Große Hydrologische Exkursion 2019

Die 'Große Hydrologische Exkursion' im Modul 'Regionale Hydrologie' fand im Jahr 2019 vom 19.08. bis 28.08. statt.  Die Ausflugsziele lagen in Süddeutschland, Österreich und der Schweiz. Besonderes Augenmerk lag auf den hydrologischen   Besonderheiten des Hochgebirges, der Beeinflussung und Veränderung des regionalen Wasserhaushalts durch die   Wasserkraftnutzung und auf geologischen und glazialen Einflüssen auf die Entwicklung von Flussläufen und Einzugsgebieten.  An der Fahrt nahmen sechs Hydrologie- und fünf Wasserwirtschaftsstudenten, geführt und begleitet von Dr. R. Schwarze,   Dr. T. Wöhling und Dipl.-Geol. (FH) J. Hofmann teil.

Montag, 19.08.2019	Anreise, Blautopf und Urspring - Karsthydrologie
Dienstag, 20.08.2019	Institut für Seenforschung in Langenargen am Bodensee
Mittwoch, 21.08.2019	Säntis - Wasserversorgung und Abwasserbehandlung in einer hochalpinen Tourismusregion
Donnerstag, 22.08.2019	Vorarlberger Ill-Werke - Pumpspeicherkraftwerk Kopswerk II, Silvretta-Stausee
Freitag, 23.08.2019	WKW Ruppoldingen - Laufwasserkraftanlage und Pilatus
Sonnabend, 24.08.2019	Felssturz Flims - Permafrost, Rheinschlucht
Sonntag, 25.08.2019	Aareschlucht, Grimselpass, Rhonegletscher, Rhonepegel in Gletsch
Montag, 26.08.2019	Massa-Pegel, Eggishorn - Aletschgletscher
Dienstag, 27.08.2019	Brig - Hochwasser- und Geschiebeproblematik
Mittwoch, 28.08.2019	Rheinfall, Rückreise

Tag 1 - Blautopf und Urspring

Die Exkursion begann mit einer Einführung in die Karsthydrologie und der Besichtigung zweier Karstquellen am Südrand der Schwäbischen Alb. Bei diesen handelte es sich um die zweitgrößte Karstquelle Deutschlands, den Blautopf in Blaubeuren und den nur etwa 10 km entfernten, deutlich kleineren Urspring-Quelltopf. Beide Quellen Speisen die Blau, die in Ulm in die Donau mündet. Karstsysteme entstehen in Kalksteinformationen bzw. -gebirgen durch Lösungsprozesse. Da Niederschlagswasser bei seinem Weg durch die Atmosphäre Kohlendioxid aufnimmt kann es den an sich gering wasserlöslichen Kalkstein auflösen, wodurch ausgedehnte Höhlen- und Röhrensysteme entstehen können. In diesem Zusammenhang wurde auch die Beeinflussung der Verlaufes der Donau bzw. Urdonau durch Verkarstungs- und Vergletscherungsprozesse erläutert. Am Ende des Tages wurde die erste Unterkunft in Bregenz bezogen.

Tag 2 - Institut für Seenforschung (isf)

Der zweite Tag führte die Studenten an das 'Institut für Seenforschung' der 'Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg' (LUBW) in Langenargen am Bodensee. Das Institut wurde 1919 als 'Anstalt für Bodenseeforschung der Stadt Konstanz' gegründet, zog 1920 nach der Gründung des 'Vereins für Seenforschung und Seenbewirtschaftun'g nach Langenargen, wurde 1936 der 'Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft' und 1975 der 'Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg' eingegliedert. Seine Hauptaufgaben sind die Erforschung des Bodensees, die Beobachtung und ökologische Bewertung der Standgewässer in Baden-Württemberg und die Beratung von Entscheidungsträgern sowie der Öffentlichkeit in Fragen des Gewässerschutzes. Zudem beteiligt sich das Institut an verschiedenen Forschungsprojekten. Der Bodensee, bestehend aus Ober- und Untersee liegt am Nordrand der Alpen. Die beiden Teilseen werden durch den Seerhein verbunden. Den Hauptzu- und abbluss bildet der Rhein. Im Rahmen des Besuchs des isf konnte die Gruppe an einer exemplarischen Messfahrt des Forschungsschiffes 'Kormoran' teilnehmen. Diese führte zur Rheinvorstreckung etwa 10 km südöstlich von Langenargen. Mit einer Multiparameter-Sonde (siehe Abbildung) wurden die Temperatur, der Sauerstoffgehalt, die Trübung und die elektrische Leitfähigkeit direkt im Tiefenprofil gemessen.

