Professur für Hydrologie der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg i. Br. Alina Christine Domass Schwall und Sunk an Fließgewässern in Baden-Württemberg Quantifizierung und gewässerökologische Auswirkungen Masterarbeit unter Leitung von Dr. Michael Stölzle Freiburg, i. Br., Februar 2019 Abbildung Titelseite: Dreisam (eigene Aufnahme) und Ganglinien der Pegel Kocher-Gaildorf und Speltach-Unterspeltach Professur für Hydrologie der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg i. Br. Alina Christine Domass Schwall und Sunk an Fließgewässern in Baden-Württemberg Quantifizierung und gewässerökologische Auswirkungen Referent: Dr. Michael Stölzle Korreferentin: Prof. Dr. Kerstin Stahl Masterarbeit unter Leitung von Dr. Michael Stölzle Freiburg, i. Br., Februar 2019 Danksagung Hiermit möchte ich mich bei all denjenigen bedanken, welche mich bei der Anfertigung meiner Arbeit unterstützt haben. An erster Stelle geht mein Dank an Herrn Dr. Stölzle für die Bereitstellung des Themas und die fachliche Betreuung der Arbeit. Ebenso danken möchte ich Frau Prof. Dr. Stahl für die Übernahme des Korreferats. Ich bedanke mich bei dem Landratsamt Breisgau-Hochschwarzwald sowie bei Herrn Zoller für die Auskünfte über mögliche schwallbeeinflusste Fließgewässer in Baden-Württemberg. Des Weiteren danke ich der Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg (LUBW) und dem Bundesamt für Umwelt der Schweiz (BAFU) für die Bereitstellung der Pegeldaten. Ein großer Dank gilt all denjenigen, welche bei dem Korrekturlesen dieser Arbeit geholfen haben. Besonders bedanke ich mich zudem bei meiner Familie, meinen Freunden und Kommilitonen für die wertvollen Unterstützungen während der Arbeit und während meines gesamten Studiums. Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis ............................................................................................................. IV Tabellenverzeichnis ............................................................................................................... VIII Abbildungsverzeichnis Anhang ................................................................................................ X Tabellenverzeichnis Anhang ................................................................................................... XII Zusammenfassung ................................................................................................................. XIII Abstract .................................................................................................................................. XV 1 Einleitung ........................................................................................................................... 1 1.1 Hintergrund .............................................................................................................. 1 1.2 Klassifizierung von Wasserkraftanlagen ................................................................. 3 1.2.1 Laufwasserkraftwerke........................................................................................ 3 1.2.2 Speicherkraftwerke mit natürlichem Zufluss..................................................... 4 1.3 Definition und Ursachen von Schwall und Sunk ..................................................... 5 1.4 Auswirkungen von Schwall und Sunk auf das Abflussregime ................................ 7 1.5 Auswirkungen von Schwall und Sunk auf Fließgewässerökosysteme .................... 9 1.5.1 Hydraulik und Morphologie ............................................................................ 10 1.5.2 Kolmation und Trübung .................................................................................. 11 1.5.3 Temperatur ....................................................................................................... 12 1.5.4 Makrophyten .................................................................................................... 13 1.5.5 Makrozoobenthos ............................................................................................ 14 1.5.6 Fischbiozönose ................................................................................................ 17 1.6 Auswirkungen von Schwall und Sunk in Niedrigwasserperioden ......................... 19 1.7 Schwall- und Sunk- Indikatoren ............................................................................ 20 2 Fragestellungen und Zielsetzungen .................................................................................. 24 3 Untersuchungsgebiete ...................................................................................................... 26 4 Methoden und Vorgehensweise ....................................................................................... 