hassinger_fischschutz

Grundlagen des Fischschutzes an Einlaufrechen
Dr.-Ing. Reinhard Hassinger,
Versuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und
Wasserbau
Inhalt:
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Einleitung
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•
Auflagekräfte eines Fisches
Verluste an Rechen
Leitwirkung von Rechen
Geschwindigkeiten und
Durchströmungsverhältnisse
Zusammenfassung und Fazit
Versuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau
- Dr.-Ing. R. Hassinger
Einleitung/Veranlassung
• In den Fachpublikationen, z.B. im Themenband „Fischschutz und
Fischabstiegsanlagen“ werden über die hydraulischen Vorgänge an
Rechenstäben wichtige Aspekte unvollständig dargestellt.
• Auch die Wechselwirkung zwischen der Strömung und einem auf der
Oberfläche liegenden Körper (Fisch) wird in den einschlägigen Werken
physikalisch nicht einwandfrei und umfassend dargestellt.
• Es haben sich in den Köpfen irrige Auffassungen besonders zu schrägen
Rechen eingenistet, die aus einem falschen physikalischen Verständnis
und/oder falscher Anwendung bzw. Übertragung der Literaturangaben
herrühren dürften.
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Entstehung von Verlusten an einem Rechenstab
16
15
16
Ablösung
Grenzschicht
Direkt unterstrom einer zu engen
Krümmung oder an einer zu
plötzlichen Aufweitung tritt eine
Ablösung auf. Diese erzeugt Wirbel
und zehrt Energie
Entlang der überströmten Flächen
entwickelt sich eine Grenzschicht.
Diese zehrt Energie durch Reibung
und engt den Querschnitt ein
Am Profilende lösen sich
periodisch oder aperiodisch Wirbel
Wirbelablösung ab, die Energie zehren und
Schwingungen anregen können.
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Druckverlauf bei der Durchströmung
Rechenoberfläche
1,5
6
Profil 1
6
Profil 2
6
Profil 3
16
6
Energielinie Profil 1
Drucklinie Profil 1
Energielinie Profil 2
Drucklinie Profil 2
Energielinie Profil 3
Drucklinie Profil 3
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Druckverlauf und seine Wirkungen
• Beim Durchtritt durch die Engstelle fällt der Druck ab, da die Energie für
die Beschleunigung gebraucht wird (Bernoulli-Gleichung).
• Der Druckabfall ist umso größer, je größer der Verbauungsgrad ist, der
sich aus der geometrischen Verbauung und der Querschnittsblockade
durch Rechengut zusammensetzt.
• Dieser Druckabfall belastet Körper, die auf der Oberfläche liegen, indem
auf der Vorderseite der Staudruck und auf der Rückseite teilweise der
Unterdruck infolge Beschleunigung wirkt.
• Dieser Druckabfall ist vom effektiven Verbauungsgrad abhängig.
• Welcher Druck sich tatsächlich auf der Rückseite eines auf der
Rechenoberfläche liegenden Körpers durchsetzt, hängt von der
Orientierung (Lage) des Fisches, der Stabform und den weiteren
Verlusten des Rechens ab.
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Erfassung des Rechenwiderstandes
Allgemeiner Ansatz:
2
v0
∆H = ς ⋅
2g
ζ = k F ⋅ f ( P1,33 bis 1,5 ) ⋅ f ( δ ) ⋅ f ( a / l ) ⋅ kv ⋅ sin α
k F = Formfaktor
δ
AVS + AVA
P = Verbauungsgrad =
ARE
δ = Anströmwinkel im Grundriss
kv = Verlegungsfaktor
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α
α = Anströmwinkel im Längsschnitt
Zustand eines 20-mm-Rechens mit Rechteckstäben
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Aktuelle Rechenprofile
Flügelprofil nach
Walzwerke Einsal
6,0
16,0
8,0
6°
ca. 70
60
ca.83,0
58,0
ca.
Klewa-Rechen
Größe 16/6
15,0
6,0
FischSchonRechen
68,0
Rechteckstab
6 x 60
5,0
6,0
1,5
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Fischschonender Rechen System „Oppermann“
•
Umbördelung liefert runde
Vorderkante und
strömungsgünstiges Profil
•
Engste Stelle weit vorne -> Rechen
leicht abstreifbar
•
•
Dünnes Hinterteil -> geringe
Verluste
Lichtweite beliebig durch
Distanzhülsen einstellbar
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Verlustbeiwerte
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Zusammenfassung zu den Verlusten
• Die Verluste sind zu annähernd gleichen Teilen aus der Stabform und
dem Verbauungsgrad bestimmt.
• Moderne feine Rechen können nur noch mit Profilen gebaut werden, die
einen verdickten Kopf haben.
• Die Stabform ist optimalerweise so, dass die kinetische Energie aus der
Strömung durch den Engpass durch allmähliche Wiederaufweitung in
Druck zurückverwandelt wird.
• Der Kopf darf nicht zu dick sein, um den Verbauungsgrad und damit den
Druckabfall klein zu halten.
