Grundlagen des Fischschutzes an Einlaufrechen - LUGV

Grundlagen des Fischschutzes an EinlaufrechenDr.-Ing. Reinhard Hassinger,Versuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik undWasserbauInhalt:• Einleitung• Verluste an Rechen• Leitwirkung von Rechen• Geschwindigkeiten undDurchströmungsverhältnisse• Auflagekräfte eines Fisches• Zusammenfassung und FazitVersuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

Einleitung/Veranlassung• In den Fachpublikationen, z.B. im Themenband „Fischschutz undFischabstiegsanlagen“ werden über die hydraulischen Vorgänge anRechenstäben wichtige Aspekte unvollständig dargestellt.• Auch die Wechselwirkung zwischen der Strömung und einem auf derOberfläche liegenden Körper (Fisch) wird in den einschlägigen Werkenphysikalisch nicht einwandfrei und umfassend dargestellt.• Es haben sich in den Köpfen irrige Auffassungen besonders zu schrägenRechen eingenistet, die aus einem falschen physikalischen Verständnisund/oder falscher Anwendung bzw. Übertragung der Literaturangabenherrühren dürften.Versuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

Entstehung von Verlusten an einem Rechenstab16 15 16AblösungDirekt unterstrom einer zu engenKrümmung oder an einer zuplötzlichen Aufweitung tritt eineAblösung auf. Diese erzeugt Wirbelund zehrt EnergieGrenzschichtEntlang der überströmten Flächenentwickelt sich eine Grenzschicht.Diese zehrt Energie durch Reibungund engt den Querschnitt einWirbelablösungAm Profilende lösen sichperiodisch oder aperiodisch Wirbelab, die Energie zehren undSchwingungen anregen können.Versuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

Druckverlauf bei der DurchströmungRechenoberfläche1,56Profil 16Profil 2616Profil 36Energielinie Profil 1Energielinie Profil 3Versuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. HassingerDrucklinie Profil 1Energielinie Profil 2 Drucklinie Profil 2Drucklinie Profil 3

Druckverlauf und seine Wirkungen• Beim Durchtritt durch die Engstelle fällt der Druck ab, da die Energie fürdie Beschleunigung gebraucht wird (Bernoulli-Gleichung).• Der Druckabfall ist umso größer, je größer der Verbauungsgrad ist, dersich aus der geometrischen Verbauung und der Querschnittsblockadedurch Rechengut zusammensetzt.• Dieser Druckabfall belastet Körper, die auf der Oberfläche liegen, indemauf der Vorderseite der Staudruck und auf der Rückseite teilweise derUnterdruck infolge Beschleunigung wirkt.• Dieser Druckabfall ist vom effektiven Verbauungsgrad abhängig.• Welcher Druck sich tatsächlich auf der Rückseite eines auf derRechenoberfläche liegenden Körpers durchsetzt, hängt von derOrientierung (Lage) des Fisches, der Stabform und den weiterenVerlusten des Rechens ab.Versuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

Erfassung des RechenwiderstandesAllgemeiner Ansatz:∆H= ς ⋅2v02gζ =kFkF⋅ f (P1,33= Formfaktorbis 1,5) ⋅P = Verbauungsgrad =f ( δ ) ⋅ f ( a /AVS+AREAVAδ = Anströmwinkel imGrundrissl) ⋅ kv⋅ sinαδkv= Verlegungsfaktorα = Anströmwinkel im LängsschnittαVersuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

Zustand eines 20-mm-Rechens mit RechteckstäbenVersuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

Aktuelle RechenprofileRechteckstab6 x 60FischSchon-RechenFlügelprofil nachWalzwerke EinsalKlewa-RechenGröße 16/66,0 6,08,016,0ca. 6°58,068,0ca.83,060ca. 7015,05,06,01,5Versuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

Fischschonender Rechen System „Oppermann“• Umbördelung liefert rundeVorderkante undströmungsgünstiges Profil• Engste Stelle weit vorne -> Rechenleicht abstreifbar• Dünnes Hinterteil -> geringeVerluste• Lichtweite beliebig durchDistanzhülsen einstellbarVersuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

VerlustbeiwerteVersuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

Zusammenfassung zu den Verlusten• Die Verluste sind zu annähernd gleichen Teilen aus der Stabform unddem Verbauungsgrad bestimmt.• Moderne feine Rechen können nur noch mit Profilen gebaut werden, dieeinen verdickten Kopf haben.• Die Stabform ist optimalerweise so, dass die kinetische Energie aus derStrömung durch den Engpass durch allmähliche Wiederaufweitung inDruck zurückverwandelt wird.• Der Kopf darf nicht zu dick sein, um den Verbauungsgrad und damit denDruckabfall klein zu halten.• Es gibt Rechenprofile, deren Verluste so gering sind, dass sie auch beikleinen Stababständen nicht zu nennenswerter Verringerung derStromproduktion führen.Versuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

