Wenn man Helmut Habersack fragt, warum man in Zeiten von Digitalisierung, "digital twins" und Künstlicher Intelligenz ein Riesenlabor braucht, durch das man die echte Donau leitet, mit 10.000 Liter Flusswasser pro Sekunde, dann sollte man sich Zeit nehmen. Denn der Leiter des Instituts für Wasserbau an der Universität für Bodenkultur (Boku) kann dann ausholen. Schließlich ist das neue Wasserbaulabor, am Sporn des Wiener Donaukanals, das am Montag feierlich eröffnet wird, sein "Baby".

Mit 49 Millionen Euro Baukosten, davon 26 Millionen aus Fördermitteln der Europäischen Union und kofinanziert von Klimaministerium, Wissenschaftsministerium, Wirtschaftsministerium, Landwirtschaftsministerium, den Bundesländern Wien und Niederösterreich sowie der Boku selbst, die den Grundstückankauf übernahm, ist die Größe und die "Naturnähe" des Labors weltweit einzigartig. "Wir haben im Vorfeld viele neue Wasserbaulabore besucht", sagt Habersack. "Aber unsere Schwerpunktsetzung hat so niemand realisiert."

BOKU-Wasserbaulabor am Donaukanal
Am Sporn des Wiener Donaukanals steht der Universität für Bodenkultur nun ein einzigartiges Wasserbaulabor zur Verfügung.
BOKU Medienstelle/Christoph Gruber

Im neuen Wasserbaulabor kann die Donau nun durch das Öffnen eines Wehrs in eine riesige Halle geleitet werden. Dort fließt sie durch einen – je nach Experiment – flexibel gestaltbaren Kanal, der bis zu 100 Meter lang und 25 Meter breit sein kann. "Hier können wird das Verhalten eines Flusses unter naturnahen Bedingungen simulieren", sagt Habersack. Zum Bespiel, ab welchen Strömungsverhältnissen in einem Flussbecken die Steine zu rollen beginnen. Daraus lässt sich ableiten, wieviel "Geschiebe" ein Fluss pro Jahr transportiert. "Das ist ein sehr wichtiger Parameter", sagt der Wasserbau-Experte. Denn daraus leitet sich ab, wie Kraftwerke und Wehranlagen gebaut werden sollen oder wie man Hochwasserschutz nachhaltig anlegt.

Und genau hier liegt die Krux der Theorie oder oder anders gesagt, die Begründung für das neue Großlabor: "Wir haben für diesen Geschiebetransport zwar Formeln", sagt Habersack. "Die wurden um 1950 aber nur aus Kleinversuchen mit Steinen in dreißig Zentimeter breiten Rinnen entwickelt." Schon in den 1990er-Jahren begann Habersack, die theoretischen Ergebnisse in der Natur nachzumessen. Das Ergebnis: Theorie und Praxis stimmten nicht überein. Und zwar nicht nur im Bereich der Kommastellen, die Fehlerquote betrug fast eine Zehnerpotenz. Computermodelle konnten die Ungenauigkeiten nicht ausmerzen. "Auch Supercomputer arbeiteten weiterhin mit den alten Formeln. Das aber ist fatal", sagt Habersack.

Verlust von Stränden

Denn von den Ergebnissen hängt ab, ob und wie an einem Fluss oder einem Stausee das "Sedimentmanagement" durchgeführt werden soll. Pro Jahr verliere man weltweit 0,7 Prozent Stauraum durch Schlamm und Geröll, sagt Habersack. Staubecken von Fluss- und Speicherkraftwerken, aber auch Trinkwasserspeicher können dadurch bei falscher Planung innerhalb von Jahrzehnten verlanden. "Wir verlieren weltweit durch Verlandung mehr Stauraum, als neuer gebaut wird." Der Klimawandel tut sein Übriges, etwa wenn die Geschiebemenge abschmelzender Gletscher berücksichtigt werden soll. "Neue Kraftwerke müssen daher so gebaut werden, dass sie Sedimente durchschleusen können."

Denn fehlendes Geschiebe bereitet Probleme. Im Donaudelta kommen heute wegen Sedimentablagerungen in Staubecken von Kraftwerken pro Jahr um 60 Prozent weniger Schwebstoffe an: "Das bedeutet Küstenerosionen. Rumänien verliert dadurch jährlich bis zu 24 Meter Sandstrand."

