Ethohydraulische und hydronumerische Untersuchungen an Rechen und Kaplanturbinen als Beitrag zur Reduktion der Aalschädigung an Laufwasserkraftanlagen

Klopries, Elena-Maria; Schüttrumpf, Holger; Lehmann, Boris

doi:10.18154/RWTH-2018-229216

Ethohydraulische und hydronumerische Untersuchungen an Rechen und Kaplanturbinen als Beitrag zur Reduktion der Aalschädigung an Laufwasserkraftanlagen

Klopries, Elena-Maria^RWTH*

2018 & 2019

VerantwortlichkeitsangabeElena-Maria Klopries

ImpressumAachen : Shaker 2018

Umfang1 Online-Ressource (XXVII, 269 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-8440-6202-1

ReiheMitteilungen des Lehrstuhls und Instituts für Wasserbau und Wasserwirtschaft ; 173

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Druckausgabe: 2018. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Schüttrumpf, Holger (Thesis advisor)^RWTH* ; Lehmann, Boris (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-06-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-229216
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/748185/files/748185.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/748185/files/748185.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft (314410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Fischabstieg (frei) ; Fischschutz (frei) ; Numerik (frei) ; Wasserkraft (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Die Reduktion der Schädigung abwärts wandernder Fische an Laufwasserkraftanlagen ist eine der größten Herausforderungen in Hinblick auf die ökonomisch und ökologisch vorteilhafte Nutzung von Wasserkraft. Vor allem für Fischarten wie den Europäischen Aal, die auf die freie Durchwanderbarkeit von Fließgewässern angewiesen und in ihrem Bestand gefährdet sind, ist die Erarbeitung wirksamer und umsetzbarer Schutzmaßnahmen unerlässlich. Dies gilt besonders für Stauhaltungsketten wie etwa an der Mosel, wo mehrere Wasserkraftanlagen hintereinandergeschaltet sind und sich der negative Effekt für die Fische akkumulieren kann. Rechen-Bypass-Systeme vor dem Turbineneinlauf und fischangepasste Steuerungsweisen der Turbinen stellen zwei mögliche Maßnahmen für den Fischschutz dar. Die optimale Ausführung und Wirksamkeit beider Maßnahmen sind vor allem für große Bestandsanlagen bisher nicht ausreichend untersucht. Diese Arbeit stellt ein probabilistisches Modell des longitudinalen Wanderwegs eines Blankaals durch einen Rechen und eine Turbine auf, welches die Wahrscheinlichkeit abbildet, mit der der Blankaal auf diesem Weg geschädigt wird. Ein Modell zur Filterwirkung von Rechen wird mit Hilfe von Literaturdaten aufgestellt und mit eigenen ethohydraulischen Untersuchungen validiert. Es zeigt, dass das Verhältnis der minimalen Körperbreite von Blankaalen zum Stababstand und der vertikale sowie horizontale Neigungswinkel des Rechens den maßgeblichen Einfluss auf die Wahrscheinlichkeit haben, dass ein Fisch durch den Rechen in die Turbine schwimmt. Anhand hydronumerischer Untersuchungen wird ein Schädigungsmodell einer Turbine entwickelt. Es ermöglicht durch Abbildung der physikalischen Prozesse innerhalb der Turbine und des Fischdurchgangs die Bestimmung der hydraulischen Belastungen, die ein Fisch bei der Turbinenpassage erfährt. Kombiniert mit der Vulnerabilität der Fische gegenüber diesen Belastungen ergibt sich so für unterschiedliche Betriebszustände ein Mortalitätsrisiko für die Fische. Werden die Schädigungsmechanismen betrachtet, treten die maßgeblichen Belastungen durch Scherereignisse und Druckdifferenzen vor allem im Leitapparat auf, für Kollisionen hingegen abgesehen von geringen Turbinendurchflüssen im Laufrad. Die ermittelten Einflussfaktoren auf die drei Schädigungsmechanismen tragen zur Verbesserung des Verständnisses der Wirkungszusammenhänge und Schädigungsprozesse innerhalb einer Turbine bei. Angewendet werden die Modelle der Filterwirkung und Turbinen-schädigung auf die Stauhaltungskette der Mosel, um den Effekt unterschiedlicher baulicher und betrieblicher Maßnahmen auf die Aalpopulation zu bestimmen. Die Optimierung des kombinierten Einsatzes von Rechen-Bypass-Systemen und fischangepassten Steuerungsweisen von Turbinen hängt von einer Vielzahl von Parametern ab und muss auf Grundlage der Analyse der tatsächlich ablaufenden Prozesse durchgeführt werden. Die durchgeführten ethohydraulischen und hydronumerischen Untersuchungen zeigen, dass die Erstellung von Bestimmungsgleichungen und die phänomenologische Beschreibung von Schädigungsprozessen und Parameterzusammenhängen für konkrete Wasserkraftanlagen möglich sind und zur Verbesserung des Fischschutzes beitragen können.

One of the main challenges regarding the economic and ecological use of hydropower is to reduce the impairment of downstream migrating fish at hydropower facilities. Species like the European eel that depend on free passage of river sections and, at the same time, are critically endangered have a particular need for effective and realisable mitigation measures. Most notably, this is true at rivers with a multitude of hydropower facilities like the River Moselle where the negative impact for fish accumulates in the course of reaches. Bar-rack-bypass-systems in front of turbine intakes and fish-adapted turbine management are two possible measures for fish protection. However, there is only little information to date how their ideal implementation and the efficacy at large existing hydro power plants look like. This work presents a probabilistic model of the longitudinal migration path of silver eels through a bar rack and a turbine. It calculates the possibility that a silver eel is hurt on that path. A model of the screening effect of a bar rack is provided based on data from current literature and is validated by own ecohydraulic studies. The main factors of influence on the probability that a fish passes through a bar rack and into a turbine have been proven to be the ratio of minimal body width to bar rack spacing as well as the horizontal and vertical angle of inclination. Following that, computational fluid dynamic studies have been used to develop a model of damages within the turbine. By representing the physical processes within the turbine and the fish passage through the turbine, the model allows to calculate the hydraulic strain fish experience during turbine passage. Coupling these with the vulnerability of fish to these strains, a risk of mortality is calculated. For shear stress and pressure change as two of the three main mechanisms of damage, the significant strains occur mainly in the region of the guide vanes. For collisions that are the third main mechanism of damage apart from small turbine discharges, the significant strains appear in the region of the runner. The main factors of influence that have been detected out of these studies contribute greatly to the general understanding of interdependencies and the damaging process inside a turbine. Both models are applied to the hydropower facilities at the River Moselle to calculate the effect of structural and operational measures on the eel population there. To optimise the combined use of bar racks and bypasses on the one hand and fish-adapted turbine management on the other hand, one needs to consider a multitude of parameters and one needs to analyse the actual processes that cause damages. The ecohydraluic studies and numerical simulations that have been carried out show that it is possible and beneficial for fish protection to provide conditional equations and phenomenological descriptions of damaging processes as well as parameter correlations for concrete hydropower facilities.

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