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Fachartikel
29. März 2022

Gewässerrevitalisierung

Der Natur abgeschaut: «Beaver Dam Analogs»

Bei fast allen mittelländischen Fliessgewässern liegt die Sohle unnatürlich weit unter dem umgebenden Terrain. Dieser menschgemachte flächendeckende Zustand unterbindet natürliche Funktionen wie die Entwicklung artenreicher Lebensräume und die Pufferung des Wasserhaushalts, was sich zunehmend kritisch auf Natur und Gesellschaft auswirkt. Mit Initialstrukturen, die natürlichen Biberdämmen ähneln, können diese Funktionen wiederhergestellt werden.
Silvan Minnig, Niels Werdenberg, Timon Polli, Nicole Egloff, Andreas Widmer, Pascal Vonlanthen, Christof Angst, 


Eingetiefte Gew√§sser treten nur bei seltenen Ereignissen √ľber die Ufer. Dadurch k√∂nnen sie ihre nat√ľrlichen √∂kologischen und hydrologischen Funktionen aber nur sehr eingeschr√§nkt wahrnehmen. Es fehlen √ľberstaute Uferbereiche, wechselfeuchte √úbergangszonen und ein flurnaher Grundwasserstand ‚Äď wichtige Voraussetzungen funktionaler Gew√§sserlebensr√§ume mit ihrem Artenreichtum (Fig. 1). Zudem senken eingetiefte Gew√§sser den Grundwasserspiegel, verringern die Grundwasserneubildung und k√∂nnen dadurch Grundwasserreserven gef√§hrden.

Da es auf den ersten Blick vorteilhaft erscheint, dass eingetiefte Gerinne selten √ľber die Ufer treten, wurden bisher kaum Massnahmen zur Wiederherstellung naturnaher Sohlenlagen umgesetzt. Demgegen√ľber stellt das Gew√§sserschutzgesetz, GschG, jedoch klar, dass der gesamte Gew√§sserraum ‚Äď nicht nur das Gerinne ‚Äď dem Schutz vor Hochwasser und der Gew√§hrleistung der √∂kologischen Funktionen dient. Diese Dienste k√∂nnen eingetiefte Gew√§sser aber kaum erf√ľllen, eben weil sie nur selten √ľber die Ufer treten.

Biberd√§mme w√ľrden nat√ľrliche Abhilfe schaffen (Fig. 2): Die Dammreviere heben die Gew√§ssersohlen an, wirken sich positiv auf Hydrologie und Temperaturregime aus und bieten √§usserst wertvolle dynamische Lebensr√§ume f√ľr eine Vielfalt an Pflanzen, Insekten, Amphibien, Fischen, V√∂geln und Kleins√§ugetieren (u.‚ÄČa. Flederm√§use) [1‚Äď7]. Doch Biber werden l√§ngst nicht alle eingetieften Gew√§sser wiederbesiedeln k√∂nnen. Denn fragmentierte Gew√§sser erreichen sie nur schlecht, stark verbauten Gew√§ssern fehlt es an Raum, und in solchen ohne Geh√∂lz sind Nahrung und Baumaterial knapp. Es liegt also an uns Menschen, dem Naturbeispiel zu folgen und weitere Gew√§sser mit analogen k√ľnstlichen Biberd√§mmen, sogenannten ¬ęBeaver Dam Analogs¬Ľ (BDA) aufzuwerten und krisentauglich zu machen (Fig. 2).

Gem√§ss Bundesamt f√ľr Umwelt BAFU wird das gesteckte Ziel von 50 km Revitalisierungen pro Jahr mit den derzeitigen Instrumenten nicht erreicht. Deshalb sind nun kosteng√ľnstigere Methoden und eigendynamische Gew√§sser gefragt [8]. Genau hier k√∂nnen naturnahe, biberdammartige Initialstrukturen ansetzen.