• Es gibt Rechenprofile, deren Verluste so gering sind, dass sie auch bei
kleinen Stababständen nicht zu nennenswerter Verringerung der
Stromproduktion führen.
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Schrägstellung – Zielsetzung
Durch Schrägstellung des Rechens sollen 2 ökologische Wirkungen erzielt
werden:
1. Leitwirkung zu einer Seite hin
2. Reduzierung von Anpresskräften durch Komponentenzerlegung
Wirkungsvolle Schrägstellung heißt aber immer Schrägstellung zu den
Stromlinien !
Schräganströmung im Grundriss
Schräganströmung im Längsschnitt
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Schrägstellung: Leitwirkung von Rechen
Es ist nachgewiesen, dass schräg zur Strömung gestellte Rechen eine
Leitwirkung ausüben, mit der Fische gezielt zu einer Seite (Bypass) geleitet
werden können.
2 Möglichkeiten:
Schrägstellung im Grundriss
Schrägstellung im Längsschnitt (Neigung)
Erwartete Leitwirkung:
horizontal und vertikal
•
•
Quelle: DWA-Themenband „Fischschutz und
Fischabstiegsanlagen“
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Vertikale Leitwirkung bei geneigtem Rechen
Die in der Literatur beschriebene Leitwirkung durch Ausweichbewegung
führt 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 einen
ordnungsgemäßen Fischabstieg ausreicht, denn:
Manche Fische wehren sich dagegen, an die Oberfläche gebracht zu
werden.
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 haben
gezeigt, dass die vertikale Leitwirkung eines geneigten Rechens nicht zu
einer nennenswerten Effektivität eines oben liegenden Bypasses geführt
hat
•
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Zitat Vortrag Gluch vom Sept. 2009 in Grimma
Fischschutz- und Fischabstiegs- Systeme (Ergebnisse 2008)
Eine Leitung abstiegswilliger Fische nach oben mittels flacher
gestelltem, herkömmlich senkrecht angeströmtem Rechen funktionierte
gar nicht.
Die seitliche Leitung abstiegswilliger Fische entlang schräg
angeströmtem Leitrechen mit Bypassschacht (Fisch- und TreibgutAbleiter) funktionierte gut für alle Arten und Größen und ist somit das
derzeitig einzig genehmigungsfähige Fischschutz- und
Fischabstiegssystem bei vergleichbaren Neuanlagen und räumlich
möglichen EEG- bezogenen Umrüstungen an bestehenden
Wasserkraftanlagen.
(Die Feinoptimierung des Systems nach Erforschung artspezifischer
Fisch- Verhaltensmuster und die Entwicklung funktionsfähiger NachrüstSysteme für räumlich begrenzte Altanlagen bleibt die anspruchsvolle
Aufgabe zur Umsetzung von WRRL, FFH-RL und EG- AalSchutzverordnung in den Folgejahren.)
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•
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Vortrag Arnd Gluch beim 3. Wanderfischsymposium in Grimma, Sept. 2009
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Aber 2: (bei Schrägstellung des Rechens im Grundriss)
Nur bei bestimmten geometrischen Randbedingungen schneiden die
Stromlinien die Rechenstäbe unter einem schrägen Winkel.
Optimum
Realität
v
vn
vt
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Zuströmung mit Lehrschuss bzw. Bypass
Lehrschuss nicht in Betrieb, keine
oder schwache Wehrüberströmung
Lehrschuss in Betrieb, keine oder
schwache Wehrüberströmung
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Längs angeströmter Rechen bei Wehrüberströmung
ohne Lehrschussbetrieb;
mit Wehrüberströmung
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Fazit: Leitwirkung bei schräg oder längs stehenden
Rechen
• Eine Leitwirkung ist nur zu erwarten, wenn die Stromlinien den Rechen
schräg schneiden.
• Dies hängt von der Geometrie des Gerinnes im Vorfeld und im
•
•
Nahbereich, der Abflussaufteilung und dem Betrieb eines Leerschusses
oder eines Bypasses neben dem Rechen ab.
In der Regel muss dazu viel Wasser am Kraftwerk vorbei geleitet
werden.
In vertikaler Richtung ist die Leitwirkung praktisch immer gegeben, aber
nur für bestimmte Fischarten und mit nicht nachgewiesener
Gesamtwirkung.
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Schrägstellung: Geschwindigkeiten und Anpresskräfte
Bei der Durchströmung der Rechengitter, die schräg zur Strömung stehen,
wird allgemein davon ausgegangen, dass wegen der größeren
Rechenfläche eine für den Fisch hilfreiche Verringerung der
Strömungsgeschwindigkeit auftritt. Dies ist leider ein irriger Trugschluss:
1. Eine Änderung der Strömungsrichtung tritt, wenn überhaupt, nur
unmittelbar vor der Rechenoberfläche auf (1-2 cm davor). Das heißt,
dass der in einem Abstand von 10 cm und mehr vor dem Rechen
stehende Fisch, die gleiche Geschwindigkeit spürt, die auch vorliegen
würde, wenn der Rechen nicht geneigt wäre.
