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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Transferierung von Sediment in einem Gewässer, wobei das Gewässer Teil eines Wasserweges ist, in welchen sich eine Wasserkraftanlage oder ein Trinkwasserreservoir befinden kann. Dabei umfasst das Gewässer in der Regel ein Staubecken.
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Die
WO 2019/161996 A1 offenbart ein Verfahren für eine Transferierung von Sediment in Gewässern, wobei es sich um Staubecken von Wasserkraftwerken, wie z.B. Pumpspeicherkraftwerken, handeln kann. Dabei wird Sediment über eine Saugleitung über ein Aufnahmemittel zur Aufnahme von Sediment und eine Druckleitung zur Transferierung des aufgenommenen Sedimentes vom Grund des Gewässers aufgenommen und an einen anderen Ort transferiert. In einigen der beschriebenen Ausführungsformen wird das Sediment in die Nähe eines Ablassorgans oder in das Ablassorgan des Gewässers selbst transferiert. Dabei kann das Ablassorgan mit einer Kraftwerkseinheit, beispielsweise einer Turbine verbunden sein. Letztlich gelangt das Sediment in ein Unterwasser. Ferner wird bei der Transferierung mit Hilfe einer Messvorrichtung die Konzentration des transferierten Sediments gemessen, und die Konzentration so eingestellt, dass sich im Unterwasser naturnahe Bedingungen einstellen.
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Der Erfinder hat erkannt, dass es bei dem in der
WO 2019/161996 A1 offenbarten Verfahren in einigen Ausführungsformen zu einer Verschlechterung der Wasserqualität im Unterwasser kommen kann, da das aufgenommene Sediment-Wasser-Gemisch oftmals wenig oder keinen Sauerstoff enthält. Durch die Transferierung des Sediment-Wasser-Gemisches, welches letztlich ins Unterwasser gelangt, kann es dazu kommen, dass das Unterwasser zu wenig Sauerstoff enthält, was zu einer Beeinträchtigung der Wasserfauna im Unterwasser führen kann.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Transferierung von Sediment in einem Gewässer anzugeben, wobei ein Sauerstoffmangel im Unterwasser vermieden werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren entsprechend Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführung finden sich in den Unteransprüchen.
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
- 1 Gewässer, an welchem ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ausführung kommt
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1 zeigt in stark schematischer Darstellung ein Gewässer, an welchem ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ausführung kommt. Dabei ist das Gewässer mit 1 bezeichnet. Verfahren zur Transferierung von Sediment in einem Gewässer werden in Teilen von Gewässern ausgeführt, die von Verlandung bedroht sind. Das sind Gewässer, die in irgendeiner Form aufgestaut werden, oder die über einen Abfluss verfügen, welcher naturbedingt ungeeignet zur ausreichenden Abführung der anfallenden Sedimentmenge ist. Insbesondere sind Teile von Gewässern, an denen sich Wasserkraftanlagen befinden, oftmals von Verlandung bedroht. Dazu gehören auch Pumpspeicherkraftwerke mit natürlichem Oberbecken, Speicherkraftwerke und Laufwasserkraftwerke. Dabei werden die meisten Sedimente durch natürliche Zuflüsse in den von der Verlandung bedrohten Gewässerteil eingebracht. Solche Gewässer umfassen in der Regel ein Staubecken, welches in 1 mit 7 bezeichnet ist. Es kann sich jedoch auch um einen Abschnitt eines Fließgewässers handeln, welcher einer Wasserkraftanlage vorgelagert ist. Im allgemeinen Fall bezeichnet 7 einen von Verlandung bedrohten Teil des Gewässers 1, welcher jedoch im Folgenden der Einfachheit halber mit dem Begriff Staubecken benannt wird. Im Staubecken 7 ist ein Ablassorgan angeordnet, welches mit 3 bezeichnet ist. Das Ablassorgan 3 kann unterschiedlich ausgeführt sein, z.B. als Ablass in der Nähe des Gewässergrundes, als Öffnung in einer Staumauer oder als beliebig gestalteter Einlauf für eine Wasserkraftanlage (z.B. ein Einlaufrechen) oder für eine Trinkwasseranlage. Es kann sich dabei jedoch auf um den natürlichen Abfluss eines von Verlandung bedrohten Gewässerteils handeln.