EINGETIEFTE GEW√ĄSSER

Ursachen

Eingetiefte Gew√§sser sind ein weltweites, v.‚ÄČa. von Menschen verursachtes Problem [9‚Äď11]. Insbesondere im Flachland sind viele Schweizer Fliessgew√§sser davon betroffen (Fig. 1). Folgende Ursachen beschleunigten um 1900 das Problem:

  • Mit der Ausrottung des Bibers [12] und der Intensivierung der Waldnutzung [13] verschwanden Biberd√§mme und Totholzverklausungen als nat√ľrliche Sohlenstabilisatoren [14].
  • Im Zuge der Gew√§sserkorrektionen wurden viele Gew√§sser aktiv abgesenkt, um die durch Kanalisierung gewonnenen Nutzfl√§chen vor √úberflutung zu sch√ľtzen [15].
  • Weitere Eingriffe, u.‚ÄČa. zur Wasserkraftnutzung, f√ľhrten vielerorts zu einer gest√∂rten Geschiebezufuhr, einem weiteren zentralen Treiber der Sohlenerosion (Fig. 1).
Defizite und Handlungsbedarf 

Neben der Zerst√∂rung gew√§ssers√§umender Lebensr√§ume durch die Kultivierung (Verlust von 90% der Feuchtgebiete [16]) versch√§rfen eingetiefte Sohlen das Problem. Diese f√ľhren zur morphologischen Verarmung der Gerinne, Abkopplung noch vorhandener Auenrelikte und zum Verlust grosser Teile der aquatischen, terrestrischen und amphibischen Biodiversit√§t [9, 17].

Das Erbe eingetiefter Gerinne ist auch in Bezug auf den Klimawandel [18] problematisch: Einerseits verursachen tiefe bzw. erodierende Sohlenlagen eine Absenkung der Grundwasserspiegel, und fehlende √úberflutungen verringern die Grundwasserneubildung. Dies stellt angesichts der zunehmenden H√§ufigkeit extremer Hitze- und Trockenphasen eine massive zus√§tzliche Gef√§hrdung unserer Trinkwasserversorgung dar. Andererseits konzentrieren eingetiefte Gerinne den Wasserabfluss, wodurch in Phasen mit Starkniederschl√§gen gegen√ľber fl√§chigen √úberflutungen wesentlich mehr Zerst√∂rungspotenzial f√ľr Unterlieger entsteht. Auch werden deutlich gr√∂ssere Mengen des im Kulturland erodierten Bodens weggesp√ľlt (Verlust regionaler Bodenfruchtbarkeit und Eutrophierung nachfolgender Gew√§sser bzw. des Meeres), w√§hrend sich das Wasserr√ľckhalteverm√∂gen der B√∂den weiter verringert [19]. Das Zusammenwirken von Erw√§rmung und Wassermangel wiederum f√ľhrt zu dramatischen Ver√§nderungen in den √Ėkosystemen. Dies gef√§hrdet nicht nur die Vielfalt der Fische und Krebse [20], sondern die gesamte einheimische Biodiversit√§t im und am Wasser.

Die nat√ľrliche Referenz

Biber haben unsere Gew√§sser mit ihren F√§ll-, Grab- und Stauaktivit√§ten √ľber mehrere Millionen Jahre gestaltet ‚Äď besonders die rege Dammbauaktivit√§t mit rund zehn D√§mmen pro Fliessgew√§sserkilometer der einst h√§ufigen Nagetiere hat sich nachweislich in Geologie und Landschaft niedergeschlagen [21]. Gew√§ssertypische Artengemeinschaften sind an diesen Gestaltungstrieb angepasst, so auch die heimischen Fischarten. Mit dem Eintrag von Totholz, der Entstehung von Umgehungsgerinnen und der Anlage von langsam fliessenden Staubereichen bieten sich in Dammrevieren vielf√§ltige dynamische Fischlebensr√§ume (Fig. 3a und b). Davon profitieren sowohl Jungfische (in Form von Verstecken und str√∂mungsberuhigten Bereichen im Biberteich, bei Ausstiegen und beim Wintervorrat) wie auch adulte Fische (durch Deckungsangebot, R√ľckzugsgebiete/Temperaturrefugien in Biberteichen sowie Kolken und Furten unterhalb der D√§mme) [1, 22]. In Studien aus den USA wurde zudem nachgewiesen, dass Fische Biberd√§mme √ľberwinden k√∂nnen [1, 23]. Ein Dammrevier bleibt dabei stets dynamisch: Wenn einzelne D√§mme versagen, werden sie vom Biber wieder hergestellt oder anderswo neu errichtet. Gew√§ssermorphologie, Wasserhaushalt und Biodiversit√§t profitieren entsprechend stark von einer Wiederbesiedlung des Bibers [7, 10, 21, 24-28]. Zudem helfen Biberdammreviere nachweislich, Hochwasserspitzen zu d√§mpfen [29], sogar in Bergb√§chen [30]. Die positiven Effekte der Biberaktivit√§t werden aktuell in einem grossen Forschungsprojekt des BAFU und der Eawag/WSL untersucht [6].

