Veranlassung Um eine FAA beurteilen zu können, muss man vergleichen, wie viele Fische aufsteigen wollen und wie viele tatsächlich aufsteigen. Während man in der FAA die Fische gut erfassen kann, ist dies aber im freien Unterwasser mit keiner bekannten Erfassungsmethode vollständig möglich. Es wird umso schwieriger, je größer ein Fluss wird. Die Anzahl der aufwanderwilligen Fische kann daher nicht direkt mit den tatsächlich aufsteigenden Fischen verglichen werden, sondern muss indirekt eingeschätzt werden. Verschiedene nationale und internationale Ansätze befassen sich mit dieser Fragestellung, von denen allerdings keine die Anforderungen an Bundeswasserstraßen abdeckt. Ausgehend von diesen Ansätzen wird der neue Methodenstandard entwickelt: - Aus den gesetzlichen Anforderungen werden Bewertungskriterien formuliert. - In umfangreichen Feldtests werden verschiedene Erfassungsmethoden über einen längeren Zeitraum parallel eingesetzt und verglichen. - Ein Ansatz für die quantitative Bewertung der Aufstiegszahlen wird erarbeitet. Ziele Die Arbeiten münden in eine Methode zur biologischen Bewertung einer FAA in Bundeswasserstraßen. In einem Multikriterienkatalog werden die Ansprüche an die Erfassung der Funktionsfähigkeit konkret benannt. Darauf basierend werden die möglichen und notwendigen Felderfassungen für die Funktionsbewertung der FAA zusammengestellt und die erforderlichen Erfassungszeiträume festgelegt. Die Vorgaben für die konkrete Ausschreibung dieser Arbeiten werden für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung (WSV) erarbeitet. Neue FAA sollen an mehr als 200 Staustufen der Bundeswasserstraßen die Durchgängigkeit für Fische herstellen, um die Ziele der EU-WRRL zu erreichen. Zwar kann man bei Planung und Bau der FAA auf standardisierte Bemessungsempfehlungen zurückgreifen, doch bergen die komplexen und individuellen Randbedingungen jedes Standorts viele Unsicherheiten hinsichtlich der Funktionalität, insbesondere an großen Flüssen. Eine biologische Funktionskontrolle soll den Erfolg der Maßnahmen für die Fische überprüfen und das Risiko von Fehlinvestitionen senken. Wie gut funktioniert eine Fischaufstiegsanlage (FAA)? Dies ist wichtig zu wissen, aber nicht leicht zu messen, vor allem nicht an großen Flüssen. Daher soll hierfür ein Methodenstandard entwickelt werden.
Die frei fließenden und staugeregelten Flüsse unter den Bundeswasserstraßen sind für die Fische wichtige Verbindungsgewässer zwischen den Habitaten im Meer und an den Flussoberläufen. Fische, die große Distanzen zurücklegen, orientieren sich an der Hauptströmung und werden deshalb an Staustufen entweder zum Kraftwerk oder zum Wehr geleitet. Dort gibt es keine Möglichkeit mehr, aufwärts zu wandern, wenn nicht in der Nähe der Wehr- oder Kraftwerksabströmung eine funktionierende Fischaufstiegsanlage vorhanden ist. Da Schiffsschleusen keine kontinuierliche Leitströmung erzeugen, werden sie von den Fischarten, die der Hauptströmung folgend lange Distanzen zurücklegen, nicht gefunden. Arten, die auf ihrer Wanderung nicht der Hauptströmung folgen, können auf- oder abwandern, wenn sie eine offene Schleusenkammer vorfinden. Flussabwärts: Fische vor Kraftwerken schützen und vorbeileiten: An Staustufen ohne Wasserkraftanlagen ist die abwärts gerichtete Wanderung über ein Wehr hinweg in der Regel unproblematisch. Voraussetzung: Das Wehr ist in Betrieb, die Fallhöhe beträgt nicht mehr als 13 Meter und im Tosbecken ist eine Wassertiefe von mindestens 0,90 Metern vorhanden. Dagegen können bei Abwanderung durch eine Kraftwerksturbine leichte bis tödliche Verletzungen auftreten. Diese turbinenbedingte Mortalität ist von der Fischart und der Körperlänge der Tiere sowie von Turbinentyp und -größe, der Fallhöhe und den jeweiligen Betriebsbedingungen abhängig. Um hier einen gefahrlosen Fischabstieg zu gewährleisten, sind die Betreiber von Wasserkraftanlagen nach Wasserhaushaltsgesetz verpflichtet, die Wasserkraftanlagen