Calculational approach to FST-hemispheres for multiparametrical benthos habitat modelling [Elektronische Ressource] / von Ianina Kopecki

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• Publié par: universitat_stuttgart
• Publié le: 01 janvier 2008
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Extrait

Heft 169 Ianina Kopecki

Calculational Approach to FST-
Hemispheres for Multiparametrical
Benthos Habitat Modelling



Calculational Approach to FST-Hemispheres for
Multiparametrical Benthos Habitat Modelling





Von der Fakultät Bau- und Umweltingenieurwissenschaften der
Universität Stuttgart zur Erlangung der Würde eines
Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung



Vorgelegt von
Ianina Kopecki
aus Leningrad




Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E.h. Jürgen Giesecke
Mitberichter: Prof. Dr.-Ing. Silke Wieprecht
Prof. Dr.-Ing. habil., Prof. h.c. Ulrich C.E. Zanke

Tag der mündlichen Prüfung: 18. Januar 2008









Institut für Wasserbau der Universität Stuttgart
2008





Heft 169 Calculational Approach to
FST-Hemispheres for
Multiparametrical Benthos
Habitat Modelling



von
Dr.-Ing.
Ianina Kopecki













Eigenverlag des Instituts für Wasserbau der Universität Stuttgart D93 Calculational Approach to FST-Hemispheres for Multiparametrical
Benthos Habitat Modelling






















Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek


Kopecki, Ianina:
Calculational Approach to FST-Hemispheres for Multiparametrical Benthos Habitat
Modelling / von Ianina Kopecki. Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart. -
Stuttgart: Inst. für Wasserbau, 2008

(Mitteilungen / Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart: H. 169)
Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2008)
ISBN 3-933761-73-5
NE: Institut für Wasserbau <Stuttgart>: Mitteilungen


Gegen Vervielfältigung und Übersetzung bestehen keine Einwände, es wird lediglich
um Quellenangabe gebeten.