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Das Ablassorgan 3 ist mit Hilfe einer Verbindungsleitung, welche mit 6 bezeichnet ist, so mit einem Unterwasser verbunden, dass Wasser aus dem Staubecken 7 durch die Verbindungsleitung 6 zum Unterwasser fließen kann. Das Unterwasser ist in 1 nicht dargestellt. Der Pfeil deutet die Richtung zum Unterwasser an. In der Verbindungsleitung 6 kann eine Wasserkraftanlage angeordnet sein, welch in 1 mit 2 bezeichnet ist. Wenn es sich bei der Wasserkraftanlage 2 um ein Pumpspeicherkraftwerk handelt, dann kann das Wasser beim Pumpen natürlich auch in die Gegenrichtung fließen, d.h. vom Unterwasser zum Staubecken 7. Allerdings spielt diese Fließrichtung für das erfindungsgemäße Verfahren keine Rolle. In der Regel handelt sich bei der Verbindungsleitung 6 um die sogenannte Druckrohrleitung der Wasserkraftanlage. Es kann sich dabei jedoch auch um einen Kanal, einen natürlichen Gewässerabschnitt oder einen sonstigen Wasserweg handeln. Im Folgenden wird desungeachtet der Begriff Verbindungsleitung verwendet. Ebenso wird der Begriff „Unterwasser“ lediglich im dem Sinne gebraucht, dass es sich um einen Teil des Gewässers 1 handelt der unterhalb des Staubeckens 7 angeordnet ist. „Unterhalb“ bedeutet in Richtung der natürlichen Fließrichtung des Wassers.
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1 zeigt ferner eine Einrichtung zur Bereitstellung eines Sediment-Wasser-Gemisches, welche mit 4 bezeichnet ist. Die Einrichtung 4 ist mit der Verbindungsleitung 6 zwischen dem Staubecken 7 und dem Unterwasser so verbunden, dass das von der Einrichtung 4 bereitgestellte Sediment-Wasser-Gemisch in die Verbindungsleitung 6 eingebracht werden kann, und somit durch den Wasserfluss in der Verbindungsleitung 6 ins Unterwasser abgeführt werden kann. Dabei passiert das Sediment-Wasser-Gemisch ggf. die Wasserkraftanlage 2.
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Die Verbindung zwischen der Einrichtung 4 und der Verbindungsleitung 6 kann dabei über das Ablassorgan 3 wie in 1 dargestellt oder auch anderweitig erfolgen. Zunächst kommt es nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einer Aufnahme von Sediment im Staubecken 7. Danach wird das aufgenommene Sediment zur Einrichtung 4 überführt, um schließlich in Form des genannten von der Einrichtung 4 bereitgestellten Sediment-Wasser-Gemisches in die Verbindungsleitung 6 eingebracht zu werden. Auf diese Weise kommt es zu einem Sedimenttransfer innerhalb dem Gewässer 1, d.h. vom Staubecken 7 in das Unterwasser.
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Die Einrichtung
4 zur Bereitstellung eines Sediment-Wasser-Gemisches ist dabei irgendwo im, am oder in der Nähe des Staubeckens
7 angeordnet. Bei der Einrichtung
4 zur Bereitstellung eines Sediment-Wasser-Gemisches kann es sich beispielsweise um eine auf dem Gewässer
1 verfahrbare Vorrichtung handeln, wie sie in der
WO 2019/161996 A1 beschrieben wird. Genauso gut könnte die Einrichtung
4 jedoch auch auf dem Gewässergrund, am Ufer des Staubeckens
7 oder an einem Bauwerk im Gewässer
1 angeordnet sein. Außerdem ist es denkbar, dass die Einrichtung
4 im Ablassorgan
3 selbst oder in oder an der Verbindungsleitung
6 zwischen Ablassorgan
3 und Wasserkraftwerk
2 angeordnet ist. In jedem Fall wird das von der Einrichtung
4 bereitgestellte Sediment-Wasser-Gemisch in die Verbindungsleitung
6 eingebracht. Dies kann beispielsweise durch eine Leitung geschehen, welche sich von der Einrichtung
4 bis zum Ablassorgan
3 erstreckt, in welches diese Leitung mündet, wie in
1 dargestellt.
