DE102021002285A1

DE102021002285A1 - Hydrodynamische Stauvorrichtung zur Verhinderung der Sohlerosion in Flüssen

Info

Publication number: DE102021002285A1
Application number: DE102021002285.8A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2022-11-03

Abstract

Wo das Absinken der Flusssohle infolge von Sohlerosion gravierende wasserwirtschaftliche und ökologische Folgen hat, muss die Sohlerosion verhindert oder gestoppt werden. Dazu muss die Schleppkraft, d. h. die das Geschiebe in Bewegung versetzende Kraft, herabgesetzt werden. Dies gelingt mit Widerstandskörpern, welche allein den Hochwasserspiegel um wenige Dezimeter anheben (anstauen). Da die Schleppkraft nur bei Hochwasser hoch genug ist, die Sohle zu erodieren, genügt es, wenn die Stauvorrichtung nur bei Hochwasser wirksam ist.Die vorgeschlagenen Widerstandskörper stauen ausschließlich das Hochwasser auf. Nur dann nämlich sind die Fließgeschwindigkeiten hoch genug, dass ein hydrodynamischer Aufstau eintritt; dessen Höhe nimmt mit dem Quadrat der Fließgeschwindigkeit zu. Der Aufstau beträgt nur wenige Dezimeter, reicht aber aus, das Gefälle des Wasserspiegels und damit auch der sog. Energielinie und - damit verbunden - die Schleppspannung an der Flusssohle auf ein schadloses Maß zu verringern (Fig. 1). Der Grund dafür ist, dass das Gefälle selbst von alpinen Flüssen wie der Iller i. A. unter 2 ‰ liegt und daher schon mit geringen Stauhöhen deutlich reduziert werden kann (z. B. 0,3 m alle 250 m, was zu einer Gefälleminderung um 4 × 0,3 m/km = 1,2 ‰ führt). - Vereinfacht lässt sich die Wirkung der Widerstandskörper damit erklären, dass dem Hochwasserabfluss mit Hilfe der Widerstandskörper Energie entzogen wird, welche dann nicht mehr für die Mobilisierung des Geschiebes zur Verfügung steht. Durch eine geeignete Wahl von Größe, Form, Anzahl und Anordnung der Widerstandskörper lässt sich die Schleppkraft im erforderlichen Umfang reduzieren.Vorgeschlagen werden 2 Bauarten:1) Kegelartige, über Seile mit der Flusssohle verbundene Widerstandskörper, welche bei Hochwasser aufschwimmen, dabei aber größtenteils getaucht bleiben (Fig. 1). Gemäß Fig. 2 werden mehrere Widerstandskörper in Form eines oder mehrerer „Gürtel“ quer zum Fluss verankert.2) „Zahnschwellen“, die quer über den Fluss verlaufen, auf Pfählen/Spunddielen befestigt (Fig. 3). Sie stauen den Hochwasserspiegel in derselben Art und Weise auf wie in Fig. 1 dargestellt.Beide Bauarten können die Sohlerosion ohne ökologische Nachteile verhindern/stoppen: Weder das Niedrig- noch das Mittelwasser werden verlangsamt, ebenso wenig wird die Passage von Fischen stromauf wie stromab behindert. Der Hochwasserspiegel wird nur wenig erhöht, so dass niedrige Hochwasserdämme ausreichen. Der mittlere Grundwasserspiegel wird nicht erhöht, so dass die Keller der in der Talaue gelegenen Häuser trocken bleiben. Die Eingriffe in den Naturhaushalt sind gering, da weder Baugruben noch Betonbauwerke mit den entsprechenden Transporten erforderlich sind. Die Baukosten sind niedrig. - Die Zahnschwellen kommen in spezieller Bauart auch für schiffbare Flüsse in Betracht.

