Schaffung der Fisch-Durchgängigkeit am Ruhr-Wehr Badleney, Essen 1

Schaffung der Fisch-Durchgängigkeit am Ruhr-Wehr Baldeney, Essen

Hermann Knotte und Andreas Hoffmann

Abstract

The carried out plannings and investigations have showed, that:

the area in front of the repump station could be found by fishes and is therefore

suited as an entrance area;

the Hydro-Fishlift has proved as basically functioning in the ethohydraulic model;

the fish lifts in combination with a pre-chamber guarantee a continuous fish migra-

tion and

with the “fish lift system Baldeney” a development variation was found which can

guarantee efficient upstream fish migration and is economically representable at

the same time under economic points of view.

Zusammenfassung

Die durchgeführten Planungen und Untersuchungen haben gezeigt, dass:

der Bereich vor dem Rückpumpbauwerk von Fischen aufgesucht wird und sich

damit als Einstiegsbereich eignet;

sich der Hydro-Fischlift im situativ ähnlichen ethohydraulischen Modell als grund-

sätzlich funktionsfähig erwiesen hat;

die Fischlifte in Kombination mit einer Vorkammer eine kontinuierliche Durchgän-

gigkeit gewährleisten und

mit dem Fischliftsystem Baldeney eine Entwicklungsvariante gefunden wurde, die

eine effiziente aufwärtsgerichtete Durchgängigkeit gewährleisten kann und gleich-

zeitig unter ökonomischen Gesichtspunkten wirtschaftlich darstellbar ist.

1 Hintergrund und Ziel

Die Stauanlage Baldeney ist mit einer Gewässeroberfläche von 2,64 km² und einer

Stauhöhe von 8,7 m der größte Flussstau in der Ruhr. Die in den Jahren 1931 bis 1933

gebaute Stauanlage diente in der Vergangenheit in erster Linie als Flusskläranlage.

Heute ist der See ein Freizeit- und Naherholungsraum für die Region Essen und dient

zudem der Energieerzeugung durch eine vom Energiekonzern RWE betriebene Was-

2 H. Knotte und A. Hoffmann

serkraftanlage. Die Stauanlage selbst besteht aus mehreren funktionalen Komponen-

ten, welche in Abbildung 1 dargestellt sind.

Abb. 1: Die Stauanlage Baldeney / Ruhr mit ihren Komponenten (Luftbild: google earth 28.11.2014)

An der vom Ruhrverband betriebenen Stauanlage soll gemäß den Vorgaben des deut-

schen Wasserhaushaltsgesetzes (WHG) und der Europäischen Wasserrahmenrichtli-

nie (EU-WRRL) die (Fisch-) Durchgängigkeit am Wehr hergestellt werden.

Ziel ist es, für die Referenz-Fischarten, die in der Ruhr entsprechend der dortigen Ge-

wässerausprägung zu erwarten sind, an der Stauanlage eine Wandermöglichkeit zwi-

schen Unter- und Oberwasser zu schaffen.

2 Lösungsweg

Zur Erreichung dieses Ziels sollte in einem ersten Schritt geprüft werden, wie die auf-

wärtsgerichtete Fischdurchgängigkeit entwickelt werden kann. Dazu hatte der Ruhr-

verband in den Jahren 2010/2011 an ein Planungsbüro den Auftrag vergeben, für die-

sen Standort konzeptionell verschiedene Varianten zur Herstellung der Fischdurch-

gängigkeit zu erarbeiten. Eine konsensfähige Lösung, die unter fischökologischen

Gesichtspunkten ein hohes Maß an Effizienz gewährleistet und auch unter ökonomi-

schen Gesichtspunkten wirtschaftlich vertretbar ist, wurde dabei nicht gefunden. Aller-

dings wurde der Bereich des Rückpumpwerkes als möglicher Standort für einen tech-

nischen Aufstieg bereits bei den Varianten berücksichtigt. Wesentliche Schwierigkeiten

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lagen sowohl in der begrenzten Flächenverfügbarkeit am Standort als auch im großen

Wasserspiegelunterschied von knapp neun Metern, den es zu überwinden gilt.