Schrägstellung – ZielsetzungDurch Schrägstellung des Rechens sollen 2 ökologische Wirkungen erzieltwerden:1. Leitwirkung zu einer Seite hin2. Reduzierung von Anpresskräften durch KomponentenzerlegungWirkungsvolle Schrägstellung heißt aber immer Schrägstellung zu denStromlinien !Schräganströmung im GrundrissSchräganströmung im LängsschnittVersuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

Schrägstellung: Leitwirkung von RechenEs ist nachgewiesen, dass schräg zur Strömung gestellte Rechen eineLeitwirkung ausüben, mit der Fische gezielt zu einer Seite (Bypass) geleitetwerden können.2 Möglichkeiten:• Schrägstellung im Grundriss• Schrägstellung im Längsschnitt (Neigung)Erwartete Leitwirkung:horizontal und vertikalQuelle: DWA-Themenband „Fischschutz undFischabstiegsanlagen“Versuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

Vertikale Leitwirkung bei geneigtem RechenDie in der Literatur beschriebene Leitwirkung durch Ausweichbewegungführt theoretisch zu einer Leitwirkung in Richtung zurückweichender Seite.Aber 1: (bei Leitwirkung nach oben):In der Praxis ist noch nicht nachgewiesen, dass diese Leitwirkung für einenordnungsgemäßen Fischabstieg ausreicht, denn:• Manche Fische wehren sich dagegen, an die Oberfläche gebracht zuwerden.• Für bodenorientierte Fische ist die Leitwirkung irreführend.• Keine überzeugenden Nachweise für ausreichende Funktion vorhanden!• Die Untersuchungen an der WKA Calbe/Saale durch Dr. G. Ebel habengezeigt, dass die vertikale Leitwirkung eines geneigten Rechens nicht zueiner nennenswerten Effektivität eines oben liegenden Bypasses geführthatVersuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

Zitat Vortrag Gluch vom Sept. 2009 in GrimmaFischschutz- und Fischabstiegs- Systeme (Ergebnisse 2008)• Eine Leitung abstiegswilliger Fische nach oben mittels flachergestelltem, herkömmlich senkrecht angeströmtem Rechen funktioniertegar nicht.• Die seitliche Leitung abstiegswilliger Fische entlang schrägangeströmtem Leitrechen mit Bypassschacht (Fisch- und Treibgut-Ableiter) funktionierte gut für alle Arten und Größen und ist somit dasderzeitig einzig genehmigungsfähige Fischschutz- undFischabstiegssystem bei vergleichbaren Neuanlagen und räumlichmöglichen EEG- bezogenen Umrüstungen an bestehendenWasserkraftanlagen.• (Die Feinoptimierung des Systems nach Erforschung artspezifischerFisch- Verhaltensmuster und die Entwicklung funktionsfähiger Nachrüst-Systeme für räumlich begrenzte Altanlagen bleibt die anspruchsvolleAufgabe zur Umsetzung von WRRL, FFH-RL und EG- Aal-Schutzverordnung in den Folgejahren.)Vortrag Arnd Gluch beim 3. Wanderfischsymposium in Grimma, Sept. 2009Versuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

Aber 2: (bei Schrägstellung des Rechens im Grundriss)Nur bei bestimmten geometrischen Randbedingungen schneiden dieStromlinien die Rechenstäbe unter einem schrägen Winkel.OptimumRealitätvv nv tVersuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

Zuströmung mit Lehrschuss bzw. BypassLehrschuss nicht in Betrieb, keineoder schwache WehrüberströmungLehrschuss in Betrieb, keine oderschwache WehrüberströmungVersuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

Längs angeströmter Rechen bei Wehrüberströmungohne Lehrschussbetrieb;mit WehrüberströmungVersuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

Fazit: Leitwirkung bei schräg oder längs stehendenRechen• Eine Leitwirkung ist nur zu erwarten, wenn die Stromlinien den Rechenschräg schneiden.• Dies hängt von der Geometrie des Gerinnes im Vorfeld und imNahbereich, der Abflussaufteilung und dem Betrieb eines Leerschussesoder eines Bypasses neben dem Rechen ab.• In der Regel muss dazu viel Wasser am Kraftwerk vorbei geleitetwerden.• In vertikaler Richtung ist die Leitwirkung praktisch immer gegeben, abernur für bestimmte Fischarten und mit nicht nachgewiesenerGesamtwirkung.Versuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

Schrägstellung: Geschwindigkeiten und AnpresskräfteBei der Durchströmung der Rechengitter, die schräg zur Strömung stehen,wird allgemein davon ausgegangen, dass wegen der größerenRechenfläche eine für den Fisch hilfreiche Verringerung derStrömungsgeschwindigkeit auftritt. Dies ist leider ein irriger Trugschluss:1. Eine Änderung der Strömungsrichtung tritt, wenn überhaupt, nurunmittelbar vor der Rechenoberfläche auf (1-2 cm davor). Das heißt,dass der in einem Abstand von 10 cm und mehr vor dem Rechenstehende Fisch, die gleiche Geschwindigkeit spürt, die auch vorliegenwürde, wenn der Rechen nicht geneigt wäre.2. Wenn ein Rechen hydraulisch sehr günstig ist, wird das Wasser mitgeringen Richtungsänderungen durchgesetzt. Der Fisch spürtnäherungsweise die gleiche Auflagekraft, die sich jedoch aus einerNormalkomponente und einer Tangentialkomponente zusammensetzt.Beispiel: Mensch liegt auf Dach. Die Wirkung für Haut und Schuppenist im zweiten Fall nicht nennenswert besser.Versuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

