Hybride Barrieren zur Optimierung von Stabrechen zum Fischschutz
© Springer Vieweg | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH (10/2021)
Die Forderung eines effektiven Fischschutzes an Wasserkraftanlagen bewegt immer mehr Betreiber zur Optimierung ihrer Kraftwerke. Dabei ist es wichtig, eine Ausgewogenheit zwischen der energetischen Nutzung und der notwendigen Fischschutzwirkung der verwendeten Rechen zu gewährleisten. Ein neu entwickeltes System ermöglicht die Ausstattung bestehender Turbinenschutzrechen mit Elektroden, die durch ein elektrisches Feld im Wasser den Fischschutz sicherstellen, ohne wirtschaftliche Einbußen durch geringere Stababstände zu verursachen.
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Die Forderung eines effektiven Fischschutzes an Wasserkraftanlagen bewegt immer mehr Betreiber zur Optimierung ihrer Kraftwerke. Dabei ist es wichtig, eine Ausgewogenheit zwischen der energetischen Nutzung und der notwendigen Fischschutzwirkung der verwendeten Rechen zu gewährleisten. Ein neu entwickeltes System ermöglicht die Ausstattung bestehender Turbinenschutzrechen mit Elektroden, die durch ein elektrisches Feld im Wasser den Fischschutz sicherstellen, ohne wirtschaftliche Einbußen durch geringere Stababstände zu verursachen.
Aalabwanderung an der Wasserkraftanlage Unkelmühle - zwei Methoden, ein Ergebnis?
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Die Wasserkraftanlage Unkelmühle (Sieg) wurde mit einem flach geneigten Vertikalrechen und Fischabstiegswegen für Aal und Lachs ausgerüstet. Die Funktionsfähigkeit der Fischschutzeinrichtungen für den Aal wurde u. a. mit einem Fangmonitoring an den sohlennahen Abstiegen sowie mittels Radiotelemetrie überprüft. Mehr als 90 % der am Standort erfassten abgewanderten und telemetrierten Aale nutzten jedoch oberflächennahe Abstiegswege, entweder direkt bei Überfall am Wehr oder im Bereich des Krafthauses. Eine bodennahe Abwanderung über die Bottom Gallery wurde zwar nachgewiesen, die Telemetrie-Daten zeigten jedoch unabhängig vom Fangmonitoring deren untergeordnete Bedeutung für Aale.
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Die Wasserkraftanlage Unkelmühle (Sieg) wurde mit einem flach geneigten Vertikalrechen und Fischabstiegswegen für Aal und Lachs ausgerüstet. Die Funktionsfähigkeit der Fischschutzeinrichtungen für den Aal wurde u. a. mit einem Fangmonitoring an den sohlennahen Abstiegen sowie mittels Radiotelemetrie überprüft. Mehr als 90 % der am Standort erfassten abgewanderten und telemetrierten Aale nutzten jedoch oberflächennahe Abstiegswege, entweder direkt bei Überfall am Wehr oder im Bereich des Krafthauses. Eine bodennahe Abwanderung über die Bottom Gallery wurde zwar nachgewiesen, die Telemetrie-Daten zeigten jedoch unabhängig vom Fangmonitoring deren untergeordnete Bedeutung für Aale.
Feinrechen - Grenzen der Kirschmer- Gleichung
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Die Berechnung des Stauhöhenverlusts an Feinrechen in kommunalen Kläranlagen basiert seit Jahrzenten auf der von Otto Kirschmer 1925 entwickelten Gleichung. In der Praxis zeigt sich bei Anwendung dieser für Wasserkraftanlagen konzipierten Gleichung auf Feinrechen, dass sich die berechneten und gemessenen Werte z. T. erheblich unterscheiden. Unter Zuhilfenahme von über 900 Experimenten wurden in der Herleitung der Kirschmer-Gleichung die dafür verantwortlichen Annahmen, welche in heutigen Kläranlagen oft nicht zulässig sind, identifiziert.
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Die Berechnung des Stauhöhenverlusts an Feinrechen in kommunalen Kläranlagen basiert seit Jahrzenten auf der von Otto Kirschmer 1925 entwickelten Gleichung. In der Praxis zeigt sich bei Anwendung dieser für Wasserkraftanlagen konzipierten Gleichung auf Feinrechen, dass sich die berechneten und gemessenen Werte z. T. erheblich unterscheiden. Unter Zuhilfenahme von über 900 Experimenten wurden in der Herleitung der Kirschmer-Gleichung die dafür verantwortlichen Annahmen, welche in heutigen Kläranlagen oft nicht zulässig sind, identifiziert.
