Die Buhnenfelder der unteren Mittelelbe Geschichte, Bedeutung, Zukunft

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1 Deutsche Gesellschaft für Limnologie (DGL) - Tagungsbericht 21 (Kiel), Tutzing 22, S Die Buhnenfelder der unteren Mittelelbe Geschichte, Bedeutung, Zukunft René Schwartz & Hans-Peter Kozerski Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei, Müggelseedamm 31, Berlin keywords: Elbe, Buhnenfelder, Sedimentation, Ufervegetation Historische Entwicklung Buhnenfelder stellen die periodisch überstauten bzw. trockenfallenden Zonen zwischen zwei Buhnen dar. Sie bilden die Grenze zwischen Fluß und Aue. Die Entstehung der in den Fluß hinein ragenden Bauwerke reicht im Bereich der unteren Mittelelbe zwischen Havelberg und Geesthacht zurück bis in die Mitte des 17. Jahrhunderts [ROHDE 1998]. In dieser Zeit noch als Stacks bezeichnet, unterschieden sie sich wesentlich in Aufbau und Funktion von den heutigen Buhnen. Errichtet aus mehreren Lagen von Faschinen (Weidenbündel), deren Zwischenlagen aus Bodenmaterial bestanden, waren sie im Gegensatz zur gegenwärtigen leicht stromaufwärts geneigten Inklination (72-85 ) noch stromab ausgerichtet. Ihre Hauptaufgabe bestand darin, den Deichkörper (insbesondere bei Eisgang) vor den Kräften des Hochwassers zu schützen, die Abwicklung des Zollverkehrs zu erleichtern sowie der Landgewinnung [PUDELKO & PUFFAHRT 1981]. Nach Beginn der Umsetzung der Beschlüsse des Wiener Kongresses (1815) über den einheitlichen Ausbau der mitteleuropäischen Flüsse mit dem Ziel der ganzjährigen Schiffbarkeit durch die preußische Elbstrombauverwaltung, setzte Mitte des 19. Jahrhunderts der systematische Buhnenausbau an der Elbe ein. Seitdem haben sich die betroffenen Uferbereiche stark gewandelt. Die Anzahl der Buhnen vervielfachte sich. Gab es beispielsweise 1776 zwischen den Strom-km 475 und 583 lediglich 27 Buhnen, sind es 1992 im selben Abschnitt ca. 168 [HARMS & KIENE 1999]. Hierdurch hat sich der prozentuale Anteil an verbautem Ufer in diesem Flussabschnitt in den vergangenen gut 2 Jahren von 2,5 % auf 91,8 % erhöht. Heutzutage finden sich nur noch wenige Bereiche, die nicht mit diesen Leitbauwerken versehen sind. Ihre Funktion besteht nunmehr darin, die Wasserstände während der Niedrigwasserphasen durch Einengung des Abflussquerschnittes anzuheben. Als Nebenwirkung steigt die Fließgeschwindigkeit im verbleibenden Flussschlauch, was zu einer Eintiefung des Flussbettes führt. Aufgrund der fortschreitenden Sohlenerosion mit der damit einhergehenden Wasserspiegelabsenkung vergrößert sich als weitere Folge auch der Grundwasser-Flurabstand in den angrenzenden Auen. Gleichzeitig findet innerhalb der Buhnenfelder aufgrund der Strömungsberuhigung eine verstärkte Sedimentation statt (grobes Material saltatorisch am Gewässergrund, feines Material als Schwebstoff). Die Bauweise der Buhnen hat sich dahingehend verändert, dass sie heutzutage aus Kostengründen zumeist nicht mehr gesetzt, sondern geschüttet werden. Die hierbei größtenteils verwendeten Wasserbausteine (es handelt sich vorwiegend um Metallhütten-Schlacke) zeichnen sich durch eine sehr hohe Trockenrohdichte von 3,6-3,9 kg/dm³ und eine hohe mittlere Schüttdichte (2,1-2,2 kg/dm³) aus [JÄHRLING 1996]. Vergleicht man die topographischen Karten des Elbabschnittes von Strom-km 518 bis 52 der Jahre 1889 und 199 zeigen sich starke Veränderungen innerhalb der Uferstrukturen [FRICKE 1992]. Zahlreiche Kleingewässer sind verschwunden oder weisen keinen Anschluss mehr an die Elbe auf. Gleichzeitig hat sich die Uferlinie stark verkürzt. Eigene Auswertungen desselben Elbabschnittes zeigen, dass im Vergleich zum Jahr 1889, in welchem bei mittleren Pegelständen innerhalb der Buhnenfelder noch 47 % Wasserfläche und 53 % Landfläche ausgewiesen wurden, sich das Verhältnis ein Jahrhundert später weit in den terrestrischen Bereich verschoben hat (199: 37 % Wasserfläche und 63 % Landfläche).

