Große Hydrologische Exkursion 2017

12. bis 20. August 2017

Masterstudiengang Hydrologie, 2. Semester
Betreuer: Dr. Robert Schwarze, Jutta Hofmann, Dr. Thomas Wöhling

Samstag, 12. August 2017 - Anreise, Blautopf

Am Samstagmorgen begann die Große Hydrologische Exkursion mit 11 Teilnehmern in Dresden. Auf dem Weg zur ersten Jugendherberge in Stein am Rhein wurde der Blautopf in Blaubeuren als Zwischenstopp angesteuert. Der Blautopf ist die zweitgrößte Karstquelle Deutschlands und besitzt ein 165 km² großes und verzweigtes unterirdisches Einzugsgebiet. Er verdankt seinen Namen der charakteristischen Blaufärbung aufgrund von Lichtstreuungseffekten, welche durch die im Wasser enthaltenen Kalkpartikel und die kreiskegelartige Geometrie des Blautopfes begünstigt werden. Der Blautopf ist außerdem die Quelle der Blau, welche nach rund 22 km der Donau zufließt. Anschließend erreichten die Exkursionsteilnehmer Stein am Rhein und ließen den ersten Exkursionstag bei einer Besichtigung der historischen Altstadt ausklingen.

Sonntag, 13. August 2017 - Rheinfall, Steingletscher/Sustenpass, Aareschlucht

Der erste Exkursionspunkt am Sonntag war der Rheinfall in Schaffhausen. Der Rheinfall ist der größte Wasserfall Mitteleuropas und befindet sich auf der Fließstrecke des Hochrheins zwischen dem Bodensee und Basel. Das MQ des Rheinfalls beträgt im Sommer 600 m³/s und im Winter lediglich 250 m³/s. Diese große Spannweite ist charakteristisch für ein alpines, teilweise vergletschertes Einzugsgebiet, da Niederschlag im Winter als Eis und Schnee gespeichert wird und nach der Schneeschmelze sowie infolge der sommerlichen Gletscherschmelze die größten Abflüsse zwischen Mai und August verzeichnet werden. Die Entstehung des Rheinfalls vor rund 17.000 Jahren begründet sich durch verschiedene Ablenkungen und Zuschotterungen des Rheins in Riss- und Würmeiszeit. Nach dem Würmmaximum grub der Rhein erneut eine Rinne durch das zurückgebliebene Moränenmaterial, bis er eine schlecht zu erodierende Malmkalkschwelle erreichte und gleichzeitig auf ein mit Lockermaterial gefülltes altes Flussbett stieß, welches er leicht ausspülen konnte. Der Rhein stürzt seitdem über die harte Kalkplatte in sein risseiszeitliches Flussbett.

Der nächste Exkursionspunkt war die Besichtigung der Aareschlucht nach einer Fahrt über den Sustenpass und Mittagspause mit Alpenpanorama. Die am Grimselpass entspringende Aare erodierte hier eine Schlucht durch ein extrem hartes Örlikalkmassiv. Dies konnte gelingen, da durch Risse im anstehenden Gletscher Niederschlagswasser durch den Gletscher hindurch über den Kalksteinfelsen geleitet wurde und somit tektonisch vorgeprägte Durchbruchschluchten entstanden. Die Kräfte des anstehenden und zeitweise überlagernden Gletschers und seiner Schmelzwässer werden durch hohlraumartige Vertiefungen im Gestein, den sogenannten Gletschermühlen bezeugt.

Das letzte Ziel des Tages war die Jugendherberge in Fiesch, welche uns die nächsten vier Nächte beherbergen sollte.

Montag, 14. August 2017 - Lac Souterrain, Grande Dixence, Erdpyramiden, Sion

Am dritten Tag standen die verschiedensten Exkursionsziele an. Zuerst wurde der unterirdische See St. Leonard per Boot befahren. Die Höhle entstand durch Hydratationsverwitterung einer wasserlöslichen, porösen Gipsschicht zwischen wasserundurchlässigem Gestein. Die Hydratationsverwitterung bewirkt eine Volumenvergrößerung von Anhydrit zu Gips von bis zu 60 %, was eine hohe Sprengkraft zur Folge hat. Der aufgeblähte Gips löst sich ab und fällt auf den Grund des Sees, darüber bildet sich eine Höhle. Dieser Prozess wird auch Desquamation (Abschuppung) genannt.