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Das von der Einrichtung
4 bereitgestellte Sediment-Wasser-Gemisch besteht dabei aus Sediment und Wasser, welche aus dem Staubecken
7 auf- bzw. entnommen wurden. Die Auf- bzw. Entnahme kann dabei wie in der
WO 2019/161996 A1 beschrieben erfolgen, wobei das Sediment-Wasser-Gemisch direkt bei der Auf- bzw. Entnahme erzeugt wird. Dabei verfügt die Einrichtung
4 über die in der genannten Schrift beschriebenen Mittel. Genauso gut können Sediment und Wasser auch jeweils separat entnommen werden. Beispielsweise indem Sediment durch einen schwimmenden Bagger, z.B. einen Schaufelbagger oder ein U-Boot, dem Staubecken
7 entnommen wird und der Einrichtung
4 beispielsweise mittels einer weiteren Schwimmvorrichtung zugeführt wird. Das Wasser für das Gemisch kann beispielsweise einfach aus dem Gewässer
1 gepumpt werden. Die Einrichtung
4 erzeugt dann das Sediment-Wasser-Gemisch durch Mischung der einzelnen Komponenten, wobei die Einrichtung in diesem Fall über geeignete Mittel hierzu verfügen muss. Dazu kann beispielsweise ein Behälter zur Aufbewahrung von Sediment gehören, in den die Schwimmvorrichtung periodisch Sediment einbringt.
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Der Erfinder hat erkannt, dass der Sauerstoffgehalt im Unterwasser dadurch erhöht werden kann, dass Gas, welches Sauerstoff enthält, in die Verbindungsleitung 6 eingebracht wird. Dabei kann das sauerstoffhaltige Gas entweder bereits vorab in das Sediment-Wasser-Gemisch eingebracht werden, oder aber separat vom Sediment-Wasser-Gemisch in die Verbindungsleitung 6 eingebracht werden. Im ersten Fall reichert sich bereits das Sediment-Wasser-Gemisch wenigstens teilweise mit Sauerstoff an, welches nach der Einbringung in die Verbindungsleitung 6 durch den Wasserfluss in der Verbindungsleitung 6 ins Unterwasser verbracht wird. Im zweiten Fall reichert sich das die Verbindungsleitung 6 durchströmende Medium (Wasser und Sediment-Wasser-Gemisch) mit Sauerstoff an, welches schließlich ins Unterwasser gelangt. Als sauerstoffhaltiges Gas bietet sich beispielsweise die Umgebungsluft an. Es kann jedoch auch jedes andere sauerstoffhaltige Gas verwendet werden. In jedem Fall müssen Mittel zum Einbringen von sauerstoffhaltigem Gas vorhanden sein.
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1 zeigt Mittel zum Einbringen von sauerstoffhaltigem Gas, welche mit 8 bezeichnet sind. Die Mittel 8 können dabei eine oder mehrere Gaspumpen, Schläuche und Luftdüsen umfassen. Ferner können die Mittel 8 auch Gasflaschen und Steuerventile umfassen. Es können alle aus dem Stand der Technik bekannte Mittel verwendet werden, welche geeignet sind ein Fluid mit Gas anzureichern. Die Mittel 8 können an beliebiger Stelle an oder im Staubecken 7 angeordnet sein. Insbesondere können die Mittel 8 mit der Einrichtung 4 wenigstens teilweise verbunden sein und eine Einheit bilden. Wenn Teile der Mittel 8 unter der Wasseroberfläche angeordnet sind, dann können die Mittel 8 Schnorchel umfassen, welche das sauerstoffhaltige Gas von oberhalb der Wasseroberfläche zuführen.
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1 zeigt ferner eine Steuereinrichtung, welche mit 5 bezeichnet ist. Die Steuereinrichtung 5 ist so mit der Einrichtung 4 zur Bereitstellung eines Sediment-Wasser-Gemisches verbunden, dass sie die Menge des im bereitgestellten Sediment-Wasser-Gemisch enthaltenen Sediments steuern kann. Dabei kann auch die Menge des Sediment-Wasser-Gemisches gesteuert werden, welches in die Verbindungsleitung 6 eingebracht wird, da bei bekannter Konzentration des Sediments damit auch die Menge an Sediment gesteuert werden kann. Eine weitere Möglichkeit, die Menge an eingebrachtem Sediment zu steuern, besteht darin, die Sedimentkonzentration im Unterwasser zu messen und die Einrichtung 4 auf der Basis der so gewonnenen Messwerte anzusteuern. Alle zur Steuerung der einzubringenden Menge an Sediment benötigten Rechenvorgänge können in der Steuereinrichtung 5 selbst ablaufen oder auch in einem Cloud-System erfolgen und anschließend an die Steuereinrichtung 5 übertragen werden.