Tag 3 - Säntis

Der dritte Exkursionstag stand im Zeichen der Wasserwirtschaft im hochalpinen Raum. Das erste Ziel waren die Abwasserbehandlungs- und Trinkwassergewinnungs- und aufbereitungsanlagen auf der Schwägalb, am Fuße des Säntis.

Das Abwasser des ansässigen Hotels, einer Schaukäserei und weiterer kleinerer Einleiter werden in einer auf 780 Einwohnerwerte bemessenen Membran-Bioreaktor-Kläranlage gereinigt und anschließend in einen Vorfluter abgegeben. Zur Frischwassergewinnung dient eine nahegelegene Quellfassung mit angeschlossener Ultrafiltrationsanlage. Auf dem 2502 m über dem Meeresspiegel gelegenen Gipfel des Säntis befindet sich seit 1882 eine Wetterstation. Seit 1935 ist er mit einer Seilbahn von der Schwägalb aus erreichbar. 1998 wurde die bestehende Sendeanlage mit dem 123 hohen Antennenturm eröffnet. Zudem besteht ein Gastronomiebetrieb mit Platz für einige hundert Gäste, was mit einem entsprechenden Wasserbedarf und Abwasseraufkommen verbunden ist. Aufgrund der exponierten Lage ist eine Anbindung an die Trink- und Abwassernetze auf der Schwägalb nicht möglich, weshalb eine eigene Abwasserbehandlungs- und aufbereitungsanlage, ähnlich der auf der Schwägalb installiert werden musste. Da ihr Ablauf eine höhere Reinheit als derjenige auf der Schwägalb erreicht kann dieser nach einer anschließenden Desinzizierung als Brauchwasser wiederverwendet werden. Ein Teil wird auch in die Umgebung abgeleitet. Der übrige Frischwasserbedarf wird aus augefangenem Niederschlagswasser und mithilfe von an Seilbahngondeln montierbaren Wassertanks gedeckt.

Tag 4 - Ill-Werke

Tag Vier der Exkursion wurde von der Illwerke VKW, dem größten Energieversorger im westösterreichischen Bunsbesland Vorarlberg gleitet und unterstützt. Es wurde das Pumpspeicherkraftwerk Kopswerk II und zwei Stauseen, der Silvretta-Stausee und der Kopssee besichtigt.

Das Kopswerk II ist das leistungsstärkste Pumpspeicherkraftwerk der Illwerke. Die Pumpspeicherkraftwerke der Illwerke sind in das europäische Verbundnetz eingebunden und spielen eine wichtige Rolle in der Speicherung überschüssiger elektrischer Energie und der Bereitstellung wertvoller Spitzenenergie. Sie sind also von großer Bedeutung für die Einhaltung der Netzstabilität. Die Hälfte der bereitgestellten Energie verkauft das Unternehmen an die süddeutsche EnBW.

