Bedeutung großskaliger Rückbaumaßnahmen für die Minimierung der Sohleintiefung und des erforderlichen Geschiebeeintrags sowie zur Verbesserung der Morphodynamik und Ökologie an der Grenzmur

Die Mur entlang der heutigen Grenze zwischen Österreich und Slowenien (Abb. 1a) bildete historisch eine dynamische Flusslandschaft, die zu einem großen Teil aus mehreren Flussarmen bestand (Abb. 1b) und ständig ihre Gestalt veränderte. Die Dynamik des verzweigt/gewundenen Flusslaufs bedeutete bei Hochwasser neben Überschwemmungen auch Laufverlagerungen. Insbesondere ein Bergsturz bei Vratja vas im 15. Jahrhundert verursachte eine Verlagerung der Grenzmur weg vom Hang der Windischen Bühel Richtung Nordosten (Lamprecht 1953, in Habersack et al. 2001a). Somit geriet die Grenzmur zunehmend in Konflikt mit den menschlichen Nutzungen entlang der Ufer (Landwirtschaft, Besiedelung, Müllerei). Beginnend im Mittelalter wurden lokale Regulierungen vorgenommen, bis die Grenzmur schlussendlich am Ende des 19. Jahrhunderts einer systematischen Regulierung unterworfen wurde (Hochenburger 1894). Die Regulierungsmaßnahmen führten zu einer starken Reduktion der Breite des Flussystems von bis zu 1200 m zu einem durchgehend 76 m schmalen Trapezgerinne und durch die Begradigung zu stark vergrößerten Radien (Abb. 1c), wodurch sich das Gefälle von ca. 1,2 ‰ auf 1,4 ‰ erhöhte (Habersack et al. 2001a).

War eine Erhöhung der Geschiebetransportkapazität zunächst erwünscht, um über eine selbsttätige Eintiefung der Sohle die Abflusskapazität zwischen den Uferböschungen zu erhöhen, so wurde die fortschreitende Sohlerosion – verstärkt durch die Errichtung von Wasserkraftwerken und Geschiebesperren im Einzugsgebiet – zunehmend zum Problem für die Anrainer:innen sowie für die an der Grenzmur beheimatete Fauna und Flora. Wasserbaulich wurde man zunehmend mit einer Unterspülung der Ufer und der daraus resultierenden Destabilisierung der Ufersicherungen konfrontiert. Die verringerte Speisung des Grundwasserkörpers durch die tiefer liegende Mur verursachte zum Teil Probleme für die Trinkwasserversorgung und für die Landwirtschaft. Die Einengung und Begradigung ging einher mit einem Verlust an einer Vielfalt von Gewässertypen und damit verbundenen Habitaten für Fauna und Flora (Abb. 2), und mit einer fortschreitenden Abtrennung der Au vom Gewässer durch eine schlechtere Anbindung der Mühlkanäle, seltenere Überschwemmungen und einem tieferliegenden Grundwasserspiegel.

Zwischen Vermessungsbeginn im Jahr 1974 und der Umsetzung der ersten größeren Renaturierungsmaßnahme bei Gosdorf im Jahr 2006 tiefte sich die Sohle im Mittel um 42 cm ein, was einer jährlichen Eintiefungsrate von 1,3 cm entspricht (Klösch et al. 2021). Knapp flussab von einer natürlichen Schwelle bei Gosdorf, die durch die Sohleintiefung zunehmend aus dem Flussbett ragt, wurde die größte Eintiefung gemessen (1,15 m im Zeitraum 1974 bis 2006, entspricht einer jährlichen Eintiefungsrate von 3,6 cm). In Habersack et al. (2001b) wurden Bohrungen im Vorland dazu verwendet, die Mächtigkeit der Kiesschicht des Quartärs und die Höhenlage der Grenze zum darunterliegenden, feineren Sediment des Tertiärs zu bestimmen. Dabei zeigte das Querprofil 114,840 (gemäß der im Wasserwirtschaftlichen Grundsatzkonzept der Ständigen Österreichisch-Slowenischen Kommission für die Mur (2001) verwendeten Kilometrierung) eine nur noch geringe Distanz zum Quartär, sodass bei fortschreitender Sohleintiefung mit einem Verlust des Kiesbetts, der Freilegung des Tertiärs und eventuell mit einem Sohldurchschlag (plötzliche, starke Erosion in das Tertiär) zu rechnen ist (Abb. 3).