Description

1. Technisches Gebiet, zu welchem die Erfindung gehört Flussbau/Wasserbau sowie Verkehrswasserbau
2. Das der Erfindung zugrunde liegende Problem
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, die Sohlerosion in Flüssen zu verhindern oder zu stoppen.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verhinderung der Sohlerosion in Fließgewässern (als Sohlerosion bezeichnet man das Absinken der Flusssohle durch den „Abtransport“ von Geschiebe ohne äquivalente Nachlieferung vom Gebirge her). Die Vorrichtung besteht aus Widerstandskörpern, welche den Hochwasserspiegel - und nur diesen - im Abstand von einigen hundert Metern jeweils um wenige Dezimeter (hydro-dynamisch) anheben und so das Fließgefälle/das Energieliniengefälle verringern. Auf diese Weise kann die Schleppspannung an der Flusssohle so weit reduziert werden, dass das Geschiebe nicht mehr mobilisiert wird.
Der Ausbau von Flüssen hatte i. A. zum Ziel, das Flussbett strömungsgünstig und leistungsfähig zu machen, um die Überschwemmungen einzudämmen. Um Fläche für die Land- oder Forstwirtschaft zu gewinnen, wurde das neue Flussbett schmal und - zum Ausgleich - tief angelegt. Aufgrund der großen Fließtiefe und des durch eine Fluss-begradigung erhöhten Fließgefälles treten bei Hochwasser - verglichen mit dem Natur-zustand - an der Flusssohle sehr hohe Schubspannungen („Schleppkraft“) auf, die den Kies in Bewegung versetzen und abtransportieren. Wird vom Oberstrom her kein oder zu wenig Geschiebe „nachgeliefert“, wird die Flusssohle erodiert, wodurch sie geodätisch tiefer zu liegen kommt. Im selben Maß sinkt der Wasserspiegel sowie der damit korrespondierende Grundwasserspiegel ab. Die Sohleintiefung kann zur Folgen haben, dass die Leistungs-fähigkeit der Brunnen in der Aue stark nachlässt und die Weichholzaue den für sie unabdingbaren permanenten Kontakt zum Grundwasser verliert. Solche Schäden machen bisweilen eine kostspielige Wiederanhebung des Grundwasserspiegels mit baulichen Maßnahmen erforderlich.
Stand der Technik
Die klassische Lösung, die Sohlerosion zu verhindern, besteht darin, den Fluss erheblich zu verbreitern, was in aller Regel jedoch am Grunderwerb scheitert. Wo eine Sohlerosion droht oder bereits eingetreten ist, baut man daher mehrere Meter hohe Wehre oder Raue Rampen in den Fluss ein, um das Fließgefälle zu verringern und so die Sohlerosion zu verhindern. Solche Rampen/Wehre erfüllen zwar diese Aufgabe, stauen allerdings auch das Niedrig- und Mittelwasser auf und verringern so die Fließgeschwindigkeit sehr stark. Hierdurch wird das Leben von strömungsliebenden („rheophilen“) Tieren und Pflanzen im Fluss unmöglich gemacht, was ökologisch hochgradig unerwünscht ist, da eine schnelle Strömung das Merkmal insbesondere alpiner Gewässer wie der Iller ist; auch wird die Passage von Fischen und sonstigen Wassertieren unterbunden oder zumindest stark behindert. - Die Schutzwirkung der Wehre/Rampen lässt mit dem Abstand vom Wehr nach, weshalb es im Oberstrom vielfach zu örtlichen Sohlerosionen kommt. Hierdurch entstehen Übertiefen („Badewannen“), wodurch die Fließgeschwindigkeit zusätzlich verringert wird.
Um die Sohle vor Erosion zu schützen, kann man das Offene Deckwerk einsetzen. Hierbei werden etwa kopfgroße Steine so auf die Flusssohle aufgelegt, dass etwa die Hälfte der Sohle von Steinen bedeckt ist, der Rest aber „offen“ bleibt. Diese Steinauflage bildet für den Fluss gewissermaßen ein Korsett, so dass - was unerwünscht ist - größere morpho-logische Veränderungen des Flussbetts nicht mehr möglich sind. - Die Bauart ist noch wenig erprobt und hat sich bis dato nicht durchgehend bewährt. Durch den Schraubenstrahl von Schiffen kann das „schützende Netz“ des Offenen Deckwerks „zerrissen“ werden, möglicher-weise auch durch Eisgang oder wenn ein mit dem Hochwasser treibender Baumstamm auf der Flusssohle entlang schleift. Auf glatten, z. B. lehmigen Flusssohlen kommt dies Bau-weise i. A. nicht in Betracht, weil die Steine dort keinen Halt finden.
Zur Verhinderung der Sohlerosion können sog. V-Rampen nach Aufleger eingebaut werden. Die V- oder eher U-förmige Öffnung in Flussmitte ist so klein dimensioniert, dass das Hochwasser nur unter Ausbildung eines Aufstaus passieren kann. Dieser Aufstau reduziert das Fließgefälle im Oberstrom und schützt dergestalt die Flusssohle vor Erosion. Der bei Hochwasser mächtige, durch die Öffnung tretende „Strahl“ löst sich erst allmählich auf, was eine Sohlbefestigung über eine lange Strecke erforderlich macht. Die hohen Baukosten und landschaftsästhetische Gründe - bei Mittelwasser bietet sich dem Blick ein sehr großer Steinhaufen aus Felsbrocken - stehen der Realisierung dieser Bauart entgegen.
Um der Strömung Energie zu entziehen, könnte man grundsätzlich den Oberflächenwiderstand des Flusses erhöhen, indem man flächig einen sehr groben Steinwurf einbringt, der zugleich vor Erosion schützt. Dieses Vorgehen scheidet jedoch aus finanziellen und ökologischen („Korsett“) Gründen aus. Auch bestünde eine erhebliche Verletzungsgefahr für Kanufahrer.
Weiter bestünde die Möglichkeit, den Formwiderstand des Flusses zu erhöhen, indem man „Hinkelsteine“ von mehreren Meter Höhe als Widerstandskörper senkrecht in die Flusssohle einbaut. Landschaftsästhetische und bautechnische Argumente sowie die Gefahr, dass Baumstämme die Durchflussöffnungen verstopfen („verklausen“), schließen diese Lösung aus. (Diese Überlegung führt aber zu der im Folgenden vorgestellten Lösung.)
Aufgabenstellung und deren Lösung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung aufzuzeigen, die bei Hochwasser (HW) - nur dann kommt Geschiebe in Bewegung! - das Gefälle der Energielinie I_E so weit vermindert, dass die an der Flusssohle wirkende Schleppkraft S = γ t I_E (mit γ = spezifisches Gewicht des Wassers und t = Fließtiefe) das Geschiebe nicht mehr in Bewegung versetzen kann (die sog. Energielinie liegt um die sog. Geschwindigkeitshöhe v²/2g über dem Wasserspiegel und ist zu ihm nahezu parallel. S. Flg. 1). Gesucht ist demzufolge eine Vorrichtung, welche möglichst ausschließlich den Hochwasserabfluss aufstaut und so das Fließgefälle und damit (im etwa selben Maß) das Energieliniengefälle I_E verringert.
Es existieren 2 die Aufgabenstellung lösende Bauarten:

- Bauart A: Aufschwimmende Widerstandskörper. Es werden Widerstandskörper in Form von Kegeln oder in anderer geeigneter Form mit einem Durchmesser von 1 - 5 m mit Stahlseilen oder Ketten von mehreren Metern Länge an Pfählen oder Spunddielen im Flussbett verankert (1); die zur Einbringung erforderlichen Rammen können ohne Probleme bei Mittelwasser in den Fluss fahren. Die Widerstandskörper bestehen vorzugsweise aus Stahlblech. Sie liegen bei Niedrig- und Mittelwasser (NW bzw. MW) auf der Flusssohle (nicht unbedingt „platt“) - ohne Nachteile für die Ökologie (kein Aufstau mit dadurch verursachter Verringerung der Fließgeschwindigkeit, keine Einschränkung der biologischen Durchgängigkeit) und ohne gravierende Beeinträchtigung der Optik. Bei Hochwasser (HW) schwimmen sie auf und „stellen“ sich in die Strömung, wobei aufgrund von Ballast nur ein kleiner Teil aus dem Wasser ragt (1). Der von ihnen verursachte Strömungswiderstand resultiert aus der bei Hochwasser stark erhöhten Fließgeschwindigkeit v und hat einen Aufstau zur Folge, der mit dem Quadrat der Fließgeschwindigkeit zunimmt. - Die Form der Widerstandskörper und ihre außerordentlich bewegliche „Aufhängung“ verhindern, dass die Widerstandskörper in der Strömung pendeln und vom Hochwasser mitgeführtes Treibgut wie Äste oder Baumstämme daran hängenbleiben.

2

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1: Aufschwimmende Widerstandskörper im Flusslängsschnitt
2: Aufschwimmende Widerstandskörper in der Aufsicht (1 bzw. 2 „Gürtel“)

