Natürliches Hochwassermanagement und die Rolle der Umweltüberwachung

Überschwemmungen sind ein natürlicher Prozess, können aber schwere wirtschaftliche Verluste verursachen und Leben gefährden. Es wird erwartet, dass das Hochwasserrisiko mit dem Klimawandel und der zunehmenden Urbanisierung zunimmt, so dass eine große Verantwortung bei denen liegt, die Mittel bereitstellen und eine Hochwasserschutzstrategie entwickeln. Im folgenden Artikel erklärt Nigel Grimsley von OTT Hydromet in Großbritannien, wie der Erfolg solcher Pläne (sowohl das Design als auch die Implementierung) von der Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Überwachungsdaten abhängt.

Die Klimaprognosen für das Vereinigte Königreich deuten darauf hin, dass die Niederschläge im Winter zunehmen und im Sommer abnehmen werden und dass einzelne Niederschlagsereignisse die Intensität vor allem im Winter erhöhen können. Dieses Modell geht von einem erhöhten Hochwasserrisiko aus und gilt gleichermaßen für viele andere Länder.

Die Vorsitzende der Umweltagentur, Emma Howard Boyd, betonte, dass die globale Temperatur bis 2100 zwischen 2°C und 4°C steigen könnte und einige Gemeinden wegen der Hochwassergefahr sogar umziehen müssten. Sie leitete eine Diskussion über die Hochwasserstrategie der Agentur ein: „Wir können keinen Krieg gegen das Wasser gewinnen, indem wir den Klimawandel mit unendlich hohen Hochwasserschutzmaßnahmen verhindern.“ Als Reaktion darauf sagte Mike Childs, Leiter der Wissenschaft bei Friends of the Earth: „Eine intelligentere Anpassung und Stärkung der Widerstandsfähigkeit – einschließlich natürlicher Hochwasserschutzmaßnahmen wie Baumpflanzungen – ist zweifellos wichtig, aber der Schwerpunkt muss in erster Linie auf der Reduzierung der Emissionen liegen, damit wir die schlimmsten Folgen des Klimachaos überhaupt vermeiden können.“

In der Vergangenheit wurden Überschwemmungsgebiete für die Agrar- und Stadtentwicklung genutzt, was die Belastung von Menschen, Eigentum und anderen Infrastrukturen durch Überschwemmungen erhöht hat. Das Hochwasserrisikomanagement konzentrierte sich daher auf Maßnahmen zum Schutz von Gemeinden und Unternehmen in den betroffenen Gebieten. Das Hochwasserrisiko wird nun jedoch in einem breiteren Einzugsgebiet angegangen, sodass Initiativen in einem Teil eines Einzugsgebietes keine negativen Auswirkungen weiter stromabwärts haben. Dieser Einzugsgebiets-bezogene Ansatz ist in der EU-Hochwasserrichtlinie 2007/60/EG verankert, und in den letzten Jahren haben die für das Hochwassermanagement Verantwortlichen zunehmend nach Lösungen gesucht, die Techniken einsetzen, die mit natürlichen hydrologischen und morphologischen Prozessen, Merkmalen und Eigenschaften arbeiten, um die Quellen und Verläufe von Hochwasser zu verwalten. Diese Techniken werden als natürliches Hochwassermanagement (NHM) bezeichnet und umfassen die Wiederherstellung, Verbesserung und Veränderung von natürlichen Merkmalen, schließen aber traditionelle Hochwasserschutztechniken aus, die diese natürlichen Prozesse effektiv stören.

Mithilfe von NHM soll Umweltmanagement effizienter und nachhaltiger werden, indem erkannt wird, dass sofern Land und Wasser im Einzugsgebietsmaßstab gemeinsam gemanagt wird, eine Verbesserung mit vielen Vorteilen möglich ist.

Fast alle NHM-Techniken zielen darauf ab, den Wasserfluss zu verlangsamen und lassen sich, obwohl sie eng miteinander verbunden sind, weitgehend in die Kategorien Versickerung/ Infiltration, Verteilung und Speicherung einordnen.

