Wasserbausymposium 2012

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Erfahrung mit Lenkbuhnen bei Hochwasserschutz

und Renaturierung Instream River Training am Voralpenfluss Taverna

N. Werdenberg1, T. Meile

1 und R. Steiner

1

1 Basler & Hofmann West AG, Ingenieure, Planer und Berater, Industriestrasse 1, CH-3052

Zollikofen, SWITZERLAND

E-Mail: niels.werdenberg@baslerhofmann.ch

Kurzfassung

Um den Hochwasserschutz zu verbessern wurde der stark verbaute Unterlauf der Taverna

(Fribourg, Schweiz) umgestaltet. Insgesamt konnten dadurch ca. 350 m Gerinne renaturiert

und weitere 250 m ökologisch aufgewertet werden. Zur Sicherung und Strukturierung dieser

Gerinneabschnitte wurden rund 45 Lenkbuhnen eingebaut. Es handelt sich um die erste

grössere Anwendung von Lenkbuhnen in der Schweiz. Entlang der renaturierten Strecken

wurde gänzlich auf einen Längsverbau der Ufer verzichtet, wodurch nebst einer natürlichen

Ufergestaltung auch Kosteneinsparungen von 30% bis 50% realisiert werden konnten. Wie

bisherige Resultate zeigen, verlagern die naturnahen Lenkbuhnen bei Hochwasser den

Strömungsangriff in die Gerinnemitte und entlasten dadurch die Ufer. Zudem steigern die

Einbauten die Strömungsvielfalt, die Variabilität der Wassertiefe und die Substratsortierung.

Mit den Lenkbuhnen konnten auch verbaute Abschnitte ökologisch deutlich aufgewertet

werden.

Einleitung

Im Jahr 2007 wurde das am kleinen Voralpenfluss Taverna gelegene Dorf Flamatt (Fribourg,

Schweiz) von einem Hochwasser verwüstet. Die Überschwemmung richtete damals einen

Schaden in der Höhe von 3,5 Mio. Franken an.

Im Auftrag der Gemeinde Wünnewil-Flamatt und des Tiefbauamts des Kantons Fribourg

wurde ein Hochwasserschutz- und Renaturierungsprojekt für die untere Taverna erarbeitet.

Zwischen Frühjahr 2011 und Frühjahr 2012 wurde das Gewässer in mehreren Etappen von

der Chrummatt bis hinunter zur Einmündung in die Sense umgestaltet. Dabei konnten ca. 350

m Gerinne renaturiert und weitere 250 m ökologisch aufgewertet werden. Entlang der

renaturierten Abschnitte wurde gänzlich auf Ufersicherungen durch Hartverbau verzichtet.

Hier stabilisieren Lenkbuhnen das Gerinne. Auf Abschnitten mit beengten Platzverhältnissen

wurde der bestehende Uferverbau teilweise belassen. Hier wurde das Gerinne mit

Lenkbuhnen ökologisch aufgewertet.

Für die betrachteten Abschnitte liegt das Bemessungshochwasser bei 38 m3/s (HQ100 mit

Hochwasserrückhalt im Oberlauf) und das Längsgefälle zwischen 10 und 16 ‰. Die

maximalen Schleppkräfte an der Sohle betragen in den Abschnitten ohne Längsverbau ca.

200 N/m2. Mit dem Einbau von rund 45 Lenkbuhnen auf insgesamt 600 m Länge entstand an

der unteren Taverna die bisher längste Pilotstrecke für verschiedene Lenkbuhnentypen in der

Schweiz und damit ein ideales Umfeld für ein Monitoring der Buhnenwirkung. Darüber

hinaus konnten einige Grundsätze für Anordnung und Einbau von Lenkbuhnen festgehalten

werden (siehe Kap. Bautypen und Umsetzung).

