Welche Typen von Querbauwerken gibt es und welche Auswirkungen haben sie auf Morphologie, Hydrologie und Ökologie

Gewässer-Nachbarschaft Taunus-Lahn & Westerwald-Lahn Schaffung der ökologischen Durchgängigkeit im Rahmen der Gewässerunterhaltung als Beitrag zur Umsetzung der EU-WRRL am 27. April 2010 in Villmar Welche Typen von Querbauwerken gibt es und welche Auswirkungen haben sie auf Morphologie, Hydrologie und Ökologie Dipl. Ing. Herbert Diehl Regierungspräsidium Gießen,, Dez. 41.2

2 Auswahlmöglichkeit Absturz mit Fischtreppe, Fischpass Klassifizierung aus der LAWA- Strukturgütekartierung Beschreibung Steilwandige Wehre oder stufenförmige Sohlabstürze, die mit einer künstlichen Aufstiegshilfe für Fische versehen sind. Absturz mit Teilrampe Steilwandige Wehre oder stufenförmige Sohlabstürze, denen seitlich einer Rampe angelagert ist. Die Rampe ist 1:3 bis 1: 10 geneigt und rau. Sie ist stets überströmt. Absturz, glatte Gleite oder glatte Rampe, jeweils mit Umlauf glatte Gleite, glatte Rampe Das Bauwerk besteht aus einem steilwandigen Wehr, einer glatten Gleite (flache Neigung 1:10 bis 1:30) oder einer glatten Rampe (eher steil 1:3 bis 1:10), besitzt jedoch einen seitlichen Umlauf, in dem ständig ein gewisser Teil des Wassers am Querbauwerk vorbeifließt. Das Umlaufgerinne kann gebaut worden oder durch natürliche Erosion entstanden sein. Es hat eine absturzfreie Schottersohle, die flach geneigt ist. Das Umlaufgerinne hat jederzeit eine durchgehende Wassertiefe von mehr als 10 cm. Es ist für Großfische, Kleinfische und die Benthosfauna passierbar. Erfüllt das Umlaufgerinne diese Anforderungen nicht, so ist nur das Querbauwerk zu registrieren. Die Gleitenfläche ist 1:10 bis 1:30, die Rampenfläche 1:3 bis 1:10 geneigt. Die Oberfläche ist glatt, die Strömung ist sehr groß und gleichförmig. Grundschwelle Querbauwerk aus Beton, Mauerwerk, Holz oder Steinsatz, das nur wenig über das Sohlenniveau aufragt. Es hat lediglich eine Barrierewirkung für Geschiebe. hoher Absturz Steilwandige Wehre oder stufenförmige Sohlabstürze mit einer Sturztiefe des MW-Spiegels von 30 100 cm. kleiner Absturz Steilwandige Wehre oder stufenförmige Sohlabstürze mit einer Sturztiefe des Mittelwasserspiegels von 10 30 cm. raue Gleite, raue Rampe Die Gleitenfläche ist 1:10 bis 1:30, die Rampenfläche ist 1:3 bis 1:10 geneigt. Die Oberfläche ist rau, der Abflussvorgang un gleichförmig und turbulenzreich. Diese Formen des Querbauwerkes sind bei Mittelwasser für Großfische, Klein fische und die Benthosfauna bedingt passierbar. Insbes ondere die sehr flach ausgebildeten rauen Gleiten werden häufig im Rahmen von Renaturierungsmaßnahmen angelegt (Umgestaltung von Abstürzen). sehr hoher Absturz Steilwandige Wehre oder stufenförmige Sohlabstürze mit einer Sturztiefe des MW-Spiegels von mehr als 1 m.

3 Parameterbeschreibung - LAWA Kartieranleitung

4 Beispiele für einzelne Bauwerkstypen (LUA Merkbltt Nr. 14)

5 Wanderhinderniserfassung in den Jahren 2007/2008 der wrrl-relevanten Gewässer in Hessen die hessischen Wanderhindernisdaten zentrale Datenhaltung zentrale Datenbankanwendung GESIS2, Modul-Wanderhindernisse www.gesis.hessen.de Benutzerhandbuch Datenbank Wanderhindernisse

6 Hindernistyp - zentrale Datenbankanwendung - GESIS2, Modul-Wanderhindernisse Auswahlmöglichkeiten : Absturz Absturz hinter Durchlass / erosionsbedingt Absturztreppe Beckenstau im HS (Dauerstau) Beckenstau im HS (ohne Dauerstau) Massivsohlenabschnitt Rückstau Sohlengleite Sohlenrampe / raue Rampe Sohlenschwelle Stützschwelle / Grundschwelle Teich im HS Teilrampe Verrohrung Verrohrung mit Absturz Verrohrung/Durchlass (Substrat durchgängig) Wehr, beweglich Wehr, fest

