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BAWBrief 2013/03: Untersuchungen der hydraulischen Bedingungen beim Fischabstieg über Schlauchwehre

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1 Hintergrund

Nach derzeitigem Kenntnisstand orientieren sich Fische beim stromabwärts gerichteten Wandern an der Hauptströmung. Im Allgemeinen kann dabei davon ausgegangen werden, dass die Schädigungs- bzw. Mortalitätsrate der Fische bei der Passage des Wehrs niedriger ist als bei der Turbinenpassage und daher die Mortalitätsrate einer Staustufe in den meisten Fällen vom Kraftwerk dominiert wird. Dies zeigen verschiedene Untersuchungen, wie beispielsweise von Muir et al. (2001) für Königslachse und Regenbogenforellen im Snake River (USA), aber auch eigene Untersuchungen auf Basis wahrscheinlichkeitstheoretischer Betrachtungen (Schmitt-Heiderich et al., 2013). Die Gefährdung bei der Passage über das Wehr hängt dabei vom Verschlusstyp, der Über- und Unterströmung, dem Vorhandensein von Tosbeckeneinbauten und der Entwicklung der Unterwasserstände ab. DWA (2005) stellt hierzu fest, dass Schädigungen bei überströmten Verschlüssen und Fallhöhen unter 13,0 m gering ausfallen dürften, wenn die Unterwassertiefe etwa ein Viertel der Fallhöhe, mindestens aber 0,9 m, beträgt.

Bild 1: Überströmtes Schlauchwehr mit geringem Unterwasserstand

Aufgrund aktueller Planungen in der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung (WSV) geriet das Schlauchwehr in den Fokus, bei dem, wie bei allen Verschlusstypen, versucht wird, die Verschlusshöhe durch eine Jambor-Schwelle zu reduzieren (Gebhardt et al., 2011). Je nachUnterwasserstand und Abfluss gibt es dabei Zustände, bei denen der Überfallstrahl auf die Wehrschwelle bzw. den Ablagetisch mit einem geringen Wasserpolster fällt (Bild 1), woraus u. U. ein erhöhtes Verletzungsrisiko für absteigende Fische entsteht. An der BAW wurden hierzu numerische und hydraulische Modelluntersuchungen durchgeführt, um die Überströmung von Schlauchwehren qualitativ und quantitativ zu charakterisieren und damit die Schädigungsgefahr für Fische besser einschätzen zu können.

Die Untersuchungen wurden im Rahmen einer Master-Thesis durchgeführt, die von der BAW und der Hochschule Karlsruhe betreut wurde (Rudolph, 2013). Dieser Beitrag soll vorab über den Inhalt und die wesentlichen Ergebnisse informieren. Für weitere Details wird auf eine Veröffentlichung in der Zeitschrift „Wasserwirtschaft“ im ersten Quartal 2014 verwiesen (Gebhardt et al., 2014), die mit fachlicher Unterstützung der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) in Koblenz entstand. BAW und BfG beraten gemeinsam die WSV bei den Maßnahmen zur Wiederherstellung der ökologischen Durchgängigkeit an Bundeswasserstraßen.

2 Methodik

Für die numerischen Untersuchungen mit der Software OpenFOAM wurde ein 0,13 m breiter Ausschnitt eines wassergefüllten Schlauchwehres modelliert. Dabei wurden zwölf verschiedene Geometrien mit Schlauchhöhen zwischen hd = 0,08 m und hd = 0,22 m betrachtet. Die Schwellenhöhe betrug konstant w = 0,06 m, wobei sich die Wehrschwelle aus der Jambor-Schwelle und einem Ablagetisch zusammensetzt, dessen Länge der abgelegten Membran zzgl. einem Arbeitsraum von etwa 0,06 m entspricht. Diese Ausgangsgeometrie wird im Folgenden als „Standard-Ablagetisch“ bezeichnet.

Bild 2: Labormodell eines wassergefüllten Schlauchwehrs

Für die zu untersuchenden Abflusszustände wurde ein konstanter Wasserspiegel im Unterwasser gewählt, der unterhalb der Oberkante der Wehrschwelle liegt und damit die Empfehlungen von DWA (2005) deutlich unterschreitet. Der Abfluss wurde bei konstantem Oberwasserstand über der Wehrschwelle von h1 = 0,26 m zwischen Q = 0,025 m³/s und Q = 0,300 m³/s variiert. Die Validierung des numerischen Modells erfolgte anhand eines vorhandenen hydraulischen Modells im Labor der BAW (Bild 2).