Stromlinie beim Durchgang durch FischschonrechenGemessene Stromlinie beim Durchgang durch Fischschonrechen543414z [mm]-60 50 100 150 200 250 300 350-26-46-66x [mm]Versuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

Passus aus Themenband „Fischschutz und Fischabstieg“Quelle: DWA- Themenband: Fischschutz- und Fischabstiegsanlagen, S.101, S.97, Hennef 2007Versuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

Zusammenhang Druckgradient und Normal-KomponentenDie Umlenkung der Stromfäden, die vermeintlich zu einer Verteilung desDurchflusses auf eine größere Fläche und zu geringerenNormalgeschwindigkeiten führt, wird durch den Druckgradienten aus derBeschleunigung oder Verlusten bewirkt. Damit ist eine Umlenkung in dieFlächennormale nur möglich mit einer starken Druckabnahme, diewiederum zu hohen Druckdifferenzen am Fischkörper führt.Das heißt:Die entlastende Umlenkung der Stromlinien funktioniert nur mitbelastenden Verlusthöhen! In der Summe ist durch Rechenneigung fürden Fisch praktisch nichts gewonnen!Versuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

Stromlinien qualitativ bei unterschiedlichen VerlusthöhenGeringe VerlusteHohe VerlusteVersuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

Zusammenfassung zur Schrägstellung• Schrägstellung des Rechens bringt, rein hydraulisch gesehen, wederdem Fisch etwas, der vor dem Rechen steht, noch dem, der auf derOberfläche liegt.• Die geforderten geringen Geschwindigkeiten sind nur erreichbar, wennnach der Regel v = Q/A die Fläche senkrecht zu den Stromlinienentsprechend groß gemacht wird. Das ist aber bei Neubauten teuer undim Bestand selten machbar!• Die vektorielle Zerlegung der Zuströmgeschwindigkeit direkt am Rechenist nicht möglich und nicht zulässig, da die genaue Richtung nichtbekannt ist und vom Rechenverlust abhängt.• Die vektorielle Zerlegung der Kraft ist zulässig, sie bringt dem Fischjedoch nichts, da ein geringer Rückgang der Normalkraft mit demAuftreten einer beträchtlichen zusätzlichen Schubkraft verbunden ist.Versuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

DefinitionenVerlustbeiwertKraftbeiwertWiderstandsbeiwertBezeichnungen:∆hW == ς ⋅cwv2g⋅∆h2o; ς =22gvo⋅ A⋅ρ 2 2Wvo; cw=2 A⋅ρ ⋅v∆h = Energiehöhendifferenz am Rechen [m]W = Widerstandskraft [N]Z = Verlustbeiwert [-]v o = Anströmgeschwindigkeit [m/s]g = Erdbeschleunigung = 9,80665 m/s 2C w = Widerstandsbeiwert [-]A = Querschnittsfläche aus Anströmrichtung gesehen [m 2 ]ρ = Dichte des Mediums (= 1000 kg/m 3 )20Versuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

Auflagekraft in Abhängigkeit vom Verlustbeiwert3,5Widerstandsbeiwert der Auflagekraft cwR3,02,52,01,51,00,5Klewa-RechenRechteckrechenEinsal-RechenFischschonrechenFreiwasserStababstand: 20 mmStababstand: 16,5 mmStababstand: 12 mmy = 1,2632x + 0,501R 2 = 0,98450,00,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0Verlustbeiwert ζ des RechensVersuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger

Zusammenfassung• An den Stellen, an denen sich gesunde Fische vor dem Rechenaufhalten, wird die Geschwindigkeit des Wassers durch dieSchrägstellung des Rechens zur Strömung nicht verringert!• Die vertikale Leitwirkung von geneigten Rechen ist in der Praxis wennüberhaupt, dann nur für bestimmte Fischarten nachgewiesen!• Die Leitwirkung an Horizontalrechen ist stark von der Geometrie desAnströmfeldes und der Strömungsaufteilung abhängig.• Die den Fisch leitende Längskomponente gibt es meist nur, wenngrößere Durchflüsse am Rechen vorbei fließen (zu Wehr, Leerschusso.ä.).• Die Auflagekraft ist sehr stark von der Verlusthöhe abhängig. Einverlustarmer Rechen hilft dem Fisch viel mehr als eine Neigung.• Bei verlustarmen Rechen kann die Auflagekraft kleiner sein als derStrömungswiderstand im Freiwasser.Versuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau- Dr.-Ing. R. Hassinger