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Einleitung
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Die Erfindung betrifft eine Fischaufstiegsanlage zur Überwindung eines Wanderhindernisses in einem Fließgewässer, mit einem lang gestreckten, von einem Oberwasser zu einem Unterwasser verlaufenden Kanal mit gegenüberliegenden Seitenwänden und jeweils in einem Abstand zueinander in dem Kanal angeordneten Trennwänden, wobei von den Seitenwänden und zwei benachbarten Trennwänden jeweils ein Becken begrenzt ist, wobei zwischen jeder Trennwand und einer Seitenwand ein Strömungsquerschnitt besteht, der sich jeweils ausgehend von einer Krone der Trennwand in Richtung auf eine Sohle des Kanals erstreckt, und die Trennwände abwechselnd an die eine und die andere Seitenwand angrenzen und zu einer Längsrichtung des Kanals schräg gestellt sind, wodurch die Becken in der Draufsicht die Form eines Trapezes oder Dreiecks besitzen.
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Stand der Technik
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Wasserbauwerke, wie beispielsweise Wasserkraftwerke, stellen insbesondere für Wanderfische ein unüberwindbares Hindernis dar, das die Anordnung von Fischaufstiegsanlagen erfordert. Um zu gewährleisten, dass die Fischaufstiegsanlagen auch tatsächlich von den Fischen genutzt werden, muss zum einen die unterwasserseitige Auffindbarkeit des Einstiegs und zum anderen die Passierbarkeit der Fischaufstiegsanlage garantiert werden.
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Bei dem sogenannten Vertikal-Schlitz-Pass handelt es sich um eine bekannte Fischaufstiegsanlage, die aus einem rechteckigen, meist aus Beton gefertigten Kanal besteht, der entsprechend des zu überwindenden Höhenunterschieds geneigt ist. Zur Ermöglichung der Fischwanderung ist das Gerinne des Kanals mittels Trennwänden in einzelne Becken unterteilt, die – dem Sohlengefälle folgend – höhenmäßig gestaffelt angeordnet sind, wobei die Becken zur Erreichung der gewünschten hydraulischen Bedingungen ein bestimmtes Breiten zu Längen Verhältnis aufweisen. In den Trennwänden werden in Fließrichtung jeweils auf der gleichen Seite in der Nähe einer Seitenwand vertikale Schlitze vorgesehen, durch die das Wasser von Becken zu Becken strömt, wobei sich die Schlitzweite nach der Körpergröße der erwarteten Fischarten richtet. Um den Vertikal-Schlitz-Pass für Fische passierbar zu machen, wird unterhalb jedes Schlitzes an der Seitenwand ein Umlenkblock vorgesehen, der verhindert, dass das Wasser ungestört- und somit schnell – entlang der Seitenwand zum nächsten Schlitz fließt. Durch die Anordnung des Umlenkblocks wird der Wasserstrahl aus dem jeweils oberhalb gelegenen Schlitz diagonal durch das Becken geleitet, wodurch möglichst viel von der in der Strömung des Wassers enthaltenen Energie abgebaut werden soll. Des Weiteren wird an der Trennwand unmittelbar vor dem Schlitz eine Nase angeordnet, die verhindert, dass in die Ecke geleitetes Wasser bei seiner Strömung zum nächsten Becken, die entlang der Trennwand erfolgen muss, für die aufwandernden Fische als unmittelbare Querströmung wirkt.
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Nachteil des Vertikal-Schlitz-Passes ist jedoch, dass sich – bedingt durch die vorbeschriebenen Strömungsverhältnisse – im Wanderkorridor der Fische in der Nähe der Seitenwand, an der sich die Schlitze befinden, eine Rückströmung ausbildet, die die Orientierung der Fische behindert und damit die Passierbarkeit der Fischaufstiegsanlage beeinträchtigt.
