Kolmation Methoden zur Erkennung und Bewertung - Fischnetz
Kolmation Methoden zur Erkennung und Bewertung - Fischnetz
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<strong>Kolmation</strong><br />
EAWAG<br />
Eidg. Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung<br />
<strong>und</strong> Gewässerschutz<br />
Überlandstrasse 133, 8600 Dübendorf<br />
<strong>Methoden</strong> <strong>zur</strong> <strong>Erkennung</strong> <strong>und</strong> <strong>Bewertung</strong><br />
Zürich, den 14. Juni 2002<br />
Schälchli, Abegg + Hunzinger<br />
dipl. Ing. ETH / SIA, Fluss- <strong>und</strong> Wasserbau<br />
Reinhardstr. 14, CH-8008 Zürich Tel.: 01 / 251 51 74, Fax: 01 / 251 51 78
Inhalt<br />
1 Problemstellung <strong>und</strong> Auftrag 1<br />
2 Innere <strong>Kolmation</strong> 2<br />
2.1 Einflussgrössen 2<br />
2.2 Dekolmation 3<br />
2.3 Morphologische Unterschiede 4<br />
2.4 Eingriffe 6<br />
3 <strong>Bewertung</strong>sverfahren der inneren <strong>Kolmation</strong> 7<br />
3.1 Methodischer Ansatz 7<br />
3.2 <strong>Bewertung</strong>sklassen 8<br />
3.3 Konkretes Vorgehen 15<br />
4 Äussere <strong>Kolmation</strong> 1 7<br />
4.1 Phänomen 17<br />
4.2 Auswirkungen 18<br />
4.3 Beurteilung 19<br />
Anhang<br />
1 Literaturverzeichnis 21<br />
2 Ansätze <strong>zur</strong> Erfassung <strong>und</strong> Beurteilung der inneren <strong>Kolmation</strong> 23
1 Problemstellung <strong>und</strong> Auftrag<br />
Die Sohle von Fliessgewässern wird vorwiegend durch fluviale Ablagerungen aus kiesigem bis<br />
schottrigem Material aufgebaut. Der Abfluss transportiert unterschiedliche Feststoffmengen in<br />
Schweb oder als Geschiebe gerinneabwärts. Dringt Oberflächenwasser in die poröse Gewässersohle,<br />
so werden die Wasserinhaltstoffe (Schwebstoffe) ausfiltriert. Dieser Ablagerungsprozess<br />
findet massgebend in der obersten Schicht oder bereits auf der Gewässersohle statt. Die<br />
Ablagerung der Feinpartikel im Porenraum der Sohle wird als innere <strong>Kolmation</strong> <strong>und</strong> diejenige<br />
auf der Gewässersohle als äussere <strong>Kolmation</strong> bezeichnet.<br />
Durch die innere <strong>Kolmation</strong> wird die Sohle verdichtet, der Porenraum verkleinert, die Durchlässigkeit<br />
reduziert <strong>und</strong> damit die Sauerstoffzufuhr verringert.<br />
Die äussere <strong>Kolmation</strong> führt zu einem instabilen Substrat <strong>und</strong> zu einer Abnahme der Durchlässigkeit<br />
mit entsprechend verringerter Sauerstoffzufuhr.<br />
Das Lückensystem des Sohlenmaterials stellt einen bedeutenden Lebensraum für das Makrozoobenthos<br />
<strong>und</strong> die Reproduktion von kieslaichenden Fischen dar. Von entscheidender Bedeutung<br />
sind der verfügbare Porenraum mit einer Durchströmung, welche die Zufuhr von Sauerstoff<br />
gewährleistet. Durch die innere <strong>und</strong> die äussere <strong>Kolmation</strong> kann dieser Lebensraum massgebend<br />
beeinträchtigt werden.<br />
Die innere <strong>Kolmation</strong> ist ein Prozess, der von verschiedenen Einflussgrössen abhängig ist <strong>und</strong><br />
durch anthropogene Tätigkeiten verstärkt werden kann. Sie ist auf der Gewässersohle häufig<br />
nicht als solche zu erkennen <strong>und</strong> es bestehen wegen der Komplexität des Prozesses, keine<br />
einfachen Berechnungsansätze. Zur Zeit besteht keine einfache <strong>und</strong> zuverlässige Methode <strong>zur</strong><br />
Grobklassierung der inneren <strong>Kolmation</strong>. Im Rahmen des vorliegenden Auftrages von <strong>Fischnetz</strong><br />
soll diese Lücke geschlossen werden.<br />
In Kapitel 2 sind die wesentlichen Einflussgrössen, die Dekolmation sowie die Bedeutung der<br />
Morphologie <strong>und</strong> die Auswirkung von Verbauungen auf die innere <strong>Kolmation</strong>, beschrieben.<br />
In Kapitel 3 wird eine neue Methode <strong>zur</strong> Beurteilung der inneren <strong>Kolmation</strong> mit entsprechender<br />
<strong>Bewertung</strong>sskala beschrieben.<br />
In Kapitel 4 sind <strong>zur</strong> Ergänzung wesentliche Aspekte der äusseren <strong>Kolmation</strong> zusammengefasst.<br />
Alle Kapitel enthalten Literaturhinweise. Das Literaturverzeichnis ist im Anhang zu finden.<br />
1
2 Innere <strong>Kolmation</strong><br />
2.1 Einflussgrössen<br />
Massgebend für die innere <strong>Kolmation</strong> einer Flusssohle sind die vom Abfluss transportierten<br />
Schwebstoffe <strong>und</strong> eine in die Sohle gerichtete Sickerströmung. Dadurch gelangen die Feinpartikel<br />
in den Lückenraum unter der Deckschicht, wo sie ausfiltriert <strong>und</strong> abgelagert werden.<br />
Für die innere <strong>Kolmation</strong> von besonderer Bedeutung sind dabei die feinen Schwebstoffpartikel<br />
der Silt- <strong>und</strong> Tonfraktion, die aufgr<strong>und</strong> ihrer kohäsiven Eigenschaft die Sohle verfestigen <strong>und</strong><br />
die Durchlässigkeit entscheidend verringern. Reine Sandablagerungen führen zu einer vergleichsweise<br />
geringen Durchlässigkeitsabnahme. In Tabelle 2 sind die Korngrössenbereiche der<br />
Fraktionen Ton, Silt, Sand, Kies <strong>und</strong> Steine angegeben. Eine innere <strong>Kolmation</strong> kann sich bei<br />
der Exfiltration von Gr<strong>und</strong>wasser nicht <strong>und</strong> bei klarem Abfluss nur unwesentlich entwickeln.<br />
In Tabelle 1 sind die wesentlichen Einflussgrössen <strong>und</strong> ihre Bedeutung für die innere <strong>Kolmation</strong><br />
aufgeführt (/2/ /3/ /5/ /10/ /14/).<br />
Einflussgrösse Langsame <strong>Kolmation</strong> Rasche <strong>Kolmation</strong><br />
Schwebstoffkonzentration<br />
(C)<br />
Kornverteilung<br />
des<br />
Sohlenmaterials<br />
(KV)<br />
Sickerströmung,<br />
hydraulischer<br />
Gradient (i)<br />
Abfluss, Sohlenschubspannung<br />
(Q)<br />
Wassertemperatur<br />
Bei tiefem C (klarem Wasser) praktisch<br />
vernachlässigbare <strong>Kolmation</strong>sentwicklung<br />
Beispiele: Niederwasserabfluss im<br />
Winter oder Seeausfluss<br />
Sohlen mit schmaler KV zeigen eine<br />
höhere Porosität. Zur Auffüllung des<br />
Lückenraums sind mehr Feinpartikel<br />
erforderlich, d.h. langsamere <strong>Kolmation</strong>sentwicklung<br />
Beispiel: Rollkieslage, Sohle im Bereich<br />
von Schnellen (riffle)<br />
Hohe hydraulische Gradienten (tiefer<br />
Gr<strong>und</strong>wasserspiegel) führen zu starker<br />
innerer <strong>Kolmation</strong><br />
Beispiel: Perkolierende Infiltration,<br />
verstärkt in Furt<br />
Kleine Schubspannungen zeigen<br />
keinen Einfluss auf die <strong>Kolmation</strong>sentwicklung<br />
Beispiel: eher in Rinne<br />
Erhöhte Wassertemperaturen (Sommer)<br />
resp. kleine Zähigkeiten führen<br />