Ab dem Jahr 2012 hat der Ruhrverband die Lösungssuche in Abstimmung mit den

Fachbehörden und unter Beteiligung einer transdisziplinären Arbeitsgruppe wieder

aufgenommen. Um Grundlagen für die Entwicklung neuer Entscheidungswege hin-

sichtlich der komplexen Fragestellungen zu haben, wurden u. a. Datenerhebungen und

Untersuchungen mit dem Ziel durchgeführt, Aussagen zur klein- und großräumigen

Auffindbarkeit von Teilbereichen des Unterwassers treffen zu können. Auf Basis eines

hoch aufgelösten numerischen Modells erfolgte die Analyse der Strömungssituation im

Unterwasser der Stauanlage bei unterschiedlichen hydrologischen Abflussszenarien

sowie Betriebszuständen der Wasserkraftanlage. Zudem wurden neue Erkenntnisse

zum Fischverhalten vor den Turbinenausläufen aus Freilandbeobachtungen (Sonar,

Befischung) genutzt.

Die nachfolgende Abbildung stellt die gesamte Projekthistorie mit den einzelnen Unter-

suchungsgegenständen und Arbeitspaketen graphisch dar. Die Abbildung 3 gibt die

projektbeteiligten Institutionen wider.

Abb. 2: Arbeitspakete und Untersuchungsgegenstände zur Planung der stromaufwärts gerichteten Fisch-

durchgängigkeit an der Stauanlage Baldeney / Ruhr

4 H. Knotte und A. Hoffmann

Abb. 3: Projektbeteiligte Institutionen

3 Zielvariante mit Fischliftsystem

Aus den verschiedenen Untersuchungen resultierte schließlich die Empfehlung, ein

neuartiges Fischliftsystem mit spezieller Vorkammer am bzw. im alten Rückpumpwerk

zu positionieren. Die Positionierung der FAA resultierte u. a. aus speziellen Untersu-

chungen zur klein- und großräumigen Auffindbarkeit im Unterwasser der Stauhaltung.

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Zentrale Forderung an dieses System ist dabei eine kontinuierliche Betriebsweise des

Fischaufstieges.

Der von der Firma Hydro-Energie Roth GmbH (Karlsruhe) gemeinsam mit der

Fa. Georg Baumann (Wangen) entwickelte „Hydro-Fischlift“ wurde zu einem Fischlift-

system, bestehend aus zwei alternierend betriebenen Fischliften sowie einer unter-

stromig angeordneten Vorkammer, weiterentwickelt. Es soll den im Unterwasser der

Wehranlage ankommenden Fischen eine kontinuierliche Aufstiegsmöglichkeit ins

Oberwasser gewährleisten. Die zylinderförmigen Lifte werden hierzu befüllt (bzw. ent-

leert) während die innenliegenden Schwimmkolben mit ansteigendem Wasserstand

hydraulisch angehoben (bzw. gesenkt) werden. Für einen effizienten Ein- und Ausstieg

werden die Kolben in der unteren und oberen Endposition horizontal durchströmt. Zur

Verstärkung der Leitwirkung im Einstiegsbereich der unteren Vorkammer erfolgt eine

Zuleitung zusätzlicher Wassermengen.

Nachfolgend wird der grundsätzliche Funktionsablauf an einem Fischlift dargestellt.

Einschwimmphase:

Der Einströmdämpfer führt das Wasser in den Schwimmkolben.

Der Schwimmkolben wird horizontal durchströmt.

Der Einstieg im Unterwasser ist geöffnet, Wasser strömt aus.

Aufstiegsphase:

Der Einströmdämpfer führt das Wasser in den Schwimmkolben.

Der Einstieg im Unterwasser ist geschlossen.

Der Wasserstand in der Zylinderkammer mit vmax ≈ 51 m³ steigt an.

