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Von der Quelle zur Mündung

II-
22
Untertitel
Die Sedimentbilanz des Rheins im Zeitraum 1091-2010
Autor
Gudrun Hillebrand und Roy M. Frings
Datum der Veröffentlichung
2017
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Zusammenfassung

The actual and future morphological development of large rivers has major effects on society. A sound understanding of the morphological development requires a basin-scale sediment budget analysis that considers the grain size specific morphodynamics along the river channel. In this report we present a unique, detailed, basin-wide, and fraction-wise, morphological analysis of the Rhine, one of the world’s larger rivers. The objectives were: (a) to quantify the downstream fluxes of clay, silt, sand, gravel and cobbles and (b) to identify the sources and sinks of these sediments. We reviewed a large number of morphological studies about the Rhine and re-analysed existing data, such as echo soundings and sediment transport data from the period 1991 to 2010. The following conclusions were drawn: (1) Sediment fluxes in the Rhine are discontinuous due to regional sinks and sources, leading to a large variability of the sediment fluxes along the river channel. (2) From source to mouth, the Rhine traverses four sections with fundamentally different morphodynamic behaviour: the Alpine, impounded, free-flowing and delta section. (3) The largest sediment fluxes, which are dominated by the clay fraction, are observed in the Alpine section. (4) On a basin-scale, nourishment represents the biggest source of gravel and cobbles, and tributaries the biggest fluvial source of clay, silt and sand. In addition large amounts of clay, silt and sand are supplied to the lower Rhine delta by the sea. (5) Dredging represents a main sediment sink for all size fractions. For silt and clay, deposition in floodplains and ports represent an additional major sediment sink. Sediment output to the North Sea is limited. (6) In contrast to the typical prototype example of a river with erosion in the upper reaches and sedimentation in the lower reaches, the Rhine has net deposition in the upper reaches and net erosion in the downstream reaches. Local variations are high though. (7) More sediment is transported upstream from the North Sea into the lower Rhine delta than vice versa. (8) Floodplain deposition causes a higher loss of sediment in the upstream parts of the river than in the delta. (9) Today’s sediment fluxes in the Rhine are strongly influenced by river training works from the past, as well as by dredging and nourishment operations. (10) This notwithstanding, natural factors determine the location of the main sedimentation areas. (11) In many reaches gravel is deposited, whereas sand is being eroded simultaneously. (12) The budget analysis shows that sediment dynamics in rivers are much higher than is suggested by echosoundings or transport measurements, and it also shows that (13) sand plays a dominant role in the morphodynamics of the Rhine, not only in the sand-bed reaches, but also in the gravel-bed reaches of the river. (14) The sediment budget derived in this study provides a good data basis for improving numerical prediction models, optimizing nourishment, dredging and monitoring strategies, and for discovering knowledge gaps and setting research agendas.

