Möglichkeiten der mehrdimensionalen Strömungssimulation bei Planung und Nachweis von Fischwanderhilfen

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1 Möglichkeiten der mehrdimensionalen Strömungssimulation bei Planung und Nachweis von Fischwanderhilfen Prof. Dr.-Ing. H. Milke, M.Sc. T. Sahlbach, Dipl.-Ing.(FH) T. Buschmann Prof. Dr. Hubertus Milke Leipzig,

2 Gliederung Gliederung 1.Einsatzmöglichkeiten von Hydrodynamischen Modellen bei FWH 2.Anwendung von 2D-HN-Modellen 3.Anwendung von 3D-HN-Modellen 4.Ergänzende Untersuchungsmethoden 5.Beispiele 2

3 1. Einsatzmöglichkeiten von Hydrodynamischen Modellen bei FWH 1. Einsatzmöglichkeiten von Hydrodynamischen Modellen bei FWH Wenn Anwendungsgrenzen herkömmlicher Bemessungsverfahren überschritten sind - Bei der Entwicklung neuer Anlagentypen - Bei komplizierten An-, bzw. Abströmverhältnissen - Bei Rückstau und Tidebeeinflussung - Bei Zusatzdotationen und Sondereinbauten - Bei komplizierten Linienführungen, Gefällewechsel etc. 3

4 2. Anwendung von 2D- Hydronumerischen Modellen 2. Anwendung von 2D-Hydronumerischen Modellen 2D-HN Modelle können dort eingesetzt werden, wo eine über die Tiefe gemittelte, breitenvariable Geschwindigkeitsverteilung oder/ und Wassertiefen gesucht werden. (Vernachlässigung der vertikalen Strömungskomponente) v 4

5 2. Anwendung von 2D- Hydronumerischen Modellen z.b. zur Untersuchung: - der Anströmungsverhältnisse im Oberwasser einer Fischaufstiegsanlage; - der Ausbildung der Leitströmung im Unterwasser in Abhängigkeit von unterschiedlichen Abfluss- bzw. Betriebssituationen einer Stau- oder einer Wasserkraftanlage; - von Rückstaueffekten oder den Einflüssen der Tide auf den Gewässerabschnitt im Unterwasser; - im Sinne einer Variantenstudie zur Voroptimierung des Strömungsverhaltens innerhalb der Fischaufstiegsanlage durch unterschiedliche Einbauten (nach DWA M 509) 5

6 3. Anwendung von 3D- Hydronumerischen Modellen 3. Anwendung von 3D-HN-Modellen 3D hydronumerische Modelle sollten dort eingesetzt werden, wo sich die Strömungsbedingungen über die Tiefe ändern, z.b. beim unter- oder überströmen von Einbauten im Strömungsprofil oder wo die Geschwindigkeitsverteilung über die Tiefe gesucht wird. v 6

7 3. Anwendung von 3D- Hydronumerischen Modellen z.b. zur Untersuchung: - wenn der Ein- oder Ausstiegsbereich im Einfluss einer ausgeprägten Flusskrümmung liegt oder dort große Gewässertiefen vorhanden sind; - wenn die Turbinenabströmung einer Wasserkraftanlage im Hinblick auf die Auffindbarkeit zu berücksichtigen ist; - wenn differenzierte Analysen der Fließgeschwindigkeitsverteilung innerhalb der Fischaufstiegsanlage im Hinblick auf die Maximalund Minimalwerte im Wanderkorridor erforderlich sind sowie zur geometrisch/ hydraulischen Optimierung von Sonderbauwerken, z. B. für ein biologisches Monitoring. - zur Abschätzung des Turbulenzeintrages bzw. der turbulenten Ausprägung in Beckenstrukturen. (nach DWA M 509) 7

8 4. Ergänzende Untersuchungsmethoden zur HN- Strömungssimulation 4.1 ADCP- Messung 4. Ergänzende Untersuchungsmethoden zur HN- Strömungssimulation 4.1. ADCP-Messung - Kalibrierung/ Verifizierung der HN-Simulation - Untersuchung zum Steuerungsregime von Turbinen bei einzuhaltenden Randbedingungen im Unterlauf 8

