Wasser Energie Luft 1/2020

1-2020

Erhöhte Talsperre Vieux Emosson (Alpiq © Sébastian Moret)

12. März 2020

• Erhöhung Talsperren • Gefährdung durch Tsunamis in perialpinen Seen • Erosion des berges • Wirkungskontrollen

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WEL 4-2019

WEL 3-2019

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WEL 3-2016

WEL 2-2016

WEL 1-2016

Editorial Winterstrom: Hoch die Mauern?

Roger Pfammatter Geschäftsführer SWV, Directeur ASAE

Über die Versorgungssicherheit der Schweiz mit Strom wacht die Eidgenössische Elektrizitäts­kom­­mission.

Die staatliche Regulierungsbehörde mochte in Bezug auf die Energiestrategie nie in den Zweck­optimismus der Bundespolitik einstimmen, sie warnt nun aber immer eindringlicher vor der absehbaren Winterlücke.

Die Schweiz benötigt in der dunklen und kalten Jahres­ zeit schon heute mehr Strom als sie selber produziert.

Und mit dem Wegfall der Kernkraft­werke wird sich dieses Defizit vervielfachen. Eine solche Lücke kann alleine mit dem Ausbau der erneuerbaren Inland­pro­ duktion nicht geschlossen werden. Um nicht zu stark von Importen abhängig zu werden, braucht es ergänzende Lösungen.

Das Zauberwort heisst «Saisonspeicher», also die Umlagerung des künftigen Sommerüberschusses in die Wintermonate. Auf absehbare Zeit kommen für solche Langzeitspeicher nur Power-to-Gas-Anlagen und Speicherseen der Wasserkraft in Frage; wobei Letztere um ein Vielfaches bessere Wirkungsrade auf­ ­weisen und vor allem bereits bestehen. Mit Erhöhungen der Staumauern können die Speichervolumina meist überproportional vergrössert werden. Eine Handvoll

solcher Projekte wurde in den vergangenen Jahr­ zehnten umgesetzt. Zuletzt die auf dem Titelbild zu diesem Heft abgebildete Bogengewichtsmauer Vieux Emosson: sie wurde im Hinblick auf das neue Pump­ speicherwerk Nant de Drance um gut einen Drittel erhöht und das Seevolumen damit verdoppelt.

Das Potenzial von solchen Talsperrenerhöhungen ist erheblich. Gemäss einer aktuellen Untersuchung (vgl. den zusammenfassenden Fachartikel ab Seite 1 in diesem Heft) könnte mit Erhöhungen um 5 bis 20 Prozent bei 26 grossen Speicherseen eine Strom­ menge von rund 3 Terrawattstunden zusätzlich vom Sommer in den Winter verlagert werden. Das entspricht einem Viertel des im Winterhalbjahr wegfal­ lenden Atomstroms und wäre somit ein relevanter Beitrag an die Winterversorgung. Ob solche Speicher­ vergrösserungen tatsächlich umgesetzt werden, hängt massgeblich von den wirtschaftlichen Anreizen ab.

Und natürlich gilt es auch die Auswirkungen konkreter Projekte im hydrologischen Kreislauf genauer zu analysieren. Aber generell gilt: ja, hoch die Mauern als Beitrag an die Versorgungssicherheit im Winter.

Électricité hivernale: surélever les barrages?

La Commission fédérale de l’électricité est chargée de vérifier la sécurité de l’approvisionnement en électricité en Suisse. L’autorité de régulation n’a jamais été encline à se joindre à l’optimisme de la politique fédérale en matière de stratégie énergétique, mais elle lance désormais une mise en garde de plus en plus pressante concernant la pénurie hivernale prévisible.

Pendant la saison sombre et froide, la Suisse a actuellement déjà un besoin en électricité plus élevé qu’elle n’en produit elle-même. Et avec la suppression des centrales nucléaires, ce déficit va se multiplier. Un tel écart ne peut pas être comblé par la seule expansion de la production d’énergie renouvelable. Pour ne pas devenir trop dépendant des importations, des solutions complémentaires sont nécessaires.

Le mot magique est «stockage saisonnier», c’està-dire le transfert des futurs excédents de l’été vers les mois d’hiver. Dans un avenir prévisible, seuls les installations power-to-gas et les lacs d’accumulation de la force hydraulique sont adaptés pour un tel stockage à long terme; ces derniers sont beaucoup plus efficaces et surtout existent déjà. Les volumes de stockage peuvent généralement être augmentés outre

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 1, CH-5401 Baden

mesure en surélevant les barrages. Une poignée de ces projets ont déjà été réalisées au cours des dernières décennies. Plus récemment, le barrage du Vieux Emosson, sur la photo de couverture de ce numéro, a été surélevé d’un bon tiers en vue de la nouvelle centrale de pompage-turbinage de Nant de Drance, doublant ainsi le volume du lac.