In einem ersten Schritt wurden die Ergebnisse der numerischen Simulation ausgewertet und der Wehrüberfall in Abhängigkeit des Abflusses charakterisiert. Hierbei lag der Fokus auf Auftreffpunkt, -winkel und -geschwindigkeit des Überfallstrahls. In einem zweiten Schritt wurden die Strömungsgrößen bestimmt, die ein Fisch bei der Passage im Überfallstrahl erfährt. Hierzu wurde ein Abstiegsweg in der Mitte des Überfallstrahls angenommen sowie die Fließgeschwindigkeit und der Druck entlang diskreter Punkte bestimmt. Zur Beurteilung von Beschleunigung und Druckänderungen wurde auch der zeitliche Verlauf aus Fließgeschwindigkeit und Druck entlang des Abstiegsweges berechnet. Schließlich wurden im Vergleich zum Standard-Ablagetisch modifizierte Schwellen untersucht und deren Einfluss auf die Charakteristik des Wehrüberfalls analysiert.

3 Ergebnisse

Die Untersuchungen zeigen, dass bei einem Schlauchwehr mit Standard-Ablagetisch die Abflusszustände mit einer Schlauchhöhe unter hd/h1 = 0,54 unbeeinflusst von der Wehrschwelle sind und daher als unkritisch für den Fischabstieg angesehen werden (Bild 3, unten). Der Überfallstrahl fällt direkt ins Unterwasser und ein Kontakt des abwandernden Fisches mit der Wehrschwelle ist nicht zu erwarten. Für Schlauchhöhen größer als hd/h1 = 0,64 trifft der Überfallstrahl hingegen auf den Ablagetisch und durchschlägt das geringe Wasserpolster (Bild 3, oben). In diesem kritischen Bereich sind äußere und innere Verletzungen bei Fischen nicht auszuschließen. Zu diesem kritischen Bereich ist allerdings anzumerken, dass gegenwärtig unklar ist, ab welcher Überströmungshöhe die Abwanderungsmöglichkeit von Fischen wahrgenommen wird und diese dann tatsächlich über den Verschluss absteigen. Je nach Fischart kann dadurch der kritische Abflussbereich mit einem erhöhten Verletzungsrisiko kleiner werden. In einem Übergangsbereich wird der Strahl zwar noch vom Schwellenende beeinflusst, fällt aber in großen Teilen bereits ins Unterwasser (Bild 3, Mitte). Hier ist in Relation zum kritischen Bereich von einem geringen Verletzungsrisiko auszugehen.

Bild 3: Simulationsergebnis für drei unterschiedliche Schlauchgeometrien: oben) hd/h1 = 0,70, Mitte) hd/h1 = 0,59 und unten) hd/h1 = 0,42

Mit Hilfe der Froude‘schen Ähnlichkeit können die oben angegebenen Größen auf eine beliebige geometrisch ähnliche Anlage in der Natur umgerechnet werden. In Tabelle 1 sind die maßgeblichen Strömungsparameter für vier ausgewählte Verschlusshöhen zwischen 2,0 m und 5,0 m angegeben. Aus dem spezifischen Abfluss q kann der Gesamtabfluss für beliebige Wehrfeldbreiten ermittelt werden.

BAWBrief 03 2013 Tabelle1.png
Bild 4: Ausführungsvorschlag der BAW zur Modifizierung der Schwelle bei einem Schlauchwehr

Weitere Untersuchungen an modifizierten Wehrschwellen führten zu einem Ausführungsvorschlag, mit dem der für den Fisch kritische Bereich beim Abstieg minimiert wird (Bild 4). Durch eine verkürzte Wehrschwelle kann der kritische Bereich von hd/h1 ≥ 0,64 auf hd/h1 ≥ 0,70 verkleinert werden, das heißt der Überfallstrahl fällt bereits bei kleineren Abflüssen ins Unterwasser.

4 Schlussfolgerungen und Empfehlungen

Im Hinblick auf die bekannten Gefährdungsfaktoren beim Fischabstieg sind Schlauchwehre unter den gängigen überströmten Verschlusstypen grundsätzlich positiv zu bewerten, da dieser Verschlusstyp bei geringeren Fallhöhen, bis etwa 5,0 m, eingesetzt wird, woraus sich moderate Druckänderungen, geringe Aufprallgeschwindigkeiten und ein geringer Lufteintrag ergeben. Daneben besteht aufgrund der Elastizität des Verschlusses ein sehr geringes Verletzungsrisiko für die Fische. Aufgrund des Querschnitts und der gleichmäßigen Beschleunigung der Strömung stellen Schlauchwehre zudem ein geringeres Wanderhindernis dar als beispielsweise Schütze, also im hydraulischen Sinne scharfkantige Wehre (Ferguson et al., 1998). Untersuchungen an einem luftgefüllten Schlauchwehr zeigen, dass die Passage über den teilweise abgesenkten Verschluss von Lachssmolts gut angenommen wurde (Manning et al., 2005).

