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Ökologische Durchgängigkeit - FuE-Projekte

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Das Referat W1 betreibt zur Beantwortung diverser baulicher und hydraulischer Fragestellungen im Aufgabengebiet der ökologischen Durchgängigkeit gemeinsam mit dem Referat U4 der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) Forschung und Entwicklung (FuE). Diese beinhaltet eigene Projekte, Kooperationen mit Universitäten und Hochschulen und eine enge Vernetzung mit anderen nationalen und internationalen Forschungsinstitutionen. In der Forschung kommen gegenständliche und hydronumerische Bauwerks- und Systemmodelle zum Einsatz und für ausgewählte Fragestellungen werden in Karlsruhe in einer großen Laborrinne Fischversuche durchgeführt. Die Erkenntnisse aus FuE werden an mehreren, eigens errichteten Pilot-Fischaufstiegsanlagen vertieft und erweitert werden. Die Forschungsergebnisse dienen der Bemessung und Standardisierung von Fischaufstiegsanlagen und werden für die Beratung der WSV-Bauvorhaben benötigt. Der Rahmen der Forschungsaktivitäten ist im BfG/BAW-Forschungskonzept zusammengestellt.

Forschungsprojekt "Sonderbauwerke"

Damit Fischaufstiegsanlagen für Fische gut auffindbar sind, ist es an den großen Bundeswasserstraßen häufig notwendig, den eigentlichen Betriebsdurchfluss der Fischaufstiegsanlage durch Dotation zu verstärken. Zu diesem Zweck muss zusätzliches Wasser in die Fischaufstiegsanlage eingeleitet werden. Die mitunter nicht unerheblichen Dotationsdurchflüsse erfordern spezielle Bauwerke, für die es keine Bemessungsempfehlungen gibt. Die BAW widmet sich dem Thema in zwei Teilprojekten. Das erste Teilprojekt befasst sich (in Zusammenarbeit mit dem Leichtweiß-Institut für Wasserbau der TU Braunschweig) mit der Andienung und Strömungsberuhigung bzw. Gleichrichtung im Zulauf der Dotation. Im zweiten Teilprojekt werden Lösungen für die Gestaltung des Einstiegsbeckens, in welches die Dotation zugegeben wird, erarbeitet. Hier steht die Passierbarkeit des Bauwerks durch Fische im Vordergrund. Im Schwerpunkt werden unterschiedliche Bauwerksdetails in Maßstabsmodellen voruntersucht und dann in ethohydraulischen Versuchen getestet.

Forschungsprojekt "Zeitabhängige Strömungsprozesse"

Allgemein werden zur Beurteilung der Hydraulik in Fischaufstiegsanlagen zeitliche Mittelwerte der Strömungsgeschwindigkeiten genutzt. Jedoch spielt im turbulenten hydraulischen Umfeld in und an Fischaufstiegsanlagen die zeitliche Schwankung der Geschwindigkeiten und derer Struktur eine große Rolle für die Wahrnehmung der Strömung durch Fische. Ziel des Projekts ist es, die in einem Vorgängerprojekt anhand von PIV-Messungen in einem Schlitzpass entwickelten Verfahren für die Beschreibung der dynamischen Eigenschaften von Strömungsfeldern für weitere relevante Skalen zu übertragen. Für das Verständnis der Wirkung der Hydraulik auf das Fischverhalten und zur Überprüfung der entwickelten Methodik sind Fischversuche in der ethohydraulischen Rinne der BAW vorgesehen.

Forschungsprojekt "ELAM-Auffindbarkeit"

In diesem Projekt wird ein Modell für die Bewertung der Auffindbarkeit von Fischaufstiegsanlagen im Unterwasser von Wasserkraftanlagen auf Basis bisheriger Forschung entwickelt. Die primäre Methode ist individuenbasierte Modellierung auf Basis der Eulerian-Lagrangian-agent-method (ELAM). Zur Entwicklung werden Daten aus umfangreichen Fischbeobachtungen der BfG mittels akustischer Telemetrie in Freilanduntersuchung im Unterwasser der Pilotanlage Eddersheim genutzt. Zur Simulation des Strömungsfelds im Unterwasser von Kraftwerken verwendet die BAW 3D-hydrodynamisch-numerische Modelle, die mit OpenFOAM® erstellt werden. Die Ergebnisse werden mittels der ELAM mit einem Verhaltensmodell verknüpft.

