Beate Adam Boris Lehmann. Ethohydraulik. Grundlagen, Methoden und Erkenntnisse 1 C

Transkript

1 Ethohydraulik

2 Beate Adam Boris Lehmann Ethohydraulik Grundlagen, Methoden und Erkenntnisse 1 C

3 Dr. Beate Adam Institut für angewandte Ökologie Neustädter Weg Kirtorf Deutschland Dr.-Ing. Boris Lehmann Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Institut für Wasser und Gewässerentwicklung Kaiserstraße Karlsruhe Deutschland ISBN e-isbn DOI / Springer Heidelberg Dordrecht London New York Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Einbandentwurf: WMXDesign GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier Springer ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (

4 Geleitwort Gewässer üben seit je her eine besondere Anziehungskraft auf die Menschen aus. Die Siedlungs- und Industrieraumentwicklung folgte daher in vielen Fällen direkt dem Verlauf der Fließgewässer. In diesem Tun entstanden starke Wechselwirkungen aufgrund natürlicher und anthropogener Veränderungen insbesondere der Fließgewässergestalt. Naturbelassene Fließgewässer weisen in Abhängigkeit der Untergrundverhältnisse und der Geländeneigung eine beeindruckende Vielfalt von Windungen, Verzweigungen, Verengungen, Erweiterungen, Vertiefungen, Anlandungen etc. auf, die für Pflanzen und Tiere infolge der dadurch bedingten Strömungsvielfalt bestmögliche Voraussetzungen für ihren Bestand darstellen. Bei der Lebensraumentwicklung für die Menschen in unseren Regionen geht es aber um die beiden Extreme: vom Schutz vor dem (Hoch-)Wasser bis hin zum Nutzen aus dem Wasser (Wasserversorgung, Abwasserentsorgung, Bewässerung, Energiegewinnung, Schifffahrt, etc.). Die Konsequenzen daraus schlagen sich in einer starken, technisch bedingten Veränderung in der Fließgewässergestalt nieder die natürliche Vielfalt wird in eine monotone Gewässergestalt umgewandelt mit den dominanten Folgen der Verkürzung des Fließweges und der Vergrößerung des Gefälles. Die mittlere Fließgeschwindigkeit und die Transportintensität der Feststoffe an der Gewässersohle nehmen dabei zu. Derartige Veränderungen der Fließgewässergestalt führen daher in vielen Fällen zur Destabilisierung des strömungsbedingten Feststofftransportes mit allermeist unbekannten Folgen. Der fortgesetzte Ausbau der Fließgewässer mittels Stauanlagen, vornehmlich zur Energieerzeugung und Schiffbarmachung, beeinträchtigt darüber hinaus die Durchgängigkeit der Gewässer für den strömungsbedingten Transport (stromab) und für die Wassertiere (stromauf und stromab). Staubauwerke bewirken die Unterbrechung des Transportes vorwiegend gröberen Feststoffmaterials (Kiese, Sande), mit den Folgen der Anlandung dieser Feststoffe im Stauraum und der Erosion weiterer Feststoffe unterhalb der Stauanlage. Zur Überwindung der daraus entstehenden Probleme wurden in den vergangenen Jahrzehnten eine Vielzahl von Forschungsarbeiten durchgeführt. In diesen Jahren hat sich aber auch die Unkenntnis über viele strömungsbedingte Mechanismen in Fließgewässern gezeigt, da an technische Maßnahmen in Fließgewässern in vielfältiger Weise nun Ansprüche erhoben werden, welche besonders die (Wieder-)Herstellung von Strömungsvielfalt und Durchgängigkeit v