Auswahlmöglichkeit Betonbauwerk Damm mit geschlossenem Stollen Bauart - zentrale Datenbankanwendung - GESIS2, Modul-Wanderhindernisse Beschreibung Damm mit offenem Drosselbauwerk Fertigtei Grundschütz Holzbohle/-schwelle Klappe Genügt bei geringer Stauhöhe. Die Stauklappen legen sich bei größer werdendem Abfluss um und bei geringer werdendem Abfluss richten sie sich durch ein Gegengewicht wieder in die Staulage auf. Mönch natürlich Schlauch Schüttsteinbauwerk Schütz Durch Entleeren oder Befüllen eines Gummischlauches mit Luft oder Wasser kann bei sog. Schlauchwehren die Stauhöhe variiert werden. Senkrechte Verschlusstafeln (Schütztafeln), werden in Nischen der Zwischenpfeiler und Wehrwangen auf Gleitschienen, Walzen oder Rollen geführt und senkrecht auf- und abbewegt. Segment Sie haben eine kreisbogenförmige gekrümmte Stauwand. Die Enden ihrer Stützträger sind waage-recht drehbar auf Zapfen gelagert, die in den Wehrwangen befestigt sind. Sektor/Dach Setzsteinbauwerk Sturzbett/Tosbecken Überströmtes Schütz Ufermauer/Wehrwangen Walze Die Doppelklappen dieser Wehre legen sich dachförmig gegeneinander und werden durch den Druckunterschied zwischen Ober- und Unterwasser bewegt. Die Grundform ihres Staukörpers ist eine innen ausgesteifte Stahlblechwalze. An beiden Enden der Walze sind Zahnkränze aufgezogen, die sich beim Heben und Senken auf Zahnstangen abwälzen (einseitiger Antrieb). Die Wal zen sind an manchen Wehren bei Hochwasser versenkbar. 7

8 Wanderhindernisse können natürlichen oder menschlichen Ursprungs sein. nicht näher im Vortrag behandelt: natürliche Wanderhindernisse Wasserfällen Felsabstürzen natürliche Kaskaden Verklausungen / Totholzansammlungen Biberdämme

9 Tiefenerosion / Sohlenerosion

zu eng stehender Gehölze - grüne Verrohrung Ein dichter Gehölzsaum verhindert eine natürliche Laufentwicklung Folge : Tiefenerosion, Absturzbildung

nicht näher im Vortrag behandelt: große bzw. besondere anthropogene Wanderhindernisse: große Regelungsbauwerke (Wehre, Schöpfwerke etc.) Staudämme, Hochwasserrückhaltebecken, Talsperren Wasserkraftwerke Abwasser - und Kühlwassereinleitungen Problem Fischabstieg bei WKA 11

nicht näher im Vortrag behandelt: große bzw. besondere anthropogene Wanderhindernisse: große Regelungsbauwerke (Wehre, Schöpfwerke etc.) Staudämme, Hochwasserrückhaltebecken, Talsperren Wasserkraftwerke Abwasser - und Kühlwassereinleitungen Problem Fischabstieg bei WKA 12

13 Sohlenbauwerke (DIN 19661, Teil 2) Sohlenbauwerke Sohlenstufen Schwellen Abstürze Absturztreppen Sohlenrampen Stützschwellen Grundschwellen Sohlenschwellen Sohlengleiten

14 Sohlenstufen überwinden einen Höhenunterschied in der Sohle bewirken geringeres Sohlengefälle oberhalb und unterhalb Zusammenfassung des Gefälles am Sohlenbauwerk bei größeren Abflüssen entsteht im allgem. Fließwechsel zweimaliger Fließwechsel strömen schießen (Deckwalze) - strömen

15 Absturz Absturzwand, lotrecht oder steil geneigt oft mit Sturzbett oder Tosbecken Überfallstrahl löst sich von der Wand ab oder liegt an unterschiedliche Bauarten und -materialien

16 Absturz

17 Absturz

18 Absturz

19 Absturz

20 Absturz

21 Absturz

22 Absturztreppen (Kaskaden) mehrere aufeinanderfolgende einzelne Abstürze baulich und hydraulisch eine Einheit i.d.r. kein Fließwechsel auf den einzelnen Stufen nur bei keinen Abflüssen

23 Absturztreppen (Kaskaden)

26 Sohlenrampe Gefälle zwischen etwa 1:3 und etwa 1:10 bei rauer Oberfläche bessere Energieumwandlung als bei Absturz mit geneigter Schusswand unterschiedliche Bauformen, z.b. geschüttet oder gesetzt