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Eine weitere aus dem Stand der Technik bekannte Fischaufstiegsanlage ist der Rhomboid-Pass, der im Unterschied zu dem Vertikal-Schlitz-Pass schräg zur Beckenachse verlaufende und in Fließrichtung geneigte Trennwände besitzt. Da die Schrägstellung der Trennwände zur Beckenachse bei aufeinanderfolgenden Wänden gegenläufig ist, haben die einzelnen Becken jeweils die Form eines Trapezes mit einer kurzen und einer langen Seite. Die Trennwände weisen jeweils an ihrem oberen Ende ein an der Sohle befindliches Schlupfloch auf, durch das der Fisch schwimmend in das nächste, höher gelegene Becken aufsteigen kann. Ferner ist am unteren Ende der Trennwand jeweils ein Kronenausschnitt vorgesehen, wobei Schlupfloch und Kronenausschnitt oftmals annähernd gleiche Abmessungen aufweisen. Auch bei dem Rhomboid-Pass entstehen Querströmungen im Wanderkorridor, die die Orientierung der Fische beeinträchtigen können.
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Aufgabe
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Folglich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fischaufstiegsanlage bereit zu stellen, bei der der Wanderkorridor mit möglichst gleichgerichteten Strömungsfäden ohne Rückströmung und ohne wesentliche Turbulenzen durchströmt wird.
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Lösung
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Ausgehend von der eingangs beschriebenen Fischaufstiegsanlage wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass – jeweils in Längsrichtung des Kanals betrachtet – der einen Einströmungsquerschnitt bildende Strömungsquerschnitt eines Beckens an einem dem Oberwasser zugewandten Ende des Beckens und ein einen Ausströmungsquerschnitt bildender Strömungsquerschnitt dieses Beckens sich in der Mitte des Beckens befindet.
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Durch diese Anordnung von Einströmungsquerschnitt und Ausströmungsquerschnitt wird erreicht, dass der gesamte Durchfluss der Fischaufstiegsanlage aufgeteilt wird in einen Anteil, in dem die energetische Dissipation erfolgt, und einen Anteil mit gleichmäßiger Strömung, wobei der Wanderkorridor innerhalb der gleichmäßigen Strömung verläuft. Ausgehend von dem Einströmungsquerschnitt an dem dem Oberwasser zugewandten Ende (oberes Ende) des Beckens strömt das Wasser zunächst über die längere der beiden Seitenwände des Beckens und stößt auf die Trennwand, die in diesem Bereich einen spitzen Winkel mit der Seitenwand einschließt. Hierdurch wird bereits ein großer Anteil an Energie dissipiert. Um zu dem Ausströmungsquerschnitt des Beckens zu gelangen, der – in Strömungsrichtung des Wassers – auf mittlerer Höhe des Beckens liegt, muss das Wasser folglich in die der Strömung entgegengesetzte Richtung, also in Richtung Oberwasser – entlang der Trennwand fließen, wodurch abermals Energie dissipiert wird. Zwar können in dem Eckbereich des Beckens, in dem die Trennwand mit der Seitenwand einen spitzen Winkel einschließt, Verwirbelungen des Wassers auftreten, jedoch reichen diese nicht in den Bereich des Wanderkorridors und sind somit nicht nachteilig für die Strömungsverhältnisse in dem Becken.
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Teilt man das Becken über die Diagonale, die von dem oberen zu dem unteren Kronenausschnitt reicht, so wird das Becken in zwei Dreiecke geteilt, von denen in dem Dreieck mit der längeren Seitenwand des Beckens die energetische Dissipation erfolgt und in dem Dreieck mit der kürzeren Seitenwand des Beckens eine langsame und gleichmäßige Strömung vorliegt.
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Kern der erfindungsgemäßen Fischaufstiegsanlage ist also, dass das von einem oberen Becken in ein benachbartes unteres Becken einströmendes Wasser einen weiten Weg zurücklegen muss, um den Ausströmungsquerschnitt des Beckens zu erreichen.
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Besonders gute Strömungsverhältnisse in den einzelnen Becken werden erzielt, wenn die Trennwände einen Winkel zwischen 20° und 80° mit der Längsrichtung des Kanals einschließen. Vorzugsweise liegt dieser Winkel zwischen 30° und 70° und weiter vorzugsweise zwischen 40° und 60°.
