dessen Auswirkungen auf das Makrobenthos

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Das durch Wasserkraftnutzung veränderte Abflussregime eines alpinen Fliessgewässers und

dessen Auswirkungen auf das Makrobenthos

Doctoral Thesis Author(s):

Ammann, Markus Publication date:

1993

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DASDURCH WASSERKRAFTNUTZUNG VERÄNDERTE ABFLUSSREGIME EINESALPINEN

FLIESSGEWÄSSERS

UND DESSEN

AUSWIRKUNGEN AUF DAS MAKROBENTHOS

ABHANDLUNG

zur

Erlangung

^{des Titels}

DOKTORDERNATURWISSENSCHAFTEN der

EIDGENÖSSISCHENTECHNISCHEN HOCHSCHULE ZÜRICH

vorgelegt

^von MarkusAmmann

Dipl.

^{Natw. ETH}

geboren

^{am2.November1961}

vonDäniken

(SO),

^ZürichundOberneunforn(TG)

Angenommen

^auf

Antrag

^von Prof.Dr.H.Ambühl,^Referent Prof.Dr. D.Vischer,Korreferent

Zürich 1993

Zusammenfassung ⁷

ZUSAMMENFASSUNG

Die

Neuregelung

^des

Gewässerschutzgesetzes

^{führteinden80-er}Jahrenⁱⁿ der Schweiz zu einer Diskussion über einen umfassenden Gewässerschutz.

Warbis anhinvor allem die

Wasserqualität geregelt,

^sollte das Gewässer¬

schutzgesetz

^{neu auch}

Bestimmungen

^über

Restwassermengen

^und

morphologische Aspekte

der Gewässer enthalten.

Eine

typische

^Formder

Veränderung

^der

Abflussdynamik

^{durch dieinder}

Schweiz sehr verbreitete

Nutzung

der Wasserkraftzur

Energiegewinnung

äussert sich in einem intermittierenden Abfluss

(Schwallbetrieb).

^{Das Ziel}

dieser Arbeitwares, einen

Beitrag

^zur

Aufklärung

über eventuelle

Folgen

dieser

Abflussveränderungen

auf die Benthosbiozönosezuleisten.

Die

Untersuchung

^{wurde am}SecklisbachbeiOberrickenbach (NW) ^und einem seinerNebenbäche

durchgeführt (800

^mü.M.).^{AnvierStellenmitähn¬}

lichen

Voraussetzungen

hinsichtlich

Einzugsgebiet, Besiedlung

^und

Topogra¬

phie,

^{aber mit} verschieden stark beeinflussten

Abflussregimen

^{wurde die}

Makroinvertebratenzönose untersucht. DieStelle1 (Stl)befand sich

wenige

Meter unterhalb desKraftwerkausflusses,^die Stelle2 (St2)ⁱⁿunmittelbarer Nähein einemunbeeinflussten Seitenbach.DieStelle3(St3)

lag

^{kurznach dem}

Zusanunenflussvon

Haupt-

und Seitenbach und die Stelle4

(St4)

^zusätzlich

einige

hundert Meter flussabwärts.DenStellen wurden monatlich

je

^fünfBen-

thosproben

^mittelseines

'Surber-Samplers'

^entnommen.

Es zeigte ^sich, dass sich die Stellen nicht^nur durchdenAbfluss unter¬

schieden, sondern,^als

Folge

^der

Speicherhaltung

^{durchdasKraftwerk,auchin}

der

Temperatur. Messungen

^machtenUnterschiede hinsichtlich der

täglichen Durchschnittstemperatur,

^den

Tagesamplituden

^{und den}

halbjährlichen

^Tem¬

peratursummenzwischen den Stellen deutlich.Die

Jahresdurchschnittstempe¬

raturenwaren

hingegen

^{kaumbetroffen.MitdemWasserwirdimSommer im}

Speicherbecken

^auchWärme

zurückgehalten,

^{die im}Winter mit demTurbinen- Betriebswasser wieder

abgeführt

^wird.

Diese

Veränderungen

^der

Temperatur

können nach verschiedenen Autoren verändernde

Wirkung

^{auf die}

Entwicklung

^vonInsekteneiern oder -larven haben. Die anhand der

Kopfkapselbreiten

^{auf das}Wachstum untersuchten

Plecopteren

^und

Ephemeropteren zeigten

^aberkeine nachweisbare Verände¬

rungen ihrer

Entwicklung.

