Schaffung der Fisch-Durchgängigkeit am Ruhr-Wehr Baldeney, Essen

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1 Schaffung der Fisch-Durchgängigkeit am Ruhr-Wehr Baldeney, Essen Herman Knotte, Essen Andreas Hoffmann, Bielefeld Hintergrund und Ziel Die Staustufe Baldeney ist mit einer Gewässeroberfläche von 2,64 km² und einer Stauhöhe von 8,7 m der größte Flussstau in der Ruhr. Die in den Jahren 1931 bis 1933 gebaute Stauanlage diente in der Vergangenheit in erster Linie als Flusskläranlage. Heute ist sie ein Freizeit- und Naherholungsraum für die Stadt Essen und dient zudem der Energieerzeugung durch eine vom Energiekonzern RWE betriebene Wasserkraftanlage. Das Absperrbauwerk selbst besteht aus mehreren funktionalen Komponenten, welche in Abb. 1 dargestellt sind. Abb. 1: Das Stauwehr Baldeney / Ruhr mit seinen Komponenten (Luftbild: google earth ) An der vom Ruhrverband betriebenen Flussstaustufe soll gemäß den Vorgaben des deutschen Wasserhaushaltsgesetzes (WHG) und der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (EU-WRRL) die (Fisch-) Durchgängigkeit am Wehr hergestellt werden. 1

2 Ziel ist es, für die Referenz-Fischarten, die in der Ruhr entsprechend der dortigen Gewässerausprägung zu erwarten sind, am Stauwehr eine Wandermöglichkeit zwischen Unter- und Oberwasser zu schaffen. Lösungsweg Zur Erreichung dieses Ziels sollte in einem ersten Schritt geprüft werden, wie die aufwärtsgerichtete Fischdurchgängigkeit entwickelt werden kann. Dazu hatte der Ruhrverband in den Jahren 2010/2011 an ein Planungsbüro den Auftrag vergeben, für diesen Standort konzeptionell verschiedene Varianten zur Herstellung der Fischdurchgängigkeit zu erarbeiten. Eine konsensfähige Lösung, die unter fischökologischen Gesichtspunkten ein hohes Maß an Effizienz gewährleistet und auch unter ökonomischen Gesichtspunkten wirtschaftlich vertretbar ist, wurde dabei nicht gefunden. Allerdings wurde der Bereich des Rückpumpwerkes als möglicher Standort für einen technischen Aufstieg bereits bei den Varianten berücksichtigt. Wesentliche Schwierigkeiten lagen sowohl in der begrenzten Flächenverfügbarkeit am Standort als auch im großen Wasserspiegelunterschied von knapp neun Metern, den es zu überwinden gilt. Ab dem Jahr 2012 hat der Ruhrverband die Lösungssuche in Abstimmung mit den Fachbehörden und unter Beteiligung einer transdisziplinären Arbeitsgruppe (Behörden, Fischereigenossenschaft und Fischereiverband, Wasserkraftbetreiber, Experten für Wasserbau und Fischbiologie) wieder aufgenommen. Um Grundlagen für die Entwicklung neuer Entscheidungswege hinsichtlich der komplexen Fragestellungen zu haben, wurden u. a. Datenerhebungen und Untersuchungen mit dem Ziel durchgeführt, Aussagen zur klein- und großräumigen Auffindbarkeit von Teilbereichen des Unterwassers treffen zu können. Darüber hinaus wurde auch eruiert, welche Lösungen an schwierigen Standorten in anderen Ländern favorisiert werden. Die nachfolgende Abbildung stellt die gesamte Projekthistorie mit den einzelnen Untersuchungsgegenständen und Arbeitspaketen graphisch dar. 2

3 Abb. 2: Arbeitspakete und Untersuchungsgegenstände zur Planung der stromaufwärts gerichteten Fischdurchgängigkeit an der Staustufe Baldeney / Ruhr. 3

4 Abb. 3: Projektbeteiligte Institutionen Zielvariante mit Fischliftsystem Aus den verschiedenen Untersuchungen resultierte schließlich die Empfehlung, ein neuartiges Fischliftsystem mit spezieller Vorkammer am bzw. im alten Rückpumpwerk zu positionieren. Die Positionierung der FAA resultiert u. a. aus speziellen Untersuchungen zur klein- und großräumigen Auffindbarkeit im Unterwasser der Stauhaltung. Zentrale Forderung an dieses System ist dabei eine kontinuierliche Betriebsweise des Fischaufstieges. 4