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Bezüglich der Strömungsquerschnitte, die sich jeweils ausgehend von der Krone der Trennwand in Richtung auf die Sohle des Kanals erstrecken und somit als Kronenausschnitte ausgebildet sind, ist es vorteilhaft, wenn sich diese mindestens über 80% der Höhe der Trennwand erstrecken.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Fischaufstiegsanlage sieht sogar vor, dass die Strömungsquerschnitte schlitzförmig sind und sich bis zu der Sohle des Kanals erstrecken. Demzufolge können die Trennwände kürzer ausgebildet werden, so dass sie jeweils nur an einer der beiden Seitenwände des Kanals anstoßen und ein Freiraum zu der gegenüberliegenden Seitenwand verbleibt.
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Um die Strömungsverhältnisse weiter zu optimieren, kann es vorgesehen sein, dass sich in jedem Becken eine Lenkungseinrichtung befindet, die in einem Abstand zu der an den Einströmungsquerschnitt angrenzenden Trennwand angeordnet ist, und die durch den Einströmungsquerschnitt eintretende Strömung zum einen auf einen Wanderkorridor für die Fische und zum anderen auf einen Leistungsabbaubereich aufteilt, wobei sich der Wanderkorridor zwischen der Lenkungseinrichtung und der an den Einströmungsquerschnitt angrenzende Trennwand befindet, und der Leistungsabbaubereich von der Lenkungseinrichtung, einer Seitenwand des Kanals und der an den Ausströmungsquerschnitt angrenzenden Trennwand des jeweiligen Beckens begrenzt ist.
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Dabei kann eine Lenkungseinrichtung von mindestens einem Lenkungselement in Form eines dreieckförmigen Körpers oder einer Mehrzahl von Säulen oder Lamellen gebildet sein.
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Vorteilhafterweise ist mindestens eine Lenkungseinrichtung einstellbar, wodurch die dem Wanderkorridor einerseits und dem Leistungsabbaubereich andererseits zugeordneten Strömungsanteile variierbar sind. Mittels der Einstellung der Lenkungseinrichtung können die Strömungsverhältnisse insbesondere bei wechselndem Füllungsgrad der Fischaufstiegsanlage auf einfache Weise angepasst werden.
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Um eine möglichst geordnete und rückströmungsfreie Anströmung des Ausströmungsquerschnitts zu erzielen, kann es von Vorteil sein, wenn jede Trennwand angrenzend an den Ausströmungsquerschnitt eine Rückleitungseinrichtung aufweist, vorzugsweise in Form einer Verdickung mit einem tragflügelartigen Querschnitt, der kontinuierlich auf den Ausströmungsquerschnitt hin zunimmt und eine an den Ausströmungsquerschnitt angrenzende Abrundung aufweist.
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Alternativ kann die Rückleitungseinrichtung auch als ein unter einem rechten Winkel zu der Trennwand verlaufender Wandabschnitt ausgebildet sein, der vorzugsweise an eine dem Ausströmungsquerschnitt des Beckens begrenzende Kante der Trennwand anschließt und sich über die gesamte Höhe der Trennwand erstreckt.
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Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Fischaufstiegsanlage weisen die Becken in einem dem Einströmungsquerschnitt gegenüberliegenden Endbereich Energiedissipationselemente, vorzugsweise in Form von rauen Oberflächenabschnitten der jeweiligen Seitenwand und/oder Trennwand oder in Form von Bürstenborsten oder reihenartig angeordneten Pfählen oder Stäben auf. Auf diese Weise wird der Leistungsabbaubereich noch effektiver gestaltet.
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Um sohlennah eine beruhigte Strömung zu erzeugen, kann die Sohle des Kanals, vorzugsweise über ihre gesamte Länge, mit einer Schüttung aus Wasserbausteinen versehen sein.
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Es ist möglich, die Trennwände derart zu gestalten, dass sie im Betrieb der Fischaufstiegsanlage zumindest über einen Abschnitt der Länge ihrer Krone überströmt sind.
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Ferner kann es in bestimmten Fällen sinnvoll sein, dass in den Trennwänden sohlennah jeweils mindestens ein Schlupfloch für wandernde Fische vorhanden ist, durch die ebenfalls ein Teilabfluss geleitet wird.
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Zwar sind die Trennwände in der Regel vertikal ausgerichtet und besitzen somit eine horizontal verlaufende Krone, jedoch ist es ebenfalls denkbar, dass die Trennwände unter einem Winkel zur Vertikalen angeordnet sind, wobei der Winkel vorzugsweise zwischen 0° und 45° beträgt.
