Ethohydraulik eine Grundlage für eine fischverträglichere wasserbauliche Praxis

Ethohydraulik eine Grundlage für eine fischverträglichere wasserbauliche Praxis BEATE ADAM & BORIS LEHMANN Einführung Die Gewässer wurden in vielfältiger Weise den Bedürfnissen des Menschen angepasst, in dem sie u. a. zu Vorflutern und Schifffahrtsstraßen oder für die Energiegewinnung und zur Wasserentnahme ausgebaut und unterhalten werden. Auf die Funktion dieser wertvollen Landschaftselemente als Lebensräume für aquatische Pflanzen- und Tierwelt wurde im Zuge des wasserwirtschaftlichen Handelns unbeabsichtigt sowie auch wissentlich wenig Rücksicht genommen. Selbst beim Bau von Fischwegen wird auch aktuell mehr auf technische und finanzielle Rahmenbedingungen geachtet, als auf die Bedürfnisse derjenigen Organismen, denen diese Bauwerke schließlich dienen sollen. In Konsequenz zeigen beispielsweise Gewässerstrukturgütekartierungen massive Defizite auf, die sehr häufig mit einer Verarmung der aquatischen Lebensgemeinschaften einhergehen. Und auch bezüglich der Qualität von Fischaufstiegsanlagen erweisen sich weniger als 10 % der bestehenden Anlagen als funktionsfähig. Um allerdings die Bedürfnisse z. B. der Fische in der wasserwirtschaftlichen Praxis adäquat berücksichtigen zu können, müssen nicht nur die artspezifischen Ansprüche dieser Tiere an ihren Lebensraum, sondern auch die Auswirkungen anthropogener Eingriffe bekannt und verstanden sein. Es zeigt sich allerdings, dass gerade diese für einen gewässerökologisch verträglichen Wasserbau so entscheidenden Kenntnisse heute fehlen. Die Gründe für diese Wissensdefizite bestehen insbesondere darin, dass sich die mobilen Fische in ihrem durch variierende Sichtbedingungen und Strömung geprägten Lebensraum einer direkten Beobachtung entziehen, weshalb die Erforschung von Verhaltensweisen und Lebensraumansprüchen stets mit einem großem methodischen, personellen und damit finanziellen Aufwand verbunden ist. Auch wird die Besiedlung von Gewässern und das Verhalten von Fischen von zahlreichen Faktoren beeinflusst, die im Freiland ständigen Veränderungen unterliegen und deshalb messtechnisch nur mit großem Aufwand nur vergleichsweise unscharf bestimmbar sind. Auch wurde bisher der praktische Nutzwert eines Verständnisses für das Verhalten von Fischen, z. B. als Reaktion auf wasserbauliche Anlagen und hydraulische Situationen verkannt. Entsprechend fehlen bis heute wissenschaftlich abgesicherte und in eine anwendbare Formel- und Regelsprache gefasste Grundlagen über die Ansprüche der Fischfauna an ihren Lebensraum sowie Kriterien für fischökologisch verträgliche Eingriffe. Nicht zuletzt 1

aufgrund dieser mangelhaften Kenntnisse wird das wasserwirtschaftliche Handeln, selbst bei komplexen Projekten mit gewässerökologischer Ausrichtung noch immer von einem zwar gut gemeinten, aber letztlich wenig fundierten Expertenwissen* bestimmt. * Expertenwissen = Nicht allgemein zugängliches und damit letztlich nicht nachprüfbares Wissen Definition Mit dem Begriff der Ethohydraulik wird neues interdisziplinäres Fachgebiet an der Schnittstelle zwischen der Ethologie (griech.: vergleichende Verhaltensforschung) und der Hydraulik (griech.: Lehre vom Strömungsverhalten der Flüssigkeiten) bezeichnet. Das Ziel ethohydraulischer Forschung besteht nun darin, die Reaktionen aquatischer Organismen, insbesondere von Fischen, auf wasserbauliche Anlagen bzw. durch solche erzeugte hydraulische Situationen zu untersuchen. Auf der Grundlage des Verständnisses der Auswirkung wasserwirtschaftlicher Bauwerke und Maßnahmen auf die Fische ist es letztlich möglich, gezielte Vorgaben für ein fisch-, und damit gewässerökologisch verträglicheres wasserwirtschaftliches Handeln abzuleiten. Die methodische Grundlage bildet dabei das klassische wasserbauliche Modellversuchswesen. Im Gegensatz zu den üblicherweise kleinen Modellen in Maßstäben von 1:10 bis 1:80 werden ethohydraulische Tests in großskaligen verglasten Laborgerinnen im Maßstab 1:5 bis 1:3 unter Einsatz lebender Tiere durchgeführt. Methodische Voraussetzungen Die Ethohydraulik basiert grundsätzlich auf drei Arbeitsschritten, wobei das erste Preprocessing darin besteht, eine jeweils im Gewässer real bestehende bauliche und/oder hydraulische Situation möglichst identisch in einer Laborrinne nachzubilden (Abb. 1). Im eigentlichen Processing werden dann Fische unterschiedlicher Art und Größe mit der jeweiligen baulichen und/oder hydraulischen Situation konfrontiert und ihre Reaktionen beobachtet. In aufeinander folgenden Tests werden sodann solche Faktoren variiert, die die dargebotene Situation geometrisch und hydraulisch prägen, um durch den Vergleich der Reaktionsweisen der Fische die spezifischen Reize zu identifizieren, die ein charakteristisches z. B. Scheu- oder Fluchverhalten auslösen. Als charakteristisch und damit aussagekräftig gelten nur solche Verhaltensweisen, die in stets gleicher Weise und quasi als Reaktions-Antworten auf einen Reiz oder eine Reiz-Konstellationen reproduzierbar ablaufen. Ist eine solche Reiz-Reaktions-Konstellation einmal erkannt, gilt es in einem nächsten Arbeitsschritt die geometrischen und hydraulischen Parameter 2