2 Physikalische, chemische und hydrologische Eigenschaften Innerhalb der Buhnenfelder kommt es aufgrund des Druckgefälles zur Ausbildung von Zirkulationsströmungen, einhergehend mit einer wesentlichen Strömungsberuhigung. Ausgehend von einer durchflussabhängigen mittleren Fließgeschwindigkeit in der Strommitte von 21 cm/s bei Hochwasser, 14 cm/s bei Mittelwasser und 11 cm/s bei Niedrigwasser, reduziert sich die Fließgeschwindigkeit innerhalb des Strömungsringes (nur wenig vom Elbwasserstand beeinflusst) im Haupteinstrombereich des Buhnenfeldes (welcher sich an der unterstromigen Buhne befindet) auf durchschnittlich 25 cm/s. Im Hauptausstrombereich (oberstromige Buhne) beträgt sie im Mittel noch 2 cm/s. Große, zentrale Bereiche weisen eine mittlere Fließgeschwindigkeit zwischen 8 und 16 cm/s auf. Je nach dem Verhältnis von Buhnenlänge zum Abstand zur nächsten Buhne kommt es in den Buhnenfeldern gegebenenfalls zur Ausbildung eines Sekundärwirbels. Dies ist der Fall, wenn der Quotient aus Länge zum Abstand kleiner als,5 ist [SUKHODOLOV et al. 21]. Die Lage der beiden Wirbel zueinander ist nicht konstant. Innerhalb weniger Minuten ist eine periodische Verlagerung der Scherzone zu beobachten. Infolge der großen Strömungsunterschiede zwischen Flußmitte und Buhnenfeld unterscheidet sich die Textur grundlegend (s. Abb. 1). Während im Elbstrom eine hohe Gleichförmigkeit in der Korngrößenzusammensetzung zu beobachten ist, wobei die größte Steigung in der Körnungssummenkurve im Mittel- und Grobsandbereich liegt (Fein- und Mittelkiesbestandteile sind nur von untergeordneter Bedeutung, Schluff- und Tonbestandteile fehlen gänzlich), ist das Körnungsspektrum in den Buhnenfeldern wesentlich breiter. Es reicht von Mittelsand dominierten Proben, die noch bis zu 2 % Grobsand enthalten können, bis nahezu sandfreien, stark schluffigen Proben, in denen der Tonanteil bis zu 25 % ausmachen kann. Mittlere Feinkornanteile stellen ein Resultat geringmächtiger Wechsellagerungen von feinkorn- bzw. sandreichen Schichten dar. Die räumliche Verteilung von feinen und groben Sedimenten innerhalb der Buhnenfelder variiert stark, wobei das Ablagerungsmuster eng an das Strömungsgeschehen gekoppelt ist. Aktuelle Sedimentationsraten feinkörnigen Materials korrelieren gut mit den an denselben Stellen festgestellten Dauerablagerungen [KOZERSKI et al. 21]. 