Grundlagen des Fischschutzes an Einlaufrechen Dr.-Ing. Reinhard Hassinger, Versuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau Inhalt: Einleitung Verluste an Rechen Leitwirkung von Rechen Geschwindigkeiten und Durchströmungsverhältnisse Auflagekräfte eines Fisches Zusammenfassung und Fazit
Einleitung/Veranlassung In den Fachpublikationen, z.b. im Themenband Fischschutz und Fischabstiegsanlagen werden über die hydraulischen Vorgänge an Rechenstäben wichtige Aspekte unvollständig dargestellt. Auch die Wechselwirkung zwischen der Strömung und einem auf der Oberfläche liegenden Körper (Fisch) wird in den einschlägigen Werken physikalisch nicht einwandfrei und umfassend dargestellt. Es haben sich in den Köpfen irrige Auffassungen besonders zu schrägen Rechen eingenistet, die aus einem falschen physikalischen Verständnis und/oder falscher Anwendung bzw. Übertragung der Literaturangaben herrühren dürften.
Entstehung von Verlusten an einem Rechenstab 16 15 16 Ablösung Direkt unterstrom einer zu engen Krümmung oder an einer zu plötzlichen Aufweitung tritt eine Ablösung auf. Diese erzeugt Wirbel und zehrt Energie Grenzschicht Entlang der überströmten Flächen entwickelt sich eine Grenzschicht. Diese zehrt Energie durch Reibung und engt den Querschnitt ein Wirbelablösung Am Profilende lösen sich periodisch oder aperiodisch Wirbel ab, die Energie zehren und Schwingungen anregen können.
Druckverlauf bei der Durchströmung Rechenoberfläche 1,5 6 Profil 1 6 Profil 2 6 16 Profil 3 6 Energielinie Profil 1 Energielinie Profil 3 Drucklinie Profil 1 Energielinie Profil 2 Drucklinie Profil 2 Drucklinie Profil 3
Druckverlauf und seine Wirkungen Beim Durchtritt durch die Engstelle fällt der Druck ab, da die Energie für die Beschleunigung gebraucht wird (Bernoulli-Gleichung). Der Druckabfall ist umso größer, je größer der Verbauungsgrad ist, der sich aus der geometrischen Verbauung und der Querschnittsblockade durch Rechengut zusammensetzt. Dieser Druckabfall belastet Körper, die auf der Oberfläche liegen, indem auf der Vorderseite der Staudruck und auf der Rückseite teilweise der Unterdruck infolge Beschleunigung wirkt. Dieser Druckabfall ist vom effektiven Verbauungsgrad abhängig. Welcher Druck sich tatsächlich auf der Rückseite eines auf der Rechenoberfläche liegenden Körpers durchsetzt, hängt von der Orientierung (Lage) des Fisches, der Stabform und den weiteren Verlusten des Rechens ab.
Erfassung des Rechenwiderstandes Allgemeiner Ansatz: H = ς 2 v0 2g ζ = k F k F f ( P 1, 33 = Formfaktor bis 1, 5 ) P = Verbauungsgrad = f ( δ ) f ( a / A VS + A RE A VA δ = Anströmwinkel im Grundriss l ) k v sinα δ kv = Verlegungsfaktor α = Anströmwinkel im Längsschnitt α
Zustand eines 20-mm-Rechens mit Rechteckstäben
Aktuelle Rechenprofile Rechteckstab 6 x 60 FischSchon- Rechen Flügelprofil nach Walzwerke Einsal Klewa-Rechen Größe 16/6 6,0 6,0 8,0 16,0 ca. 6 58,0 68,0 ca.83,0 60 ca. 70 15,0 5,0 6,0 1,5
Fischschonender Rechen System Oppermann Umbördelung liefert runde Vorderkante und strömungsgünstiges Profil Engste Stelle weit vorne -> Rechen leicht abstreifbar Dünnes Hinterteil -> geringe Verluste Lichtweite beliebig durch Distanzhülsen einstellbar
Verlustbeiwerte
Zusammenfassung zu den Verlusten Die Verluste sind zu annähernd gleichen Teilen aus der Stabform und dem Verbauungsgrad bestimmt. Moderne feine Rechen können nur noch mit Profilen gebaut werden, die einen verdickten Kopf haben. Die Stabform ist optimalerweise so, dass die kinetische Energie aus der Strömung durch den Engpass durch allmähliche Wiederaufweitung in Druck zurückverwandelt wird. Der Kopf darf nicht zu dick sein, um den Verbauungsgrad und damit den Druckabfall klein zu halten. Es gibt Rechenprofile, deren Verluste so gering sind, dass sie auch bei kleinen Stababständen nicht zu nennenswerter Verringerung der Stromproduktion führen.