- Bauart B: Zahnschwellen. Hier bilden (bevorzugt) trapezförmige „Widerstandskörper“ aus Stahlblech von 1- 3 und mehr Metern Höhe eine Zahnschwelle (3). Die einzelnen „Zähne“ sind an Pfählen oder einer Spundwand im Flussbett verankert. Sie ragen i. A. 1,5 - 2 m (ggfls. auch mehr) über den MW-Spiegel hinaus und stauen dabei weder das Niedrig- noch das Mittelwasser auf, noch schränken sie die biologische Durchgängigkeit ein. Bei Hochwasser (HW) jedoch verursacht die hohe Fließgeschwindigkeit den erforderlichen Aufstau. Die Gefahr, dass bei Hochwasser Treibzeug an den Zähnen hängenbleibt, ist gering, da die Zähne bei großen Fließtiefen von z. B. mehr als 4 m (wie z. B. in der Iller) tief unter dem Wasserspiegel liegen; im Übrigen sind sie mit ihrer Fundierung gelenkig oder federnd verbunden und werden von Luftkissen oder Torsionsfedern gehalten, so dass sie beim Anprall von Treibzeug nachgeben. - Die Beeinträchtigung der Optik wird als hinnehmbar angesehen; denkbar sind auch klappbare Widerstandskörper, die im MW untertauchen. Diese Bauart eignet sich auch für schiffbare Flüsse, wenn die Zähne als aufblasbare, umklappbare, herausfahrbare oder „überfahrbare“ Körper ausgebildet werden (s. u.). Die Staulinie des Wasserspiegels ist derjenigen in Bild 1 vergleichbar.

Fig. 3: Zahnschwelle im Flussquerschnitt (mit Beispielmaßen in m)
Gemeinsame Eigenschaften der beiden Bauarten
Das Niedrig- und Mittelwasser (NW bzw. MW) fließt durch die Durchflussöffnungen ohne Aufstau ab, so dass die rheophilen Verhältnisse erhalten bleiben. Der Hochwasserspiegel jedoch wird so weit aufgestaut, dass die Sohlerosion unterdrückt wird; der Aufstau verringert das Fließgefälle und etwa im selben Maß das Energieliniengefälle (Definition der Energielinie in [0008] und in 1). Dass diese Wirkung nur bei Hochwasser auftritt, ist kein Nachteil, da auch der Geschiebetrieb erst mit dem Hochwasser einsetzt.
Der Strömung wird die Energiehöhe ΔH (vgl. 1) „entzogen“ (die dann nicht mehr zur Mobilisierung des Geschiebes zur Verfügung steht) und über Turbulenz in Wärme umgewandelt. Die Flusssohle muss wegen der Turbulenz über eine gewisse Strecke gegen Erosion gesichert werden. (Die Temperaturerhöhung liegt bei wenigen Hundertstel Grad.)
Ordnet man die Widerstandskörper im Fluss z. B. alle 250 m an und erzeugt jeweils einen Aufstau von ca. 0,3 m, wird das Energieliniengefälle von z. B. 1,7 ‰ auf dann 0,5 ‰ reduziert. Die Stauwirkung lässt mit der Entfernung von der Stauvorrichtung nach. Daher muss darauf geachtet werden, dass auch am oberstromigen Ende der Staustrecke, d. h. an der „Stauwurzel“, ein ausreichender Erosionsschutz gewährleistet ist (z. B. durch größere Widerstandskörper und/oder geringeren Abstand in Fließrichtung).
Durch die Vorrichtung kann das Grenzgefälle z. B. nach Schöberl (Friedrich Schöberl: „Abpflasterungs- und Selbststabilisierungsvermögen erodierender Gerinne“. Österreichische Wasserwirtschaft, Jg. 33, 1981) unterschritten werden, so dass das Geschiebe liegen bleibt.
Durch die Erfindung wird eine Reihe von Vorteilen erreicht:

Ökologische Vorteile:
- - Es wird allein der Hochwasserspiegel angehoben. Der Fließwassercharakter bleibt daher unter allen Umständen erhalten.
- - die biologische Durchgängigkeit (Fischauf- und -abstieg) ist nicht eingeschränkt
- - die (lokale) Geschiebepassage ist möglich
- - die morphologische Entwicklung des Flussbetts bleibt grundsätzlich möglich
- - Es müssen keine Betonbauwerke errichtet werden (allenfalls in schiffbaren Flüssen). Große bauliche Eingriffe in den Naturhaushalt und umfangreiche Materialtransporte entfallen damit.

