The long-term-memory of a typical mid-European upland to lowland river : or why we struggle to reach a good ecological state for our rivers

Wolf, Stefanie Sabine; Schüttrumpf, Holger; Lehmkuhl, Frank

doi:HT030046745

The long-term-memory of a typical mid-European upland to lowland river : or why we struggle to reach a good ecological state for our rivers

Wolf, Stefanie Sabine^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Stefanie Sabine Wolf

Ausgabe[überarbeitete Auflage]

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme, Karten

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Überarbeitete Auflage mit Korrektur von Abbildungen. - Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Schüttrumpf, Holger (Thesis advisor)^RWTH* ; Lehmkuhl, Frank (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-05-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-06686
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/961214/files/961214.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft (314410)

Projekte

DFG project 418362535 - "Humanized River Systems“ – Der Einfluss von Landnutzungsänderungen und Industrialisierung auf die Morphodynamik kleiner Fließgewässer im Übergang vom Mittelgebirge zum Tiefland: Beispiele aus dem Rureinzugsgebiet (418362535) (418362535)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Gewässerentwicklung (frei) ; Talsperrenbau (frei) ; Wasserwirtschaft (frei) ; river’s connectivity behavior (frei) ; river’s morphology (frei) ; suspended sediment transport (frei) ; water resources management (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Der menschliche Einfluss auf Flüsse in Mitteleuropa reicht viele Jahrtausende v. Chr. zurück, als sich Landwirtschaft und Waldrodung intensivierten. Viele Gewässerveränderungen stammen aus dem Mittelalter, wie z. B. Mühlengräben, die noch heutzutage von der Industrie genutzt werden. Mit der Industrialisierung kamen Flussbegradigungen und der Talsperrenbau hinzu. Heute lässt sich durch die Überlagerung morphodynamischer Prozesse vergangener und aktueller Maßnahmen nur schwer bestimmen, wie sich ein Gewässer potentiell weiter entwickeln wird. Eine systematische Bewertung der Morphodynamik kann daher eine nachhaltige Wasserwirtschaft unterstützen. Unser Modellgebiet, die Rur (Nordrhein-Westfalen, Deutschland) ist ein typischer mittelgroßer mitteleuropäischer Fluss, dessen Einzugsgebiet von Industrialisierung und sieben Talsperren geprägt ist. Um anthropogene Einflüsse auf die Gewässermorphologie qualitativ und quantitativ auf verschiedenen Raumskalen zu bewerten, wurden neben dem Einfluss der Wasserwirtschaft verschiedener Epochen, der Einfluss einzelner Maßnahmen auf die Sedimentkonnektivität sowie die langfristigen Folgen des Talsperrenbaus untersucht. Hierfür wurden morphologische Veränderungen in den letzten 200 Jahren über GIS ermittelt. Mithilfe von Strukturindikatoren wurden Flussbegradigung und Änderungen in der Strukturvielfalt beschrieben und wasserwirtschaftlichen Epochen zugeordnet. Für die Ermittlung der Maßnahmen mit den gravierendsten Auswirkungen auf den Sedimenttransport wurde eine Schlüsselkurve zwischen Suspensionsfrachttransport und Abfluss verwendet. Darüber hinaus wurden die Auswirkungen von Talsperren auf die Morphologie im Unterlauf hybrid mittels Feldmessungen und numerischer Modellierung untersucht. Insgesamt wurden fünf wasserwirtschaftliche Epochen in den letzten 200 Jahren identifiziert: die Vorindustrielle Epoche (Mitte 18. Jh. - Mitte 19. Jh.), die Industrielle Epoche (Mitte 19. Jh. - Erster Weltkrieg), die Landwirtschaftliche Epoche (nach dem Ersten Weltkrieg - 1980er Jahre), die Epoche Ökologischer Verbesserung (1980er Jahre - 2000) und die Epoche der EU-WRRL (ab 2000 bis heute). Dabei beinhalteten sowohl die Industrielle als auch die Landwirtschaftliche Epoche Flussbegradigungen, zum Teil ohne direkte Wasserbaumaßnahmen. Passend konnte der Schwebstofftransport als morphodynamischer Haupttreiber genauer beschrieben werden, wenn die Flussabschnittslänge und Talsperren mit einbezogen wurden. Diese Ergebnisse sind allerdings eng mit dem gewässerspezifischen Konnektivitätsverhalten verbunden. Die Talsperren der Rur führen flussabwärts zu Sedimentdefiziten, gröberen Sohlsedimenten sowie zu Änderungen im Abflussregime. Während die sedimentologischen Veränderungen durch die lokale Lithostratigraphie überlagert werden, führen die Änderungen im Abflussregime zu einer starken Entkopplung der Auen. Die natürlichen Rahmenbedingungen bilden das Fundament für die Gewässerentwicklung. Insbesondere die Geomorphologie wirkt auf verschiedenen Raumskalen und führt zu einem spezifischen Fingerabdruck in der Konnektivität eines Flusses. Da die aktuelle Sozioökonomie die Prioritäten in der Wasserwirtschaft bestimmt, bedarf es einer Anpassung dieser sowie einer Implementierung der Wasserwirtschaft in die aktuelle politische Agenda, um eine nachhaltige Entwicklung der Flüsse zu erreichen. Außerdem muss die Bewertung des Konnektivitätsverhalten in die Wasserwirtschaft mit einbezogen werden, um sie mit der natürlichen Entwicklung eines Flusses in Einklang zu bringen.