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Abbildung 1: An der Taverna eingebaute Lenkbuhnen-Typen. a inklinante Lenkbuhnen, b

inklinante Trichterbuhne, c Lenkschnecke, d inklinante Hakenlenkbuhne

Strömungslenkung im Flussbau

Grundsätze

Die meisten Baumassnahmen an Fliessgewässern gehen davon aus, dass Ufer und Sohle mehr

oder weniger hart definiert und stabilisiert werden müssen, um den Strömungsangriffen die

Stirn zu bieten. Ufer und Sohle sind jedoch ihrer Entstehung nach immer eine Folge der

Strömung, die auf sie einwirkt. Daher fallen heute die allermeisten Flussbaumethoden

eigentlich unter „Symptombehandlung“. Dagegen stellen Methoden zur Strömungslenkung

ursachenorientierte Herangehensweisen dar. Hierzu gehören rund ein halbes Dutzend in die

Gewässersohle integrierte Einbauten wie Lenk-, Trichter- und Schneckenbuhnen sowie

Pendelrampen, welche unter dem Begriff Instream River Training (dt. = Flussbau im

Stromstrich) zusammengefasst werden [1]. Durch niedrige, naturnahe Einbauten aus Stein

oder Holz wird die Strömung so angepasst, dass harte Sicherungen reduziert oder ganz

weggelassen werden können – ohne bei Hochwasser die Gerinnestabilität zu gefährden.

Im Unterschied zu den klassischen Buhnen des Wasserbaus werden diese Einbauten bereits

bei Niedrigwasser vollständig überströmt [1]. Sie ragen nur rund 10 bis 20 cm aus der Sohle

heraus. Ihre Funktionalität erreichen Lenkbuhnen und auch Pendelrampen bei grösseren

Abflüssen, indem sie Spiralströmungen um eine Längsachse in Fließrichtung induzieren [1].

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Damit beeinflussen sie Geschwindigkeitsverteilung, Geschiebetransport und verlagern in

effizienter Weise die Hauptströmung [2].

Entwicklung und Forschung

Einige der Instream River Training Bautypen, darunter verschiedene Lenkbuhnenformen und

die Pendelrampe, wurden in den 1990er Jahren von Otmar Grober (Steiermark, Österreich)

entwickelt [3]. Grober liess sich bei der Entwicklung von den Ansätzen des österreichischen

Naturforschers Viktor Schauberger (1885 - 1958) inspirieren, welcher sich schon um 1930

erfolgreich mit Strömungslenkung und naturgemässer Wasserbewegung befasste [4].

Unabhängig von Grober wurden in den USA seit den 1990er Jahren verschiedene sogenannte

In-Stream Structures entwickelt, deren Ziel es ebenfalls ist, die Strömung anzupassen [5].

Insbesondere die von David Rosgen (Colorado) entwickelten Cross-Vanes, W-Weirs und J-

Hook Vanes [6], besitzen ein naturnahes Erscheinungsbild und wirken ähnlich wie Lenk- und

Trichterbuhnen. Sie können ebenfalls zu den Bauweisen des Instream River Training gezählt

werden.

Die Forschung, massgeblich an der TU Braunschweig und der TU Graz seit ungefähr 2004,

bestätigte mit Modellierungen und Laborversuchen die Effekte von verschiedenen Bautypen

des Instream River Training, so u. a. auch die uferentlastende Wirkung von inklinant (gegen

die Strömung) angeordneten Lenkbuhnen [7]. Durch die erwähnte Spiralströmung erhöhen

Lenkbuhnen die Strömungsvielfalt, die Substratsortierung und die Tiefenvarianz [2]. Dadurch

erreichen diese Einbauten eine willkommene Verbesserung der Habitatqualität für aquatische

Lebewesen [8]. Ausserdem erhöht eine vielfältige Gerinnemorphologie die Selbstreinigungs-

kraft von Fliessgewässern [9].

Grundsätzlich rücken mit Instream River Training erstmals die in natürlichen Fliessgewässern

überaus prägenden Spiralströmungen ins Zentrum des Flussbaus. Die von den Einbauten

angeregten Längswirbel können – dank ihrem angepassten Drehsinn – ihre Kräfte im

naturgemässen Spiel mit dem beweglichen Sohlenmaterial umsetzen, ohne dass deren

Dynamik konstant durch harten Verbau gebrochen werden muss. Derartige Fliessmuster und

Materialprozesse stellen vermutlich wichtige Aspekte der Gewässergesundheit dar [10].

Beispiele aus der Schweiz

Obwohl mit Instream River Training flussbauliche Ziele wie Uferschutz und

Gerinnestrukturierung bereits mit relativ wenig Aufwand erreicht werden können, sind die

Ansätze in der Schweiz erst wenig bekannt. Neben der Pilotstrecke an der Taverna wurden

bisher am Ellikerbach in Ellikon (Zürich) [1], am Rohrbach in Rüeggisberg (Bern), am

Hürnbach in Dagmersellen (Luzern), am Innerdorfbach in Grosswangen (Luzern) und an der

Kander in Wimmis (Bern) inklinante Lenkbuhnen umgesetzt. An der Suhre in Triengen

(Luzern) wurden zwei Schneckenbuhnen umgesetzt [11] und am Scherlibach in Köniz (Bern)

eine Pendelrampe [12].