zu verstärkter innerer <strong>Kolmation</strong><br />
Tabelle 1 Einflussgrössen der inneren <strong>Kolmation</strong>.<br />
Hohe C führen zu einer raschen<br />
Durchlässigkeitsabnahme <strong>und</strong><br />
Verfestigung der Sohle<br />
Beispiele: Hochwasserabfluss ohne<br />
Dekolmation, Spülungen<br />
Bei Sohlen mit breiter (gut abgestufter)<br />
KV bildet sich unter der<br />
Deckschicht relativ rasch eine dünne<br />
<strong>Kolmation</strong>sschicht<br />
Beispiel: Rinne (pool), Furt (run)<br />
Bei kleinen hydraulischen Gradienten<br />
bilden sich dünne <strong>Kolmation</strong>shorizonte.<br />
Die innere <strong>Kolmation</strong> kann<br />
sich nur beschränkt ausbilden.<br />
Beispiel: Hochliegender Gr<strong>und</strong>wasserspiegel,<br />
eher in Rinne<br />
Steigende Schubspannungen führen<br />
zu einer beschleunigten <strong>Kolmation</strong>sentwicklung<br />
(Einvibrieren der Feinpartikel).<br />
Dies trifft zu, solange keine Dekolmation<br />
der Sohle eintritt (vgl. Kap. 2.2)<br />
Beispiel: eher in Furt<br />
Tiefe Wassertemperaturen (Winter)<br />
resp. grosse Zähigkeiten führen zu<br />
verzögerter innerer <strong>Kolmation</strong><br />
2
Fraktion Ton Silt Sand Kies Steine<br />
Ø [mm] < 0.002 0.002 - 0.06 0.06 - 2 2 - 60 60 - 200<br />
Transport als Schwebstoffe Geschiebe<br />
Tabelle 2 Klassifikation der Korngrössen nach DIN 4022 (vgl. z.B. Zanke U. (1982): Gr<strong>und</strong>lagen der Sedimentbewegung.<br />
Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York) .Grobe Zuteilung der Fraktionen in<br />
Geschiebe <strong>und</strong> Schwebstoffe 1 .<br />
2.2 Dekolmation<br />
Die Dekolmation einer Gewässersohle setzt ein, wenn der Abfluss (Q), resp. die Sohlenschubspannung<br />
(Θ) einen Wert (QK , ΘK ) erreicht, bei dem einzelne Komponenten der Deckschicht<br />
bewegt werden. Dabei wird der unter der Deckschicht liegende <strong>Kolmation</strong>shorizont<br />
weggespült <strong>und</strong> die Durchlässigkeit nimmt im betroffenen Sohlenbereich sprunghaft zu. An<br />
benachbarten Stellen, wo die Deckschicht noch stabil ist, bleibt die innere <strong>Kolmation</strong> bestehen.<br />
Erreicht der Abfluss, resp. die Sohlenschubspannung einen Wert (QD ,ΘD ), wo die Deckschicht<br />
der Gewässersohle grossflächig aufreisst, so kommt es <strong>zur</strong> Umlagerung <strong>und</strong> Neubildung der<br />
Sohle <strong>und</strong> damit verb<strong>und</strong>en zu einer vollständigen Dekolmation. Dabei steigt die Durchlässigkeit<br />
auf den Wert des unkolmatierten Sohlenmaterials an.<br />
Bei abklingendem Hochwasser wird der grobporige Lückenraum langsam wieder mit Sand<br />
verfüllt <strong>und</strong> der <strong>Kolmation</strong>sprozess beginnt von neuem.<br />
Dekolmation <strong>und</strong> wiedereinsetzende <strong>Kolmation</strong>sentwicklung bestimmen die <strong>Kolmation</strong>sganglinie,<br />
die durch den Verlauf der Sohlendurchlässigkeit, die abgelagerte <strong>Kolmation</strong>smasse<br />
oder das Sickerwasservolumen beschrieben werden kann.<br />
Bei natürlichen Fliessgewässern mit lockerem Sohlensubstrat finden jährlich mehrmals Hochwasserereignisse<br />
statt, die zu einer Dekolmation der Sohle führen. Anthropogene Eingriffe wie<br />
Wasserableitungen, Verbauungen oder Eingriffe in den Geschiebehaushalt können dazu führen,<br />
dass die Sohle weniger oder gar nicht mehr dekolmatiert. Umgekehrt kann es in Schwallstrecken<br />
während den natürlichen Niederwasserperioden (Winter) zu vermehrten Sohlenumlagerungen<br />
kommen, was ebenfalls zu einer Beeinträchtigung des Lebensraums führen kann.<br />
1<br />
Ob ein Korn als Geschiebe oder in Schweb transportiert wird, ist abhängig von der Fliessgeschwindigkeit<br />
<strong>und</strong> der Turbulenz.<br />
3
2.3 Morphologische Unterschiede<br />
Die Morphologie von Fliessgewässern übt einen wesentlichen Einfluss auf die örtliche Entwicklung<br />
der inneren <strong>Kolmation</strong> aus. Die charakteristische Abfolge von Furt, Schnelle, Kolk<br />
<strong>und</strong> Rinne führt zu einem abgestuften Wasserspiegel, zu unterschiedlichen Strömungsverhältnissen<br />
<strong>und</strong> einer Sickerströmung in der Gewässersohle, die von der Furt <strong>zur</strong> Schnelle<br />
gerichtet ist /17/. Bezüglich der inneren <strong>Kolmation</strong> ergeben sich folgende Unterschiede /1/:<br />
Furt: Der hohe Wasserspiegel führt zu einem grossen hydraulischen Gradienten der<br />
Sickerströmung, was zu einer hohen Infiltrationsrate führt (gute Sauerstoffzufuhr).<br />
Umgekehrt führen der hohe Gradient <strong>und</strong> die grosse Fliessgeschwindigkeit (hohe<br />
Schubspannung) zu einer ausgeprägten Ausbildung der Deckschicht, einem tieferen<br />
Eintrag der Feinpartikel <strong>und</strong> damit zu einer stärkeren Durchlässigkeitsabnahme der<br />
Gewässersohle.<br />
Schnelle: Die Exfiltration von Porenwasser verhindert oder beschränkt die innere <strong>Kolmation</strong><br />
(v.a. bei Niederwasserabfluss, weniger ausgeprägt bei grösseren Abflüssen).<br />
Kolk (falls vorhanden):<br />
Bei Abflussänderung lokale Umlagerung des<br />
Sohlenmaterials, keine eigentliche Deckschichtbildung.<br />
Bei abklingendem Hochwasser häufig<br />
Schwebstoffablagerung auf der Sohle (äussere<br />
<strong>Kolmation</strong>). Bei ausgeprägten Kolken (unterhalb<br />
von Schwellen) kann sich an der Gegenböschung<br />
eine Rollkieslage bilden.<br />
Rollkies am unteren Ende eines Kolks bachabwärts<br />
einer kleinen Schwelle. Enziwigger bei Hergiswil.<br />
Blaue Pfeile markieren die Strömungsrichtung.<br />
Rinne: Der tiefe Wasserspiegel führt zu kleinerem hydraulischen Gradienten der Sickerströmung<br />
<strong>und</strong> zu vergleichsweise tiefer Infiltrationsrate. Der kleine Gradient <strong>und</strong> die<br />
tiefe Fliessgeschwindigkeit (resp. Sohlenschubspannung) bewirken, dass sich die<br />
<strong>Kolmation</strong> nicht so stark ausbildet, wie in der Furt.<br />
Neben diesen Makrosohlenformen zeigen auch kleinräumige Strukturen grosse Unterschiede<br />
der inneren <strong>Kolmation</strong>:<br />
Erhöhte Sohlenbereiche sind der Strömung stark ausgesetzt, in den Zwischenräumen können<br />
sich kaum Schwebstoffe ablagern (Spülen der Grobporen) <strong>und</strong> eine innere <strong>Kolmation</strong> entwickelt<br />
sich, wenn überhaupt, nur in tieferen Schichten.<br />
4
Im Strömungsschatten von Hindernissen (Steine, Blöcke) führen Abflussschwankungen zu<br />
einer Verlagerung der Wirbelzone in Fliessrichtung. Feingeschiebe <strong>und</strong> Schwebstoffe werden<br />
regelmässig umgelagert oder aufgewirbelt. Es kann sich keine Deckschicht ausbilden. Geringe<br />
innere <strong>Kolmation</strong>, lokal äussere <strong>Kolmation</strong>.<br />
