OptiPass – Konsolidierung der ethohydraulischen Grundlagen sowie Entwicklung eines Planungs- und Optimierungswerkzeuges für den Fischabstieg
Projektdurchführung
Technische Universität Dresden
Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik
August-Bebel-Str. 30
01219 Dresden
Zielsetzung
Die ökologische Durchgängigkeit von Fließgewässern ist eine entscheidende Voraussetzung für das Erreichen des guten ökologischen Zustands und wird daher auch im deutschen Wasserhaushaltsgesetz gefordert. Während für Fischaufstiegsanlagen bereits in der Fachwelt anerkannte Vorgaben für deren Auslegung existieren, fehlen wissenschaftlich fundierte und übertragbare Vorgaben für Fischabstiegsbypässe, insbesondere die hydraulischen Bedingungen betreffend. Bisherige Empfehlungen zur hydraulischen Gestaltung von Bypasseinstiegen beruhen auf nicht uneingeschränkt übertragbaren Einzelbefunden. Vor allem an Wasserkraftanlagen (WKA), bei welchen die Gefahr von Fischverletzungen in der Turbine besteht, stellt die unzureichende Effektivität von Fischschutz- und -abstiegssystemen ein gravierendes Problem dar. Viele WKA verfügen aktuell noch nicht über wirksame Fischabstiegseinrichtungen. Die drei zentralen Komponenten solcher Einrichtungen sind das „Blockieren“ (des Einschwimmens in die Turbine), das meist über Rechen erfolgt, das „Leiten“ in Richtung eines Bypasses und das „Ableiten“ von Fischen durch den Bypass. Insbesondere für die Komponente „Ableiten" fehlt es bislang an wissenschaftlichen Grundlagen und Vorgaben für die Praxis.
Das Projekt OptiPass baut auf neuen wissenschaftlichen Erkenntnissen auf, die im DBU-Projekt MeMo und im vom BMBF geförderten Projekt RETERO gewonnen wurden. Dort hat sich der räumliche Geschwindigkeitsgradient (SVG = Spatial Velocity Gradient) als ein maßgeblicher, das Fischverhalten beeinflussender Strömungsparameter herausgestellt. Je nach Größe und Ausrichtung des SVG lässt sich bei Fischen eine Meidung oder Nutzung von Bereichen beobachten. Das ist vor allem im Einlauf von Bypässen von großer Bedeutung, da hier eine Beschleunigung von sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten im Rückstaubereich auf hohe Werte im Bypass unvermeidbar ist. Im aktuellen Forschungsvorhaben werden ethohydraulische Versuche im Labor durchgeführt, mit denen der Einfluss des SVG auf das Fischverhalten an Bypasseinstiegen untersucht wird, um daraus allgemeingültige und standortunabhängige Empfehlungen für die Gestaltung dieses sensiblen Bereichs des Wanderkorridors abzuleiten.
Arbeitsschritte
Die Umsetzung des Projektes erfolgte im Zeitraum vom 01.08.2024 bis 31.07.2025 durch ein Konsortium bestehend aus der Technischen Universität Dresden (TU Dresden), dem Institut für Gewässerökologie Jena (IGF) sowie der SJE – Ecohydraulic Engineering GmbH (SJE). Mit Projektbeginn im August 2024 startete die detaillierte Versuchsplanung in Zusammenarbeit des gesamten Konsortiums. Im physikalischen Modell wurden zunächst drei Versuchssetups für die taxonomische Gruppe der Cyprinoidei untersucht. Setup 1 entspricht dabei dem Stand der Technik bei der Gestaltung von Bypasseinstiegen mit hohen räumlichen Geschwindigkeitsgradienten (SVG für engl. Spatial Velocity Gradient). Im Setup 2 erhöht sich der SVG allmählich, um einen Grenzwert abzuleiten, ab dem eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit von Meidungsreaktionen der Fische gegeben ist. Die Errichtung des Versuchsstandes für die ethohydraulischen Versuche im Projekt übernahm das IWD, die Versuchsdurchführung das IGF Jena. SJE ist im Projekt verantwortlich für die hydraulische Modellierung sowie für die Zusammenführung sämtlicher Daten zur Analyse des Fischverhaltens. Die im Videotracking erfassten Fischpfade wurden vom IWD digitalisiert. Die statistische Analyse der Pfade nach Verschneidung mit den hydraulischen Daten erfolgte durch SJE und IGF. Nach Vorliegen der ersten Ergebnisse wurde im Frühjahr 2025 ein drittes Setup mit optimiertem Bypasseinstieg untersucht. Ebenfalls 2025 fand eine Feldstudie durch Vetreter:innen aller Konsortiumsmitglieder an einem Wasserkraftstandort in Shakhirmardan (Usbekistan) statt, bei der die Übertragbarkeit der Ergebnisse aus dem Labor in die Praxis überprüft wurde. Alle Ergebnisse flossen bereits in eine standortunabhängige Planungsempfehlung für die Ausgestaltung von Bypasseinstiegen ein. Sie bilden eine belastbare wissenschaftliche Grundlage für die Planung und Optimierung der Bypässe für die untersuchte Zielgruppe der Cyprinidae.
Ergebnisse
Der festgelegte Zeitplan wurde vollständig eingehalten und alle Projektziele erreicht. Die avisierten Gesamtkosten konnten nahezu eingehalten werden.