Versickerung/ Infiltration

Veränderungen der Landnutzung wie z.B. Flächenstilllegung, Umstellung auf Grünland oder Verringerung der Hangbewirtschaftung können die Versickerung verbessern und den Wasserrückhalt erhöhen. Darüber hinaus können Direktbohrungen, Direktsaatverfahren und Querneigungspflüge einen ähnlichen Effekt haben. Diese Landnutzungstechniken wurden entwickelt, um die Bodenverdichtung zu reduzieren, die den Abfluss erhöht. Tierhaltungspraktiken wie niedrigere Besatzdichten und kürzere Weidesaisonen können ebenfalls helfen. Die Felddränage kann so konzipiert werden, dass die Lagerung erhöht und die Dichtigkeit reduziert wird, was auch durch Niederflurfahrzeuge unterstützt wird. Das Pflanzen von Sträuchern und Bäumen trägt auch zur Versickerung und Rückhaltung bei, indem es einen Bedarf an Bodenfeuchtigkeit erzeugt, so dass die Böden eine größere Kapazität zur Wasseraufnahme haben. Pflanzen helfen auch, Bodenpartikel zu binden, was zu weniger Erosion führt – die Ursache für Fruchtbarkeitsverlust und Sedimentierung in Bächen und Flüssen.

Verteilung

Wassergräben und Moorflächen können blockiert werden, um den Transport zu reduzieren, und Flussprofile können wiederhergestellt werden, um den Fluss zu verlangsamen. In der Vergangenheit wurden Torf und Moore entwässert, um die Anbauflächen zu vergrößern, aber das schadet den Mooren und verringert ihre Fähigkeit, Wasser und Kohlenstoff zu speichern. Die Wiederherstellung von Mooren beruht daher auf Techniken zur Wiederherstellung des Feuchtigkeitsgehalts. Pump- und Entwässerungssysteme können angepasst werden, und Grundbesitzer können strategisch positionierte Hecken, Schutzbänder und Pufferstreifen schaffen, um den Wassertransport zu reduzieren.

Speicherung

Flüsse können wieder mit regenerierten Flussauen verbunden werden, und die Neuprofilierung von Flüssen, wasserdurchlässige Dämme, Kanalarbeiten und Uferverbesserungen können zu einer verbesserten Speicherfähigkeit beitragen. In städtischen Gebieten können durchlässige Oberflächen und Untergrundspeicher realisiert werden, und in allen Bereichen können Becken und Retentionsteiche angelegt werden. Zudem trägt, wie bereits erwähnt, die Rückbefeuchtung von Mooren zur Erhöhung der Speicherkapazität bei.

Die Rolle des Bibers bei der NHM

Viele der Auswirkungen von NHM könnten durch Vergrößerung des Biber-Bestands erreicht werden. Ihre Dämme tragen zur Reduzierung von Spitzenströmen bei, bilden Becken und sättigen den Boden über den Dämmen. Biber-Dämme tragen auch dazu bei, Schadstoffe wie Phosphate zu reduzieren. Die Nager ernähren sich nicht von Fischen, sondern bevorzugen im Sommer Wasserpflanzen, Gräser und Sträucher und im Winter holzige Pflanzen. Nun werden sie in einigen Gebieten versuchsweise wieder angesiedelt, um ihren Wert bei der Umsetzung von NHM zu ermitteln. Einer der Hauptvorteile von Bibern ist ihre Fähigkeit, Dämme, die bei extremen Wetterbedingungen beschädigt werden, schnell zu reparieren und wieder aufzubauen. Obwohl die potenziellen Vorteile von Bibern bekannt sind, haben mehrere Gruppen ihre Besorgnis über eine größere Ausbreitung zum Ausdruck gebracht. So können beispielsweise Landwirte und Grundbesitzer aufgrund verstopfter Entwässerungskanäle größere Flächen von wassergesättigtem Land vorfinden. Darüber hinaus stellen Dämme eine Bedrohung für wandernde Fische wie Lachs und die Meerforelle dar. Biber sind in Großbritannien beheimatet und waren früher weit verbreitet, aber sie wurden im 17. Jahrhundert bis zum Aussterben gejagt.