Ungeachtet der positiven Aspekte können Schlauchwehre an Standorten mit niedrigem Unterwasserstand aus ökologischer Sicht problematisch sein, weil dann die Gefahr besteht, dass sich abwandernde Fische am Ablagetisch verletzen. Mit dem Ausführungsvorschlag kann dieser kritische Bereich, mit einem u. U. erhöhten Verletzungsrisiko, minimiert werden. Allerdings ist hierbei zu beachten, dass die Verkürzung des Ablagetischs auch Nachteile bei der Montage und der Unterhaltung des Schlauchwehres hat, da weniger Arbeitsraum zur Verfügung steht. Eine weitere Reduzierung des kritischen Bereiches könnte auch durch eine Änderung des Wehrfahrplans erfolgen, wenn anstelle eines Parallelbetriebs die Abflusssteuerung zunächst über einen Verschluss erfolgt, bis der Unterwasserstand soweit angestiegen ist, dass ein ausreichend hohes Wasserpolster über der Wehrschwelle vorliegt. Bei der Entscheidung über bauliche und betriebliche Maßnahmen zur Reduzierung des Verletzungsrisikos sollte aber auch deren Effizienz im Hinblick auf die Gesamtmortalitätsrate einer Staustufe nicht außer Acht gelassen werden.

5 Literatur

Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (2005): Fischschutz- und Fischabstiegsanlagen – Bemessung, Gestaltung und Funktionskontrolle, ATV-DVWK.

Ferguson, J. W., Poe, T. P. and Carlson, T. J. (1998): Surface-oriented bypass systems for juvenile salmonids on the Columbia River, USA. In: Jungwirth, M., Schmutz, S. and Weiss, S. Editors, Fish migration and fish bypass. Blackwell Scientific Publications, Oxford, UK, pp. 281–299.

Gebhardt, M., Pfrommer, U., Belzner, F., Eisenhauer, N. (2011): 68 Jahre nach Jambor: Untersuchungen zum Einfluss einer Wehrschwelle, Wasserwirtschaft, Heft 9, S. 14-19.

Gebhardt, M., Rudolph, T., Kampke, W., Eisenhauer, N. (2014): Fischabstieg über Schlauchwehre: Untersuchungen der Strömungsverhältnisse und Identifizierung der Abflussbereiche mit erhöhtem Verletzungsrisiko, Wasserwirtschaft, 1. Quartal 2014 (zur Veröffentlichung angenommen).

Manning, D. J., Mann, J. M., White, K. W., Chase, S. D. and Benkert, R. C. (2005): Steelhead Emigration in a Seasonal Impoundment Created by an Inflatable Rubber Dam. North American Journal of Fisheries Management 25, pp. 1239–1255.

Muir, W. D., Smith, S. G., Williams, J. G. and Sandford, B. P. (2001): Survival of Juvenile Salmonids Passing through Bypass Systems, Turbine and Spillways with and without Flow Deflectors at Snake River Dams. North American Journal of Fisheries Management, 21, pp. 135-146.

Rudolph, T. (2013): Untersuchungen zum Fischabstieg an Wehranlagen mit überströmten Wehrverschlüssen. Master-Thesis Hochschule Karlsruhe Wirtschaft und Technik, Bundesanstalt für Wasserbau, unveröffentlicht.

Schmitt-Heiderich, P., Gebhardt, M., Weichert, R. (2013): Klassifizierung der Wanderwege für den Fischabstieg. BAWBrief 02/2013.

Ansprechpartner

Dr.-Ing. Michael Gebhardt
Abteilung Wasserbau im Binnenbereich
Referat Wasserbauwerke (W3)
Telefon: 0721 9726-3410
Fax: 0721 9726-4540
E-Mail: michael.gebhardt@baw.de

M. Eng. Tobias Rudolph
Abteilung Wasserbau im Binnenbereich
Referat Wasserbauwerke (W3)
Telefon: 0721 9726-5815
Fax: 0721 9726-4540
E-Mail: tobias.rudolph@baw.de

Dipl.-Ing. Wolfgang Kampke
Abteilung Wasserbau im Binnenbereich
Referat Flusssysteme I (W1)
Telefon: 0721 9726-4510
Fax: 0721 9726-4540
E-Mail: wolfgang.kampke@baw.de

Prof. Dr.-Ing. Norbert Eisenhauer
Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft
Telefon: 0721 925-2619
Fax: 0721 925-2645
E-Mail: norbert.eisenhauer@hs-karlsruhe.de

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