Das zweite Tagesziel waren die Erdpyramiden von Euseigne im Eringertal. Die Erdpyramiden sind in der Würmeiszeit vor ca. 80.000 bis 10.000 Jahren aus den Seitenmoränen zweier Nebengletscher des Eringergletschers entstanden, welche sich bei Euseigne zu einer Mittelmoräne verbanden. Diese Moräne enthielt neben feinem Material auch grobes Geschiebe und große Felsbrocken. Unter Einfluss von Niederschlag und Schmelzwasser erodierte die Moräne. Die Felsbrocken konnten anders als das restliche Moränenmaterial nicht erodiert werden und schützten gleichzeitig das unterliegende Material vor Erosion, so dass lediglich die Pyramiden bestehen bleiben. Irgendwann werden die Pyramiden zerfallen, da sie unter ständigem Einfluss von Sickerwasser stehen und durch Frost- und Tau strapaziert werden. Das Material wird dadurch instabil und die Brocken auf der Spitze werden herunterfallen. Ohne die schützende Bedeckung werden die Pyramiden rasch abgetragen.

Am Nachmittag stand die größte Gewichtsstaumauer der Welt (285 m), die Grande Dixence in den Walliser Alpen, auf dem Programm. Die Mauer wird von einem kilometerlangen Stollen durchzogen, welcher am Exkursionstag besichtigt wurde. Auch eine Begehung der Mauerkrone stand auf dem Programm. Die Grande Dixence gehört zu einem Wasserkraftkomplex bestehend aus fünf Pumpstationen, drei Kraftwerkszentralen und über 100 km unterirdische Zuleitungen. Die Anlage produziert zwei Milliarden kWh Strom pro Jahr.

Als Tagesabschluss erfolgte eine individuelle Besichtigung des Stadtzentrums von Sion, welche zum Eisessen und Einkaufen genutzt wurde.

Dienstag, 15. August 2017 - Aletsch, Marjelensee

Am Dienstag stand die Besteigung des Eggishorns im Rahmen einer ganztägigen Exkursion zum Aletschgletscher an. Nach einer Fahrt mit der Gondel eröffnete sich bereits ein überwältigender Blick auf den Gletscher, welcher nach einer kurzen Wanderung auf das 2926 m ü.M. hohe Eggishorn noch übertroffen wurde. Der Aletschgletscher ist mit 23 km Länge und einer Fläche von circa 80 km² der größte Alpengletscher. Aufgrund steigender Temperaturen wird ein starker Rückgang des Gletschers verzeichnet.

Nach der Eggishornbesteigung erfolgte der steile Abstieg zum Marjelen-Stausee mit anschließender Mittagspause. Für Wagemutige stand daraufhin der Abstieg bis hinab zum Aletschgletscher an. Durch den Tälligrat-Tunnel ging es abschließend Richtung Fiescheralp, welche das Ende unserer anstrengenden Wanderung darstellte.

Mittwoch, 16. August 2017 - Massa Pegel, Brig

Am 5. Tag der Exkursion stand zunächst ein Besuch des Massa-Pegels an. Die Pegelstation liegt an der aus dem Aletsch-Gletscher hervorgehenden Massa, die in den Gibidum-Stausee mündet, welcher oberhalb des Dorfes Blatten bei Naters (Kanton: Wallis) liegt. Das Wasser der Massa wird teils energetisch verwertet und mündet in die Rhone. Aus der Weite bot sich bereits ein Anblick der immensen Abflüsse, die im Sommerhalbjahr durch Schmelzvorgänge am Gletscher zustande kommen. Das Wasser wird über ein Überfallwehr geführt, um die große Spannweite an Abflüssen (Winter: bis zu < 1 m³/s, Sommer: bis zu > 80 m³/s) messbar zu machen. Der maximale Abfluss schließt eine konventionelle Messung via Messflügel aus, weswegen Radarmessungen zur Bestimmung des Wasserstandes verwendet werden, aus dem durch eine W-Q-Beziehung des Pegels ein Durchfluss abgeleitet werden kann.

