Beschreibung und hydraulische Bemessung einer Sohlengleite im Zusammenhang mit dem naturnahen Ausbau eines Flusslaufes

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1 2 Beschreibung und hydraulische Bemessung einer Sohlengleite im Zusammenhang mit dem naturnahen Ausbau eines Flusslaufes cand.-ing. Daniela Henning Studienarbeit LuFG Wasserwirtschaft und Wasserbau

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3 Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis iv I Einleitung 1 1 Einführung in Naturnaher Ausbau eines Flusslaufes 3 2 Aufbau der Studienarbeit 7 II Sohlenbauwerke 9 3 Einführung 11 4 Schwellen Anwendungsbereiche Ausführungsformen Konstruktive Gestaltung Sohlenstufen Ausführungsformen Abstürze Absturztreppen Raue Rampen Konstruktive Gestaltung von Rauen Rampen Rampenbauweisen Rampenbauarten Anlagen zur Durchgängigkeit von Fließgewässern Arten der Fischaufstiegsanlagen Grundlegende Vorgehensweise Allgemeine Anforderungen i

4 ii Inhaltsverzeichnis III Ausführungen und Planungen 35 7 Ausführungen entlang der Wupper Der Wupperverband Die Wupper Ausführungsbeispiele Reuschenberger Mühle Schaltkotten/Müngsten Heizkraftwerk Wuppertal-Barmen Oedeschlenke Evaluierung einer ausgeführten Sohlengleite Der Bestand: Das Sprotte-Wehr Die Umgestaltung: Sohlengleite Bewertung der Sohlengleite Bemessung einer rauen Rampe in der Pockau Die Pockau Zweck und Notwendigkeit Dimensionierung und Annahmen Hydraulische Berechnung Stabilitätsnachweis Konstruktive Gestaltung der Rampe Literaturverzeichnis 71 IV Anhang 73

5 Abbildungsverzeichnis 3.1 Definition Sohlenbauwerke nach DIN Stützschwelle, Quelle: DIN Grundschwelle, Quelle: DVWK Sohlenschwelle, Quelle: DVWK Mögliche Bauweisen von Holzschwellen, Quelle: DVWK Mögliche Bauweisen von Steinschwellen, Quelle: DVWK Geschlossene Steinschwelle, Quelle: DVWK Aufgelöste Steinschwelle, Quelle: DVWK Absturz, Quelle: DIN Absturztreppe, Quelle: DIN Abflusszustände, Quelle: DVWK Sohlenrampe, Quelle: DIN Sohlengleite, Quelle: DIN Rampenbauweisen: o: Setzsteinbauweise, u: Schüttsteinbauweise, Quelle: DVWK 232/ Skizzenhafte Darstellung einer Schauberger Rampe, Quelle: DVWK 232/ Grundriss und Längsschnitt einer Riegelrampe, Quelle: LfU-Veröffentlichung Skizzenhafte Darstellung einer Muldenrampe, Quelle: LfU-Veröffentlichung Teilrampen, Quelle: DVWK 232/ Gebräuchliche Bauweisen von Fischaufstiegsanlagen, Quelle: DVWK 232/ Karte des Wupperverbands, Quelle: Umweltbericht 2003 des Wupperverbandes Übersichtskarte Reuschenberger-Mühle, Quelle: Wupperverband Grundriss Teilrampe Reuschenberger-Mühle, Quelle: Wupperverband 42 iii

6 iv Abbildungsverzeichnis 7.4 Reuschenberger Mühle nach Umbau, Quelle: Wupperverband Übersichtskarte Schaltkotten, Quelle: Wupperverband Teilrampe Schaltkotten nach Umbau, Quelle: Wupperverband HKW-Barmen: Rampe während des Umbaus, Quelle: Wupperverband HKW-Barmen: Rampe nach Umbau, Quelle: Wupperverband Oedeschlenke: Wehr und Obergraben, Quelle: Wupperverband Oedeschlenke: Grundriss 1.Planung, Quelle: Wupperverband Oedeschlenke: Längsschnitt durch Rampe, Quelle: Wupperverband Oedeschlenke: Querschnitt 1.Planung, Quelle: Wupperverband Oedeschlenke: Querschnitt 2.Planung, Quelle: Wupperverband Oedeschlenke: Schleifung des Wehres, Quelle: Wupperverband Oedeschlenke: fortgeschrittene Schleifung, Quelle: Wupperverband Das Sprotte-Wehr, Quelle: BCE Rampe von UW betrachtet, Quelle: BCE Beckenstruktur, Quelle: BCE Rampe von UW, Böschungsausbildung, Quelle: BCE Prinzipskizze für die Berechnung mit Steinschwellen, Quelle: DVWK 232/ Abminderungsfaktor σ, Quelle: DVWK 232/ AngreifendeKräfte am Einzelstein

7 Teil I Einleitung

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9 1 Einführung in Naturnaher Ausbau eines Flusslaufes Der Eingriff des Menschen in das natürliche Gleichgewicht der Fließgewässer hat eine lange Tradition. Gründe für ein Eingreifen waren die Schifffahrt, die Wasserkraftnutzung, der Hochwasserschutz und die Landgewinnung. Der Mensch stellte seine Bedürfnisse an die Nutzung der Gewässer in den Vordergrund; die Ansprüche der Ökologie und vorallem der Biozönose traten dabei in den Hintergrund. So wurden Flüsse begradigt und verkürzt, Flussquerschnitte in hydraulisch günstige Regelprofile gezwängt und das Flussbett mit Pflasterungen, Betonierungen oder Steinschüttungen versehen. Im Laufe der Zeit wurden die Auswirkungen dieser Maßnahmen auf den Zustand der Gewässer deutlich. Eintiefungen der Sohle waren die Folge und damit verbunden die Absenkung des Grundwassers, was wiederum zu Veränderungen der Flora und Fauna führte. Um die Tiefenerosion zu verhindern bzw. das Ausmaß zu verringern, wurden Querbauwerke erforderlich. Mit zunehmender Umweltverschmutzung und wachsendem Umweltbewußtsein der Bevölkerung gab dieser naturferne Gewässerausbau Anlass sich über eine Verbesserung von Gewässergüte und Gewässerstrukturen Gedanken zu machen. So gewann der Begriff der Renaturierung immer mehr an Gewicht. Renaturierung bedeutet eigentlich Rückführung von Fließgewässern in ihren ursprünglichen Zustand. Um diesen Zustand zu erreichen müsste allerdings die gesamte Flächennutzung auf den alten Stand gebracht werden. Dies würde sowohl Siedlungen wie auch die Industrie, die Landwirtschaft und das Verkehrswesen betreffen. Daraus ist ersichtlich, dass solch eine Rückführung nicht möglich oder zumindest begrenzt durchführbar ist. Renaturierung kann also eher als eine Entwicklung von Konzepten zu einem möglichst naturnahen Gewässerrückbau verstanden werden. Ausgebaute, aus ökonomischen Gesichtspunkten regulierte Gewässer sollen unter Einbeziehung von Gewässerbett, Wassergüte und Wassermenge in einen annähernd natürlichen Zustand zurückgeführt werden, so dass eine Verbesserung der Lebens- 3

10 4 Kapitel 1 EINFÜHRUNG IN NATURNAHER AUSBAU EINES FLUSSLAUFES bedingungen für Flora und Fauna eintreten kann.ein Eingreifen der Menschen kann keinen Idealzustand eines natürlichen Gewässers schaffen. Vielmehr versteht sich die Renaturierung als Anpassung an einen Zustand, der die Entfaltung einer naturtypischen Eigendynamik des Gewässers ermöglicht. Wichtige Rückbaumaßnahmen sind[1]: Beseitigung von Verrohrungen, Betongerinnen und anderen naturfremden Materialien aus dem Fließgewässerprofil naturnahe Trassierung des Wasserlaufes größtmögliche Bereitstellung natürlicher Retentionsflächen in den Talauen durch Umwandlung von Ackerflächen in Grünland (Hochwasserrückhalt und Grundwasserneubildung) Bildung von Feuchtstandorten und Entwicklung einer standortgerechten Artenvielfalt aus Gehölzen, Röhrichten und Uferstauden Harmonische Einbindung der Gewässerlandschaften in die sie umgebenden Naturräume (Biotopvernetzung) Entwicklung unterschiedlicher Querprofile Schaffung einer Standortvielfalt durch Profilaufweitungen Freilegung und Anbindung von Altarmen und anderen beseitigten ehemaligen Fließgewässerstrecken Verminderung der Fließgeschwindigkeiten bei Erhaltung der Durchgängigkeit der Fließgewässer mittels Sohlengleiten. Die Erreichung eines guten ökologischen Zustandes für alle Gewässer bis zum Jahr 2015 ist das Kernziel der EU-Waserrahmenrichtlinie (EU-WRR). Dieser Zustand wird in der WRR wie folgt definiert [2] : Die Durchgängigkeit des Flusses wird nicht durch menschliche Tätigkeiten gestört und ermöglicht eine ungestörte Migration aquatischer Organismen und den Transport von Sedimenten. Der Begriff der Durchgängigkeit beinhaltet mehrere Aspekte, von denen ich nur die zwei wesentlichen erwähnen möchte. Zum einen ist es der Aspekt des Sedimenttransportes. Einen großen Einfluss üben dabei Querbauwerke aus. Bei den Querbauwerken unterscheidet man zwischen Sohlenstufen und Stauanlagen. Sohlenstufen werden zur Stabilisierung der Flusssohle eingesetzt, während Stauanlagen

11 Kapitel 5 u.a. der Aufrechterhaltung bzw. Steuerung von Wasserständen dienen. Eine wichtige Rolle spielen dabei die Wehre. Durch die Aufstauung des Gewässers verändern sich alle ökologischen Verhältnisse sowohl vor sowie auch hinter der Stauanlage. Oberhalb eines Wehres wird die Fließgeschwindigkeit stark verringert, so dass man teilweise schon von stehenden statt fließenden Gewässern sprechen kann. Durch diese Verminderung der Geschwindigkeit werden Schweb- und Feststoffe nicht mehr weitertransportiert. Ansammlungen des Sediments vor dem Wehr sind die Folge. Diese fließgewässeruntypischen Ablagerungen im Staubereich rufen veränderte Bedingungen hervor. Schlick und Schlamm mindern den Sauerstoffgehalt des Wassers und verschlechtern somit die Lebensbedingungen im Wasser. Verstärkend kommt hinzu, dass durch die verlangsamte Fließgeschwindigkeit das Wasser Temperaturschwankungen bzw. einer Erwärmung ausgesetzt ist. Damit Wehre nicht komplett verlanden, ist es üblich in bestimmten Zeitabständen Wehre ganz zu öffnen und so Ablagerungen auszuspülen. Unterhalb des Wehres führen solche Spülungen zu sehr unnatürlichen Geschiebeverhältnissen. Denn im Normalfall ist der Bereich hinter einer Stauanlage fast sedimentfrei. Um das Feststoffdefizit auszugleichen und durch die wieder erhöhte Fließgeschwindigkeit, kommt es hinter einer Stauanlage zu Ufersowie zu Tiefenerosionen. Zum anderen ist die Durchgängigkeit im Sinne der Durchwanderung von Querbauwerken zu verstehen. Die Wanderungen der Fische und anderer Organismen zählen zu den grundsätzlichen Verhaltensweisen und sind für die Fortbestandhaltung der Arten sehr wichtig. Doch Querbauwerke sind für viele Fische einfach unüberwindbar. So können diese Arten nicht die Stellen errreichen, die ihnen gute Laich- und Nahrungsbedingungen und einen ruhigen Ort für den Winteraufenthalt bieten. Der Erhalt der Arten ist somit gefährdet und teilweise schon vom Aussterben bedroht. Die Wiederherstellung der ökologischen Durchgängigkeit ist heute ein erklärtes gesellschaftspolitisches Ziel. Dies kann durch geeignete zusätzliche Anlagen, wie Fischtreppen oder Verbindungsgewässer, oder durch den Bau von Rauen Rampen bzw. durch das Ersetzen nicht mehr benötigter Stauanlagen durch eine Raue Rampe erzielt werden. Jedoch bildet der Aufstieg der Fische nicht mehr allein den Schwerpunkt dieser Anlagen. Auch der Abstieg und die Beachtung aller aquatischen Organismen spielen eine wichtige Rolle. Im Zuge der EU-WRR, die am in Kraft trat, sind vorhandene Querbauwerke zu erfassen, zu überplanen und umzubauen. Diese Aufgabe wird in den meisten Fällen von Ingenieurbüros aus dem Fachbereich Wasserwirtschaft und Wasserbau übernommen.

12 6 Kapitel 1 EINFÜHRUNG IN NATURNAHER AUSBAU EINES FLUSSLAUFES

13 2 Aufbau der Studienarbeit Renaturierung ist ein weitreichendes Thema. Da sich in den vergangenen Jahren die Gewässerqualität stetig verbessert hat, kommt der ökologischen Durchgängigkeit eine ausschlaggebende Bedeutung zu. Aufgrunddessen möchte ich im weiteren Verlauf dieser Arbeit den Bereich Gewässergüte nicht weiter erläutern. Ebenso würde es den Rahmen sprengen alle möglichen Um- bzw. Rückbaumaßnahmen in der notwendigen Tiefe zu beschreiben. Vielmehr werde ich mich speziell mit dem Rückbau bzw. mit der Umgestaltung von Wehren im Zuammenhang mit Errichtungen von Sohlengleiten beschäftigen. An die Einleitung schließt sich die genaue Erläuterung von Sohlenbauwerken. In diesem 2.Teil werden die einzelnen Bauwerksarten genau beschrieben und deren Unterschiede aufgezeigt. Im darauffolgendem 3.Teil werden ausgewählte Ausführungsbeispiele aus dem Einzugsgebiet des Wupperverbandes vorgestellt und ihre Bauweise näher erläutert. Anschließend zeige ich noch allgemeine Anforderungen an Fischaufstiegsanlagen auf, um damit einen groben Überblick über optimale Anordnungen und Gestaltungen zu geben. Mit den daraus gewonnenen Erfahrungen werde ich mich im 8. Kapitel dieser Studienarbeit mit einer einzelnen, schon bestehenden Sohlengleite beschäftigen und diese bewerten. Im 9. Kapitel wird auf Grundlage der zuvor erarbeiteten Kriterien das Konzept für eine noch nicht ausgeführte Sohlengleite entwickelt. Dabei soll sowohl auf die bautechnische wie auch auf die hydraulische Bemessung eingegangen werden. 7

14 8 Kapitel 2 AUFBAU DER STUDIENARBEIT

15 Teil II Sohlenbauwerke

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17 3 Einführung Die Wiederherstellung der ökologischen Durchgängigkeit von Fließgewässern ist neben wasserwirtschaftlichen Zielvorstellungen heute in zunehmenden Maße ausschlaggebend für wasserbauliche Maßnahmen. Für den Bau von Fischaufstiegsanlagen stehen den Wasserbauern/-ingenieuren mehrere verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Dabei wird grob zwischen naturnahen und technischen Bauweisen von Fischaufstiegsanlagen unterschieden. Zu den technischen Bauweisen zählen der Schlitzpass oder der konventionelle Beckenpass. Auf diese Bauweisen wird im weiteren Verlauf der Studienarbeit jedoch nicht weiter eingegangen. Unter naturnahen Bauweisen versteht man den Bau von Umgehungsgerinnen, Fischrampen o.ä. Diese sind durch ausreichende Planung genau zu untersuchen und gegeneinander abzuwägen. Welche Maßnahme letztendlich umgesetzt werden kann, hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab: Art der Umgestaltung des Gewässers Anforderungen an die Maßnahme vorhandene natürliche Gegebenheiten (z.b. Gefälle) Zwangspunkte im Flusslauf (z.b. im Bereich der Schwebebahn) rechtliche Aspekte (Wasserrecht) Wirtschaftlichkeit - Kosten für die Baudurchführung sowie Nachfolgekosten verfügbare Fläche... 11

18 12 Kapitel 3 EINFÜHRUNG Eine Maßnahme, die als naturnah bezeichnet werden kann, ist der Einbau von Sohlenbauwerken. Die DIN 4047 Teil 5 (Begriffe - Ausbau und Unterhaltung von Gewässern) beschreibt Sohlenbauwerke als ingenieurtechnische Bauwerke, die quer zur Fließrichtung über die gesamte Breite des Gewässers angeordnet sind (Querbauwerke) und folgende wesentlichen Aufgaben erfüllen sollen: 1. Vermeidung bzw. Verringerung von Sohlenerosionen 2. Gefällereduzierung 3. Anhebung der Gewässersohlen 4. Erreichen einer ökologischen Durchgängigkeit. In der Art und Weise wie die verschiedenen Bauwerksarten diese Anforderung umsetzen, unterscheidet man laut der DIN 19661, Teil 2 zwischen Sohlenstufen und Schwellen. Abstürze, Absturztreppen, Sohlengleiten und Sohlenrampen bilden die Gruppe der Sohlenstufen. Schwellen umfassen Sohlenschwellen, Grundschwellen und Stützschwellen. Abb. 3.1: Definition Sohlenbauwerke nach DIN

19 4 Schwellen 4.1 Anwendungsbereiche Schwellen sind laut der DIN 19661, Teil 2 Sohlenbauwerke, die dazu dienen die Erosion der Gewässersohle zu verhindern, indem sie diese stabilisieren und so das Gewässerprofil schützen. Das Sohlengefälle bleibt bei dieser Maßnahme zunächst unverändert. Zusätzlich tragen Schwellen zu einer annähernd natürlichen und abwechslungsreichen Gewässerstruktur bei. In Sonderfällen und unter Beachtung bestimmter Anforderungen an den Bewuchs, die Geometrie der Schwelle und des Fließquerschnittes, können Schwellen sogar als Messbauwerke fungieren. 4.2 Ausführungsformen Nach DIN 19661, Teil 2 unterscheidet man drei Arten von Schwellen. Stützschwellen Stützschwellen sind Schwellen, die über die Sohle des Gewässers hinausragen und so einen Aufstau bewirken (Abb.4.1). Durch die Anhebung der Wasserspiegellage im Oberwasser wird das Energieliniengefälle verringert sowie die Fließgeschwindigkeit und somit auch die Schleppspannung. Durch die Konstruktion so einer Schwelle fließt das Wasser wie bei einem Wehr über die Krone und es kommt bei allen Abflüssen zu einem Fließwechsel. Sie sind somit hydraulisch wirksam. In der Regel ist für die Energieumwandlung ein Tosbecken erforderlich. Da sie in ihrer hydraulischen Wirksamkeit Abstürzen oder festen Wehren gleichen, werden sie auch als Stützwehre bezeichnet. Aufgrund der verminderten Schleppspannung können Verlandungen des Stauraumes die Folge sein. Werden keine Maßnahmen dagegen ergriffen, entwickeln sich Stützschwellen schließlich zu Sohlstufen und wirken wie Abstürze. Bei Laufverkürzungen können Stützschwellen auch der Gefällekonzentration dienen. 13

20 14 Kapitel 4 SCHWELLEN Abb. 4.1: Stützschwelle, Quelle: DIN Grundschwellen Grundschwellen sind Schwellen, die zwar auch über die Gewässersohle ragen, jedoch ist die Höhe wesentlich geringer als bei Stützschwellen (Abb.4.2). Durch die Erosion der Sohle kann sich diese Höhe im Laufe der Zeit vergrößern. Im allgemeinen sind Grundschwellen hydraulisch unwirksam. Nur bei geringen Abflüssen kann sich ein hydraulisch wirksamer Fließwechsel einstellen. Ebenso wie bei den Stützschwellen besteht auch bei den Grundschwellen die Gefahr der Auflandung. Grundschwellen werden dann eingesetzt, wenn das zulässige Gefälle der unbefestigten Sohle nur gering überschritten wird. Sie können eine Erhöhung des Niedrigwassers bewirken. Abb. 4.2: Grundschwelle, Quelle: DVWK 118 Sohlenschwellen Sohlenschwellen sind Schwellen, die nicht über die Sohle hinausragen, sondern sohlengleich im Flussbett eingebaut werden (Abb.4.3). Sie wirken lediglich als Sohlenhaltepunkte, um so das Eintiefen zu verhindern. Bei auftretender Erosion können nach einer geraumen Zeit aus Sohlenschwellen Grundschwellen entstehen. Da Sohlenschwellen keinen Aufstau hervorrufen, nehmen sie keinen Einfluss auf die Hydraulik des Gewässers.

21 Kapitel 4.3 KONSTRUKTIVE GESTALTUNG 15 Abb. 4.3: Sohlenschwelle, Quelle: DVWK Konstruktive Gestaltung Bei der Planung von Schwellen sind sowohl wirtschaftliche, ökologische wie auch wasserwirtschaftliche Aspekte zu beachten. Vorallem die ökologische Durchgängigkeit kann maßgebend sein. In der Regel wird versucht solch eine Maßnahme so naturverträglich und naturnah wie möglich zu gestalten. Bei der Wahl des passenden Materials kann entschieden werden zwischen natürlichen oder künstlichen Baustoffen. Zu den natürlichen Stoffen gehören vorallem Steine und Holz; diese Baustoffe sind vorrangig einzusetzten. Unter künstlichen Materialien versteht man Stahl, Beton, Kunststoff oder auch bituminöse Stoffe. Diese sollten jedoch vermieden werden und nur in besonderen Fällen eingesetzt werden. Auch die Ausbildung einer Schwelle im Querschnitt kann unterschiedlich ausfallen. Je nach Material der Schwelle, der Breite des Gewässers und des vorhandenen Sohlenmaterials können Schwellen rund, rechteckig als auch trapezförmig hergestellt werden. Aufgrund der Durchgängigkeit für Lebewesen im Wasser sollten Lücken in den Schwellen geplant sein. Die Abstände der Schwellen sind abhängig von der Gewässerbreite, dem Gefälle, daraus resultierend von der Fließgeschwindigkeit, und der Schleppspannung der Sohle. In der Regel sollten bei breiten Fließgewässern mit grobem Sohlenmaterial Schwellen in größeren Abständen verlegt werden. Ist ein großes Gefälle vorhanden, werden die Abstände der Schwellen verringert. Schwellen, die in Gruppen angelegt werden, dienen einer Verhinderung von Schäden bei einer verstärkten Erosion. Im folgenden werden ich drei mögliche Ausführungen mit unterschiedlichen Baumaterialien kurz erläutern [3]: Holzschwellen Um eine Holzschwelle zu errichten werden sogenannte Piloten senkrecht in den Boden gerammt. Diese dienen der Abstützung von Querhölzern. Dabei kann die

22 16 Kapitel 4 SCHWELLEN Schwelle einfach ausgeführt werden, indem nur ein Querholz verlegt wird (Abb.4.4). Möchte man jedoch eine Unterspülung vermeiden, sollten mehrere übereinanderliegende Rundhölzer eingebaut und auch tiefer gegründet werden. Besteht zusätzlich die Gefahr, dass die Standsicherheit durch Erosion hinter der Schwelle vermindert wird, können dort Steine verlegt werden. Abb. 4.4: Mögliche Bauweisen von Holzschwellen, Quelle: DVWK 118 Steinschwellen Steine für eine Steinschwelle müssen ausreichend befestigt werden, um nicht allmählich aufgrund örtlicher Kolke im Boden zu versinken. Auch hier ergeben sich mehrere Möglichkeiten eine Steinschwelle auszubilden. Wie bei einer Holzschwelle können Steine mittels Piloten abgestützt werden, sowohl einseitig wie auch beidseitig (Abb.4.5). Eine geschlossene Steinschwelle besteht aus großen Steinen, die tief gegründet und quer zur Fließrichtung verlegt werden (Abb.4.6). Staffelt man die Steine in Längsrichtung spricht man von einer aufgelösten Steinschwelle. Diese wirkt, falls ein Höhenunterschied überwunden wird, wie eine Rampe (Abb.4.7). Betonschwellen Betonschwellen sollten nur in bestimmten Fällen gebaut werden; z.b. wenn für ein Messwehr eine exakte Horizontale notwendig ist.

23 Kapitel 4.3 KONSTRUKTIVE GESTALTUNG 17 Abb. 4.5: Mögliche Bauweisen von Steinschwellen, Quelle: DVWK 118 Abb. 4.6: Geschlossene Steinschwelle, Quelle: DVWK 118 Abb. 4.7: Aufgelöste Steinschwelle, Quelle: DVWK 118

24 18 Kapitel 4 SCHWELLEN

25 5 Sohlenstufen Sohlenstufen sind Querbauwerke, die einen Höhenunterschied in der Gewässersohle überwinden. Dabei wird das Sohlenlängsgefälle an dieser Stelle zusammengefasst, so dass oberhalb und teilweise auch unterhalb dieses Sohlenbauwerkes das Gefälle verringert werden kann. Dabei sollte das Gefälle so gewählt werden, dass die Sohle im Gleichgewichtszustand verbleibt. Zusätzlich dienen Sohlenstufen der Stabilisierung der Gewässersohle zur Vermeidung von Erosion der Anhebung der Gewässersohle durch Anlandung im OW bei bereits eingetieften Gewässern der Erhöhung der Wassertiefe [5]. Doch auch in ökologischer Hinsicht betrachtet, müssen Sohlenstufen gewisse Anforderungen erfüllen. Um eine natürliche Wiederbesiedlung und eine Ausbreitung seltener Arten zu ermöglichen, sollten diese Bauwerke möglichst strukturreich ausgeführt werden und ein vielfältiges Lückensystem für die Artenvielfalt der aquatischen Lebensgemeinschaften aufweisen können. 5.1 Ausführungsformen Nach DIN 19661, Teil 2 zählen zu den Sohlenstufen die Abstürze, Absturztreppen, Sohlenrampen und die Sohlengleiten. Wie im einzelnen diese verschiedenen Bauwerke ausgebildet werden und inwieweit sie die wasserwirtschaftlichen und ökologischen Anforderungen erfüllen, wird im folgenden beschrieben: Abstürze Abstürze sind die in Fließrichtung kürzesten Sohlenbauwerke, da die Gefällekonzentration an einer Stelle lokal auftritt. Sie bestehen aus einer lotrechten oder 19

26 20 Kapitel 5 SOHLENSTUFEN einer steil geneigten Absturzwand (Abb.5.1). Eine steile Wand wird meistens glatt ausgeführt; eine flacher geneigte dagegen kann rauer ausgebildet werden. Im Bereich des Überfalls gibt es mehrere Möglichkeiten die Überfallkrone auszubilden. Typische Ausführungsformen sind rechteckige, trapezförmige oder auch dreieckige Querschnitte, die scharfkantig, abgerundet oder überstehend ausgeführt werden können. Je nach Neigung der Wand löst sich der Überfallstrahl von dieser Wand oder liegt an dieser an. Oberhalb einer Absturzwand sollte eine gewisse Strecke befestigt sein; aufgrund der entstehenden Energie ist unterhalb des Absturzes ein Tosbecken oder ein Sturzbett erforderlich. Laut DIN 19661, Teil 2 ist ein Absturz hydraulisch wirksam, wenn bei den maßgebenden Abflüssen zweifacher Fließwechsel mit Wechselsprung und gestauter Deckwalze auftritt. Zweifacher Fließwechsel bedeutet, dass im Ober- und Unterwasser Strömen und im Übergangsbereich Schiessen herrscht. Die hydraulische Wirksamkeit beruht auf der Energieumwandlung in der Deckwalze. Diese setzt am Fuß der Deckwalze Schießen mit Fr 1,7 und damit hinter der Deckwalze Strömen mit Fr 0,5 voraus[4]. Bereits kleinste Absturzbauwerke sind für die meisten Lebewesen unüberwindbar, da die in verschiedenen Richtlinien festgelegten zulässigen Absturzhöhen nur für wenige Arten Gültigkeit hat. Jedoch ist das Erreichen einer linearen Durchgängigkeit nicht nur für leistungsstarke Fischarten, wie die Forellen, ausgelegt, sondern auch für Kleinstlebewesen, auch Benthosorganismen genannt, ein notwendiges Ziel. Unter diesen Gesichtspunkten sollte auf diese Bauweise grundsätzlich verzichtet werden. Abb. 5.1: Absturz, Quelle: DIN Absturztreppen Absturztreppen, auch Kaskaden genannt, sind Sohlenbauwerke, die einen Höhenunterschied mit Hilfe mehrerer einzelner Abstürze überwinden (Abb. 5.2). Absturztreppen sind ebenso wie einzelne Abstürze hydraulisch wirksam. Jedoch tritt im allgemeinen nicht auf jeder Stufe ein Fließwechsel ein. Vielmehr schießt das Wasser über die Stufen hinweg und es stellt sich schließlich am Ende der Absturztreppe ein Fließwechsel mit Deckwalze ein. Um für jede Stufe eine hydraulische Wirksam-

27 Kapitel 5.1 AUSFÜHRUNGSFORMEN 21 keit zu erreichen, muss jede einzelne Stufe mit einem Tosbecken oder Sturzbett ausgestattet sein und die Abstände zwischen den aufeinanderfolgenden Abstürzen müssen ausreichend groß sein. In der Regel ist jede einzelne Stufe nur bei kleinen Abflüssen hydraulisch wirksam. Ebenso wie Abstürze stellen auch Absturztreppen ein unüberwindbares Hindernis für Fische und Kleinsttiere dar. Ökologisch betrachtet beeinträchtigen diese Bauwerke den Naturhaushalt und sollten vermieden werden. Abb. 5.2: Absturztreppe, Quelle: DIN Raue Rampen Raue Rampen sind Sohlenbauwerke, die einen Höhenunterschied in der Gewässersohle mit einer flachen Neigung überwinden. Dabei unterscheidet man zwischen den Sohlenrampen und den Sohlengleiten. Ausgebildet werden diese Sohlenbauwerke mit Steinen, so dass eine strukturreiche und raue Oberfläche entsteht. Ursprünglich sollten diese Bauwerke der Stabilisierung der Sohle dienen. Sie stellen jedoch ebenso eine sehr gute Möglichkeit dar natürliche Verhältnisse einer Fließstrecke nachzugestalten. Um einen ungehinderten Organismenaustausch zu ermöglichen, ist ein durchgehendes und vielgestaltiges Lückensystem sowie Sohlensubstrat notwendig. Diese Anforderungen lassen sich mit Rauen Rampen je nach Bauweise und Bauart unterschiedlich erfüllen. Der größte Teil der Rampen werden mit einer Höhe h 2m erstellt. Darüber gehende Rampen sind sehr kostenintensiv und benötigen eine sehr große Fläche. Die Forderung nach hydraulischer Wirksamkeit laut DIN 19661, Teil 2 ist zwar für Abstürze korrekt, im Sinne von Rampen jedoch praxisfern. Bei Rampen findet die Energieumwandlung nicht wie bei Stürzen durch einen Wechselsprung statt, sondern durch Turbulenzen, die aufgrund hoher Rauigkeit entstehen. In Abbildung 5.3 sind die unterschiedlichen Abflussarten dargestellt, die sich je nach Abflussgröße einstellen [3]: 1. Bei relativ geringen Abflüssen erfolgt die Energieumwandlung weitgehend auf der Rampe, wenn die Rampe für die Entwicklung des schießenden Nor-

28 22 Kapitel 5 SOHLENSTUFEN malabflusses ausreichend lang ist. Ein zweifacher Fließwechsel stellt sich ein - die Rampe ist hydraulisch wirksam (Abb.5.3, a). 2. Steigt der Abfluss, nimmt der Einstaueinfluss von UW zu und die hydraulische Wirksamkeit ab, da sich auf der Rampe kein Normalabfluss bilden kann und somit der beschleunigte direkt in den verzögerten Abfluss übergeht. Es entsteht eine Deckwalze am Rampenfuß - die Rampe ist noch hydraulisch wirksam (Abb. 5.3, b). 3. Bei höheren Abflüssen löst sich der Schußstrahl schließlich von der Rampenoberfläche und entwickelt einen sogenannten Oberflächenstrahl. Es stellt sich ein gewellter Abfluss ein. Die Energieumwandlung erfolgt weitestgehend auf der Rampe - die Rampe ist hydraulisch unwirksam (Abb. 5.3, c). 4. Steigt der Abfluss noch mehr an, tritt letzendlich kein Fließwechsel mehr ein. In diesem Fall liegt ein durchgehend strömender Zustand vor. Die Energieumwandlung auf der Rampe ist geringfügig - die Rampe ist hydraulisch unwirksam (Abb. 5.3, d). Insbesondere für den Umbau bzw. den Ersatz von Abstürzen oder Wehren sind diese Bauwerke anwendbar. In diesen Fällen können sie als Stützwehre fungieren, die eine Absenkung des Wasserstandes verhindern. Sohlenrampen Sohlenrampen unterscheiden sich von den Sohlengleiten nur durch das Längsgefälle. Laut DIN und DIN 19661, Teil 2 spricht man von Sohlenrampen bei einem Gefälle von 1:3 bis etwa 1:10. Sohlengleiten Sohlengleiten sind flacher geneigt als Sohlenrampen. Sie weisen nach DIN ein Gefälle von 1:20 bis 1:30 auf. Nach DIN 19661, Teil 2 liegt das Gefälle zwischen 1:10 und 1:30.

29 Kapitel 5.2 KONSTRUKTIVE GESTALTUNG VON RAUEN RAMPEN 23 Abb. 5.3: Abflusszustände, Quelle: DVWK Konstruktive Gestaltung von Rauen Rampen Rampenbauweisen Bei der Herstellung von rauen Rampen gibt es zwei Verfahren Steine in das Gewässer zur Bildung einer Deckschicht einzubringen. Dies ist zum einen die Setzsteinbauweise und zum anderen die Schüttsteinbauweise (Abb. 5.6). Setzsteinbauweise Setzsteinrampen, auch Blocksteinrampen genannt, bestehen aus möglichst dicht aneinanderliegenden etwa gleich großen Steinen, die von Hand gesetzt werden.

30 24 Kapitel 5 SOHLENSTUFEN Abb. 5.4: Sohlenrampe, Quelle: DIN Abb. 5.5: Sohlengleite, Quelle: DIN Diese Steine sollten eine Kantenlänge von ungefähr 0,6 bis 1,2 m besitzen. Um eine große Rauheit zu erzielen, werden die möglichst birnenförmigen Blöcke hochkant gestellt. Der Aufbau erfolgt in der Regel auf einer Filterunterschicht, da sonst die Gefahr des Ausspülens von Untergrundmaterial besteht. Dieser Filterunterbau kann aus einer Filtermatte mit einer Schotterauflage bestehen. Ebenso ist es möglich diesen mittels eines mehrschichtigen, abgestuften Kiesfilters zu erstellen. Als obere und untere Begrenzung erhalten Setzsteinrampen Spundwände oder Pilotenreihen. Dazu eignen sich Stahlträger, ausgediente Eisenbahnschienen o.ä. Die untere Begrenzung wird aus konstruktiven Gründen angesetzt und wirkt so der rückschreitenden Erosion entgegen. Im Gegensatz dazu hat die Anordnung von Spundwänden o.ä. an der Rampenkrone die Aufgabe die Durchdringung des Rampenkörpers zu verringern und einen Oberflächenabfluss zu gewährleisten. Durch die Verwendung größtenteils einheitlicher Steingrößen entsteht eine einlagige Deckschicht mit einer relativ gleichmäßigen Rauheit und Strömung. Das Steingewicht und die Verbundwirkung der Steine bilden die hohe Stabilität einer solchen Rampe. Entstehende Schubkräfte werden durch Reibung in den Untergrund geleitet. Man spricht in diesem Fall von einer selbsttragenden Deckschicht. Setzsteinrampen bilden ein starres Bauwerk, bei denen Umlagerungen der Steine nicht möglich sind. Diese Verbundwirkung geht schlagartig verloren, wenn sich ein einzelner Stein herauslöst. Ein plötzliches Versagen der gesamten Rampe wäre die Folge. Zur Herstellung dieser Rampen ist eine trockene Baugrube erforderlich. Bei breiten Gewässern kann auch eine halbseitige Bauweise ausgeführt werden, indem man eine Zwischenspundwand setzt.

31 Kapitel 5.2 KONSTRUKTIVE GESTALTUNG VON RAUEN RAMPEN 25 Die Anwendung der Blocksteinbauweise beschränkt sich im allgemeinen auf ein Gewässer mit einem Gefälle von 1:10. Eingesetzt werden diese Rampen nur in besonderen Fällen; z.b. bei Gewässern ohne ausreichende Länge oder Breite, da diese Bauweise höheren hydraulischen Belastungen ausgesetzt werden kann. Jedoch sind diese Rampen bei der Herstellung aufwendig und kostenintensiv. Im Regelfall sollte auf diese Bauweise verzichtet werden. Abb. 5.6: Rampenbauweisen: o: Setzsteinbauweise, u: Schüttsteinbauweise, Quelle: DVWK 232/1996 Schüttsteinbauweise Die Schüttsteinbauweise ist gekennzeichnet durch eine Deckschicht aus mehrlagig locker in das Gewässer eingebrachter Steine. Dabei sollte die Schichtstärke mindestens dem zweifachen maximalen Steindurchmesser entsprechen. Eine Sicherung mittels Spundwänden oder Pilotenreihen ist nicht notwendig und sollte sogar vermieden werden. In der Praxis hat sich gezeigt, dass solche Riegel durch Umlagerungen der Steine Absätze bilden, die wiederum die Erosion und Kolkbildung hinter diesen Abstürzen verstärken. Im allgemeinen ist keine Sicherung im Übergang zum UW notwendig. In diesen Fällen nimmt man eine kurze Nachbettsicherung von ca. 3 bis 5 m vor. Bei einer erosionsgefährdeten Sohle können zur Sicherung des Rampenfußes größere, tief in die Sohle eingebundene Steine gesetzt werden. Bei bestehendem, erosionsbeständigen Sohlmaterial (Grobkies, Steine) ist kein Unterbau erforderlich und die Steine können direkt auf die Gewässersohle aufgebracht werden. Ansonsten ist eine Filterunterschicht erforderlich.

32 26 Kapitel 5 SOHLENSTUFEN Die Aufnahme der Strömungsbelastung geschieht allein durch das Eigengewicht der Steine. Eine Schüttsteinrampe ist ein elastisches Bauwerk. Umlagerungen der Steine bei steigender Strömungsbelastung sind möglich und erhöhen sogar die Stabilität der Rampe. Zur weiteren Stabilitätserhöhung können die Hohlräume mit einem, dem Sohlsubstrat ähnlichem, Material ausgefüllt werden. Ein gelöster Stein befindet sich solange in Bewegung bis eine stabile Lage gefunden wird. Dies kann auch erst am Rampenfuß der Fall sein. Im allgemeinen bessert sich die Rampe durch Nachrutschen von Steinen selbst nach. Ansonsten ist eine Ausbesserung durch Nachschütten von Steinen einfach umzusetzen. Dieses Nachschütten von Steinen beugt somit einem Versagen der Rampe vor. Ein schlagartiges Versagen ist bei einer Rampe in Schüttbauweise nicht möglich. Es kündigt sich durch eine Erosionsrinne oder durch eine gleichmäßige Oberflächenerosion an. Ein trockene Baugrube ist bei der Herstellung einer Schüttsteinrampe nicht notwendig. Mittels eines Baggers werden die Steine einzeln von Unterwasser nach Oberwasser fortschreitend eingebracht und in die Sohle eingedrückt. Seltener werden die Steine wirklich geschüttet. Diese Bauweise stellt eine einfache und kostengünstige Möglichkeit dar eine Sohlenrampe auszubilden. Rampen in lockerer Bauweise werden mit einem Gefälle von 1:15 bis 1:30 ausgebildet und weisen durch unterschiedlich große Steine eine ökologisch günstige Oberfläche auf. Die entstehende, ungleichmäßige Strömung wirkt sich positiv auf die Durchgängigkeit des Gewässsers aus. Lebewesen finden wechselnde Strömungszustände vor und das vielfältige Lückensystem bietet ihnen gute Aufstiegsmöglichkeiten Rampenbauarten Rampenbauarten beschreiben die möglichen verschiedenen Anordnungen von Steinen in einer rauen Rampe. Diese sind abhängig von den unterschiedlichen Begebenheiten eines Fließgewässers und wurden entwickelt um die Anforderungen einer Durchgängigkeit zu erfüllen. Klassische Rampe Bei der klassischen Rampe werden die Steine über die komplette Breite eines Fließgewässers angeordnet. Dies ist eine sehr einfache Rampenbauart. Schäden im Bereich der Böschung und Auskolkungen im Unterwasser sind typische Erscheinungen. Ebenso besteht die Gefahr des Trockenfallens bei Niedrigwasser. Um dies zu vermeiden sollten Niedrigwassergerinne vorgesehen werden.

33 Kapitel 5.2 KONSTRUKTIVE GESTALTUNG VON RAUEN RAMPEN 27 Steinrampe nach Schauberger Dieser Rampentyp wurden 1975 von Schauberger entwickelt. Anwendung findet diese Bauart in großen Flüssen mit einer Breite von b 15 m und einer zu überwindenden Höhe h 1,5 m. Das Gefälle des Gewässers sollte bei ca. 1:8 bis 1:15 liegen. Ausgeführt wird die Steinrampe in der Setzsteinbauweise. Steinrampen nach Schauberger sind durch eine räumliche Krümmung der Rampenkrone sowie des Rampenfußes gekennzeichnet (Abb. 5.7). So wird der Abfluss zur Gerinnemitte hin geleitet und im Uferbereich den Lebewesen das Aufsteigen ermöglicht. Eine zusätzliche Verjüngung über die Rampenlänge führt im Unterwasser zu einer Wasserspiegelanhebung. Dies kann sich positiv auf die Energieumwandlung auswirken [6]. Abb. 5.7: Skizzenhafte Darstellung einer Schauberger Rampe, Quelle: DVWK 232/1996 Riegelrampe Riegelrampen bestehen in erster Linie aus mehreren Steinriegeln,die die Tragkonstruktion bilden. Dazu werden Steine mit einen Durchmesser von d s = 0,6 bis 1,2 m eingesetzt. Diese Riegel können zur gegenseitigen Abstützung gewölbeartig angeordnet werden um so die Stabilität der Rampe zu erhöhen (Abb. 5.8). Je nach Herstellung der Riegel werden diese Rampen in Setz- sowie in Schüttsteinbauweise ausgeführt. Eine Möglichkeit besteht darin die Riegel bis zu 2,5 m tief in die Sohle einzubinden und gegebenenfalls durch Pfahlreihen oder Stahlpiloten zu sichern. Bei einer anderen Variante wird eine Unterschicht aus einer Steinschüttung gebildet und darin die Riegel mit einer geringeren Tiefe eingebunden. Bei der Wahl der Riegelabstände ist darauf zu achten, dass eine Wasserspiegeldifferenz von h = 0,2 m nicht überschritten wird. Die Steinriegel bilden jeweils Becken, die mit sohlsubstratähnlichem Material verfüllt werden. Diese Becken entwickeln eine gewisse Eigendynamik und stellen für Fische

34 28 Kapitel 5 SOHLENSTUFEN und Kleinstlebewesen gute Möglichkeiten dar die Rampe zu passieren oder auch zu ruhen. Erfahrungen zeigen, dass Riegelrampen bei Gewässern mit einer Breite b 5 m, einer zu überwindenden Höhe von h 1,5 m und einem Gefälle 1:15 oder flacher Anwendung finden. Da die Becken leicht zusetzen und somit die Funktionsfähigkeit der Rampe mindern, ist ein relativ hoher Unterhaltungsaufwand notwendig [6]. Bei der Herstellung einer solchen Rampe entstehen jedoch geringe Kosten. Dafür benötigt solch ein aufgelöste Bauweise wie keine andere Bauweise sehr viel Erfahrung. Abb. 5.8: Grundriss und Längsschnitt einer Riegelrampe, Quelle: LfU-Veröffentlichung Muldenrampe Diese Form der Rampe wurde von der Universität Stuttgart im Auftrag der Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg (LfU) entwickelt. Sie eignet sich für Gewässer mit einer Breite b 5 m, einem Höhenunterschied von h 1 m und einer Neigung, die flacher ist als 1:20. Im Randbereich des Gewässers wird jeweils eine Mulde angeordnet. Diese gewährleisten eine ökologische Durchgängigkeit für Fische und andere Organismen. Zwischen den Mulden wird eine Rampe in Schüttbauweise angeordnet, die für Kanusportler eine

35 Kapitel 5.2 KONSTRUKTIVE GESTALTUNG VON RAUEN RAMPEN 29 gefahrlose Befahrbarkeit bietet (Abb. 5.9). Abb. 5.9: Skizzenhafte Darstellung einer Muldenrampe, Quelle: LfU-Veröffentlichung Teilrampe Teilrampen, auch als Fischrampen bezeichnet, finden Anwendung bei Umgestaltungen von Wehren. Kann aus Gründen der Energiegewinnung, des Hochwasserschutzes oder aufgrund der Landwirtschaft nicht auf die Regulierbarkeit des Wasserstandes verzichtet werden, ordnet man wenigstens in einen Teil des Wehres raue Rampen mit geringerer Breite an (Abb. 5.10). Die Breite dieser Rampen ist abhängig von dem für einen Fischaufstieg notwendigen Abfluss und dem zur Verfügung stehenden Abfluss. Sie sollte jedoch nicht weniger als 2 m betragen. Laut des Merkblattes 232/1996 des DVWK sollten Fischrampen eine mittlere Wassertiefe von 30 bis 40 cm, ein Gefälle von 1:20 oder flacher sowie eine Fließgeschwindigkeit im Bereich von 1,6 bis 2,0 m/s aufweisen. Für den Bau der Rampe können die üblichen Bauweisen angewendet werden. Häufig werden Riegelrampen eingesetzt. Um die für die Lebewesen erforderlichen Wassertiefen und Fließgeschwindigkeiten zu gewährleisten, werden Störsteine oder kaskadenförmige Steinschwellen eingebaut. Teilrampen werden grundsätzlich am Ufer angeordnet und wenn möglich am Prallhang, um Verlandungen zu vermeiden. Bei schräg verlaufenden Wehren sollte die Fischrampe in den spitzen Winkel vom Unterwasser her gesehen positioniert werden. Im Falle von steilen Wehrrücken und Abstürzen sowie bei Wehren mit beweglichen Verschlüssen ist eine massive Trennwand zwischen Wehr und Rampe erforderlich.

36 30 Kapitel 5 SOHLENSTUFEN Abb. 5.10: Teilrampen, Quelle: DVWK 232/1996

37 6 Anlagen zur Durchgängigkeit von Fließgewässern An dieser Stelle möchte ich nochmal übergreifend auf das Thema Fischaufstiegsanlagen zurückommen.die nachfolgend aufgestellten Anforderungen und Überlegungen gelten für alle Anlagen unabhängig von dem jeweiligen Konstruktionstyp. Diese Anforderungen berücksichtigen die biologischen Bedürfnisse aller aquatischen Lebewesen. 6.1 Arten der Fischaufstiegsanlagen Wie bereits erwähnt, unterteilt man Fischaufstiegsanlagen in naturnahe und technische Anlagen. 6.2 Grundlegende Vorgehensweise Die nachfolgend aufgestellten Kriterien zeigen den Planungswerdegang dar, wie bei einer Maßnahme zur Umgestaltung eines Querbauwerkes vorgegangen werden sollte [7]. 1. Vor der Planung eines Fischweges sollte prinzipiell nach der Notwendigkeit der bestehenden Anlage gefragt werden. Vielfach haben vorallem kleine Mühlenwehre keine Verwendung mehr. In solchen Fällen kann eine komplette oder teilweise Entfernung dieses Bauwerkes erfolgen. Jedoch ist vorher zu untersuchen, ob landeskulturelle Aspekte oder aber ein Erhalt von wertvollen Feuchtgebieten dagegen sprechen. 2. Ist ein Rückbau nicht möglich, sollte eine raue Rampe in Form einer Sohlengleite oder -rampe ausgebildet werden. Kann diese nicht über die komplette Flussbreite angeordnet werden, ist eine Teilrampe erforderlich. 31

38 32 Kapitel 6 ANLAGEN ZUR DURCHGÄNGIGKEIT VON FLIESSGEWÄSSERN Abb. 6.1: Gebräuchliche Bauweisen von Fischaufstiegsanlagen, Quelle: DVWK 232/ Bei Stauhaltungen umgeht man den gesamten Staubereich mittels eines Verbindungsgewässers. Diese sollten nach Möglichkeit naturnah ausgebildet werden. 4. Ist aus Platzgründen eine naturnahe Ausbildung nicht realisierbar, setzt man technische Verbindungsgerinne ein [6]. 6.3 Allgemeine Anforderungen Die Lage von Fischaufstiegen richtet sich nach den baulichen Gegebenheiten vor Ort und ebenso nach dem Wanderverhalten der Fische. In der Regel folgen aquatische Lebewesen der Hauptströmung eines Flusslaufes. Der Auslauf, darunter versteht man die Stelle der Aufstiegsanlage im Unterwasser, sollte dort positioniert werden, wo sich die Lebewesen sammeln. Positiv für das Auffinden einer Anlage ist das Anordnen dieser an einer Uferseite parallel verlaufend zur Hauptströmung. Bei Anordnung der Mündung des Auslaufes auf gleicher Höhe mit dem Wehr wird ein toter Winkel, in dem sich aufstiegswillige Tiere konzentrieren, vermieden. Aus diesem Grund ordnet man bei schräg verlaufenden Wehren die Anlage in dem spitzen Winkel zwischen Wehr und Ufer von Unterwasser gesehen an. Wird der

39 Kapitel 6.3 ALLGEMEINE ANFORDERUNGEN 33 Auslauf zu weit in das Unterwasser herausgezogen, verringert sich die Auffindbarkeit der Anlage. Die von Fischen wahrnehmbare Leitströmung sollte eine Geschwindigkeit von 0,8-2,0 m/s aufweisen. Die Aufstiege sind so zu konstruieren, dass die Geschwindigkeit von 2,0 m/s nicht überschritten wird. Im Regelfall sollte die Geschwindigkeit jedoch deutlich unter dieser liegen, um schwächeren Tieren einen Aufstieg zu ermöglichen oder sogar Ruhezonen zu bieten. Auch im Bereich des Einlaufes - der Bereich der Aufstiegsanlage, der in das Oberwasser ragt - ist darauf zu achten, dass keine zu starken Turbulenzen sowie zu hohe Strömungsgeschwindigkeiten entstehen. Sollten im Oberwasser Geschwindigkeiten über 0,5 m/s auftreten, ist der Einlaufbereich mittels einer Trennwand weiter in das Oberwasser zu verlängern. Aus der Begrenzung der Strömungsgeschwindigkeit von 2,0 m/s ergibt sich in Fischwegen eine max. Wasserspiegeldifferenz von 0,2 m. Größere Höhenunterschiede können von Fischen nicht überwunden werden. Bei Anordnungen von Ruhezonen oder Ruhebecken muss auf diese Höhenbegrenzung geachtet werden. Ruhebecken sind für die Lebewesen notwendig, um Ruhepausen einlegen zu können. Dies ist der Fall bei sehr langen Rampen, bei Rampen ohne Ruhezonen und für die schwächeren Lebewesen. Die Sohle muss dem unbeeinflussten Fließgewässer entsprechend ausgebildet werden. Wenn möglich sollte die Sohle mit einer mindestens 0,2 m dicken gewässertypischen Substratschicht bedeckt sein. Unterschiedliches Sohlenmaterial soll eine raue Sohlsubstratoberfläche und somit ein Lückensystem bilden. Dieses benötigen vorallem Kleinst- und Jungtiere, um sich zu schützen. Die erforderliche Wassertiefe sollte auch bei Niedrigwasser h = 0,2 m nicht unterschreiten. Somit ergibt sich eine mittlere Wassertiefe von h = 0,3 bis 0,4 m. In diesem Bereich sollte sich der Wasserstand mindestens bewegen. Bei dem Bau einer Fischaufstiegsanlage ist darauf zu achten, dass sich das Bauwerk in die Landschaft harmonisch einbindet. Gerade unter diesem Gesichtspunkt lassen sich naturnahe Bauweisen für solche Maßnahmen umsetzen.

40 34 Kapitel 6 ANLAGEN ZUR DURCHGÄNGIGKEIT VON FLIESSGEWÄSSERN

41 Teil III Ausführungen und Planungen

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43 7 Ausführungen entlang der Wupper 7.1 Der Wupperverband Der Wupperverband wurde am 8. Januar 1930 gegründet und betreut seitdem das 813 km 2 große Einzugsgebiet der Wupper in Sachen Wasserwirtschaft. Mit ca. 130 Kilometern stellt die Wupper das bedeutendste der etwa km Fließgewässer dar und gab dem Verband somit seinen Namen. Daneben seien noch andere Hauptbäche wie die Dhünn, die Schwelme, der Eschbach oder der Morsbach genannt. Das natürliche Einzugsgebiet der Wupper und somit des Wupperverbandes umfasst das Bergische Land mit den Städten Wuppertal, Solingen, Remscheid und Leverkusen, sowie Teile des Rheinisch-Bergischen-, des Oberbergischen-, des Märkischen- und des Ennepe-Ruhr-Kreises. Auch nördliche Stadtteile Kölns gehören zu diesem Gebiet (Abb.7.1). Der Wupperverband ist eine Körperschaft des öffentlichen Rechts. Er setzt sich aus Städten und Gemeinden, Kreisen, städt. Werken, Wassergenossenschaften sowie Industriebetrieben zusammen. Die gesetzlichen Aufgaben des Wupperverbandes sind: Abwasserreinigung Beschaffung und Bereitstellung von Trink- und Brauchwasser Betrieb von Talsperren zur Regelung des Wasserabflusses (Ausgleich der Wasserführung in der Wupper sowie Sicherung des Hochwasserabflusses) Unterhaltung der Gewässer Rückführung ausgebauter Gewässer in einen naturnahen Zustand 7.2 Die Wupper Die Wupper entspringt unter dem Namen Wipper in dem Ort Börlinghausen (Gemeinde Marienheide) im Oberbergischen Land. Ab Wippersfürth geht diese über 37

44 38 Kapitel 7 AUSFÜHRUNGEN ENTLANG DER WUPPER Abb. 7.1: Karte des Wupperverbands, Quelle: Umweltbericht 2003 des Wupperverbandes

45 Kapitel 7.3 AUSFÜHRUNGSBEISPIELE 39 in die Wupper. Bei Leverkusen mündet die Wupper schließlich als rechter Nebenfluss des Niederrheins in den Rhein. Unterteilt wird die Wupper in zwei Abschnitte. Die sogenannte Obere Wupper reicht von der Quelle bis zur Wupper-Talsperre in der Nähe der Stadt Radevormwald gelegen. Ab diesem Bauwerk bis zur Mündung in den Rhein wird dieser Teil der Wupper als untere Wupper bezeichnet. Die Trennung erfolgt im Bereich der Talsperre, da diese im Sinne einer Durchgängigkeit ein unüberwindbares Staubauwerk darstellt. Die gesamte Wupper birgt 33 Querbauwerke, die ein Hindernis für die Durchgängigkeit des Gewässers darstellen. Davon liegen 18 in der unteren Wupper. Die Untere Wupper ist ein Fischgewässer im Sinne der Fischgewässer-Richtlinie der Europäischen Union. Außerdem ist sie Teil des Programms Lachs 2000 der Internationalen Kommission zum Schutz des Rheins (IKSR), das die Wiederansiedlung des Lachses wegen des zahlreichen Vorhandenseins geeigneter Laichgebiete in der Wupper vorsieht. Im Rahmen dieses Pogramms wurden in den letzten Jahren durch den Wupperverband 12 Fischaufstiegsanlagen gebaut oder Hindernisse entfernt (Abb.7.1). Zwei noch bestehende Querbauwerke in der unteren Wupper sind in Planung. Zum einen ist das die Stauanlage Beyenburg. Diese soll mit einem Umgehungsgerinne versehen werden. Die Planung sollte bereits in 2003 abgeschlossen sein; die Ausführung ist bis jetzt zwar noch nicht erfolgt, steht aber kurz bevor. Um den unteren Teil der Wupper gänzlig durchgängig zu machen, muss schließlich als letztes noch das Wehr am Auer Kotten in Solingen umgebaut werden. Bis jetzt laufen jedoch noch wasserechtliche Verfahren mit dem Betreiber des Wehres. Die obere Wupper ist aufgrund der Wupper-Talsperre nicht mehr Teil des Wanderfischprogramms. Von den 14 Hindernissen sind bis zum jetzigen Zeitpunkt erst zwei Bauwerke durchgängig gemacht worden. Weitere Bauwerke sind in Planung. Bevor jedoch mit der technischen Umsetzung angefangen werden kann, müssen erst Wasserrechte sowie Eigentumsverhältnisse geklärt werden. 7.3 Ausführungsbeispiele Im folgenden möchte ich nicht alle Wehre im Einzugsgebiet erläutern. Stattdessen werde ich auf drei Wehre in der unteren Wupper detaillierter eingehen. Diese wurden bei Erhaltung des Wehres mittels rauen Rampen umgestaltet. Anschließend zeige ich noch ein ehemaliges Wehr, welches erst mit einer Rampe versehen werden sollte und nach einigen Besprechungen komplett entfernt werden konnte. Dies stellt eine Maßnahme dar mit höchster Priorität zur Herstellung der Durchgängigkeit.

46 40 Kapitel 7 AUSFÜHRUNGEN ENTLANG DER WUPPER Reuschenberger Mühle Bestand Die Wasserkraftanlage Reuschenberger Mühle ist die erste Wasserkraftanlage oberhalb der Mündung der Wupper in den Rhein und befindet sich in Leverkusen. Erbaut wurde diese Anlage Das alte ursprüngliche Wehr bestand aus einem gepflasterten Grundkörper mit einem quer zur Fließrichtung angeordneten Betonriegel. Etwa 80 m oberhalb des Wehres zweigt linksufrig ein ca. 1,2 km langer Oberwassergraben für die Kraftanlage Reuschenberger Mühle ab. Ein rund 800 m langer Untergraben führt die entnommene Wassermenge wieder zurück in die Wupper. Im Januar 1995 brach nach einem Hochwasserereignis die komplette rechte Hälfte des Wehres weg. Da die Wasserkraftanlage erst einige Jahre vorher modernisiert worden war, musste die Stauhaltung aufrecht erhalten werden. Als Übergangslösung wurde im Herbst 1995 ein provisorisches Wehr aus Drahtschotterkörben (Gabionen) errichtet. Umgestaltung Kilometrierung: Rampentyp: Rampe mit Steinschwellen, Teilrampe Rampenbauweise: Setzsteinbauweise Rampenhöhe: ca. 1,65 m Rampenbreite: ca. 20 m Rampenlänge: ca. 30 m Rampenneigung: 1:20 Baujahr: 1998 Der Wupperverband vereinbarte zusammen mit dem Besitzer der Anlage und der Stadt Leverkusen im Zuge der Sanierung das Wehr mit einer Fischaufstiegsanlage in naturnaher Bauweise zu erstellen. So konnte die Durchwanderbarkeit der Wupper erweitert werden. Man einigte sich schließlich darauf die linke Wehrhälfte zu erhalten und die rechte Wehrhälfte als eine für Fische und Kleinsttiere passierbare raue Rampe auszubilden. Ebenso sieht die Vereinbarung vor eine Mindestwassermenge von 1,6 m 3 /s für die Ausleitungsstrecke der Wupper zu stellen. Im oberen Bereich der Rampe wurden die Restbestandteile des Wehres abgetragen und durch gesetzte größere Blocksteine mit einer Kantenlänge von ca. l = 0,8 m ersetzt. Die Rampenhöhe von 1,65 m werden mittels 11 Querriegel mit einer Wasserspiegeldifferenz von h = 15 cm abgebaut (Abb. 7.3). Dadurch entstehen Becken mit einer Breite von etwa 3 m. Als Filterunterbau dient eine 50 cm

47 Kapitel 7.3 AUSFÜHRUNGSBEISPIELE 41 Abb. 7.2: Übersichtskarte Reuschenberger-Mühle, Quelle: Wupperverband starke Schicht aus Wasserbausteinen der Klasse II und eine 30 cm starke Schicht aus Schotter. Zur Sicherung der oberen Steine wurde eine Spundwand über die komplette Breite eingebracht. Am Rampenfuß befindet sich ein muldenförmiger Kolk, der mit einem Steinwurf gesichert ist. Da die Rampe durch den Höhenunterschied von h = 1,65 m und einer Neigung von 1:20 eine Länge von 30 m aufweist, konnte der Einstieg in die Rampe von Unterwasser her nicht direkt unterhalb des Wehres angeordnet werden. Die Fische wären sonst der Hauptströmung zum Wehr gefolgt. Aufgrunddessen wurde die Rampe um ca. 10 m in den Oberwasserbereich vorgezogen, um diesen Sackgasseneffekt zu verhindern. Erfahrungen Bisher sind keine Schäden am Bauwerk zu beobachten gewesen Schaltkotten/Müngsten Bestand Erbaut wurde das Wasserkraftwerk Schaltkotten in den Jahren In den folgenden Jahrzehnten wechselten die Eigentümer sowie die Nutzung dieser Anlage wurde das gesamte Wehr renoviert. Zehn Jahre später stellten die Besitzer des Wehres einen wasserrechtlichen Genehmigungsantrag zum Betrieb einer Wasser-

48 42 Kapitel 7 AUSFÜHRUNGEN ENTLANG DER WUPPER Abb. 7.3: Grundriss Teilrampe Reuschenberger-Mühle, Quelle: Wupperverband kraftanlage sowie zur Stauerhöhung am Wehr. Im Zuge dieses Genehmigungsverfahrens wurde von Seiten des Wupperverbandes der Bau einer Fischaufstiegsanlage gefordert. Ebenso stellte der Wupperverband die Forderung einen ausreichenden Abfluss in die Ausleitungsstrecke abzugeben. Diese Forderungen waren in dem Bewirtschaftungsplan der unteren Wupper festgeschrieben. Das schräg zur Flussachse angeordnete, betonierte Streichwehr hat eine Länge von etwas 45 m. Auf dieser Länge ist das Wehr in vier Felder unterteilt. Diese weisen Längen von ca m auf. Am linken Ufer schließt das Wehr unmittelbar an eine steil anstehende Felsböschung. An der rechten Seite verläuft ein 8 m breites Ausleitungsbauwerk. Von dem etwa 30 m langem Oberwasserkanal fließt das Wasser zur Wasserkraftanlage und durch einen ca. 12 m breiten Unterwasserkanal in die Ausleitungsstrecke. Umgestaltung Kilometrierung: Rampentyp: Teilrampe als Raugerinne-Beckenpass (Sonderform) Rampenbauweise: Setz-/Schüttsteinbauweise Rampenhöhe: ca. 2,65 m Rampenbreite: ca. 9 m

49 Kapitel 7.3 AUSFÜHRUNGSBEISPIELE 43 Abb. 7.4: Reuschenberger Mühle nach Umbau, Quelle: Wupperverband Rampenlänge: ca. 59 m Rampenneigung: 1:20 Baujahr: 1998 Die Rampe wurde so ausgelegt, dass bei Einhaltung des beantragten Stauzieles von 101,45 m+nn ein Mindestabfluss von 1,3 m 3 /s über die Rampe in die Ausleitungsstrecke geführt werden konnte. Die Teilrampe wurde in den spitzen Winkel zwischen Wehr und anstehender Felsböschung positioniert. Nur der Aufsatz des Wehres wurde in diesem Bereich entfernt. Der Wehrkörper an sich blieb erhalten. Einzelne, versetzt angeordnete große Blocksteine mit einer max. Kantenlänge von l = 1,3-1,6 m bilden die Tragkonstruktion dieser Rampe. Nur im Bereich der Wehrkrone wurden Wasserbausteine der Klasse II in Beton gesetzt und die Lücken mit Kies und Steinen aufgefüllt. Nach der Wehrkrone sind die Riegel in den Ram-

50 44 Kapitel 7 AUSFÜHRUNGEN ENTLANG DER WUPPER Abb. 7.5: Übersichtskarte Schaltkotten, Quelle: Wupperverband penkörper etwa zu 1/2 bis zu 2/3 eingebunden. Der Rampenkörper wurde als Steinschüttung aus einem Gemisch von Felsgestein und Wasserbausteinen hergestellt. Die cm starke Rampensohle besteht aus einem Gemisch von Wasserbausteinen und Grobkies. Die durch den Wehrkörper erzeugte Höhendifferenz von 2,65 m wird über 17 aufgelöste Querrriegel mit einem Höhenunterschied von h = 15 cm abgebaut. Um eine vielfältige Sohlstruktur zu erreichen, wurden die entstandenen Becken zwischen den Querriegeln mit einer Mischung aus Wasserbausteinen Klasse IV, Felsgestein und Grobkies aufgefüllt. Eine Nachbettsicherung von ca. 4 m dient der Verhinderung einer rückschreitenden Erosion und so der Stabilisierung der Rampe. Die seitliche Abtrennung von Rampenkörper zum Wehr wurde durch eine Wand aus mit Beton verbundenen Natursteinen bewerkstelligt. Zur Sicherung der Blocksteine und des geschütteten Rampenkörpers wurde an zwei Stellen jeweils eine Spundwand quer zur Fließrichtung eingebracht. Die unteren Steine wurden durch etwa 2,5 m lange Piloten gestützt.

51 Kapitel 7.3 AUSFÜHRUNGSBEISPIELE 45 Erfahrungen Abb. 7.6: Teilrampe Schaltkotten nach Umbau, Quelle: Wupperverband Heizkraftwerk Wuppertal-Barmen Bestand Das Wehr des Heizkraftwerkes Wuppertal-Barmen dient den Wuppertaler Stadtwerken (WSW) zur Entnahme von Kühlwasser bis zu einer Menge von 2,5 m 3 /s. Dazu wurde ein Entnahmewerk sowie ein Wehr mit einer einteiligen Stauklappe errichtet. Das Wehr besteht aus einer ca. 19 m langen Stahlbetonplatte, die ober- und unterwasserseitig durch Spundwände gesichert ist. Die Stauklappe ist einteilig und erstreckt sich über die gesamte Sohlbreite von etwa 26 m. Für Wartung und Reparaturen ist ein ca. 38 m langer Umgehungskanal am rechten Ufer vorhanden. Umgestaltung Kilometrierung:

52 46 Kapitel 7 AUSFÜHRUNGEN ENTLANG DER WUPPER Rampentyp: Teilrampe mit Blockschwellen Rampenbauweise: Setz-/Schüttsteinbauweise Rampenhöhe: ca. 1,00 m Rampenbreite: ca. 10,50 m Rampenlänge: ca. 20 m Rampenneigung: ca. 1:24 Baujahr: 1998/1999 Im Zuge einer neuen Beantragung zur Entnahme von Kühlwasser aus der Wupper im Jahr 1996 einigten sich die Wuppertaler Stadtwerke und der Wupperverband darauf das Wehr zu kürzen und eine Fischaufstiegsanlage zu integrieren. Der Fischaufstieg wurde in Form einer rauen Rampe mit Blockschwellen errichtet und auf der rechten Flussseite angeordnet. Dazu kürzte man die vorhandene Wehrklappe auf 15 m. Für den Bau der Fischrampe wurde die vorhandene Stahlbetonsohle aufgebrochen, um die Blocksteine der Riegel gründen zu können. Diese Riegel bestehen aus schlanken Blöcken mit Abmessungen von 0,6 x 0,6 x 1,0-1,6 m und wurden in der Mitte der Rampenbreite zu ca. 1/3 in Beton gesetzt. Steine mit Abmessungen von 0,6 x 0,5 x 0,8 m, die 20 cm über die Sohle ragen, bilden Riegelöffnungen mit einer Breite von etwa 60 cm. Um den Höhenunterschied abzubauen, positionierte man 6 Riegel, die jeweils einen Wasserspiegelunterschied von ca 17 cm überwinden, in die Rampe. Die Riegel wurden mäanderförmig angeordnet und erzeugen so größere und kleinere Becken. Damit wurde ein differenziertes Strömungsbild erschaffen. Im Mittel besitzen die Becken eine Länge, und somit die Riegel einen Abstand, von 4 m. Zwischen den Riegeln wurde eine ca. 10 cm starke Feinsandschicht und darauf eine wiederum ca. 10 cm starke Kiesschicht eingebracht. Letzlich wurde der Beckenbereich mit Sohlsubstrat aus der Wupper verfüllt. Die gesamte Sohlschicht weist eine Dicke bis zu 50 cm auf, so dass sich im Laufe der Zeit kleinere Kolke und Anlandungen entwickeln können bzw. konnten, um so ein naturnahes Gerinne zu bilden. Zur Sicherung der Rampe wurde ober- und unterwasserseitig eine Spundwand in den Boden gerammt. Zur Trennung zwischen Wehr und Rampe wurde ein Stahlbetonwand eingebaut. Zusätzlich dient diese als neues Widerlager der Klappe. Um ein Einschwimmen der Fische in den Bereich direkt unterhalb der Stauklappe zu vermeiden, wurde im Unterwasser ein Riegel aus Blocksteinen verlegt. Im Oberwasser ordnete man s-förmig Blocksteine an, um so die Auffindbarkeit im Falle eines Abstiegs zu erhöhen. Erfahrungen

53 Kapitel 7.3 AUSFÜHRUNGSBEISPIELE 47 Abb. 7.7: HKW-Barmen: Rampe während des Umbaus, Quelle: Wupperverband Oedeschlenke Bestand Das Wehr Oedeschlenke lag mit 67,905 Fluss-km zwischen der Wuppertal-Sperre und dem Stausee Beyenburg und war Eigentum des Wupperverbandes. Über eine Breite von 47,80 m war durch dieses Querbauwerk ein relativer Höhenunterschied von etwa 2,20 m entstanden. Linksufrig ging ein Obergraben ab, der der Speisung von Fischteichen diente. 1.Planung Seit 1990 war es dem Wupperverband ein Anliegen die Durchgängigkeit bei dem Wehr Oedeschlenke einzuführen. Lange Zeit bestand die Idee den Obergraben als Umgehungsgerinne auszubilden. Dazu wollte man ca. 50 m des Grabens abtrennen. Der obere Teil sollte so als Verbindungsgerinne wirken und der untere Teil weiter-

54 48 Kapitel 7 AUSFÜHRUNGEN ENTLANG DER WUPPER Abb. 7.8: HKW-Barmen: Rampe nach Umbau, Quelle: Wupperverband hin als Obergraben für die Fischzucht wirken. Dieser wäre mittels eines Rohres, ø 800 mm und linksufrig angeordnet, von dem Fluss durch das Gerinne gespeist worden. Das Umgehungsgerinne wäre als Blocksteinrampe mit 12 Querriegeln ausgebildet worden, die den Höhenunterschied mit Staustufen von cm Höhe abbauen sollten. Im Mittel hätte sich ein Gefälle von etwa 1:17 ergeben. Eine Steinschüttung sollte als Unterschicht dienen. Ein bestehender Schütz zu Beginn der geplante Rampe wäre teilweise entfernt und Grobkies angeschüttet worden. Um die Auffindbarkeit für die Fische zu erhöhen, wollte man eine Rohrleitung an das rechte Ufer der Rampe verlegen. 2.Planung

55 Kapitel 7.3 AUSFÜHRUNGSBEISPIELE 49 Abb. 7.9: Oedeschlenke: Wehr und Obergraben, Quelle: Wupperverband Aus der 1.Planung heraus entwickelte sich schließlich der Gedanke die Rampe wie zuvor zu erstellen. Mit dem einzigen Unterschied an der rechten Seite der Rampe eine in Schotter liegende Rinne zu bilden. 3.Planung Im Sommer 1997 entschied man sich kurzfristig das wupperverbandseigene Wehr Oedeschlenke durchgängig mit einem Fischaufstieg zu versehen. Dazu eignete sich aus einer naheliegenden Straßenbaumaßnahme entstandenes Felsgestein. Dieses sollte an das rechte Ufer des Wehres auf einer Breite von etwa 12 m angeschüttet werden. Ziel war es eine raue Rampe mit einer Neigung von 1:20 zu erstellen. Jedoch stellte sich heraus, dass von den vorrausgesagten t nur 100 m 3 einbaufähig waren. Somit konnte dieses Vorhaben nicht weiter ausgeführt werden. 4.Planung Nach diversen Gesprächen mit Behörden und dem Bergischen Fischereiverein stand 1998 schließlich die Idee im Raum eine Rampe mit Querriegeln auszuführen. Da-

56 50 Kapitel 7 AUSFÜHRUNGEN ENTLANG DER WUPPER Abb. 7.10: Oedeschlenke: Grundriss 1.Planung, Quelle: Wupperverband zu wollte man zuvor das Wehr bis auf den festen Stein-/Betonaufbau absenken. Also sollte die vorhandene Stahlklappe am rechten Ufer zunächst auf einer Breite von ca. 12 m entfernt werden. Der durch die entstehende Wasserspiegelabsenkung entstandene Zustand wäre nach ca. 1 Woche begutachtet worden, um zu entscheiden, ob aus landschaftsökologischen und hydraulischen Aspekten eine weitere Absenkung möglich wäre. Da die Rampe gleich ausgeführt worden wäre, hätte dies unterschiedliche Rampenlängen zur Folge gehabt. Die Rampe sollte so gestaltet werden, dass die Abflussverhältnisse mit Hilfe von größeren Steinen (l = 1,30-1,60 m) passierbar geworden wäre. Dazu hätte man diese Steine in Form von Querriegeln versetzt angeordnet. Um die Grenzgeschwindigkeiten einzuhalten, wäre ein Höhenunterschied zwischen den Becken mit jeweils h = 0,2 m gewählt worden. Ausführung Alle Varianten mit Umgehungsgerinnen und rauen Rampen scheiterten immer wieder an finanziellen Mitteln oder aus fischereilichen sowie ökologischen Aspekten. Bei einem Ortstermin im September 1998 stellte der Wupperverband eine schon mal angedachte Beseitung des Wehres vor. Im Rahmen der Gewässerunterhaltung sollte nun eine schrittweise Absenkung der rund 2,20 m hohen Stauhaltung

57 Kapitel 7.3 AUSFÜHRUNGSBEISPIELE 51 Abb. 7.11: Oedeschlenke: Längsschnitt durch Rampe, Quelle: Wupperverband Abb. 7.12: Oedeschlenke: Querschnitt 1.Planung, Quelle: Wupperverband vorgenommen werden. Eine zuvor in Auftrag gegebene Studie ergab, dass dieses Wehr keiner weiteren Nutzung diente. Eine wirtschaftliche Stromerzeugung mittels eines Kraftwerkes wäre durch zu wenig zur Verfügung stehendes Wasser nicht sinnvoll. Nach der Genehmigung durch die Untere Wasser- sowie Landschaftsbehörde begann man im Dezember 98 zumindest die Stahlklappe zu entfernen. Weitere Schleifungen folgten im Mai 99 und im November 99. Die jeweils um cm abgesenkten Staubereiche konnten so in den Monaten dazwischen austrocknen und vegetationsreiche Uferbereiche bilden. Das aus dem Wehr gebrochene Material wurde, so lange es einbaufähig war, über die komplette Flussbreite in die Sohle verteilt und sollte damit ein vielfältiges Sohlensubstrat darstellen. So entstand ein komplett durchgängiges Fließgewässer.