Entlang von Kiesbankböschungen kann sich<br />
keine Abpflästerungsschicht ausbilden. Die<br />
Strömungsverhältnisse führen oft zu Wirbelbildung<br />
<strong>und</strong> Ablösungen, welche die innere<br />
<strong>Kolmation</strong> beschränken oder verhindern. Bei<br />
steilen Böschungen (auch bei einer Geschiebefront)<br />
kann es <strong>zur</strong> Bildung von grobporigen<br />
Rollkieslagen kommen (keine oder stark<br />
verzögerte <strong>Kolmation</strong>sentwicklung).<br />
Rollkieslage entlang Kiesbankböschung,<br />
Enziwigger bei Hergiswil.<br />
Generell führen unregelmässige Strukturen (Sohle <strong>und</strong> Ufer) bei schwankendem Abfluss zu<br />
lokal stark variablen Strömungsverhältnissen. Damit verb<strong>und</strong>en sind meistens auch grössere<br />
Unterschiede in der <strong>Kolmation</strong>sentwicklung, das heisst, dass in gut strukturierten Gewässerabschnitten<br />
meist Sohlenbereiche ohne ausgeprägte innere <strong>Kolmation</strong> vorhanden sind.<br />
Wie in Kapitel 2.2 erwähnt, kann sich bei regelmässiger Sohlenumlagerung keine ausgeprägte<br />
innere <strong>Kolmation</strong> entwickeln. Dasselbe gilt auch bei regelmässigem Geschiebetransport mit der<br />
Umlagerung von Geschiebebänken. In diesen Ablagerungen kann sich die innere <strong>Kolmation</strong><br />
kaum entwickeln. Selbst in kanalisierten Fliessgewässern mit aktivem Geschiebetransport<br />
zeigen grössere Sohlenbereiche eine nur geringe oder vernachlässigbare <strong>Kolmation</strong>.<br />
Lockere Geschiebeablagerungen in der kanalisierten<br />
<strong>und</strong> mit Schwellen verbauten Luthern (LU)<br />
bei Briseck.<br />
Detail der locker gelagerten <strong>und</strong> grobporigen Ablagerungen.<br />
5
Bei Fliessgewässern, wo sich die Morphologie bei Hochwasserereignissen ändert, wird die<br />
Sohle durch die Verlagerung von Furt, Schnelle <strong>und</strong> Rinne tiefgründig umgelagert. Dadurch<br />
werden auch tieferliegende <strong>Kolmation</strong>shorizonte erodiert. Dementsprechend kann bei Gewässern<br />
mit hoher morphologischer Dynamik von geringer innerer <strong>Kolmation</strong> ausgegangen<br />
werden.<br />
2.4 Eingriffe<br />
Anthropogene Tätigkeiten können die innere <strong>Kolmation</strong> örtlich <strong>und</strong> zeitlich nachhaltig beeinflussen.<br />
Nachfolgend sind wesentliche <strong>und</strong> häufig anzutreffende Eingriffe aufgeführt.<br />
Kanalisierung, Begradigung<br />
Kanalisierte <strong>und</strong> begradigte Fliessgewässer verfügen über eine ebene Sohle mit einheitlich<br />
geneigten Böschungen. Das prismatische Gerinne zeigt eine gleichförmige Strömung, was zu<br />
einer Sohle mit gleichmässiger Kornverteilung führt. Sofern Flusswasser infiltriert, besteht eine<br />
einheitliche Sickerströmung durch die Gewässersohle, die zu einer gleichmässigen Entwicklung<br />
der inneren <strong>Kolmation</strong> führt. Gegenüber natürlich belassenen Fliessgewässern fehlen unregelmässige<br />
Sohlenstrukturen, welche die <strong>Kolmation</strong> örtlich begrenzen oder verhindern (vgl. Kap.<br />
2.3).<br />
Schwellen<br />
Querbauwerke (Schwellen, Sperren, Sohlgurten, Traversen) sind Fixpunkte im Längenprofil<br />
eines Fliessgewässers. Oberstrom der Querbauwerke ist die Sohle stark abgepflästert <strong>und</strong><br />
wegen der ausgeprägten Sickerströmung stark bis vollständig kolmatiert. Die Dekolmation der<br />
Sohle wird durch die Sohlenfixpunkte weitgehend verhindert. Gerinneaufwärts wird der<br />
Einfluss mit zunehmender Entfernung vom Querbauwerk kleiner.<br />
Wasserableitungen<br />
Durch das Ableiten von Wasser zu Nutzungszwecken oder zum Hochwasserschutz nimmt im<br />
betroffenen Gewässer die Häufigkeit von Hochwasserereignissen, die zu einer Dekolmation der<br />
Sohle führen, ab. Zwischen solchen Ereignissen kann sich die innere <strong>Kolmation</strong> stärker ausbilden.<br />
In extremen Fällen (z.B. unterstrom von Stauseen) wird durch die Wasserableitung eine<br />
Dekolmation der Sohle langfristig verunmöglicht. Wegen erhöhter Trübung bei Niederwasserabfluss<br />
führt die Wasserableitung auch häufig zu einer Verstärkung der äusseren<br />
<strong>Kolmation</strong>.<br />
6
Schwall<br />
Der tägliche Abflussschwall führt in der Regel zu einer Erhöhung der Trübung (Resuspension<br />
abgelagerter Feinsedimente), des hydraulischen Gradienten der Sickerströmung (höherer<br />
Wasserspiegel) <strong>und</strong> der Sohlenschubspannung. Der <strong>Kolmation</strong>sprozess wird dadurch beschleunigt<br />
<strong>und</strong> verstärkt. Im Alpenrhein wirkt sich der Kraftwerkschwall in der Winterperiode für die<br />
aquatische Lebensgemeinschaft ungünstig aus, da sich unter natürlichen Niederwasserabfluss-<br />
Verhältnissen die innere <strong>Kolmation</strong> nur beschränkt entwickeln würde /1/.<br />
Geschiebehaushalt<br />
Ausbleibende Geschiebezufuhr kann zu einer<br />
Eintiefung des Gerinnes, einer Abnahme des<br />
Sohlengefälles <strong>und</strong> zu einer zunehmenden<br />
Ausbildung der Deckschicht bis <strong>zur</strong> vollständigen<br />
Abpflästerung führen. Feingeschiebebänke<br />
fehlen <strong>und</strong> die Sohle wird<br />
durch fast einheitlich grosse dachziegelartig<br />
gelagerte Steine abgedeckt. Eine Dekolmation<br />
der Sohle findet immer seltener statt<br />
<strong>und</strong> die Sohle ist weitgehend kolmatiert.<br />
Bild oben:<br />
Eingetieftes Hauptgerinne, Aare Restwasserstrecke<br />
Wildegg-Brugg.<br />
Bild unten:<br />
Stark ausgeprägte Abpflästerung, Aare Restwasserstrecke<br />
Wildegg-Brugg.<br />
3 <strong>Bewertung</strong>sverfahren der inneren <strong>Kolmation</strong><br />
3.1 Methodischer Ansatz<br />
Für Zustandsabklärungen der Gewässersohle wird eine praxisgerechte Methodik gesucht, mit<br />
der relativ rasch eine grobe <strong>und</strong> zuverlässige <strong>Bewertung</strong> der inneren <strong>Kolmation</strong> erfolgen kann.<br />
In Anhang 2 sind alle in der Literatur gef<strong>und</strong>enen <strong>Methoden</strong> <strong>zur</strong> Erfassung der inneren <strong>Kolmation</strong><br />
zusammengestellt. Keines dieser Verfahren erlaubt eine zuverlässige <strong>und</strong> rasche Grobbewertung<br />
der inneren <strong>Kolmation</strong>. <strong>Bewertung</strong>sansätze mit geringem Aufwand sind ungenau<br />
<strong>und</strong> liefern häufig subjektive Resultate. Zuverlässige Messeinrichtungen sind sehr kostspielig<br />
<strong>und</strong> die Berechnung der inneren <strong>Kolmation</strong> erfordert umfangreiche Datengr<strong>und</strong>lagen.<br />
7
Im folgenden wird ein <strong>Bewertung</strong>sverfahren vorgeschlagen, das auf der Beobachtung der<br />