Nat√ľrliche Fliessgew√§sser bergen auch ohne Biber grosse Mengen an Totholz (Fig. 4). Beispiele aus Nordamerika zeigen, dass ein nat√ľrliches Totholzregime Gew√§ssermorphologie und √Ėkologie entscheidend pr√§gt [14]. Zentral sind die bei uns l√§ngst fehlenden, grossen ¬ęSchl√ľsselh√∂lzer¬Ľ, die auch vom Hochwasser nicht mobilisiert werden k√∂nnen. An ihnen verf√§ngt sich laufend weiteres Schwemmholz, wodurch grosse, lagestabile Totholzansammlungen entstehen. In Fl√ľssen bilden sich so riesige Totholzinseln, stabile Nebenarme und bewaldete Inseln [14, 31]. In B√§chen bilden sich v.‚ÄČa. Verklausungen aus, die Biberd√§mmen nicht un√§hnlich sind. Der grosse √∂komorphologische Nutzen lagestabiler Totholzstrukturen ist gut dokumentiert und findet in Revitalisierungen zunehmend Beachtung [32‚Äď34].

In Natura wirken Biberd√§mme und Totholzstrukturen somit recht √§hnlich. Sie verlangsamen Abfluss und Geschiebetransport deutlich, halten N√§hrstoffe und Sedimente zur√ľck und f√∂rdern relativ hohe Sohlenlagen. Durch Einstau und √úberstauung kolmationsfreier Bereiche verst√§rken sie ausserdem das Einsickern ins Grundwasser und die Wasserreinigung wesentlich [26, 29, 31, 35‚Äď39] (Fig. 5a und b). Sie erm√∂glichen einen starken hyporheischen Austausch (Grund- und Oberfl√§chenwasser) und schaffen eine hohe Konnektivit√§t zwischen Fliessgew√§sser und Umgebung, wodurch Wasserdargebot und -temperatur gepuffert werden bei gleichzeitig hoher Verf√ľgbarkeit und Diversit√§t von Lebensr√§umen [24]. Biber- und Totholzeffekte d√ľrften sich nicht nur addieren, sondern multiplizieren. Denn einerseits erh√∂ht der Biber den Eintrag an Schl√ľsselh√∂lzern, indem er grosse B√§ume f√§llt oder diese im Einstaubereich neuer D√§mme absterben. Andererseits teilen grosse Totholzstrukturen breite Talfl√ľsse vermehrt in kleinere Nebenarme auf, welche wiederum schmal genug sind, um vom Biber gestaut zu werden. Nat√ľrlicherweise w√ľrden B√§che und Fl√ľsse daher kaum ein einzelnes Hauptgerinne ausbilden, sondern w√§ren eine vielschichtig und multidirektional durchflossene Gew√§sserlandschaft, die eine enorme Habitat- und Artenvielfalt aufweist [40]. Sie sind gegen nat√ľrliche Extreme wie Trockenheit, Hochwasser und auch Waldbr√§nde widerstandsf√§higer [39].