Die Rampe führt nicht verwertetes Wasser Richtung Gibidum-Stausee

Zur energetischen Verwertung wird ein Teil des Wassers vor Ort in einer Entsanderanlage gereinigt. Das über ein Rechen und einen Entkieser grob gereinigte Wasser gelangt unterirdisch parallel zu dem auf linken Bild festgehaltenen Steg (von links nach rechts) in zwei Sedimentationsbecken, während Steine, Eisschollen etc. über die Rampe Richtung Gibidum-Stausee geleitet werden. Nach den Sedimentationsbecken wird das Wasser zunächst über eine Freispiegelleitung und anschließend durch einen Druckschacht zum Kraftwerk Mörel (675 m Fallhöhe) geleitet, wo mit einer Peltonturbine eine Energie von 170 GWh pro Jahr für die Region produziert wird.

Im Anschluss wurde die 13.000 Einwohner große Gemeinde Brig-Glis besucht, durch die der Fluss Saltina in kanalisierter Form auf 10 m Breite verengt fließt. Im Jahr 1958 wurde die sich im Stadtzentrum befindende Saltinabrücke erneuert. Infolge dessen wurde kurz vor der Brücke eine Durchflussschwelle eingebaut, um das vorherige Durchflussprofil möglichst zu erhalten. Am 24.09.93 ereignete sich dort ein Hochwasser, das zum Übertreten der Saltina führte. Die großen Wassermengen transportierten viel Geschiebe mit sich, welches nicht mehr durch den Geschieberückhalt vor der Gemeinde zurückgehalten werden konnte. Somit verlagerte sich das Geschiebe massiv in das Zentrum von Brig. An der benannten Schwelle überschlugen und verkeilten sich mitgeführte Baumstämme. Es kam zu einer extremen Verklausung und Schuttablagerungen, die zusammen mit den Baumstämmen eine Rampe zur Brücke bildeten. Als Folge der darauffolgenden Überschwemmung kam es zu meterhohen Ablagerungen in der Gemeinde, zwei Menschen ertranken und Schäden im Wert von über 500 Millionen Franken waren zu verzeichnen.

Um die Gemeinde vor zukünftigen Hochwässern zu schützen, ist ein Hochwasserschutz-Konzept entwickelt worden. Dazu gehören die Geschiebekammern im Einzugsgebiet der Saltina, die regelmäßig ausgebaggert werden, sowie die Erhöhung der Kanalmauern innerhalb der Gemeinde. Vor allem die 1997 fertiggestellte neue Hubbrücke stellt eine zentrale Innovation dar. Sie ist mit einem 50 m³ großen Gefäß verbunden, das sich ab einem gewissen Schwellenpegel mit dem Wasser der Saltina füllt und innerhalb von sechs Minuten die 152 t schwere Brücke heben kann. Durch diese rein mechanische Vorrichtung wird eine automatische Reaktion bei Hochwasser gewährleistet, die eine Verklausung verhindern soll. Zum Zeitpunkt des Besuchs zeigte sich die Brücke im Normalbetrieb mit leeren Behältern (Bild 10).

Nach der Rückkehr in die Herberge wurde die Chance für einen gemeinsamen Grillabend genutzt, wobei sich die Studenten etwas persönlicher mit den Dozenten über ihre zahlreichen Erlebnisse von vergangenen Exkursionen austauschen konnten und so manche Geschichten zu hören bekamen.

Donnerstag, 17. August 2017 - Rhone, Alpenpässe, europäische Wasserscheide

Blick in Richtung Rhonegletscher (hinter der Gesteinsfront am Horizont)

Am Donnerstag wurde zunächst der Ort Gletsch auf 1761 m ü.A. besucht, bei dem der oberste Pegel (Radarmessung) der Rhone (deut.: Rotten) liegt. Das mit einer Vergletscherung von 52 % glazial geprägte Gebiet weist Durchflüsse von bis zu 56 m³/s auf und ist durch den Rückgang der Gletscher betroffen. Zum Zeitpunkt der Exkursion befand sich das Regime kurz nach der Sommerspitze, wobei 2017 bis dahin ein besonders nasses Jahr war und hohe Abflusswerte aufwies. Die Ortschaft Gletsch erlangte ab Mitte des 20. Jahrhunderts große Popularität durch ihre unmittelbare Nähe zum Gletscher und der sehenswerten Umgebung mit dem gletschergeprägten, trogförmigen Tal sowie Moränenzügen der jeweiligen Eisvorstöße und wurde entsprechend touristisch ausgebaut. Außerdem konnte aus dem Fluss Wasserkraft gewonnen werden. Das Ende des Gletschers stellt gleichzeitig die Quelle der Rhone dar. Nach dem Ende der sogenannten kleinen Eiszeit verlagert sich dieser Ort immer weiter nach oben, indem die Eismassen allmählich abschmelzen.