<strong>Kolmation</strong> an verschiedenen Schweizerischen Fliessgewässern beruht. Das <strong>Bewertung</strong>sverfahren<br />
stützt sich auf die folgenden drei Punkte:<br />
1. Die innere <strong>Kolmation</strong> wird in erster Linie dort beobachtet, wo sie stattfindet. Das heisst,<br />
dass die Feinmaterialablagerungen unter der Deckschicht untersucht <strong>und</strong> beurteilt werden<br />
(<strong>Bewertung</strong> der <strong>Kolmation</strong>shorizonte). Dies ist nur in trockenen Bereichen 2 der Gewässersohle<br />
möglich <strong>und</strong> daher vorzugsweise bei Niederwasserabfluss durchzuführen. Die<br />
<strong>Bewertung</strong> erfolgt nach den in Kapitel 3.2 angegebenen <strong>Bewertung</strong>sklassen.<br />
Für die <strong>Bewertung</strong> genügen bereits schmale Uferbereiche oder kleine Bänke, die in der<br />
Mehrzahl aller Gewässer zu finden sind. Auf die Beurteilung von über längere Distanzen<br />
vollständig benetzten Gewässersohlen wird in Kapitel 3.3 eingegangen.<br />
2. Bei der Beurteilung sind die gr<strong>und</strong>legenden Prozesse der <strong>Kolmation</strong>sentwicklung zu<br />
berücksichtigen. Dies betrifft den zeitlichen Ablauf (Zeitpunkt der Beobachtung), die<br />
Sickerwasserverhältnisse (In-, Exfiltration 3 ) sowie lokale morphologische Unterschiede.<br />
3. Die Beurteilung ist durch übergeordnete Beobachtungen abzusichern <strong>und</strong> zu ergänzen.<br />
Massgebend sind eine Grobbeurteilung des Geschiebehaushalts, der Morphologie <strong>und</strong> der<br />
Eingriffe (Verbauungen, Nutzungen).<br />
Das konkrete Vorgehen einer Beurteilung ist in Kapitel 3.3 beschrieben.<br />
3.2 <strong>Bewertung</strong>sklassen<br />
Für die <strong>Bewertung</strong> der inneren <strong>Kolmation</strong> werden an verschiedenen Stellen in trockenen Uferbereichen<br />
oder auf Kiesbänken die Steine der Deckschicht vorsichtig entfernt. Die Probenahmestellen<br />
sollen in ebenen Bereichen (keine Hochpunkte, keine Mulden) nahe der Wasserlinie<br />
gewählt werden.<br />
Die <strong>Bewertung</strong> der inneren <strong>Kolmation</strong> stützt sich ab auf die Zusammensetzung des Substrats<br />
<strong>und</strong> des verfügbaren Lückenraums (Grob- <strong>und</strong> Feinporen 4 ) unter der Deckschicht.<br />
2 Werden im benetzten Sohlenbereich einzelne Deckschichtkörner entfernt, so werden sofort darunterliegende<br />
Feinsedimente aufgewirbelt (Trübung!) was eine ungestörte Beurteilung der <strong>Kolmation</strong>shorizonte<br />
verunmöglicht.<br />
3 Wie bereits erwähnt, kann sich bei einer Exfiltration von Gr<strong>und</strong>wasser keine oder nur eine beschränkte<br />
innere <strong>Kolmation</strong> ausbilden. Gr<strong>und</strong>wasserspiegelmessungen oder Gr<strong>und</strong>wasserkarten geben in der Regel<br />
einen zuverlässigen Hinweis, ob Gr<strong>und</strong>wasser exfiltriert. Wenn keine Angaben verfügbar sind, so ist zu<br />
berücksichtigen, dass in Schnellen häufig Gr<strong>und</strong>wasser exfiltriert. In den anderen Gewässerabschnitten<br />
ist von einer Infiltration von Flusswasser auszugehen.<br />
4 Als Grobporen werden Öffnungen mit einem Durchmesser > 1 mm bezeichnet. Feinporen haben einen<br />
Durchmesser < 1mm <strong>und</strong> sind von Auge noch sichtbar. In siltig - tonigem Material sind von Auge keine<br />
Poren zu erkennen.<br />
8
Die Untersuchung des Substrats <strong>und</strong> des Lückenraums erlaubt die Unterscheidung von 5<br />
<strong>Bewertung</strong>sklassen. Entscheidend für die Zuordnung zu einer Klasse ist der sichtbare Anteil der<br />
Korngrössenklassen Steine, Kies, Sand, <strong>und</strong> kohäsivem Material (Silt, Ton) unter der Deckschicht.<br />
Für die <strong>Kolmation</strong> massgebend ist der Anteil der kohäsiven Partikel.<br />
In Tabelle 3 sind die 5 <strong>Bewertung</strong>sklassen mit den massgebenden Indikatoren zusammengestellt.<br />
Es wird unterschieden zwischen keiner, schwacher, mittlerer, starker <strong>und</strong> vollständiger<br />
<strong>Kolmation</strong>.<br />
Auf den nachfolgenden Seiten sind für alle 5 <strong>Bewertung</strong>sstufen Referenzbeispiele dargestellt.<br />
Klasse <strong>Bewertung</strong><br />
1 Keine <strong>Kolmation</strong><br />
2 Schwache <strong>Kolmation</strong><br />
3 Mittlere <strong>Kolmation</strong><br />
4 Starke <strong>Kolmation</strong><br />
5 Vollständige <strong>Kolmation</strong><br />
Indikatoren<br />
Substrat <strong>und</strong> Lückenraum unter der Deckschicht<br />
Substrat grobkörnig (Steine, Kies)<br />
Nur wenig Sand- <strong>und</strong> keine kohäsiven Ablagerungen<br />
Lückenraum dominant grobporig<br />
Substrat locker <strong>und</strong> breit abgestuft (Steine, Kies, Sand)<br />
Keine kohäsiven Ablagerungen sichtbar (Silt, Ton)<br />
Lückenraum grob- bis feinporig<br />
Substrat leicht verfestigt<br />
Kontaktfläche etwa 1/4 mit kohäsiven Feinpartikeln verfüllt,<br />
übrige Kontaktfläche v.a. Sand, aber auch Kies <strong>und</strong> Steine)<br />
Lückenraum zu 3/4 feinporig, bei kohäsiven Ablagerungen<br />
keine Poren sichtbar<br />
Substrat deutlich verfestigt<br />
Kontaktfläche etwa <strong>zur</strong> Hälfte mit kohäsiven Feinpartikeln<br />
verfüllt, übrige Kontaktfläche vorwiegend Sand<br />
Örtlich noch feinporiger Lückenraum sichtbar<br />
Substrat stark verfestigt<br />
Kontaktfläche praktisch flächendeckend mit kohäsiven<br />
Feinpartikeln verfüllt<br />
Kein Lückenraum sichtbar<br />
Tabelle 3 5-stufige <strong>Bewertung</strong>sskala der inneren <strong>Kolmation</strong> mit den massgebenden Indikatoren.<br />
9
<strong>Bewertung</strong> der inneren <strong>Kolmation</strong> 10<br />
Klasse 1: Keine <strong>Kolmation</strong><br />
Indikatoren (unter Deckschicht):<br />
Substrat grobkörnig (Steine, Kies, wenig Sand)<br />
Keine kohäsiven Ablagerungen<br />
Lückenraum grobporig<br />
Beispiel: Töss Saland, 3.2.02<br />
Ansicht Substrat <strong>und</strong> Lückenraum nach Entfernen der Deckschicht (vgl. Bild unten rechts)<br />
Beispiel 2: Emme bei Goldbach, 17.3.02 Sohle Probenahmestelle Töss Saland (vgl. Bild<br />
oben) mit entferntem Deckschichtbereich
<strong>Bewertung</strong> der inneren <strong>Kolmation</strong> 11<br />
Klasse 2: Schwache <strong>Kolmation</strong><br />
Indikatoren (unter Deckschicht):<br />
Substrat locker <strong>und</strong> breit abgestuft (Steine, Kies, Sand)<br />
Keine kohäsiven Ablagerungen sichtbar<br />
Lückenraum grob- feinporig (deutlicher Unterschied zu Klasse 1)<br />
Beispiel: Emme Burgdorf, 17.3.02<br />
Ansicht Substrat <strong>und</strong> Lückenraum nach Entfernen der Deckschicht (vgl. Bild unten rechts)<br />
Beispiel 2: Enziwigger, bachabwärts Hergiswil,<br />
17.3.02<br />
Sohle Probenahmestelle Emme Burgdorf<br />