1 T fu mu gu fs ms gs fg mg gg X 1 T fu mu gu fs ms gs fg mg gg X Massenanteil [%] Minimum Median Maximum,1, Korngröße [mm] Massenanteil [%] Minimum Median Maximum,1, Korngröße [mm] Abb. 1: Kornzusammensetzung der Elbsohle (links) und der Buhnenfelder (rechts) zwischen Stromkm 474 und 485 [Daten: SCHWARTZ et al. 21] Eine hoch signifikante Beziehung besteht zwischen der Körnung und dem Gehalt an organischem Kohlenstoff (s. Abb. 2). Dieser ist, da die Sedimente der Elbe karbonatfrei sind, als Gesamt- Kohlenstoff zu verstehen. Reinsandige Proben weisen nur geringe Kohlenstoffgehalte auf (,1 %). Es ist eine positive Kopplung des Feinkornanteils mit der organischen Substanz festzustellen. Der

3 -Gehalt annähernd sandfreier Proben beträgt 8,2 %. Die Korrelation von Gesamt-Stickstoff zu organischem Kohlenstoff ist ebenfalls hoch, wobei steigende Kohlenstoff-Gehalte einher gehen mit denen des Stickstoffs. Das C/N-Verhältnis liegt bei 1:8. Analog zum Stickstoff verhalten sich Phosphor und Schwefel. Sandfreie Proben beinhalten durchschnittlich 3,7 g/kg Phosphor und 2,5 g/kg Schwefel. 1 8 A: 8,43 B: -,82 r: -,984 1,,8 r:,993 A: -,1 B:, N tot.,6,4 2, Sandanteil [%], Abb. 2: Regressions-Beziehung (y = A + B * x) des organischen Kohlenstoffs zum Sandanteil (links) sowie des Gesamt-Stickstoffs zum organischen Kohlenstoff (rechts) in Buhnenfeldsedimenten zwischen Strom-km 474 und 485 [Daten: SCHWARTZ et al. 21] Bei den Spurenmetallen ist die elementspezifische anthropogene Schadstoffanreicherung zu berücksichtigen. Die höchste Überschreitung gegenüber der natürlich bedingten Ausgangskonzentration weist derzeit Cadmium auf. In der Reihe abnehmender Belastungsgrade folgen Zink, Quecksilber, Arsen, Blei, Kupfer, Nickel und Chrom [SCHWARTZ et al. 1999]. Stellvertretend für die Gruppe der gering angereicherten Elemente ist in Abbildung 3 die Beziehung von Nickel und für die Gruppe der stark anthropogen angereicherten Elemente, die von Zink zum organischen Kohlenstoff dargestellt. Grau unterlegt sind die Bereiche, die nach KRÜGER & PRANGE [1999] als einzugsbedingte elementspezifische Hintergrundkonzentrationen für die Kornfraktion < 2 µm angesehen werden können. Zu erkennen sind ähnlich enge Beziehungen zum organischen Kohlenstoff wie bei den Nährstoffen. Der mittlere Nickel-Gehalt für sandfreie Proben liegt bei 77 mg/kg und der von Zink bei 165 mg/kg. Ni-Gehalt [mg/kg] r:,985 A: 3,483 B: 7,7276 Zn-Gehalt [mg/kg] r:,869 A: 8,2 B: 165, Abb. 3: Regressions-Beziehung (y = A + B * x) des Gesamt-Nickelgehaltes zum organischen Kohlenstoff (links) sowie des Gesamt-Zinkgehaltes zum organischen Kohlenstoff (rechts) in Buhnenfeldern zwischen Strom-km 474 und 485 [Daten: SCHWARTZ et al. 21]