Bautypen und Umsetzung

Insgesamt wurden an der Taverna 33 inklinante Lenkbuhnen, 5 Trichterbuhnen, 2

Schneckenbuhnen und 4 Hakenlenkbuhnen aus Blocksteinen eingebaut. Diese Bautypen

wurden je nach Standort aufgrund der dort zu erreichenden Ziele gewählt.

Für Uferschutz und Gerinnestrukturierung wurden entlang der Aussenkurven inklinante

Lenkbuhnen (Abb. 1a und 2a) seriell angeordnet. Sie schützen die erosionsgefährdeten

Prallufer indem sie die Strömung anpassen: Die aufgrund der Fliehkraft auftretende,

ufergefährdende Kurvenströmung – ebenfalls eine Spiralströmung – wird durch die

entgegengesetzte Drehrichtung der buhneninduzierten Spiralströmung angepasst [7]. Statt wie

üblich am Prallufer zu graben (Kurvenkolk), tieft sich der Fluss in der Mitte des Betts ein und

lagert Sedimente am Prallufer ab. Dadurch wird die Hauptströmung in die Gerinnemitte

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verlagert [2, 3]. Der Winkel zwischen Uferlinie und inklinanter Buhnenachse beträgt dabei ca.

60 ° [7]. Da die Strömung nach einiger Distanz wieder zum Prallufer zieht, ist eine serielle

Anordnung erforderlich. Zur Bestimmung der Buhnenabstände wurden Erfahrungswerte

herangezogen und daraus allgemeine Grundsätze auf Basis der Sohlenbreite (B) erarbeitet: für

kleine Kurvenradien (r < 3 x B) gilt ein Abstand von B x 0.8 bis 1.0; für grosse Kurvenradien

(r > 8 x B) gilt B x 1.8 bis 2.0.; für mittlere Kurvenradien gilt B x 1.5. Damit kein starrer Takt

entsteht, variieren die Buhnenabstände leicht. Die Buhnenlänge geht i. d. R. nicht über die

Gerinnemitte hinaus.

Inklinante Trichterbuhnen (Abb. 1b und 2b) wurden auf geraden Strecken für Uferschutz und

Gerinnestrukturierung eingebaut. Dieser Bautyp induziert zwei Spiralströmungen, welche die

Hauptströmung auch bei Hochwasser von den Ufern weg zur Gerinnemitte lenken, wo sich

Kolke bilden [2]. Die Trichter wurden in unregelmässigen Abständen angeordnet, der mittlere

Abstand beträgt die 3fache Sohlenbreite (min 1.5fach; max. 4fach).

Zur ökologischen Aufwertung eines geraden Abschnitts mit bestehendem Längsverbau

wurden inklinante Lenkbuhnen mit Schneckenbuhnen kombiniert. Dadurch entstand eine

neue Bauweise (Lenkschnecke, Abb. 1c und 2c). Die ohrenförmigen Buhnen wurden

wechselseitig eingebaut.

Hakenlenkbuhnen (Abb. 1d und 2d) wurden in Kurven analog den inklinanten Lenkbuhnen

angeordnet und auf geraden Strecken wechselseitig eingebaut. Dieser Bautyp setzt sich aus

einem inklinanten Teil am Ufer und einem deklinanten Teil am Buhnenkopf zusammen. Der

inklinante Teil entlastet das Ufer und unterstrom des Knicks entsteht ein Kolk [13].

Abbildung 2: Einbau. a Trockenbau und Einbindung in Sohle und Böschung, b Nassbau und

Einbindung in Sohle und Böschung, c Nassbau und Einbindung nur in Sohle, d Nassbau und

Stahlverankerung in Molasse

Da genaue Bemessungsregeln für Lenkbuhnen bislang fehlen, wurde für die Stabilität auf

generelle konstruktive Regeln zurückgegriffen. Die Blocksteingrösse wurde in Abhängigkeit

der Korngrösse des Bettmaterials und der Sohlschubspannung ermittelt, entsprechend wurden

Blockgrössen von ca. 1.5 t eingebaut. Form und Buhnenlänge basieren auf Erfahrungswerten.