Experimentelle Untersuchungen zu Sedimentablagerungen in einer
Flusskrümmung am Mittelrhein
© Springer Vieweg | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH (5/2021)
Die Bundesanstalt für Wasserbau untersucht im großmaßstäblichen Modellversuch eine für die Binnenschifffahrt herausfordernde Krümmung im Mittelrhein bei Oberwesel. In der Flusskrümmung wird die Schifffahrt durch Sedimentanlandungen entlang einer Kiesbank am Innenufer erschwert. Diese Anlandungen werden derzeit durch Baggerung wiederkehrend entfernt. Flussbauliche Maßnahmen sollen helfen, den Unterhaltungsaufwand zu vermindern. Eine besondere Herausforderung bei der Modellierung lag darin, das Natursediment auf ein geeignetes Modellsediment zu übertragen. Als Modellsedimente wurden verschiedene Kunststoffgranulate unterschiedlicher Dichte als Granulatmischungen eingesetzt.
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Die Bundesanstalt für Wasserbau untersucht im großmaßstäblichen Modellversuch eine für die Binnenschifffahrt herausfordernde Krümmung im Mittelrhein bei Oberwesel. In der Flusskrümmung wird die Schifffahrt durch Sedimentanlandungen entlang einer Kiesbank am Innenufer erschwert. Diese Anlandungen werden derzeit durch Baggerung wiederkehrend entfernt. Flussbauliche Maßnahmen sollen helfen, den Unterhaltungsaufwand zu vermindern. Eine besondere Herausforderung bei der Modellierung lag darin, das Natursediment auf ein geeignetes Modellsediment zu übertragen. Als Modellsedimente wurden verschiedene Kunststoffgranulate unterschiedlicher Dichte als Granulatmischungen eingesetzt.
Stauraumverlandung von Hochgebirgstauseen: Experimentelle Modellversuche
mit Mischungen aus Kunststoffgranulat und Sand
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In Hochgebirgsstauseen erfolgt der Sedimenteintrag aus Einzugsgebieten, die durch Vegetationsmangel geprägt sind und dadurch bei Extremereignissen stark erodiert werden. Das eingetragene Sediment ist oftmals eine Mischung aus Kies und Sand sowie kleineren Anteilen aus Schluffen und Tonen. Der Kies wird als Geschiebe transportiert und bildet am oberen Teil des Stausees einen deltaförmigen Transportkörper, der im Stausee langsam zur Talsperre wandert. Der Sand wird überwiegend in Suspension transportiert und bei den vornehmlich kleineren Stauräumen bis hin zum Absperrbauwerk abgelagert. Der Sedimenteintrag verringert den Stauraum z. T. deutlich. Da Kies im Wesentlichen als Geschiebe und Sand primär als Suspension in den Stauraum eingetragen werden, müssen diese morphodynamischen Prozesse im physikalischen Modell unterschiedlich betrachtet werden. Im Rahmen von zwei Consulting-Projekten an Talsperren in Chile wurden morphodynamische Experimente für Stauräume durchgeführt mit dem Ziel, die Stauraumverlandung durch eingetragenes Sediment aus Kies und Sand zu reduzieren. Als Modellsediment wurde eine Mischung aus Sand und Kunststoffgranulat verwendet. Die Ergebnisse zeigten, dass mit den getesteten innovativen Verfahren im physikalischen Modell die Baggerungen im Stausee deutlich reduziert werden konnten.
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In Hochgebirgsstauseen erfolgt der Sedimenteintrag aus Einzugsgebieten, die durch Vegetationsmangel geprägt sind und dadurch bei Extremereignissen stark erodiert werden. Das eingetragene Sediment ist oftmals eine Mischung aus Kies und Sand sowie kleineren Anteilen aus Schluffen und Tonen. Der Kies wird als Geschiebe transportiert und bildet am oberen Teil des Stausees einen deltaförmigen Transportkörper, der im Stausee langsam zur Talsperre wandert. Der Sand wird überwiegend in Suspension transportiert und bei den vornehmlich kleineren Stauräumen bis hin zum Absperrbauwerk abgelagert. Der Sedimenteintrag verringert den Stauraum z. T. deutlich. Da Kies im Wesentlichen als Geschiebe und Sand primär als Suspension in den Stauraum eingetragen werden, müssen diese morphodynamischen Prozesse im physikalischen Modell unterschiedlich betrachtet werden. Im Rahmen von zwei Consulting-Projekten an Talsperren in Chile wurden morphodynamische Experimente für Stauräume durchgeführt mit dem Ziel, die Stauraumverlandung durch eingetragenes Sediment aus Kies und Sand zu reduzieren. Als Modellsediment wurde eine Mischung aus Sand und Kunststoffgranulat verwendet. Die Ergebnisse zeigten, dass mit den getesteten innovativen Verfahren im physikalischen Modell die Baggerungen im Stausee deutlich reduziert werden konnten.