REVITALISIEREN MIT ¬ęBEAVER DAM ANALOGS¬Ľ

Um eingetiefte Gew√§sser zu revitalisieren und wichtige √Ėkosystemleistungen zu¬≠r√ľckzuholen, muss die Sohle wieder angehoben und der Gew√§sserraum h√§ufiger √ľberschwemmt werden k√∂nnen. So k√∂nnen die eingetieften Gew√§sser klimatauglich gemacht werden. Daf√ľr sollten die Effekte von Biberd√§mmen und Totholz genutzt und analoge Strukturen als Biomimikry verwendet werden (Fig. 6). An Gew√§ssern mit Sohlenbreiten >‚ÄČ10‚ÄČm k√∂nnen sog. Engineered Log Jams (ELJ) eingesetzt werden, welche die Totholzprozesse nat√ľrlicher Fl√ľsse wieder in Gang bringen [35]. In der Schweiz werden ELJ bereits erfolgreich eingesetzt. Eine Planungshilfe wurde hierzu vom Kanton Bern ver√∂ffentlicht [34].

Doch es gilt, vor allem kleinere Gew√§sser aus der Versenkung zu holen, denn diese machen mehr als 70% der Schweizer Fliessstrecken aus [41]. Daf√ľr eignen sich Initialstrukturen wie Beaver Dam Analogs (BDA). Diese k√ľnstlichen Biberd√§mme sind in Nordamerika schon gut untersucht und relativ weit verbreitet [1, 10, 42], in Europa derzeit aber noch kaum bekannt. Sie sind kosteng√ľnstig und einfach zu erstellen ‚Äď entscheidende Faktoren f√ľr die Umsetzung. BDA bestehen i.‚ÄČd.‚ÄČR. aus relativ niedrigen, seriell eingebauten Pfahlreihen, die mit Weidenflechtwerk, Schlamm und Steinen abgedichtet werden [10, 42, 43].

Durch dynamische Prozesse (Fig. 7a und b) und den R√ľckhalt von Wasser und Feststoffen stellt sich eine Sohlenauflandung ein, die mit der Zeit eine Entwicklung des eingetieften Gew√§ssers zur√ľck zur auentypischen Morphologie erm√∂glicht. Sind Biber in der Nachbarschaft bereits aktiv, k√∂nnen sie diese Initialbauten √ľbernehmen und ausbauen, was die √∂kologischen Effekte vervielf√§ltigt und die Lebensdauer der Strukturen erh√∂ht [42].

Wie Studien zeigen, erh√∂hen BDA mit oder ohne Biber die Konnektivit√§t von Gerinne und umgebendem Terrain (Fig. 8), indem die Sohle angehoben wird. Weiter erh√∂hen sie Abfluss- und Grundwasserspiegel und puffern den Wasserhaushalt im Jahresgang [44, 45]. Von BDA k√∂nnen aquatische und semiaquatische Arten in hohem Masse profitieren, z.‚ÄČB. bedrohte Amphibienarten sowie Salmoniden [1, 2]. BDA schw√§chen Hitzespitzen ab, schaffen √ľberlebenswichtige Kaltwasserpools [22] und k√∂nnen so Hilfe f√ľr den Erhalt von stark unter Druck geratenen Fischarten leisten. Als kosteng√ľnstiges, planbares Instrument k√∂nnen BDA helfen, die Biodiversit√§ts- und Revitalisierungsziele von Bund und Kantonen effektiv zu erreichen.

Planungsgrundsätze

In der dicht besiedelten Schweiz sind m√∂gliche Anwendungen von BDA stets standortspezifisch zu analysieren und deren Machbarkeit zu pr√ľfen. Potenzielle Standorte liegen v.‚ÄČa. ausserhalb der Bauzonen: in Naturschutzgebieten, extensiv genutztem Landwirtschaftsgebiet und im Wald. Obwohl die Strukturen mit lokalem Material und ohne grosse Maschinen erstellt werden k√∂nnen, sind sie stets fachgerecht zu planen, zu bewilligen, umzusetzen und ggf. zu unterhalten:

  • Der Einbau der Pf√§hle (H√∂he √ľber Sohle, Verankerungstiefe, Belegungsdichte etc.) sowie die Kolkbildung unterstrom sind fallspezifisch zu bemessen bzw. zu beurteilen. Da BDA analog dem nat√ľrlichen Vorbild stets seriell angeordnet werden, kann die H√∂he der einzelnen BDA relativ gering sein. Die Kolktiefe kann weiter mittels fliessparalleler Astlagen unterwasserseitig reduziert werden (overflow matress).
  • Im Gesamtsystem d√ľrfen weder durch die Strukturen und den R√ľckstau noch durch die projektierte Sohlenanhebung Hochwasserschutzdefizite geschaffen werden.
  • Da mit BDA Wasseraustritte h√§ufiger sind und lokale Uferanrisse auftreten k√∂nnen, sind angrenzende Nutzungen einzubeziehen (Standortwahl, BDA-H√∂he, Fliesswege). Vorteilhaft sind daher Gew√§sserr√§ume mit Biodiversit√§tsbreite sowie Lagen, wo diese Prozesse durch die Topografie begrenzt sind oder sie auf angrenzenden Fl√§chen keinen Schaden anrichten. Auch eine Nutzungsanpassung kann zielf√ľhrend sein (z.‚ÄČB. Nassreisanbau) [46].
  • M√∂gliche R√ľckstaueffekte in Drainagen sind zu ber√ľcksichtigen, ggf. sind flankierende Massnahmen wie Sammelleitungen sinnvoll [47, 48].
  • Lokale Anhebungen des Grundwasserspiegels durch BDA sind zu ber√ľcksichtigen, spezifische Schutzziele sind einzuhalten.
  • Zu kl√§ren ist, woher das Material f√ľr die Sohlenauflandung kommt: Je nach Bestockungsgrad und Uferbeschaffenheit ist nach Einbau z.‚ÄČB. durch Ausbildung seitlicher L√§ufe mit lokaler Seitenerosion im Gew√§sserraum zu rechnen. Wo kaum Seitenerosion m√∂glich ist, sind Art und Umfang des Feststofftransports von oberhalb des Abschnitts f√ľr die Sohlenanhebung ausschlaggebend. W√§hrend dieses Prozesses kann im Unterlauf ein tempor√§res Geschiebedefizit entstehen.
  • In B√§chen mit nur geringer Wasserf√ľhrung sind BDA relativ dicht auszuf√ľhren, um den gew√ľnschten Wasserr√ľckhalt zu erm√∂glichen.
  • Bewilligung und Realisierung erfolgen z.‚ÄČB. im Rahmen einer Revitalisierung oder im Gew√§sserunterhalt.
  • Empfohlen ist, die Entwicklung perio¬≠disch zu beurteilen. BDA sind unterhaltsarm, aber weitere Eingriffe sind evtl. zielf√ľhrend, beispielsweise eine seitliche Erg√§nzung mit weiteren Pf√§hlen, Nachbesserungen beim Flechtwerk, die Kontrolle allf√§lliger Seitenerosion in Zwischenphasen sowie die Lenkung des Oberfl√§chenabflusses. Die Lebensdauer einzelner BDA betr√§gt i.‚ÄČd.‚ÄČR. < 10 Jahre. Solange das Gesamtsystem aber wirkt (Wasserr√ľckhalt, Sohlenanhebung), bringen diese zerfallenden und umstr√∂mten Strukturen √∂kologisch wertvolle Dynamik.
  • Wo Biber bereits aktiv sind oder mit einer Besiedlung zu rechnen ist, sollte eine bibergerechte Planung angestrebt werden, um allf√§llige Konflikte vorzubeugen [47].
Potenzial und Pilotprojekte in der Schweiz

Nach Einsch√§tzung der Autorenschaft ist das Potenzial f√ľr BDA in fast allen biogeografischen Regionen der Schweiz sehr gross. M√∂gliche Anwendungsgebiete sind:

Ausserhalb Bauzonen

Entlang der B√§che (70% der Fliessstrecke des schweizerischen Flussnetzwerks) sind BDA zur Schaffung wertvoller auen√§hnlicher Lebensr√§ume einsetzbar, sowohl √ľber lange Strecken wie auch als h√§ufige Trittsteine. Dadurch w√ľrde die Vernetzung von Artenpools gef√∂rdert und die √∂kologische Infrastruktur gest√§rkt. Je nach Standortbedingungen bietet der bestehende Gew√§sserraum hierf√ľr das n√∂tige Aktionsfeld. Im Wald kann eine fallspezifische Interessenabw√§gung n√∂tig sein.