Wasserbauliche Vorteile

- Der erforderliche Aufstau lässt sich durch eine geeignete Form und Dimensionierung der Widerstandskörper erreichen.
- Eine Überdimensionierung der Widerstandskörper führt nur zu einem geringfügig erhöhten Hochwasserspiegel, gewährt aber auch bei unerwartet großen Hochwasserabflüssen Sicherheit gegen Sohlerosion.
- Weder bei Niedrig- noch bei Mittelwasser (NW bzw. MW) werden in der Flussaue gelegene Hauskeller eingestaut, weil der Wasserspiegel im Fluss und damit das Grundwasser nicht angestaut werden (anders als bei herkömmlichen Wehren mit ihrem Dauerstau).
- Wenn die Hochwasserspitze (der „oberste Meter Wasserstand“) wie an vielen Gebirgsflüssen nur wenige Stunden andauert, „kommt“ der Grundwasseranstieg in den benachbarten Siedlungen kaum oder überhaupt nicht „an“, so dass entsprechende Schäden an Gebäuden ausbleiben oder, verglichen mit herkömmlichen Wehren, stark reduziert werden.
- Die Stauhöhe liegt in der Größenordnung von nur 0,3 m und fällt stromab davon rasch wieder ab (1). Infolgedessen reichen niedrige Hochwasserdämme aus (anders als bei hohen Wehren).
- Es genügt eine Sohlbefestigung über eine kurze Fließlänge, da die Energieumwandlung durch Turbulenz auf kurzer Strecke erfolgt.
- Aufgrund der geringen Stauhöhe ist ein Hydraulischer Grundbruch im Bereich der Stauvorrichtung im Allgemeinen nicht zu befürchten.
- Vom Hochwasser mitgeführte Baumstämme führen nicht zur Verklausung („Verstopfung“) des Abflussquerschnitts: Die Widerstandskörper nach Bauart A weichen aus und bieten für Treibzeug keinen Halt. Die Zähne der Bauart B liegen i. A. tief unter dem Hochwasserspiegel, werden also nicht von Treibzeug berührt; sollte dennoch Treibzeug daran stoßen, werden die gelenkig gelagerten und von Torsionsfedern oder Luftkissen aufgerichteten Zähne vorübergehend umgebogen.
- Die Vorrichtung ist unempfindlich gegen Beschädigung durch Eisgang und durch Baumstämme/Treibzeug, wie sie vom Hochwasser mitgeführt werden.
- Die Form der Widerstandskörper und speziell die der Ablösekanten können nach Bedarf gewählt werden mit dem Ziel, einen hohen Fließwiderstand zu erzeugen und die Verletzungsgefahr für Kanufahrer (und Fische) zu reduzieren.
- Die „Zähne“ der Zahnschwellen werden evtl. mit Vorteil etwas nach oberstrom geneigt, damit die durchtretenden Wasserstrahlen nicht auf die Flusssohle treffen.
- Die Vorrichtungen können auch in glatten Flussbetten (z. B. bei Flusssohlen aus Tonstein) eingesetzt werden.
- Die Pfähle oder Spunddielen/Spundwände können von Rammen eingebracht werden, die problemlos in das Niedrig- oder Mittelwasser einfahren können (bei schiffbaren Flüssen werden die Arbeiten von einem Schiff aus ausgeführt).

Claims

Im Sinne einer optimalen Wirksamkeit werden die Wehrkörper quer zur Strömung mit untereinander i. A. gleichem lichten Abstand von etwa 1 bis 10 m angeordnet werden (2 und 3).
Um die Stauwirkung örtlich zu erhöhen, können zwei oder mehr Reihen von Widerstandskörpern in geringem Abstand angeordnet werden (2) (dies gilt für beide Bauarten).
Meist werden die Aufschwimmenden Widerstandskörper auf gleicher Höhe nebeneinander angeordnet.
Zur Erzielung der Sohlstabilisierung werden die Stauvorrichtungen im Abstand von i. A. zwischen 200 und 2 000 m vorgesehen.
Vorteilhafterweise bestehen die Anschlussmittel aus Pfählen und Spunddielen/- wänden.
Die Widerstandskörper (in beiden Bauarten) bestehen in bevorzugter Gestaltung aus Stahl. Denkbar sind auch sonstige Metalle, Gummi, Kunststoff, faserverstärkter Kunststoff, jeweils mit oder ohne Armierung, oder Holz.
Die Form der Widerstandskörper orientiert sich an den 1 bzw. 3. Ihre Außenseiten, insbesondere ihre Seitenflächen, können (in nicht dargestellter Weise) hervorstehende Strömungsschikanen oder Formen aufweisen, welche eine Erhöhung des Strömungswiderstands und damit der Stauwirkung erlauben, ohne die Gefahr der Verklausung und der Verletzung von Kanufahrern in nennenswertem Umfang zu erhöhen.
Die Zahnschwellen können auch stromauf oder stromab geneigt sein.
Die Zahnschwellen sind mit ihrer Gründung gelenkig verbunden und werden mit Hilfe von Torsionsfedern, Druckluftkissen oder anderen geeigneten Vorrichtungen aufgerichtet. Anstelle von Drehlagern kommen auch Blattfedern u. Ä. in Betracht, welche beim Anstoßen von schwerem Treibgut nachgeben.