5 Der von der Firma Hydro-Energie Roth GmbH (Karlsruhe) gemeinsam mit der Fa. Georg Baumann (Wangen) entwickelte Hydro-Fischlift wurde zu einem Fischliftsystem, bestehend aus zwei alternierend betriebenen Fischliften sowie einer unterstromig angeordneten Vorkammer, weiterentwickelt. Es soll den im Unterwasser der Wehranlage ankommenden Fischen eine kontinuierliche Aufstiegsmöglichkeit ins Oberwasser gewährleisten. Die zylinderförmigen Lifte werden hierzu befüllt (bzw. entleert) während die innenliegenden Schleusentröge mit ansteigendem Wasserstand hydraulisch angehoben (bzw. gesenkt) werden. Für einen effizienten Ein- und Ausstieg werden die Tröge in der unteren und oberen Endposition horizontal durchströmt. Zur Verstärkung der Leitwirkung im Einstiegsbereich der unteren Vorkammer erfolgt eine Zuleitung zusätzlicher Wassermengen. Nachfolgend wird der grundsätzliche Funktionsablauf an einem Fischlift dargestellt. Einschwimmphase: Der Einströmdämpfer führt das Wasser in den Schwimmkolben. Der Schwimmkolben wird horizontal durchströmt. Der Einstieg im Unterwasser ist geöffnet, Wasser strömt aus. Aufstiegsphase: Der Einströmdämpfer führt das Wasser in den Schwimmkolben. Der Einstieg im Unterwasser ist geschlossen. Der Wasserstand in der Zylinderkammer mit v max 51 m³ steigt an. Der Schwimmkolben wird in 3 Minuten angehoben. Ausschwimmphase: Der Einströmdämpfer ist geschlossen. Der Ausstieg im Oberwasser ist geöffnet. Das horizontal einströmende Wasser wird vertikal zum Ringüberfall geleitet. Absenkphase: Der Einströmdämpfer ist geschlossen. Der Ausstieg im Oberwasser ist geschlossen. Die Kammerentleerung ist geöffnet. Der Wasserstand in der Zylinderkammer sinkt ab. Da es sich bei dem Hydro-Fischlift in NRW um eine Fischaufstiegs- Sonderbauweise handelt, muss entsprechend der geltenden Erlasslage mittels geeigneter Untersuchungen die Funktionalität nachgewiesen werden. Abb. 4 skizziert die Adaption des Fischliftsystems an die Anlage Baldeney schematisch. Abb. 5 verdeutlicht die Funktion des Systems. 5

6 Hydro- Fischlifte Abb. 4: Integration der Hydro-Fischlifte in das Rückpumpbauwerk an der Staustufe Baldeney (KIT, Planungsstand: 2014) Abb. 5: Hydro-Fischlift in Einstiegsposition (links), Transferbetrieb (Mitte) und Ausstiegsposition (rechts) (Quelle: HE Roth GmbH 201x) 6