Andere nicht heimische Arten wie Signalkrebse können sich nachteilig auf den Hochwasserschutz auswirken, da sie sich in die Flussufer eingraben und Erosion, Uferzusammenbruch und Sedimentverschmutzung verursachen. Signalkrebse sind größer, wachsen schneller, vermehren sich schneller und tolerieren ein breiteres Spektrum an Bedingungen als die einheimischen Weißkrallenkrebse. Sie gelten auch als unersättliche Raubtiere, die sich von Fischen, Fröschen, Wirbellosen und Pflanzen ernähren und als solche erhebliche negative ökologische Auswirkungen haben können.

NHM-Vorteile

NHM bietet Schutz für kleinere Hochwasserereignisse, reduziert Spitzenhochwasser und zögert  Hochwasserspitzen stromabwärts hinaus. Sie mindert jedoch nicht das Risiko von extremen Hochwasserereignissen. Eine effektive Hochwasserschutzstrategie kombiniert daher in der Regel NHM mit technischen Maßnahmen. Dennoch bietet NHM im Allgemeinen ein breiteres Spektrum an Vorteilen.

Durch die Schaffung neuer Wälder und Feuchtbiotope entstehen biologische Lebensräume mit größerer Speicherkapazität für Überschwemmungen. Sie ermöglichen auch mehr Arten, sich zwischen Lebensräumen zu bewegen. NHM-Maßnahmen, die zur Reduktion von Bodenerosion, Abfluss und Sedimentation beitragen, tragen auch zur Verbesserung der Wasserqualität und damit auch zur Verbesserung der Lebensräume bei. Diese Maßnahmen senken insbesondere die Nährstoff- und Sedimentbelastung im Einzugsgebiet – zwei Probleme, die dramatische Auswirkungen auf die Wasserqualität haben können.

Landnutzungs- und Landbewirtschaftungsmaßnahmen tragen dazu bei, den Verlust von Mutterboden und Nährstoffen zu verringern. Dies verbessert die landwirtschaftliche Produktivität und senkt die Kosten für Düngemittel. Darüber hinaus stehen eine Vielzahl von Förderungen für NHM-Maßnahmen, wie die Schaffung von Grünflächen und Auen, zur Verfügung, um sie für Landwirte und Landbesitzer finanziell attraktiver zu machen.

Viele NHFM-Maßnahmen helfen im Kampf gegen den Klimawandel. Zum Beispiel sind Feuchtbiotope und Wälder beim Speichern von Kohlenstoff und Beseitigung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre wirksam. Maßnahmen, die den Oberflächenabfluss und die Bodenerosion verringern, wie z. B. die Bodenbearbeitung quer zum Hang, können auch den Kohlenstoffverlust des Bodens verringern.

Überwachung von NHM

Angesichts des oben beschriebenen breiten Spektrums potenzieller NHM-Vorteile dürften Anzahl und Art der zu überwachenden Parameter gleichermaßen unterschiedlich sein. Basisdaten sind von wesentlicher Bedeutung, wenn die Auswirkungen der umgesetzten Maßnahmen bewertet werden sollen, diese sind jedoch möglicherweise nicht immer verfügbar. Beispielsweise ist es nur möglich, vor einem Fünfjahresprojekt Daten für eine Saison zu erfassen. Möglicherweise stehen Basisdaten von anderen Parteien zur Verfügung. In allen Fällen sollten die Daten genau, zuverlässig, relevant und vergleichbar sein.