mit geeigneten Maßnahmen zum Schutz der Fischpopulation (z. B. mit Feinrechen und einem Bypass am Kraftwerk vorbei ins Unterwasser) aus- bzw. nachzurüsten. Flussaufwärts: Hier helfen nur Fischaufstiege: Verschiedene Untersuchungen der Durchgängigkeit an Rhein, Mosel, Main, Neckar, Weser, Elbe und Donau haben gezeigt, dass zwar ein großer Teil der Staustufen mit Fischaufstiegsanlagen ausgestattet ist, diese für die aufstiegswilligen Fische jedoch schwer zu finden oder zu passieren sind. Im Mai 2009 stimmten die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) und die Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) gemeinsam mit dem Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS heute: Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur, BMVI) folgendes Rahmenkonzept für die erforderlichen Arbeiten ab: - Aufstellung fachlicher Grundlagen, insbesondere zu fischökologischen Dringlichkeiten - Fachliche Beratung der WSV sowie Schulungen - Forschungs- und Entwicklungsprojekte für die Erstellung eines technischen Regelwerks, und - Standardisierung der Anforderungen und Ausführung von Fischaufstiegs-, Fischschutz- und Fischabstiegsanlagen. (Text gekürzt)
Fischaufstiegsanlagen (FAA) haben eine wesentliche Bedeutung für die Herstellung der fischökologischen Durchgängigkeit von Querbauwerken. Allerdings ist das Verständnis der Auffindbarkeit von FAA insbesondere in großen BWaStr derzeit noch begrenzt. Nach derzeitigem Kenntnisstand zur Planung von FAA folgen wandernde Fische einer Leitströmung aus dem Unterwasser in den Einstieg der FAA. Welche konkreten hydraulische Parameter dabei eine signifikante Rolle spielen ist aber unbekannt. Ebenso ist die Frage der potenziellen Bedeutung anderer abiotischer Faktoren wir Morphologie, Akustik oder Lichtintensität nicht ausreichend geklärt, insbesondere für die potamodromen Arten Mitteleuropas. Anhand hydraulischer und anderer abiotischer Faktoren sowie einer Analyse von Fischbewegungsmustern im Unterwasser von Querbauwerken sollen Aufstiegskorridore von Wanderfischen identifiziert, parametrisiert und modelliert werden. Ziel des Projektes ist es, Aufstiegskorridore anhand abiotischer Faktoren räumlich abzugrenzen und somit die Auffindbarkeit von Fischaufstiegsanlagen und den Stand der Technik für Planungen von FAA in BWaStr zu verbessern.
Fischaufstiegsanlagen können nur dann richtig funktionieren, wenn die Tiere den Einstieg schnell und leicht finden. Dieser befindet sich in der Regel direkt am Wanderhindernis, möglichst nah an der Hauptströmung. An Bundeswasserstraßen ist sein Standort häufig neben der Wasserkraftanlage, auf Höhe des Saugschlauchendes (Bild 1). So sollen Sackgassen für aufwärts wandernde Fische vermieden werden. Die sogenannte Leitströmung soll dem Fisch dabei den Weg zum Einstieg weisen; sie wird meist durch Zugabe eines zusätzlichen Abflusses im unteren Bereich der Fischaufstiegsanlage erzeugt. Da durch die räumliche Nähe Wechselwirkungen zwischen der Hydraulik von Kraftwerksabströmung und Leitströmung unvermeidlich sind, ist es für die Dimensionierung des Einstiegs der Fischaufstiegsanlage wichtig, die Charakteristik der Strömung im Unterwasser der Wasserkraftanlage zu kennen. Vor diesem Hintergrund entstand das BAW-Forschungsprojekt 'Strömungsuntersuchungen an Niederdruckwasserkraftanlagen'. Dessen Ziel ist es, Aufschlüsse über Strömungsmuster im Unterwasser von Wasserkraftanlagen zu erhalten - abhängig von verschiedenen Turbinenparametern und hydraulischen Randbedingungen. Die Erkenntnisse sollen zum einen helfen, die Dimensionierung des Einstiegsbereichs von Fischaufstiegsanlagen hinsichtlich geometrischer Gestalt und Leitströmung zu verbessern. Zum anderen sollen die Messdaten zur Weiterentwicklung numerischer Modelle genutzt werden. Das Projekt gliedert sich in eine Vorstudie, Messungen am Turbinenversuchsstand des Dieter-Thoma-Labors an der TU München, numerische Modellierungen sowie Naturmessungen.