messtechnisch zu erfassen, die im Sinne einer hydraulischen Signatur das jeweilige charakteristische Fischverhalten ausgelöst haben. Abb. 1: Die drei Arbeitsschritte der Ethohydraulik Im Rahmen des Postprocessings werden schließlich die aus den Verhaltensbeobachtungen in Kombination mit den Messungen der hydraulischen Signatur gewonnenen Erkenntnissen für die Anwendung in der wasserbauliche Praxis aufbereitet und damit nutzbar gemacht, in dem beispielsweise fischrelevanten Grenz- bzw. Bemessungswerten oder Regeln erstellt werden, Planungen von Neubauten wie Wasserentnahmebauwerke oder Fischwege auf die Bedürfnisse von Fischen abgestimmt werden und die fischökologische Wirkung bestehender Anlagen als Grundlage für eventuelle Optimierungen beurteilt werden. Aufgrund der bisher nur spärlichen Zahl weltweit versprengter Verhaltensbeobachtungen mit Fischen in durchflossenen Laborrinnen existieren bislang keine methodischen Standards zur Durchführung, Auswertung und Interpretation ethohydraulischer Tests. Beispielsweise wurden in Modelle neuer Konstruktionstypen von Fischaufstiegsanlagen Fische eingesetzt, um die Funktionsfähigkeit der jeweiligen Erfindungen zu belegen (NESTMANN ET AL. 2004, HASELBAUER & MARTINEZ 2007), doch 3

wurde dabei weder auf eine situative Ähnlichkeit zwischen dem Modell und dem realem Bauwerk geachtet, noch berücksichtigt, dass die für in die zumeist kleinskaligen Modelle verwendeten Klein- und Jungfische ein von erwachsenen Exemplaren abweichendes Verhalten zeigen. Vielmehr entwickelte jeder Bearbeiter bislang seine eigenen methodischen Vorstellungen, so dass die Erkenntnisse von Verhaltensstudien mit Fischen bislang eher einen anekdotischen als einen wissenschaftlichen Charakter haben. Auch ist unklar, ob und in wie weit die Befunde der verschiedenen Untersuchungen reproduzierbar und damit im wissenschaftlichem Sinne belastbar sind. Schließlich lassen diese unsystematischen Versuche bezweifeln, dass die in den diversen Laboren beobachteten Verhaltensweisen denen in der Natur entsprechen. Vor diesem Hintergrund wird im Rahmen eines von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt finanzierten Projektes derzeit ein methodisches Verfahren als Voraussetzung für eine wissenschaftlich abgesicherte ethohydraulische Forschung erarbeitet (DBU 2008). Abb. 2: Großskalige, 1-seitig verglaste Laborrinne für ethohydraulische Tests mit einem über- oder unterströmbaren Wehr am Einlauf, über das etwa 500 l/s abgegeben werden können (Foto: IWG Karlsruhe) 4