Herausgegeben 2008 vom Eigenverlag des Instituts für Wasserbau
Druck: Document Center S. Kästl, Ostfildern
Vorwort
Veranlassung
¨Der Lebensraum Fließgewasser
Gewasser¨ sind ein pragender¨ Bestandteil des Naturhaushaltes. Die fließende Wel
le, das Gewasserbett,¨ die Flussniederungen, das Luckensystem¨ unter und neben der
Gewassersohle¨ als Lebens und Schutzraum, das sog. Interstitial, ferner die Auezonen und
das Grundwasser – diese alle bilden eine Einheit. Menschliche Einflusse¨ bedingen deren
Verander¨ ungen. Daher steht der Zustand eines Gewassers¨ in enger Wechselbeziehung zu
sozialen und wirtschaftlichen Strukturen. Deren Verbindung mit okologischen¨ Erfordernis
sen legen umsetzbare Entwicklungskonzepte nahe.
Diesbezugliche¨ Strategien stellen die begrenzten Nutzungsmoglichkeiten¨ des betrach
teten Lebensraumes den anzupassenden, gesellschaftlichen und okonomischen¨ Zielsetzun
gen gegenuber¨ . Neue Verhaltens und Lebensweisen sollen ebenso zu nachhaltigen, d. h.
dauerhaften umweltgerechten Nutzungen eines Gewasserlaufes¨ unter Ausgewogenheit von
¨ ¨Okologie und Okonomie fuhr¨ en. Derartige Entwicklungskonzepte lassen sich durch die Ver-
flechtung von Natur- und Ingenieurwissenschaften erarbeiten.
Die Vorgehensweise ergibt sich aus dem im Wasserhaushaltgesetz verankerten Leitge
danken: “Die Gewasser¨ sind als Bestandteil des Naturhaushaltes so zu bewirtschaften, dass
sie dem Wohl der Allgemeinheit dienen und im Einklang mit ihm auch dem Nutzen Ein
zelner entsprechen sowie jede vermeidbare Beeintrachtigung¨ unterbleibt.” Und die 2002 er-
lassene Europaische¨ Wasserrahmenrichtlinie fuhrt¨ hinsichtlich der unabdingbaren Bewah
¨rung aquatischer Okosysteme aus, dass Wasser kein Handelsprodukt wie jedes andere ist
sondern vielmehr ein Lebensgut, welches geschutzt,¨ verteidigt und als solches behandelt
werden muss.
¨Gewasser als Lebensader
Grundlage allen Lebens ist das Wasser. Es gibt hierfur¨ keinen Ersatz. Der mit der geschicht
lichen Entwicklung des Menschen gewachsene Instinkt lasst¨ die uberragende¨ Bedeutung
des Umweltfaktors Wasser jedem einzelnen bewusst werden. Die Eingriffe des Menschen in
den naturlichen¨ Kreislauf des Wassers, die durch die enge Verflechtung des Wassers mit der
Vielzahl an Lebensvorgangen¨ bedingt sind, bedurfen¨ der Ordnung.ii
In allen Phasen der Menschheitsgeschichte waren Kreativitat,¨ Erfindungsgeist und tech
nische Kunst gefordert, die Existenz zu sichern und die Lebensqualitat¨ zu verbessern. Heu
¨te ist mehr denn je die Abstimmung der Lebensbelange des Menschen mit dem Okosystem
Natur notwendig. Die Natur inklusive des Menschen mit seinen sozialen, psychischen und
¨kulturellen Forderungen ist hierbei als Umwelt zu verstehen. Ein Okosystem umfasst die
Schutzguter¨ der Natur, die die Pflanzen und Tierwelt mit ihren terrestrischen und aquati
schen Umgebungen enthalten.
Typische Strom¨ ungsmuster eines Fließgewasser¨ s
Jeder wesentliche Eingriff in den Flussquerschnitt oder in den naturlichen¨ Abfluss bedeu
tet eine Verander¨ ung der ursprunglichen¨ Stromungsver¨ haltnisse.¨ Beispielsweise erfolgt in
Staubereichen vor allem eine Verminderung und Vergleichmaßigung¨ der Stromung.¨ In Aus
¨ ¨ ¨leitungsstrecken bei Wasserentnahme z. B. fur Bewasserungsflachen oder Wasserkraftnut
zung bewirkt die Abflussreduzierung eine Verringerung des Wasservolumens und damit
des aquatischen Lebensraumes, der uberstr¨ omten¨ Sohlflache,¨ der Wassertiefen und der mitt
leren Fließgeschwindigkeiten.
Diese Einflusse¨ haben gleichzeitig zur Folge, dass sich die Charakteristik der sohlna
hen Stromungsbedingungen,¨ d. h. der Sohlschubspannungen, Auftriebskrafte¨ und Turbu
lenzen teilweise erheblich verandert.¨ Die Verander¨ ungen hangen¨ von der Wassertiefe, dem
Wasserspiegel und Sohlgefalle¨ sowie der Substratrauheit ab, auch von der Fließgeschwin
digkeit in Sohlennahe.¨ Sie geben den Ausschlag fur¨ Geschiebetrieb, Erosion und Sedimen
tation, ferner fur¨ die Umformung des Gewasserbettes¨ und des als Lebensraum genutzten
Substrates, der sogenannten, einem bestimmten Struktursediment zugeordneten Chorioto
pe.
Einflusse¨ auf das biologische System eines Fließgewasser¨ s
Die vorgenannten wesentlichen Faktoren eines Stromungsmusters¨ haben fur¨ die wasser-
gebundenen Organismen eine ausschlaggebende Bedeutung bezuglich¨ der Eignung der
ortlichen¨ Gewassersohle,¨ d. h. des den Lebensraum bildenden Benthals. Sie kennzeichnen
mit ihrer raumlichen¨ und zeitlichen Heterogenitat¨ das hydraulisch morphologische Habi
tatangebot, wonach sich das Benthos als Lebensgemeinschaft ausrichtet.
Die Flora und Fauna von Gewassern¨ stellen ein sehr komplexes System dar. Mit der Was
serbewegung stehen das Vorkommen von Arten, die Lebensweisen und die spezifische Um
welt in Zusammenhang. Kaum besiedelt ist die frei fließende Welle. Unter dieser, oberhalb
der Gewassersohle,¨ befindet sich jene Wasserschicht, die bereits durch die Rauheit der Sohle
beeinflusst wird. Sie weist zur Sohle hin stark veranderliche¨ mittlere Geschwindigkeiten auf.
Hydraulisch betrachtet ist dies die raue Grenzschicht. Unterhalb dieser Zone schließt sichiii
das turbulente Totwasser im Bereich großer¨ er Substratkorper¨ an. Darunter folgt innerhalb
des Interstitiales der Lebensraum der wassergefullten¨ und ganz schwach durchstromten¨
Kieslucken.¨
Jede Umbildung des Stromungsmusters¨ im Freiwasserraum sowie an der
Gewassersohle,¨ verbunden mit den veranderlichen¨ Substratgroßen,¨ bewirkt Verander¨ ungen
bei den Tier- und Pflanzengemeinschaften, die die erwahnten¨ Lebensraume¨ besiedeln. Viele
Fischarten, benthische Organismen (Kleinkrebse, Insektenlarven, Weichtiere usw.) und
Makrophyten (Wasserpflanzen) sind auf ganz bestimmte Stromungsgeschwindigkeiten¨
oder Stromungskr¨ afte¨ sowie auf geeignete Substrate, die Choriotope, angewiesen.
Erfassung des hydraulischen Habitatangebotes
Der geschilderte Lebensraum der benthischen Organismen wird in erster Linie durch
¨das Substrat und die sohlnahen Stromungsbedingungen charakterisiert. Dieser Lebens
raum kann anhand hochsignifikanter Referenzen sowohl fur¨ stromungsliebende¨ (rheophi
¨le) als auch fur¨ stillwasserliebende (stagnophile) Arten beschrieben werden. Uber stabi
len Habitatstrukturen ergibt sich die wirksame hydraulische Variabilitat¨ der sohlnahen
Stromungsbedingungen¨ aus Verander¨ ung der Dicke der Prandtl´schen Grenzschicht, der
Sohlschubspannungen, der Froude Zahl und der Reynolds Zahl. Dar uber¨ hinaus spielen
Stor¨ ungen, die bestehende physikalische Eigenschaften der Gewassersohle¨ verandern,¨ eine
wichtige Rolle fur¨ die Entwicklung fließgewassertypi