(vgl. Bild oben) mit entferntem Deckschichtbereich<br />
(rot umrandet)
<strong>Bewertung</strong> der inneren <strong>Kolmation</strong> 12<br />
Klasse 3: Mittlere <strong>Kolmation</strong><br />
Indikatoren (unter Deckschicht):<br />
Substrat leicht verfestigt<br />
Lückenraum feinporig, örtlich mit kohäsiven Feinpartikeln verfüllt (ca. 1/4 der Kontaktfläche mit<br />
der Deckschicht)<br />
Übrige Kontaktfläche v.a. Sand (auch Kies, Steine)<br />
Beispiel: Limmat Restwasserstrecke KW Dietikon, 2.2.02<br />
Ansicht Substrat <strong>und</strong> Lückenraum nach Entfernen der Deckschicht (vgl. Bild unten rechts)<br />
Beispiel 2<br />
Kleine Emme Wolhusen, 17.3.02<br />
Deckschicht der Probenahmestelle (vgl. Bild<br />
oben) mit entferntem Bereich (rot umrandet)
<strong>Bewertung</strong> der inneren <strong>Kolmation</strong> 13<br />
Klasse 4: Starke <strong>Kolmation</strong><br />
Indikatoren (unter Deckschicht):<br />
Substrat deutlich verfestigt, durch <strong>Kolmation</strong>smasse Steine aneinander klebend<br />
Lückenraum etwa <strong>zur</strong> Hälfte mit kohäsiven Feinpartikeln verfüllt, übrige Kontaktfläche<br />
vorwiegend Sand<br />
Örtlich feinporiger Lückenraum sichtbar<br />
Beispiel: Ilfis, Trubschachen, 17.3.02<br />
Ansicht Substrat <strong>und</strong> Lückenraum nach Entfernen der Deckschicht (vgl. Bild unten rechts)<br />
Beispiel 2: Limmat Restwasserstrecke KW<br />
Dietikon, 2.2.02<br />
Sohle Probenahmestelle Ilfis (vgl. Bild oben)<br />
mit entferntem Deckschichtbereich (rot<br />
umrandet)
<strong>Bewertung</strong> der inneren <strong>Kolmation</strong> 14<br />
Klasse 5: Vollständige <strong>Kolmation</strong><br />
Indikatoren (unter Deckschicht):<br />
Substrat stark verfestigt<br />
Lückenraum praktisch flächendeckend mit kohäsiven Feinpartikeln verfüllt, keine Feinporen<br />
sichtbar<br />
Beispiel: Luthern, Hofstatt, 17.3.02<br />
Ansicht Substrat <strong>und</strong> Lückenraum nach Entfernen der Deckschicht (vgl. Bild unten rechts)<br />
Beispiel 2: Reppisch Mündungsstrecke, 2.2.02 Sohle Probenahmestelle Luthern (vgl. Bild<br />
oben) mit entferntem Deckschichtbereich (rot<br />
umrandet)
3.3 Konkretes Vorgehen<br />
Die Beurteilung der inneren <strong>Kolmation</strong> erfolgt in drei Schritten, die sich mit der Gewässersohle,<br />
den Eigenschaften des Untersuchungsabschnitts, sowie mit dem Gewässersystem befassen.<br />
Schritt 1: <strong>Bewertung</strong> der Gewässersohle anhand der <strong>Bewertung</strong>sklassen<br />
Die innere <strong>Kolmation</strong> wird anhand Tabelle 2 <strong>und</strong> der Referenzbeispiele bewertet. Durch die<br />
Beprobung mehrerer Stellen können lokale Unterschiede der inneren <strong>Kolmation</strong> festgestellt <strong>und</strong><br />
durch Mittelbildung der einzelnen <strong>Bewertung</strong>en die Untersuchungsstrecke als Ganzes beurteilt<br />
werden. Die Beobachtungen werden durch eine Beurteilung der Sohlenverfestigung („Stiefelprobe<br />
1 “) im benetzten Bereich ergänzt. Damit kann eine zuverlässige <strong>Bewertung</strong> der inneren<br />
<strong>Kolmation</strong> durchgeführt werden.<br />
Zudem wird empfohlen, die Resultate mit den Fragen der Schritte 2 <strong>und</strong> 3 zu überprüfen.<br />
Dadurch ergibt sich ein ganzheitliches Bild der im Gewässer ablaufenden <strong>Kolmation</strong>sprozesse.<br />
Bei Gewässern, wo die gesamte Sohlenbreite über längere Distanzen auch bei Niederwasserabfluss<br />
benetzt ist, kann keine direkte <strong>Bewertung</strong> der <strong>Kolmation</strong> durchgeführt werden. Unter<br />
diesen Verhältnissen stützt sich die Beurteilung auf die Stiefelprobe <strong>und</strong> Abklärungen der<br />
Schritte 2 <strong>und</strong> 3. Dabei ist die Beurteilung des Geschiebehaushalts <strong>und</strong> der Sohlenmorphologie<br />
(Ausbildung der Deckschicht, Vorkommen von Sohlenstrukturen <strong>und</strong> Geschiebebänken) von<br />
grosser Bedeutung. Die <strong>Bewertung</strong> der inneren <strong>Kolmation</strong> ohne direkte Beobachtung (Schritt 1)<br />
erfordert f<strong>und</strong>ierte Kenntnisse der Flussmorphologie <strong>und</strong> der <strong>Kolmation</strong>sprozesse. Die resultierende<br />
<strong>Bewertung</strong> ist gröber <strong>und</strong> weniger zuverlässig als bei Anwendung von Schritt 1.<br />
Die Beantwortung der Fragen der Schritte 2 <strong>und</strong> 3 ergibt zudem ein differenziertes Bild über den<br />
morphologischen Zustand <strong>und</strong> den Geschiebehaushalt des Gewässerabschnitts sowie die<br />
bestehenden Eingriffe.<br />
Schritt 2: Eigenschaften des Gewässerabschnitts<br />
Frage 2.1 Beurteilung der Morphologie, Vorkommen von Sohlenstrukturen. Vielfältige Morphologie<br />
hemmt die innere <strong>Kolmation</strong>, resp. führt zu unterschiedlicher Ausbildung<br />
der inneren <strong>Kolmation</strong>; monotone Morphologie fördert die innere <strong>Kolmation</strong> (vgl.<br />
Kap. 2.3).<br />
Frage 2.2 Erfassen <strong>und</strong> Beurteilen von Flussverbauungen bezüglich der Auswirkungen auf<br />
die innere <strong>Kolmation</strong>. Kanalisierung (Einengung), Uferverbauungen <strong>und</strong><br />
Schwellen fördern in der Regel die innere <strong>Kolmation</strong> (Kap. 2.4). Künstlich<br />
abgepflästerte Sohlen sind meist vollständig kolmatiert.<br />
1 Die <strong>Kolmation</strong> wird beurteilt anhand des Aufwandes, der mit dem Fuss zum Aufbrechen <strong>und</strong> Aufwühlen<br />
der Deckschicht erforderlich ist. Für die (subjektive) Beurteilung sind Erfahrungen mit der Festigkeit von<br />
unkolmatierten <strong>und</strong> kolmatierten Sohlen erforderlich (vgl. Anhang 2, Punkt 1.2).<br />
15
Frage 2.3 Bestehen lokale Unterschiede in der Korngrössenverteilung der Deckschicht (Sortierung)?<br />
Bei einer Sortierung des Substrats kann von variabler <strong>Kolmation</strong> ausgegangen<br />
werden. Häufig deutet Sortierung auf einen nicht vernachlässigbaren<br />
Geschiebehaushalt hin (geringe oder nur lokale Abpflästerung).<br />
Frage 2.4 Besteht lokal oder sohlendeckend ein Algenbewuchs? Fehlender Bewuchs deutet<br />
auf regelmässigen (oder nicht lange <strong>zur</strong>ückliegenden) Geschiebetransport. Ein<br />
Bewuchs mit Algen deutet nicht zwingend auf eine ausgeprägte <strong>Kolmation</strong>.<br />
Schritt 3: Gewässertyp, Feststoffhaushalt <strong>und</strong> Eingriffe<br />
Frage 3.1: Wie ist das Trübeaufkommen zu bewerten?<br />
hoch : z.B. Einzugsgebiet mit vielen Hanganrissen. Häufig in Form von Schwebstoffablagerungen<br />
auf der Gewässersohle (äussere <strong>Kolmation</strong>) zu erkennen.<br />
Rasche <strong>Kolmation</strong>sentwicklung.<br />
mittel : Gewässermehrheit.<br />
gering : z.B. Seeausfluss. Ausbleibende bis sehr langsame <strong>Kolmation</strong>sentwicklung.<br />