Abb. 3: Die Fische schwimmen ohne zu zögern selbst in die hochturbulente Zone unter dem Wehrüberfall ein (Foto: Institut für angewandte Ökologie) Damit ethohydraulische Untersuchungen aussagekräftige Befunde liefern, sind verschiedene infrastrukturelle und methodische Voraussetzungen zu erfüllen: Es werden große Versuchsstände mit einer einsehbaren Laborrinne benötigt, die über einen Zu- und Ablauf mit den zugehörigen Steuer- und Regelarmaturen beschicht wird. Das Dotationswasser, mit dem die Laborrinne beaufschlagt wird, muss ausreichen, um reale Strömungsbedingungen und Fließgeschwindigkeiten zu erzeugen. Im Zusammenspiel von modularen Einbauten mit einer gezielten Steuerung des Versuchsstandes gilt es eine geometrisch, kinematisch und dynamisch so naturähnlich wie mögliche hydraulische Situation nachzubilden. Um die hydraulische Signatur einer jeweiligen Testkonstellation nachweisen zu können werden zudem entsprechende Messeinrichtungen benötigt. Ethohydraulische Tests unterliegen grundsätzlich den Bestimmungen des Tierschutzgesetzes und bedürfen wie auch die Hälterung von Fischen zu wissenschaftlichen Zwecken einer Genehmigung (TierSchG 2006). Der Umgang mit Wirbeltieren ist dabei ausgebildetem Fachpersonal vorbehalten. Es gilt für die Tests Fischgruppen geeigneter Zusammensetzung und möglichst aus natürlichen Gewässern zu beschaffen, wobei je nach Fragestellung mit Gemischt- oder 5

Monoartenschwärmen gearbeitet wird. Um Lern- oder Dressureffekte auszuschalten, kann es erforderlich sein, die Fische mehrfach während einer Teststaffel auszutauschen. Es ist dafür zu sorgen, dass die chemisch/physikalischen Werte des Wasserkörpers im Versuchstand und in der Hälterung stets optimal sind. Mit Protokollen, Fotographien und vor allem Filmaufnahmen sind die in den ethohydraulischen Tests unter bestimmten Versuchskonstellationen auftretenden Verhaltensweisen der Fische vom Beobachter objektiv und für Dritte nachvollziehbar zu dokumentieren. Es ist stets deutlich zu machen, wie die Rohdaten ausgewertet und interpretiert wurden. Anwendungsbeispiel 1: Auffindbarkeit von Fischaufstiegsanlagen Aus Platz- und Kostengründen werden Fischaufstiegsanlagen zumeist in das Unterwasser vorgebaut, so dass der Einstieg in die Aufstiegsanlage in einem mehr oder weniger großen Abstand vom eigentlichen Wanderhindernis zu liegen kommt. Mit ethohydraulischen Tests galt es zu untersuchen, ob und in wie weit die Auffindbarkeit einer Fischaufstiegsanlage durch den Abstand des Einstiegs zum Wanderhindernis beeinflusst wird. Um diese Effekte zu untersuchen wurden am Institut für Wasser und Gewässerentwicklung der Universität Karlsruhe (ADAM ET AL. 2008) Fische unterschiedlicher Arten und Größen in einer 30 m langen und 1,75 m breiten, 1-seitig verglasten Laborrinne mit verschiedenen Einstiegssituationen konfrontiert, die jeweils im Abstand von 0 m vom Wanderhindernis, 3,5 m sowie 7,0 m im Unterwasser angeordnet waren (Abb. 4). Bei Abflüssen in der Rinne bis zu 500 l/s, Unterwasserständen von 0,8 m bis 1,2 m und aus den Öffnung austretenden Fließgeschwindigkeiten von 0,3 m/s bis 0,8 m/s wurde über mehrere Monate zahlreiche Versuchskonstellationen über jeweils 30 Minuten getestet. 6

0 m 3,5 m 7,0 m Abb. 4: Von der linken einsehbaren Flanke der Laborrinne aus waren die an der rechten Rinnenseite angeordneten Einstiege einsehbar, von denen einer unmittelbar am Wehrfuß (0 m) sowie zwei weitere im Abstand von 3,5 m und 7,0 m angeordnet waren (Foto: IWG Karlsruhe) Die Darstellung der Befunde erfolgt in so genannten Akkumulationskurven (Abb. 5), in denen die Einschwimmereignisse der Fische gegen die Zeit aufgetragen werden. Das Maß für die Auffindbarkeit einer Einstiegsöffnung ist hier die Steilheit des Kurvenverlauf, d. h. die Anzahl derjenigen Individuen, die binnen der 30-minütigen Testszeit den Einstieg angenommen haben. Abb. 4 stellt die Ergebnisse der Versuche zur Auffindbarkeit in unterschiedlichem Abstand positionierter Einstiegssituationen vergleichend dar und zeigt auf, dass eine unmittelbar am Wehrfuß gelegene Einstiegsöffnung am besten von den Fischen angenommen wurde, während die Auffindbarkeit mit wachsendem Abstand abnimmt. Das Ergebnis dieser ethohydraulischen Tests zeigt auf, dass die Auffindbarkeit einer Fischaufstiegsanlage umso schlechter ist, je weiter der Einstieg vom Wanderhindernis in das Unterwasser verlagert ist. Vergegenwärtigt man sich ferner, dass die im Labor pessimalste Einstiegssituation in einem Abstand von nur 7,0 m angeordnet war, wird es plausibel, dass ein noch weiter in das Unterwasser vorgelagerter Auslauf einer Fischaufstiegsanlage nur noch von einem Bruchteil der aufwanderwilligen Fische und/oder 7

