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Stand der Technik
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In Fließgewässern kommen Hindernisse z. B. in Form von festen oder beweglichen Stauwehren, sog. Querbauwerken, vor, welche mit der Strömung abwandernden Fischen den Abstieg erschweren. Zur Abwanderung von Fischen über solche Querbauwerke liegen bisher nur wenige wissenschaftliche Erkenntnisse vor. Das Verhalten von Fischen vor Wehrkörpern wurde erst in jüngster Zeit näher untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass sie nicht freiwillig beispielsweise über Stauklappen abwandern, sondern sich annähern, die Situation sondieren und dann wieder ins Oberwasser ausweichen. Ein derartiges Verhalten verbraucht Energie, und wenn Fische dieses Annähern und wieder ins Oberwasser Entweichen häufig genug durchführen, sind sie irgendwann so erschöpft, dass sie nicht mehr gegen die Strömung schwimmen können und von dieser mitgerissen werden. Erst dann „wandern” sie ab.
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Alle Querbauwerke stellen also abwärtsgerichtete Barrieren dar, wenn die Wassersäule abreißt oder die Fließgeschwindigkeit zu stark ansteigt – Barrieren, die freiwillig nicht überschwommen werden. Eine Erklärung wird darin gesehen, dass Fische beispielsweise über ihr Seitenlinienorgan keine Informationen über den Bereich über und hinter der Wehrkante mit dem beschleunigten Wasserstrom erhalten können. Durch die fehlenden Informationen über das, was sie erwartet, scheuen sie das Risiko, in den „unsichtbaren Bereich” einzuschwimmen (Quelle: Böckmann et al.: Fischabstieg: Verhaltensbeobachtungen vor Wanderbarrieren, veröffentlicht in „Wasser und Abfall" 6/2013).
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Besonders für Langdistanzwanderfische wie Lachse und Aale, die für ihren Fortpflanzungszyklus ins offene Meer gelangen müssen, trägt so jedes Querbauwerk zu einem großen, sich aufsummierenden Kräfte- und Energieverbrauch bei, wodurch sie nicht nur Energie für den weiteren Weg zu ihrem Ziel verlieren, sondern auch leichter Beute von Raubfischen werden können. Nicht zuletzt wird die Abwanderung je nach Anzahl der zu überwindenden Hindernisse Z. T. deutlich verzögert.
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Darüber hinaus bestehen beim Übergang über scharfkantige Wehrkronen Gefahren für Schädigungen der Fische. Fließt Wasser über so beschaffene Verschlüsse ab, so fällt es im stumpfen Winkel zur Abflussebene der Krone des Verschlusses ins Unterwasser. Fische, die über die Krone abwandern, können mit dem Körperteil, der sich noch über dem Verschluss befindet, vom abfallenden Wasser im gleichen, stumpfen Winkel auf die Krone des Querbauwerkes gezogen werden und Verletzungen davontragen. Je größer ein Fisch ist, desto größer ist auch die Gefahr aufgrund seiner Körperlänge, in dieser Weise über die Krone des Querbauwerkes gezogen zu werden. Abschürfungen bis hin zu schweren Schuppenverletzungen können die Folge sein.
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Nach dem derzeitigen Stand der Technik wird bei der Konstruktion von Querbauwerken auf diese Aspekte der Fischabwanderung noch kaum Rücksicht genommen. Querbauwerke, insbesondere bewegliche Wehrklappen werden häufig nur nach hydraulischen Belangen gestaltet und ausgeführt, mit oft relativ scharfen, von Strahlaufreißern unterbrochenen Wehrkronen und ohne das sondierende, Zeit und Energie verbrauchende Verhalten der Fische vor dem Bauwerk weiter in Betracht zu ziehen.
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In Kanälen und Bypässen ohne Rückschwimmmöglichkeiten und ohne scharfe Kanten wird dagegen ein guter Abstieg beobachtet.
