Hochwasserschutz und Massnahmen zur Revitalisierung von Fliessgewässern sind komplementäre Komponenten des revidierten Gewässerschutzgesetzes. Das interdisziplinäre
Forschungsprojekt «Integrales Flussgebietsmanagement» der Institutionen ETH Zürich, EPFL, WSL und Eawag zeigt konkrete Wege auf, wie die Biodiversität an Bächen, Flüssen und Auen durch Aufweitungen und neu konzipierte bauliche Massnahmen erhalten und gestärkt werden kann. Die Resultate des 2012 abgeschlossenen Projekts dienen auch als Anleitung für die ausführenden Kantone.

Revitalisierung von Fliessgewässern in der Schweiz: die Sense bei Plaffeien im Kanton Freiburg (Foto: Michael Sieber, Langnau/Zü

Die Schweiz verfügt aufgrund ihrer Topografie und einer vergleichsweise hohen jährlichen Niederschlagsmenge über ein weitverästeltes Netz von Bächen und Flüssen. Die zunehmende Besiedelung sowie die verstärkte Industrialisierung und Urbanisierung des Landes in den vergangenen 150 Jahren veränderten das Gesicht der Wasserläufe massiv. Zahlreiche Faktoren wirkten kumulativ auf die Struktur der Fliessgewässer ein. Das Bedürfnis nach Schutz von Siedlungen und Infrastruktur vor Hochwasser und die Nutzung der Wasserkraft führten zu umfassenden Verbauungen von Flüssen und Bächen. Die intensivierte Landwirtschaft und die damit einhergehenden Meliorationen an den Flussufern führten zu einer breitflächigen Zerstörung der natürlichen Flussauen. Im Rahmen des Hochwasserschutzes wurden zudem zahlreiche Fliessgewässer eingeengt und Schwellen unterschiedlicher Höhe errichtet, um Eintiefungen der Gewässersohle zu vermeiden. Heute existieren landesweit rund 101 000 künstliche Querbauten mit einer Höhe von über 50 Zentimetern. All das zeigt unerwünschte Folgen. «Querbauten stellen Wanderhindernisse für die aquatische Fauna dar», sagt Eawag-Fischökologe Armin Peter, «sie unterbinden dadurch die Vernetzung der Fliessgewässer, die eine wichtige ökologische Funktion erfüllen.» Die Folge sind morphologisch monotone und ökologisch verarmte Gebiete. Ein kanalisierter und damit eingeengter Fluss birgt auch die Gefahr, bei Hochwasserspitzen über die Ufer zu treten, was in den dicht besiedelten Gebieten der Schweiz verheerende Schäden nach sich ziehen kann. Seit den Jahrhundertüberschwemmungen im Jahr 1987 traten in der Schweiz weitere extreme Hochwasserereignisse auf; dies hat bei den zuständigen Behörden zu einer Neubeurteilung der Prioritäten beim Hochwasserschutz geführt. «Früher war Hochwasserschutz prioritär eine Domäne der Flussingenieure», sagt Anton Schleiss, EPFL-Professor am Labor für Wasserbau in Lausanne, «heute sind Hochwasserschutz und Revitalisierung so etwas wie siamesische Zwillinge zum Schutz von Natur und Mensch.» Ein neues Gewässerschutzgesetz verpflichtet die Kantone unter mehrheitlicher finanzieller Beteiligung des Bundes dazu, Revitalisierungsprogramme aufzulegen. Ziel ist es, über die nächsten acht Jahrzehnte rund 4000 der 15 000 Kilometer verbauter Wasserläufe zu revitalisieren.

Innovative Konzepte für den Hochwasserschutz
Diese Vorgabe führte zu bislang zwei auf je vier Jahre befristeten transdisziplinären Forschungsprojekten im Bereich Gewässerschutz. Unter fachlicher Begleitung und starker finanzieller Förderung durch das Bundesamt für Umwelt (BAFU) waren dabei Forschende aus den Institutionen ETH Zürich, EPFL, WSL sowie Eawag beteiligt. Das erste, inzwischen abgeschlossene «Rhone-Thur-Projekt» befasste sich mit Fragen zu Schwall und Sunk – einer Veränderung des Abflusses, der bei einem Fliessgewässer durch den bedarfsorientierten Betrieb von Speicherkraftwerken entsteht. Weitere Teilprojekte betrafen die Folgen von Aufweitungen kanalisierter Flussläufe für Fauna, Flora und erholungssuchende Menschen oder Fragen zur Entscheidungsfindung und Erfolgskontrolle von Revitalisierungen. «Viele Fliessgewässer müssen ökologisch aufgewertet werden und gleichzeitig den Ansprüchen des Hochwasserschutzes genügen», so Schleiss, «im Wasserbau sind deshalb innovative Konzepte und Massnahmen gefragt.»