Schrägstellung Zielsetzung Durch Schrägstellung des Rechens sollen 2 ökologische Wirkungen erzielt werden: 1. Leitwirkung zu einer Seite hin 2. Reduzierung von Anpresskräften durch Komponentenzerlegung Wirkungsvolle Schrägstellung heißt aber immer Schrägstellung zu den Stromlinien! Schräganströmung im Grundriss Schräganströmung im Längsschnitt
Schrägstellung: Leitwirkung von Rechen Es ist nachgewiesen, dass schräg zur Strömung gestellte Rechen eine Leitwirkung ausüben, mit der Fische gezielt zu einer Seite (Bypass) geleitet werden können. 2 Möglichkeiten: Schrägstellung im Grundriss Schrägstellung im Längsschnitt (Neigung) Erwartete Leitwirkung: horizontal und vertikal Quelle: DWA-Themenband Fischschutz und Fischabstiegsanlagen
Vertikale Leitwirkung bei geneigtem Rechen Die in der Literatur beschriebene Leitwirkung durch Ausweichbewegung führt theoretisch zu einer Leitwirkung in Richtung zurückweichender Seite. Aber 1: (bei Leitwirkung nach oben): In der Praxis ist noch nicht nachgewiesen, dass diese Leitwirkung für einen ordnungsgemäßen Fischabstieg ausreicht, denn: Manche Fische wehren sich dagegen, an die Oberfläche gebracht zu werden. Für bodenorientierte Fische ist die Leitwirkung irreführend. Keine überzeugenden Nachweise für ausreichende Funktion vorhanden! Die Untersuchungen an der WKA Calbe/Saale durch Dr. G. Ebel haben gezeigt, dass die vertikale Leitwirkung eines geneigten Rechens nicht zu einer nennenswerten Effektivität eines oben liegenden Bypasses geführt hat
Zitat Vortrag Gluch vom Sept. 2009 in Grimma Fischschutz- und Fischabstiegs- Systeme (Ergebnisse 2008) Eine Leitung abstiegswilliger Fische nach oben mittels flacher gestelltem, herkömmlich senkrecht angeströmtem Rechen funktionierte gar nicht. Die seitliche Leitung abstiegswilliger Fische entlang schräg angeströmtem Leitrechen mit Bypassschacht (Fisch- und Treibgut- Ableiter) funktionierte gut für alle Arten und Größen und ist somit das derzeitig einzig genehmigungsfähige Fischschutz- und Fischabstiegssystem bei vergleichbaren Neuanlagen und räumlich möglichen EEG- bezogenen Umrüstungen an bestehenden Wasserkraftanlagen. (Die Feinoptimierung des Systems nach Erforschung artspezifischer Fisch- Verhaltensmuster und die Entwicklung funktionsfähiger Nachrüst- Systeme für räumlich begrenzte Altanlagen bleibt die anspruchsvolle Aufgabe zur Umsetzung von WRRL, FFH-RL und EG- Aal- Schutzverordnung in den Folgejahren.) Vortrag Arnd Gluch beim 3. Wanderfischsymposium in Grimma, Sept. 2009
Aber 2: (bei Schrägstellung des Rechens im Grundriss) Nur bei bestimmten geometrischen Randbedingungen schneiden die Stromlinien die Rechenstäbe unter einem schrägen Winkel. Optimum Realität v v n v t
Zuströmung mit Lehrschuss bzw. Bypass Lehrschuss nicht in Betrieb, keine oder schwache Wehrüberströmung Lehrschuss in Betrieb, keine oder schwache Wehrüberströmung
Längs angeströmter Rechen bei Wehrüberströmung ohne Lehrschussbetrieb; mit Wehrüberströmung
Fazit: Leitwirkung bei schräg oder längs stehenden Rechen Eine Leitwirkung ist nur zu erwarten, wenn die Stromlinien den Rechen schräg schneiden. Dies hängt von der Geometrie des Gerinnes im Vorfeld und im Nahbereich, der Abflussaufteilung und dem Betrieb eines Leerschusses oder eines Bypasses neben dem Rechen ab. In der Regel muss dazu viel Wasser am Kraftwerk vorbei geleitet werden. In vertikaler Richtung ist die Leitwirkung praktisch immer gegeben, aber nur für bestimmte Fischarten und mit nicht nachgewiesener Gesamtwirkung.
Schrägstellung: Geschwindigkeiten und Anpresskräfte Bei der Durchströmung der Rechengitter, die schräg zur Strömung stehen, wird allgemein davon ausgegangen, dass wegen der größeren Rechenfläche eine für den Fisch hilfreiche Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit auftritt. Dies ist leider ein irriger Trugschluss: 1. Eine Änderung der Strömungsrichtung tritt, wenn überhaupt, nur unmittelbar vor der Rechenoberfläche auf (1-2 cm davor). Das heißt, dass der in einem Abstand von 10 cm und mehr vor dem Rechen stehende Fisch, die gleiche Geschwindigkeit spürt, die auch vorliegen würde, wenn der Rechen nicht geneigt wäre. 2. Wenn ein Rechen hydraulisch sehr günstig ist, wird das Wasser mit geringen Richtungsänderungen durchgesetzt. Der Fisch spürt näherungsweise die gleiche Auflagekraft, die sich jedoch aus einer Normalkomponente und einer Tangentialkomponente zusammensetzt. Beispiel: Mensch liegt auf Dach. Die Wirkung für Haut und Schuppen ist im zweiten Fall nicht nennenswert besser.