DieBiozönosesetztesich

vorwiegend

^aus

Organismen

^{mit ein-bis}

zweijäh¬

rigen Entwicklungszyklen

^{zusammen. Diemeisten}univoltinenArtenwaren

sogenannteWinterformen.

Gesamthaft wurden64Taxadifferenziert,zwischen 50anden oberenStellen bis 57 an denunteren.

Ganzjährig

^{wurden anden Stellen2 bis 4in einer}

Probenahme zwischen25und35 Taxa

festgestellt.

^{DieStelle1wies inder}

Regel

weniger

^Taxaauf.

Aufdie Artenzahl

bezogen

^warendie

Dipteren

die bedeutendste

Ordnung, gefolgt

^vonden

Plecopteren. Bezüglich

^der

Besiedlungsdichte

^warenaberdie

Ephemeropteren wichtiger.

^Siemachtenanden Stellen2und3über die Hälfte der

Organismen

^{aus. Ander Stelle4warendie}

Plecopteren

^im

Jahresdurch¬

schnittnoch

häufiger

^{als die}

Ephemeroptern.

^{Die Stelle1war}fast ausschliess¬

lichvon

Dipteren

^und

Oligochaeten

^besiedeltInsbesondere

Ephemeropteren

konnten nahezu keine

festgestellt

^werden.

Es

zeigte

^{sich, dass}die Gesamtabundanz imuntersuchtenGewässer eine sehr

dynamische

^{Grösseist. Anden}Stellen 2 und4

gab

^esimSommer minimal

knapp

^{500 Ind./m2, im Winter}

stieg

^{die Zahl an der Stelle 4 auf über}

6000Ind./m2^.DieStelle1

zeigte

^eineähnlich

dynamische Entwicklung, jedoch

umeinhalbes

Jahr

verschoben.DieAbundanzander Stelle3blieb fast ganz¬

jährig

^{unter2000Ind./m2.}

Die

Entwicklung

der Gesamtbiomasseunterschiedsich nicht wesentlichvon

derjenigen

^derGesamtabundanz.

Die Biozönosestruktur,bestimmtanhand der Dominanz- und der Hetero-

genitätsverhältnisse,

^{war an denStellen2 bis 4nahezu identisch. Bei einer} maximalen

Heterogenität

^{von6 wiesen}diese Stellen einen Index von3auf, ohne _grossesaisonale Unterschiede. DieStelle1 wiessowohl einen deutlich grösserenDominanzwert,alsaucheine

signifikant geringere Heterogenität

^auf.

DieStellen2und 3Hessensichauch

bezüglich

^der

Ernährungstypen

^nicht

unterscheiden.Weidermachten

ganzjährig

^{zwischen25bis 75 %der}

Organis¬

menzahl aus. Ihre

Bedeutung

^{war an}der Stelle 4

geringer

zugunsten ^der detritivoren und der filtrierenden Arten. Die Stelle1mitihrer

völlig

^anderen

Biozönosezusammensetzung

^war

ganzjährig

^{beherrschtvon}Detritivoren.

Derdirekte

Vergleich

^derStellenmittels eines

qualitativen

^{und eines}

quanti¬

tativenIndexes

zeigte

wiederum die

auffällig

^andere

Zusammensetzung

^der

Stelle 1. DieÄhnlichkeit der

Artenzusammensetzung

^{nahm im} Bachverlauf nachunten

stetig

^zu.Der

quantitative Vergleich zeigte,

^{dassdieStellen2und 3}

einesehrhoheÄhnlichkeitaufwiesen.

Der

Detritusgehalt

der obersten Sedimentschicht bliebim

Jahresverlauf

^nicht konstant. An den Stellen 2 bis 4 fand sich im

Frühjahr

ⁱⁿ den obersten Zentimetern 2 bis 3.5 malsovielDetritus wie imHerbst.An derStelle1waren

die

jahreszeitlichen

Unterschiede

geringer,

^die durchschnittlichvorhandene

Menge

^{aber 3bis4mal}grösser^alsanden

übrigen

^Stellen.

DieStellen2und4

zeigten typische

Biozönosen eines

alpinen Bergbaches:

eine

ganzjährig

ausgewogene

Artenzusammensetzung

^undeinesehr

dyna¬

mische

Besiedlungsdichte

^und

Biomasseverteilung.