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Die Verbindung von der Steuereinrichtung 5 zur Einrichtung 4 kann dabei auch drahtlos erfolgen. Außerdem kann die Steuereinrichtung 5 auch so verbunden sein, dass die Steuereinrichtung 5 und die Einrichtung 4 eine Einheit bilden. Außerdem ist die Steuereinrichtung 5 so mit den Mitteln 8 zum Einbringen von sauerstoffhaltigem Gas verbunden, dass sie die Menge des eingebrachten Gases steuern kann. In 1 ist diese Verbindung durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Auch diese Verbindung kann drahtlos erfolgen. Dabei steuert die Steuereinrichtung 5 die eingebrachte Gasmenge in Abhängigkeit von der Menge an Sediment, welche in die Verbindungsleitung 6 eingebracht wird. Die genannten Mengen sind dabei selbstverständlich als Mengenraten, d.h. als eingebrachte Menge pro Zeiteinheit zu verstehen. Diese Abhängigkeit ist also so zu verstehen, dass die eingebrachte Gasmenge pro Zeiteinheit erhöht wird, wenn sich die eingebrachte Sedimentmenge pro Zeiteinheit erhöht. Dabei kann dieser Zusammenhang auch nichtlinear erfolgen, d.h. es gibt nicht unbedingt einen konstanten Proportionalitätsfaktor zwischen den genannten Mengen. Dies schließt insbesondere die Möglichkeit ein, dass auch Gas eingebracht wird, wenn kein Sediment eingebracht wird. Dieser Fall lässt sich dann realisieren, wenn das Gas separat vom Sediment in die Verbindungsleitung 6 eingebracht werden kann. Es kann auch sein, dass der genannte Zusammenhang nur über einen bestimmten Bereich von Sediment- bzw. Gasmenge gegeben ist. Z.B. könnte es sein, dass ab einer bestimmten Einbringrate von Sediment eine weitere Erhöhung der Einbringrate von Sediment nicht mehr zu einer weiteren Erhöhung der Einbringrate von Gas führt, beispielsweise wenn bereits die maximal mögliche oder aus anderen Gründen maximal tunliche Einbringrate von Gas erreicht ist.
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Die eingebrachte Gasmenge kann auch von weiteren Parametern abhängen (siehe unten). In jedem Fall steuert die Steuereinrichtung 5 die eingebrachte Gasmenge so, dass sich die eingebrachte Gasmengenrate erhöht, wenn sich die eingebrachte Sedimentmengenrat erhöht, jedoch nur unter der Voraussetzung, dass alle anderen Einflussparater konstant bleiben. D.h. es kann sein, dass wenn sich simultan zu einer Erhöhung der eingebrachten Sedimentmenge auch noch ein anderer Parameter ändert, die eingebrachte Gasmenge gleich bleibt oder sogar sinkt. Diese zusätzlichen Parameter sind jedoch als optional zu betrachten.
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Ein erster optionaler Parameter für die Steuerung der eingebrachten Gasmenge kann der Sauerstoffgehalt des Unterwassers sein. Dazu wird eine Sauerstoffmesseinrichtung benötigt, welche so ausgebildet ist, dass sie den Sauerstoffgehalt des Unterwassers ermitteln kann. 1 zeigt eine solche Sauerstoffmesseinrichtung, welche mit 9 bezeichnet ist. Die Sauerstoffmesseinrichtung 9 ist mit der Steuereinrichtung 5 verbunden, was in 1 durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. Diese Verbindung kann auch drahtlos erfolgen. Die Sauerstoffmesseinrichtung 9 übermittelt die ermittelten Sauerstoffgehaltswerte an die Steuereinrichtung 5. Die Steuereinrichtung 5 steuert die eingebrachte Gasmenge so, dass sich dieselbe erhöht, wenn der ermittelte Sauerstoffgehalt im Unterwasser sinkt. Dieser Parameter kann auch dazu führen, dass der Gültigkeitsbereich für den oben genannten Zusammenhang von Sedimenteinbringrate und Gaseinbringrate weiter beschränkt wird. So kann beispielsweise ein Schwellwert für den Sauerstoffgehalt des Unterwassers definiert werden, so dass die Einbringrate des Gases nicht weiter erhöht wird, wenn der Sauerstoffgehalt des Unterwassers über dem Schwellwert liegt, auch wenn sich die Einbringrate von Sediment erhöht.
