDT (1998): Hinweise zur Kartierung der Trophie von Fließgewässern in Bayern. Bayer. Arbeitskreis zur Trophiekartierung in Fließgewässern, 7 S. 87