Überwachungsdaten sollten verwendet werden, um das Konzept des NHM zu bestimmen. Beispielsweise hilft ein detailliertes Verständnis der Ökologie, Geomorphologie, Hydrologie und Meteorologie des gesamten Einzugsgebiets sicherzustellen, dass die richtigen Maßnahmen ausgewählt werden. Diese Maßnahmen sollten in Partnerschaft mit allen Beteiligten ausgewählt werden, und die laufende Überwachung sollte die Auswirkungen der NHM-Maßnahmen sichtbar machen. Zu den typischen Interessengruppen gehören Sponsoren, Projektpartner, lokale Gemeinschaften, Grundbesitzer, Aufsichtsbehörden und lokale Behörden.

Da NHM-Maßnahmen auf ein gesamtes Einzugsgebiet abzielen, ist es wichtig, dass die Überwachung auch im gesamten Einzugsgebiet erfolgt. Dies dürfte jedoch ein recht großer Bereich sein, so dass sich finanzielle Auswirkungen ergeben, insbesondere bei aufwendigen Arbeiten. Infolgedessen müssen Überwachungsaufgaben priorisiert und automatische Remote-Technologie überall dort eingesetzt werden, wo sie kostengünstig ist.

Es ist klar, dass wichtige Parameter wie Niederschlag, Grundwasserspiegel, Flusspegel und Oberflächenwasserqualität kontinuierlich an mehreren Standorten überwacht werden sollten, wenn der Nutzen von NHM effektiv gemessen werden soll. Es ist daher ein Glück, dass all diese Messungen kontinuierlich rund um die Uhr von Instrumenten durchgeführt werden können, die an entfernten Standorten überwacht werden können, ohne dass häufige Besuche zum Kalibrieren, Warten oder Wechseln von Netzteilen erforderlich sind. Als Unternehmen hat sich OTT Hydromet seit vielen Jahren auf die Entwicklung von Sensoren konzentriert, die diesen Anforderungen gerecht werden. Sie sind für den Betrieb in rauen Umgebungen gewappnet. Zudem bietet OTT HydroMet Datenlogger mit enormer Kapazität, aber sehr geringem Strombedarf sowie fortschrittliche Kommunikationstechnologien an. Die generierten Daten stehen in beinahe Echtzeit allen Beteiligten zur Verfügung.

Die jüngsten Entwicklungen im Datenmanagement sind u.a. webfähige Datenmanagement-Lösungen wie die Hydromet Cloud, die über eine Website und eine App die Back-End-Infrastruktur zum Empfangen, Dekodieren, Verarbeiten, Anzeigen und Speichern von Messdaten von nahezu jedem entfernten Standort aus über eine Cloud-basierte Datenhosting-Plattform fähig sind. Infolgedessen können Alarme automatisch ausgelöst werden, was die Integration in Systeme zum Hochwasserschutz erleichtert. Hydromet Cloud bietet auch den Zugriff auf aktuelle und historische Messdaten, sodass die Beteiligten den Status eines gesamten Einzugsgebiets auf einem Bildschirm sehen können.

Holme Fen – eine Lektion zur Überwachung aus den 1850er Jahren

Historische Säule in Holme Fen

Umgeben von erstklassigem Ackerland südlich von Peterborough, enthielten die Moore ursprünglich viele flache Seen, von denen Whittlesey Mere der größte war und im Sommer etwa 750 Hektar und im Winter etwa das Doppelte bedeckte. Der vom Fluss Nene gespeiste See, war nur sehr flach und war der letzte der „großen Meres“. Auch er wurde entwässert und in bebaubares Land umgewandelt.

Unter der Leitung von William Wells finanzierte und organisierte eine Gruppe lokaler Grundbesitzer das Entwässerungsprojekt, bei dem eine dampfbetriebene Kreiselpumpe entwickelt wurde, die in der Lage war, mehr als 100 Tonnen Wasser pro Minute um 2 bis 3 Fuß zu fördern. Ein neuer Hauptablauf wurde gebaut, um Wasser in den Wash zu leiten. Wells war sich der wahrscheinlichen Austrocknung des Torfbodens bewusst und leitete die Installation eines Messpfostens ein, der im Oxford Clay-Grundgestein verankert und an der Bodenoberfläche abgeschnitten wurde. 1851 wurde der ursprüngliche Holzpfosten durch eine gusseiserne Säule ersetzt, von der angenommen wird, dass sie aus dem Crystal Palace in London stammt.