Inhaltsverzeichnis

Vorwort I
Danksagung II
Zusammenfassung III
Summary IV
Zitiervorschläge XII
1. Einleitung 1
2. Die Grundlagen der Sedimentbilanz 2
2.1 Sedimentbilanzierung 2
2.2 Die Sedimentbilanzgleichung 3
2.3 Datengrundlage 4
2.4 Erstellung der Sedimentbilanz 4
2.5  Literatur 5
3. Prozessuntersuchungen 6
3.1 Sandverlust bei Geschiebemessungen 6
3.1.1 Einleitung 6
3.1.2 Vorgehensweise 6
3.1.3 Sohlversuche 7
3.1.4 Lift-Up-Versuche 7
3.1.5 Ergebnisse und Diskussion 8
3.1.6 Korrektur vorhandener Daten 9
3.1.7 Fazit 9
3.2 Korngrößen der Schwebstofffracht 10
3.2.1 Einleitung 10
3.2.2 Methodik 10
3.2.3 Ergebnisse und Fazit 10
3.3 Sedimenteintrag aus den Nebenflüssen 11
3.3.1 Einleitung 11
3.3.2 Grundlagen 11
3.3.3 Geschiebetransport 11
3.3.4 Schwebstofftransport 12
3.3.5 Fazit 12
3.4 Vorlandsedimentation entlang des frei fließenden deutschen Rheins 13
3.4.1 Einleitung 13
3.4.2 Grundlagen 13
3.4.3 Vorgehensweise 14
3.4.4 Ergebnisse und Diskussion 15
3.4.5 Fazit 16
3.5 Literatur 17
4. Sedimentbilanz des Alpenrheins 18
4.1 Einleitung 18
4.2 Gebietsbeschreibung 19
4.2.1 Lage 19
4.2.2 Geologie und Sedimentologie 22
4.2.3 Hydrologie 22
4.2.4 Anthropogene Eingriffe 24
4.3 Bestimmung der Sedimentquellen und -senken 25
4.3.1 Die Sedimentbilanzgleichung 25
4.3.2 Sedimentaustrag durch Baggerungen 27
4.3.3 Sedimentein- und -austrag durch Abrieb 29
4.3.4 Sedimenteinträge aus Nebenflüssen und von oberstrom 30
4.3.5 Sedimentaustrag nach unterstrom 33
4.3.6 Sohlhöhenänderung 33
4.3.7 Sedimenteintrag aus diffusen Quellen 34
4.3.8 Sedimentaustrag auf Überflutungsflächen 34
4.4 Ergebnisse 35
4.5 Diskussion 38
4.5.1 Unsicherheiten 38
4.5.2 Validierung 38
4.5.3 Interpretation 39
4.5.4 Empfehlungen 39
4.6 Schlussfolgerungen 40
4.6.1 Sedimentquellen und -senken 40
4.6.2 Sedimentfrachten 40
4.6.3 Unsicherheiten und Empfehlungen 41
4.7 Literatur 41
5. Sedimentbilanz des Hochrheins und des staugeregelten Oberrheins 43
5.1 Einleitung 43
5.2 Betrachtungsgebiet 44
5.2.1 Lage 44
5.2.2 Geologie und Sedimentologie 45
5.2.3 Hydrologie 48
5.2.4 Anthropogene Eingriffe 49
5.3 Bestimmung der Sedimentquellen und -senken 54
5.3.1 Die Sedimentbilanzgleichung 54
5.3.2 Sedimentaustrag nach unterstrom 55
5.3.3 Sedimenteintrag durch anthropogene Sedimentzugabe 55
5.3.4 Sedimentaustrag in Nebenarme 56
5.3.5 Sedimenteintrag aus Nebenarmen 57
5.3.6 Sedimenteintrag aus Nebenflüssen 57
5.3.7 Sedimentaustrag durch Baggerungen 58
5.3.8 Sedimenteintrag und -austrag durch Abrieb 61
5.3.9 Sedimenteintrag aus diffusen Quellen 61
5.3.10 Sedimentaustrag auf Überflutungsflächen 61
5.3.11 Sohlhöhenänderung 61
5.4 Ergebnisse 62
5.5 Diskussion 64
5.5.1 Unsicherheiten 64
5.5.2 Validierung 65
5.6 Schlussfolgerungen 67
5.6.1 Sedimentquellen und -senken 67
5.6.2 Sedimentfrachten 67
5.6.3 Unsicherheiten und Empfehlungen 68
5.7 Literatur 68
6. Sedimentbilanz des Restrheins 70
6.1 Einleitung 70
6.2 Gebietsbeschreibung 71
6.2.1 Lage 71
6.2.2 Geologie und Sedimentologie 72
6.2.3 Hydrologie 74
6.2.4 Anthropogene Eingriffe 75
6.3 Bestimmung der Sedimentquellen und -senken 77
6.3.1 Die Sedimentbilanzgleichung 77
6.3.2 Sohlhöhenänderung 78
6.3.3 Sedimentaustrag auf Überflutungsflächen und in Buhnenfelder 79
6.3.4 Sedimenteintrag von oberstrom 80
6.3.5 Sedimenteintrag durch anthropogene Sedimentzugabe 81
6.3.6 Sedimentaustrag durch Baggerungen 81
6.3.7 Sedimentaus- und -eintrag durch Abrieb 82
6.3.8 Sedimentaustrag nach unterstrom 82
6.4 Ergebnisse 82
6.5 Diskussion 84
6.5.1 Unsicherheiten 84
6.5.2 Vergleich mit bereits durchgeführten Studien 85
6.5.3 Empfehlungen 86
6.6 Schlussfolgerungen 86
6.7 Literatur 86
7. Sedimentbilanz des frei fließenden Ober- und Mittelrheins 89
7.1 Einleitung 89
7.2 Gebietsbeschreibung 90
7.2.1 Lage 90
7.2.2 Geologie und Sedimentologie 90
7.2.3 Hydrologie 93
7.2.4 Anthropogene Einflüsse 95
7.3 Methoden 97
7.3.1 Die Sedimentbilanzgleichung 97
7.3.2 Sedimenteintrag von oberstrom 98
7.3.3 Sedimenteintrag aus Nebenflüssen 98
7.3.4 Sedimenteintrag durch anthropogene Sedimentzugabe 99
7.3.5 Sedimenteintrag/-austrag durch Abrieb 100
7.3.6 Sedimentaustrag nach unterstrom 100
7.3.7 Sedimentaustrag durch Baggerungen 101
7.3.8 Sedimentaustrag auf Überflutungsflächen 101
7.3.9 Sohlhöhenänderung 102
7.3.10 Sedimentaustrag in Buhnenfelder und Häfen 102
7.3.11 Sedimenteintrag aus diffusen Quellen 103
7.4 Ergebnisse 104
7.5 Diskussion 106
7.5.1 Betrachtung der Unsicherheiten 106
7.5.2 Validierung 111
7.5.3 Vergleich mit bereits durchgeführten Studien 113
7.5.4 Empfehlungen 113
7.6 Schlussfolgerungen 114
7.6.1 Sedimentquellen und -senken 114
7.6.2 Sedimentfrachten 114
7.6.3 Unsicherheiten und Empfehlungen 114
7.7 Literatur 115
8. Sedimentbilanz des Niederrheins 118
8.1 Einleitung 118
8.2 Gebietsbeschreibung 120
8.2.1 Lage 120
8.2.2 Geologie und Sedimentologie 121
8.2.3 Hydrologie 122
8.2.4 Anthropogene Eingriffe 123
8.3 Bestimmung der Sedimentquellen und -senken 123
8.3.1 Die Sedimentbilanzgleichung 123
8.3.2 Sedimenteintrag von oberstrom 124
8.3.3 Sedimenteintrag aus Nebenflüssen 125
8.3.4 Sedimenteintrag durch anthropogene Sedimentzugabe 125
8.3.5 Sedimenteintrag/-austrag durch Abrieb 126
8.3.6 Sedimentaustrag nach unterstrom 126
8.3.7 Sedimentaustrag durch Baggerungen 127
8.3.8 Sedimentaustrag auf Überflutungsflächen 127
8.3.9 Sohlhöhenänderung 128
8.3.10 Sedimentaustrag in Buhnenfelder und Häfen 128
8.3.11 Sedimenteintrag aus diffusen Quellen 129
8.4 Ergebnisse 129
8.5 Diskussion 133
8.5.1 Unsicherheiten 133
8.5.2 Validierung 137
8.5.3 Vergleich mit bereits durchgeführten Studien 140
8.5.4 Empfehlungen 140
8.6 Schlussfolgerungen 141
8.6.1 Sedimentquellen und -senken 141
8.6.2 Sedimentfrachten 141
8.6.3 Unsicherheiten und Empfehlungen 142
8.7 Literatur 142
9. Sedimentbilanz des Oberen Rheindeltas 145
9.1 Einleitung 145
9.2 Gebietsbeschreibung 146
9.2.1 Lage 146
9.2.2 Geologie und Sedimentologie 146
9.2.3 Hydrologie 148
9.2.4 Anthropogene Eingriffe 149
9.3 Bestimmung der Sedimentquellen und -senken 150
9.3.1 Die Sedimentbilanzgleichung 150
9.3.2 Sedimenteintrag von oberstrom 151
9.3.3 Sedimentverteilung an den Flussverzweigungen 151
9.3.4 Sedimentaustrag durch Baggerungen 152
9.3.5 Sedimentaustrag in Buhnenfelder 153
9.3.6 Sedimentaustrag auf Überflutungsflächen 154
9.3.7 Sohlhöhenänderung 155
9.3.8 Sedimentaustrag nach unterstrom 156
9.4 Ergebnisse 157
