Priorisierung von Querbauwerken zur Wiederherstellung der ökologischen Durchgängigkeit : ein GIS-basierter Modellansatz für Flusseinzugsgebiete
Fließgewässer sind Wanderkorridore für viele aquatische, amphibische und terrestrische Arten. Die Ausbreitung von Organismen ist Grundlage für Neu- und Wiederbesiedlungsprozesse und bestimmt das Vorkommen und die räumliche Verbreitung von Arten. Beeinträchtigt wird die natürliche Ausbreitung aquatischer Organismen durch anthropogen bedingte degradierte und hydromorphologisch veränderte Gewässerabschnitte sowie insbesondere durch Querbauwerke. Die Wiederherstellung fließgewässer-typischer Prozesse und Lebensräume, verbunden mit der ökologischen Durchgängigkeit, ist daher eine Kernaufgabe zur Erreichung eines guten ökologischen Zustandes innerhalb eines Fließgewässerökosystems. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein räumlich expliziter und interdisziplinärer Modellansatz zur Priorisierung von Maßnahmen an Querbauwerken für die Wiederherstellung der ökologischen Durchgängigkeit entwickelt und angewendet. Verwendet wurden hierzu ein Modell zur Identifikation geeigneter Habitate für ausgewählte Fischarten sowie ein Modell zur Berechnung und räumlichen Simulation der artspezifischen Fischausbreitung im Gewässersystem. Dazu wurde eine Auswahl von Umweltvariablen, im Wesentlichen bestehend aus den flächendeckend verfügbaren Daten der Gewässerstrukturgütekartierung, zusammengetragen. Die maßgebliche Analyse der verwendeten Grundlagen bestand in der Verschneidung und automatisierten Auswertung beider Modellergebnisse, woraus sich Lage und Entfernung geeigneter Habitate sowie ihre Erreichbarkeit in Abhängigkeit von Querbauwerken ergeben. Es wurden artspezifische Habitat-Erreichbarkeits-Indizes abgeleitet, die den Grad der Diskonnektivität durch Querbauwerke beschreiben.
Der entwickelte Modellansatz wurde für 15 Leitfischarten des Ruhr-Einzugsgebietes in Nordrhein-Westfalen angewendet. Bewertet und priorisiert wurden rd. 3.500 Querbauwerke für das aktuelle Verbreitungspotenzial (modellierter Ist-Zustand) und das potenziell natürliche Verbreitungspotenzial (Soll-Zustand) der jeweiligen Fischarten. Die Ergebnisse zeigen, dass große, tendenziell schwimmstärkere Arten stärker von der Unterbrechung der ökologischen Durchgängigkeit betroffen sind als kleinere, schwimmschwache Arten. Die räumliche Lage der Ausgangspopulationen sowie die Ausbreitungsfähigkeiten der betrachteten Arten konnten als bedeutendste Komponenten zur Bewertung der Diskonnektivität identifiziert werden. Nur ein geringer Zusammenhang wurde für die Priorisierungsergebnisse und die räumliche Lage (Geländehöhe und Distanz zur Quelle) der betrachteten Querbauwerke sowie deren Fallhöhe festgestellt.
Weiterhin haben die Auswertungen zum aktuellen Verbreitungspotenzial der Fischarten gezeigt, dass der Rückbau weniger Querbauwerke (< 20%) ausgehend vom Ist-Zustand die Wiedererschließung einer verhältnismäßig großen Anzahl bisher nicht erschließbarer, verbliebener Habitate (> 50 %) ermöglicht.
Die Priorisierung von Maßnahmen zur Verbesserung der ökologischen Durchgängigkeit sowie die Renaturierung von Fließgewässerabschnitten erfordert die Betrachtungen fischökologischer Aspekte wie z. B. der Habitatverfügbarkeit und -erreichbarkeit. Der entwickelte Modellansatz liefert somit ausgehend vom Ist-Zustand eine aktive und effiziente ökologisch-basierte Entscheidungsgrundlage für die laufende Bewirtschaftungsplanung zur Umsetzung der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie.
River systems are characteristic elements of our landscape that provide manifold ecological functions. Rivers are dendritically connected ecosystems constituting migratory corridors for many aquatic, amphibian and terrestrial species. The dispersal of organisms is a key aspect for recolonization processes and influences the occurrence and spatial distribution of different species. The natural distribution of aquatic organisms is negatively influenced by the anthropogenic degradation and hydromorphological alteration of streams as well as by the interruption of their longitudinal continuity caused by barriers. Thus, the restoration of processes and habitats typical of natural river systems, combined with the restoration of ecological continuity is a core task to improve the ecological integrity of river ecosystems. Within this thesis, a spatio-temporally explicit and interdisciplinary modelling approach was developed to prioritize measures at barriers to restore ecological continuity for potamodromous river fish. Therefore, a model to identify suitable habitats for selected fish species and another model to calculate and simulate their dispersal within the river network was applied. For this purpose, a selection of environmental variables was compiled, mainly consisting of available hydromorphological data. Consecutively, the results of both models were combined and jointly assessed to provide a decision support analysis to inform about the localization and distance of suitable habitats as well as their accessibility in dependency of barriers. Based on that, species-specific habitat-accessibility-indices were developed, describing the degree of disconnectivity caused by single barriers.
The developed modelling approach was applied for 15 key fish species in the Ruhr catchment area in North Rhine-Westphalia. Around 3.500 physical barriers were assessed and prioritized for the potential current distribution area (modeled status quo) and the potentially natural distribution area (target status) of the selected fish species. The results revealed that larger-bodied species with commonly greater dispersal abilities are more affected by interruptions of the ecological continuity compared to smaller-bodied species with lower dispersal abilities. The spatial distribution of the source populations of the studied species as well as their dispersal capabilities were identified as most critical components in the assessment of disconnectivity. The prioritization results were only marginally related to the spatial position (elevation and distance to the source) and of the drop height of a given barrier. Moreover, the analyses based on the current distribution of fish species indicated that the improvement of the passability, or the removal of just a small number of barriers (< 20%), might improve the accessibility to a relatively large area of suitable habitats (> 50%) that were previously inaccessible. The results of this work strongly suggest that the prioritization of measures to improve ecological continuity and the restoration of river reaches will be most successful if they are based on fish ecological aspects such as habitat availability and accessibility. Thus, the developed modelling approach provides based on the current situation an active and efficient ecologically based framework for the ongoing management of river ecosystems, for example, within the scope of the European Water Framework Directive.
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