28 4.1 Auswahl von Schwall- und Referenzpegeln .......................................................... 28 4.2 Datengrundlage und Datenaufbereitung ................................................................ 29 4.3 Vergleichbarkeit der Schwall- und Referenzpegel ................................................ 30 4.4 Visuelle Analyse von kurzfristigen Abflussschwankungen .................................. 31 4.5 Berechnung von Indikatoren zur Analyse von Schwall und Sunk ........................ 32 4.5.1 Schwall- und Sunk- Indikatoren ...................................................................... 32 4.5.2 Richards-Baker Flashiness Index und Coefficient of Diel Variation .............. 35 4.6 Bewertung von Schwall- und Sunk- Indikatoren ................................................... 36 4.6.1 Allgemeiner Vergleich von Schwall- und Referenzpegeln ............................. 36 II Inhaltsverzeichnis 4.6.2 Bewertung von Pegeleinzugsgebieten nach dem Kriterium Überschreitung von Schwellenwerten ....................................................................................... 37 4.6.3 Einhaltung von Mindestabflüssen.................................................................... 38 4.6.4 Schwall und Sunk in der Niedrigwasserperiode Sommer 2018 ...................... 39 4.6.5 Trendanalyse von Schwall- und Sunk- Indikatorwerten ................................. 39 4.6.6 Veränderung von Schwall und Sunk im Gewässerlängsverlauf ...................... 42 4.7 Zusammenhang zwischen Schwall und Sunk und der Fließgewässerökologie ..... 43 4.7.1 Datengrundlage zur Gewässerökologie ........................................................... 43 4.7.2 Kruskal-Wallis-Test ......................................................................................... 44 5 Ergebnisse ........................................................................................................................ 45 5.1 Übersicht über die ausgewählten Schwall- und Referenzpegel ............................. 45 5.2 Vergleichbarkeit der Schwall- und Referenzpegel ................................................ 48 5.3 Visuelle Analyse von kurzfristigen Abflussschwankungen .................................. 49 5.4 Bewertung von Schwall- und Sunk- Indikatoren ................................................... 52 5.4.1 Allgemeiner Vergleich von Schwall- und Referenzpegeln ............................. 52 5.4.2 Bewertung von Pegeleinzugsgebieten nach dem Kriterium Überschreitung von Schwellenwerten ....................................................................................... 58 5.4.3 Einhaltung von Mindestabflüssen.................................................................... 62 5.4.4 Monatliche Werte von Schwall- und Sunk- Indikatoren ................................. 65 5.4.5 Schwall und Sunk in der Niedrigwasserperiode Sommer 2018 ...................... 69 5.4.6 Trendanalyse von Schwall- und Sunk- Indikatorwerten ................................. 70 5.4.7 Veränderung von Schwall und Sunk im Gewässerlängsverlauf ...................... 73 5.4.8 Zusammenhang zwischen Schwall und Sunk und der Fließgewässerökologie .................................................................................... 74 6 Diskussion ........................................................................................................................ 78 6.1 Auswahl und Vergleichbarkeit von Schwall- und Referenzpegeln ....................... 78 6.2 Datengrundlage und Datenqualität ........................................................................ 78 6.3 Allgemeiner Vergleich von Schwall- und Referenzpegeln ................................... 79 6.3.1 Unterschiede zwischen Indikatorwerten von Schwall- und Referenzpegeln .. 79 6.3.2 Eignung der berechneten Indikatoren zur Erfassung von Schwall und Sunk ......................................................................................................................... 82 6.4 Hintergründe von Schwall und Sunk in Baden-Württemberg ............................... 83 6.5 Bewertung von Pegeleinzugsgebieten nach dem Kriterium Überschreitung von Schwellenwerten ............................................................................................. 84 6.5.1 Diskussion der angewendeten Methoden ........................................................ 84 6.5.2 Diskussion der Ergebnisse ............................................................................... 86 6.6 Einhaltung von Mindestabflüssen .......................................................................... 87 Inhaltsverzeichnis III 6.7 Zeitliche Unterschiede im Auftreten von Schwall und Sunk ................................ 87 6.7.1 Monatliche Werte von Schwall- und Sunk- Indikatoren ................................. 87 6.7.2 Schwall und Sunk in der Niedrigwasserperiode Sommer