5 vi Geleitwort fordern. Dieses Tun folgt den Zielen der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie in einer nachhaltigen Weise. Die Erforschung der Mechanismen des strömungsbedingten Feststofftransportes stellt bereits sehr hohe wissenschaftliche Ansprüche und erscheint auch heute noch nicht zu einem Abschluss gekommen. Die Wiederherstellung der Durchgängigkeit für die Tierwelt erfordert zudem die Erforschung und die Erkenntnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen der Strömungsstruktur und den charakteristischen Verhalten der Tiere in diesen Strömungsvorgängen. Führt man dazu eine Parameteranalyse der dabei einflussnehmenden biologischen, physikalischen und geometrischen Größen durch, so zeigt sich rasch ein extrem hoher Unsicherheitsgrad bei der Typisierung und Charakterisierung der Zusammenhänge auf. Die Parameteranalyse lässt zudem die Notwendigkeit zur systematischen und konsequenten Zusammenarbeit von Ingenieuren und Naturwissenschaftlern erkennen, ohne die Lösungsansätze zur zielgerechten Planung und Dimensionierung von Durchgängigkeitsmaßnahmen an Fließgewässern nicht denkbar erscheinen. Diesen wissenschaftlich anspruchsvollen Weg haben die beiden Autoren dieser Schrift beschritten und in einer arbeitsintensiven, kontinuierlichen und jahrelangen Zusammenarbeit begangen. Ihre Erkenntnisse haben sie bei der Mitwirkung der Planung und der Bemessung von Durchgängigkeitsbauwerken eingebracht und die Richtigkeit ihrer Ansätze wurde im Betrieb der Anlagen überprüft und mehrfach bestätigt. Der Weg für diese wissenschaftliche Arbeit wurde durch einige kritische Arbeitsphasen geprägt, da die Abstimmung von technischen Ansprüchen auf biologisch bedingte Verhaltenscharakteristika von unterschiedlichen Fischen keine einfache Aufgabe darstellt. Zudem verlangt sie den beteiligten Wissenschaftlern ein gegenseitig großes Verständnis ab. Auf diesem gemeinsamen Weg begründeten die beiden Autoren, Frau Dr. rer. nat. Beate Adam und Herr Dr.-Ing. Boris Lehmann das neue wissenschaftliche Gebiet der ETHOHYDRAULIK. Beiden Wissenschaftlern ist dafür die höchste Anerkennung auszusprechen. Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. Franz Nestmann

6 Vorwort Wesentliche Teile der in diesem Buch angesprochenen Tests und Ergebnisse stammen aus Untersuchungen, welche vom Institut für angewandte Ökologie (Kirtorf- Wahlen) und z. T. gemeinsam mit dem Institut für Wasser und Gewässerentwicklung am Theodor-Rehbock-Wasserbaulabor des Karlsruher Instituts für Technologie (vormals Universität Karlsruhe) durchgeführt wurden. Deshalb gilt unser besonderer Dank allen Mitarbeitern und Mitarbeiterinnen beider Unternehmen, die durch ihren motivierten Einsatz und ihre unerschütterliche Kollegialität maßgeblich zum Gelingen der diversen ethohydraulischen Studien beigetragen haben. Die notwendige Basis für die Entwicklung der Ethohydraulik zu einer wissenschaftlichen Transdisziplin wurde in einem durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt e. V. (DBU) geförderten Projekt geschaffen. Wir bedanken uns nicht nur bei der DBU, sondern vor allem bei Herrn Dr. Volker Wachendörfer, der stets vom Aussagewert der Ethohydraulik überzeugt war und ihre Entwicklung zu einer transdisziplinären wissenschaftlichen Methode vorangetrieben hat. Unser großer Dank geht auch an das Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen (Düsseldorf), das mit Aufträgen zur Funktionsüberprüfung des Fischschutzsystems Chan-Bar sowie zur Gewährleistung der Auffindbarkeit einer geplanten Fischaufstiegsanlage am Ruhrwehr in Duisburg die Durchführung ethohydraulischer Tests ermöglichte. Die Beratung und Begleitung dieser Studien seitens des Ministeriums erfolgte dabei durch Herrn Dipl.-Ing. Peter Weimer, dem wir für viele konstruktive Anregungen sowie eine intensive und stets vertrauensvolle Zusammenarbeit besonders danken. Unser ganz spezielles Dankeschön gilt der Vattenfall Europe Generation AG (Cottbus), die viele Aspekte der Planungen für Europas größte Fischaufstiegsanlage am Elbewehr bei Geesthacht durch ethohydraulische Untersuchungen überprüfen und optimieren ließ. Mit diesen Forschungsaufträgen wurde eine völlig neue und wie sich unterdessen bewiesen hat, sehr zielführende Grundlage für die Planung von Anlagen geschaffen, die gewässerökologischen Zwecken dienen. An dieser Stelle sprechen wir den Projektleitern Herrn Dipl.-Ing. Hans-Jürgen Menzel und Herrn Dipl.-Ing. Dietmar Heinze nicht nur unseren Dank für die Unterstützung unserer Arbeiten aus, sondern vor allem auch unsere Anerkennung für ihre weit- und umsichtigen Konzepte, mit denen das Großprojekt für Mensch und Fisch gleichermaßen erfolgreich abgeschlossen wurde. vii