Bei der Betrachtung des augebauten Speicher- und Leitungssystems wird die Beeinflussung des lokalen und regionalen Wasserhaushalts deutlich. Die Stauseen fassen große Mengen Niederschlags- und Gletscherschmelzwassers, haben meist keinen Grundablass und geben dementsprechend kein Wasser in die ursprünglichen, natürlichen Gewässer ab. Die Einzugsgebiete der einzelnen Speicher wurden durch eine Vielzahl kleiner Sperren, Quellfassungen und Überleitungen oft stark verändert. Zudem gibt es Überleitungen zwischen den Stauseen. So werden auch Einzugsgebiete über über die europäische Hauptwasserscheide hinweg miteinander verbunden. Große Beeinflussung erfahren zudem die Gewässer unterhalb von Pumpspeicherkraftwerken, an deren Ganglinie deutlich der Wechsel zwischen Turbinen- und Pumpbetrieb abgelesen werden kann. An diesem Tag wurde das großzügige Mittagessen freundlicherweise von der Illwerke VKW gesponsort.

Tag 5 - WKW Ruppoldingen und Pilatus

Die zweite Möglichkeit aus der Energie des Wassers Elektrizität zu gewinnen sind Laufwasserkraftwerke. Sie nutzen die potentielle und kinetische Energie des aufgestauten Flusswassers, wobei im Vergleich mit Pumpspeicheranlagen die Fallhöhen deutlich kleiner, die Durchflüsse meist aber größer sind.

Das im Jahr 2000 in Betrieb genommene Laufwasserkraftwerk in Ruppoldingen im Norden der Schweiz staut die Aare durch eine regulierbare Wehranlage um bis zu 6,5 m an. Durch die vollständige Sperrung des Flussquerschnitts ist es notwendig die Durchgängigkeit für Wasserorganismen und Boote künstlich herzustellen. Zum Übersetzen von Booten dient eine gleisgebundene Bootstransportanlage am rechtsufrigen Rand des Wehrs.

Auf der gegenüberliegenden Flussseite wurden eine naturnahe Fischaufstiegsanlage und ein Umgehungsgewässer eingerichtet. Aufgrund der besonderen Bemühungen zur Erhaltung und Wiederherstellung der ökologischen Vielfalt und Qualität der Aare wurde das Kraftwerk mit dem 'naturemade star' zertifiziert. Zu diesen Bemühungen gehören außerdem Renaturierungsmaßnahmen zum Schutz der natürlichen Auenlandschaft am Standort der Vorgängeranlage, was zum Erhalt der natürlichen Dynamik des Gewässers beträgt.

Im Anschluss folgte eine Fahrt mit der steilsten Zahnradbahn der Welt auf den Pilatus. Am Ende des Exkursionstages wurde die neue Unterkunft in Luzern bezogen.

Tag 6 - Felssturz Flims, Rheinschlucht

Ziel des sechsten Tages war der Flimser Bergsturz und die Rheinschlucht im Osten der Schweiz, nahe Chur. Der Flimser Bergsturz ereignete sich vor etwa 10.000 Jahren, also am Ende der Würm-Kaltzeit, nach dem Rückzug der Gletscher vor Ort.

Der Felssturz wurde wahrscheinlich durch den Rückgang des Permafrostes im Zuge der allgemeinen Erwärmung ausgelöst. Der Fels verlor durch den Druck und die Scherwirkung des Gletschers seine Stabilität und wurde nur vom Permafrost zusammengehalten. Mit dem Auftauen desselben verlor er seine Stabilität vollständig und versagte.

Das Resultat war der wohl größte alpine Bergsturz mit einem Materialvolumen von 8 bis 9 km³. Dadurch wurde das Tal vollständig gesperrt, was zur Bildung des Ilanzer Sees an der Stelle der heutigen Stadt Ilanz, einige Kilometer rheinaufwärts von Flims führte. Der See bestand wohl einige Jahrhunderte bis der Schuttdamm brach. Der Rhein bzw. Vorderrhein erodiert sich seitdem ein neues Bett durch diese Schuttbarriere.