Das im Jahr 2001 fertiggestellte Wasserwirtschaftliche Grundsatzkonzept (Ständige Österreichisch-Slowenische Kommission für die Mur 2001) entwarf Gegenmaßnahmen, die zumindest temporär durch eine künstliche Einbringung von Kies und das Zulassen von Ufererosion zu einer Stabilisierung der Sohle führen sollten. Dabei wurde neben der künstlichen Geschiebezugabe eine besondere Bedeutung der Erosion der kieshaltigen Ufer nach Uferrückbau beigemessen, die den Grenzmurabschnitt über einen längeren Zeitraum mit Geschiebe hätte versorgen und der Eintiefung der Sohle entgegenwirken sollen. Entsprechend umgesetzte Renaturierungsmaßnahmen zeigten jedoch nur ein geringes Ausmaß an eigendynamischer Ufererosion und wiederum eine starke Abhängigkeit des für Ufererosion notwendigen Aufweitungsdrucks vom Geschiebeeintrag von flussauf.

So verursachte das Hochwasserereignis vom 22. Juli 2012 mit einer Abflussspitze von 1228 m³s⁻¹ (nahe einem 10-jährlichen Hochwasserereignis mit 1250 m³s⁻¹) im geraden Uferabschnitt flussab eine laterale Erosion von nur etwa 1 m (Abb. 4, Habersack et al. 2013). Zudem wurde eingebrachtes Material in den regulierten Abschnitten zu schnell transportiert und aus dem Grenzmurabschnitt ausgetragen.

Eine Wirkung der nachfolgend umgesetzten Maßnahmen konnte zwar nachgewiesen werden (Klösch et al. 2011), erwies sich aber als kleiner als erwartet, und die Sohleintiefung setzte sich fort. Dabei weisen die geringe Mächtigkeit des verbliebenen Kieshorizonts und die gemessenen Erosionsraten auf einen akuten Handlungsbedarf hin.

Eine Fortsetzung der Querprofilvermessungen zeigte, dass die Sohleintiefung früher als erwartet wiedereinsetzte (Abb. 5). Gemäß der jüngsten Vermessung im Jahr 2018 erreichte die Sohle mit einer Höhe von 48 cm unter dem Niveau des Vergleichsjahres 1974 ein neues Rekordtief (Abb. 5a) und die Sedimentbilanzierung zeigte – unter Berücksichtigung der Geschiebezugaben – ein beschleunigtes Ausspülen des Sediments aus der Grenzmur (Abb. 5b).

Die Berücksichtigung vereinfachter Formeln für die Sohlschubspannung und den Geschiebetransport zeigen, dass der spezifische Geschiebetransport q_s (m³ s⁻¹ m⁻¹) mit zunehmender Breite und Sinuosität abnimmt. Diesen Parametern sollte daher in Entwürfen neuer Maßnahmen besonderes Augenmerk geschenkt werden (Abb. 6).

Habersack und Klösch (2012) nannten vier verschiedene, grundsätzliche Möglichkeiten, Flussaufweitungen zu dimensionieren: Analyse historischer Karten, regimetheoretische Ansätze, ingenieurmäßige Berechnungsmethoden und numerische Simulationen. In der vorliegenden Studie wurden historische Karten und regimetheoretische Ansätze herangezogen und es wurde auf ingenieurmäßige Berechnungen von Habersack und Schneider (2000) zurückgegriffen. Die daraus abgeleiteten Maßnahmentypen wurden nachfolgend anhand numerischer Simulationen überprüft.

Im Rahmen des EU-Interreg-SI-AT-Projekts goMURra legten Senfter et al. (2021) einen Maßnahmenkorridor fest, welcher flussbaulichen Maßnahmen zur Verfügung stehen kann und die Erhaltung bzw. Initiierung von Morphodynamik ermöglichen soll. Zur Eingrenzung des Korridors stellten Senfter et al. (2021) folgende Kriterien auf:

Ausgehend vom erhobenen Raumbedarf und der von Senfter et al. (2021) im Maßnahmenkorridor festgestellten Raumverfügbarkeit wurden drei Maßnahmentypen definiert. Alle drei Maßnahmentypen sprechen die für die Sohlstabilisierung entscheidenden Parameter (Gerinnebreite und Gefälle) je nach Größe des bereitgestellten Raums in unterschiedlichem Ausmaß an. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass mit zunehmender Größe des Maßnahmentyps die Geschiebetransportkapazität abnimmt, sodass der Geschiebebedarf zur Stabilisierung der Sohlhöhen sinkt. Die drei Maßnahmentypen können folgendermaßen charakterisiert werden:

Abhängig von der Raumverfügbarkeit im von Senfter et al. (2021) definierten Maßnahmenkorridor können die Maßnahmentypen aneinandergereiht werden, um die ökologischen und technischen Ziele des Managementplans zu erreichen (Abb. 16). Langfristig ist zusätzlich zu den Maßnahmen eine erhöhte Durchgängigkeit des Sediments aus dem Einzugsgebiet anzustreben.

Aktuelle Vermessungen der Sohle der Grenzmur zeigten, dass die Sohleintiefung nach einer unerwartet kurzen Wirkung der bisherigen Rückbaumaßnahmen wiedereinsetzte. Durch den geringen Abstand der Kiessohle zum darunterliegenden Tertiär droht ein baldiger Verlust des Kiesbetts und ein eventueller Sohldurchschlag. Im bilateralen EU-Interreg-SI-AT-Projekt goMURra wurden im Rahmen der Erstellung eines neuen Managementplans neue Maßnahmen entworfen. Eine Studie der relevanten Parameter, eine Vordimensionierung des Raumbedarfs, wurden der im selben Projekt von Senfter et al. (2021) entwickelten Raumwiderstandskarte gegenübergestellt und Maßnahmentypen entworfen. Numerische Untersuchungen bestätigten die aufgestellte Hypothese, wonach mit zunehmender Breite und Sinuosität die Geschiebetransportkapazität und die somit notwendige Zugabe von Geschiebe zur Stabilisierung der Sohle sinkt bzw. die Geschiebeeffizienz steigt. Zudem wird bei größeren Maßnahmenumsetzungen mehr Material für Geschiebezugaben verfügbar gemacht. Aus der Kombination einer hohen Geschiebeeffizienz bei gleichzeitig hoher Materialverfügbarkeit lässt sich aus großskaligen Rückbaumaßnahmen (wie dem hier dargestellten Typ C) die mit Abstand am längsten anhaltende Wirkung ableiten. Die mithilfe eines dreidimensionalen Modells simulierten Verteilungen der Wassertiefen, Fließgeschwindigkeiten und der Sohlschubspannung lassen zudem erwarten, dass mit zunehmender Maßnahmengröße der ökologische Benefit durch heterogenere Verteilungen der Strömungsvariablen steigt und dieser Benefit in Typ C am größten ist. Die Umsetzung dieses größten Maßnahmentyps zwischen Gosdorf und Radkersburg sollte zeitlich prioritär behandelt werden. Damit würde der Bereich mit der größten Sohleintiefung und zusätzlich dem am Abschnittsbeginn geringen Abstand zum Tertiär von weniger als 0,5 m stabilisiert und morphologisch verbessert werden. Gleichzeitig würde die Maßnahme für den flussauf anschließenden Abschnitt, in welchem die Eintiefung den Abstand zum Tertiär ebenso bereits stark verringerte, eine wirkungsvolle Stützfunktion ausüben.

Numerische Modelle könnten durch Limitierungen in der Darstellung der Hydrodynamik und des Sedimenttransports (beispielsweise durch die notwendige, räumliche Diskretisierung) in ihrer Aussagekraft eingeschränkt sein. Physikalische Modellversuche stellen durch den realen Prozessablauf unter Berücksichtigung von Skalierungseffekten eine vielversprechende Ergänzung zu den numerischen Untersuchungen dar, wie beispielsweise bei der Untersuchung von Geschiebezugaben und Laufverschwenkungen an der Grenzmur (Abb. 17). Durch die Verfügbarkeit entsprechend großer Durchflüsse von bis zu 10 m³ s⁻¹ ohne Pumpen und räumlicher Gegebenheiten – wie im neuen Wasserbaulabor der Universität für Bodenkultur Wien – können auch bei flussmorphologischen Modellen Skalierungseffekte klein gehalten und die Aussagekraft der Modelle erhöht werden.