9 4. Ergänzende Untersuchungsmethoden zur HN- Strömungssimulation 4.2. Physikalische Modelle 4.2. Physikalische Modelle Werden Maßstabsgerecht für den Einsatz im Wasserbaulabor verkleinert und die gemessenen physikalischen Parameter werden mit Hilfe der Ähnlichkeitsgesetze umgerechnet Hybride Modellierung 9

10 4. Ergänzende Untersuchungsmethoden zur HN- Strömungssimulation 4.2. Physikalische Modelle Beispiel zur Hybriden Modellierung 10

11 4. Ergänzende Untersuchungsmethoden zur HN- Strömungssimulation 4.3 Ethohydraulische Modelle 4.3. Ethohydraulische Modelle zur Untersuchung der Verhaltensbiologie von Fischen - Versuche erfolgen im Maßstab 1:1 - Genehmigungsverfahren nach Tierschutzgesetz erforderlich - Fische werden im Glaskanal hinsichtlich ihres Verhaltens beobachtet Quelle: 11

12 5. Beispiele D-HN Simulation am Lech zur Verbesserung des ökologischen Potentials unterhalb eines Kraftwerkes 5. Beispiele D-HN Simulation am Lech zur Verbesserung des ökologischen Potentials unterhalb eines Kraftwerkes Ziel: Ermittlung einer Mindestwasserabgabe aus fischökologischer Sicht für einen ausreichenden Erhalt und die Weiterentwicklung funktionsfähiger Mangelhabitate 12

13 5. Beispiele D-HN Simulation am Lech zur Verbesserung terrestrische Vermessung des ökologischen Potentials unterhalb eines Kraftwerkes DGM 1 bereinigt Erstellung des digitalen Höhenmodells DGM 1 bereinigt Zulaufränder Querprofilspuren aus den ADCP-Messungen terrestrische Vermessung Auslaufrand Querprofilspuren aus den ADCP-Messungen vermaschte Höhenpkt. mit integriertem Zulaufbereich vermaschte Höhenpkt. mit integriertem Zulaufbereich Abb. 3-1: Erstelltes digitales Höhenmodell DHM 13

14 5. Beispiele D-HN Simulation am Lech zur Verbesserung des ökologischen Potentials unterhalb eines Kraftwerkes Vergleich der simulierten und gemessenen Fließgeschwindigkeiten 14

15 5. Beispiele D-HN Simulation am Lech zur Verbesserung des ökologischen Potentials unterhalb eines Kraftwerkes Lage der Flussinseln in den verschiedenen Varianten des Plan-Zustandes (links: 1. Variante; rechts: 2. Variante) 15

16 5. Beispiele D-HN Abflussoptimierung im Unterwasser des Schloßmühlenwehres Frohburg D-HN Abflussoptimierung im Unterwasser des Schloßmühlenwehres Frohburg 16

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18 5. Beispiele D-HN Abflussoptimierung im Unterwasser des Schloßmühlenwehres Frohburg Modellauslass HSS Eckdaten Punkte: Punktabstand: <0,3 m Dreiecksmaschen: Modellauslass Etwa 15 m unterhalb der Zahnschwelle Energieliniengefälle von 2,2 (Sohlgefälle der Wyhra lt. HWSK) FAA Abb.: Komplettes Berechnungsnetz einschließlich Randbedingung 18

19 5. Beispiele D-HN Abflussoptimierung im Unterwasser des Schloßmühlenwehres Frohburg Problempunkte unterhalb des HSS konnte nicht das geforderte Wasserpolster von > 1,0 m erreicht werden die Durchgängigkeit des Tosbeckens ist erst ab einen Abfluss von 0,3 m³/s am HSS möglich die Lockströmung Richtung FAA reißt ab einem Zufluss von 0,3 m³/s am HSS ab Die geforderte Mindestwassertiefe von 0,4 m wird örtlich nicht immer erreicht Abb.: Fließgeschwindigkeitsverteilung im Modell beim Zufluss von 0,300 m³/s am HSS 19