Tag 7 - Aareschlucht, Grimselpass, Rhonegletscher

Zwischen Meiringen und Innertkirchen im Berner Oberland im Zentrum der Schweiz zwängt sich die am Grimselpass entspringende Aare durch eine zwischen 1 und 40 m breite Schlucht in einem Kalkfelsriegel, die Aareschlucht.

Die heutige Aareschlucht ist die jüngste von insgesamt sieben durch der Aargletscher eingekerbten Quer- und Längsschluchten in diesem Felsriegel. Als der Gletscher noch bestand wurden Teile der Schlucht durch noch heute gut sichtbare Gletschermühlen physikalische erodiert. Hinzu kommt chemische Erosion durch im Laufe der Bodenpassage angesäuertes Niederschlagswasser.

Um das nächste Hauptziel des Tages, den Rhonegletscher zu erreichen folgte die Gruppe der Aare zu ihrer Quelle und überquerte den Grimselpass.

Das gesamte obere Einzugsgebiet der Aare ist aufgrund seines Niederschlagsreichtums und die günstige Geologie durch die Wasserkraftnutzung geprägt. Der Rhonegletscher ist touristisch stark ausgebaut. An ihm kann man deutlich das sukzessive Abschmelzen beobachten. Allein von 2016 bis 2017 kam es zu einer Längenreduktion von 36 m. Der Rhonegletscher kann durch eine künstlich angelegte Eisgrotte betreten werden. Der siebte Tag endete in der nächsten Unterkunft in Fiesch.

Tag 8 - Massa-Pegel, Eggishorn und Aletschgletscher

Exkursionstag Nummer 8 begann mit einer Besichtigung des Massa-Pegels am Fuße des Aletschgletschers. Die Massa entspringt ebendiesem Gletscher und mündet nach etwa 7 km in die Rhone. Der Massa besteht aus einem den ganzen Talquerschnitt zusammenfassenden Rechteck-Gerinne.

Die Messungen erfolgen inzwischen mithilfe eines Radarpegels. Zum Schutz des Gerinnes vor mitgeführtem Geschiebe, Sand, Kies und Geröll ist dieses mit speziellen Edelstahlplatten gepanzert. Im Zuge des Besuches wurden Testmessungen zur Kontrolle der per Fernübertragung übermittelten Wasserstände und -temperaturen durchgeführt. Im direkten Anschluss an den Pegel befindet sich der Sandfang des Wasserkraftwerkes Mörel. Grobes Geröll und Kies werden vor Eintritt in den Entsander zurückgehalten. Der Entsander selbst besteht aus Absetzbecken zur Sedimentation des Sandes. Dies soll übermäßigen Verschleiß in den Leitungen und besonders an der Turbine (Pelton) des Kraftwerks verhindern. Nicht turbinierbares überschüssiges Wasser wird mit Geschiebe am Sandfang vorbei über eine Rampe in Richtung Gibidium-Stausee abgeleitet.

Das zweite Ziel dieses Tages war das Eggishorn bzw. der unterhalb liegende Aletschgletscher. Der Große Aletschgletscher ist der flächengrößte und längste Gletscher der Alpen. In seinem Tal lässt sich gut seine historische Ausdehnung und der seitherige Rückgang erkennen.

Tag 9 – Brig

Die Stadt Brig bzw. Brig-Glis ist ein gutes Beispiel für menschengemachte Hochwasserrisiken und Hochwasserschutzmaßnahmen als Reaktion auf verheerende Flutkatastrophen. Durch das Städtchen im Süden der Schweiz fließen die Rhone und einer ihrer Nebenflüsse, die Saltina, die 'Sprunghafte'. Eine typische Eigenheit von Hochgebirgsflüssen ist die Mitführung großer Mengen Geschiebes im Fall eines Hochwassers.