Die Versuchsergebnisse im Setup 1 bestätigen, dass ein Bypass mit starkem Geschwindigkeitsgradienten deutliche Meidungsreaktionen auslöst. Auf Grundlage der Versuche im Setup 2 gelang es einen SVG-Schwellenwert für die Barbe (Barbus barbus) zu ermitteln. Durch den Einsatz einer speziell, hydraulisch optimierten vorgeformten Wand war es möglich, den SVG im Einstiegsbereich bei gleichem Niveau der Fließgeschwindigkeit unter dem ermittelten Schwellenwert zu halten. Der Test eines optimierten Bypasseinstieges im Laborsetup 3 zeigte, dass unter Berücksichtigung des Schwellenwerts die Meidungsrate signifikant verringert werden kann. In der Feldstudie bestätigte sich die Beobachtung aus dem Labor (Setup 1), dass ein Bypasseinstieg mit hohen SVG nach aktuellem Stand der Technik Meidungsverhalten auslöst. Die vorliegenden Untersuchungsergebnisse bestätigen die Bedeutung des SVG als verhaltensbeeinflussenden hydraulischen Parameter, dessen Ausprägung bei der Planung von Fischabstiegssystemen und Bypässen berücksichtigt werden muss.
Die erarbeiteten Kriterien und Empfehlungen für das optimierte Bypass-Design in „OptiPass“ gelten zunächst für die Cyprinidae und insbesondere für die untersuchte Art Barbe. In der zweiten Projektphase „OptiPass II“ soll anschließend die Bachforelle (Salmo trutta) als Vertreterin der Salmonidae im Mittelpunkt stehen, um ein breiteres Spektrum in Europa verbreiteter Arten abzudecken.
Die Berücksichtigung der Projektergebnisse und Empfehlungen bei der Gestaltung von Bypässeingängen kann die Nutzungsrate erhöhen und damit die Funktionsfähigkeit von Bypässen für den Fischabstieg an Querbauwerken verbessern. Dies kann dazu beitragen, Wasserkraft als regenerative Energiequelle umweltverträglicher zu gestalten sowie die Vernetzung von Ökosystemen zu verbessern.
Öffentlichkeitsarbeit
In nachfolgenden Konferenzbeiträgen wurde das Projekt inkl. Ergebnisse vorgestellt:
- Wagner et al., 2025. Hydraulic Optimization of the Bypass Entrance Design for Downstream Fish Migration: Insights from Laboratory and Field Studies, 3rd International Conference on Sustainability in Hydropower, 2.-5. Sept. 2025, Vienna (Austria)
- Kopecki et al., 2025. Fish downstream passage at hydropower plants: Studies on the optimization of bypass entrances in laboratory and practice, 9. Symposium zum technischen Monitoring von Fischen, 09./10. Sept. 2025 Grimselhospiz, Grimselpass, Schweiz
- Kopecki et al., 2025. „Fischabstieg an Wasserkraftanlagen: Untersuchungen zur Optimierung von Bypasseingängen in Labor und Praxis“, 9. Kolloquium der BAW/BfG aus der Reihe “Wiederherstellung der ökologischen Durchgängigkeit an Bundeswasserstraßen”. Hydraulik und Fische. 12./13. Nov. 2025, BAW, Karlsruhe
Weiterhin wurden die Ergebnisse durch das IGF in der DWA-Arbeitsgruppe 7.1: „Fischschutz- und Fischabstiegsanlagen“ sowie durch Dr. Wagner als beratender Experte für den „Grundlagenbericht Fischschutz & Fischabstieg in Österreich" eingebracht.
Im Rahmen der "Langen Nacht der Wissenschaft" an der TUD wurden die Laborversuche öffentlich vorgestellt.
Fazit
Auf Grundlage umfangreicher Erfahrungen aus ethohydraulischen Laborversuchen und früheren Feldstudien konnten die geplanten Untersuchungen vollständig und innerhalb des vorgesehenen Zeitrahmens durchgeführt werden. Im Zuge dessen wurden bestehende Methoden weiter optimiert. Der Versuchsaufbau im Freiland wurde vollständig neu konzipiert und validiert, sodass in der bewilligten Anschlussphase darauf aufbauend eine weitere Feldstudie am selben Standort erfolgen kann. Die bisher erzielten Ergebnisse entsprechen den Erwartungen und finden in der Fachcommunity bereits große Beachtung.
Da in der ersten Projektphase lediglich ein Vertreter der in Europa vorkommenden Fischtaxa untersucht werden konnte, war von Beginn an eine Erweiterung des Artenspektrums vorgesehen. In OptiPass II wird das Verhalten von Bachforellen als Vertreter der Salmonidae im Labor analysiert. Nach Abschluss der zweiten Projektphase werden somit belastbare Ergebnisse zum Einfluss des SVG auf das Verhalten von Fischen aus zwei Taxa-Gruppen (Cyprinidae und Salmonidae) vorliegen. Parallel soll in einer weiteren Feldstudie der Effekt geometrischer Optimierungen des Bypasses unter realen Bedingungen untersucht werden.
Die gewonnenen Erkenntnisse fließen in die Entwicklung eines Planungs- und Optimierungstools ein und liefern damit praxisrelevante Grundlagen zur Verbesserung von Fischschutz an Wasserkraftanlagen.