7 viii Vorwort In diesem Zusammenhang bedanken wir uns auch bei allen Kollegen und Kolleginnen vom Planungsteam für die Unterstützungen bei der Erstellung des vorliegenden Buches durch Diskussionsbeiträge und Abbildungen. Stellvertretend möchten wir uns hiermit bei Herrn Dipl.-Ing. Christof Neumann von der Firma Knabe Enders Dührkop Ingenieure GmbH (Hamburg) und Herrn Dipl.-Ing. Heiner Joswig von der Gesellschaft für Planung, Maschinen- und Mühlenbau Erhard Muhr mbh (Brannenburg) bedanken. Wir danken dem Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft der Technischen Universität Darmstadt unter Leitung von Prof. Dr. Ulrich Zanke für die Freigabe von Daten und Abbildungen, die aus dem von der Europäischen Union geförderten laufenden Forschungsprojekt HYLOW in das vorliegende Buch eingeflossen sind. Schließlich sind wir in besonderem Maße all jenen Menschen zu Dank verpflichtet, die uns nicht nur auf unserem Weg zur Ethohydraulik kontinuierlich begleitet, sondern uns vor allem die für die Abfassung des vorliegenden Buches benötigten zeitlichen Freiräume in Familie und Beruf eingeräumt haben: Herr Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult. Franz Nestmann, Ordinarius des Instituts für Wasser und Gewässerentwicklung am Karlsruher Institut für Technologie, Dr. Ulrich Schwevers, Inhaber des Instituts für angewandte Ökologie, Frau Dipl. Päd. Eva Lehmann mit den Kindern Annika und Sarah sowie Herr Dipl.-Ing. Bernd Lehmann. Ihr Vertrauen in unsere manchmal krausen Ideen, ihre Anteilnahme an unseren Sorgen und Problemen mit der Thematik sowie nicht zuletzt die schonungslose Durchsicht unserer Manuskripte haben die Entstehung dieses Buches maßgeblich unterstützt. Vielen Dank dafür! Karlsruhe, März 2011 Beate Adam und Boris Lehmann

8 Inhalt 1 Einleitung Die Transdisziplin Ethohydraulik Zum Aufbau des Buches Literatur Fische im Wasserbau Literatur Der Weg zur Ethohydraulik Begriffsdefinition Anwendungsbereiche der Ethohydraulik Chronologie der Verhaltensbeobachtung von Fischen im Labor Die Tücken der Ethohydraulik Literatur Die drei Phasen der Ethohydraulik Präprozess mit Voranalyse Ethohydraulische Tests Transferprozess Grundlagen der Ethohydraulik Rechtliche Voraussetzungen Genehmigung eines Tierversuches Genehmigung zur Hälterung von Wirbeltieren zu Versuchszwecken Umgang mit Fischen Wasserbauliches Versuchswesen Historie Ähnlichkeitsmechanik Herstellung der situativen Ähnlichkeit Maßstäblichkeiten und Skalierungseffekte Grenzen der Parameterübertragbarkeit Turbulenz Fließwechsel Rauheit Lufteintrag ix

9 x Inhalt 5.3 Verhaltensbiologie mit Fischen Historie Wahrnehmung als Voraussetzung für Verhalten Optischer Sinn Geruchssinn Geschmackssinn Lage- und Drehsinn Akustischer Sinn Strömungssinn Wahrnehmung von Druck und Temperatur Verarbeitung von Reizen Ethohydraulisch relevante Verhaltensweisen Normalverhalten im Gegensatz zu Verhalten unter Stress Positive Rheotaxis Schwimmen gegen die Strömung und Leistungsfähigkeit Schwimmen mit der Strömung Schwimmen in Wellen, Turbulenzen und Wirbeln Verhalten in Rückströmungen Schwimmposition in der Wassersäule Verharren Deckungsbedürfnis Suchen, meiden und fliehen Schwarmverhalten Lernverhalten Motivation Die ethohydraulische Signatur Vorgehen bei der Ermittlung der ethohydraulischen Signatur Parameter der ethohydraulischen Signatur Geometrische Parameter Kinematische Parameter Dynamische Parameter Literatur Vorbereitung ethohydraulischer Untersuchungen Probanden Beschaffung Umgang mit Fischen Angleichung der Wasserverhältnisse Hältereinrichtungen Handhabung der Probanden Gewährleistung der Wasserqualität Artenspektrum Tests mit einer Art Tests mit mehreren Arten