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Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Abwanderung über Querbauwerke (beispielsweise feste Stauwehre, aber auch bewegliche Klappenwehre) zu erleichtern und an die Verhaltensweisen der Fische anzupassen. Darüber hinaus soll die Schädigung von Fischen beim Übergang über scharfkantige Wehrkronen vermieden werden.
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Hierzu wird über und hinter der Überlaufkante (Krone) des Querbauwerkes erfindungsgemäß ein strömungsberuhigter Bereich erzeugt, in welchen die Fische gefahrlos hineinschwimmen können. Um diesen strömungsberuhigten Bereich zu schaffen, wird hinter der Überlaufkante des Querbauwerkes (i. d. R. die Wehrkrone) erfindungsgemäß eine zusätzliche Stauvorrichtung angeordnet, welche beweglich ausgeführt wird und unabhängig vom Querbauwerk geöffnet und geschlossen werden kann.
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Die bewegliche Stauvorrichtung wird in ihrer Abflußwirkung so eingestellt, dass in dem Zwischenraum zwischen Querbauwerk und Stauvorrichtung befindliches Wasser langsam vom Querbauwerk zur Stauvorrichtung strömt. Erst unmittelbar vor der Stauvorrichtung wird das Wasser beschleunigt, weil es über diese ins Unterwasser abfließt.
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Den Fischen wird damit auf ihrem Weg ins Unterwasser bis zur Stauvorrichtung eine Abflußsituation geboten, welche ohne stark nach unten abfallende, beschleunigte Strömungsverhältnisse der normalen Abflusssituation im Fließgewässer relativ nahe kommt. Die Bereitschaft, in diesen strömungsberuhigten Zwischenraum einzuschwimmen ist also sehr viel größer, als beispielsweise über einen, ihnen unbekannten und uneinsichtigen Wehrüberfall zu schwimmen.
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Da das abfließende Wasser erst unmittelbar vor dem Abfluß über die Stauvorrichtung beschleunigt wird, werden die abwanderungswilligen Fische in diesem Bereich hinter dem Querbauwerk aber vor der Stauvorrichtung ihr Sondierungsverhalten durchführen.
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Durch zügiges Öffnen (z. B. durch Wegklappen) der Stauvorrichtung wird das Wasservolumen im Zwischenraum freigesetzt und fließt ins Unterwasser ab. Mit ihm werden die sondierenden Fische ebenfalls ins Unterwasser abtransportiert, bevor sie über das Querbauwerk wieder ins Oberwasser entweichen können.
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Anschließend wird die Stauvorrichtung wieder geschlossen und dadurch das Wasservolumen im Zwischenraum zwischen Querbauwerk und Stauvorrichtung wieder angestaut. Weitere Fische können einschwimmen, und der Zyklus des Schwallbetriebes beginnt von neuem. Je nach vorkommenden Fischarten und deren Sondierungsverhalten, mitunter auch abhängig von der Jahreszeit und den Hauptwanderzeiten verschiedener Fischarten, kann das Intervall des Schwallbetriebes dem Bedarf angepaßt werden.
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Durch den Schwallbetrieb wird eine Gefahrenquelle für Verletzungen an Querbauwerken vermieden, die eine scharfkantige Krone aufweisen (beispielsweise Wehrklappen aus Stahl). Denn die Anordnung der erfindungsgemäßen Stauvorrichtung staut im Zwischenraum unmittelbar hinter der Krone des Querbauwerkes ein Wasserpolster an, das Wasser fällt also nicht im stumpfen Winkel ab. Stattdessen fließt es erst über die Stauvorrichtung ins Unterwasser ab.