^Die durch den Abfluss leicht beeinflusste Stelle 3 unterschied sichnur

aufgrund

^{der viel}

geringeren

Zusammenfassung ⁹ winterlichen Abundanzvonder Stelle 2, dies

möglicherqweise

^eine

Folge

^der

sich immer wieder ändernden Wassertiefe (verursacht durch den Schwall¬

betrieb).

Die massive

Beeinflussung

^{der Stelle1 äussertesichvor}allem in einem nicht

ständig

vorhandenen Abfluss.Dasführtezur

Ansiedlung

stillwassertoleranter ArtenundzumVerschwindender

eigentlichen Fliessgewässerfauna.

^Zusätz¬

lich fehlten hier

jegliche

Hochwasser,waseinstark kolmatiertes Sedimentzur

Folge

^hatte.

Typische Fliesswasserorganismen,

die das Interstitial als Lebens¬

raum

benötigen,

^{könnenhiernicht mehrüberleben.}

DerKraftwerkbetrieb mit

Stauhaltung

^{führtzueinem} intermittierenden Abflussmit

ökologischen Folgen.

^Umdas Gewässerals Lebensraumfür die hiernatürlicherweise vorkommenden

Fliessgewässerorganismen

^zuerhalten,

muss

ganzjährig

^ein

ständiger

Minimalabfluss

gewährleistet

^{sein. Um eine}

Kolmationzuverhindern,^mussdas Interstitial

regelmässig

durch Hochwasser¬

abflüsse

gereinigt

^{werden. Im} Idealfall ist eine

ganzjährig

den natürlichen Verhältnissenangepasste

Abflussregelung

anzustreben. Der

Beeinflussung

^der

Temperatur

^durch

Abflussveränderungen

ist vermehrt

Beachtung

^zuschenken.

Veränderungen

^der

Entwicklung

^von

Organismen

können,trotzdem sie hier nicht

festgestellt

^wurden,weiterhin nicht

ausgeschlossen

^werden.

ABSTRACT

The

newly regulated

^Swiss

water-protection

^{act led in the 1980s to a}

discussionabout theextensive

protection

^ofwaterStretches. Until_now, the

regulation mainly

^{concerned water}

quality,

^{whereas the revised water-}

protection

^act should contain

regulations

^{on a minimum} water-flow and

morphological

aspects^{ofwaterStretchesaswell.}

A

typical

^{form of}

change

^{in runoff} characteristics caused

by

^the

widespread

^{use of}

hydroelectric

powerⁱⁿ Switzerland is the intermittent

draining

(torrent

Operation).

^{It is the aim of the} present ^{work to}

help

elucidate

possible

consequences of ^these

changes

^{in drain onto the}

benthosbiocoenosis.

The

study

^{was carried}

through

^on the SecklisbachatOberrickenbach (in the demicanton of

Nidwaiden)

^{and oneof its side streamlets} (800m ^above

sea

level).

The macroinvertebrate coenosis was studied at four locations with similar conditions of

drainage

basin,

population density

^and

topography

^but

varying

^{in the}

degree

^of

impairment

^{to the}

draining.

Location 1 (St 1) ^{was a few meters below the} power

plant's drain-pipe,

location 2 (St 2) ^{in the immediate}

vicinity

^{in an}

unimpaired

side brook.

Location3 (St 3)^was

just

^{aftertheconfluence}of the main and side streamlet and location 4 (St 4) ^a few hundred meters downstream. There were

monthly

^benthos

samples

^taken (five ^{on each} location)

using

^{a Surber}

sampling-device.

Results show thatthe locationsnot

only

^{variedindrain,but alsointem-} perature,^this

being

^a consequence of^waterstorage

by

the power

plant.

^The

readings pointed

^out different values for the locations in

daily

average temperature,

day amplitudes

^and

half-yearly

temperature ^{sums.The annual} average temperatures, however, ^did

hardly

^{differ. With the water, there is} warmth

being

^{held back aswell in the} storage^{basininsummer, which in} winterflows off with the process^water.

According

^{to several} authors, ^these

temperature changes

may alter the

development

^{of insect} eggs ^and larvae.

Plecoptera

^and

Ephemeroptera,

whose

growth

^{was checked}

by measuring

^their

head-capsule

^width,didnot

show any demonstrable

change

ⁱⁿ

development.

The biocoenosiswas

mainly composed

^of

organisms

with univoltine or

bivoltine life

cycles.

^{Mostunivoltinetaxawere}so-called winter forms.