7 Situativ-ähnliches Modell und Untersuchungsergebnisse Die Untersuchungen zur Funktionalität wurden im ethohydraulischen Versuchsstand des Theodor-Rehbock-Laboratoriums des Instituts für Wasser und Gewässerentwicklung (IWG) am KIT durchgeführt. Aufbauend auf der Grundlage der Ergebnisse verschiedener vorhergehender und begleitender Untersuchungen (hydrodynamisch-numerische Strömungsanalysen und Aufnahme von Strömungssignaturen und -werten mittels hydrometrischer Messungen an einem konventionellen wasserbaulichen Modell der Anlage im Maßstab 1:3) wurde das situativ-ähnliche ethohydraulische Modell des Hydro-Fischliftes im Wasserbaulabor konzipiert (Abb. 6). Die ethohydraulischen Untersuchungen, welche mit den für den Standort Baldeney relevanten Fischarten durchgeführt wurden, fanden im Jahr 2014 im Karlsruher Wasserbaulabor statt. Abb. 6: Ethohydraulischer Versuchsaufbau des situativ-ähnlichen Hydro-Fischliftmodells im Karlsruher Wasserbaulabor Der zentrale Untersuchungsgegenstand der ethohydraulischen Untersuchungen war der Nachweis, dass die Fische den Einstieg in den Hydro-Fischlift finden, in diesen einschwimmen und nach der Liftphase im Oberwasser auch wieder aus dem Lift ausschwimmen. Zudem wurde untersucht, ob das Einschwimmverhalten der Fische beeinflusst werden kann, indem über einen Trogüberfall Zusatzwasser in die Vorkammer des Liftes gelangt. Das zusätzliche Wasser sollte dabei für eine Leitstromverstärkung im Einstieg zur Vorkammer sorgen. Die Ergebnisse belegen, dass alle getesteten Fischarten in den Hydro-Fischlift einschwimmen und kein Meideverhalten zeigen. Als Richtwert für eine attraktive Strömungsgeschwindigkeit, bei der ein ausgeprägtes Einschwimmverhalten nachgewiesen werden konnte, kann ein Wert von 0,5 m/s angegeben werden. 7

8 Zudem konnte nachgewiesen werden, dass die Akzeptanz der Fische bezüglich des Einschwimmens in den Lift art- und altersunabhängig ist. In Bezug auf das Ausschwimmverhalten zeigen die Ergebnisse, dass alle Fischarten, die in den Lift eingeschwommen sind, diesen auch wieder verlassen haben. Abb. 7 dokumentiert exemplarisch das Ein- und Ausschwimmverhalten der Tiere während der ethohydraulischen Versuche. Tab. 1 gibt eine Übersicht über die Testarten, die den Einstieg in den Fischlift angenommen und den Ausstieg genutzt haben. Abb. 7: In den Hydro-Fischlift einschwimmende Döbel (links) und im Oberwasser ausschwimmende Brassen und Barbe (rechts) Tab. 1: Übersicht der im ethohydraulischen Versuch eingesetzten Fischarten Art Einstieg Ausstieg Aal (inkl.steigaal) + + Barbe + + Barsch + + Brassen + + Döbel + + Elritze + + Forelle (Bach-/Seeforellen) + + Gründling + + Hasel + + Hecht + + Karpfen + + Quappe + + Rotauge + + Ukelei + + Zander + + Anzahl Versuche

9 Die Befunde der ethohydraulischen Untersuchungen zum Fischverhalten bei aktivierter Zusatzdotation von Wasser in die Vorkammer mittels seitlich angeordneten Trogüberfalls ergaben, dass das Einschwimmverhalten der Fische dadurch nicht beeinträchtigt wird. Somit besteht bei dem System grundsätzlich die Möglichkeit, durch Zugabe von Dotationswasser in die Vorkammer die Leitströmung aus der Vorkammer hinaus zu beeinflussen und damit die Auffindbarkeit des Vorkammereinstiegs in situ zu optimieren. Zusammenfassung Die durchgeführten Planungen und Untersuchungen haben gezeigt, dass: der Bereich vor dem Rückpumpbauwerk von Fischen aufgesucht wird und sich damit als Einstiegsbereich eignet; sich der Hydro-Fischlift im situativ-ähnlichen ethohydraulischen Modell als grundsätzlich funktionsfähig erwiesen hat; die Fischlifte in Kombination mit einer Vorkammer eine kontinuierliche Durchgängigkeit gewährleistet und mit dem Fischliftsystem Baldeney eine Entwicklungsvariante gefunden wurde, die eine effiziente aufwärtsgerichtete Durchgängigkeit gewährleisten kann und gleichzeitig unter ökonomischen Gesichtspunkten wirtschaftlich darstellbar ist. Literatur Adam, B., Lehmann, B., 2011: Ethohydraulik: Grundlagen, Methoden und Erkenntnisse. Springer Verlag Heidelberg ARCADIS (2013): Literaturstudie Sonderbauweisen von Fischaufstiegsanlagen.- Vorstellung der Ergebnisse der Bausteine 1 bis 3, Präsentation beim Ruhrverband, Essen am Böckmann, I., Hoffmann, A., Lehmann, B., (2013): Fischabstieg: Verhaltensbeobachtungen vor Wanderbarrieren. Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Wasser & Abfall ; Nr. 6/2013, S BUGeFi Büro für Umweltplanung, Gewässermanagement und Fischerei (2012): Auswertung der Leistungsdaten der beiden Turbinen an der Staustufe Baldeney.- Unveröffentlichtes Gutachten im Auftrag des Ruhrverbands, Essen BUGeFi Büro für Umweltplanung, Gewässermanagement und Fischerei (2013): Fischökologisches Gutachten als Beitrag zur Vorentwurfsplanung hinsichtlich des Baus von Fischliftsystemen zum Fischaufstieg und -abstieg an der Staustufe Baldeney.- Unveröffentlichtes Gutachten im Auftrag des Ruhrverbands, Essen 9