Durch die Installation des Messpfostens hat Wells einen bemerkenswerten Weitblick bewiesen. Mit fortschreitender Entwässerung sank das Bodenniveau beträchtlich; in den ersten 12 Jahren um 1,44 Meter und in den folgenden 40 Jahren um etwa 3 Meter. Heute sind rund 4 Meter des Pfostens oberirdisch sichtbar und zeigen die Bodensenkung seit 1852 an. Das Bodenniveau bei Holme Post liegt jetzt 2,75 Meter unter dem Meeresspiegel und stellt somit den niedrigsten Landpunkt in Großbritannien dar.

Infolge der Entwässerung sind mehrere Komplikationen aufgetreten: Erstens leidet die lokale Ökologie und Artenvielfalt darunter, da ein großer Teil des Feuchtgebiets verloren ging. Mit dem Absinken des Bodenniveaus wurde es auch weniger nachhaltig, Wasser in den Hauptabfluss zu pumpen.

Holme Fen ist mittlerweile ein Naturschutzgebiet, das von „Nature England“ verwaltet wird, wie auch das nahe gelegene Woodwalton Fenis. Beide Gebiete sind Teil des Great Fen Projektes, ein spannendes Regenerierungsprojekt, bei dem einige Partner involviert sind, darunter der lokale Wildlife Trust, Natural England und das Umweltamt. In Woodwalton führen die immer häufiger auftretenden, durch den Klimawandel augelösten Wetterextreme zu Überschwemmungen des Naturschutzgebiets. In der Vergangenheit diente dies als gutes Beispiel für NHM, da das Reservoir das Hochwasser an der weiteren Verbreitung hinderte. Henry Stanier, Überwachungs- und Forschungsbeauftragter von Great Fen, sagt jedoch: „Hochwasser enthält zunehmend viel Nährstoffe und Schlick, was die Ökologie des Schutzgebiets beeinträchtigen kann. Daher ist eine ganzheitliche, zukunftssichere Strategie für das Gebiet erforderlich“.

Henry lobt die Weitsicht von William Wells und sagt: „Als Naturschützer werde ich oft gebeten, die Überwachung erst nach dem Beginn des ökologischen Aufschwungs und nicht erst während oder sogar vor dem Eintreten eines Schadens einzurichten. Beim Wildlife Trust folgen wir daher dem Beispiel von Wells und verfügen über ein Netzwerk von Überwachungsbohrungen, damit wir die Auswirkungen künftiger Änderungen in der Landbewirtschaftung überwachen können.

„Zum Beispiel planen wir ein mit Zuschüssen finanziertes Projekt, um die am besten geeigneten Kulturen für diesen Bereich zu ermitteln. jetzt und in Zukunft arbeiten wir mit OTT an einer Überwachungsstrategie, die eine gute Überwachung mit der Messung von Nährstoffen wie Phosphat und Nitrat in Oberflächengewässern integriert.“

Fazit

Die Überwachung bietet die Möglichkeit, die Auswirkungen von Initiativen und Maßnahmen zur Regeneration zu messen. Es ermöglicht auch die Erkennung von Trends, sodass rechtzeitig Maßnahmen ergriffen werden können, bevor Herausforderungen zu Problemen und Probleme zu Katastrophen werden.

Überwachung ist ein wesentlicher Bestandteil des NHM. Es hilft, geeignete Maßnahmen zu definieren, deren Erfolg zu messen, die Beteiligte auf dem Laufenden zu halten, Fehler zu identifizieren, bei Bedarf Alarme auszulösen, das adaptive Management zu informieren und die zukünftige Forschung zu leiten.

 

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