27 Sohlenrampe

28 Sohlenrampe

29 Sohlenrampe

30 Sohlenrampe

31 Sohlengleite Gefälle zwischen etwa 1:10 und etwa 1:30 auf rauer Oberfläche weitgehende Energieumwandlung erreichbar Gute Anpassung an Gelände keine wesentliche Behinderung des Feststofftransportes Vermeidung von größeren Unstetigkeiten im Grundwasser unterschiedliche Bauformen, z.b. geschüttet oder gesetzt

32 Sohlengleite

33 Sohlengleite

34 Sohlengleite

35 Sohlengleite

36 Schwellen Festlegung der Gewässersohle verhindern Erosion Eintiefungen im Bereich der Schwellen oft unvermeidbar

37 Stützschwelle Krone so hoch, dass sich Fließwechsel einstellt wie festes Wehr Verringerung des Energiegefälles im OW erhebliche Energieumwandung am Bauwerk bei Eintiefungen / Erosion im UW -> Sohlenlängsschnitt wie Sohlenstufen Auflandung von Feststoffen im OW -> Entwicklung zu Abstürzen

38 Stützschwelle

39 Stützschwelle

40 Stützschwelle

41 Stützschwelle

42 Stützschwelle

43 Grundschwelle ragen nur wenig über die Sohle hinaus Höhe vergrößert sich bei Eintiefungen / Erosion im UW Auflandung von Feststoffen im OW -> Entwicklung zu Abstürzen Fließwechsel mit Deckwalze nur bei kleinen Abflüssen bei großen Abflüssen keine gefällevermindernde Wirkung (hydraul. unwirksame Abstürze) dienen Schubstabilisierung und Niedrigwasseraufhöhung

44 Grundschwelle

45 Grundschwelle

46 Grundschwelle

47 Grundschwelle

48 Sohlenschwelle mit Sohle bündig legen die Sohle örtlich fest Schubstabilisierung (Sohlengurte) bei UW-Erosion -> Grundschwellen

49 Sohlenschwelle

50 Sohlenschwelle

51 Sohlenschwelle

52 Befestigte Sohlenstrecken / Massivsohlen

57 Pegelanlagen

58 Rückstau

59 Kreuzungsbauwerke DIN 19661 Dokumentenart: Norm Ausgabe: 1998-07 Titel (deutsch): Wasserbauwerke - Teil 1: Kreuzungsbauwerke; Durchleitungs- und Mündungsbauwerke Ersatz für: DIN 19661-1:1972-10

Kreuzungsbauwerke

Kreuzungsbauwerke Brücke: eigene Tragkonstruktion Abflussquerschnitt weniger als 60 % einengen (α > 0,6) bei Bemessungsabfluss meist Freibord Überleitung: Gewässer oder Rohrleitung über Gewässer oder Geländeeinschnitt Durchlass: i.d.r. freier Wasserspiegel vermindern Abflussquerschnitt um 40-60 % (0,4 < α <0,6) bei HW häufig eingestaut, meist kein Freibord Verrohrung: i.d.r. freier Wasserspiegel L/H > 30 Furt: sohlengleiche Kreuzung eines Verkehrsweges mit Gewässer

62 Kreuzungsbauwerke Kreuzungsbauwerke mit einer lichten Weite unter zwei Meter werden als Durchlass, größer zwei Meter als Brücken (DIN 1076) bezeichnet. Durchlässe werden aus vorgefertigten Rohren (unterschiedlicher Materialien - aus Beton, Steinzeug oder Kunststoff ), Spundwänden mit Stahlbetonplatten, am häufigsten jedoch aus Stahlbetonrohren oder gewellten Stahlblechprofilen oder Betonfertigteilen erstellt. Bei Rohrdurchlässe wird meist der Kreisquerschnitt verwendet, da dieser das günstigste Profil aus Sicht der Statik und Hydraulik darstellt.

63 Formen von Durchlässen Rohrdurchlass Geschlossener Rahmendurchlass Unten offener Rahmendurchlass Maulprofile z.b. Stahlwellprofil Durchlass mit Halbprofilen

