Vorlesung Wasserwirtschaft Hydrologie II Vorlesung 5 2 Themen

Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II Vorlesung 5 -2 Themen: Nahrungsgefüge in natürlichen Fließgewässern Energie- und Nährstoffsystem Gewässer Zonen der Fließgewässerbiotope Tierische Ernährungstypen Nahrungsketten und trophische Ebenen Wasserstand und Organismenbesiedlung Das hyporheische Interstitial

Lehrziele der Veranstaltung erschaffen bewerten analysieren anwenden Sie ziehen selbstständig Rückschlüsse zwischen Habitaten und den zugehörigen Makrozoobenthos Organismen. verstehen … verstehen die funktionalen Zusammenhänge zwischen Produzenten, Konsumenten und Destruenten. erinnern Sie kennen die Grundlagen der Nahrungsketten in Fließgewässern und. . . Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Das offene Energie- und Nährstoffsystem Gewässer Der Energie- und Nährstofftransport wird in Fließgewässern (anders als in stehenden Gewässern) durch die gerichtete Strömung angetrieben. Die Strömung beeinflusst • die Gewässerstruktur • die Lichtverhältnisse • den Wasserchemismus • den Gasaustausch • die Besiedlung mit Organismen Bildzitat: Uhlmann/Horn Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Nahrungsgefüge in Fließgewässern Primärproduzenten Destruenten Primärkonsumenten Sekundärkonsumenten 1. Ordnung Sekundärkonsumenten 2. Ordnung Sekundärkonsumenten 3. Ordnung Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Photosynthese Bei der Photosynthese produzieren Pflanzen aus Kohlendioxid und Wasser unter Ausnutzung von Sonnenenergie organische Substanzen und Sauerstoff. Chemisch kann dieser Vorgang wie folgt dargestellt werden: 6 CO 2 + 12 H 2 O + 2872 k. J → C 6 H 12 O 6 + 6 H 2 O + 6 O 2 … oder anorganische Kohlenstoffverbindung + Wasser + Sonnenenergie ergibt organische Kohlenstoffverbindung + Wasser + Sauerstoff Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Photosynthese Organische Substanzen (grüne Pflanzen), diesen Vorgang beherrschen, werden als photoautotrophe Organismen (oder Selbstversorger) bezeichnet. Alle anderen Organismen (die als heterotroph bezeichnet werden) sind für den Stoffwechsel und das Wachstum auf organische Nahrungsmittel angewiesen. Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Produktion Prozess, bei dem energiearmes, anorganisches Material in energiereiche organische Bestandteile umgewandelt wird. Als Maß für die Produktion kann die Stoff- oder Energiemenge pro Zeit angegeben werden. Es wird zwischen Primär- und Sekundärproduktion unterschieden. Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Nahrungskette Primärproduktion: Der Prozess der Photosynthese, bei dem aus Sonnenenergie, Kohlendioxid und Wasser organische Substanz und Sauerstoff gebildet wird. Sekundärproduktion: Prozess, bei dem Biomasse auf einer Nahrungsebene (Trophieebene) durch Konsumenten und Destruenten gebildet wird. Dabei können die Konsumenten jeweils nur rund 10% der konsumierten Energie in die produzierte Biomasse überführen, die restlichen 90% sind der Verlustanteil in Form von Wärme und Ausscheidungen. Aufgrund dieser großen Energieverluste von Nahrungsstufe zu Nahrungsstufe (Trophieebene) ist die Anzahl der Trophieebenen in der Nahrungskette auf fünf begrenzt. Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Nahrungskette Konsumenten: Als Konsumenten werden alle Organismen bezeichnet, die sich durch die Aufnahme von organischem Material ernähren. Dies setzt immer voraus, dass es einen vorgeschalteten Produzenten gibt. Bei den Konsumenten wird unterschieden zwischen: Herbivoren ↔ Pflanzenfresser Karnivoren ↔ Fleischfresser Omnivoren ↔ Allesfresser Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Nahrungskette Destruenten: Zu den Destruenten gehören die Bakterien und Pilze, die unter aeroben sowie anaeroben Verhältnissen in der Lage sind organische Ausscheidungen und abgestorbene, organische Materialien in einfache anorganische Verbindungen umzuwandeln. Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Nahrungskette Respiration: Prozess, bei dem organisches Material in anorganische Verbindungen umgewandelt wird. Das Ausgangsprodukt (organisches Material) ist energiereich, wohingegen das Endprodukt (anorganisches Material) energiearm ist. Es wird also bei der Respiration Energie freigesetzt. Organische Verbindung Anorganische Verbindung freigesetzte Energie Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Trophische Ebenen Energie Transfer Die trophischen Ebenen sind Ausdruck der Ernährungsstufen und beschreiben jeweils die Organismen einer Ebene in der Nahrungskette. 5 Sekundärproduktion nicht verwertbare Energie P r o 4 d u 3 k t i 2 o 1 n Primärproduktion Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken Biomasse, gespeicherte Energie