Für Buhnenabstände in Gerinnekurven wurden die erwähnten Grundsätze angewandt. Die

Einbauhöhe richtete sich u.a. nach Laborversuchen, wonach Lenkbuhnen bei 9 bis 10facher

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Überströmungshöhe eine optimale Lenkwirkung erzielen – die Stimmigkeit von Geometrie

und Abständen vorausgesetzt [7]. Bei allen an der Taverna verwendeten Bautypen liegt die

Einbauhöhe bei rund 0.1 bis 0.2 m über Sohlenniveau, womit relativ zur Höhe des

Wasserspiegels HQ100 von ca. 1.2 bis 1.5 m eine gute Lenkwirkung zu erwarten ist.

Die Einbaumethoden wurden den Erfordernissen des jeweiligen Standorts angepasst (Abb. 2).

In baggerbarem Material wurde die Buhnenwurzel gut in der Böschung verankert und weitere

Blocksteine unterstrom der Buhnenachse als Nachkolkschutz eingebaut. Die Kolkschutzsteine

verhindern, dass die Buhnensteine in ihren eigenen Kolk fallen. Sie liegen rund 0.5 bis 0.8 m

unter Sohlenniveau, damit sich trotzdem eine ökologisch wertvolle Kolktiefe ausbilden kann.

Grundsätzlich ist die enge Zusammenarbeit zwischen Ingenieur und Maschinist wichtig. Es

wird empfohlen mit den Bauweisen empirisch Erfahrung zu sammeln – v.a. in Situationen mit

geringem Schadenpotenzial – und ein „Gefühl“ für die Lenkwirkung zu entwickeln.

Abbildung 3: Unverbaute Gerinnekurve mit inklinanten Lenkbuhnen. a Vergleich bei

Niedrigwasser und bei kleinem Hochwasser, b kleines Hochwasser

Bisherige Ergebnisse

Uferschutz

Die Prallufer eines Fliessgewässers sind natürlicherweise am stärksten von Erosion betroffen.

Die unbefestigten Gerinnekurven an der unteren Taverna wurden nach ihrer Fertigstellung

vermessen, um nach einem Hochwasser Aufschluss über die Effizienz der eingebauten

Lenkbuhnen zu erhalten. Die bei bisherigen Hochwasserereignissen (max. ca. 18 m3/s, d.h.

HQ1) beobachtete deutliche Strömungsberuhigung an Prallufern (Abb. 3) und die generelle

Auflandungstendenz an Prallufern (Abb. 4) zeigen bereits heute den uferschützenden Effekt

von Lenkbuhnen klar auf. Künftige Gerinnevermessungen nach einem grösseren Ereignis

sollen die Hochwassertauglichkeit nachweisen und die weitere Gewässerentwicklung unter

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dem Einfluss der Lenkbuhnen aufzeigen.

Abbildung 4: Morphologische Wirkung von Lenkbuhnen. a Kolkbildung, Substratsortierung

und Auflandungen am Prallhang (Foto und 3D Gerinneaufnahme), b zunehmende Auflandung

am Prallhang (Vergleich vor und nach kleinem Hochwasserabfluss)

Abbildung 5: Renaturierung mit unverbauten Naturufern dank Lenkbuhnen.

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Ökologie

Die Lenkbuhnen brachten auch Vorteile für Flora und Fauna. Insbesondere durch die

Schaffung von bis zu 0.7 m tiefen Kolken sowie lockeren Schotterfahnen (Abb. 4) konnten

den Fischen an der Taverna wertvolle Einstandsmöglichkeiten und Laichgründe zur

Verfügung gestellt werden. Die unverbauten Naturufer wirken natürlich und werden bereits

von Wildtieren als direkte Zugänge zum Fluss genutzt. Die Lenkbuhnen selbst sind relativ

unauffällig (Abb. 5). Mit der Entwicklung der gepflanzten einheimischen Ufervegetation wird

die biologische Vielfalt im Gewässerraum künftig noch zunehmen.