Sinkender Grundwasserspiegel

Andererseits gräbt sich die Donau auf Strecken, wo sie frei fließen kann, wegen fehlenden Geschiebes förmlich ein. Nach dem Kraftwerk Freudenau hat sie sich in den letzten Jahrzehnten etwa um einen Meter eingetieft. "Das klingt nach nicht viel", sagt Habersack. "Aber es hat Auswirkungen auf das Grundwasser." Denn je mehr ein Fluss seine Flussrinne vertieft, desto tiefer sinkt nach dem Gesetz der korrespondierenden Gefäße auch der Grundwasserspiegel in der Umgebung ab. Nicht gut, wenn das etwa auf der Höhe des Naturschutzgebietes der Lobau passiert.

"Als man das weitere Vertiefen der Donau verhindern wollte, haben Planer das Aufbringen eines 25 Zentimeter dicken Teppichs aus 50 bis 70 Millimeter dicken Steinen am Donaugrund vorgeschlagen", erinnert sich Habersack. "Wir Wasserbauer aber waren skeptisch und sagten: "Machen wir lieber einen Versuch." Dieser wurde dann in der Nähe von Deutsch-Altenburg durchgeführt. Das Ergebnis: Obwohl die Steine theoretisch nach der Formel für den Geschiebetransport erst von einem Jahrhundert-Hochwasser davongeschwemmt worden wären, fingen sie schon viel früher an, sich zu bewegen – sogar bei Niederwasser.

Unstete Fließgeschwindigkeit

Wenn Habersack die Gründe für solch ein planerisches Versagen erklärt, nimmt er ein Blatt Papier und zeichnet eine X- und eine Y-Achse. Dann zieht er mit schnellem Strich eine Parallele zur X-Achse: "Das ist der Mittelwert der Fließgeschwindigkeit eines Flusses. Mit der rechnen wir in den Formeln." Anschließend zeichnet er zwischen den X- und Y-Achsen eine heftig nach oben und nach unten ausschlagende Linie ein. "Und das ist Fließgeschwindigkeit eines Flusses, wenn wir sie in Echtzeit mit Lasergeräten messen."

Das heißt, ein Fluss fließt nicht einfach ruhig vor sich hin, sondern ruckelt und zuckelt, ist mal langsamer und schneller, in schnell ablaufendendem Wechsel. Ja, es stimme schon, sagt Habersack. Physikalisch mache ein Stein, wenn man nur die durchschnittliche Fließgeschwindigkeit betrachtet, keinen Mucks. "Die Steine interessiert aber nicht das Durchschnittstempo, sondern die Tempospitzen."

Tests für Katastropheneinsätze

Und genau wegen solcher zufälliger Abweichungen zahle es sich aus, einen echten Fluss ins Labor zu leiten. "Hier können wir Strömungsversuche aufbauen und Ergebnisse unter realen Bedingungen bekommen." Zum Beispiel eben, wann ein Fluss einen Stein bewegt, der tatsächlich im Fluss liegt und nicht von Kleinversuchen hochskaliert werden muss. Oder ob Fischtreppen oder (neuartige) Turbinen unter realen Bedingungen wirklich funktionieren. Oder wann ein Mensch wirklich von der Strömung mitgerissen wird. "Auch das wollen wir untersuchen, mit Probanden, die wir im Labor in die Donauströmung stellen." Selbstverständlich unter sicheren, aber doch unter naturnahen Bedingungen, sagt Habersack. "Das wird wertvolle Grenzwerte liefern, die Feuerwehr und Wasserrettung im Katastropheneinsatz eine bessere Orientierung bieten."

Und geht alles gut, wird man viele weitere Daten sammeln. Nicht nur vom Geschiebe der Donau, sondern auch von Experimenten mit Flussgestein aus Drau, Rhein, Elbe und anderen Flüssen. Dann will man damit eine KI trainieren und eine neue Formel entwickeln. Und die, so Habersack, "soll sich dann auch unter Realbedingungen bewähren".

Maßgeschneiderte Forschungsinfrastruktur

Auch für Wissenschaftsminister Martin Polaschek stellt die Eröffnung des neuen Wasserbaulabors "einen bedeutenden Meilenstein für den Forschungsstandort Österreich" dar. Vor dem Hintergrund von vermehrten Naturkatastrophen und immer stärkeren Auswirkungen des Klimawandels sei es von entscheidender Bedeutung, umfangreiche Forschungsarbeit zu betreiben und dabei auf maßgeschneiderte Forschungsinfrastruktur zu setzen. "Mit dem neuen Wasserbaulabor stellen wir genau diese Infrastruktur bereit und etablieren Österreich als einen der weltweit führenden Standorte für wasser- und fließgewässerbezogene Forschung", sagt Polaschek im Vorfeld der Eröffnung. (Norbert Regitnig-Tillian, 11.6.2023)