Therewas a totalcountof64different taxa, between50at the upper lo¬

cationsand up^{to57atthe lowerones.}

Throughout

^theyearlocations2to4 showed in each

sample

between 25 and 35 taxa.

Generally

^{there were less}

taxa atlocation1.

Relating

^tothe number of taxa,

Diptera

^{werethe most}substantial order, followed

by

^the

Plecoptera. Ephemeroptera

^{were more}

important

^when

looking

^{at the}

population density.

On locations 2 and 3

they

constituted

Abstract 11

more than half the number of

organisms.

^{At location 4}

Plecoptera

^were

even more

frequent

^than

Ephemeroptera

^onthe annual average.

Location 1 was near

exclusively

^settled

by Diptera

^and

Oligochaeta.

EspeciaUy Ephemeroptera

^could

hardly

be detected.

Itwas shown that the total abundance inthe examined Stretchofwater was a very

dynamic quantity.

^{At locations 2 and 4 there was a summer}

minimum of

nearly

⁵⁰⁰ individuals per m2;in winter the number roseto over 6000 ind/m2 ^{at location 4.} Location 1 showed a

similarly dynamic development,

but shifted

by

six months. The abundanceatlocation3

stayed

below2000ind/m2

nearly

the whole year round.

The

development

of the totalbiomass did not

substantially

^{differ from}

that ofthetotalabundance.

The biocoenosis structure, determined

by

conditions ofdominance and

heterogeneity,

^was

nearly

^{identical at locations 2 to 4. With a maximum}

heterogeneity

of 6, these locations showedanindex of3without

significant

seasonal difference. Location 1 showed a

clearly higher

value of dominance

aswellas a

significantly

^lower

heterogeneity.

Locations2and 3 couldnotbe

distinguished regarding

nutritionaltypes.

Throughout

the year, grazers constiruted between^{25 to}75 per ^cent of the number of

organisms.

^Their

significance

^{waslower atlocation4 infavor of}

the detritivoreand

filtrating

^{taxa.Location1witha}

totally

different compo¬

sitionof biocoenosiswasdominated

by

detritivores all year round.

The direct

comparison

^{of the locations,}

using

^a

qualitative

^{and a}

quanti¬

tative index, showed

again

^the

conspicuously

^different

composition

^{of lo¬}

cation1.The

similarity

^{of the}

composition

^{oftaxa was}

getting

^closerwhen

moving

downstream. The

quantitative comparison

^{showed a} very ^close

similarity

of locations2and3.

The contentof detritus in the topmost^sediment

layer

^{was not constant}

troughout

the year. ^At locations 2 to 4 there was (in ^the topmost ^centi- meters) ^{2to3.5 times as}much detritusin

spring

^{than therewasin autumn.}

At location 1 the annual difference was lower, ^but the average ^amount present^{was3 to4times}

higher

^thanatthe other locations.

Locations 2 to 4 showed the

typical

biocoenosis ofan

alpine

^mountain brook;^a well-balanced

composition

^oftaxa

throughout

the year and ^a very

dynamic population density

^anddistribution of biomass. Location3,^which

was

only

^little

impaired by

^{the drain, differed}

only

^{from location 2 in the}

much lower winter abundance as a

possible

consequence of the ^ever-

changing

^water

depth (caused by

^thetorrent

Operation).

The massive

impairment

^{at location 1 was caused}

by

^{the absence of a}

constant drain. This led tothe

settling

of lentic-water toleranttaxa and thus to the

vanishing

^{of the} proper ^lotic fauna. Moreover, the

place

^lacked

flooding, causing

^a very dense,

clogged

Sedimentation.

Typical

^lotic

organisms,

^whichuse the interstitiumas a

biotope,

^cannotsurvive hereany

more.

The

hydroelectric Operation

^{with water} storage^{leads to an} intermittent drain with

ecological

consequences. ^Inordertopreserve^aStretch ofwateras a

biotope

^{for the}

naturally

^{found lotic}

organisms

^{a constant minimum}

drain has to be

guaranteed

^all year

long.

^{Inorder to avoid}

clogging,

^the

interstitiumhastobe cleaned

regularly by flooding

^{drains. Tostrivefor the}

ideal Situationmeans to

adjust

^thedrain

according

^tothenatural conditions

troughout

the year. The

influencing

^ofthetemperarure

by changed draining

has to be

paid

^{more attention. However, the}

possibility

^of

changes

^{in the}

development

^of

organisms

^{cannotbeexcluded,even}

though they

^{have not}

been established.