Auf weiteren Abschnitten wurde der bestehende Längsverbau aufgrund beengter

Platzverhältnisse belassen. Hier konnte mit Lenkschnecken auf geraden Abschnitten eine

mäandrierende Strömung geschaffen und die Tiefenvarianz der Sohle deutlich erhöht werden

(Abb. 6a). Durch den Einbau von inklinanten Lenk- und Hakenlenkbuhnen entlang verbauter

Gerinnekurven entstanden Auflandungen am Prallufer, Kolke in der Gerinnemitte und ein

pendelnder Stromstrich (Abb. 6b). Gleichzeitig konnte auch der alte Verbau entlastet werden.

Abbildung 6: Ökologische Aufwertung. a Lenkschnecken, b inklinante Lenk- und

Hakenlenkbuhnen

Kosteneinsparungen

Da die lokalen Impulse der Lenkbuhnen einen weitreichenden Einfluss auf die Strömung

haben, werden weniger Natursteinblöcke benötigt als bei einem Längsverbau der Ufer. Bei

den renaturierten Abschnitten an der Taverna liessen sich im Vergleich zu klassischem

Längsverbau aus Natursteinblöcken ca. 30 bis 50 % der Kosten einsparen. Eine ähnliche

Bandbreite von Kosteneinsparungen dürfte auch an weiteren Gewässern realisierbar sein.

Zusammenfassung

Insgesamt eröffnet sich mit der Strömungslenkung ein spannendes Feld im Wasserbau, wo die

Kommunikation mit dem fliessenden Medium im Zentrum steht. Der innovative Charakter

des ausgeführten Bauprojekts an der unteren Taverna zeigt deutlich, dass Wasserbau dank

dem Einbezug von Instream River Training sanfter, ökologischer und kostengünstiger

betrieben werden kann.

Entlang der renaturierten Abschnitte konnte auf Längsverbau verzichtet und ein naturnahes

Gerinne mit vielfältiger Morphologie und optimaler Längs- und Quervernetzung geschaffen

werden. Die morphologische Entwicklung dieser Abschnitte verläuft wie gewünscht und wird

weiterhin untersucht. Neben den Lenkbuhnen war auch ein genügendes Angebot an Raum

mitentscheidend für den Verzicht auf Längsverbau, denn die relativ flache Gestaltung der

renaturierten Ufer brachte zusätzliche Sicherheit für die Gerinnestabilität in Form von

verminderten Schleppkräften. Inwieweit mit Instream River Training auch bei sehr engen

Platzverhältnissen auf Längsverbau verzichtet werden kann, müsste in Modellversuchen oder

weiteren Anwendungen erprobt werden. Doch auch in Fällen wo Uferverbau mit Instream

River Training lediglich reduziert werden kann, sind ökologische Verbesserungen und

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Kosteneinsparungen zu erwarten.

Indem Lenkbuhnen innerhalb von bestehendem Uferverbau eingesetzt wurden, konnten

weitere Abschnitte ökologisch aufgewertet werden. Die erzielten Verbesserungen bei

Habitatangebot und -qualität sind durchwegs ermutigend. Mit kommenden Untersuchungen,

insbesondere der Fischbestände in der Taverna, können die bisher gemachten Beobachtungen

abgesichert werden. Daneben wäre es interessant, auch die Entwicklung der terrestrischen

Artenvielfalt und der Freizeitnutzung durch die Bevölkerung zu verfolgen.

Weil mit wenig Materialaufwand viel erreicht wird, könnte sich die Anwendung von

Lenkbuhnen grundsätzlich als weit verbreitete Flussbau-Praxis etablieren. Auch angesichts

der in der Schweiz gesetzlich geforderten Renaturierungen könnte Instream River Training

dank ökologischer und ökonomischer Vorteile viele Wasserbauprojekte bereichern. Die

beispielhafte Strecke an der unteren Taverna zeigt einen möglichen Weg auf und kann

insbesondere nach einem grösseren Hochwasser eine wichtige Referenz für weitere

Anwendungen in der Schweiz werden.

Quellenverzeichnis

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[3] Grober O. (1998): Ökologisch orientierte Gewässerinstandhaltungen mit naturnaher

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[11] Huber U. (2009). Schneckenbuhnen am Suhrenknie. Ingenieurbiologie, Heft 3 / 2009, 19.

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[12] Mende M., Gassmann E. (2009). Pendelrampen – Funktionsweise und Erfahrungen.

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[13] Mende M. (2012). Uferumgestaltung und Gewässerentwicklung an der Wiese bei

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