Rhonegletscher von oben (derzeit Untersuchungen mit Planen, unterer Rand)

Nach dem Ort Gletsch ging es über das Gotthardmassiv, welches entlang seiner Pässe auch die europäische Wasserscheide zwischen Nordsee und Mittelmeer bildet. Leicht westlich des Furkapasses entspringt die Rotten (frz.: Rhone). Das vergletscherte Gebirgsmassiv im Südwesten der Schweiz, in den Kantonen Bern und Vallis liegend, stellt eines der höchsten Zentraleuropas dar. Dementsprechend finden sich hier viele Gebirgspässe, an denen ebenso die Flüsse Ticino (mündet in den Po), Reuss (mündet in den Rhein) und der Rhein entspringen.

Zum Abschluss des Tages wurde die neue Unterkunft am Bodensee auf österreichischer Seite bezogen und die schöne Gegend individuell erkundet. Besonders schön hierbei war natürlich der Bodensee selbst, der eine noch angenehme, erfrischende Temperatur hatte.

Freitag, 18. August 2017 - Vorarlberg Kraftwerk

Am 7. Tag waren die Vorarlberger Illwerke Ziel der Exkursion. Das Unternehmen befindet sich mehrheitlich im Besitz des Landes Vorarlberg und beschäftigt insgesamt 1200 Mitarbeiter. Die Illwerke stellen Regel- und Spitzenenergie (Grundlast und Spitzenlast) für 210000 Haushalte bereit und sind für den Erhalt, Betrieb und Ausbau der insgesamt 26 Kraftwerke mit insgesamt 2000 MW Leistung verantwortlich. Das Land Vorarlberg bietet mit seinem ausreichenden Wasserdargebot (Niederschlag bis zu 3000 mm/a), seinen Hochtälern (Aufstau der Ill in mehreren Staustufen möglich) und den kurzen Distanzen zwischen den Stauseen und dem Kraftwerk (hoher Wirkungsgrad) ideale Voraussetzungen zum Bau und Betrieb von Pumpspeicherkraftwerken.

Nach dem Besuch der Zentrale (Bild 13), folgte das Highlight des Tages, das Kopswerk II. Das Pumpspeicherwerk liegt auf 1025 m ü.A. und beherbergt drei Maschinensätze, die jeweils aus Turbine (Peltonrad), Generator und Pumpe bestehen und auf ein Gesamtgewicht von 1350 t kommen. Mit einem enormen Pumpvolumen von 56 m³/s kann bei Energieüberschuss das Wasser in höhere Lagen gepumpt werden. Die Besonderheit hierbei ist der „hydraulische Kurzschlussbetrieb“, bei dem ein Parallelbetrieb von Turbine und Pumpe erfolgt, wobei die Turbine bereits den Großteil der von der Pumpe benötigten Energie zur Verfügung stellt und im Netz vorhandene überschüssige elektrische Energie den Rest stellt, um das gerade turbinierte Wasser wieder ins Oberbecken zu pumpen und gleichzeitig den Energieüberschuss abzubauen.

Im Anschluss an das Kopswerk II wurden die oberstromig liegenden Stauseen besichtigt. Der am höchsten gelegene Silvrettasee stellt die Wasserscheide zwischen Donau und Rhein dar: Nach Osten entwässert er über Trisanna, Inn und Donau ins Schwarze Meer, nach Westen über Ill und Rhein in die Nordsee. Der See wird als Jahresspeicher genutzt (das hauptsächlich im Sommer anfallende Dargebot aus Schnee- und Gletscherschmelze sowie Regen wird hauptsächlich im Winter verbraucht). Eine Besonderheit des weiter unterhalb gelegenen Kopssees ist die Kombination einer Bogen- und einer Gewichtsstaumauer. Dies wurde erforderlich, da der linke Hang die von der Bogenstaumauer übertragenen Kräfte nicht aufnehmen konnte, eine Gewichtsstaumauer über den gesamten Talquerschnitt aber zu teuer geworden wäre.