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Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Figuren dargestellt sind.
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Es zeigt:
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1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Fischaufstiegsanlage und
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2 eine dreidimensionale Darstellung der Fischaufstiegsanlage aus 1.
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Fischaufstiegsanlage 1 in einer Draufsicht und in der 2 in einer dreidimensionalen Ansicht dargestellt, wobei in der 2 eines besseren Überblicks halber auf die Darstellung einer Wandung verzichtet wurde. Die gezeigte Fischaufstiegsanlage 1 besteht aus einem Kanal 2, der sich aus zwei parallel zueinander verlaufenden Seitenwänden 3 aus Beton und einer ebenfalls aus Beton hergestellten Sohle 4 zusammensetzt, und aus in dem Kanal 2 angeordneten Trennwänden 5. Die Trennwände 5 sind jeweils schräg zu der Längsrichtung des Kanals 2 gestellt und schließen jeweils einen spitzen Winkel α von etwa 30° mit einer der beiden Seitenwände 3 ein, wobei die Trennwände 5 abwechselnd an die eine oder die andere Seitenwand 3 stoßen. Auf diese Weise wird der Kanal 2 in hintereinander liegende Becken 6 unterteilt, die in der Draufsicht dreieckförmig beziehungsweise leicht trapezförmig sind, wobei sich ein jeweils durch einen Abstand a zwischen einer Trennwand 5 und einer der Seitenwände 3 geformter Strömungsquerschnitt 7 abwechselnd an der einen und der anderen Seitenwand 3 befindet, so dass sich ein Einströmquerschnitt 7E, durch den das Wasser in ein Becken 6 gelangt, und ein Ausströmungsquerschnitt 7A, durch den das Wasser aus einem Becken 6 fließt, immer an gegenüberliegenden Seitenwänden 3 befinden. Andererseits entspricht der Ausströmungsquerschnitt 7A eines Beckens 6 dem Einströmungsquerschnitt 7E eines in Strömungsrichtung dahinter befindlichen Beckens 6.
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Bedingt durch einen zu überwindenden Höhenunterschied, der sich durch die Differenz eines am rechten Rand der 1 befindlichen Oberwassers OW und eines am linken Rand der 1 befindlichen Unterwassers UW ergibt, weist die Fischaufstiegsanlage 1 ein entsprechendes Gefälle auf. Während die Fließrichtung des die Fischaufstiegsanlage 1 durchströmenden Wassers in die durch die Pfeile 8 angedeutete Gefällerichtung verläuft, wandern die Fische in die entgegengesetzte Richtung, also in Richtung Oberwasser OW.
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Wie in den Figuren gezeigt, liegt der Einströmungsquerschnitt 7E der einzelnen Becken 6 in Längsrichtung des Kanals 2 betrachtet immer jeweils an dem dem Oberwasser OW zugewandten Ende des Beckens 6, wohingegen sich der Ausströmungsquerschnitt 7A der einzelnen Becken 6 immer in der Mitte des Beckens 6 befindet. Insbesondere aus 2 geht hervor, dass sich die Strömungsquerschnitte 7 jeweils von einer Krone 9 der Trennwand 5 bis zu der Sohle 4 des Kanals 2 erstrecken.
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Durch diese erfindungsgemäße Anordnung der Trennwände 5 wird erreicht, dass das einströmende Wasser in zwei Anteile aufgeteilt wird und zwar in einen durch einen Pfeil 10 dargestellten Anteil, in dem eine energetische Dissipation erfolgt und einen durch einen Pfeil 11 dargestellten Anteil, in dem die Strömung gleichmäßig erfolgt. Der Bereich der Becken 6, in dem die Energie des Wassers reduziert wird, bildet den Leistungsabbaubereich 12 und der Bereich, in dem das Wasser gleichmäßig strömt, bildet den Wanderkorridor 13 für die Fische.