Kolkexperimente an Brückenpfeilern unter Sedimenttransportbedingungen
mit Polystyrolgranulat
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Brückenzerstörungen durch Auskolkungen erfolgen bei hohen Strömungsintensitäten, die im Wasserbaulabor nur schwierig nachzubilden sind. In einer hydraulischen Versuchsrinne mit Sedimentrückführung wurden physikalische Modellversuche zur Kolkbildung an Brückenpfeilern unter Klarwasserbedingungen, bei Geschiebetransport und Suspensionstransport durchgeführt. Als Sediment wurde das Kunststoffgranulat Polystyrol verwendet. Die Fließgeschwindigkeiten betrugen das 0,8- bis 8,5-fache der kritischen Geschwindigkeit des Sohlenmaterials. Die maximale Kolktiefe wurde kontinuierlich mit einer endoskopischen Kamera aus dem Inneren eines kreisrunden Plexiglaszylinders gemessen.
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Brückenzerstörungen durch Auskolkungen erfolgen bei hohen Strömungsintensitäten, die im Wasserbaulabor nur schwierig nachzubilden sind. In einer hydraulischen Versuchsrinne mit Sedimentrückführung wurden physikalische Modellversuche zur Kolkbildung an Brückenpfeilern unter Klarwasserbedingungen, bei Geschiebetransport und Suspensionstransport durchgeführt. Als Sediment wurde das Kunststoffgranulat Polystyrol verwendet. Die Fließgeschwindigkeiten betrugen das 0,8- bis 8,5-fache der kritischen Geschwindigkeit des Sohlenmaterials. Die maximale Kolktiefe wurde kontinuierlich mit einer endoskopischen Kamera aus dem Inneren eines kreisrunden Plexiglaszylinders gemessen.
Nachbildung von Geschiebeschüttkegeln mit Kunststoffgranulaten
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Am Beispiel der Isarmündung in die Donau zeigt sich, dass heterogenes Kiesmaterial im Mündungsbereich eines Flusses als sogenannter Schüttkegel abgelagert werden kann. Am Zusammenfluss von Isar und Donau führt dies zu Beeinträchtigungen der Schifffahrt. Um diese morphologische Situation in einem gegenständlichen Modell untersuchen zu können, ist ein geeignetes Modellmaterial auszuwählen. Dazu wurden an der Hochschule Magdeburg-Stendal umfangreiche Untersuchungen durchgeführt, um nachfolgende Laborversuche der Bundesanstalt für Wasserbau mit der erforderlichen Naturähnlichkeit zu ermöglichen.
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Am Beispiel der Isarmündung in die Donau zeigt sich, dass heterogenes Kiesmaterial im Mündungsbereich eines Flusses als sogenannter Schüttkegel abgelagert werden kann. Am Zusammenfluss von Isar und Donau führt dies zu Beeinträchtigungen der Schifffahrt. Um diese morphologische Situation in einem gegenständlichen Modell untersuchen zu können, ist ein geeignetes Modellmaterial auszuwählen. Dazu wurden an der Hochschule Magdeburg-Stendal umfangreiche Untersuchungen durchgeführt, um nachfolgende Laborversuche der Bundesanstalt für Wasserbau mit der erforderlichen Naturähnlichkeit zu ermöglichen.
Modelluntersuchungen zum Kolkprozess am Wehr Geesthacht
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Untersuchungen an der Wehranlage Geesthacht zeigen, dass Kolkprozesse in gegenständlichen Modellen nach wie vor eine Herausforderung darstellen. Einerseits erfordert die Abbildung der morphologischen Prozesse von feinen Sedimenten Kompromisse bei der Naturähnlichkeit. Andererseits sind berührungslose Methoden erforderlich, um den Kolkprozess im laufenden Versuch zu beobachten. Insgesamt konnten die maßgebenden Randbedingungen für den Kolkprozess aufgezeigt werden, so dass Sicherheit für die Planung der notwendigen geometrischen Veränderungen des Tosbeckens und für die Konzeptionierung der Kolksicherungsstrecke besteht.