64 Formen von Durchlässen

65 Brücke

66 Gewässerverrohrungen Auslauf Verrohrung hohe Widerstände, keine Substratauflage

67 Gewässerverrohrungen

68 Durchlässe

69 Durchlässe Verrohrung keine Auslauf- und Nachbettsicherung, keine Durchgängigkeit

70 Durchlässe Beispiel eines Straßendurchlasses mit Kolkbildung im Unterwasser Keine Substratauflage

71 Durchlässe Absturz keine Substratauflage Unsachgemäß verlegte Rohrdurchlässe Im Unterwasser glatte Rampe

72 Durchlässe Doppeldurchlässe mit Aufteilung des Abflusses

73 Durchlässe zu hohe Sohlenlage, im Unterwasser Absturz

74 Durchlässe Keine Substratschicht Gabionensicherung am Auslauf, Flügelwände aufweiten, Absturz

75 Durchlässe - Stahlwellprofile mit ausreichender Substratauflage hohe Sohllage nicht fachgerecht eingebauter Durchlass

Furt Fotos: LUBW Foto: Heinz Patt 76

77 Staueinrichtungen zur Wasserentnahmen Bedarfsstaueinrichtungen für die Löschwasserentnahme

78 Aufstieg Bei kleinen Querbauwerken ist zu beachten, dass glatte (z.b. Beton-) Bauwerke bei gleicher Wasserspiegeldifferenz kritischer zu bewerten sind, als naturnahe und raue Bauweisen, die an den Rauigkeiten meist zumindest kleinräumig Bereiche mit etwas geringerer Fließgeschwindigkeit aufweisen. Ebenso sind Abstürze mit freiem, unterseitig belüftetem Überfallstrahl bei gleicher Wasserspiegeldifferenz regelmäßig ungünstiger zu bewerten.

79 Aufstieg Bewertung für den Aufstieg großer Fische Diese Bewertung umfasst alle leistungsstarken Schwimmer, i. d. R. sind dies strömungsliebende gewässertypische Fischarten ab ca. 20 cm Länge, die Strömungsgeschwindigkeiten > 1,5 m/s überwinden können. Hindernisse mit deutlicher Längenausdehnung wie Massivsohlenabschnitte und Verrohrungen können bei geringer Länge bei ausreichender Wassertiefe mindestens in Körperhöhe der Fische auch noch bei relativ hohen Fließgeschwindigkeiten bis 1,5 m/s überwunden werden. Längere Hindernisse dieser Art können nur bei geringen Fließgeschwindigkeiten von ca. 0,5m/s und weniger überwunden werden; auch dabei ist eine ausreichende Wassertiefe Voraussetzung, die zumindest etwas größer als die Körperhöhe der Fische sein muss. Eine ungehinderte Passierbarkeit für alle Arten ist bei Verrohrungen wahrscheinlich selten gegeben.

80 Aufstieg Bewertung für den Aufstieg kleiner Fische Diese Bewertung umfasst alle leistungsschwachen Schwimmer, i. d. R. sind dies gewässertypische Fischarten unter ca. 20 cm Länge, die lediglich Strömungsgeschwindigkeiten < 1,5 m/s überwinden können. Insbesondere hohe Fließgeschwindigkeiten und hohe Turbulenzen (Leistung pro Wasservolumen [W/m3]) können selektiv wirken. Eine raue Sohle in Aufstiegsanlagen ist meist Voraussetzung für die Durchgängigkeit von Fischaufstiegsanlagen für solche Arten. Bei Hindernissen mit deutlicher Längenausdehnung wie Massivsohlenabschnitten und Verrohrungen darf die Fließgeschwindigkeit 0,5 m/s nicht wesentlich überschreiten, da eine schnelle Ermüdung eintritt und die Schwimmgeschwindigkeit deutlich über der Fließgeschwindigkeit liegen muss. Weiter ist eine raue Sohle bzw. ein naturnahes oder natürliches Sohlsubstrat in solchen Anlagen notwendig.

81 Aufstieg Bewertung für den Aufstieg des Makrozoobenthos Ausschlaggebend für Auf- und Abstieg ist eine durchgängige Substratauflage im gesamten Verlauf des Bauwerkes sowie eine gute Anbindung an das Sohlsubstrat des Gewässers unterhalb und oberhalb des Hindernisses. Die aufwärts gerichtete Wanderung strömungsangepasster Arten wird durch Stauräume mit sehr niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten wahrscheinlich behindert.

82 Abstieg Bewertung für den Abstieg kleiner u. großer Fische i.d.r. an kleineren Bauwerken (ohne Wasserkraftnutzung) unproblematisch. Ausnahme: betoniertes Tosbecken, Massivsohle, kein Wasserpolster Bewertung für den Abstieg des Makrozoobenthos Ausschlaggebend für Auf- und Abstieg ist eine durchgängige Substratauflage im gesamten Verlauf des Bauwerkes sowie eine gute Anbindung an das Sohlsubstrat des Gewässers unterhalb und oberhalb des Hindernisses. Der Abstieg findet jedoch zum großen Teil als Verdriftung statt und ist somit zumeist gegeben. Bei Verdriftung von strömungsangepassten Arten in lange Stauräume kann je nach Verhältnissen eine deutliche Behinderung vorliegen.

84 Ich danke Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit und hoffe, dass ich Ihnen die verschiedenen Typen der Wanderhindernisse näher bringen konnte.