Ziel: Ermittlung der oekologischen Effizienz von wasserbaulichen Aufstiegsanlagen in Fliessgewaessern fuer Wirbellose und Fische. Ergebnisse: Technische Aufstiegsanlagen sind wegen Verstopfungsgefahr und Unterhaltungsaufwand eher ungeeignet. Rauhe Rampen sind guenstige Aufstiegsanlagen, wie die Wiederfaenge von markierten Fischen und Wirbellosen beweisen. Natuerliche/naturnahe Umgehungsbaeche sind sehr geeignete Wanderwege. Das Gefaelle im Bauwerk sollte mindestens 1:20 betragen. Ruheraeume und natuerliche Anschluesse an Oberwasser und Unterwasser muessen favorisiert werden. Lueckige Sohlsubstrate und Uferstrukturen beguenstigen den Aufstieg.
Messstelle betrieben von STANDORT TÖNNING.
Messstelle betrieben von STANDORT TÖNNING.
Veranlassung Um die Ziele des Wasserhaushaltsgesetzes zu erreichen, sind neben dem Fischauf- auch der Fischabstieg zu gewährleisten. Im Rahmen von Ersatz- oder Instandsetzungsmaßnahmen von Wehranlagen der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung (WSV) ist daher auch der Fischabstieg zu beachten. Verschiedene Maßnahmen sind denkbar, um den Fischabstieg schadlos zu gestalten, wie Bypässe, Wehrumgestaltung oder gezielte Wehrsteuerung. Das Schädigungspotenzial verschiedener Wehrtypen unter verschiedenen hydraulischen Szenarien muss dafür bekannt sein. Hier spielen Faktoren wie die Überfallhöhe, Aufreißer am Wehr, Tosbeckengestaltung und Wasserpolster beim Aufprall eine Rolle. Während für einige Faktoren bereits gute Literaturgrundlagen vorhanden sind, um Fachempfehlungen auszusprechen (z.B. Fische folgen i.d.R. der Hauptströmung), müssen andere noch gezielt untersucht werden (notwendige Überfallhöhen an der Wehrkante, ausreichende Dicke des Wasserpolsters im Unterwasser). Ziele - Schädigungspotenziale verschiedener Wehrtypen ermitteln und parametrisieren - Auswirkung der Überfallhöhe auf den Fischabstieg ermitteln - Beratungstool für WSV weiterentwickeln, um Relevanz Fischabstieg für konkrete Wehrplanungen zu ermitteln - Maßnahmen erarbeiten, um Fischschädigungen beim Abstieg zu minimieren (betrieblich und baulich) und für die Fachberatung verfügbar machen (z.B. als Beitrag zum Handbuch 'Ökologische Durchgängigkeit' der WSV) Fische wandern im Laufe ihres Lebenszyklus im Fluss sowohl aufwärts als auch abwärts. Beim Abstieg müssen sie an Stauanlagen regelmäßig auch Wehre überwinden. Der Fischabstieg über Wehre wird in der Regel als unproblematisch angesehen. Tatsächlich besitzen aber auch manche Wehranlagen und Wehrtypen - je nach Konstellation - das Potenzial, Fische beim Abstieg zu schädigen oder zu töten. Welche Anforderungen sind an einen schadlosen und verzögerungsfreien Fischabstieg über Wehranlagen zu stellen? Welche Faktoren bilden das größte Risiko? Abwandernde Fische überwinden in Bundeswasserstraßen zahlreiche Wehre. Dabei gibt es Risiken, sich zu verletzen oder gar zu sterben. Wir untersuchen, unter welchen Bedingungen die Fische schadlos und ohne Verzögerung Wehre passieren.