Der im Gebiet gelegene und für die Wasserverfügbarkeit zuständige Ochsentaler Gletscher hat in den letzten 65 Jahren 30 % an Fläche verloren. Infolge der verstärkten Gletscherschmelze erhöht sich das Wasserdargebot für die Energieproduktion. Diese Entwicklung hatte und wird bei anhaltender Erwärmung durch die gegenwärtige Klimaänderung vermutlich auch in Zukunft zunächst noch einen positiven Effekt auf die Energieproduktion im Gebiet des Vorarlbergs haben, in zirka 40 Jahren jedoch ein Ende finden. Der Gletscher wäre dann so weit abgeschmolzen, dass sein Schmelzwasser keine Rolle mehr für das Wasserdargebot spielt. Dadurch stünde dann nur noch das Dargebot aus Niederschlägen zur Verfügung. Welche Auswirkungen das auf die Energieproduktion hat und welche Anpassungsmaßnahmen möglich sind, ist Gegenstand aktueller Untersuchungen.

Samstag, 19. August 2017 - Flimser Bergsturz

Am letzten Tag der großen Exkursion wurde der Flimser Bergsturz besucht. Das größte bekannte Bergsturzereignis der Alpen fand vor ca. 9.500 Jahren im heutigen Flims im Vorderrheintal in Graubünden statt und führte zur Umlagerung von einem gigantischen Gesteinsvolumen, was heute noch durch Trümmerfelder an den Talhängen angedeutet wird. Inzwischen ist klar belegt, dass es sich um ein nacheiszeitliches Ereignis handelt. Der Bergsturz ist ein Ereignis der Kalkalpen und besitzt sowohl Ursachen in der Gebirgsbildung als auch in der Vergletscherung des Vorderrheintales. Nach dem Abtauen des Gletschers blieb vorerst noch der Permafrost in den tiefen Gesteinsspalten und stabilisierte die Bergmasse. Das langsame Auftauen des eingelagerten Eises führte dann zu einer Destabilisierung des gestressten Materials. Es wird davon ausgegangen, dass der Hang nicht etappenweise, sondern mit einem Mal abgerutscht ist. Die Sturzmassen gelangten damals mit solch einer Wucht in das Tal, dass sie am gegenüberliegenden Hang abprallten und sich dort auftürmten. Durch das fortschreitende Einschneiden des Rheins in kalkhaltigen Gesteinscluster wurde und wird auch die Verkarstung des Gebietes begünstigt.

Auch hier konnten mutige Exkursionsteilnehmer sich nochmal beweisen, dass ihnen die doch sehr niedrigen Temperaturen des Rheins nicht zu schaffen machen und sie den bevorstehenden Widerständen gleichermaßen trotzen können.

Nach dem Besuch des Bergsturzes, der gleichzeitig der letzte Exkursionspunkt war, ließen die Teilnehmer den Abend gemütlich bei der Unterkunft ausklingen und freuten sich bereits auf die Rückkehr ins geliebte Heim.

Danksagung

Die Studenten bedanken sich für eine abwechslungsreiche Woche mit Ausblicken und Perspektiven für die Zeit nach dem Studium.

Besonderer Dank gilt der Gesellschaft von Freunden und Förderern der TU Dresden e.V., welche die Exkursion, wie schon in den Jahren zuvor, finanziell unterstützt hat.

Weiterer Dank gilt den Vorarlberger Illwerke AG für die Führung durch die Kraftwerkskavernen und das bereitgestellte Mittagessen.

Ein großes Dankeschön geht auch an das Institut für Hydrologie und Meteorologie für die Organisation und Betreuung der Exkursion, speziell an Herrn Dr. Robert Schwarze, Frau Dipl.-Geol. Jutta Hofmann und Herrn Dr. Thomas Wöhling.

Autoren: Lisa Weiß, Benjamin Gutzmann