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Fische können also gefahrlos über die Krone des Querbauwerkes in den Zwischenraum gelangen, wo sie vor dem für sie als unsicher eingestuften Wasserabfluss über die Stauvorrichtung „sondieren”, so wie vor dem Querbauwerk, wenn die Stauvorrichtung nicht vorhanden wäre (siehe vor). Durch das zügige Öffnen der Stauvorrichtung werden sie nicht über deren möglicherweise ebenfalls scharfe Umrisskanten gezogen, sondern werden mit dem Wasserschwall ins Unterwasser gespült, ohne mit dem Rand der Stauvorrichtung in Berührung zu kommen. Grundsätzlich kann die Stauvorrichtung bzw. deren Abflusskanten, sofern sie aus harten, starren Baumaterialien hergestellt wird, natürlich mit abgerundeten Kanten oder weichen Materialien ausgeführt werden, um Verletzungsgefahren beim Übergang der Fische vollständig auszuschließen.
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Weitere erfindungsgemäße Ausführungen
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Die Stauvorrichtung kann erfindungsgemäß parallel zur Krone des Querbauwerkes oder aber schräg dazu ausgeführt werden.
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Weiterhin kann die Krone des Querbauwerkes erfindungsgemäß an einer Stelle geöffnet werden, so dass Wasser durch diese Öffnung zwischen Querbauwerk und die Stauvorrichtung fließen kann. In der Stauvorrichtung kann sich erfindungsgemäß ebenfalls eine Öffnung befinden. So können die Kronen des Querbauwerkes und der Stauvorrichtung über den Wasserspiegel hinaus ragen und es werden ein klar definierter Einlass in und ein klar definierter Auslass aus dem strömungberuhigten Zwischenraum festgelegt.
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Wird die Öffnung in der Stauvorrichtung beispielsweise nicht direkt hinter der Öffnung im Querbauwerk positioniert, sondern seitlich versetzt, so entsteht der Zwischenraum in Form einer Rinne oder eines Kanals parallel zur Stauvorrichtung, in welchem Wasser langsam von der ersten Öffnung im Querbauwerk zur zweiten in der Stauvorrichtung strömt. Erst unmittelbar vor dem Auslauf durch die Öffnung in der Stauvorrichtung wird das Wasser beschleunigt, weit es durch diese ins Unterwasser abfließt. Dadurch kann die gesamte Anordnung mit geringerer Ausdehnung in Richtung Unterwasser ausgeführt werden als wenn das Wasser über die gesamte Breite abfließt.
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Die Öffnung in der Stauvorrichtung kann erfindungsgemäß in ihrer Abflusswirkung anders ausgeführt werden als die in der Krone des Querbauwerkes; vorzugsweise kleiner, damit die Strömungsgeschwindigkeit durch die Öffnung im Querbauwerk gering gehalten werden kann. Andernfalls würden Fische möglicherweise vom Einschwimmen in den Zwischenraum zwischen Querbauwerk und Stauvorrichtung abgehalten (siehe vor: Verhaltensbeobachtungen von Fischen vor Wehrkörpern). Durch ausreichend großen Abstand zwischen Querbauwerk und Stauvorrichtung wird auch in diesem Kanal ein größerer Abflussquerschnitt erreicht als die Öffnung in der Stauvorrichtung aufweist. So kann auch hier eine geringe Strömungsgeschwindigkeit erreicht werden.
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Die Stauvorrichtung erstreckt sich üblicherweise bis zu den seitlichen Einfassungen des Querbauwerkes. Alternativ kann sie nur einen Teilbereich des Querbauwerkes abdecken. In diesem Falle müssen erfindungsgemäß zusätzliche, seitliche Einfassungen von der Krone des Querbauwerkes bis zur Stauvorrichtung angeordnet werden, damit sich der Wasserstrom in der beschriebenen Weise bewegt statt seitlich abzufließen, damit der beschriebene Schwallbetrieb zur Beschleunigung der Abwanderung von Fischen durchgeführt werden kann.
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Wird die Krone des vorhandenen Querbauwerkes im Teilbereich vor der Stauvorrichtung erhöht, so kann auch die Lösung mit versetzten Öffnungen in Querbauwerk und Stauvorrichtung realisiert und damit eine verkürzte Bauweise erreicht werden, weil der strömungsberuhigte Zwischenraum als Kanal parallel zur Stauvorrichtung aufgebaut wird.