Das Forschungsprojekt hat das Ziel, das Schwimmverhalten von kleineren Fischarten in Fischaufstiegsanlagen besser zur verstehen. In ethohydraulischen Versuchen wird die Bewegung von Fischen in unterschiedlich turbulenten Strömungen in einer Fischaufstiegsanlage untersucht. Aufgabenstellung und Ziel Fischaufstiegsanlagen (FAA) in Schlitzpassbauweise sind so bemessen, dass im Einstieg und in den Schlitzen hohe Strömungsgeschwindigkeiten auftreten. Diese dienen der schnellen Wanderung leistungsstarker Fischarten, können aber die bisher angenommene, experimentell ermittelte Leistungsfähigkeit kleiner und schwimmschwacher Arten überschreiten (z. B. Katopodis und Gervais 2016). Zudem treten in den Schlitzen Strömungsschwankungen verschiedener Größenordnungen auf, die in Versuchen zur Ermittlung der Leistungsfähigkeit nicht vorhanden waren. Beobachtungen kleiner Fische in solchen FAA legen nahe, dass diese leistungsfähiger sind als erwartet. Eine weitere Erklärung dafür kann sein, dass Fische die auftretenden Strömungsschwankungen für die Passage nutzen. Da nach der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie auch kleine Arten durchgängigkeitsrelevant sind und Schlitzpässe zu den bevorzugten Bauweisen gehören, ist es wichtig zu verstehen, wie solche Fische die Passage bewältigen. Im ersten Teil des vorliegenden FuE-Vorhabens wurde in ethohydraulischen Versuchen die Bewegung von Fischen unter unterschiedlich turbulenten Strömungsbedingungen in einem Schlitz beobachtet und die Passageraten der Fische ermittelt. Während der Versuche wurden Videos der Fischbewegung aufgezeichnet. Im zweiten Projektteil werden diese Daten hinsichtlich auftretender Bewegungsmuster als Reaktionen der Fische auf die unterschiedlich turbulenten Strömungen analysiert. Durch eine geeignete Parametrisierung der turbulenten Strömung kann die Passierbarkeit unterschiedlicher hydraulischer Szenarien bewertet werden. Mithilfe der Ergebnisse sollen hydraulische Parameter aus numerischen Strömungssimulationen oder Messdaten fischökologisch bewertet werden. Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) FAA müssen für alle Fischarten geeignet sein. FAA in Schlitzpassbauweise sind ein häufig verwendeter Bautyp, der vorrangig für stärkere Fischarten entwickelt wurde. Der Nachweis, dass dieser Bautyp für schwächere Arten geeignet ist, ermöglicht es der WSV, ökonomische und effiziente Anlagen zu bauen. Das Verständnis, wie Fische die Hydraulik der FAA beim Aufstieg nutzen, wird zudem eingesetzt, um die Ergebnisse hydraulischer Modelle nicht standardisierter Bauteile aus fischökologischer Sicht zu bewerten. In vorherigen Forschungsvorhaben wurde bereits der Einfluss von Fließgeschwindigkeiten (Schütz et al. 2024) und einer rauen Sohle (Wiering et al. 2024) auf die Fischpassage in Engstellen untersucht. Untersuchungsmethoden Der Untersuchungsbereich befindet sich in einer 2,5 m breiten und 50 m langen Rinne in der Versuchshalle der BAW in Karlsruhe. Die Strömungsverhältnisse im Schlitz und im Unterwasser wurden mit einem Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) an über 300 Punkten in zwei horizontalen Ebenen (bodennah und in der Mitte der Wassersäule) vermessen. Aus den Zeitreihen der Strömungsgeschwindigkeiten wurden die mittleren und turbulenten Kenngrößen bestimmt. Die im Jahr 2022 und 2023 durchgeführten Versuche wurden mit ca. 350 aus umliegenden Fließgewässern entnommenen Fischen der Arten Gründling (Gobio gobio) und Rotauge (Rutilus rutilus)für einen turbulenten und wenig turbulenten Strömungszustand durchgeführt. Während der Versuche wurden die Fischbewegungen mit Videokameras aus verschiedenen Blickwinkeln mit einer Frequenz von 19 Bildern pro Sekunde aufgezeichnet. Aus den Videos wurden in mehreren Schritten dreidimensionale Pfade der Fischbewegungen ermittelt. Dazu wurden für insgesamt 30 Versuche Videosequenzen identifiziert, in denen Fische sich in einem definierten Bereich unterhalb des Schlitzes aufhalten. (Text gekürzt)