Frage 3.2: Wie ist das Geschiebeaufkommen zu bewerten?<br />
hoch : viele Geschiebebänke, meist fehlende bis schwache <strong>Kolmation</strong>.<br />
mittel : Kiesbänke vorhanden, mittlere <strong>Kolmation</strong> (resp. keine bis starke <strong>Kolmation</strong>).<br />
gering : ausgeprägte Sohlenpflästerung, meist ausgeprägte <strong>Kolmation</strong>.<br />
Frage 3.3: Hydrologie, Dekolmation:<br />
Gibt es Informationen, wie lange das letzte bedeutende Hochwasserereignis<br />
<strong>zur</strong>ückliegt?<br />
Gibt es Informationen, ob die Deckschicht regelmässig oder nur selten aufreisst<br />
(Dekolmation, Kap. 2.2)?<br />
Frage 3.4: Eingriffe in das Abfluss- <strong>und</strong> Geschieberegime (Kap. 2.4)?<br />
Handelt es sich um eine Restwasserstrecke ? Wasserableitungen führen zu weniger<br />
häufigem Aufreissen der Deckschicht, seltenerer Dekolmation <strong>und</strong> damit ausgeprägterer<br />
innerer <strong>Kolmation</strong>.<br />
Handelt es sich um eine Schwallstrecke ? Durch den Abflussschwall wird in der<br />
Regel die innere <strong>Kolmation</strong> verstärkt.<br />
Liegt der Untersuchungsabschnitt in einem Rückstaubereich (z.B. Stauwurzel<br />
eines Flusskraftwerks, einzelne Mündungsstrecken)? Wegen der abnehmenden<br />
Schleppkraft nur noch seltene oder ausbleibende Dekolmation, frische Geschiebeablagerungen<br />
kolmatieren zunehmend (innere <strong>und</strong> ev. auch äussere <strong>Kolmation</strong>).<br />
16
4 Äussere <strong>Kolmation</strong><br />
4.1 Phänomen<br />
Die äussere <strong>Kolmation</strong> betrifft die Ablagerung von Schwebstoffen (Sand, Silt, Ton) auf der<br />
schottrigen Gewässersohle. Dadurch werden die Zwischenräume <strong>und</strong> zunehmend auch die<br />
Steinoberseiten mit Feinsedimenten bedeckt.<br />
Äussere <strong>Kolmation</strong> durch Sandablagerungen<br />
im Uferbereich. Alpenrhein bei Mastrils.<br />
17<br />
Äussere <strong>Kolmation</strong> in einer Ruhigwasserzone<br />
durch kohäsive Ablagerungen. Alpenrhein<br />
bei Bad Ragaz.<br />
Die äussere <strong>Kolmation</strong> ist ein Phänomen, das in allen Fliessgewässern mit Schwebstofftransport<br />
auftritt. Bei Niederwasser ist der Abfluss meist klar <strong>und</strong> es werden kaum<br />
Schwebstoffe abgelagert. Ein Abflussanstieg ist meist auch mit einer Erhöhung der Trübung<br />
verb<strong>und</strong>en. Die zugeführten Schwebstoffe werden dann in Bereichen mit geringer Fliessgeschwindigkeit<br />
abgelagert. Bei Mittelwasserabfluss sind dies beispielsweise Flachufer,<br />
Buchten <strong>und</strong> Hinterwasser, wo Sandbänke entstehen können. Bei Hochwasserabfluss werden<br />
die Schwebstoffe vorallem in den Überschwemmungsflächen abgelagert. Dies führt <strong>zur</strong><br />
Auflandung von Vorländern oder Auensukzessionsflächen. In eingeengten <strong>und</strong> kanalisierten<br />
Gewässern findet wegen der gleichmässig hohen Fliessgeschwindigkeit häufig keine äussere<br />
<strong>Kolmation</strong> statt. Demgegenüber führen Stauhaltungen <strong>zur</strong> Ablagerung von ausgedehnten <strong>und</strong> in<br />
Fliessrichtung zunehmend mächtigeren Feinsedimentablagerungen. Auch in Schwallstrecken<br />
oder infolge von Spülungen kann die äussere <strong>Kolmation</strong> verstärkt werden.<br />
Die Ablagerung eines Schwebstoffkorns bestimmter Grösse auf der Sohle ist abhängig vom<br />
Korndurchmesser (resp. von der Sinkgeschwindigkeit) <strong>und</strong> der Fliessgeschwindigkeit des<br />
Wassers. Gute Resultate, ob ein Korn als Schweb oder über die Sohle als Geschiebe transportiert<br />
wird, gibt die Formel von Kresser /9/:<br />
2<br />
vGrenz = 360 g d
mit vGrenz = Grenzgeschwindigkeit des Wassers, d = Korndurchmesser. Bei vm > vGrenz wird das<br />
Korn als Schweb, bei vm < vGrenz als Geschiebe transportiert oder ist in Ruhe (vm = mittlere<br />
Fliessgeschwindigkeit).<br />
Bei der Ablagerung der Schwebstoffe kommt es zu einer Sortierung der Feinpartikel. In leicht<br />
überströmten Uferbereichen (v < 0.5 m/s) kommt es oft <strong>zur</strong> Ablagerung von Sand, wogegen die<br />
kohäsiven Partikel der Silt- <strong>und</strong> Tonfraktion vorallem in praktisch stehenden Gewässerbereichen<br />
abgelagert werden.<br />
Ändert sich der Abfluss, so ändert sich auch die Fliessgeschwindigkeit <strong>und</strong> damit die Sohlenbereiche,<br />
wo die verschiedenen Schwebstofffraktionen abgelagert werden. Bei einer Abflussabnahme<br />
können Sandablagerungen durch feinere Partikel überdeckt werden. Eine Abflusszunahme<br />
führt zu Resuspension <strong>und</strong> Transport von abgelagerten Feinsedimenten, wobei die<br />
Schwebstoffe in neu entstandenen Ruhigwasserzonen (z.B. in Überflutungsgebieten) wieder<br />
abgelagert werden können.<br />
4.2 Auswirkungen<br />
Die äussere <strong>Kolmation</strong> ändert die Eigenschaften der Gewässersohle, wodurch der entsprechende<br />
Lebensraum auf vielfältige Weise beeinflusst oder beeinträchtigt werden kann:<br />
1. Durch die Ablagerung von Schwebstoffen werden die Zwischenräume der Deckschichtkörner<br />
aufgefüllt <strong>und</strong> der Zugang in den Lückenraum der Gewässersohle für das Makrozoobenthos<br />
erschwert.<br />
2. Feinsedimentablagerungen sind instabil. Eine Abflussänderung (insbesondere Abflusszunahme)<br />
führt <strong>zur</strong> Umlagerung von Feinpartikeln. Die Sohlenoberfläche ist als<br />
Lebensraum nicht mehr nutzbar, wie dies eine stabile schottrige Gewässersohle ist.<br />
3. Feinsedimentablagerungen reduzieren die Infiltration von Flusswasser <strong>und</strong> damit die<br />
Sauerstoffzufuhr in die Gewässersohle. Insbesondere kohäsive Feinsedimente sind<br />
schlecht durchlässig <strong>und</strong> zeigen einen vergleichsweise hohen Erosionswiderstand. Reine<br />
Sandablagerungen sind in der Regel noch gut durchlässig <strong>und</strong> werden bei ansteigender<br />
Fliessgeschwindigkeit rasch erodiert.<br />
Fallbeispiele der Auswirkungen der äusseren <strong>Kolmation</strong> auf das Makrozoobenthos sind in /19/<br />
<strong>und</strong> /1/ beschrieben.<br />
Bei unbeeinflussten (geschiebeführenden) Fliessgewässern spielt die äussere <strong>Kolmation</strong> der<br />
Gewässersohle oft eine untergeordnete Rolle. Im Bereich der Hauptströmung ist die<br />
Fliessgeschwindigkeit so gross, dass sich keine Schwebstoffe ablagern können oder die<br />
Trübung des Abflusses ist vernachlässigbar (z.B. Niederwasserabfluss in der Winterperiode).<br />
Bei Fliessgewässern mit Einzugsgebieten mit hohem Feinsedimenteintrag (z.B. aus Ufer- <strong>und</strong><br />
18
Hanganrissen, Erosionsrinnen) kann es auch in Niederwasserperioden zu einer bedeutenden<br />