Dafür wurde mit gleicher Trägerschaft das im Berichtsjahr abgeschlossene Folgeprojekt «Integrales Flussgebietsmanagement» aufgelegt mit dem Ziel, die im «Rhone-Thur-Projekt» erzielten Ergebnisse im praktischen Umfeld anzuwenden. Untersucht wurde etwa die Wechselwirkung zwischen dem Hochwasserschutz geschuldeten baulichen Konstruktionen und dem Gebot der Lebensraumvielfalt in Fliessgewässern. Oder auch die Frage, wie sich deren Längs- und Quervernetzung auf die Durchlässigkeit der Fliessgewässer für wandernde Lebewesen auswirkt. Denn dies hat Folgen für den Genfluss, die Durchmischung von Genen bei Fischen, Insekten und Pflanzen der Auen.

«Um diese Ziele zu erreichen, ist eine gesamtheitliche Sicht im Wasserbau notwendig», meint ETH-Dozent Roland Fäh. «Wenn es etwa darum geht, die Biodiversität durch Flussaufweitungen zu erhöhen, steigen auch die Anforderungen an den Hochwasserschutz.» Zahlreich sind die Parameter, die auf diese unterschiedlichen Nutzungs- und Schutzinteressen bei Gewässern einwirken. «Dabei ist das Strömungsverhalten des Wassers von zentraler Bedeutung», sagt Schleiss.«Die Wechselwirkungen etwa zwischen dem Wasserabfluss, dem durch die Strömung angetriebenen Geschiebetransport und der Struktur des Gewässerbettes müssen bei jeder baulichen Massnahme berücksichtigt werden.» Um dafür konkrete Entscheidungsgrundlagen zu erhalten, entwickelten die Forschenden der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie der ETH Zürich computergestützte numerische Modelle zur Simulation von Fliessgewässern. Damit können Abflussgeschwindigkeiten, Dimensionierungen von Aufweitungen und auch Sedimentstransporte in Fliessgewässern berechnet werden. Als Resultat entstand die Simulationssoftware «Basement», die Interessierten nun kostenlos zur Verfügung steht. Ergänzend dazu und auch als Alternative zur teils komplexen numerischen Simulation wurden in den Versuchslaboren der EPFL und der ETH Zürich auch physikalische Modelle gebaut. «In der Praxis werden beide Ansätze häufig in einem sogenannten hybriden Modell kombiniert», so Schleiss. «Mit den numerischen Berechnungen werden Auslegung und Randbedingungen für das physikalische Modell so genau wie möglich spezifiziert. Das physikalische Modell wird dann für die Feinabstimmung der Dimensionierung eines Bauteils verwendet.» Nach umfangreichen Felduntersuchungen an den einheimischen Fliessgewässern Bünz, Sense und Venoge entwickelten Schleiss und sein Team den sogenannten hydromorphologischen Index für Diversität (HMID). Anhand numerischer Abflussmodellierungen und statistischer Analysen hydraulischer Variabler, welche die Strukturvielfalt kennzeichnen, kann über den HMID-Wert die Variante mit der objektiv besten ökologischen Wirkung bestimmt werden.

Flüsse und Bäche sind dynamische Systeme
Solche technisch-mathematischen Hilfsmittel bilden ein wichtiges Element, um natürliche Lebensstätten, sogenannte Habitate, für eine typische Fauna und Flora entlang der Fliessgewässer zu erhalten und auch auszubauen. Naturnahe Flüsse und Bäche sind dynamische Systeme: Gewässersohle und Ufer werden regelmässig durch Hochwasser umgestaltet, wodurch immer wieder neue Lebensräume entstehen. «Die Wiederherstellung der Dynamik ist zentral, um wieder Habitate zu schaffen», sagt Christoph Scheidegger, Professor an der Universität Bern und WSL-Gruppenleiter Biodiversität und Naturschutzbiologie. «Flussbauliche Massnahmen müssen deshalb so gestaltet werden, dass eine möglichst grosse strukturelle Vielfalt an aquatischen und terrestrischen Lebensräumen entsteht.»