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So kann auch bei bestehenden Wehranlagen mit der erfindungsgemäßen Stauvorrichtung eine Verbesserung des Fischabstieges erreicht werden, wenn die Anbringung der Stauvorrichtung über die gesamte Breite des Querbauwerkes bzw. der vorhandenen Staueinrichtung nicht möglich ist.
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Bei bestehenden Wehranlagen mit mehreren Segmenten kann ein Segment für den verbesserten Abstieg umgerüstet werden. Bei Hochwasser kann auch das umgerüstete Segment zusammen mit der erfindungsgemäßen Stauvorrichtung niedergelegt werden und den erforderlichen Hochwasserquerschnitt vollständig freigeben.
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Eine besondere Anwendung ergibt sich in Verbindung mit dem beweglichen Krafthaus (Patentschrift
DE 10117552 C1 ) und dessen Weiterentwicklung, der unterspülbaren Wasserkraftanlage (Gebrauchsmuster Nr. 20 2012 005 351.5). Bei beiden Kraftwerkskonzepten sind Spülklappen über Turbine und Rechenreiniger angeordnet, welche die Anlagen überspülbar machen. Die erfindungsgemäße Stauvorrichtung kann mit diesen Spülklappen in der beschriebenen Weise kombiniert werden und so den Abstieg oberflächennah abwandernder Fische über diese Anlagen entscheidend verbessern.
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Liste der Abbildungen
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1 Querbauwerk und erfindungsgemäße Stauvorrichtung (geschlossen)
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2 Querbauwerk und erfindungsgemäße Stauvorrichtung (geöffnet)
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3 Querbauwerk und erfindungsgemäße Stauvorrichtung (geschlossen), beide mit Öffnungen in der Krone, strömungsberuhigter Zwischenraum parallel zur Stauvorrichtung
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4 Querbauwerk und erfindungsgemäße Stauvorrichtung (geöffnet), beide mit Öffnungen in der Krone, strömungsberuhigter Zwischenraum parallel zur Stauvorrichtung
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5 Querbauwerk und erfindungsgemäße Stauvorrichtung (geschlossen) nur vor Teilbereich des Querbauwerkes mit zusätzlicher, seitlicher Einfassung
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6 Querbauwerk und erfindungsgemäße Stauvorrichtung (geöffnet) nur vor Teilbereich des Querbauwerkes mit zusätzlicher, seitlicher Einfassung
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Bezugszeichenliste
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- 1
- vorhandenes Querbauwerk
- 2
- vorhandene seitliche Einfassung des Querbauwerkes
- 3
- Krone des Querbauwerkes
- 4
- Stauvorrichtung
- 5
- Öffnung in Querbauwerk
- 6
- Öffnung in Stauvorrichtung
- 7
- strömungsberuhigter Bereich über Querbauwerk
- 8
- strömungsberuhigter Zwischenraum
- 9
- Bereich mit beschleunigter Strömung
- 10
- zusätzliche, seitliche Einfassung
- 11
- frei überströmter Bereich des Querbauwerkes
- 12
- Erhöhung der Krone des Querbauwerkes
- 13
- Sohle des Zwischenraumes
- 20
- abfließendes Wasser
- 21
- Wasserspiegel Oberwasser
- 22
- Wasserspiegel Unterwasser
- 24
- verlangsamter Wasserfluss
- 25
- beschleunigter Wasserfluss
- 30
- Fische
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Kurzbeschreibung der Stauvorrichtung für Verbesserung des Fischabstieges an Querbauwerken
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Hinter einem vorhandenen Querbauwerk (1) wird eine Stauvorrichtung (4) positioniert, so dass über der Krone (3) des Querbauwerkes (1) ein strömungsberuhigter Bereich (7) entsteht, über den Fische (30) gefahrlos mit dem hier verlangsamten Wasserfluss (24) über das Querbauwerk (1) gelangen. Ferner entsteht zwischen Querbauwerk (1) und Stauvorrichtung (4) ein Zwischenraum (8) mit verlangsamten Wasserfluss (24).
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Da Fische (30) vor Barrieren, die mit starken Änderungen der Strömungsverhältnisse einhergehen, zurückschrecken und ein Sondierungsverhalten an den Tag legen, werden sie im Zwischenraum (8) vor der Stauvorrichtung (4) zunächst verharren, weil erst kurz vor der Stauvorrichtung (4) durch den Abfluss ins Unterwasser (22) ein beschleunigter Wasserfluss (25) entsteht (1, 3 und 5).
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Die Stauvorrichtung (4) kann unabhängig vom Querbauwerk (1) geöffnet und geschlossen werden. Durch Öffnen der Stauvorrichtung (4) wird das im Zwischenraum (8) befindliche Wasser (20) schwallartig ins Unterwasser (22) abgeführt. Mit diesem schwallartig beschleunigten Wasserfluss (25) werden auch die Fische (30) ins Unterwasser (22) verbracht (2, 4 und 6). Anschließend wird die Stauvorrichtung (4) wieder geschlossen und im Zwischenraum (8) wird wieder Wasser (20) angestaut, damit sich der strömungsberuhigte Wasserfluss (24) im Zwischenraum (8) und im Bereich (7) über dem Querbauwerk (1) einstellen und weitere Fische (30) in diesen Bereich vom Oberwasser (21) her hineinschwimmen können.
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Je nach vorkommenden Fischarten, deren Abwanderverhalten, sowie anderen Randbedingungen wie Temperatur, Jahreszeit oder Gesamtabfluss im Gewässer kann der Öffnungszyklus der Stauvorrichtung (4) an die Bedingungen angepasst werden, damit möglichst viele Fische (30) mit möglichst geringer Verzögerung ins Unterwasser (22) gelangen.
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Um den strömungsberuhigten Zwischenraum (8) in Fließrichtung des über das Querbauwerk (1) abfließenden Wassers (20) möglichst kurz zu halten, aber trotzdem genügend Raum für das Sondierungsverhalten der Fische (30) zu bieten, können Öffnungen (5) im Querbauwerk (1) und Öffnungen (6) in der Stauvorrichtung (4) so angeordnet werden, dass sich eine verlangsamte Wasserströmung (24) im Zwischenraum (8) parallel zur Stauvorrichtung (4) einstellt (3 und 5).
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Die erfindungsgemäße Stauvorrichtung (4) kann an unterschiedliche Gegebenheiten vor Ort angepasst werden. So kann sie bei einem Querbauwerk (1), welches als festes Wehr ausgebildet ist, eingesetzt werden (1 und 2), ebenso wie bei Querbauwerken (1), die beispielsweise als bewegliche Klappenwehre den Wasserstau im Oberwasser (21) regeln (3 bis 6).
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Auch bei sehr breiten Querbauwerken (1), welche eine Stauvorrichtung (4) über die gesamte Breite nicht oder nur mit hohem Aufwand zulassen, kann der Fischabstieg verbessert werden, indem die Stauvorrichtung (4) nur über einen Teilbereich des Querbauwerkes (1) angeordnet wird (5 und 6). Hierbei sind zusätzliche, seitliche Einfassungen (10) der Stauvorrichtung (4) erforderlich, um ein seitliches Abfließen des Wassers (20) aus dem strömungsberuhigten Zwischenraum (8) zu verhindern und die Strömungsbedingungen in der beschriebenen Weise zu gewährleisten.
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Wenn die vorhandenen seitlichen Einfassungen (2) des Querbauwerkes (1) keine ausreichende Begrenzung für den Betrieb der Stauvorrichtung (4) bieten, können auch zusätzliche, seitliche Einfassungen (10) angeordnet werden, obwohl sich die Stauvorrichtung (4) über die gesamte Breite des Querbauwerkes (1) erstreckt.
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Gegebenenfalls kann die Krone (3) des Querbauwerkes (1) mit einer Erhöhung (12) versehen werden, um auch bei hohen Abflüssen und ansteigendem Oberwasser (21) die gewünschten Strömungsbedingungen aufrecht erhalten zu können.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung einer Stauvorrichtung (4) hinter einem vorhandenen Querbauwerk (1) wird dem Verhalten von abwandernden Fischen (30) Rechnung getragen, die vor Barrieren zurückschrecken, weil sie die Gegebenheiten mit ihren Sinnesorganen nicht ausreichend erfassen können und/oder ihnen die Abflussverhältnisse als gefährlich erscheinen.
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Hierzu werden den Fischen (30) in einem ersten Schritt strömungsberuhigte Bedingungen angeboten, um die Barriere in Form eines Querbauwerkes (1) gefahrlos und gemäß ihren Verhaltensweisen zu überwinden. In dem an die Krone des Querbauwerkes (1) anschließenden strömungsberuhigten Zwischenraum (8) verharren sie zunächst, weil sie – wieder gemäß ihrer Verhaltensweise – vor dem beschleunigten Wasserabfluß (25) über die Stauvorrichtung (4) zurückschrecken und diesen „sondieren”. Durch Öffnen der Stauvorrichtung (4) werden die Fische (30) mit dem dadurch ausgelösten Wasserschwall (25) ins Unterwasser (22) befördert, noch bevor sie ins Oberwasser (21) flüchten können.
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Mit unterschiedlichen Höheneinstellungen der Stauvorrichtung (4) kann die Fließgeschwindigkeit des verlangsamten Wasserabflusses (24) verändert und auf spezifische Bedingungen für die Abwanderung von verschiedenen Fischarten angepasst werden.
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Durch an das Abwanderverhalten der im jeweiligen Gewässer vorkommenden Fische (30) angepasste Öffnungszyklen der Stauvorrichtung (4), sowie durch die artspezifische Geschwindigkeitsanpassung des verlangsamten Wasserflusses (24) kann die Sondierungsdauer und damit der Energieverbrauch der abwandernden Fische (30) deutlich gegenüber der Abwanderung über das vorhandene Querbauwerk (1) reduziert werden. Die Abwanderung der Fische (30) wird erheblich beschleunigt.
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Sofern die Krone (3) des Querbauwerkes (1), die – wie bei zahlreichen Wehrverschlüssen aus Stahl – scharfe Kanten aufweist, wird auch die dadurch gegebene Gefahr der Verletzung beim Überwinden des Querbauwerkes (1) reduziert, da die Fische (30) durch den strömungsberuhigten Bereich (7) gefahrlos über die scharfen Kanten der Krone (3) schwimmen können.
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Verletzungen und Energieverluste bei abwandernden Fischen (30) machen sie zur leichten Beute von Prädatoren. Nicht zuletzt deshalb werden die kapitalsten Raubfische häufig im Unterwasser (22) von Querbauwerken (1) beobachtet. Durch die erfindungsgemäße Stauvorrichtung (4) können diese Belastungen verringert und die Überlebenswahrscheinlichkeit der abwandernden Fische (30) verbessert werden.
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Besonders Langdistanzwanderfische profitieren von der Beschleunigung der Abwanderung, der Schonung der Energiereserven und der Beseitigung von Verletzungsgefahren beim Übergang über Querbauwerke (1), weil sich bei ihnen die beschriebenen Vorteile an vielen auf ihrem Weg liegenden Querbauwerken (1) summieren und ihre Chancen, das Ziel ihrer Wanderung zu erreichen, damit erheblich verbessern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Böckmann et al.: Fischabstieg: Verhaltensbeobachtungen vor Wanderbarrieren, veröffentlicht in „Wasser und Abfall” 6/2013 [0002]