äusseren <strong>Kolmation</strong> kommen /1/.<br />
Durch anthropogene Eingriffe kann die äussere <strong>Kolmation</strong> stark beeinflusst werden. Eine<br />
verstärkte äussere <strong>Kolmation</strong> ist vorallem nach Spülungen in der unterliegenden Gewässerstrecke,<br />
in Schwallstrecken (v.a. im Winter), in Restwasserstrecken oder bei anthropogenen<br />
Tätigkeiten, welche die Trübung massgebend erhöhen, zu erwarten. In Flussstauhaltungen führt<br />
die Ablagerung von Schwebstoffen <strong>zur</strong> Verlandung der Stauhaltung.<br />
4.3 Beurteilung<br />
Die äussere <strong>Kolmation</strong> ist gekennzeichnet durch die Mächtigkeit, die Ausdehnung, die Zusammensetzung<br />
<strong>und</strong> die zeitliche Änderung der Feinsedimentablagerungen. Dementsprechend sind<br />
folgende Parameter geeignet, die äussere <strong>Kolmation</strong> zu erfassen:<br />
1. Deckungsgrad <strong>und</strong> Mächtigkeit der Ablagerungen. Der Deckungsgrad (engl. „embeddedness“)<br />
betrifft die prozentuale Bedeckung der Gewässersohle mit Feinsedimenten /13/ /19/.<br />
Die Mächtigkeit der Ablagerungen ist abhängig von der Schwebstoffzufuhr <strong>und</strong> der Fliessgeschwindigkeit.<br />
Der Parameter wird im Feld beobachtet.<br />
2. Die flächige Ausdehnung von Schwebstoffablagerungen auf der Gewässersohle, resp. die<br />
Ausdehnung der Sohlenbereiche, die mit Feinsedimenten bedeckt sind. Diese können im<br />
Feld kartiert werden. Deren Ausdehnung ist abhängig von den lokalen Strömungsverhältnissen,<br />
resp. von der lokalen Fliessgeschwindigkeit bei schwebstoffführenden<br />
Abflüssen. Je kleiner die Fliessgeschwindigkeit, desto feiner die Schwebstoffpartikel, die<br />
sich ablagern können (vgl. Formel von Kresser, Kap. 4.1, sowie Formeln von Kozeny<br />
<strong>und</strong> Banscher /14/).<br />
In der Studie „Trübung <strong>und</strong> Schwall im Alpenrhein“ /1/ wurde die flächige Ausdehnung der<br />
äusseren <strong>Kolmation</strong> in Abhängigkeit der täglichen Abflussschwankungen (Schwall) durch<br />
Feldbeobachtungen <strong>und</strong> Berechnungen ermittelt <strong>und</strong> kartografisch dargestellt.<br />
Ein Beipiel für die Kartierung der flächigen Ausdehnung <strong>und</strong> der Mächtigkeit von Schwebstoffablagerungen<br />
ist in /13/ zu finden.<br />
3. Die Zusammensetzung der abgelagerten Feinsedimente an einem Ort ist abhängig vom<br />
Abflussgeschehen <strong>und</strong> der aktuellen Fliessgeschwindigkeit. Eine Unterscheidung zwischen<br />
Sand <strong>und</strong> feineren (kohäsiven) Sedimenten ist zweckmässig. Beobachtung im Feld.<br />
4. Die zeitliche Änderung von Feinsedimentablagerungen ist abhängig vom Abflussgeschehen<br />
<strong>und</strong> der Schwebstoffzufuhr. Eine Abschätzung, welche Sohlenbereiche bei einer bestimmten<br />
Abflusszunahme freigespült werden, kann mit der Formel von Kresser durchgeführt<br />
werden (vgl. Punkt 2).<br />
19
Abgesehen von stark schwebstoffführenden Fliessgewässern, wie beispielsweise der Landquart<br />
<strong>und</strong> dem Alpenrhein oder kleinen Bächen in den Talebenen, deren Sohle häufig aus Feinsedimenten<br />
bestehen, spielt die äussere <strong>Kolmation</strong> häufig eine untergeordnete Rolle. Zur Beurteilung<br />
der äusseren <strong>Kolmation</strong> genügt es daher in den meisten Fällen, den Deckungsgrad der<br />
Sohle mit Feinsedimenten im Feld zu schätzen.<br />
20
Anhang 1<br />
Literaturverzeichnis<br />
/1/ Arbeitsgemeinschaft Schälchli, Abegg + Hunzinger, Limnex AG, ARGE Limnologie,<br />
Universität für Bodenkultur (2001): Trübung <strong>und</strong> Schwall im Alpenrhein. Im Auftrag der<br />
Internationalen Regierungskommission Alpenrhein.<br />
/2/ Banscher E. (1976): Gesetzmässigkeiten der <strong>Kolmation</strong>sentwicklung. Wasserwirtschaft,<br />
Wassertechnik, (9), 320 - 323.<br />
/3/ Brunke M. (1999): Colmation and depth filtration within streambeds: Retention of<br />
particles in hyporheic interstices. International Review of Hydrobiology, 2:99-117.<br />
/4/ Cunningham, Anderson & Bouwer (1987): Effects of Sediment - Laden Flow on Channel<br />
Bed Clogging. J. of Irrigation and Drainage Eng., ASCE, Vol. 113, No. 1, 106-118.<br />
/5/ Diplas P. and Parker G. (1990): Deposition and Removal of Fines in Gravel-Bed<br />
Streams. Proceedings of the Third International Workshop on Gravel Bed Rivers,<br />
Firenze, 24-28. Sept. 1990.<br />
/6/ Frostick, L.E., Lucas, P.M., Reid, I. (1984): The Infiltration of Fine Matrices into<br />
Coarse - Grained Alluvial Sediments and ist Implications for Stratigraphical Interpretation.<br />
J. Geol. Society, Vol. 141, Part 6, 955-965.<br />
/7/ Grimm N.B. (1996): Surface-Subsurface Interactions in Streams. Methods in Stream<br />
Ecology. Ed. by Hauer F.R. and Lamberti G.A.. Chapter 30:625-646. Academic Press.<br />
/8/ Kaleris V. (1983): Strömungsvorgänge in natürlichen Sickerkörpern in der Nähe von<br />
Oberflächengewässern. Wasserwirtschaft 73, 11.<br />
/9/ Kresser W. (1964): Gedanken <strong>zur</strong> Geschiebe- <strong>und</strong> Schwebstoffführung der Gewässer.<br />
Österreichische Wasserwirtschaft, H 1/2, 6-11.<br />
/10/ Kustermann H. (1962): Der Einfluss der Organismen in Kiesschotterböden der Flüsse auf<br />
die Wasserversickerung. Monatsbull. Schweiz. Verein von Gas- <strong>und</strong> Wasserfachmännern,<br />
No. 2,3,4.<br />
/11/ Lee D.R., Cherry J.A. (1978): A Field Exercise on Gro<strong>und</strong>water Flow Using Seepage<br />
Meters and Mini-piezometers. Journal of Geol. Education, v.27, 6-10.<br />
/12/ Munchenberger F. (1979): Abflussmessungen in Oberflächengewässern für Gr<strong>und</strong>wasserbilanzierungen.<br />
Gas Wasser Abwasser, H9, 401-407.<br />
/13/ Reiser D.W., Ramey M.P., Lambert T.R. (1985): Review of Flushing Flow Requirements<br />
in Regulated Streams. Pacific Gas and Electric Company, Department of<br />
Engineering Research, San Ramon, California.<br />
21
14/ Schälchli U. (1993): Die <strong>Kolmation</strong> von Fliessgewässersohlen: Prozesse <strong>und</strong> Berechnungsgr<strong>und</strong>lagen.<br />
Diss. ETH Nr. 10293 <strong>und</strong> Mitteilung Nr. 124 der Versuchsanstalt für<br />
Wasserbau, Hydrologie <strong>und</strong> Glaziologie der ETH Zürich.<br />
/15/ Schälchli U. (1995): Basic Equations for Siltation of Riverbeds. J. of Hydr. Eng., Vol.<br />
121, No. 3, 274-287.<br />
/16/ The design and use of a hydraulic potentiomanometer for direct measurement of<br />
differences in hydraulic head between gro<strong>und</strong>water and surface water. Limnol.<br />
Oceanogr., 33(5), 1988, 1209-1214.<br />
/17/ Thibodeaux L.J. & Boyle J.D. (1987): Bedform-generated Convective Transport in<br />
Bottom Sediment. Nature, Vol 325 22 Jan., 341-343.<br />