4 Aus ökologischer Sicht ist, insbesondere aufgrund der Schadstoffproblematik, die Kenntnis über die Sedimentationsbedingungen der feinkörnigen organogenen Partikel von großer Bedeutung. Die Abbildung 4 zeigt, dass im untersuchten Buhnenfeld am Strom-km 42,9 bei einer Anströmgeschwindigkeit zwischen 1 und 14 cm/s die höchsten Schwebstoff-Aussinkraten zu beobachten sind. Maximal beträgt die mittels Tellerfallen [KOZERSKI & LEUSCHNER 1999] ermittelte Trappingrate in diesem Geschwindigkeitsbereich, während einer Phase sehr hohem Schwebstoffvorkommens, 7 g TM/m²/d. Bei einer angenommenen Dichte von 1,25 g/cm³ entspräche dies einem jährlichen Sedimentzuwachs von ca. 2 cm. Da die Sestonkonzentration im Jahresverlauf phasenweise aber deutlich geringer ist, muß real von einer wesentlich geringeren maximalen jährlichen Zuwachsrate ausgegangen werden. Messungen am Ende einer langanhaltenden Niedrigwasserphase ergaben für die, aufgrund ihrer Trappingrate [g/m²/d] Wasserstand [mnn] Anströmgeschwindigkeit [cm/s] NNW HHW HMW NMW MW Buhnenfeld 42,9 Abb. 4: Beziehung der Trappingrate feiner Sedimente zur Anströmgeschwindigkeit in einem Buhnenfeld am Strom-km 42,9 13 Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Abb. 5: Monatliche Hauptwerte am Stromkm 474,5 (Erläuterungen s. Text) bräunlichen Färbung leicht von den älteren, schwarz gefärbten Ablagerungen unterscheidbaren frischen schwebstoffbürtigen Sedimenten, einen Durchschnittswert von 5 cm/a. Außerhalb dieser bevorzugten Sedimentationszonen ist die Trappingrate in den Arealen mit niedrigerer Strömungsgeschwindigkeit aufgrund einer verminderten Nachlieferung an aussinkbaren Stoffen kleiner. In Zonen mit höheren Fließgeschwindigkeiten ist das Schwebstoffangebot zwar sehr hoch, hier verhindert aber die turbulente kinetische Energie des bewegten Wassers teilweise das Aussinken der Partikel. Darüber hinaus ist die Resuspension bereits sedimentierter Partikel denkbar. Ein weiterer wichtiger abiotischer Faktor, der in den Buhnenfeldern wirksam ist, sind die stark schwankenden Wasserstände. In der Abbildung 5 sind die monatlichen Hauptwerte (HHW = höchstes Hochwasser, HMW = höchstes Monatsmittel, MW = Monatsmittel, NMW = niedrigstes Monatsmittel, NNW = niedrigstes Niedrigwasser) des Pegels Lenzen (Stromkm 474,5) aufgetragen (Datengrundlage: Tagesmittelwerte der Jahre [GRÖNGRÖFT 1999]). Es zeigt sich, dass nur mit geringen Unterschieden in jedem Monat sowohl mit Niedrigwasser als auch Hochwasser zu rechnen ist. Erst bei Betrachtung der mittleren Wasserstände (langjähriger Mittelwasserstand: 15,5 mnn) bildet sich ein für die Elbe als Schnee- Regen-Typ charakteristischer Jahresgang mit den höchsten Pegelwerten im Frühjahr und niedrigsten Wasserständen im Spätsommer heraus. Die maximale Differenz während der einzelnen Monate variiert zwischen 4, und 5,3 m.