2. Wenn ein Rechen hydraulisch sehr günstig ist, wird das Wasser mit
geringen Richtungsänderungen durchgesetzt. Der Fisch spürt
näherungsweise die gleiche Auflagekraft, die sich jedoch aus einer
Normalkomponente und einer Tangentialkomponente zusammensetzt.
Beispiel: Mensch liegt auf Dach. Die Wirkung für Haut und Schuppen
ist im zweiten Fall nicht nennenswert besser.
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Stromlinie beim Durchgang durch Fischschonrechen
Gemessene Stromlinie beim Durchgang durch Fischschonrechen
54
34
z [mm]
14
-6 0
50
100
150
200
-26
-46
-66
x [mm]
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250
300
350
Passus aus Themenband „Fischschutz und Fischabstieg“
Quelle: DWA- Themenband: Fischschutz- und Fischabstiegsanlagen, S.101, S.97, Hennef 2007
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Zusammenhang Druckgradient und Normal-Komponenten
Die Umlenkung der Stromfäden, die vermeintlich zu einer Verteilung des
Durchflusses auf eine größere Fläche und zu geringeren
Normalgeschwindigkeiten führt, wird durch den Druckgradienten aus der
Beschleunigung oder Verlusten bewirkt. Damit ist eine Umlenkung in die
Flächennormale nur möglich mit einer starken Druckabnahme, die
wiederum zu hohen Druckdifferenzen am Fischkörper führt.
Das heißt:
Die entlastende Umlenkung der Stromlinien funktioniert nur mit
belastenden Verlusthöhen! In der Summe ist durch Rechenneigung für
den Fisch praktisch nichts gewonnen!
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Stromlinien qualitativ bei unterschiedlichen Verlusthöhen
Geringe Verluste
Hohe Verluste
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Zusammenfassung zur Schrägstellung
•
•
•
•
Schrägstellung des Rechens bringt, rein hydraulisch gesehen, weder
dem Fisch etwas, der vor dem Rechen steht, noch dem, der auf der
Oberfläche liegt.
Die geforderten geringen Geschwindigkeiten sind nur erreichbar, wenn
nach der Regel v = Q/A die Fläche senkrecht zu den Stromlinien
entsprechend groß gemacht wird. Das ist aber bei Neubauten teuer und
im Bestand selten machbar!
Die vektorielle Zerlegung der Zuströmgeschwindigkeit direkt am Rechen
ist nicht möglich und nicht zulässig, da die genaue Richtung nicht
bekannt ist und vom Rechenverlust abhängt.
Die vektorielle Zerlegung der Kraft ist zulässig, sie bringt dem Fisch
jedoch nichts, da ein geringer Rückgang der Normalkraft mit dem
Auftreten einer beträchtlichen zusätzlichen Schubkraft verbunden ist.
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Modellfisch zur Messung der Auflagekräfte
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Definitionen
Verlustbeiwert
Kraftbeiwert
Widerstandsbeiwer
t
vo2
∆h = ς ⋅
;
2g
ς=
ρ
2 g ⋅ ∆h
vo2
2W
W = cw ⋅ A ⋅ v ; cw =
2
A ⋅ ρ ⋅ v02
2
o
Bezeichnungen:
∆h = Energiehöhendifferenz am Rechen [m]
W = Widerstandskraft [N]
Z = Verlustbeiwert [-]
vo = Anströmgeschwindigkeit [m/s]
g = Erdbeschleunigung = 9,80665 m/s2
Cw = Widerstandsbeiwert [-]
A = Querschnittsfläche aus Anströmrichtung gesehen [m2]
ρ = Dichte des Mediums (= 1000 kg/m3)
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Auflagekraft in Abhängigkeit vom Verlustbeiwert
Widerstandsbeiwert der Auflagekraft cwR
3,5
Klewa-Rechen
3,0
Rechteckrechen
Einsal-Rechen
Fischschonrechen
2,5
Freiwasser
y = 1,2632x + 0,501
R2 = 0,9845
2,0
1,5
1,0
Stababstand: 20 mm
Stababstand: 16,5 mm
0,5
Stababstand: 12 mm
0,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Verlustbeiwert ζ des Rechens
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1,4
1,6
1,8
2,0
Zusammenfassung
• An den Stellen, an denen sich gesunde Fische vor dem Rechen
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•
•
•
•
aufhalten, wird die Geschwindigkeit des Wassers durch die
Schrägstellung des Rechens zur Strömung nicht verringert!
Die vertikale Leitwirkung von geneigten Rechen ist in der Praxis wenn
überhaupt, dann nur für bestimmte Fischarten nachgewiesen!
Die Leitwirkung an Horizontalrechen ist stark von der Geometrie des
Anströmfeldes und der Strömungsaufteilung abhängig.
Die den Fisch leitende Längskomponente gibt es meist nur, wenn
größere Durchflüsse am Rechen vorbei fließen (zu Wehr, Leerschuss
o.ä.).
Die Auflagekraft ist sehr stark von der Verlusthöhe abhängig. Ein
verlustarmer Rechen hilft dem Fisch viel mehr als eine Neigung.
Bei verlustarmen Rechen kann die Auflagekraft kleiner sein als der
Strömungswiderstand im Freiwasser.
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