Auengebiete

Zwei Drittel der insgesamt 326 Auengebiete von nationaler Bedeutung sind in einem ungen√ľgenden Zustand [49]. BDA in Giessenl√§ufen und Auenb√§chen regenerieren degradierte Auenrelikte, sie erhalten und f√∂rdern deren Artenvielfalt.

Moore

Viele Hochmoore befinden sich in einem entwässerten Zustand und setzen kontinuierlich CO2 frei [50]. BDA sind zur Wiedervernässung von Mooren einsetzbar und fördern damit den Klima-, Arten- und Moorschutz.

Biber und Klima

BDA k√∂nnen auch verwendet werden, um Biber gezielt ¬ęanzulocken¬Ľ, damit sie die Gew√§sser anschliessend dynamisch formen. Das Potenzial f√ľr Klimaschutz und Klimaanpassung ist in allen genannten Anwendungen gegeben, wo m√∂glichst viele BDA √ľber eine l√§ngere Strecke als Gesamtsystem wirken. Dadurch werden auentypische √Ėkosystemleistungen wie Grundwasserbildung, Wasserreinigung, N√§hrstoffr√ľckhalt, R√ľckhalt von Treibhausgasen und Hochwasserretention [51, 52] aktiviert. Ein lokal gut gepufferter Wasserhaushalt kann in k√ľnftigen Trockenextremen dar√ľber entscheiden, ob wir lokale Fischpopulationen oder auch Ernten halten oder verlieren.

In der Schweiz wurden bisher BDA-Pilotprojekte in einem Gewässer im Kanton Thurgau (Fig. 6, 9a und b) und in einem im Kanton Bern umgesetzt. An einem weiteren Bach im Kanton Bern steht die Realisierung kurz bevor. Weitere Projekte sind aktuell schweizweit in Planung.

AUSBLICK UND EMPFEHLUNG

Die Reintegration von Biber und Totholz bzw. deren Biomimikry (BDA, ELJ) in unsere Gew√§sser bietet grosse Chancen f√ľr Auenlebensr√§ume und gew√§ssertypische Bioz√∂nosen. Sowohl Biber- als auch Nachahmungsbauten sind nach Auffassung der Autorenschaft ein Schl√ľssel zur Erreichung der Klimaanpassung unserer Gew√§sser und der Qualit√§tsziele f√ľr die √∂kologische Infrastruktur.

Bestehende Biberdammreviere f√ľhren vor Augen, welche enormen Effekte damit zu erreichen sind. Um die gesteckten Revitalisierungsziele zu erreichen und die Folgen der Klima- und Biodiversit√§tskrise abzuschw√§chen, sollte nun bei weiteren eingetieften Gew√§ssern selbst Hand angelegt werden. Mit BDA stehen daf√ľr vielversprechende und kosteng√ľnstige Massnahmen zur Verf√ľgung. F√ľr deren Umsetzung braucht es fallspezifische Planungen, um potenzielle Risiken zu ber√ľcksichtigen und Sch√§den zu vermeiden.

Um hierzulande Erfahrungen zu sammeln und die Akzeptanz dieser Massnahmen zu erh√∂hen, bieten sich v.‚ÄČa. Auenprojekte und r√§umlich grossz√ľgige Revitalisierungen an. Im Landwirtschaftsgebiet werden hingegen flankierende Massnahmen n√∂tig sein, um eine Vern√§ssung wertvollen Kulturlands zu verhindern ‚Äď zumindest so lange Drainagen aus Sicht Landwirtschaft noch zielf√ľhrend sind ‚Äď was sich mit dem Klimawandel mittelfristig √§ndern d√ľrfte.

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[51] Mehl, D. et al. (2013): Analyse und Bewertung von √Ėkosystemfunktionen und -leistungen gro√üer Flussauen. KW Korrespondenz
[52] Scholz, M. et al. (2012): √Ėkosystemfunktionen in Flussauen. Analyse und Bewertung von Hochwasserretention N√§hrstoffr√ľckhalt, Treibhausgas-Senken-/Quellenfunktion und Habitatfunktion. Schriftenr. Naturschutz und biologische Vielfalt

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