5 Die in der Regel während der Vegetationsperiode zurückgehende Wasserlinie schafft innerhalb der Buhnenfelder einen Lebensraum, der zunächst frei von höheren Landpflanzen ist. Aufgrund der extremen abiotischen Verhältnisse sind an diesen Stellen nur wenige Pflanzenarten in der Lage, sich anzusiedeln und einen erfolgreichen Generationszyklus zu durchlaufen. Es handelt sich um annuelle Arten, die besondere Anpassungsstrategien aufweisen. Beispielsweise entwickeln zahlreiche Schlammbesiedler eine ausgeprägte sproßbürtige Bewurzelung, welche eine hohe Stabilität gegen Wellenschlag und Strömung bei auftretenden Sommerhochwässern gewährleistet. Darüber hinaus nutzen diese Arten mit ihren Wurzeln ausschließlich die oft nur geringmächtigen, obersten oxidierten Schlammlagen (wenige Zentimeter). Reduzierte Zonen bleiben dagegen ausgespart. Andere Arten durchlaufen ihren kompletten Generationszyklus innerhalb weniger Wochen, da sie im weiteren Verlauf der Vegetationsperiode von konkurrenzstärkeren Arten verdrängt werden. Einige Besiedler weichen zur Konkurrenzvermeidung auf für das individuelle Wachstum ungünstigere, sandige Standorte aus. Hierbei ist, im Vergleich zu den artgleichen Schlammbesiedlern, häufig eine Umwandlung oder Reduktion ihrer morphologischen Strukturen (Verhältnis Sproß/Wurzel, Wuchsform) zu beobachten. Die Ausbildung einer langen Pfahlwurzel und das Durchwurzeln von kleinen, im Boden befindlichen Abb. 6: Einwachsen in Schlammklumpen von Corrigiola litoralis [aus: NEBELSIEK 2] Schlammlinsen (s. Abb. 6) sorgen an diesen Extremstandorten für eine ausreichende Wasserund Nährstoffversorgung. Da Lebensräume mit ausgeprägter Morpho- und Hydrodynamik hierzulande sehr selten sind, finden sich nach NEBELSIEK [2] an den Ufern der unteren Mittelelbe zahlreiche Rote-Liste-Arten, die, je nach angrenzendem Bundesland, zumindest als gefährdet bis sogar vom Aussterben bedroht bewertet werden. Beispiele sind: Strahlender Zweizahn (Bidens radiata), Hirschsprung (Corrigiola litoralis), Wiesen Alant (Inula britannica), Schlammling (Limosella aquatica), Kleines Flohkraut (Pulicaria vulgaris), Igelsamige Schuppenmiere (Spergularia echinosperma), Roter Wasser- Ehrenpreis (Veronica catenata). Den trockenfallenden Uferbereichen fällt damit aus naturschutzfachlicher Sicht eine wichtige ökologische Bedeutung zu. Zusammenfassung und Ausblick Das Bild der Übergangszone zwischen Fluß und Aue hat sich an der unteren Mittelelbe in den vergangenen Jahrhunderten aufgrund der wasserbaulichen Maßnahmen stark gewandelt. Die Buhnenfelder als künstlich geschaffener Lebensraum stellen ein schützenswertes Sekundär-Biotop für bundesweit seltene Ufervegetationsformen dar. Der Vergleich von historischen und aktuellen Karten zeigt, das die Buhnenfelder seit dem Bau der Buhnen zu großen Teilen zusedimentiert sind, wodurch die Ausdehnung der subhydrischen und semiterrestrischen Wechselzonen erheblich zurückgegangen ist. Aus ökologischer Sicht ist es wichtig, einem weiteren Verlust solcher Areale entgegen zu wirken. Um dies zu bewirken, müssten stark verlandete Buhnen stellenweise wieder freigebaggert werden. Hierbei stellt sich aber das Problem, dass der anfallende Aushub (soweit er feinkorn- und organikreich ist) aufgrund der hohen Schadstoffbelastung deponiert werden muss.