ohne größere Zeitverluste angenommen wird. Aus den Tests lässt sich für die Planung und den Bau von Fischaufstiegsanlagen in der wasserbaulichen Praxis die Regel ableiten, dass die Ausbildung einer Sackgasse zwischen dem Einstieg in die Anlage und dem eigentlichen Wanderhindernis unbedingt vermieden werden muss, da jeder Meter, den der Einstieg in das Unterwasser vorgelagert ist, die Auffindbarkeit verringert und damit die Funktionsfähigkeit des Bauwerkes in Frage stellt (DWA 2009). 60 50 IWG 2008 Abstand 0 m Abstand 3,5 m Abstand 7,0 m 40 Anzahl Fische 30 20 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Minute Abb. 4: Ergebnis der Auffindbarkeit der angebotenen Einstiegssituationen: Ein unmittelbar am Wehrfuß gelegener Einstieg wird von Fischen am besten aufgefunden, während sich die Auffindbarkeit mit zunehmendem Abstand drastisch vermindert Anwendungsbeispiel 2: Schädigung abwandernder Aale Der Entwicklungszyklus des Aals (Anguilla anguilla) zwingt die Fische zum Zwecke Reproduktion aus den Fließgewässersystemen des Binnenlandes ins Meer abzuwandern. Auf dieser Abwanderung werden Tausende potentieller Elterntiere in Wasserausleitungsbauwerken und Wasserkraftanlagen getötet (SCHWEVERS 2005). Um ein Eindringen abwandernder Aale in sie gefährdende Bereiche wasserbaulicher Anlagen zu verhindern, schreiben die Fischereigesetze, bzw. -verordnungen der meisten Bundesländer Länder die Installation von Rechen mit lichten Stababständen von 20 mm vor. Mit ethohydraulischen Tests galt es zu untersuchen, ob und unter welchen Bedingungen 20 mm-rechen dieser Aufgabe zum Schutz abwandernder Aale erfüllen 8

Für diese Untersuchungen wurde ein Flachstabrechen von 20 mm lichter Weite in eine 30 m lange, 2,0 m breite und 1,2 tiefe Laborrinne am wasserbaulichen Versuchslabor der Universität eingebaut (ADAM ET AL. 1999). Dieser Rechen wurde mit Fließgeschwindigkeiten bis 1,0 m angeströmt, um hydraulische Bedingungen zu simulieren, wie sie real in den Einläufen von Wasserkraftanlagen und Wasserentnahmebauwerken herrschen. Mit dieser Situation wurden 95 Aale mit Totallängen von 30 cm bis 85 cm konfrontiert. Ein wichtiger Befund dieser ethyohydraulischen Tests war, dass ein 20 mm Rechen von Aalen bis zu 70 cm Körperlänge problemlos passiert werden kann (Abb. 5). Größere Exemplare, denen es nicht gelingt die Zwischenräume der Rechenstäbe nicht zu passieren, werden hingegen von Anströmgeschwindigkeiten ab 0,5 m/s gegen die Rechenfläche gepresst und können sich dieser qualvollen Situation nicht mehr durch eine stromaufwärts gerichtete Flucht entziehen (Abb. 6). Abb. 5: Ein 70 cm langer Aal passiert den 20 mm Rechen (Foto: Institut für angewandte Ökologie) 9