Anthropogenic impacts on rivers date back several millennia BC, starting with agricultural land use and deforestation. In Europe, many of today’s measures, like mill ditches, still used by industries for process and cooling water today, originate from medieval times. With Industrialization, rivers were regulated, and large dams were constructed. Until today, several resulting morphodynamic processes from former and recent measures overlap, and it is almost impossible to determine how the river’s morphology will develop in the future. Thus, systematically evaluating the river’s morphological behavior supports sustainable water resources management. The Rur River (North Rhine-Westphalia, Germany) is a model example for a typical mid-sized mid-European low-mountain to lowland river whose catchment has been affected by industrial development, including the construction of seven reservoirs. In this thesis, anthropogenic impacts are evaluated qualitatively and quantitively on different spatial scales. We identify the morphological developments from different eras affecting the Rur River until today, specific measures of water resources management impacting the sediment connectivity, and long-term impacts of damming to assess boundaries for a river’s morphological development. Morphological changes over the last 200 years are determined in GIS. Changes in river straightening and structural diversity are described by structural indicators and correlated with eras of water resources management. The most severe measures affecting sediment transport are identified by modifying the sediment rating curve. A hybrid examination of field measurements and numerical modeling investigates the impact of large dams on the downstream’s morphology. We identified five eras characterized by priority shifts in water resources management during the last 200 years: The Pre- Industrial Era (mid-18th – mid-19th century), the Industrial Era (mid-19th century – WWI), the Agricultural Era (after WWI – 1980s), the Era of Ecological Improvement (1980s – 2000), and the Era of EU-WFD (from 2000 to the present). The Industrial and Agricultural Era led to river straightening, even without direct hydraulic measures. The suspended sediment transport as the main morphodynamic driver could be described more accurately with the sediment rating curve when incorporating parameters for the length of a river’s section and damming. Results are river specific as they are closely linked to connectivity behavior. For the Rur River, the construction of large dams leads to a sediment deficit, increased mean sediment diameters downstream of the reservoir, and an alteration of the flow regime. The local lithostratigraphy superimposes the sedimentological changes downstream of the dam. The changes in the flow regime, however, lead to severe floodplain decoupling. Natural boundaries pose the foundation on which a river develops. Geomorphological boundaries primarily operate on different scales and, amongst other boundaries, lead to a specific fingerprint in a river’s connectivity, which determines responses to anthropogenic measures. However, the socio-economic era determines priorities in water resources management. To achieve sustainable river development, we need a shift in the socio-economic priorities of the present era and the implementation of water resources management in current political agendas. Further, evaluating a river’s connectivity behavior on different scales needs to be incorporated into water resources management to achieve development within the river’s natural boundaries.

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