Der Fischabstieg an Wehranlagen, insbesondere an Schlauchwehren, soll im Hinblick auf Schädigungsmechanismen für Fische anhand von numerischen Modellversuchen unter Berücksichtigung der Mehrphasenströmung beim Wehrüberfall untersucht werden. Aufgabenstellung und Ziel Bei der abwärtsgerichteten Passage von Wasserbauwerken sind Fische einer Vielzahl von Einflüssen ausgesetzt. Diese können neben der Verzögerung der Wanderung auch zur physischen Schädigung der passierenden Fische führen. Der momentane Wissensstand bezüglich des Fischabstiegs über das Wehr ist unzureichend. Die aktuell angewandten Empfehlungen für die Gestaltung von Wehren hinsichtlich des Fischabstiegs enthalten keine Referenzen zu den zugrundeliegenden Untersuchungen und wurden für Bypasssysteme entwickelt (DWA 2005). Die sinnvolle Anwendung für Wehrüberfälle ist anzuzweifeln. Im Unterschied zu Bypasssystemen kann sich der Überfallstrahl des Wehres nur in Richtung des Unterwassers ausbreiten, wodurch oftmals der Wechselsprung und damit das notwendige Unterwasserpolster verdrängt wird. Die Ergebnisse numerischer Untersuchungen an der BAW verstärken die Zweifel an der Übertragbarkeit der Empfehlungen auf den Wehrüberfall (Thorenz et al. 2018). Ziel des Forschungsprojektes ist die Erprobung eines numerischen Ansatzes zur Betrachtung des Fischabstiegs über Wehranlagen. Die numerische Methode soll durch ein gegenständliches Modell validiert werden. Mit der validierten numerischen Methode soll die hydraulische Situation des Fischabstiegs an Wehren künftig realitätsnah abgebildet und beurteilt werden, um die aktuellen Empfehlungen zu bewerten und gegebenenfalls Grundlagen für eine Überarbeitung zu schaffen. Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Bei Baumaßnahmen an Wehranlagen ist die Betrachtung möglicher Fischbehinderungen oder Fischschädigungen ein wichtiges Thema. Kenntnisse, unter welchen WSV-relevanten Randbedingungen mit Schädigungen bei der Passage einer Wehranlage zu rechnen ist, sind daher, insbesondere im Hinblick auf die anstehenden Genehmigungsverfahren, von großer Bedeutung. Die Entwicklung eines numerischen Ansatzes zur realitätsnahen Abbildung des Fischabstiegs wird zu einer belastbaren Beurteilung des Fischabstiegs durch fischbiologische Experten beitragen. Untersuchungsmethoden Grundlage ist eine Literaturrecherche zu den Themen „Schädigungsursachen bei der Wehrpassage“ und „Numerische Simulation von Fischen“. Dadurch wird vertieftes Wissen über die Vorgänge beim Fischabstieg und deren numerische Abbildung aufgebaut und somit für ein verbessertes Prozessverständnis gesorgt. Für die dreidimensionale Strömungssimulation wird bei der Bundesanstalt für Wasserbau unter anderem die Open-Source-Software OpenFOAM® eingesetzt. Diese ermöglicht durch direkten Zugriff auf den Quellcode die Weiterentwicklung und Anpassung der Strömungslöser. So ermöglicht der aktuell zur Verfügung stehende Zweiphasenlöser auf Basis der Volume-of-Fluid-Methode (VoF-Methode) interFoam eine einfache Erweiterung um eine Partikelphase zur Abbildung von passiv bewegten Fischen. Die auf diese Partikel wirkenden Druckschwankungen, Schergeschwindigkeiten, Beschleunigungen und deren Kollisionen mit harten Objekten sollen aufgenommen und ausgewertet werden. Da Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-Turbulenzmodelle (RANS-Modelle) durch eine zeitliche Mittelung des Geschwindigkeitsfeldes Kollisionen verhindern würden, ist der Einsatz von Large-Eddy-Simulations-Modellen (LES-Modelle) notwendig. Mit der angepassten numerischen Methode wird zunächst der Fischabstieg über abstrahierte überströmte Wehranlagen simuliert, um die Zweifel an der Empfehlung bezüglich des notwendigen Unterwasserstandes belastbar zu begründen oder zu widerlegen. In weiteren Schritten werden die passagebedingten Auswirkungen an realen Wehranlagen auf absteigende Fische betrachtet. (Text gekürzt)
| Origin | Count |
|---|---|
| Bund | 278 |
| Land | 70 |
| Type | Count |
|---|---|
| Daten und Messstellen | 13 |
| Förderprogramm | 233 |
| Taxon | 1 |
| Text | 46 |
| Umweltprüfung | 33 |
| unbekannt | 20 |
| License | Count |
|---|---|
| geschlossen | 75 |
| offen | 269 |
| unbekannt | 1 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 329 |
| Englisch | 31 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Archiv | 1 |
| Bild | 3 |
| Datei | 6 |
| Dokument | 51 |
| Keine | 146 |
| Webseite | 145 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 177 |
| Lebewesen und Lebensräume | 252 |
| Luft | 196 |
| Mensch und Umwelt | 335 |
| Wasser | 345 |
| Weitere | 335 |