Nahrungsgefüge in Fließgewässern Aufwuchs/ Makrophyten Laub, Pflanzenreste Bakterien/ Detrius (autochthon und allochthon) Anflugnahrung Aufwuchsweidegänger (Nemoura) Detriusfresser (Gammarus) Räuber (Perla, Rhyacophila) Friedfische (Groppe) Raubfische (Bachforelle) Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken Gelöste org. Substanz

Hauptgruppen der Organismen Gruppe Funktion Ernährungsgrundlage grüne Pflanzen Produzenten anorganische Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphor Verbindungen Tiere Konsumenten partikuläre organische Substanzen Bakterien & Pilze Destruenten leicht abbaubare organische Substanzen Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Produzenten / Konsumenten / Destruenten pflanzliche Produktion Produzenten Konsumenten Abbau organischen Materials => Mineralisierung tote organische Substanz Destruenten Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Die tierischen Ernährungstypen Grundsätzlich kann man bei der Fauna des Fließgewässers folgende Kategorien für die Ernährungstypen unterscheiden: Weidegänger (Schaber) scrapers, grazing animals Substratfresser substrat feeders Zerkleinerer shredders Meißler (Sammler) gatherers, collectors Räuber predators Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Strudler / Netzfänger / Filtrierer Netzfänger Filtrierer Studler Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Zonen der Fließgewässerbiotope Epi- Krenal Rhitral Meta- Hypo- Potamal Rhitral: Mit Rhitral wird das Biotop eines Fließgewässers im Mittelgebirge oder vergleichbarer Höhenlage (Gebirgsbach) bezeichnet. Das Substrat der Fließgewässersohle besteht meist aus Kies oder Sand. Das Rhitral entspricht weitgehend der Salmonidenregion und somit dem Oberlauf der Fließgewässerzonierung. Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Zonen der Fließgewässerbiotope Epi- Krenal Rhitral Meta- Hypo- Potamal: Bei dem Potamal handelt es sich um das Biotop eines sommerwarmen Fließgewässers im Tiefland, das sich durch sandiges bis feinkörniges Sohlsubstrat auszeichnet. Das Potamal entspricht weitgehend der Cyprinidenregion und umfasst somit den Bereich vom Mittellauf bis zum Unterlauf. Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Biotische Faktoren Quelle Hauptnahrungsquelle für Wirbellose Ernährungstypen (Makrozoobenthos) Produktion / Respiration Oberlauf Mittellauf Unterlauf Mündung zerkleinertes Falllaub & Falllaub Aufwuchsalgen (Feindetritus & Aufwuchsalgen) überwiegend Zerkleinerer Produktion < Respiration Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken Phytoplankton überwiegend Weidegänger überwiegend Sedimentfresser & Filtrierer & Sedimentfresser & Filtrierer Produktion = Respiration Produktion > Respiration

Ernährungstypen Makrozoobenthos Epi- Krenal Rhitral Hypo- Potamal Zerkleinerer Filtrierer Weidegänger & Filtrierer Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken Meta- Bildzitat: Lf. U Bayern

Zusammensetzung Makrozoobenthos Epi- Krenal Rhitral Sedimentfresser Filtrierer Weidegänger Räuber Hypo- Potamal Zerkleinerer Sedimentfresser Filtrierer Meta- Räuber Weidegänger Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken Zerkleinerer Sedimentfresser Filtrierer

Klassische Zonierung von Fließgewässerzonierung Quelle Oberlauf Forelle Fischzonierung Äsche Mittellauf Barbe Unterlauf Brachse Mündung Kaulbarsch/ Flunder Leitfische Salmoniden Fischregion Hydrologische Zonierung Krenal Cypriniden Rhitral Epi- Meta- Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken Hypo- Brackwasser Potamal Epi- Meta- Hypo-