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Da sich der Sauerstoffgehalt bzw. die Temperatur im Unterwasser in der Regel nur langsam ändert, kann die im vorigen Abschnitt beschriebene Erfassung der Messwerte und die Übertragung derselben an die Steuereinrichtung 5 selbstverständlich auch manuell erfolgen.
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Aufgrund des Zusammenhangs von Sauerstoffgehalt von Wasser mit der Wassertemperatur kann auch alternativ die Wassertemperatur zum Steuern der Einbringrate von Gas verwendet werden. D.h. die Einbringrate von Gas wird erhöht, wenn sich die Wassertemperatur erhöht. Dadurch kann auf eine Messung des Sauerstoffgehalts im Unterwasser verzichtet werden. Die Wassertemperatur kann dabei an einer beliebigen Stelle des Gewässers gemessen werden, jedoch vorzugsweise im Unterwasser.
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Im Falle, dass in der Verbindungsleitung 6 eine Wasserkraftanlage 2 angeordnet ist, kann ein weiterer optionaler Parameter für die Steuerung der eingebrachten Gasmenge die jeweilige aktuelle Betriebsweise der Wasserkraftanlage 2 sein. Gas, welches sich im Triebwasser befindet, kann den Betrieb einer Wasserkraftanlage positiv bezüglich Vibrationen und Kavitation beeinflussen. Vibrationen und Kavitation treten in Wasserkraftanlagen in Abhängigkeit vom der jeweiligen aktuellen Betriebsweise der Wasserkraftanlage 2 auf. Insbesondere treten die genannten unerwünschten Effekte im Teillastbetrieb auf. Die Steuereinrichtung 5 steuert die eingebrachte Gasmenge daher in Abhängigkeit von der aktuellen Betriebsweise der Wasserkraftanlage 2. D.h. die eingebrachte Gasmenge wird von der Steuereinrichtung 5 zusätzlich je nach aktueller Betriebsweise der Wasserkraftanlage 2 erhöht, um ein Auftreten der genannten Effekte zu vermeiden oder zu reduzieren. Dabei kann es natürlich auch Betriebsweisen geben, die keine zusätzliche Erhöhung der Gasmenge erfordern, was meistens im Nennbetrieb der Fall ist. Jedenfalls muss für diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Stelle, an der das Gas in die Verbindungsleitung 6 eingebracht wird, selbstverständlich in Wasserfließrichtung oberhalb der Wasserkraftanlage 2 angeordnet sein, so dass das ins Triebwasser eingebrachte Gas die Wasserkraftanlage 2 passieren kann.
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Die Steuereinrichtung 5 ist dabei so mit der Wasserkraftanlage 2 verbunden, dass die Steuereinrichtung 5 Daten über die aktuelle Betriebsweise der Wasserkraftanlage 2 für die Steuerung der eingebrachten Gasmenge verwenden kann. Die Verbindung mit der Wasserkraftanlage 2 kann dabei auch drahtlos erfolgen.
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Außerdem kann die Steuereinrichtung 5 auch Teil der Wasserkraftanlage 2 sein. In diesem Fall kann die Steuereinrichtung 5 auch in die Steuereinrichtung integriert sein, welche den Betrieb der Wasserkraftanlage 2 regelt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gewässer
- 2
- Wasserkraftanlage
- 3
- Ablassorgan
- 4
- Einrichtung zur Bereitstellung eines Sediment-Wasser-Gemisches
- 5
- Steuereinrichtung
- 6
- Verbindungsleitung
- 7
- Staubecken
- 8
- Mittel zum Einbringen von sauerstoffhaltigem Gas
- 9
- Sauerstoffmesseinrichtung