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Untersuchungen an der Wehranlage Geesthacht zeigen, dass Kolkprozesse in gegenständlichen Modellen nach wie vor eine Herausforderung darstellen. Einerseits erfordert die Abbildung der morphologischen Prozesse von feinen Sedimenten Kompromisse bei der Naturähnlichkeit. Andererseits sind berührungslose Methoden erforderlich, um den Kolkprozess im laufenden Versuch zu beobachten. Insgesamt konnten die maßgebenden Randbedingungen für den Kolkprozess aufgezeigt werden, so dass Sicherheit für die Planung der notwendigen geometrischen Veränderungen des Tosbeckens und für die Konzeptionierung der Kolksicherungsstrecke besteht.
Neue Wege in der experimentellen morphodynamischen Modellierung durch die Verwendung von Kunststoffgranulat-Sieblinien
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Morphodynamische Modellexperimente sind im wasserbaulichen Versuchswesen nach wie vor ein unverzichtbares Hilfsmittel, um die komplexen Fragestellungen, die bei morphodynamischen Prozessen auftreten, einschätzen zu können. Die Übertragung der morphodynamischen Prozesse von Natur auf das Modell ist jedoch mit erheblichen Unsicherheiten behaftet. So wird die Sedimentcharakteristik eine Natursieblinie aus einem Sand-Kies-Gemisch üblicherweise auf ein Modellsediment aus Einkorn-Kunststoffgranulat übertragen.
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Morphodynamische Modellexperimente sind im wasserbaulichen Versuchswesen nach wie vor ein unverzichtbares Hilfsmittel, um die komplexen Fragestellungen, die bei morphodynamischen Prozessen auftreten, einschätzen zu können. Die Übertragung der morphodynamischen Prozesse von Natur auf das Modell ist jedoch mit erheblichen Unsicherheiten behaftet. So wird die Sedimentcharakteristik eine Natursieblinie aus einem Sand-Kies-Gemisch üblicherweise auf ein Modellsediment aus Einkorn-Kunststoffgranulat übertragen.
Wasserbauliches Versuchswesen im 21. Jahrhundert
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Das wasserbauliche Versuchswesen hat eine über hundertjährige Tradition und liefert nach wie vor einen wesentlichen Beitrag zur Beantwortung aktueller hydraulischer und morphologischer Fragestellungen. Während im 20. Jh. wasserbauliche Modellversuche oftmals die einzige Möglichkeit waren, komplexe hydraulische Fragestellungen mit einer hinreichenden Prognosesicherheit zu beantworten, liegen im 21. Jh. oftmals die Schwerpunkte in den morphologischen Experimenten und in detaillierten Grundlagenuntersuchungen. Da die zu beantwortenden Fragestellungen immer komplexer, die Naturdaten in ihrer Qualität und Quantität immer besser und die Anforderungen an die Genauigkeiten der Ergebnisse immer höher werden, sind Laborversuche unabdingbar, um weiterhin das Prozessverständnis zu verbessern. Die Erkenntnisse aus den wasserbaulichen Experimenten dienen als Grundlagen für die Lösungsansätze numerischer Modelle und sind damit auch für deren Weiterentwicklung unabdingbar.
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Das wasserbauliche Versuchswesen hat eine über hundertjährige Tradition und liefert nach wie vor einen wesentlichen Beitrag zur Beantwortung aktueller hydraulischer und morphologischer Fragestellungen. Während im 20. Jh. wasserbauliche Modellversuche oftmals die einzige Möglichkeit waren, komplexe hydraulische Fragestellungen mit einer hinreichenden Prognosesicherheit zu beantworten, liegen im 21. Jh. oftmals die Schwerpunkte in den morphologischen Experimenten und in detaillierten Grundlagenuntersuchungen. Da die zu beantwortenden Fragestellungen immer komplexer, die Naturdaten in ihrer Qualität und Quantität immer besser und die Anforderungen an die Genauigkeiten der Ergebnisse immer höher werden, sind Laborversuche unabdingbar, um weiterhin das Prozessverständnis zu verbessern. Die Erkenntnisse aus den wasserbaulichen Experimenten dienen als Grundlagen für die Lösungsansätze numerischer Modelle und sind damit auch für deren Weiterentwicklung unabdingbar.