Anadrom-Katadrom A anadrome Langdistanzwanderfische wandern zum B ach für die Eiablage. Beispiel: La C hs K atadrome Langdistanzwanderfische wie der Aa L wandern ins M eer zur Eiablage. Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Aktuelle Zonierung von Fließgewässern ausgeprägt mäßig ausgeprägt gering ausgeprägt Bildzitat: NZO Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Aktuelle Zonierung von Fließgewässern Bildzitat: NZO Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Zonierung einer Flussaue Hochwasser Zone Auen und Biozönosen brauchen regelmäßig wiederkehrende Hochwasser für den Erhalt ihrer Artenzusammensetzung Aquatische Amphibische Terrestrische Unterwasser- Wasserwechsel- Überwasser- Pflanzen Wasserhahnenfuß Laichkraut Wasserstern Gänsefuß Knöterich Schilf Brennessel Tiere Fische Wasserinsekten Amphibien, Libellen Weichholzaue Hartholzaue Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken Bildzitat: Cüppers, Vereinigung Deutscher Gewässerschutz, Band 66

Wasserstand und Organismenbesiedlung Abfluss ≤ NQ Organismenbesiedlung ständig von Wasser bedeckt Þ Laichkrautzone mit Unterwasserpflanzen, Fischnährtieren und Fischen > NQ ٨ ≤ MQ zwischen Niedrigwasser und mittlerem Wasserstand Þ Wechselwasserzone mit Röhricht; besiedelt durch Insekten, Amphibien und Vögel > MQ ٨ < MHQ zwischen Wasserstand bei mittlerem Abfluss und Wasserstand bei mittlerem Hochwasser Þ Weidenbereich mit Gräsern, Kräutern, Sträuchern, Weiden und Erlen; besiedelt durch Insekten, Amphibien, Reptilien, Vögel und Säuger Quelle: Klee Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Zusammenhang zwischen Wasserstandsdauerlinie und Ufervegetation Aus der natürlichen Vegetation an einem naturbelassenen Gewässer kann man die charakteristischen Wasserstände ablesen, denn die Vegetation richtet sich nach der Höhe und Dauer der resultierenden Wasserstände. Bildzitat: Bittman Als Kennzahl kann man verallgemeinert annehmen, dass Auwälder im Regelfall an rund 30 Tagen im Jahr überstaut werden. Die Weidezone kann bis zu 150 Tage pro Jahr eingestaut sein. Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Das hyporheische Interstitial NW Benthal Grundwasserebene ▼ Hyporheisches Grundwasser biologisch und chemisch mit dem Grundwasser verbunden Das hyporheische Interstitial ist der Übergangsbereich zwischen dem Fließgewässer und dem Grundwasserkörper. Es handelt sich dabei um das Hohlraumsystem des Untergrundes im Anschluss an das Benthal, das durch den Fließvorgang mit Wasser und Detritus versorgt wird. Das Interstitial ist somit Lebens- und Rückzugsraum speziell für benthische Invertebrate (Wirbellose, die an der Gewässersohle leben). Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Lebenwesen und Eigenschaften des hyporheischen Interstitials Grundwasserebene Benthal ▼ Fließgeschwindigkeit: ~ 1 - 2% der Geschwindigkeit im Gewässer optimale Korngröße für die Besiedlung: 0, 5 - 1, 0 mm Temperatur: relativ konstant und niedrig (3 - 8°C) unbeeinflusst durch Substrat- und Sedimentverschiebung bei Hochwasser Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Eigenschaften des hyporheischen Interstitials II Die größte Besiedlungsdichte des Interstitials liegt zwischen ~ 10 und 40 cm unter der Gewässersohle. (bis zu 800. 000 Tiere/m³ => 250 g/m³) Zwischen der Fauna des Benthals (dem Benthos) und dem Grundwasserkörper kann über das Interstitial ein Austausch erfolgen. Das Interstitial ist ein Lebensraum (Biotop) für unterschiedliche Arten; z. B. für die benthischen Invertebraten, Insektenlarven aber auch ersten Stadien von Salmoniden. Das Interstitial fungiert wie ein großer Pufferraum für das Fließgewässerökosystem, denn: • es schützt vor Austrocknung selbst wenn das Gewässer trocken fällt • es schützt vor Verdriftung bei Hochwasser • es stellt ein Strömungs- und Temperaturrefugium dar Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Kontext zur EG-WRRL Vor dem Hintergrund der EG-WRRL zur Erreichung eines guten ökologischen Zustandes für die Gewässer spielt das Interstitial eine wichtige Rolle. Negative Einflüsse durch Entlastungen aus Kanalnetzen, wie z. B. Schädigung und Verdriftung der benthischen Organismen können kompensiert werden, und es werden Habitate für spezielle Fischfauna gebildet. Zur Zeit ist das Interstitial speziell an Tieflandgewässern aufgrund der Emissionen von abfiltrierbaren Stoffen (AFS) aus Kanalnetzentlastungen stark beeinträchtigt. (=> Sedimentation auf der Gewässersohle und daraus resultierende Kollmatierung) Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II | 5. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

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