9.4.1 Das Obere Rheindelta: eine Gesamtbetrachtung 157
9.4.2 Bovenrijn und Waal 159
9.4.3 Pannerdensch Kanaal 159
9.4.4 Nederrijn-Lek 160
9.4.5 IJssel 160
9.5 Diskussion 164
9.5.1 Betrachtung der Unsicherheiten 164
9.5.2 Validierung 165
9.5.3 Vergleich mit bereits durchgeführten Studien 167
9.5.4 Empfehlungen 168
9.6 Schlussfolgerungen 169
9.6.1 Sedimentquellen und -senken 169
9.6.2 Sedimentfrachten 169
9.6.3 Unsicherheiten und Empfehlungen 169
9.7 Literatur 170
10. Sedimentbilanz des Unteren Rheindeltas 173
10.1 Einleitung 173
10.2 Gebietsbeschreibung 174
10.2.1 Lage 174
10.2.2 Hydrologie 174
10.2.3 Geologie und Sedimentologie 175
10.2.4 Anthropogene Einflüsse 175
10.3 Bestimmung der Sedimentquellen und -senken 179
10.3.1 Die Sedimentbilanzgleichung 179
10.3.2 Sedimenteintrag von oberstrom 179
10.3.3 Sedimenteintrag aus Nebenflüssen 180
10.3.4 Sedimenteintrag von unterstrom 180
10.3.5 Sedimentaustrag durch Baggerungen 181
10.3.6 Sedimentaustrag in Häfen 181
10.3.7 Sedimentaustrag nach unterstrom 181
10.3.8 Sohlhöhenänderung 181
10.4 Ergebnisse 183
10.5 Diskussion 185
10.5.1  Unsicherheiten 185
10.5.2  Validierung 186
10.5.3 Interpretation 186
10.5.4 Vergleich mit bereits durchgeführten Studien 189
10.5.5 Empfehlungen 189
10.6 Schlussfolgerungen 190
10.6.1 Sedimentquellen und -senken 190
10.6.2 Sedimentfrachten 191
10.6.3 Unsicherheiten und Empfehlungen 191
10.7 Literaturr 191
11. Synthese   193
11.1 Einführung 193
11.2 Morphologische Eigenschaften des Rheins 195
11.2.1 Der alpine Bereich 195
11.2.2 Der staugeregelte Bereich 196
11.2.3 Der frei fließende Bereich 197
11.2.4 Der Delta-Bereich 198
11.3 Methoden: Sedimentbilanzierung 200
11.4 Sedimentfrachten: von der Quelle bis zur Mündung 202
11.4.1 Kies und Steine 204
11.4.2 Sand 205
11.4.3 Ton und Schluff 207
11.5 Die Sedimentbilanz des gesamten Einzugsgebiets 208
11.6 Sedimentquellen und -senken 209
11.6.1 Sedimenteintrag von oberstrom 209
11.6.2 Sedimenteintrag aus Nebenflüssen 211
11.6.3 Sedimenteintrag und -austrag durch Nebenarme 211
11.6.4 Sedimenteintrag und -austrag durch Abrieb 211
11.6.5 Sedimenteintrag durch anthropogene Sedimentzugabe 211
11.6.6 Sedimenteintrag aus diffusen Quellen 212
11.6.7 Sedimenteintrag aus dem Meer 212
11.6.8 Sedimentaustrag nach unterstrom 213
11.6.9 Sedimentaustrag durch Baggerungen 213
11.6.10 Sedimentaustrag auf Überflutungsflächen 215
11.6.11 Sedimentaustrag in Buhnenfelder 216
11.6.12 Sedimentaustrag in Häfen 217
11.7 Veränderung des Sedimentspeichers 217
11.8 Diskussion 218
11.8.1 Unsicherheiten 218
11.8.2 Verifizierung 219
11.9 Schlussfolgerungen 222
11.10 Literatur 224
12. Beitrag für das Gewässermanagement 229
Literatur 233
Anhang A Alpenrhein 235
Anhang B Hochrhein und staugeregelter Oberrhein 237
B.1 Durchgängigkeit der Stauhaltungen im Hochrhein 237
B.2 Sohlhöhenänderung in den Stauhaltungen im Hochrhein 238
B.3 Messprotokolle Korngrößenverteilung Birs und Glatt 239
Anhang C Oberes Rheindelta 241
C.1 Abflussverteilung im Oberen Rheindelta 241
C.2 Umwandlung von Volumina in Massen 241
C.3 Berechnung der Sohlkornverteilung des Oberen Rheindeltas 242
C.4 Sedimentverteilung am IJsselkop 243
Anhang D Synthese: 246
D.1  Quantifizierung der Quellen und Senken 246
KHR-Veröffentlichungen 261
KOLOPHON 264