Die Energie, die dem Gewässer zur Verrichtung von Arbeit zur Verfügung steht, entspricht der Lageenergie des Wassers PE.

PE = m * g * h

wobei:
PE - potential energy- Lageenergie
m- Masse des Wassers
g- Gravitationskonstante
h- Höhe über dem Meeresspiegel

Die Lageenergie wird in kinetische Energie umgewandelt.

KE = m * v² * ½

wobei:
KE- kinetische Energie
v- Strömungsgeschwindigkeit

Nur ein Teil dieser Bewegungsenergie steht zur Sohlen- / Ufererosion und dem Sedimenttransport zur Verfügung. Der Großteil, etwa 95%, wird durch turbulente Strömung in Wärmeenergie umgewandelt (MORISAWA 1968 zitiert in BESCHTA & PLATTS 1986). Totholz vermindert die dem Gewässer zur Verrichtung von Arbeit zur Verfügung stehende Energie durch die Dissipation an Wasserspiegelsprüngen und die Erhöhung der Sohlenrauhigkeit. Dies hat eine verringerte Strömungsgeschwindigkeit und vermehrte Sedimentation zur Folge (MARSTON 1982).
In Fließgewässern mit hohem Gefälle, erfolgt die Sedimentation vor allem in den durch Totholz - Dämmen im Oberlauf gebildeten Stau- Becken Pools (GRANT et al. 1990 zitiert in FETHERSTON et al. 1995, MARSTON 1982). Aufgrund des geringen Gefälles, weisen diese Abschnitte eine geringe Strömungsgeschwindigkeit auf. Die Totholz - Dämme selbst stellen dagegen ausgeprägte Wasserspiegelsprünge im Längsverlauf des Gewässers dar (Abb.4). Direkt unterhalb der Dämme wird die Lageenergie zuerst in kinetische Energie umgewandelt und dann dem System zum Teil durch Dissipation (Umwandlung in nicht mehr arbeitsfähige Wärmeenergie) entzogen (BESCHTA & PLATTS 1986).

Abb.4: Durch Totholz verursachte Wasserspiegelsprünge im Längsverlauf (aus KELLER & SWANSON 1979, S. 376)

In Fließgewässern mit geringem Gefälle, erfolgt die Sedimentation vor allem im Unterlauf des Totholzes (KELLER & SWANSON 1979) oder zwischen dem Ufer und vorgelagertem Totholz (FETHERSTON et al. 1995). KELLER & SWANSON (1979) nehmen an, daß der Anteil des durch Totholz gespeicherten Sediments mit dem Gefälle abnimmt, da in flacheren Gewässern, neben den durch Totholz gebildeten strömungsberuhigten Zonen, noch weitere Speicher wie die Aue und Riffel zur Verfügung stehen.
Die Sedimentablagerungen dienen als Substrat für die Pioniervegetation (FETHERSTON et al. 1995).
Die sedimentrückhaltende Wirkung des Totholzes wurde in mehreren Untersuchungen nachgewiesen. Dabei wurde eine Erhöhung des Sedimenttransportes nach der Räumung der Gewässer festgestellt. In einem 175 m langen Abschnitt eines Gewässers 2. Ordnung mit hohem Gefälle (20.8%), konnte BILBY (1981) eine Verfünffachung des Austrags an partikulärem organischem und anorganischem Material mit Durchmessern > 1 mm beobachten. Nach der Entfernung allen Totholzes mit einem Durchmesser > 1 cm, kam es in einem flachen Gewässer (1%) 2. Ordnung zu einer Erhöhung des Sedimenttransportes bei bordvollem Abfluß um den Faktor vier (SMITH et al. 1993).
Der größte Teil des Sedimenttransportes erfolgt mit den ersten Hochwässern (BILBY 1981, SMITH et al. 1993, BESCHTA 1979). Dabei wird vor allem das ehemals durch Totholz gespeicherte Material verlagert (BILBY 1981, SMITH et al. 1993). Darüber hinaus beobachteten SMITH et al. (1993) eine, über den gesamten Untersuchungszeitraum anhaltende, erhöhte Sedimentfracht, die sie auf die Erosion von Sohlmaterial durch die Verringerung der Sohlenrauhigkeit und die damit verbundene Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit zurückführen.
Der Verlust einzelner Totholz - Elemente führt zur Mobilisierung kleiner Mengen an Sediment, die sich im Unterlauf nach kurzem Transportweg an anderem Totholz wieder ablagern (MOSLEY 1981, HOGAN 1987).

Parameterauswahl

Es scheint unstrittig, daß Totholz in Fließgewässern den Rückhalt von Sediment bewirkt. Die Abhängigkeit dieser sedimentrückhaltenden Wirkung von Eigenschaften wie Größe, Lage und Form des Totholzes ist bisher jedoch nur ansatzweise untersucht worden.
Es ist anzunehmen, daß die Menge an gespeichertem Sediment, zumindest bis zu einem gewissen Grad, von der Menge an Totholz im Gewässer abhängt. BILBY & WARD (1989) konnten eine positive Korrelation zwischen dem Totholzvolumen und der Fläche an gespeichertem Sediment feststellen. Darüber hinaus scheint die Struktur des Totholzes (NAKAMURA & SWANSON 1993) bzw. Form und Lage (LISLE 1981 zitiert in GURNELL et al. 1995) und die durch Baumart, Lagestabilität und Zerfallsgrad bestimmte Verweildauer / Persistenz (LISLE 1986) eine Rolle zu spielen.
Eine gleichmäßige Verteilung des Totholzes verringert die Strecke, die das Sediment bei Bruch einzelner Totholz - Strukturen bachabwärts zurücklegen kann und verbessert somit die sedimentrückhaltende Wirkung (HOGAN 1987).