Forschungsprojekt "Fischabstieg über Wehre"

Für die Erreichung der Ziele der EU-Wasserrahmenrichtlinie spielt neben dem Fischaufstieg auch der Fischabstieg eine zentrale Rolle. Während das Problem von Fischschutz und Fischabstieg an Wasserkraftanlagen seit einiger Zeit Gegenstand intensiver Diskussionen ist, gewinnt die Betrachtung des Fischabstiegs an Wehranlagen zunehmend an Bedeutung. Ziel des Projektes ist eine möglichst realitätsnahe Abbildung der hydraulischen Prozesse eines Wehrüberfalls im numerischen Modell. Auf dieser Basis soll dann die Bewegung von passiv mitgeführten Schwimmkörpern (als Fisch-Ersatzmodell) untersucht werden, um mögliche Schädigungsszenarien zu überprüfen und eine bessere Beurteilung der potenziell schädigenden Prozesse beim Fischabstieg über Wehranlagen zu ermöglichen. Die Durchführung des Projekts erfolgt gemeinsam mit dem Referat W3 der BAW und dem Institut für Hydromechanik (IfH) des KIT.

Forschungsprojekt "Auffindbarkeit von Fischaufstiegsanlagen" (abgeschlossen)

In Kooperation mit dem Dieter-Thoma-Labor und der Versuchsanstalt Obernach der TU München wurde die Auffindbarkeit von Fischaufstiegsanlagen im Unterwasser von Wasserkraftanlagen untersucht. Darin war sowohl die Parametrisierung der Abströmung von Wasserkraftanlagen und deren Modellierung in gegenständlichen und numerischen Modellen relevant, als auch die Beurteilung und die Definition einer guten Leitströmung zur Gewährleistung der Auffindbarkeit. Die Ergebnisse wurden auch für die Bemessung der Leitströmung (Empfehlung in Vorbereitung) und die Planung der Pilotanlagen verwendet. Zudem wurde mit den Projektdaten an der TU München eine Dissertation angefertigt.

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Forschungsprojekt "Passierbarkeit von Fischaufstiegsanlagen in Schlitzpassbauweise" (abgeschlossen)

Die Hydraulik von Fischaufstiegsanlagen in Schlitzpassbauweise wurde in einer Kooperation mit dem Institut für Wasser und Gewässerentwicklung des Karlsruher Instituts für Technologie untersucht. Ein wesentlicher Bestandteil der Kooperation war die Beschreibung der zeitlichen Schwankung der Strömungsfelder in der Fischaufstiegsanlage und deren Vorhersehbarkeit für Fische. Das Teilprojekt wurde mit einer Promotion abgeschlossen. In einem anderen Teilprojekt wurde die Ausprägung der zeitlich gemittelten Strömungsfelder in unterschiedlichen Strömungsmustern in den Becken der Fischaufstiegsanlage untersucht, welche eine Auswirkung auf die Energiebilanz der Becken und die Passierbarkeit für Fische haben. Zudem wurden in dem Projekt weitere Untersuchungen zum Energieumsatz in den Becken der Fischaufstiegsanlage z.B. bezüglich der Fließgeschwindigkeiten und Rauheiten angestellt und daraus Ansätze zur Durchflussbestimmung konkretisiert. Die Daten wurden auch zur Weiterentwicklung gegenständlicher und numerischer Modellverfahren genutzt.

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Forschungsprojekt "ELAM-DE" (abgeschlossen)

Effizienz ist ein wichtiges Kriterium zur Beurteilung der Funktion von Fischaufstiegsanlagen. Jedoch ist es kostspielig und langwierig, diese im Feld oder im Labor zu bestimmen. Ein numerisches Modell, das Fischverhalten auf räumlichen und zeitlichen Skalen von Dezimetern beziehungsweise Sekunden simuliert, kann Planungsentscheidungen unterstützen und das Verständnis der Auswirkungen verschiedener Bauweisen fördern. Die „Eulerian-Lagrangian-agent“-Methode (ELAM) wurde für die Entwicklung eines neuen, individuenbasierten Modells („ELAM-de“) herangezogen. Das Modell wurde mit 3D-Strömungsdaten gespeist, die mit OpenFOAM® auf Netzen aus beliebigen Polyedern berechnet wurden. Aus Bewegungsdaten von lebenden Bachforellen wurden Verhaltensmuster abgeleitet, mit denen das individuenbasierte Modell erstellt, kalibriert und validiert wurde. Das Projekt wurde in Zusammenarbeit mit der Universität der Bundeswehr München mit einer Promotion abgeschlossen.

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