Der Schwimmkolben wird in ≥ 3 Minuten angehoben.

Ausschwimmphase:

Der Einströmdämpfer ist geschlossen.

Der Ausstieg im Oberwasser ist geöffnet.

Das horizontal einströmende Wasser wird vertikal zum Ringüberfall geleitet.

Absenkphase:

Der Einströmdämpfer ist geschlossen.

Der Ausstieg im Oberwasser ist geschlossen.

Die Kammerentleerung ist geöffnet.

Der Wasserstand in der Zylinderkammer sinkt ab.

6 H. Knotte und A. Hoffmann

Da es sich bei dem Hydro-Fischlift in NRW um eine Fischaufstiegs-Sonderbauweise

handelt, muss entsprechend der geltenden Erlasslage mittels geeigneter Untersuchun-

gen die Funktionalität nachgewiesen werden.

Abbildung 4 skizziert die Adaption des Fischliftsystems an die Anlage Baldeney sche-

matisch. Abbildung 5 verdeutlicht die Funktion des Systems.

Abb. 4: Integration der „Hydro-Fischlifte“ in das Rückpumpbauwerk an der Stauanlage Baldeney

(KIT, Planungsstand: 2014)

Abb. 5: Hydro-Fischlift in Einstiegsposition (links), Transferbetrieb (Mitte) und Ausstiegsposition (rechts)

(Quelle: HE Roth GmbH 2013)

Hydro-

Fischlifte

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4 Situativ-ähnliches Modell und Untersuchungsergebnisse

Die Untersuchungen zur Funktionalität wurden im ethohydraulischen Versuchsstand

des Theodor-Rehbock-Laboratoriums des Instituts für Wasser und Gewässerentwick-

lung (IWG) am KIT durchgeführt.

Aufbauend auf der Grundlage der Ergebnisse verschiedener vorhergehender und be-

gleitender Untersuchungen (hydrodynamisch-numerische Strömungsanalysen und

Aufnahme von Strömungssignaturen und -werten mittels hydrometrischer Messungen

an einem konventionellen wasserbaulichen Modell der Anlage im Maßstab 1:3) wurde

das situativ-ähnliche ethohydraulische Modell des Hydro-Fischliftes im Wasserbaulabor

konzipiert (Abb. 6).

Die ethohydraulischen Untersuchungen, welche mit den für den Standort Baldeney

relevanten Fischarten durchgeführt wurden, fanden im Jahr 2014 im Karlsruher Was-

serbaulabor statt.

Abb. 6: Ethohydraulischer Versuchsaufbau des situativ-ähnlichen Hydro-Fischliftmodells im Karlsruher Was-

serbaulabor

Der zentrale Untersuchungsgegenstand der ethohydraulischen Untersuchungen war

der Nachweis, dass die Fische den Einstieg in den Hydro-Fischlift finden, in diesen

einschwimmen und nach der Liftphase im Oberwasser auch wieder aus dem Lift aus-

schwimmen. Zudem wurde untersucht, ob das Einschwimmverhalten der Fische beein-

flusst werden kann, wenn eine zusätzliche Wasserdotation über Seitenwände in die

Vorkammer des Liftes gegeben wird. Das zusätzliche Wasser sollte dabei für eine

verbesserte Leitströmung im Unterwasser der Vorkammer sorgen.

Die Ergebnisse belegen, dass alle getesteten Fischarten in den Hydro-Fischlift ein-

schwimmen und kein Meideverhalten zeigen.

Als Richtwert für eine attraktive Strömungsgeschwindigkeit, bei der ein ausgeprägtes

Einschwimmverhalten nachgewiesen werden konnte, kann ein Wert von 0,5 m/s ange-

geben werden.

Zudem konnte nachgewiesen werden, dass die Akzeptanz der Fische bezüglich des

Einschwimmens in den Lift art- und altersunabhängig ist.