Brig wurde im Laufe der Jahrhunderte vielfach von schweren Hochwassern getroffen, was oft mit teils enormen Materialansammlungen und Zerstörungen einherging. Das früheste dokumentierte Ereignis fand im Jahre 1331 statt. Um sich vor derartigen Ereignissen zu schützen das Land effektiver bebauen zu können wurden im Laufe der Jahrhunderte verschiedene flussbauliche Maßnahmen durchgeführt. Das Bett der Saltina wurde begradigt, eingeengt und zum Schutz vor Sohleintiefung durch Sohlschwellen fixiert. Die wichtige und bereits früh in Steinbauweise ausgeführte Saltina-Brücke wurde oft renoviert und den Erfordernissen der Zeit angepasst.

Zum Geschieberückhalt wurde 1923 oberhalb von Brig eine Geschiebesperre mit Dosierstrecke gebaut. Am 24. September 1993 ereignete sich ein schweres Hochwasser. Der Spiztenabfluss wurde auf etwa 100 m³/s geschätzt, der Pegel wurde bereits vor Erreichen dieses Werte zerstört. Dies enspricht einem Ereignis mit dem Wiederkehrintervall von 53 Jahren. Mit diesem Abfluss waren Geschiebefrachten von 1,0 bis 1,5 t/s verbunden. Die baulichen Veränderungen im Flussbett insbesondere im Bereich der Saltina-Brücke haben dort zu einer Ablagerung großer Mengen Sediments geführt, wodurch der Brückendurchlass vollständis ausgefüllt wurde und sich die Saltina ihren Weg durch die Stadt gesucht hat. In einigen Bereichen der Stadt stand das Wasser-Geschiebe-Gemisch 2 bis 3 m hoch. Zwei Menschen starben. Die materiellen Schäden beliefen sich auf etwa 500 Mio. Schweizer Franken.

Nach diesem schweren Ereignis wurde die Brücke durch eine im Hochwasserfall selbständig hebende Brückenkonstruktion ersetzt. Außerdem wurden einige konstruktive Änderungen im Gerinne durchgeführt. Die Maßnahmen hatten Erfolg. Im Jahr 2000 konnte ein noch schwereres Hochwasser mit einem Spitzenabfluss von 123 m³/s und einem Wiederkehrintervall von 88 Jahren schadfrei abgeführt werden. Nach der Besichtigung von Brig und dessen Hochwasserschutzanlagen ging es mit dem Autozug durch den Lötschbergtunnel und über Bern weiter nach Stein am Rhein, wo die letzte Unterkunft der Exkursion bezogen wurde.

Tag 10 - Rheinfall

Das letzte Ziel der Exkursion war der Rheinfall bei Schaffhausen im Norden der Schweiz. Dort überwindet der Rhein auf einer Breite von etwa 150 m eine Höhe von ca. 23 m. Am Tag des Besuchs betrug der Abfluss 575 m³/s. Der mittlere Durchfluss beträgt im Sommer 600 m³/s, im Winter 250 m³/s. Diese große Spanne ist typisch für teilweise glaziale Einzugsgebiete. Der Rheinfall in seiner heutigen Form besteht seit 14.000 bis 17.000 Jahren. Seine bisherige Entwicklung war von verschiedenen Gletschervorstößen in den letzten Eiszeiten und den so erzwungenen Umleitungen und den lokalen geologischen Eigenheiten des Untergrundes geprägt. Im Anschluss an diese Besichtigung wurde die Heimreise nach Dresden angetreten.

Danksagung

Besonderer Dank gilt den Exkursionsorganisatoren und -leitern Herrn Dr. R. Schwarze, Herrn Dr. T. Wöhling und Frau Dipl.-Geol. (FH) J. Hofmann, der Gesellschaft von Freunden und Förderern der TU Dresden e. V. für die großzügige Förderung der Exkursion und der illwerke vkw AG für die spannenenden Einblicke und ein reichhaltiges Mittagessen. Auch allen anderen Beteiligten soll ein herzliches Dankeschön ausgesprochen werden.