6 Ein Einsatz in der Landwirtschaft, wie ihn die IKSE [1995] fordert, ist nicht möglich. Angestrebt werden muss deshalb eine weitere, deutliche Verbesserung der Schwebstoffqualität der Elbe. Wünschenswert ist es, den Verlandungstendenzen innerhalb der Buhnenfelder durch ein modifiziertes Strömungssystem (Veränderung der Buhnen-Geometrie) entgegen zu wirken. Darüber hinaus sollte eine verstärkte Sohlenerosion durch weiteren Buhnenausbau bzw. die gezielte Vertiefung des Flussschlauches vermieden werden. Beides führt zu einem Absinken der Wasserlinie bei mittleren und niedrigen Wasserständen in steilere Bereiche des Flussprofils, einhergehend mit einem großen Flächenverlust der wertvollen Wechselfeuchtzone. Literatur GRÖNGRÖFT A. [1999]: Die Überflutungswahrscheinlichkeit der Auen im Bereich der unteren Mittelelbe. Hamburger Bodenkundliche Arbeiten, 44, S FRICKE D. [1992]: Ökologische Aufwertung von Buhnenfeldern und Vorlandgewässern an der Elbe. Informationsbroschüre des staatlichen Amtes für Wasser und Abfall, Lüneburg, 28 S. HARMS O. & KIENE S. [1999]: Morphologische Gewässerstrukturen der Elbe 1776 und Fachtagung Elbe. Dynamik und Interaktion von Fluß und Aue, Universität Karlsruhe, S IKSE [1995]: Die Elbe - Erhaltenswertes Kleinod in Europa. Internationale Kommission zum Schutz der Elbe, Magdeburg, 64 S. JÄHRLING K.-H. [1996]: Ein Beitrag zum Einsatz künstlicher Wasserbausteine bei der Gewässerunterhaltung aus Sicht der Ökologie. Informationsbroschüre des staatlichen Amtes für Umweltschutz, Magdeburg, 64 S. KOZERSKI H.P., KUHN T. & TOTSCHE O. [21]: In-situ Messungen der Sedimentationsraten partikulären Materials in Buhnenfeldern der Elbe. Deutsche Gesellschaft für Limnologie, Tagungsbericht 2, Tutzing, S KOZERSKI H.P. & LEUSCHNER K. [1999]: Plate Sediment Traps for slowly moving waters. Water Researche, Vol. 33, 13, pp KRÜGER F. & PRANGE A. [1999]: Ermittlung geogener Hintergrundwerte an der Mittelelbe und deren Anwendung in der Beurteilung von Unterwassersedimenten. Hamburger Bodenkundliche Arbeiten, 44, S NEBELSIEK A. [2]: Die Vegetation der Buhnenfelder an der unteren Mittelelbe in Abhängigkeit von den Böden. Unveröffentl. Diplomarbeit am Institut für Angewandte Botanik und Institut für Bodenkunde der Universität Hamburg, 11 S. PUDELKO A. & PUFFAHRT O. [1981]: Hannover und Preußen betrieben gemeinsam den Ausbau der Elbe zu einer neuzeitlichen Wasserstraße. Jahresheft des Heimatkundlichen Arbeitskreises Lüchow-Dannenberg, 8, S ROHDE H. [1998]: Das Elbegebiet. In: Eckoldt (Hrsg.) Flüsse und Kanäle - Die Geschichte der deutschen Wasserstraßen, DSV Hamburg, S SCHWARTZ R., NEBELSIEK A. & GRÖNGRÖFT A. [1999]: Das Nähr- und Schadstoffdargebot der Elbe im Wasserkörper sowie in den frischen schwebstoffbürtigen Sedimenten am Meßort Schnackenburg in den Jahren Hamburger Bodenkundliche Arbeiten, 44, S SCHWARTZ R., GRÖNGRÖFT A. & MIEHLICH G. [21]: Probleme der Auwaldwiederherstellung und Folgen der Deichrückverlegung - Wasser- und Stoffhaushalt der Böden. Abschlußbericht des BMBF-Verbundforschungsvorhabens Auenregeneration durch Deichrückverlegung (FKZ: ), Institut für Bodenkunde der Universität Hamburg, 391 S. SUKHODOLOV A., ENGELHARDT C., BUNGARTZ H., KRÜGER A. & KRÜGER H. [21]: Strömungsmuster in Buhnenfeldern: Ein Fallbeispiel an der Elbe. Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei, 13, S