Projekt 33867/01

Entwicklung eines kombinierten Mess-/Modelliersystems zur Planung, Bewertung und Optimierung von Fischabstiegseinrichtungen an Wasserkraftwerken

Projektträger

Technische Universit√§t Darmstadt Institut f√ľr Wasserbau und Wasserwirtschaft Fachgebiet Wasserbau und Hydraulik
Franziska-Braun-Str. 7
64287 Darmstadt
Telefon: +4961511621165

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Wasserhaushaltsgesetz ist die Erzielung des guten √∂kologischen Zustands f√ľr Flie√ügew√§sser gesetzlich
verankert. Einen entscheidenden Baustein stellt dabei die Durchg√§ngigkeit f√ľr die Fischfauna dar (¬ß34
WHG), die an Staubauwerken allgemein und an Wasserkraftanlagen im Speziellen behindert bzw. nicht
gegeben ist. Hauptziele sind eine bessere Vernetzung der Fließgewässer und eine Verringerung der Fischmortalität,
die besonders bei der Abwärtswanderung oftmals hoch ist. Es ist bislang noch weitgehend unklar,
welche Faktoren das Fischverhalten bei der Abwärtswanderung beeinflussen, wie diese Faktoren ggf.
gemessen und berechnet werden k√∂nnen und wie sie f√ľr die Leitung von Fischen zu Byp√§ssen hin genutzt
werden können. Ein Stand der Technik ist bisher nicht definiert. Hier setzt das aktuelle Forschungsvorhaben
an: Es soll zum einen das Wissen √ľber ma√ügebende Str√∂mungssignaturen und das hydraulisch-reaktive
Verhalten abwanderungswilliger Fische erweitern. Zum anderen soll ein praxistaugliches Instrument
f√ľr die Messung verhaltensrelevanter Str√∂mungssignaturen sowie ein numerisches Prognosemodell (als
Modul des Habitatmodells CASiMiR) zur Abgrenzung möglicher Reaktionszonen entwickelt werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie wesentlichen Arbeitsschritte des Projektes setzen sich aus den Lebendtierversuchen, der hydraulischen
Analyse der Str√∂mung und der Kombination beider Aspekte f√ľr das ethohydraulische Vorhersagemodell
zusammen. Des Weiteren wurde in einem Arbeitspaket f√ľr die hydraulische Analyse eine fischf√∂rmige
Messsonde (Fischsinnessonde ¬Ė FSS) an der Technischen Universit√§t Tallinn (TalTech) entwickelt,
welche verschiedene Sinnesorgane eines Fisches imitieren soll. Aufgrund der Fokussierung des Projektes
auf den Fischschutz und -abstieg, wurden f√ľr die Versuche zwei Schr√§grechensetups (30¬į und 55¬į zur
Anströmung) gewählt. Die Tierversuche fanden mit verschiedenen Fischarten statt und wurden anschließend
unter anderem mittels einer Videoanalyse ausgewertet. F√ľr die Aufnahme der vorliegenden Str√∂mungssignaturen
und die Verifizierung der durchgef√ľhrten 2D- und 3D-hydrodynamisch-numerischen Simulationen
wurden Geschwindigkeitsmessungen mit einem Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) sowie
umfangreiche Tests mit der FSS durchgef√ľhrt. Im Anschluss wurden die ethologischen und hydraulischen
Befunde verkn√ľpft und in das Prognosemodell implementiert. Zus√§tzlich fand eine erste Erprobung der
FSS im Feld statt.



Ergebnisse und Diskussion

Zur Weiterentwicklung eines Mess- und Modelliersystems, mit dem sich m√∂gliche Faktoren f√ľr die Fischbewegung
und Verhaltenszonen an Abstiegsbarrieren erfassen bzw. Reaktionsräume prognostizieren lassen,
wurden umfangreiche Untersuchungen durchgef√ľhrt. In beiden Systemen sind Gradienten die Hauptparameter.
Bei der Fischsinnessonde (FSS) stellte sich der Druckgradient quer zum Fischkörper (Differenz
zwischen linkem und rechtem Drucksensor) bzw. die daraus definierte Asymmetrie des Strömungsangriffs
als vielversprechender Parameter heraus. Im Prognosemodell fanden der räumliche Geschwindigkeitsgradient
im Kopfbereich (Spatial velocity gradient, SVG) und dessen Winkel zur Fließrichtung Beachtung.
Es zeigte sich, dass Bereiche mit stark asymmetrischer Belastung auf den Körper eher gemieden werden.
Die genannte Asymmetrie kann dabei sowohl durch den mit der FSS gemessenen Druckgradienten als
auch durch den Winkel zwischen Fließrichtung und SVG im Modell beschrieben werden.
Aufbauend auf den Erkenntnissen wurde f√ľr das Prognosemodell ein Passage Hamper Index (PHI; Passage-
Behinderungs Index) entwickelt, der sich aus den beiden genannten Parametern (SVG und dessen
Winkel zur Flie√ürichtung) ermitteln l√§sst. Er stellt ein Ma√ü f√ľr die Bevorzugung bzw. Meidung bestimmter
Strömungsbereiche dar (0 = Bevorzugung bis 1 = Meidung).
Die entwickelte Fischsinnessonde ermöglicht weiterhin eine neuartige Erfassung verhaltensrelevanter
Gr√∂√üen unter Ber√ľcksichtigung der Interaktion von Fischk√∂rper und Str√∂mung, die bei konventionellen
Strömungsmessungen nicht möglich ist. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einfluss hydraulisch wirksamer
Strukturen (z.B. vertikale St√ľtzen des Rechens) auf die Str√∂mungssignaturen bzw. die genannten Parameter
messbar ist.