Artenschutzreport 25 (2009), 30-34 Abb. 6: Aale werden von Anströmgeschwindigkeiten ab 0,8 m/s hilflos gegen den Rechen gepresst (Foto: Institut für angewandte Ökologie) Das Ergebnis dieser ethohydraulischen Tests zeigt auf, dass 20 mm-rechen selbst von großen Aalen passiert werden können. Zieht man zudem in Betracht, dass die gegenüber weiblichen Aalen wesentlich kleineren männlichen Elternfische bereits mit Körperlängen von 50 cm abwandern, erweisen sich die gesetzlich geforderten 20 mm-rechen als vollkommen ungeeignet, das Eindringen von Aalen in Turbinen, Pumpen oder Ausleitungen o. a. zu verhindern, wo sie geschädigt oder getötet werden können. Für große Exemplare erweisen sich Rechen sogar als tödliche Falle, wenn sie von der Anströmgeschwindigkeit unentrinnbar angepresst werden, wo sie infolge von Erschöpfung, Verletzung oder die Einwirkung automatischer Rechenreinigungsanlagen früher oder später sterben. Auf der Grundlage der Resultate dieser ethohydraulischen Arbeiten ergibt sich für die wasserbauliche Praxis, dass ein wirkungsvoller Schutz abwandernder Aale nur durch Rechen mit lichten Weiten < 12 mm bei einer gleichzeitig Reduzierung der Anströmgeschwindigkeiten zumindest während der Abwanderzeiten auf maximal 0,5 m/s gewährleistet werden kann (ATV-DWA 2006). Fazit Auf der Grundlage einer modellhaften Nachbildung baulicher und/oder hydraulischer Situation, die in einem Gewässer auf die aquatischen Organismen, und hier insbesondere auf die Fische einwirken, in einen wasserbaulichen Versuchstand ist es mittels gezielter Verhaltensbeobachtungen mit Fischen möglich, wichtige Erkenntnisse über deren 10

Artenschutzreport 25 (2009), 30-34 Ansprüche zu einschlägigen gewinnen. Sofern wasserbaulichen ethohydraulische Modellgesetze und Tests unter unter Beachtung der Berücksichtigung der Erfordernisse im Umgang mit lebenden Tieren sorgfältig durchgeführt werden, lassen Fische selbst unter den künstlichen Bedingungen in einer Laborrinne das gleiche Verhalten gegenüber bestimmten und messtechnisch bestimmbaren hydraulischen Parameter erkennen, wie einer analogen Situation im Freiland. Die beispielhaft dargestellten Befunde auf ethohydraulischen Untersuchungen zur Auffindbarkeit von Fischaufstiegsanlagen und die Schutzwirkung von Rechen für abwandernde Aale verdeutlichten, dass erst die Kenntnis der Reaktionsweisen von Fischen eine gezielte Ableitung von Kennwerten und Regeln für eine wasserbauliche Praxis erlaubt, die in weit stärkerem Maße als bisher die Lebensräume und damit Lebensgrundlagen der aquatischen Organismen schützt und damit zu einer ökologischen Aufwertung der Gewässerbiotope beiträgt. Literatur ADAM, B., E. ENGLER, W. KAMPKE & B. LEHMANN (2009): Anbindung einer Fischaufstiegsanlage beim Wehr Duisburg-Ruhrort / Untersuchungsbericht über wasserbauliche und ethohydraulische Untersuchungen. - Im Auftrag des Staatlichen Umweltamtes Duisburg (in Arbeit, unveröff.) ATV-DVWK (2004): ATV-DVWK-Themen: Fischschutz- und Fischabstiegsanlagen - Bemessung, Gestaltung, Funktionskontrolle. - Hennef (ATV-DVWK - Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.v.), 256 S. DBU (2008): Projektkennblatt Ethohydraulik - Eine Grundlage für naturschutzverträglichen Wasserbau. - Projektnr. 25429-33/2, www.dbu.de. DWA (2009): DWA Merkblatt M-509: Fischaufstiegsanlagen und fischpassierbare Bauwerke / Bemessung, Gestaltung, Qualitätskontrolle. - Gelbdruck, Hennef (in Druck). HASELBAUER, M. A. & C. BARREIRA MARTINEZ (2007): Proposal of a Sluice-type Fish Pass. - Neurotropical Ichthyology, 5(2), 223-228. NESTMANN, F., B. LEHMANN & F. KÖNIG (2004): Wanderverhalten von Fischen durch einen Borstenfischpaß. - Karlsruhe (Universität Karlsruhe, Institut für Wasserwirtschaft und Kulturtechnik), 24 S. SCHWEVERS, U. (2005): Der Aal (Anguilla anguilla) stirbt aus! - Artenschutzreport 16, 24-29. 11

Artenschutzreport 25 (2009), 30-34 DR. BEATE ADAM Institut für angewandte Ökologie Neustädter Weg 25 36320 Kirtorf-Wahlen E-Mail: b.adam@schwevers.de DR.-ING. BORIS LEHMANN Universität Karlsruhe Institut für Wasser und Gewässerentwicklung Kaiserstraße 12 76128 Karlsruhe E-Mail: Lehmann@iwg.uka.de 12