Räumlich explizite Habitatmodellierung für die Bachforelle (Salmo trutta) in Schwall-Sunk beeinflussten Flussauen unter besonderer Berücksichtigung der Wassertemperatur
Creators: name: Hoppler, Luca
Publisher: name: ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften
Year: 2020
Subjects: Bachforelle
Salmo trutta
Habitatmodellierung
Wassertemperatur
Flussauen
Moesa
Schwall-Sunk
Thermopeaking
Brown trout
Habitat modelling
Water temperature
Floodplain
Hydropeaking
577: Ökologie
590: Tiere (Zoologie)

description: Speicher- und Pumpspeicherwasserkraftwerke sind eine bedeutende erneuerbare Energiequelle im Alpenraum. Die bedarfsorientierte, flexible Form der Stromproduktion führt jedoch in den nachgelagerten Fliessgewässern zu tagesrhythmischen, kurzfristigen Abflussschwankungen («Schwall-Sunk»), welche eine Vielzahl von ökologischen Beeinträchtigungen mit sich bringen können. Mitunter kann der Eingriff in das Abflussregime auch zu einer Veränderung des saisonalen sowie täglichen Verlaufs der Wassertemperatur führen. Es wird angenommen, dass sich die kurzfristigen thermischen Änderungen («Thermopeaking») auf das Verhalten und die Habitatwahl von Bachforellen (Salmo trutta) auswirken könnten. Durch eine neu entwickelte Funktion der numerischen Simulationssoftware BASEMENT war es erstmals möglich, neben der Wassertiefe und der Fliessgeschwindigkeit auch die Wassertemperatur in ein physikalisches Habitatsimulationsmodell für juvenile Bachforellen miteinzubeziehen. Eine morphologisch natürliche, verzweigte Flussaue an der Moesa im Kanton Graubünden diente dabei als Modellökosystem. Als Grundlage für die Habitatmodellierungen fungierte ein numerisches 2D-Modell, welches an der VAW und der EAWAG entwickelt wurde. Die Szenarien mit und ohne Schwall-Sunk wurden basierend auf den hydrologischen und meteorologischen Verhältnisse im Frühsommer abgeleitet. Um die Verfügbarkeit von thermisch geeigneten Jungfischhabitaten zu bewerten, wurden neue Indizes eingeführt und überprüft, inwiefern sich die thermisch geeigneten Habitate in Raum und Zeit mit hydraulisch geeigneten Habitaten überlagern.
Bei warmem, sonnigem Wetter mit hoher Strahlungsintensität waren die Voraussetzungen gegeben, dass sich im Tagesverlauf eine relativ hohe thermische Heterogenität einstellen konnte. Die Verfügbarkeit von thermisch geeigneten Jungfischhabitaten war eng an die räumliche Heterogenität der Wassertemperaturen geknüpft. Es wurde ein deutlicher Tagesgang mit einem Maximum um die Mittagszeit festgestellt. Die Ergebnisse zeigten weiter, dass den Seitenarmsystemen eine grosse Bedeutung als Jungfischhabitate zukamen, da sie sowohl einen hohen Anteil hydraulisch als auch thermisch geeigneter Habitate aufwiesen. Zudem wurde bei Schwall ein Grossteil der hydraulischen Habitate in die Seitenarme verlagert. Die Auswirkungen des Thermopeakings auf die thermische Heterogenität und die thermische Habitatverfügbarkeit hingen von der Temperatur der Wasserrückgabe und der Tageszeit ab. Unter Einhaltung der spezifischen Grenzwerte bezüglich der Pegel- und Temperaturänderungsraten könnte womöglich durch ein saisonal und tageszeitlich abgestuftes Betriebsregime eine hohe thermische Heterogenität und somit eine hohe Habitatvielfalt in der untersuchten Flussaue aufrechterhalten werden. Es wird angenommen, dass dadurch die Vitalität der Forellenpopulation gesteigert werden könnte.
Die neue Funktion in BASEMENT zur thermodynamischen Modellierung von Fliessgewässern birgt ein grosses Potenzial, um bei der Schwall-Sunk Sanierung die Wassertemperatur in die Bewertung der Habitateignung miteinzubeziehen. Die Erkenntnisse der vorliegenden Arbeit tragen dazu bei, die Effekte des Thermopeakings auf die Habitatdynamik in Fliessgewässern besser zu verstehen und leisten damit einen Beitrag zur ökologischen Sanierung der Wasserkraft.

Abstract: 
Storage and pumped storage hydropower plants are an important source of renewable energy in the Alpine region. However, the demand-oriented, flexible form of electricity production leads to circadian, short-term flow fluctuations in downstream rivers («hydropeaking»), which can imply multiple adverse effects on ecosystems. Occasionally, this artificial flow fluctuations can lead to changes in the seasonal and daily patterns in water temperature regime. It is assumed that shortterm thermal changes associated with hydropeaking (known as «thermopeaking») could affect the behaviour and habitat selection of brown trout (Salmo trutta). A newly developed feature of the numerical simulation software BASEMENT made it possible to include the water temperature in a physical habitat simulation model for juvenile brown trout to assess the impact of thermopeaking on habitat availability. In addition to water temperature, water depth and current velocity were used for habitat modelling. A natural braided floodplain on the Moesa river in the Canton of Grisons served as model ecosystem. At VAW and EAWAG a 2D numerical model was developed for the research perimeter, which was used as the basis for the habitat modelling. The scenarios with and without hydropeaking were derived based on the hydrological and meteorological conditions in early summer. In order to assess the availability of thermally suitable habitats, new indices were introduced. Moreover, the extent to which thermally suitable habitats overlap with hydraulically suitable habitats in space and time was examined.
At warm and sunny weather conditions with high global radiation intensity, the preconditions were in place, that a relatively high thermal heterogeneity could appear during the day. The availability of thermally suitable habitats for juvenile brown trout was closely related to the spatiotemporal heterogeneity of water temperatures. A clear diurnal cycle with a maximum about noon was found. The results further showed that the side arm systems were of great importance as juvenile habitats because they had both, a high proportion of hydraulically and thermally suitable habitats. In addition, most of the hydraulic habitats were shifted into the side arm systems during peak flow. The effects of thermopeaking on thermal heterogeneity and thermal habitat availability were depended on the temperature of the water release of the hydropower plant and time of the day. In compliance with the specific limits for flow and temperature alteration rates, a high thermal heterogeneity and thus a high diversity of thermal habitats could possibly be maintained by means of a seasonal and daytime adjusted operating regime. It is assumed that this could increase the vitality of the trout population in the investigated floodplain.
The new feature in BASEMENT for thermodynamic modelling of rivers has great potential to include the water temperature in the assessment of habitat suitability in the case of hydropeaking restoration. The findings of the present work help to better understand the effects of thermopeaking on habitat dynamics and thus contribute to the ecological rehabilitation of hydropower production.