20 5. Beispiele D-HN Abflussoptimierung im Unterwasser des Schloßmühlenwehres Frohburg Vorgenommene Modifikationen basierend auf Ist-Zustand Absenkung der Sohle unterhalb des HSS um 0,3 m auf 158,60 m ü. HN die Breite der Absenkung in der Zahnschwelle wurde auf etwa 1,2 m begrenzt Schlitzung der abgesenkten Endschwelle auf ca. 0,26 m Breite und einer Tiefe von 158,90 m ü. HN Reduzierung des Querschnitts, der am rechten Ufer geplanten Rinne, auf eine Breite von 0,9 m Abb.: Fließgeschwindigkeitsverteilung im Modell beim Zufluss von 0,470 m³/s am HSS 20

21 5. Beispiele D-HN Abflussoptimierung im Unterwasser des Schloßmühlenwehres Frohburg Vorgenommene Modifikationen basierend auf Änderungsvariante 1 die abgesenkte u. geschlitzte Endschwelle wurde vom rechten Ufer in Richtung Mitte verschoben parallel unterhalb des Tosbeckens wurde eine Rinne (Breite ca. 1,1 m) bis zur Absenkung mitgeführt am rechten Ufer wurde die Zahnschwelle entsprechend komplettiert bereichsweise Anhebung des verklammerten Bereichs unterhalb des Tosbeckens um 0,15 m Abb.: Fließgeschwindigkeitsverteilung im Modell beim Zufluss von 2,000 m³/s am HSS 21

22 5. Beispiele D-HN Abflussoptimierung im Unterwasser des Schloßmühlenwehres Frohburg Erklärung: Froude > 1 -> schießender Abfluss Froude < 1 -> strömender Abfluss Abb.: Wassertiefenverteilung im Modell Abb.: Verteilung der Froude im Modell 22

23 5. Beispiele D-HN Abflussoptimierung im Unterwasser des Schloßmühlenwehres Frohburg 23

24 5. Beispiele D-HN bei der Planung einer FAA am Mühlenwehr in Mulda D-HN-Simulation bei der Planung einer FAA am Mühlenwehr in Mulda Modellablauf Modellzulauf Zethaubach Modellzulauf Chemnitzbach Modellzulaufs Freiberger Mulde Mühlgraben geschlossen Zulauf FAA Auslauf FAA Minol-Wehr (1D-Abbildung) 24

25 5. Beispiele D-HN bei der Planung einer FAA am Mühlenwehr in Mulda Simulierte Fließgeschwindigkeitsverteilung beim Abflussszenario 1 25

26 5. Beispiele D-HN bei der Planung einer FAA am Mühlenwehr in Mulda Simulierte Wassertiefen- und Wasserspiegelverteilung beim Abflussszenario 1 26

27 5. Beispiele D-HN bei der Planung einer FAA am Mühlenwehr in Mulda Simulierte Fließgeschwindigkeitsverteilung beim Abflussszenario 1 mit einer Schlitzbreite von 39cm (links) und 38 cm (rechts) mit modifiziertem Auslauf aus der FAA 27

28 5. Beispiele D-HN Simulation einer Fischaufstiegsanlage 5.4 3D- HN Simulation einer Fischaufstiegsanlage 28

29 5. Beispiele D-HN Simulation einer Fischaufstiegsanlage Messung der punktuellen, vektoriellen Fließgeschwindigkeit mit Hilfe des ADV 29

30 5. Beispiele D-HN Simulation einer Fischaufstiegsanlage Längsschnitt der Fließgeschwindigkeitsverteilung 30

31 5. Beispiele D-HN Simulation einer Fischaufstiegsanlage Querschnitte der Fließgeschwindigkeitsverteilungen 31

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