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Ausgehend von dem Einströmungsquerschnitt 7E fließt das Wasser im Leistungsabbaubereich 13 zunächst entlang der unmittelbar angrenzenden Seitenwand 3, die gleichzeitig die längste Seite des Beckens 6 darstellt, bis es auf die nächste Trennwand 5 stößt, die einen spitzen Winkel α mit der Seitenwand 3 einschließt. Um aus dem Becken 6 zu gelangen, muss das Wasser nun – wie durch einen Pfeil 14 dargestellt – entlang der Trennwand 5 in die der Strömung entgegengesetzte Richtung fließen, bis es an den im mittleren Bereich des Beckens 6 befindlichen Ausströmungsquerschnitt 7A gelangt. Dadurch, dass das Wasser nur über einen beachtlichen Umweg von einem Becken 6 in das nächste Becken 6 gelangt, wird ein großer Anteil an Energie dissipiert. Der im Wanderkorridor 13 fließende Anteil des Wassers verläuft entlang der unmittelbar an dem Einströmungsquerschnitt 7E befindlichen Trennwand 5, die kurz vor dem Einströmungsquerschnitt 7E des nächsten Beckens 6 endet.
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Um die Strömungsverhältnisse der Fischaufstiegsanlage 1 weiter zu verbessern, sind in der Nähe der Einströmungsquerschnitte 7E jeweils verschiedenartige Lenkungseinrichtungen 15 angeordnet, die das einströmende Wasser auf den Leistungsabbaubereich 12 und den Wanderkorridor 13 aufteilt. In einem Becken 6 wird als Lenkungseinrichtung 15 eine Säule 16 verwendet, wohingegen in dem nächsten Becken 6 eine einstellbare Lenkungseinrichtung 15 in Form einer drehbar gelagerten Platte 17 eingebaut ist. Durch die Einstellbarkeit der letztgenannten Platte 17 sind die dem Leistungsabbaubereich 12 einerseits und dem Wanderkorridor 13 andererseits zugeordneten Strömungsanteile einstellbar. Ebenfalls in den Figuren gezeigt, ist eine Lenkungseinrichtung 15 in Form von Lamellen 18.
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Die Trennwände 5 der gezeigten Fischaufstiegsanlage 1 weisen auf ihrem den Ausströmungsquerschnitten 7A zugewandten Enden jeweils eine Rückleitungseinrichtung 19 in Form einer Verdickung 20 auf, die zum Ausströmungsquerschnitt 7A hin abgerundet ist. Das dem Ausströmungsquerschnitt 7A zugewandte Ende besitzt somit einen tragflügelartigen Querschnitt. Die Rückleitungseinrichtung 19 sorgt für eine möglichst gleichmäßige Anströmung des Ausströmungsquerschnitts 7A des zugehörigen Beckens 6.
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Schließlich ist die erfindungsgemäße Fischaufstiegsanlage 1 in ihren Leistungsabbaubereichen 12 noch mit Energiedissipationselementen 21 ausgestattet, die sich insbesondere im Bereich des spitzen Winkels α, den die Trennwände 5 mit den Seitenwänden 3 einschließen, befinden. Eine erste dargestellte Form von Energiedissipationselementen 21 besteht aus Bürstenborsten 22, die entlang eines Teils der Seitenwand 3 sowie der Trennwand 5 angebracht sind. Ferner werden die Energiedissipationselemente 21 in einem Becken 6 aus einer Art Trapezblech 23 gebildet, die die Oberflächen der Seitenwand 3 und der Trennwand 5 aufraut. Schließlich ist in den Figuren noch eine dritte Art von Energiedissipationselementen 21 gezeigt, die sich aus in Reihen angeordneten Stäben 24 zusammensetzen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fischaufstiegsanlage
- 2
- Kanal
- 3
- Seitenwand
- 4
- Sohle
- 5
- Trennwand
- 6
- Becken
- 7
- Strömungsquerschnitt
- 7E
- Einströmungsquerschnitt
- 7A
- Ausströmungsquerschnitt
- 8
- Pfeil
- 9
- Krone
- 10
- Pfeil
- 11
- Pfeil
- 12
- Leistungsabbaubereich
- 13
- Wanderkorridor
- 14
- Pfeil
- 15
- Lenkungseinrichtungen
- 16
- Säule
- 17
- Platte
- 18
- Lamelle
- 19
- Rückleitungseinrichtung
- 20
- Verdickung
- 21
- Energiedissipationselemente
- 22
- Bürstenborsten
- 23
- Trapezblech
- 24
- Stab
- OW
- Oberwasser
- UW
- Unterwasser
- a
- Abstand
- α
- Winkel