√Ėffentlichkeitsarbeit und Pr√§sentation

Einzelne Aspekte des Projektes wurden bereits veröffentlicht und sind hier frei zugänglich:
Bensing, K.; Tuhtan, J. A.; Toming, G.; Khan, A. H.; Lehmann, B. (2022): Fish body geometry reduces the
upstream velocity profile in subcritical flowing waters. In: Aquatic Sciences 84(32):1-14.
https://doi.org/10.1007/s00027-022-00863-6
Bensing, K.; Tuhtan, J.A.; Lehmann, B. (2022): Fischverhalten besser verstehen mithilfe von Multiparameterdaten;
45. Dresdner Wasserbaukolloquium am 14. und 15. Juni 2022; online verf√ľgbar:
https://henry.baw.de/bitstream/handle/20.500.11970/108930/10_Fischverhalten_Multiparameterdaten_
Bensing_.pdf?sequence=1&isAllowed=y
Des Weiteren werden beim 14. International Symposium on Ecohydraulics (ISE, 10.-14. Oktober in Nanjing,
China) zwei Vorträge zu Teilaspekten des Projekts gehalten:
Bensing et al.: Application of a Fish-Shaped Probe at an Angled Rack: Introducing the Fish Sensory Sonde
(FSS) (inkl. Tagungsbeitrag);
Kopecki et al.: Towards Understanding Fish Behavior Near an Angled Rack: An Approach for Fish Tracing
Using Open-Source Software;
Weitere Vorträge sowie Beiträge in deutschen und internationalen Fachjournalen, die sich z.B. mit den
Möglichkeiten beim Einsatz der neuen Messtechnik oder auch dem Modellierungsansatz in CASiMiR beschäftigen,
sind in Planung. Durch verschiedene Social Media Posts (v.a. in LinkedIn und ResearchGate)
wurde zus√§tzlich versucht √∂ffentliches Interesse f√ľr das Projekt zu wecken. Au√üerdem sind Informationen
zum Projekt auf den Internetseiten des Fachgebiets Wasserbau und Hydraulik (www.wasserbau.tu-darmstadt.
de) sowie des Ingenieurb√ľros SJE (www.sjeweb.de) zu finden.


Fazit

Das Mess- und Modelliersystem liefert in den neuen Ans√§tzen bez√ľglich der Betrachtung von Str√∂mungsgradienten
gute Ans√§tze. Diese sollten zuk√ľnftig durch weitere Grundlagenuntersuchungen mit st√§rker
ausgeprägten hydraulischen Variationen, welche wiederum deutlichere Verhaltensunterschiede bei den
Fischen hervorrufen, weiterverfolgt werden. Dies hat zum Ziel genaue Toleranzwerte extrahieren und f√ľr
die Planung und Optimierung von Anlagen nutzen zu können.
Die FSS zeigte au√üerdem in ihrem Einsatz als ¬Ąbewegte¬ď Sonde gro√ües Potential, um kleinste Str√∂mungsschwankungen
r√§umlich hochaufgel√∂st erfassen zu k√∂nnen. Hier bedarf es zuk√ľnftig noch weiterer Optimierungen
sowie Tests im Freiland.
Das vorgestellte Projekt geht im Bereich der Ethohydraulik innovative Wege. Der Wissensstand bez√ľglich
des Verhaltens sowie der Wahrnehmung von Fischen bei der Abwärtswanderung wurde erweitert. Die
Korrelation der Fischbewegungsmuster mit den gefundenen Strömungsfaktoren sind in weiteren Untersuchungen
zu best√§tigen und lassen eine zuk√ľnftige Bewertung und Optimierung von Fischabstiegsanlagen
mit dem Mess- und Modelliersystem realistisch erscheinen.

√úbersicht

Fördersumme

376.429,00 ‚ā¨

Förderzeitraum

01.02.2019 - 30.04.2022

Internet

http://www.wasserbau.tu-darmstadt.de

Bundesland

Hessen

Schlagwörter

Klimaschutz
Landnutzung
Naturschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik