Die Antrift-Talsperre

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1 Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft Fachgebiet Wasserbau und Hydraulik Leiter: Prof. Dr.-Ing. habil. Boris Lehmann Die Antrift-Talsperre - Exkursionsbericht - Kurs Wasserbau II Wintersemester 2015/2016 Oberwasser der Antrift-Talsperre bei der Ortsbegehung am Bearbeitung: Bueti, René Fischer, Andreas Hein, Daniel Martin, Johannes Ott, Johanna Schmitt, Benedikt Schwarz, Maximilian Darmstadt, den

2 Der vorliegende Exkursionsbericht wurde im Rahmen des Kurses Wasserbau II im Wintersemester 2015/2016 selbstständig durch die Studierenden verfasst. Ziel des Berichtes ist es, einen guten Überblick über das besichtigte Exkursionsziel zu vermitteln und dabei die besichtigte Anlage und deren Komponenten und Funktionen zu dokumentieren und zu erläutern. Die dazu verwendeten Fotos, Abbildungen, Zeichnungen und Skizzen wurden von den Autoren selber erstellt oder unter Angabe der Quellen aus der Fachliteratur, dem Internet oder anderen öffentlichen Medien entnommen. Technische Universität Darmstadt Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften Institut für Wasserwirtschaft und Wasserbau Fachgebiet Wasserbau und Hydraulik Franziska-Braun-Str. 7, Gebäude L5/ Darmstadt Telefon: +49(0)6151/ Telefax: +49(0)6151/

3 i Inhalt 1. Einleitung und Hintergründe... 1 Kurze Erläuterung des Besichtigungspunktes... 1 Wasserwirtschaftliche Anforderungen... 2 Weitere Anforderungen Grundlagen... 4 Komponenten und Funktionsmerkmale... 4 Erläuterung des Funktionsablaufes und Betriebs... 8 Nutzung von Wasserkraft... 9 Bemessung Dokumentation Allgemeines Staubecken Ablauf und Hochwasserüberlauf Absperrbauwerk Wasserkraft Erfahrungen Was hat der Betrieb bislang ergeben? Welche Erfahrungen sollten bei zukünftigen Anlagen/ Einrichtungen dieser Art berücksichtigt werden? Persönliches Conclusio Anhang... I Abbildungsverzeichnis... I Abkürzungsverzeichnis... II Literaturverzeichnis... III

4 1 1. Einleitung und Hintergründe Im Rahmen des Moduls Wasserbau II im Wintersemester 2015/2016 an der Technischen Universität Darmstadt wurde am 17. Dezember 2015 eine Exkursion durchgeführt, zu deren Zielen die Antrift-Talsperre des Wasserverbandes Schwalm zählte. In der vorliegenden Ausarbeitung werden die wesentlichen Funktionen und Bestandteile der Talsperre erläutert. Kurze Erläuterung des Besichtigungspunktes Die Antrift-Talsperre liegt zwischen den Ortschaften Angenrod und Seibelsdorf im Vogelsbergkreis in Mittelhessen (siehe Abbildung 1). Sie ist eines von 3 Hochwasserrückhaltebecken im Einzugsbereich der Schwalm und wurde in den Jahren von 1971 bis 1984 für 23,5 Mio. DM errichtet. 1 Ein Großteil des aufgestauten Wassers befindet sich auf Gemarkung der Gemeinde Alsfeld, während der übrige Bereich auf Gemarkung der Gemeinde Antrifttal liegt Exkursionsvortrag

5 2 Abbildung 1: Gebietsübersichtskarte 4 Wasserwirtschaftliche Anforderungen Die Talsperre hat ein Einzugsgebiet von 62 km 2, wobei sie hauptsächlich dem Hochwasserschutz an der unteren Antreff und der Schwalm dient. Dabei wird im Falle eines Hochwassers das Wasser teilweise in der Sperre gestaut um später seinen regulierten Abfluss zu ermöglichen. Die Antrift-Talsperre verfügt zu diesem Zweck über einen Damm mit 550 m Länge, einer Höhe von bis zu 18 m und einer Basisbreite von 130 m. Mit dessen Hilfe können im Sommer 1,6 Millionen m 3 Wasser zurückgehalten werden, im Winter sogar 2,1 Millionen m 3. Bei Überschreitung des Hochwasserschutzraumes wird die Hochwasserentlastung durch einen 15 m breiten Kelchabfluss ermöglicht. Insgesamt steht eine Staufläche von 49 ha zur Verfügung ,3984m/data=!3m1!1e3!4m2!3m1!1s0x47bcbd81d1f69cd3:0xa58f7adbd4d97bfc, Exkursionsvortrag

6 3 Weitere Anforderungen Beim Bau der Talsperre war ebenso vorgesehen, diese und ihre nähere Umgebung für Freizeit- Aktivitäten nutzbar zu machen, was jedoch nie erfolgreich umgesetzt werden konnte. Grund dafür ist vor allem der hohe basische ph-wert von durch die hohe Eutrophierung infolge intensiver Landwirtschaft, die ein Badeverbot zur Folge hatte. Das Erreichen des Status eines Badesees unterliegt den Richtlinien der EU und ist aufgrund der nach wie vor geringen Sichttiefe und schlechten Wasserqualität in weiter Ferne. 6

7 4 2. Grundlagen Komponenten und Funktionsmerkmale Talsperren sind Mehrzweckanlagen, die sich durch eine vielfältige Nutzungsweise auszeichnen. Zwei Drittel aller großen Stauanlagen in Deutschland erfüllen mehr als einen Zweck 7. Zu diesen Zweckbestimmungen nennt das Deutsche Talsperren Komitee (DTK) unter anderem: Hochwasserschutz, Rohwasser zur Trinkwassergewinnung, Bewässerung, Niedrigwasseraufhöhung für Trockenperioden, Wasserkraft, Bereitstellung von Kühlwasser für thermische Kraftwerke, Zuschuss für künstliche und natürliche Schifffahrtswege, Freizeit und Erholung sowie Tourismus 8. Bei 46,6 % aller großen Stauanlagen Deutschlands ist der Hochwasserschutz das primäre Ziel, bei 21,3 % die Trinkwasserversorgung 9. Ob die aufgezählten Bestimmungen bei einem Bauwerk umgesetzt werden können, hängt von dem zu erfüllenden Zweck und weiteren Standortfaktoren ab. Zu diesen zählen hydrologische Daten und die Topographie des entsprechenden Stauraumes 10. Je nach Zweckfestlegung und Standortfaktoren gibt es unterschiedliche Stauanlagenbauweisen, die sich durch verschiedene Absperrbauwerke auszeichnen. Grundsätzlich wird hierbei zwischen Staumauern und Staudämmen unterschieden. Letztere bilden 73 % aller umgesetzten Absperrbauwerkstypen 11. Von diesen sind ein Drittel als Steinschütt- und zwei Drittel als Erdschüttdämme gebaut worden. Die am häufigsten umgesetzte Bauform für große Stauanlagen in Deutschland ist der Erdschüttdamm mit homogenem Dammquerschnitt. Die Einteilung in verschiedene Bauweisen kann Abbildung 2 entnommen werden. 7 Talsperren in Deutschland, S. 39 Bild 3 8 Talsperren in Deutschland, S. 2 9 Talsperren in Deutschland, S. 39 Bild 2 10 Talsperren in Deutschland, S Talsperren in Deutschland, S. 41 Bild 5

8 5 Abbildung 2 Systematik der Stauanlagenbauweisen (Deutsches Talsperren Komitee e.v., 2013) Die International Commission on Large Dams, (ICOLD), der weltweite Dachverband nationaler Talsperren-Fachverbände und das DTK haben Richtlinien für die Klassifizierung großer Stauanlagen aufgestellt. Nach diesen muss eine große Stauanlage von der Gründung bis zur Krone mindestens 15 m hoch sein und/oder das Gesamtstauraumvolumen mindestens 1 Mio. m 3 betragen. Die größten deutschen Erdschüttdämme erreichen Höhen von bis zu 77,2 m (Rurtalsperre Schwammenauel NW61, Erd- und Steinschüttdamm) und Kronenlängen von bis zu m (Talsperre Altmühlsee BY01) 12. Das Speichervolumen der Rurtalsperre beträgt dabei 202,6 Mio. m Abbildung 3 ermöglicht einen Überblick über die Bauwerkshöhe aller Stauwehre, Staumauern und Staudämme Deutschlands und zeigt, dass am häufigsten Bauwerkshöhen zwischen 3 m und 30 m vorkommen, was typisch für Hochwasserrückhaltebecken ist Talsperren in Deutschland, S Talsperren in Deutschland, S 5

9 6 Abbildung 3 Verteilung der Absperrbauwerkshöhe über Gründungssohle (Deutsches Talsperren Komitee e.v., 2013) Bei Abdichtungen von Staubauwerken wird zwischen Innen- und Außendichtungen unterschieden. Verschiedene Gestaltungsformen der Dammdichtungen sind in Abbildung 4 dargestellt.

10 7 Abbildung 4 Gestaltung der Dammquerschnitte (Deutsches Talsperren Komitee e.v., 2013) Neben dem Dichtungskern oder der Oberflächendichtung übernimmt auch der undurchlässige Bodenaushub eines Erdschüttdamms neben der Stützfunktion eine Dichtefunktion 15. Hierbei sollten kohäsive Böden, wie Lehm oder Ton, mit einem geringen Durchlässigkeitsbeiwert k f verbaut werden. Aufgrund ihrer geringen Scherfestigkeit lassen sich diese Böden nur zu flach geneigten Dammböschungen verbauen. Diese nehmen Neigungswerte zwischen 1:2,5 und 1:1,5 an 14. Durch diese Begrenzung und eine möglicherweise eingeschränkte Verfügbarkeit kohäsiver Böden am Standort können aus wirtschaftlicher Sicht in Deutschland nur homogene Dämme bis etwa 20 m Höhe gebaut werden. Bedingt durch die Schüttung solcher Dämme und den Verdichtungsprozess ist eine höhere horizontale, als vertikale Durchlässigkeit gegeben. Die horizontale Durchlässigkeit kann durch obig abgebildete Dichtungskerne verringert werden. 15 Talsperren in Deutschland, S 6

11 8 Erläuterung des Funktionsablaufes und Betriebs Talsperren haben mehrere Funktionen, die gesteuert werden können. Ihre Hauptzwecke sind die Energieerzeugung, die Trinkwasserversorgung, der Hochwasserschutz oder die Niedrigwasseraufhöhung (beispielsweise zur Schiffbarmachung). Zur Umsetzung dieser Zwecke ist eine Steuerung der Talsperren nötig, um im Falle eines Hochwassers genügend Stauvolumen zur Verfügung zu stellen, die Elektrizität dann zu erzeugen, wenn sie benötigt wird oder den Wasserstand bei Trockenheit so zu steuern, dass die Flüsse nicht austrocknen. Die Steuerung orientiert sich an den Stauzielen, die jahreszeitlich sowie nach Nutzung (Freizeitnutzung, Niedrigwasseraufhöhung) variieren können 16. Im Falle einer Hochwasserwarnung oder wenn Tauwetter vorausgesagt wird, wird Wasser aus der Talsperre abgegeben und der Wasserspiegel sinkt. Die gezielte Wasserabgabe vor einem Starkregen oder vor Tauwetter wird Vorentlastung genannt. Hierbei wird nur so viel Wasser abgegeben, wie im Unterlauf schadensfrei abgeführt werden kann. Bei einsetzendem Starkniederschlag wird so zunächst der vorentlastete Betriebsraum wieder mit Wasser gefüllt. Erst, wenn der Betriebsraum wieder gefüllt ist, wird der gewöhnliche Hochwasserrückhalteraum eingestaut. In diesem Fall kann die komplette Hochwasserwelle von der Talsperre aufgenommen werden und die Anwohner unterhalb der Talsperre bleiben von Hochwasser verschont. Nachdem die Hochwasserwelle abgeklungen ist, wird der Hochwasserrückhalteraum wieder entleert. 17 Auch im Falle von extremen Niederschlägen oder extremem Tauwetter wird die Talsperre vorentlastet. Für den Fall, dass die Zuflüsse zur Talsperre auf Grund der extremen Niederschläge so groß sind, dass der vorentlastete Betriebsraum und der Hochwasserrückhalteraum nicht ausreichen, muss das überschüssige Wasser über die dafür vorgesehene Hochwasserentlastungsanlage abgegeben werden. Dadurch füllt sich auch der außergewöhnliche Hochwasserrückhalteraum und die Talsperre läuft über. Das Überlaufen der Talsperre passiert hierbei jedoch nicht unkontrolliert. Bis zu einem gewissen Grad kann über die Grundablässe gesteuert werden, wie viel Wasser in den Unterlauf fließt. Trotz des Überlaufens lässt sich der Hochwasserscheitel somit reduzieren. Den- 16 Gewässerkundlicher Jahresbericht

12 9 noch kommt es im Unterlauf zu Überschwemmungen, die jedoch geringer ausfallen als ohne Talsperre. Außerdem wird mit einer Talsperre die Vorwarnzeit verlängert. 18 Nach Abklingen der Hochwasserwelle wird der Hochwasserrückhalteraum entleert und der Normalbetrieb wiederaufgenommen. Nutzung von Wasserkraft Die Wasserkraft ist eine der ältesten Energiequellen des Menschen. Früher wurden durch die Energie des Wassers mit Hilfe von Wasserrädern Mühlen, Sägewerke oder Schmiedehämmer angetrieben. Heute wird die Energie des Wassers fast ausschließlich zur elektrischen Stromerzeugung genutzt. Hierfür werden Turbinen in Wasserkraftwerken eingesetzt. Abhängig von der Betriebsweise des Wasserkraftwerks wird zwischen Laufwasser-, Speicher- und Pumpspeicherkraftwerken unterschieden. 19 Bei Laufwasserkraftwerken sind der Zufluss oberhalb des Staudammes und der Abfluss unterhalb des Kraftwerks gleich. Es wird folglich kein Wasser gespeichert. Laufwasserkraftwerke tragen zur Grundlastenergiedeckung bei und nutzen dazu den über den Tag verteilt zur Verfügung stehenden Abfluss. Durch die konstante Stromerzeugung erreichen diese Anlagen eine sehr hohe Ausnutzungsdauer. Im Gegensatz zu den Laufwasserkraftwerken stauen die Speicherkraftwerke das Wasser auf und halten es eine gewisse Zeit zurück. Speicherkraftwerke haben einen natürlichen Zufluss, der durch eine Stauanlage aufgestaut wird. Mit Hilfe von Speicherkraftwerken ist es möglich den Strombedarf zur Spitzenlastabdeckung zu nutzen indem zu Zeiten höheren Strombedarfs mehr Wasser aus dem Speicher heraus über die Turbine geleitet wird. Bedingt durch ihre Betriebsweise besitzen Speicherkraftwerke eine geringere Ausnutzungsdauer als Laufwasserkraftwerke. Eine Sonderform der Speicherkraftwerke stellen die Pumpspeicherkraftwerke dar. Sie besitzen zwei Becken, ein Ober- und ein Unterbecken, und werden für die Spitzenlastabdeckung genutzt. Bei Strombedarfsspitzen wird Wasser aus dem Oberbecken abgelassen, über die Turbine geführt und somit Strom erzeugt. In Zeiten eines geringen Strombedarfs wird die überschüssige Energie (z.b. aus Laufwasserkraftanlagen oder aus Windkraft- oder Solaranlagen) genutzt, um wieder Wasser in das Talsperren in Deutschland, S. 45

13 10 Oberbecken zu pumpen. Der extreme Spitzenlastbetrieb führt bei Pumpspeicherkraftwerken zu geringen Ausnutzungsdauern. Bemessung Die DIN ist eine deutsche Norm, die im Juli 2004 mit den Teilen 10 bis 15 veröffentlicht wurde. Sie beschäftigt sich mit Stauanlagen. Der Bereich der Talsperren ist in der DIN Teil 11 enthalten. Teil 10 beschäftigt sich mit allgemeinen Festlegungen, die für alle folgenden Teile gelten, Teil 12 mit Hochwasserrückhaltebecken, Teil 13 mit Staustufen, Teil 14 mit Pumpspeicherbecken und Teil 15 mit Sedimentationsbecken. Für die Planung, den Bau, den Betrieb und die Überwachung von Talsperren sind die DIN und die DIN relevant. Die DIN teilt Talsperren abhängig von ihrer Geometrie in zwei Klassen ein. Die Talsperrenklasse 1 umfasst große Talsperren mit einer Höhe des Absperrbauwerks von mehr als 15 m und einem Gesamtstauraumvolumen von mehr als 1 Mio. m 3. Mittlere und kleine Talsperren werden in der Talsperrenklasse 2 zusammengefasst. Hierzu zählen alle Talsperren, die die Anforderungen der Talsperrenklasse 1 nicht erfüllen. Für die Bemessung von Talsperren sind die hydrologischen Bestimmungsgrößen entscheidend, da hieraus die Bemessungsgrößen für die bauliche, hydraulische und wasserwirtschaftliche Bemessung der Talsperren abgeleitet werden. 20 Die wesentliche Grundlage für die Bemessung der Hochwasserentlastungsanlagen und der Rückhalteräume ist das Bemessungshochwasser 21. Wichtige Bemessungswerte für Talsperren sind die Hochwassersicherheit und die Bemessung der Stauräume und deren Stauzielfestlegung. Die Nachweise der Hochwassersicherheit sind nach DIN zu führen. Durch die Wahl der jährlichen Überschreitungswahrscheinlichkeit des Bemessungshochwassers werden die Sicherheits- und Schutzgrade bestimmt. Bezüglich der Hochwassersicherheit wird zwischen zwei Hochwasserbemessungsfällen unterschieden. Für die Bemessung der Hochwasserentlastungsanlage und deren Überlastungssicherheit ist der Hochwasserbemessungsfall 1 heranzuziehen. Dieser Hochwasserbemessungsfall darf zu keiner Beeinträchtigung der Tragsicherheit oder der Gebrauchstaug- 20 DIN 19700, S DIN 19700, S. 10

14 11 lichkeit der Talsperre führen. Für den Nachweis der Anlagensicherheit bei Extremhochwasser dient der Hochwasserbemessungsfall 2. Während der Hochwasserbemessungsfall 1 zu keinerlei Beeinträchtigungen der Talsperre führen darf, werden bei dem Hochwasserbemessungsfall 2 Beschädigungen an Bauwerksteilen, Betriebs- und Messeinrichtungen in Kauf genommen, um die Tragsicherheit des Absperrbauwerks nicht zu gefährden. Für den Hochwasserbemessungsfall 1 ist als Bemessungshochwasserzufluss BHQ 1 für Talsperren der Klasse 1 ein jähriges Hochwasser, für den Hochwasserbemessungsfall 2 ein Bemessungshochwasserzufluss BHQ 2 ein jähriges Hochwasser zu wählen. 22 Durch den gezielten Hochwasserrückhalt wird eine Hochwasserschutzwirkung für die Unterlieger einer Talsperre erreicht. Mit Blick auf den zu bietenden Hochwasserschutz gilt der Hochwasserbemessungsfall 3. Er dient der Bemessung des erforderlichen gewöhnlichen Hochwasserrückhalteraumes. Dieser sollte die Fülle der Hochwasserwelle eines definierten Bemessungshochwassers BHQ 3 aufnehmen können 23. Bei geringeren Hochwasserereignissen als BHQ 3 wird die Hochwasserentlastungsanlage planmäßig in Anspruch genommen und es besteht keine Hochwassergefahr für die Unterlieger. Im Gegensatz dazu verbleibt bei Überschreitung des BHQ 3 eine Hochwassergefahr für die Unterlieger. Ein weiterer wichtiger Parameter ist der Freibord. Der Freibord ist der senkrechte Abstand zwischen der Krone des Absperrbauwerks und dem Hochwasserstauziel. Die Größe des Freibords unterscheidet sich bei den Hochwasserbemessungsfällen 1 und 2 auf Grund der unterschiedlichen Höhenlagen der Hochwasserstauziele 1 (Z H!) und 2 (Z H2) 22. Dieser Zusammenhang ist in Abbildung 5 dargestellt. 22 DIN 19700, S DIN 19700, S. 14

15 12 Abbildung 5 Stauraum und Stauziel (DIN : ) Der Freibord f 1 im Hochwasserbemessungsfall 1 und der Freibord f 2 im Hochwasserbemessungsfall 2 muss den Wellenauflauf, den Windstau und gegebenenfalls den Eisstau berücksichtigen. Für den Wellenauflauf und den Windstau werden ähnlich der Hochwassersicherheit Bemessungswindgeschwindigkeiten herangezogen. Für die Ermittlung des Wellenauflaufs und des Windstaus ist für den Hochwasserbemessungsfall 2 eine Bemessungswindgeschwindigkeit mit einer größeren jährlichen Überschreitungswahrscheinlichkeit anzunehmen als in Hochwasserbemessungsfall Die Bemessungsgrößen dienen je nach Zweck und Nutzung der Stauanlage unterschiedlichen Bemessungszielen. Stauräume können der Vorhaltung von Wasser für Wasserversorgungszwecke, der Vorhaltung von Wasser für nutzungsorientierte oder ökologisch orientierte Niedrigwasseraufhöhung der unterhalb liegenden Fließgewässer, zur Vorhaltung von Stauräumen zur Hochwasserrückhaltung oder der Vorhaltung von Stauraum 24 DIN 19700, S. 12

16 13 für die Wasserkraftgewinnung dienen. Die Bemessung der erforderlichen Stauhöhe ist beispielsweise für die Wasserkraftgewinnung und die Schifffahrt von Bedeutung. Abhängig von den Stauzielen müssen die Stauräume bemessen werden DIN 19700, S. 11

17 14 3. Dokumentation Bei der Antrift-Talsperre handelt es sich um einen Erdschüttdamm mit homogenem Dammquerschnitt. Die Einordnung dieser Bauweise verglichen mit anderen ist Abbildung 2 zu entnehmen, wobei die Bauform der Antrift-Talsperre rot markiert ist. Gemäß DIN , die Talsperren abhängig von ihrer Geometrie in zwei Klassen einteilt, gehört sie zu den Talsperren der Talsperrenklasse 1. Die Talsperrenklasse 1 umfasst große Talsperren mit einer Höhe des Absperrbauwerks von mehr als 15 m und einem Gesamtstauraumvolumen von mehr als 1 Mio. m 3. Demnach gehört die Antrift- Talsperre zu den Talsperren der Klasse 1. Im Folgenden wird auf die verschiedenen Komponenten der Antrift-Talsperre inklusive ihrer Abmessungen und Funktionsweisen eingegangen. Allgemeines Die Antrift-Talsperre dient in erster Linie dem Hochwasserschutz der Täler. Hierzu ist der Hochwasserrückhalteraum saisonabhängig gesteuert, um im Winterhalbjahr anfallendes Schmelzwasser oder Dauerregen puffern zu können. 26 Ihr Bemessungshochwasser BHQ 1 beträgt 51 m 3 /s, das Bemessungshochwasser BHQ 2 68 m 3 /s. 25 Die Bemessungshochwasser BHQ 1 bis BHQ 3 sind für die Antrift-Talsperre nachgewiesen 27. Staubecken Das Staubecken der Antrift-Talsperre wird im Dauerstau betrieben und hat ein Stauziel von 3,2 Mio. m 3 bei einer Wasserfläche von etwa 32 ha. Dabei werden im Dauerstau im Winter etwa 1 Mio. m 3 gestaut, im Sommer etwa 1,6 Mio. m 3. Dies entspricht einer Wasserspiegelhöhe von 8 m bzw. 10 m. Die gezielte Absenkung im Winter wird damit 26 Talsperren in Deutschland, S Exkursionsvortrag

18 15 begründet, dass so m³ zusätzliches potenzielles Stauvolumen für den Hochwasserfall zur Verfügung steht. Abbildung 6 zeigt eine eigene Aufnahme des Oberwassers der Antrift-Talsperre bei der Begehung am Das Staubecken war zu diesem Zeitpunkt mit dem für den Dauerstau im Winter vorgesehenen Speicherinhalt von etwa. 1 Mio. m 3 gefüllt 28. Abbildung 6 Oberwasser der Antrift-Talsperre am , Speicherinhalt ca. 1 Mio. m3 Es ist davon auszugehen, dass die Talsperre heute nach Maßgaben der WRRL anders umgesetzt würde. In den 1970er Jahren, in denen sie errichtet wurde, hat man jedoch Aspekte wie die biologische Durchgängigkeit nicht berücksichtigt. Damals wurde angedacht, das Gelände rund um das Staubecken auch für Freizeitnutzungen verfügbar zu machen. Das Staubecken sollte als Badesee nutzbar sein und so Möglichkeiten für Wassersport sowie zur Naherholung bieten. Das Becken liegt teilweise innerhalb der Gemarkungen von Gemeinden im Unterlauf der Talsperre, die nicht vom Hochwasserschutz profitieren. Die Idee, daraus ein Naherholungsgebiet zu machen, wurde deshalb auch genutzt, um diese Gemeinden von dem Bau des Beckens zu überzeugen. Der ökologische Zustand des Sees, der eine Nutzung zum Baden unmöglich macht, hat jedoch dafür gesorgt, dass dieses Vorhaben nicht umgesetzt wurde. 28 Exkursionsvortrag

19 16 Ein hoher Phosphoreintrag durch die intensive landwirtschaftliche Nutzung der Gebiete im Zulauf hat dazu geführt, dass es ein Eutrophierungsproblem im Becken gibt. Der erhöhte Nährstoffgehalt führt zu unkontrolliertem Algenwachstum. Dies hat eine hohe Sauerstoffzehrung zur Folge und schafft in Teilen des Beckens anaerobe Verhältnisse in Zeiten, in denen wegen geringen Durchlaufs nur wenig Durchmischung erreicht wird. In der Zwischenfläche bis zu einem Meter unterhalb der Wasseroberfläche kommt es dagegen durch die Photosynthese der Algen zu erhöhter Sauerstoffsättigung des Wassers. Selbst wenn kein weiterer Phosphor eingetragen wird, ist bereits so viel davon im Sediment eingelagert, dass sich auch in den nächsten Jahrzehnten das Eutrophierungsproblem nicht bessern würde. Die Störung des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichts durch die Algen hat auch zur Folge, dass der ph-wert mit deutlich im basischen Bereich liegt. Das Baden ist deshalb für den Mensch schädlich und musste verboten werden. Abbildung 7 Blick vom Ufer des Absperrbauwerks auf das Staubecken Der ständige Sedimenteintrag durch das Fließgewässer würde eigentlich zur Verlandung des Beckens führen. Um dem vorzubeugen gibt es eine Vorsperre vor dem Becken, die den Großteil des Sediments auffängt bevor das Wasser weiter in das Becken läuft. Sie kann zeitweise trockengelegt werden und das abgelagerte Sediment mit Baggern entfernt werden. Auf diese Weise werden bis zu 100 m³ Sediment pro Jahr durch Mitarbeiter des Schwalmverbands aus der Vorsperre entfernt. Hierbei handelt es sich fast ausschließlich um Feinsubstrat, das aus den Basaltschichten erodiert wird, die im Gebiet um den Vogelsberg größtenteils vorherrschen.

20 17 Ablauf und Hochwasserüberlauf 29 Der Speicherinhalt des Stausees wird zurzeit mit einem Ringkolbenschieber gesteuert und das Wasser läuft über ein DN 800er Rohr ab (Abbildung 8). Abbildung 8 Ringkolbenschieber DN 800 Abflussrohr Bei der Planung der Talsperre wurde der Ablauf über zwei Hydraulik-Schütztafeln, die zurzeit mit Bioöl betrieben werden, um Umweltschäden bei möglichen Leckagen zu minimieren, gemanagt. Wie in Abbildung 9 zu sehen ist, wurden diese Planungen auch beim Bau 1971 bis 1984 umgesetzt. 29 Exkursionsvortrag

21 18 Abbildung 9 hydraulische Schütztafeln Damals floss das Wasser über einen betonierten Kanal ab (siehe Abbildungen 10 und 11). Im Zuge der Wasserkraftnutzung und um kleinere Abflüsse zu steuern, wurde der Abfluss durch ein DN 800er Rohr geführt. Der Hochwasserabfluss wird über eine Drosselklappe, die nur die Stellungen auf und zu hat, gesteuert. Ein Winterschütz, das im Regelfall immer leicht geöffnet ist, sodass zu jeder Zeit etwas Wasser abfließt, ist vorhanden. Abbildung 10 Blick auf Hochwasserüberlauf und Abflusskanal innerhalb des Abflussbauwerks

22 19 Abbildung 11 Ehemalige Abflusskanal im Betrieb (Exkursionsvortrag) Damit das Absperrbauwerk im Hochwasserfall nicht unter zu großer Belastung versagt, ist ein Hochwasserüberlauf errichtet worden. Der Hochwasserüberlauf wurde mit einem trichterförmigen Bauwerk (s. Abbildung 12) ausgeführt. Abbildung 12 Hochwasserüberlauf - Trichterbauwerk

23 20 Abbildung 13 Belüftungsrohr des Hochwasserüberlaufs Abbildung 14 Hochwasserüberlauf beim Bau (Exkursionsvortrag)

24 21 Beim Bau dieses Betontrichters war die Schalung die größte Herausforderung (siehe Abbildung 14). Um diese zu meistern, setzte man auf die Erfahrung von türkischen Schiffsbauern. Dieses Bauwerk besitzt am Einlauf Leitwände, die eine Strudelbildung während des Ablaufens des Wassers verhindern. Ein Rohr mit einem Durchmesser von ca cm sichert die Belüftung (siehe Abbildung 13). Die Gefahren eines entstehenden Unterdrucks und der Kavitation werden so ausgeschlossen.

25 22 Absperrbauwerk Die Antrift-Talsperre erfüllt die Vorgaben für große Stauanlagen bzw. diejenigen für Talsperrenklasse 1 gemäß DIN , die in den Kapiteln Komponenten und Funktionsmerkmale sowie Bemessung vorgestellt werden. Bei ihr handelt es sich um eine Stauanlage mit einem 20 m hohen Erdschüttdamm als Absperrbauwerk, der sich über eine Kronenlänge von 560 m und einer Basisbreite von 130 m erstreckt. Das Speichervolumen der Antrift-Talsperre bei Vollstau beträgt 3,2 Mio. m 3. Damit gehört die Talsperre laut DIN zur Größenklasse 1. Im Vergleich mit den größten Talsperren Deutschlands, deren Kenndaten ebenfalls im Kapitel Komponenten und Funktionsmerkmale zu finden sind, ist die Antrift-Talsperre kleiner und fällt gemäß Abbildung 2 in den durchschnittlichen Größenbereich gemessen an der Bauwerkshöhe über Gründungssohle. Für den Wasserverband Schwalm ist die Antrift-Talsperre als eines von drei Hochwasserrückhaltebecken ein wichtiges Bauwerk für den Hochwasserschutz des Verbandsgebietes. Mit einem Hochwasserschutzraum von 1,6 Mio. m 3 im Sommer und 2,1 Mio. m 3 im Winter hat sie einen Anteil von % am Gesamtstauziel des Verbandes und von ca. 2 % am Gesamtstauziel in Hessen 30. Abbildung 15 Böschung des Damms mit Habicht-Aufsetzstangen Bei dem Absperrbauwerk handelt es sich um einen Erdschüttdamm, der mit einer inneren Dichtung gebaut wurde, einer sogenannten Kerndichtung aus Asphalt (vgl. Kapitel Grundlagen ). Es befindet sich also eine Mauer aus Asphalt im Inneren des Dammbau- 30 Exkursionsvortrag

26 23 werks, die sich bis in eine Tiefe von 15 m erstreckt und dort an eine Schlitzwand aus Erdbeton angrenzt, um so die Dichtigkeit des Damms zu gewährleisten. Eine solche Tiefe war notwendig, da das Bauwerk auf hochdurchlässigem Buntsandstein gegründet wurde. Um die Standsicherheit des Damms zu gewährleisten, musste eine Wasserundurchlässigkeit bis in diese Tiefe garantiert werden. Durch die extreme Tiefe des Bauwerks, war der Bau sehr aufwendig und verursachte hohe Baukosten. Diese beliefen sich auf etwa 23,5 Mio. DM. Eine innere Dichtung ist für ein solches Bauwerk eigentlich eher ungewöhnlich, da diese normalerweise mit wasserseitiger außenliegender Dichtung gebaut werden. Die höheren Herstellungskosten können allerdings durch geringe Wartungskosten kompensiert werden, da das Material vor Witterung und Temperatur geschützt ist und so keine Risse am Dichtungskern entstehen. Heute kann man die innere Kerndichtung erahnen, wenn man auf der Krone des Damms steht. Sie befindet sich unter dem Asphaltweg der auf der Krone des Damms verläuft. Dadurch, dass sich die Dammschüttung über die Jahre wenige Zentimeter gesetzt hat, die Asphaltkerndichtung aber nicht, drückt sie von unten gegen die Asphaltdecke und erzeugt Risse die deutlich sichtbar sind. Aus Angst vor einem Dammbruch wurde beim Bau des Absperrbauwerks zusätzlich zur Asphaltkerndichtung auch noch eine Lehmaufschüttung mit einem kf-wert von als Außendichtung aufgebracht, die zusätzliche Stabilität und Dichtigkeit gewährleistet. Der Damm gehört wegen dieser Doppeldichtung nach Aussagen von Herrn Peter Kugler zu einem der sichersten Bauwerke des Schwalmverbands. Um die Standsicherheit des Bauwerks langfristig zu gewährleisten, wird ein konstanter Monitoringprozess betrieben. Dafür ist ein aufwendiges Messprogramm implementiert worden, welches mit 23 Grundwassermesstellen, unterschiedlichen Sensoren und Messpunkten verschiedene Parameter ständig misst und dokumentiert. Über die Grundwasserstände kann die Sickerwasserabflusslinie beobachtet werden, mögliche Verschiebungen werden über Höhen- und Lagesensoren kontrolliert. Die Messstellen sind mit dem Prozessleitsystem des Schwalmverbands gekoppelt und können so live ausgewertet werden. Damit gleichzeitig auch eine Sichtkontrolle durchgeführt werden kann, um mögliche Reparaturstellen frühzeitig zu erkennen, ist der Damm nicht mit Bäumen oder hohen Gräsern bepflanzt. Es muss verhindert werden, dass Sickerwasser unkontrolliert an einzelnen Stellen am Hang austritt. Dafür gibt es ein Dränsystem, welches das Sickerwasser sammelt und kontrolliert abführt. Die Ergebnisse der Bauwerksüberwachung

27 24 werden fortlaufend ausgewertet und in einem Sicherheitsbericht nach DIN zusammengefasst, der von einem betriebsinternen oder externen fachkundigen Ingenieur jährlich erstellt und vom Betreiber aufbewahrt wird. Bei der letzten Sicherheitsprüfung des Absperrbauwerks wurde sogar die Materialqualität der inneren Asphaltkerndichtung durch Kernbohrungen analysiert. Es konnten in der Qualität aber keine Mängel durch Witterungsschäden festgestellt werden. Weiteres Schadenspotenzial geht von Tieren wie Maulwürfen und Wühlmäusen aus, die die Stabilität der Erdschüttung gefährden können. Um den Befall des Hangs mit diesen Tieren einzudämmen, wurde eine biologische Schutzstrategie gewählt. Dazu gibt es verteilt entlang der Böschung Aufsitzstangen für Habichte. In Zeiten, in denen dieser natürliche Schutz nicht ausreicht, werden Fachfirmen mit der Bekämpfung der Schädlinge beauftragt. Auch dieser Teil der Instandhaltungsmaßnahmen wird dokumentiert, um im Schadensfall nachweisen zu können, dass entsprechende Vorsorgemaßnahmen getroffen wurden.

28 25 Wasserkraft Seit 2013 wird an der Antrift-Talsperre Strom für etwa 30 Haushalte erzeugt 31. Das entspricht etwa kwh pro Jahr. Hierzu wird die Mindestwassermenge, in der Regel 200 l/s über eine Turbine abgegeben. Die Besonderheit dieser 13 kw-anlage ist, dass es sich um eine rückwärtslaufende Pumpe, auch PAT (Pumpe als Turbine) handelt. Sie hat den großen Vorteil, wesentlich günstiger als eine aufwendig hergestellte Turbine zu sein, die nur als Einzelstück oder in Kleinserie produziert wird. Aufgrund der stabilen Abflussverhältnisse ist dieser Typ hier geeignet, obwohl er nur ein geringes Spektrum mit einem guten Wirkungsgrad abbilden kann. Der hiesige Wirkungsgrad liegt bei rund 78 % und spiegelt nach 2 Jahren in Betrieb ein hervorragendes Ergebnis für diese Anlage wieder. Durch die Novellierung des Erneuerbaren-Energien-Gesetzes konnten durch den Bau im Jahr 2013 zudem eine verbesserte Vergütung von 12,57 Cent/kWh erzielt werden. Somit stellt sich die Anlage so wirtschaftlich dar, dass sie sich nach 7 Jahren amortisiert und die rund Euro Herstellungskosten im Jahr 2020 ausgeglichen wären 32. Abbildung 16 PAT Pumpe als Turbine 31 Strom-aus-Wasserkraft-fuer-etwa-30-Haushalte-_arid,415176_regid,2_puid,1_pageid,69.html 32 Exkursionsvortrag

29 26 Abbildung 17 Bestandsplan PAT (Exkursionsvortrag) 4. Erfahrungen Was hat der Betrieb bislang ergeben? Bei Inbetriebnahme stellte sich heraus, dass die Wasserqualität des Gewässers viel schlechter war, als erhofft. Der Stausee ist ein polytrophes Gewässer mit einer hohen Algenproduktion. Baden ist durch den hohen ph-wert und die sehr geringe Sichttiefe nicht empfehlenswert. Dadurch minderte sich der Naherholungswert. Die starke Eutrophierung folgt aus der sehr intensiven landwirtschaftlichen Nutzung des Einzugsgebiets. Ein Maßnahmenplan für die Verminderung der diffusen Stoffeinträge wurde im Jahre 2009 erstellt und soll allmählich umgesetzt werden 33. Fische haben durch die hohe Algenproduktion vor allem im Sommer Probleme. An der Gewässeroberfläche ist zu viel Sauerstoff gelöst und in tieferen Regionen befindet sich zu wenig Sauerstoff, sodass die Fische einen Lebensraum von 1-3 m unter der Wasser- 33

30 27 oberfläche haben. An diese besonderen Begebenheiten hat sich der Wels adaptiert. Ihn trifft man in diesem Gewässer hauptsächlich an 34. In Zeiten, in denen lange Stagnation des Wassers im Becken vorherrscht und kaum Durchfluss vorhanden ist, kann sich die Situation allerdings so verschlechtern, dass es zu Fischsterben kommt. Am Damm der Talsperre gibt es ein Maulwurf- und Wühlmausproblem. Diese müssen, wie im Kapitel Absperrbauwerk erwähnt, bekämpft werden. Denn im Belastungsfall darf der Damm keineswegs brechen und muss deswegen auch mit solchen besonderen Maßnahmen gepflegt werden. Die Antrift fließt kontinuierlich in die Talsperre. Durch Hochwasser und durch den Fluss selbst gelangt viel Geschiebe zur Talsperre. Um eine Verlandung zu verhindern, ist eine Vorsperre gebaut worden, an der sich das Sediment absetzten kann. Ca. 100 m³ Sediment im Jahr müssen dort vom Betreiber ausgebaggert werden. Im Jahr 2013 wurde eine Wasserkraftanlage in die Talsperre eingebaut. Durch die schon erwähnte Vergütung ist die Anlage schon innerhalb 7 Jahren amortisiert. Die Installation einer Wasserkraftanlage zur Energieerzeugung an der Antrift-Talsperre wäre sicherlich schon während der Errichtung der Talsperre am sinnvollsten gewesen. Durch die niedrigen Ölpreise in den 1970er-Jahren fand die Wasserkraft allerdings kaum Beachtung. Die Talsperre hat schon mehreren Hochwassern standgehalten. Eins der letzten großen Hochwasser war im Januar Der Maximale Zulauf betrug 24 m³/s und konnte um 6 m³/s auf 18 m³/s abgesenkt werden. Um die Wassermassen aufnehmen zu können, wurde die Talsperre schon eine Woche vorher vorentlastet. Der damalige Wetterbericht deutete schon auf eine erhöhte Hochwassergefahr. Das Stauziel der Anlage wurde innerhalb von 36 Jahren zwei Mal erreicht. Die vertiefte Sicherheitsprüfung nach DIN hat die Talsperre bestanden. Diese sollte nach DVWK-Merkblatt 231/1995 Sicherheitsbericht Talsperren Leitfaden für Talsperren etwa alle 10 Jahre sowie ggf. nach außergewöhnlichen Ereignissen durchgeführt werden. 34

31 28 Welche Erfahrungen sollten bei zukünftigen Anlagen/ Einrichtungen dieser Art berücksichtigt werden? Heutzutage würde man die gleiche Anlage mit Dauerstau nicht mehr in dieser Form bauen. Zu der Zeit des Baus wurden ökologische Belange nicht so berücksichtigt, wie es heute der Fall ist. Ein Dauerstau in einer Region zu errichten, in der es kaum Seen gibt entspricht nicht dem Prinzip des naturnahen Wasserbaus. Es muss immer eine Einzelfallentscheidung getroffen worden, ob eine Talsperre mit Dauerstau errichtet wird oder nur als Hochwasserrückhaltebecken genutzt wird. Es treten immer häufige Starkregenereignisse im Sommer auf. Zunehmende Konvektionsniederschläge verstärken die Hochwassergefahren. Dadurch treten immer stärke Hochwasser auf 35. Zukünftige Talsperren, die auch dem Hochwasserschutz dienen, und andere Hochwasserschutzmaßnahmen sollten dies unbedingt mitberücksichtigen. Sinnvoll ist es, gleich von Anfang an viele Nutzungsmöglichkeiten zu durchdenken und auszubauen, damit man die Anlage möglichst effizient betreiben kann (beispielsweise mit Hochwasserschutz, Wasserkraftnutzung, Naherholung, usw.). 35 Exkursionsvortrag

32 29 5. Persönliches Conclusio Zusammenfassend ist es interessant zu sehen, dass geplante Bauvorhaben mit einem bestimmten Zweck diesen nicht immer erfüllen können. Hochwasserschutz bietet die Talsperre, aber dem damals gewünschten hohen Naherholungszweck geht sie nicht nach. Schlechte Gewässerqualität lassen Baden und Wassersport nicht zu. Als Betreiber hätten wir uns sicherlich viel früher dazu entschieden, eine Wasserkraftanlage einzubauen, da die Energie des Wassers viele Jahre ungenutzt blieb. Es muss immer abgewogen werden, ob die Auflagen für Umwelt- und Kulturgüterschutz erfüllt werden und ob diese negativen Auswirken kleiner sind, als der Nutzen der Anlage. Abbildung 18 Gruppenbild vor dem Kelch der Antrift-Talsperre (auf dem Bild von links: Schwarz, Maximilian; Fischer, Andreas; Martin, Johannes; Schmitt, Benedikt; Ott, Johanna; Bueti, René, fehlend: Hein, Daniel (Befand sich während der Aufnahme im Kelch der Talsperre) Abschließen möchten wir mit dem Zitat von Hans Kasper (dt. Schriftsteller und Hörspielautor): Es ist besser, Deiche zu bauen, als darauf zu hoffen, dass die Flut allmählich Vernunft annimmt

33 I 6. Anhang Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Gebietsübersichtskarte... 2 Abbildung 2 Systematik der Stauanlagenbauweisen (Deutsches Talsperren Komitee e.v., 2013)... 5 Abbildung 3 Verteilung der Absperrbauwerkshöhe über Gründungssohle (Deutsches Talsperren Komitee e.v., 2013)... 6 Abbildung 4 Gestaltung der Dammquerschnitte (Deutsches Talsperren Komitee e.v., 2013)... 7 Abbildung 5 Stauraum und Stauziel (DIN : ) Abbildung 6 Oberwasser der Antrift-Talsperre am , Speicherinhalt ca. 1 Mio. m Abbildung 7 Blick vom Ufer des Absperrbauwerks auf das Staubecken Abbildung 8 Ringkolbenschieber DN 800 Abflussrohr Abbildung 9 hydraulische Schütztafeln Abbildung 10 Blick auf Hochwasserüberlauf und Abflusskanal innerhalb des Abflussbauwerks Abbildung 11 Ehemalige Abflusskanal im Betrieb (Ekursionsvortrag) Abbildung 12 Hochwasserüberlauf - Trichterbauwerk Abbildung 13 Belüftungsrohr des Hochwasserüberlaufs Abbildung 14 Hochwasserüberlauf beim Bau (Exkursionsvortrag) Abbildung 15 Böschung des Damms mit Habicht-Aufsetzstangen Abbildung 16 PAT Pumpe als Turbine Abbildung 17 Bestandsplan PAT (Exkursionsvortrag) Abbildung 18 Gruppenbild vor dem Kelch der Antrift-Talsperre (auf dem Bild von links: Schwarz, Maximilian; Martin, Johannes; Schmitt, Benedikt; Ott, Johanna; Fischer, Andreas; Bueti, René, fehlend: Hein, Daniel (Befand sich während der Aufnahme im Kelch der Talsperre)... 29

34 II Abkürzungsverzeichnis ca. BHQ DIN DM DN zirka Bemessungshochwasserzufluss Deutsches Institut für Normung Deutsch Mark Durchmesser DTK Deutsche Talsperren Komitee e. V. DVWK ha ICOLD k f-wert km kw kwh m Mio. Vgl. z.b. Z H Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft Hektar International Commission on Large Dams Durchlässigkeitsbeiwert Kilometer Kilowatt Kilowattstunde Meter Millionen vergleiche zum Beispiel Hochwasserstauziel

35 III Literaturverzeichnis Exkursionsvortrag am , Herr Kugler vom Wasserverband Schwalm; Deutsches TalsperrenKomitee e. V, Talsperren in Deutschland, Springer Vieweg 2013 Gewässerkundlicher Jahresbericht 2011, Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie Hydrogeologie in Hessen, Heft 8; Wiesbaden, Deutsche Norm für Stauanlagen, DIN 19700, Gemeinden/Antrifttal/Artikel,-Strom-aus-Wasserkraft-fuer-etwa-30-Haushalte- _arid,415176_regid,2_puid,1_pageid,69.html,