Fische, Wasservögel und Pflanzen leben in bzw. um Seen; auch Menschen nützen Seen zum Schwimmen oder Boot fahren. Gerade Motorboote oder Schiffe verändern das Ökosystem See, auch Verbauungen rund ums Ufer und vor allem der Klimawandel setzen den Seen zu. Das kann dazu führen, dass sich die Artenvielfalt ändert und die Seen ihre ökologische Funktionsfähigkeit verlieren. Schließlich dienen Seen als Lebensraum für Tiere und Pflanzen; darüber hinaus speichern sie Trinkwasser, regulieren das lokale Klima, ermöglichen Fischerei und bieten Schutz vor Hochwasser, indem sie als natürliches Rückhaltebecken fungieren.
Forscher*innen der TU Graz haben ein neues Monitoringsystem entwickelt, das Bootswellen mittels Satellitennavigationsdaten und Sensorik auf Bojen misst. Der Ausgangspunkt dafür war eine Studie, die 2021 vom Kärntner Institut für Seenforschung in Auftrag gegeben wurde, erklärt Philipp Berglez. Er ist Universitätsprofessor für Navigation an der Technischen Universität Graz und war daran beteiligt, das neue Monitoringsystem zu entwickeln. Die damalige Studie zeigte einen deutlichen Rückgang der Unterwasserpflanzen am Wörthersee. Als mögliche Ursache dafür wurden unter anderem Bootswellen identifiziert. Forscher*innen der TU Graz nahmen sich dem Thema an, jedoch konnten sie anfangs keine eindeutigen Aussagen tätigen. Das Problem: Lange gab es lediglich Untersuchungen zu Wasserpflanzen an sich, aber eine Korrelation mit Wellen bzw. fand keine gesamtheitliche Betrachtung des Ökosystems See statt. Bis jetzt.
Neues Monitoringsystem
Das an der TU Graz entwickelte Monitoringsystem basiert auf Bojen, die im Bereich des Ufers angebracht werden. Diese haben sowohl Inertialsensorik (Beschleunigungsmesser) und Globale Navigationssatellitensystem (GNSS)-Empfänger an Bord. GNSS ist der Oberbegriff für globale Navigationssatellitensysteme wie zum Beispiel GPS, Galileo, GLONASS oder Beidou. „Das System wurde speziell für die Erkennung von Wellen entwickelt, die von Booten – Linienschiffen bis hin zu kleinen Freizeitmotorbooten – erzeugt werden. Durch die Integration von Inertialsensorik und GNSS-Messungen sind die Wellenmessungen sehr genau. Das Bojensystem ist uferparallel L-förmig angeordnet, um sowohl die tiefenabhängige Wellenentwicklung als auch Entwicklungen entlang unterschiedlicher Uferabschnitte aufzuzeichnen und die Wellenrichtung abzuleiten. Durch die Nachbearbeitung der Daten mit einem neuartigen Filteransatz konnten von Booten verursachte Wellen zuverlässig von Windwellen und Messungenauigkeiten getrennt werden“, erklärt Philipp Berglez. Darüber hinaus wurde der Bestand bzw. Zustand der Wasserpflanzen untersucht. Im Anschluss erfolgten Messungen an verschiedenen Standorten – welchen, die den Wellen ausgesetzt sind und welchen, die den Wellen nicht ausgesetzt sind sowie im Bereich von Wellenschutzzäunen. Diese bestehen meist aus Holz oder Schilf und werden aufgestellt, um die Uferbereiche von Seen vor der Erosion durch Wellen zu schützen, indem sie den Uferbereich des Wassers beruhigen. Zudem wurden noch einige Messfahrten mit einem Boot durchgeführt.
Auswirkungen von Wellen
Mit dem Monitoringsystem kann also herausgefunden werden, welche Auswirkungen Wellen – und dabei vor allem durch Boote verursachte Wellen – auf das Ufer und die Bio-Indikatoren von Seen haben. Dafür nützt das System auch Künstliche Intelligenz. Philipp Berglez: „ Die FH Kärnten entwickelte im Rahmen des Projektes ein skalierbares, UAS-basiertes System (Unmanned Aircraft System; unbemanntes Luftfahrzeugsystem) zur automatisierten Erfassung, Klassifikation und georeferenzierten Trajektorienbestimmung von Booten. Diese Informationen wurden dann im Rahmen der Wellenanalyse verwendet, um unterschiedliche Wellentypen den Bootstypen zuzuordnen. Für die Detektion und Klassifikation der Boot kam ein Deep-Learning-Modell zum Einsatz.“
Beispiel Wörthersee
Die Forscher*innen testeten das System am Wörthersee. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Wellen auf die ökologische Funktionsfähigkeit des Sees auswirken: Die Untersuchungen ergaben erste Aussagen über die Wirksamkeit von Schutzmaßnahmen: Wellenschutzzäune sind wirksam, indem sie vor allem starken Wellengang vom Ufergürtel fernhalten, wodurch sich Pflanzen neu ansiedeln und ausbreiten können. Bootswellen sind aufgrund ihrer hohen Wellenenergie selbst durch Schilfschutzzäune noch abgeschwächt nachweisbar. „Den besten Schutz aber bieten eindeutig natürliche, unverbaute Buchten“, betont Philipp Berglez.
Schutz für Seen
Durch die Untersuchungen lassen sich erste Aussagen über die Wirksamkeit von Maßnahmen zum Schutz der Seen treffen: So sind etwa Schutzzäune wirksam, da sie den starken Wellengang von der Uferzone fernhalten, dadurch können sich Pflanzen neu ansiedeln und ausbreiten. Auch natürliche, unterbaute Buchten schützen das Wasserökosystem. Schlussendlich fand man heraus, dass Fische – wie zum Beispiel Karpfen, Rotaugen, Rotfedern – ein wesentlicher Grund für den Schwund von Wasserpflanzen sind. Fische fressen die Wasserpflanzen und zudem wühlen sie den Boden auf. Das aufgewühlte Sediment wird zusätzlich durch die Wellenbewegung verfrachtet und lagert sich an den Wasserpflanzen ab. Das beeinträchtigt die Photosynthese, was die Unterwasserpflanzen zusätzlich schwächt. Das neue Monitoringsystem liefert somit eine Grundlage für ein datenbasiertes und nachhaltiges Management von Seen – und hilft dabei, diese Ökosysteme besser zu schützen.