Stromlinie beim Durchgang durch Fischschonrechen Gemessene Stromlinie beim Durchgang durch Fischschonrechen 54 34 14 z [mm] -6 0 50 100 150 200 250 300 350-26 -46-66 x [mm]
Passus aus Themenband Fischschutz und Fischabstieg Quelle: DWA- Themenband: Fischschutz- und Fischabstiegsanlagen, S.101, S.97, Hennef 2007
Zusammenhang Druckgradient und Normal-Komponenten Die Umlenkung der Stromfäden, die vermeintlich zu einer Verteilung des Durchflusses auf eine größere Fläche und zu geringeren Normalgeschwindigkeiten führt, wird durch den Druckgradienten aus der Beschleunigung oder Verlusten bewirkt. Damit ist eine Umlenkung in die Flächennormale nur möglich mit einer starken Druckabnahme, die wiederum zu hohen Druckdifferenzen am Fischkörper führt. Das heißt: Die entlastende Umlenkung der Stromlinien funktioniert nur mit belastenden Verlusthöhen! In der Summe ist durch Rechenneigung für den Fisch praktisch nichts gewonnen!
Stromlinien qualitativ bei unterschiedlichen Verlusthöhen Geringe Verluste Hohe Verluste
Zusammenfassung zur Schrägstellung Schrägstellung des Rechens bringt, rein hydraulisch gesehen, weder dem Fisch etwas, der vor dem Rechen steht, noch dem, der auf der Oberfläche liegt. Die geforderten geringen Geschwindigkeiten sind nur erreichbar, wenn nach der Regel v = Q/A die Fläche senkrecht zu den Stromlinien entsprechend groß gemacht wird. Das ist aber bei Neubauten teuer und im Bestand selten machbar! Die vektorielle Zerlegung der Zuströmgeschwindigkeit direkt am Rechen ist nicht möglich und nicht zulässig, da die genaue Richtung nicht bekannt ist und vom Rechenverlust abhängt. Die vektorielle Zerlegung der Kraft ist zulässig, sie bringt dem Fisch jedoch nichts, da ein geringer Rückgang der Normalkraft mit dem Auftreten einer beträchtlichen zusätzlichen Schubkraft verbunden ist.
Modellfisch zur Messung der Auflagekräfte
Definitionen Verlustbeiwert Kraftbeiwert Widerstandsbeiwer t Bezeichnungen: h W = = ς c w v 2g h 2 o ; ς = 2 2g vo A ρ 2 2W vo ; cw = 2 A ρ v h = Energiehöhendifferenz am Rechen [m] W = Widerstandskraft [N] Z = Verlustbeiwert [-] v o = Anströmgeschwindigkeit [m/s] g = Erdbeschleunigung = 9,80665 m/s 2 C w = Widerstandsbeiwert [-] A = Querschnittsfläche aus Anströmrichtung gesehen [m 2 ] ρ = Dichte des Mediums (= 1000 kg/m 3 ) 2 0
Auflagekraft in Abhängigkeit vom Verlustbeiwert 3,5 Widerstandsbeiwert der Auflagekraft cwr 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Klewa-Rechen Rechteckrechen Einsal-Rechen Fischschonrechen Freiwasser Stababstand: 20 mm Stababstand: 16,5 mm Stababstand: 12 mm y = 1,2632x + 0,501 R 2 = 0,9845 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Verlustbeiwert ζ des Rechens
Zusammenfassung An den Stellen, an denen sich gesunde Fische vor dem Rechen aufhalten, wird die Geschwindigkeit des Wassers durch die Schrägstellung des Rechens zur Strömung nicht verringert! Die vertikale Leitwirkung von geneigten Rechen ist in der Praxis wenn überhaupt, dann nur für bestimmte Fischarten nachgewiesen! Die Leitwirkung an Horizontalrechen ist stark von der Geometrie des Anströmfeldes und der Strömungsaufteilung abhängig. Die den Fisch leitende Längskomponente gibt es meist nur, wenn größere Durchflüsse am Rechen vorbei fließen (zu Wehr, Leerschuss o.ä.). Die Auflagekraft ist sehr stark von der Verlusthöhe abhängig. Ein verlustarmer Rechen hilft dem Fisch viel mehr als eine Neigung. Bei verlustarmen Rechen kann die Auflagekraft kleiner sein als der Strömungswiderstand im Freiwasser.