10 DWA (2014): Merkblatt DWA-M 509 Fischaufstiegsanlagen und fischpassierbare Bauwerke Gestaltung, Bemessung, Qualitätssicherung Hydro-Energie Roth GmbH (2013): Stauanlage Baldeney / Ruhr Vorentwurfsplanung Fischlift.- Unveröffentlichtes Gutachten im Auftrag des Ruhrverbands, Essen Ingenieurbüro Floecksmühle (2011): Fischaufstiegsanlage an der Staustufe Baldeney Machbarkeitsstudie.- Unveröffentlichtes Gutachten im Auftrag des Ruhrverbands, Essen KIT Karlsruher Institut für Technologie (2012): Untersuchungen zur Positionierung einer neuen Fischaufstiegseinrichtung am Stauwehr Baldeney / Ruhr.- Unveröffentlichtes Gutachten im Auftrag des Ruhrverbands, Essen LFV Hydroakustik GmbH & BUGeFi (2011): Bathymetrische Erfassung des Ober- und Unterwassers am Stauwehr Baldeneysee.- Unveröffentlichtes Gutachten im Auftrag des Ruhrverbands, Essen LFV Hydroakustik GmbH & BUGeFi (2012): Untersuchungen zur Positionierung einer neuen Fischaufstiegseinrichtung am Stauwehr Baldeney/Ruhr ADCP-Messungen.- Unveröffentlichtes Gutachten im Auftrag des Ruhrverbands, Essen LFV Hydroakustik GmbH & BUGeFi (2013): Untersuchungen zur kleinräumigen Auffindbarkeit mittels DIDSON.- Untersuchungen im Auftrag des Ruhrverbandes, Essen MKULNV NRW Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Lands Nordrhein-Westfalen (2012a): Erlass vom zur Durchgängigkeit der Gewässer. MKULNV NRW Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Lands Nordrhein-Westfalen (2012b): Erlass vom zum Bau von Fischaufstiegsanlagen. MKULNV NRW Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen (2014): Erlass vom zur Dimensionierung von Fischaufstiegsanlagen und Fischschutzeinrichtungen an Wasserkraftanlagen. MUNLV NRW (2005): Handbuch Querbauwerke; Ministerium für Umwelt, Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz NRW; Düsseldorf, 212 S., 1. Auflage

11 RWE Innogy (2014): EtWas Untersuchungen von Fischwanderungen zur Erarbeitung eines Echtzeitwarnsystems an Wasserkraftanlagen.- Abschlussbericht Mai 2014, Forschungs- und Entwicklungsprojekt im Auftrag von RWE Innogy, finanziert durch die Bezirksregierung Düsseldorf, fachlich begleitet durch MKULNV, LANUV NRW, Bezirksregierung Köln, bearbeitet durch das Büro für Umweltplanung, Gewässermanagement und Fischerei (BUGeFi), die LFV Hydroakustik GmbH, die Ludwig-Maximilians-Universität München, jti-soft und den Ruhrverband Anschrift der Verfasser Dipl. Ing. Hermann Knotte Ruhrverband Betriebsleitung Talsperren und Stauseen Kronprinzenstraße Essen Tel.:0201/ Dr. Andreas Hoffmann Büro für Umweltplanung, Gewässermanagement und Fischerei Krackser Straße 18 b Bielefeld Tel.:0521/ a.hoffmann@bugefi.de 11