Für die Ausbreitung aquatischer, amphibischer und terrestrischer Organismen ist die Vernetzung von qualitativ hochwertigen Habitaten längs der Fliessgewässer von entscheidender Bedeutung. Bauliche Barrieren sollten so gestaltet sein, dass sie keine unüberwindbaren Hindernisse darstellen. Die Forschenden untersuchten diesen Zusammenhang anhand drei aquatischer sowie zwei terrestrischer Arten: der Eintagsfliege, des Bachflohkrebses, der Groppe sowie des Kiesbankgrashüpfers und der Deutschen Tamariske. Dabei wurde deutlich, dass die Artenvielfalt und die genetische Vielfalt und damit auch die langfristige Überlebensfähigkeit der Populationen sich verbessern, wenn revitalisierte Strecken eines Fliessgewässers
mit naturnahen oder natürlichen Abschnitten vernetzt werden. «Es braucht so etwas wie einen Hotspot eines Habitats mit hoher Biodiversität, von dem aus sich die Organismen ausbreiten können», sagt Eawag-Gruppenleiter Armin Peter; «bei der Sense, dem Nebenfluss der Saane, haben wir beispielsweise festgestellt, dass der kanalisierte Unterlauf bezüglich Biodiversität vom naturbelassenen Oberlauf profitiert.» Ähnliche Wechselwirkungen sind auch bei der seitlichen Anbindung eines Fliessgewässers an die Uferzone feststellbar. Die Vernetzung vom Wasser über die Kiesbänke bis zum Auenwald ist für Amphibien oder aquatische Insekten überlebenswichtig, da diese in ihrem Lebenszyklus auf unterschiedliche Lebensstätten angewiesen sind. Sind diese beispielsweise aufgrund baulicher Massnahmen unterbrochen, wirkt sich das auf zahlreiche Organismen wie Vögel, Fische, Wirbellose oder auch den Bachflohkrebs negativ aus. Ein Ziel der Revitalisierung bei stark kanalisierten Fliessgewässern kann deshalb auch die schrittweise Auflösung der hart verbauten Uferlinien sein, zum Beispiel mit kleinräumigen Massnahmen zur Drosselung der Fliessgeschwindigkeit. Die Maximalvariante wäre die vollständige Aufweitung: Beide Uferlinien würden aufgelöst und eine vollständige Dynamik implementiert ohne jede laterale Einschränkung.

Fischaufstieg muss gewährleistet sein
Auch bei Querverbauungen zur Verhinderung der Gerinne-Erosion, den sogenannten Blockrampen, besteht je nach Zielsetzung eine Vielfalt von Varianten. Diese wurden in Labormodellen je nach Verwendungszweck getestet. «Grundsätzlich bieten strukturierte Rampen aufgrund einer breiteren Geschwindigkeitsverteilung bessere Verhältnisse für den Fischaufstieg», sagt Schleiss, «dabei können in Bächen mit der häufigsten einheimischen Fischart, der Forelle, Blockrampengefälle von über 6 Prozent gebaut werden.» Dies ist allerdings nur dann zu empfehlen, wenn die Bachforelle die einzige Fischart im Gewässer ist. Falls auch andere Fischarten vorkommen, empfiehlt es sich, ein deutlich geringeres Rampengefälle zu wählen.

Dieses zweite im Rahmen der Revitalisierungspolitik des Bundes durchgeführte Projekt hat wertvolle interdisziplinäre Erkenntnisse gebracht. Ab 2013 wird ein nächstes Projekt folgen. Ein
wichtiger Beitrag, um die wissenschaftlichen Grundlagen für das anstehende «Jahrhundertprojekt der Revitalisierung der Fliessgewässer», bereitzustellen, meint Scheidegger, und gleichzeitig gehe es aber auch darum, «realistische Erwartungen an die Möglichkeiten von Revitalisierungen zu formulieren». Zusätzlich startet die Eawag in 2013 mit Unterstützung des BAFU das Forschungsprogramm «Fliessgewässer Schweiz».