58 52 Kapitel 7 AUSFÜHRUNGEN ENTLANG DER WUPPER Abb. 7.13: Oedeschlenke: Querschnitt 2.Planung, Quelle: Wupperverband Abb. 7.14: Oedeschlenke: Schleifung des Wehres, Quelle: Wupperverband

59 Kapitel 7.3 AUSFÜHRUNGSBEISPIELE 53 Abb. 7.15: Oedeschlenke: fortgeschrittene Schleifung, Quelle: Wupperverband

60 54 Kapitel 7 AUSFÜHRUNGEN ENTLANG DER WUPPER

61 8 Evaluierung einer ausgeführten Sohlengleite 8.1 Der Bestand: Das Sprotte-Wehr Das Sprotte-Wehr lag oberhalb des Ortes Nöbdenitz in Thüringen und überwand eine Absturzhöhe von etwa 3 m. Dieser Höhenunterschied wurde in zwei Stufen abgebaut. Zuerst floss das Wasser über eine Art Schwelle bzw. Stufe etwa 1 m tief. Kurz darauf erfolgte der zweite Absturz. Dieser wies einen Höhenunterschied von ca. 2 m auf. Die Wehrkrone betrug eine Breite von 8,50 m. Oberhalb des Wehres ging rechtsseitig ein Mühlengraben ab, der einige in der Nähe liegenden Teiche speiste. 8.2 Die Umgestaltung: Sohlengleite Die Umgestaltung des Wehres in eine raue Rampe wurde 2003 in Auftrag gegeben. Aufgrund der Ausleitung in den Mühlengraben musste die Oberkante der Rampe gleich der Oberkante des Wehres sein, um so den Abfluss in die Teiche nicht gravierend zu verändern. Da auch die seitlichen Befestigungen des Wehres nicht entfernt werden sollten, ergab sich eine Rampenbreite von B R = Wehrbreite = 8,50 m. Geplant und ausgeführt wurde eine Sohlengleite mit einem Gefälle von 1:23 in aufgelöster Bauweise. Der Höhenunterschied von 3 m wurde somit mittels 20 Steinriegel mit einer Wasserspiegeldifferenz von jeweils h = 0,15 m abgebaut. Die mittleren Riegelabstände liegen etwa bei 3,50 m. Die Rampenlänge ergibt sich aus dem Gefälle zu L R = 23 3, 0 70 m. Für die Abführung von Niedrigwasserabflüssen wurde eine erforderliche Öffnungsbreite von b Riegel,erforderlich = 0,24 m errechnet. Zur Sicherung der Steine und der Sohle wurden die Steine an der Rampenkrone und am Rampenfuß in Beton gesetzt. 55

62 56 Kapitel 8 EVALUIERUNG EINER AUSGEFÜHRTEN SOHLENGLEITE Abb. 8.1: Das Sprotte-Wehr, Quelle: BCE 8.3 Bewertung der Sohlengleite Die erforderlichen Berechnungen wurden von dem Ingenieurbüro Björnsen Beratende Ingenieure Erfurt GmbH (BCE) mit Hilfe der Veröffentlichung der Landesanstalt für Umweltschutz (LfU) Baden-Württemberg Anlagen zur Herstellung der Durchgängigkeit von Fließgewässern - Raue Rampen und Verbindungsgewässer durchgeführt. Der Entwurf der Rampe bzw. die Festlegungen, die die Rampe betreffen, wurden von einem Ingenieurbüro für Planung und Umwelt (IPU) erstellt. Im folgenden zeige ich auf, inwieweit die Rampe die Bedingungen laut des DVWK- Merkblattes 232/1996 und der LfU-Veröffentlichung erfüllen: Bei einer Umgestaltung von Wehren in Rampen wird empfohlen die Rampe mit einem Gefälle < 1:20 auszubilden. Das gewählte Gefälle liegt bei I = 1:23 und erfüllt diesen Punkt.

63 Kapitel 8.3 BEWERTUNG DER SOHLENGLEITE 57 Abb. 8.2: Rampe von UW betrachtet, Quelle: BCE Der Höhenunterschied, der pro Querriegel überwunden wird, wurde zu h = 0,15 m gewählt und genügt der Forderung nach einem h < 0,20 m. Aus der Begrenzung des Höhenunterschiedes ergibt sich auch die Begrenzung der Fließgeschwindigkeit. Die in einer Fischaufstiegsanlage maximal zulässige Fließgeschwindigkeit beträgt somit v max = 2,0 m/s. Laut den aufgestellten Berechnungen (s. Anhang 1) kann sich in der Rampe eine Grenzgeschwindigkeit von v = 1,72 m/s einstellen. Der mittlere Riegelabstand Abstand Riegel Bereich von 3,0-5,0 m. = 3,50 m liegt im empfohlenen Die mittlere Wassertiefe in den Becken sollte auch bei Niedrigabflüssen immer eine Höhe von h = 0,30 bis 0,40 m aufweisen. Mit diesem Hintergrund wurden die Berechnungen mit einer Höhe von h = (y B ) = 0,35 m durchgeführt (s. Anhang 1).

64 58 Kapitel 8 EVALUIERUNG EINER AUSGEFÜHRTEN SOHLENGLEITE Die nun bestehende Riegelrampe weist eine Breite von 8,50 m, ein Gefälle von 1:23 und eine Rampenhöhe von 3 m auf. Im Regelfall werden Rampen in aufgelöster Bauweise für Bauwerke mit einer Breite > 5 m und ein Gefälle ab 1:15 und flacher eingesetzt. Dies ist auch in diesem Fall erfüllt. Jedoch wird eine Riegelrampe eher bei Rampenhöhen < 1,50 m verwendet. Diese Rampe in der Sprotte weist jedoch die doppelte Höhe auf. In den Unterlagen der LfU wird in solchen Fällen eine Aufteilung der Rampe in mehrere kleinere Rampen befürwortet. Ausgeführt wurde die Rampe aber als eine komplette ca. 70 m lange Rampe. Da durch die Einhaltung der Rampenkronenhöhe die Absturzhöhe von 3,0 m nicht verringert werden kann, hätte man in diesem Fall vielleicht 3 kleinere Rampen hintereinander bauen sollen. Jede dieser Rampen hätte damit einen Höhenunterschied von nur 1 m überwunden und so jeweils eine Länge von etwa 23 m aufgewiesen. Andere Festlegungen könnten beibehalten werden. In diesem Zusammenhang wäre zu klären wie wirtschaftlich so eine Form der Ausführung im Gegensatz zur vorherigen geworden wäre. In Abbildung 8.4 ist die Ausbildung der Böschung zu erkennen. In diesem Bereich könnte ein extremer Hochwasserabfluss zu Schäden im Bereich der Böschung führen.

65 Kapitel 8.3 BEWERTUNG DER SOHLENGLEITE 59 Abb. 8.3: Beckenstruktur, Quelle: BCE

66 60 Kapitel 8 EVALUIERUNG EINER AUSGEFÜHRTEN SOHLENGLEITE Abb. 8.4: Rampe von UW, Böschungsausbildung, Quelle: BCE

67 9 Bemessung einer rauen Rampe in der Pockau 9.1 Die Pockau Die Pockau ist ein etwa 33 km langer Fluss im Bundesland Sachsen. Er entspringt südlich von Satzung ca. 890 m ü. NN und mündet in der gleichnamigen Stadt Pockau in den Fluss Flöha. Das Einzugsgebiet der Pockau beträgt 133 km 2. Bis Kühnheide bildet sie auf einer Länge von 13 km die Grenze zwischen Sachsen und Böhmen. Da dunkles Wasser aus umliegenden Mooren in die Pockau fliesst, wird sie auch schwarze Pockau genannt. Auf der restlichen Strecke fliessen der Pockau noch einige Bäche zu, bevor sie schließlich in die Flöha mündet. 9.2 Zweck und Notwendigkeit Nach einem Hochwasserereignis wurde eine bestehende Sohlenstufe komplett zerstört. Diese soll jetzt jedoch nicht erneuert werden, sondern ist im Sinne der ökologischen Durchgängigkeit als eine raue Rampe auszubilden, um so das Gewässerbett wieder herzustellen. 9.3 Dimensionierung und Annahmen Ebenso wie das Ingenieurbüro Björnsen Beratende Ingenieure Erfurt GmbH wähle ich als Ausführungsform eine raue Rampe mit Steinschwellen. Diese soll ein Gefälle im Bereich von etwa 1:20 = 5% betragen. Bei einer zu überwindenden Höhe von h R = 0,85 m ergibt sich somit eine Rampenlänge von etwa L R = 20 0,85 = 17 m. Um einen, laut der Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg, Mindestabstand bei einzelnen Querriegeln von 3-5 m einzuhalten, entschied ich mich 5 Becken anzuordnen. Diese haben im Fall der Pockau eine mittlere Beckenlänge von l = 17/5 = 3,4 m. Mit 6 Riegeln kann die Rampenhöhe mit jeweils einem Wasserspiegelunterschied von h = 0,85/6 = 0,14 m abgebaut 61

68 62 Kapitel 9 BEMESSUNG EINER RAUEN RAMPE IN DER POCKAU werden. Somit wird ebenfalls die Bedingung erfüllt einen Höhenunterschied von h 0,20 m nicht zu überschreiten. Die maximale Fließgeschwindigkeit beträgt v max = 2g h = 2 9, 81 0, 14 = 1,66 m/s. Die Grenzgeschwindigkeit von v = 2,0 m/s wird eingehalten. Im Falle der Pockau herrschen relativ geringe Abflüsse. Aufgrund dessen setze ich in die Lücken der Querriegel flachere Steine als Schwellen, um so bei geringen Abflüssen ein erhöhten Aufstau und eine größere Wassertiefe zu bewirken. Als Überstand sollen w = 20 cm reichen. Das hydraulische Verhalten in solchen Schwellen gleicht einem Überfall über ein festes Wehr. In diesem Fall setze ich als Überfallbeiwert µ 0,6 an. Dies ist ein Wert, der laut DVWK sowohl für breite scharfkantige sowie für abgerundete Steine angenommen werden kann. Die folgenden Berechnungen werden mit einem Steindurchmesser d s = 0,6 m durchgeführt. Bei der Festlegung der Bemessungsabflüsse gibt es keine festen Vorgaben wie dabei vorzugehen ist. Die Bestimmung des maßgebenden Bemessungsabflusses ist die größte Schwierigkeit bei der Bemessung einer Rampe. Aus diesem Grund orientiere ich mich dabei an einem Beispiel aus der Praxis. Daraus ergab sich, dass ich als Q max den geschätzten MNQ-Wert des Ingenieurbüros Björnsen Beratende Ingenieure Erfurt GmbH von 1,47 m 3 /s übernahm und als Q min ungefähr ein Drittel dieses Wertes ansetzte ( Q min = 1 3 Q max 0, 50 m 3 /s ). 9.4 Hydraulische Berechnung Die nachfolgend hydraulischen Berechnungen orientieren sich an dem DVWK- Merkblatt Fischaufstiegsanlagen 232/1996. Eingangsdaten Minimalabfluss: Q min = 0,50 m 3 /s Maximalabfluss: Q max = 1,47 m 3 /s Wasserspiegelgefälle: I = 5,00 % = 1:20 Abstand der Riegel: l = 3,40 m Überfallbeiwert: µ = 0,60 Überstand der Sohlschwellen: w = 0,20 m (angenommen) Steindurchmesser: d s = 0,60 m (gewählt) mind. Wassertiefe in Becken: h min = 0,40 m Wasserspiegeldifferenz: h = 0,14 m < 0,2 m max. Fließgeschwindigkeit: v max = 1,66 m/s < 2,0 m/s Berechnete Werte

69 Kapitel 9.4 HYDRAULISCHE BERECHNUNG 63 Abb. 9.1: Prinzipskizze für die Berechnung mit Steinschwellen, Quelle: DVWK 232/1996 Für die Berechnung der erforderlichen Breite der Durchlassöffnungen, also der Länge der überströmten Schwellen, ist im Falle der Vorbemessung die Poleni- Formel ausreichend: Q = 2 3 µ σ b s 2g h 3/2 u mit Q = Q min µ = 0,6 g = 9,81 m/s 2 h u = h + h = h min - w + h = 0,40-0,2 + 0,14 = 0,34 m σ = 1,0 (rückstaufreier Abfluss) Der Abminderungsfaktor σ ist abhängig von dem Verhältnis h/h u = 0,20/0,34 = 0,59 und kann aus Abbildung 9.2 entnommen werden. Durch Umformen der Poleni-Formel nach b s und Einsetzen der Werte, ergibt sich eine erforderliche Breite der Öffnung von b s = Q min 2 µ σ 2g h 3/2 3 u 0, 50 = 2 0, 6 1, 0 = 1, 42 m 2 9, 81 0, /2