10 Inhalt xi Größenspektrum Anzahl der Probanden Zeitfenster für die Durchführung ethohydraulischer Tests Aufbau und Betrieb eines ethohydraulischen Versuchsstandes Anforderungen an die Infrastruktur Die Laborrinne als Basisausstattung Wasserkreislauf Steuer- und Regeltechnik Einbauten Fluchtsperre Startkäfig Staubrett Messtechnik Erfassung geometrischer Parameter Erfassung kinematischer Parameter Erfassung dynamischer Parameter Literatur Methodische Instrumente der Ethohydraulik Verhaltensbeobachtung Dokumentation Schriftprotokoll Graphische Darstellung Foto- und Filmdokumentation Beobachtungsdauer Durchführung eines ethohydraulischen Tests Auswertungsmethoden Deskriptive Auswertung Quantitative Auswertung Fehlerquellen Erfassung, Darstellung und Beurteilung der ethohydraulischen Signatur Schritt 1: Dokumentation der Interaktion von Struktur/Strömung und Fischverhalten Schritt 2: Aufmessen der ethohydraulischen Signatur Schritt 3: Möglichkeiten zur Beurteilung der ethohydraulischen Signatur Berücksichtigung der Morphologie Berücksichtigung von Reizschwellen Berücksichtigung des Leistungsvermögens Literatur Transferprozess Konstruktion einer wasserbaulichen Anlage Definition von Grenzwerten Festlegung allgemeingültiger Regeln

11 xii Inhalt 9 Beispiel einer ethohydraulischen Untersuchung Veranlassung und Aufgabe Versuchsplanung Testserie 1 mit einem zweidimensionalen Einstiegtrichter Präprozess Befunde der ethohydraulischen Tests aus Serie Ethohydraulische Signatur von Testserie Transferprozess Testserie 2 mit einem dreidimensionalen Einstiegtrichter Präprozess Befunde der ethohydraulischen Tests von Serie Ethohydraulische Signatur aus Testserie Transferprozess Testserie 3 mit einem dreidimensionalen Einstiegtrichter mit einer Decke aus Spaltrechen Präprozess Befunde der ethohydraulischen Tests von Serie Ethohydraulische Signatur aus Testserie Transferprozess Erkenntnisgewinn für die Ethohydraulik Literatur Erkenntnisse aus ethohydraulischen Projekten Fischaufstiegsanlagen Abstand des Einstiegs vom Wanderhindernis Stärke der Leitströmung Winkel des Einstiegs Passierbarkeit von Engstellen Breite von Engstellen Fließgeschwindigkeiten in Engstellen Anforderungen an die Sohlenrauheit Schutzanlagen für abwandernde Fische Schutzwirkung von 20 mm-rechen Verletzungsrisiken an mechanischen Barrieren Schutzwirkung eines Chan-Bar Rechens Wirksamkeit von Verhaltensbarrieren Mangelnde Wahrnehmbarkeit des Reizes Gewöhnung an den Reiz Unbeabsichtigte Reaktion Ungerichtete Reaktion

12 Inhalt xiii Verspätete Reaktion auf den Reiz Fehlen alternativer Abwanderkorridore Schutzwirkung eines Louvers Bypässe für den Fischabstieg Seitliche Anordnung von Bypässen Flachrechen mit oberflächennaher Bypassrinne Die Bodengalerie als Bypassvariante für Aale Verhalten abwandernder Fische gegenüber Wasserrädern Verhalten gegenüber Wellen und Geräuschen Verletzungsrisiken Verwendung numerischer Strömungssimulationen zur ethohydraulischen Planung wasserbaulicher Anlagen Literatur Ausblick Literatur Anhang Glossar Sachverzeichnis