8 H. Knotte und A. Hoffmann

In Bezug auf das Ausschwimmverhalten zeigen die Ergebnisse, dass alle Fischarten,

die in den Lift eingeschwommen sind, diesen auch wieder verlassen haben.

Abbildung 7 dokumentiert exemplarisch das Ein- und Ausschwimmverhalten der Tiere

während der ethohydraulischen Tests. Tabelle 1 gibt eine Übersicht über die Testarten,

die den Einstieg in den Fischlift angenommen und den Ausstieg genutzt haben.

Abb. 7: In das Fischlift-Modell einschwimmende Döbel (links) und im „Oberwasser“ ausschwimmende Bras-

sen und Barbe (rechts)

Tab. 1: Übersicht der im ethohydraulischen Versuch eingesetzten Fischarten

Die Befunde der ethohydraulischen Untersuchungen zum Fischverhalten bei aktivierter

Zusatzdotation von Wasser über die Seitenwände in die Vorkammer ergeben, dass

das Einschwimmverhalten der Fische dadurch nicht beeinträchtigt wird.

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Somit besteht bei dem System grundsätzlich die Möglichkeit durch Zugabe von Dotati-

onswasser in die Vorkammer, die Leitströmung aus der Vorkammer hinaus zu beein-

flussen und damit die Auffindbarkeit des Vorkammereinstiegs in situ zu optimieren.

5 Literatur

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veröffentlichtes Gutachten im Auftrag des Ruhrverbands, Essen

BUGeFi – Büro für Umweltplanung, Gewässermanagement und Fischerei (2013):

Fischökologisches Gutachten als Beitrag zur Vorentwurfsplanung hinsichtlich des Baus

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Unveröffentlichtes Gutachten im Auftrag des Ruhrverbands, Essen

BUGeFi – Büro für Umweltplanung, Gewässermanagement und Fischerei (2014): Ab-

schlussbericht: Schaffung der Fisch-Durchgängigkeit am Ruhr-Wehr Baldeney, Essen.-

Unveröffentlichtes Gutachten im Auftrag des Ruhrverbands, Essen

DWA (2014): Merkblatt DWA-M 509 „Fischaufstiegsanlagen und fischpassierbare

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Machbarkeitsstudie.- Unveröffentlichtes Gutachten im Auftrag des Ruhrverbands, Es-

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KIT – Karlsruher Institut für Technologie (2012): Untersuchungen zur Positionierung

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tes Gutachten im Auftrag des Ruhrverbands, Essen

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Unterwassers am Stauwehr Baldeneysee.- Unveröffentlichtes Gutachten im Auftrag

des Ruhrverbands, Essen

10 H. Knotte und A. Hoffmann

LFV Hydroakustik GmbH & BUGeFi (2012): Untersuchungen zur Positionierung einer

neuen Fischaufstiegseinrichtung am Stauwehr Baldeney/Ruhr – ADCP-Messungen.-

Unveröffentlichtes Gutachten im Auftrag des Ruhrverbands, Essen

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Verbraucherschutz des Lands Nordrhein-Westfalen (2012b): Erlass vom 02.11.2012

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MKULNV NRW – Ministerium für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und

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schungs- und Entwicklungsprojekt im Auftrag von RWE Innogy, finanziert durch die

Bezirksregierung Düsseldorf, fachlich begleitet durch MKULNV, LANUV NRW, Bezirks-

regierung Köln, bearbeitet durch das Büro für Umweltplanung, Gewässermanagement

und Fischerei (BUGeFi), die LFV Hydroakustik GmbH, die Ludwig-Maximilians-

Universität München, jTi-Soft und den Ruhrverband

Anschrift der Verfasser

Dipl.-Ing. Hermann Knotte

Ruhrverband

Betriebsleitung Talsperren und Stauseen

Kronprinzenstraße 37

45128 Essen

Dr. Andreas Hoffmann

Büro für Umweltplanung, Gewässermanagement und Fischerei

Krackser Straße 18 b

33659 Bielefeld