/18/ Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie <strong>und</strong> Glaziologie der ETH Zürich (1990): Die<br />
Langetensohle. Bericht über die Auswirkungen der Hochwasserableitung auf die<br />
Langetensohle zwischen dem Entlastungsbauwerk <strong>und</strong> Langenthal. Im Auftrag des<br />
Hochwasserschutzverbandes unteres Langetental.<br />
/19/ Zweig L.D., Rabeni C.F. (2001): Biomonitoring for deposited sediment using benthic<br />
invertebrates: a test on 4 Missouri streams. J. of the North American Benthological<br />
Society, 20(4):643-657.<br />
22
Ansätze <strong>zur</strong> Erfassung <strong>und</strong> Beurteilung der inneren <strong>Kolmation</strong> Anhang 2<br />
Es bestehen verschiedene Ansätze <strong>zur</strong> Beurteilung der inneren <strong>Kolmation</strong>. In untenstehender Tabelle werden qualitative, messtechnische <strong>und</strong> rechnerische<br />
Ansätze unterschieden. Bei den qualitativen Verfahren wird versucht, in einer Begehung die <strong>Kolmation</strong> aufgr<strong>und</strong> charakteristischer Merkmale zu klassifizieren.<br />
Die messtechnischen Ansätze untersuchen entweder die Zusammensetzung des Sohlenmaterials <strong>und</strong> der eingelagerten Feinsedimente oder den Druckabfall<br />
des Infiltrats beim Durchströmen der Gewässersohle. Bei den Berechnungsansätzen wird in Funktion verschiedener gemessener Grössen die zeitliche Entwicklung<br />
der <strong>Kolmation</strong> ermittelt.<br />
Nr. Ansatz Vorgehen, Eingabegrössen Vor-, Nachteile<br />
Beurteilung<br />
1 Qualitative Beurteilung<br />
1.1 Visuelle Beurteilung Äussere Erscheinung (Verfüllung der Lückenräume zwischen<br />
den Deckschichtkörnern, Morphologie, Sortierung<br />
Korngrössen)<br />
1.2 Verfestigung der<br />
Deckschicht<br />
„Stiefelprobe“<br />
2 Messtechnische Verfahren<br />
Vorkommen von Laichplätzen<br />
Aufwand <strong>und</strong> Kraft, die <strong>zur</strong> Auflockerung der Deckschicht<br />
erforderlich ist.<br />
Beurteilung mit Siefel, Eisenstange oder dgl.<br />
2.1 Sedimentfallen Vergraben von gelochten Behältern, die mit einer bekannten<br />
Kornmischung gefüllt sind<br />
Ausgraben <strong>und</strong> aussieben der Mischung, bestimmen der<br />
Feinsedimentanteile verschiedener Grössenklassen<br />
2.2 Siebanalysen Schichtweise Entnahme von Sohlenmaterial <strong>und</strong> aussieben<br />
der Proben<br />
Kolmatierte Schichten zeigen einen höheren Anteil an Feinpartikeln<br />
Geringer Aufwand<br />
Bei kleinen Gewässern auch im benetzten Bereich möglich<br />
Subjektive Beurteilung (Ausbildung innere <strong>Kolmation</strong> muss nicht mit<br />
äusserer Erscheinung übereinstimmen)<br />
Hinweis auf geringe innere <strong>Kolmation</strong><br />
Geringer Aufwand<br />
Subjektive Beurteilung (der Eindruck der Verfestigung ist auch von der<br />
Korngrössenverteilung abhängig)<br />
Mittlerer Aufwand<br />
Die Masse der eingetragenen Sedimente ist abhängig von der eingebauten<br />
Kornmischung<br />
Die Sickerströmung entspricht nicht den natürlichen Verhältnissen<br />
Nur qualitative Beurteilung möglich<br />
Als Nebenprodukt von biologischen Untersuchungen interessant z.B. <strong>zur</strong><br />
Beurteilung der natürlichen Reproduktion von kieslaichenden Fischen<br />
durch Vibertkästen<br />
Aufwand gross (vorallem in benetzten Sohlenbereichen)<br />
Je gröber das Sohlenmaterial, umso grösser muss die beprobte Fläche<br />
der Gewässersohle sein<br />
Deutliche <strong>Kolmation</strong>sunterschiede können durch relativ kleine Mengenunterschiede<br />
hervorgerufen werden<br />
Abgestufte Beurteilung der <strong>Kolmation</strong> kaum möglich<br />
Literatur<br />
/18/<br />
/18/<br />
/1/ /6/<br />
/18/
2.3 Druckdifferenz Messung des Porenwasserdrucks unter der Deckschicht<br />
Druckdifferenz zum Wasserspiegel des Fliessgewässers<br />
als Mass der <strong>Kolmation</strong><br />
2.4 Infiltrationsmessung Einschlagen oder aufsetzen eines Zylinders / Rohres auf<br />
die Gewässersohle, zuführen von Wasser, sodass der<br />
Wasserspiegel im Rohr höher als im Gewässer ist, beobachten<br />
des Absinkens des Wasserspiegels in Funktion<br />
der Zeit <strong>und</strong> berechnen der Durchlässigkeit<br />
Verschiedene Verfahren<br />
2.5 Gr<strong>und</strong>wasserstand Vergleich der Abflussganglinie (oder der Wasserspiegelganglinie<br />
im Fliessgewässer) mit gewässernahen Gr<strong>und</strong>wasserstandsganglinien<br />
2.6 Abflussmessungen Abflussmessung in zwei Querprofilen unter Berücksichtigung<br />
von Zu- <strong>und</strong> Abflüssen.<br />
Die Abflussdifferenz ergibt die Sickerwassermenge<br />
(Infiltration pro m2)<br />
3 Berechnungsverfahren<br />
3.1 Durchlässigkeit in<br />
Funktion der Zeit<br />
Berechnung der Sohlendurchlässigkeit in Funktion der<br />
massgebenden Einflussgrössen im Fliessgewässer<br />
Aufwand mittel<br />
Die Messung des Porenwasserdrucks ist mit einer Störung des Sohlenaufbaus<br />
verb<strong>und</strong>en (Bildung von Grobporen, Rissen, etc).<br />
In feinkörnigen (sandigen) Gewässersohlen empfehlenswerter Ansatz<br />
Aufwand klein bis mittel<br />
Durch das Einschlagen des Rohres in die schottrige Gewässersohle wird<br />
das Korngefüge gestört <strong>und</strong> die Durchlässigkeit erhöht /8/ (fehleranfällige<br />
Messung)<br />
Bessere Resultate werden bei vorgängigem Vergraben eines Anschlussrohres<br />
erzielt. Die Messung erfolgt erst nach der Einlagerung von<br />
Schwebstoffen /10/ (bei dieser Versuchsanordnung ist keine Dekolmation<br />
möglich)<br />
Bei gutem hydraulischem Anschluss widerspiegelt die Gr<strong>und</strong>wasserstandsganglinie<br />
die Abflussganglinie<br />
Bei stark kolmatierter Sohle ist keine oder eine nur sehr geringe Abhängigkeit<br />
des Gr<strong>und</strong>wasserspiegels vom Abfluss festzustellen.<br />
Häufig sind keine entsprechenden Messungen verfügbar<br />
Keine differenzierte <strong>Bewertung</strong> der <strong>Kolmation</strong> möglich<br />
Aufwand mittel<br />
Diffuse Zuflüsse werden nicht berücksichtigt<br />
Die Infiltration liegt häufig im Bereich der Messgenauigkeit (kleine Infiltration<br />
im Verhältnis zum Gewässerabfluss)<br />
Infiltration im unkolmatierten Zustand ist nicht bekannt (wichtiger<br />
Referenzwert)<br />
Nur in Einzelfällen gute Resultate, <strong>Bewertung</strong> der <strong>Kolmation</strong> nicht eindeutig<br />
Aufwand gross<br />
Zuverlässiger Berechnungsansatz für innere <strong>Kolmation</strong> <strong>und</strong> Dekolmation<br />
Messung vieler Eingabeparameter erforderlich (Ganglinien Abfluss, Trübung,<br />
Gr<strong>und</strong>wasserspiegel, Temperatur sowie Siebanalyse des Sohlenmaterials)<br />
/7/ /16/<br />
/7/ /8/ /11/<br />
/18/<br />
/18/<br />
/12/<br />
/1/ /15/