Le potentiel de surélévation des barrages est considérable. Selon une étude récente (cf. l’article dès la page 1 de ce numéro), des surélévations de 5 à 20 % auprès de 26 grands lacs d’accumulation pourraient transférer 3 térawatts-heures d’électricité supplémentaires de l’été à l’hiver. Cela correspond à un quart de l’énergie nucléaire perdue au cours du semestre hivernal et contribuerait donc de manière significative à l’approvisionnement hivernal. La mise en œuvre de ces augmentations du volume de stockage dépend largement des incitations économiques. Et, bien sûr, les effets de projets dans le cycle hydrologique doivent également être analysés de plus près.

Mais de façon générale oui, surélever les barrages pour contribuer à la sécurité de l’approvisionnement en hiver.

III

Inhalt 1 / 2020

1

usbaupotenzial der bestehenden Speicherseen A in der Schweiz

David Felix, Michelle Müller-Hagmann, Robert Boes

11

bschätzung der Gefährdung durch Tsunamis A in perialpinen Seen infolge Unter­wasser­hang­ rutschungen

Michael Strupler, Paola Bacigaluppi, Katrina Kremer, David Vetsch, Flavio S. Anselmetti, Robert Boes, Stefan Wiemer

17

ukunft der Schweizer Wasserkraft: System­ Z verständnis als Grundlage für künftiges Handeln

Felix Ribi, Michel Müller, Christina Dübendorfer

21

ildgebende Durchflussmessung in einem B breiten Gewässer mittels eines Multi-ViewSystems

4

Maxence Carrel, Salvador Peña-Haro, Beat Lüthi, Robert Lukes

17

23

IV

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 1, CH-5401 Baden

Inhalt 1 / 2020

27

irkungskontrolle Fischabstieg am W Horizontalrechen des Kraftwerks Stroppel

Ricardo Mendez, Claudia Zaugg

35

leine Anlage – kleiner Eingriff? Auswirkungen K von Kleinwasser­kraft­werken auf Fliess­ge­wässer

Christine Weber, Katharina Lange, Nico Bätz, Martin Schmid, Bernhard Wehrli

29

41

irkungskontrollen mit Wirkung: Gemeinsam W lernen für Revitalisierungen

Christine Weber, Lucie Sprecher, Ulrika Åberg, Gregor Thomas, Simone Baumgartner, Susanne Haertel-Borer

48

ecommandations pour l’évaluation des dangers R d’érosion des berges des cours d’eau

Lukas Hunzinger, Annette Bachmann, Ralph Brändle, Paul Dändliker, David Jud, Mario Koksch

36

53

Nachrichten 53 Politik 54 Energiewirtschaft 56 Wasserkraft 57 Gewässerschutz 57 Verbandsmitteilungen 58 Rückblick Veranstaltungen 59 Veranstaltungen 59 Agenda 60 Personen

48

60 Publikationen 62 Zeitschriften

64 66 67 67

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VI

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 1, CH-5401 Baden

Ausbaupotenzial der bestehenden Speicherseen in der Schweiz David Felix, Michelle Müller-Hagmann, Robert Boes

1. Einleitung Zusammenfassung Mit der «Energiestrategie 2050» und dem Klimawandel nimmt der Bedarf an saisonaler Speicherkapazität für elektrische Energie in der Schweiz zu. Zu diesem Zweck können unter anderem bestehende Stauseen von Speicherwasserkraftwerken ausgebaut werden. Um das energiewirtschaftliche Potenzial solcher Ausbauten abzuschätzen, wurden verschiedene Ausbauoptionen der 38 Speicherseen in den Schweizer Alpen mit einem bestehenden Nutzvolumen von mindestens 20 Mio. m³ systematisch untersucht. Für Talsperrenerhöhungen um 5, 10 oder 20 % wurden die erforderlichen Anpassungen im Stauraum, an den Sperren mit ihren Neben­anlagen und an den zugehörigen Kraftwerken betrachtet und mittels acht Kriterien bewertet.

Von den Optionen, die als «gut» bzw. «mässig» bewertet wurden, wurden die Energie­ inhalte der zusätzlichen Speichervolumen abgeschätzt.

Wenn 17 bis 26 der untersuchten Stauseen ausgebaut würden, könnten 2.2 bis 2.9 TWh pro Jahr zusätzlich vom Sommer- in das Winterhalbjahr umgelagert werden.

Damit könnte die Elektrizitätsproduktion der schweizerischen Speicherwasserkraft­ werke im Winterhalbjahr von 48 auf 59 bzw. 62 % der Jahresproduktion gesteigert werden. Als Beitrag zur Erreichung der Ziele der «Energiestrategie 2050» sowie angesichts der langen Realisierungszeiträume und der beschränkten Alter­nativen werden weitere Abklärungen, Projektstudien und gegebenenfalls weitere Marktanreize bzw. Regelungen zur Förderung des Ausbaus der saisonalen Speicher­kapazität empfohlen. Dabei sind auch die indirekten Zusatznutzen von grösseren Stauseen, wie beispielsweise deren verstärkter Beitrag zum Hochwasserschutz, zu berücksichtigen.

Resumé Due à la «stratégie énergétique 2050» et au changement climatique, la demande en capacité de stockage saisonnière d’énergie électrique en Suisse augmente. Une possibilité est d’agrandir des retenues des aménagements hydroélectriques existants. Afin d’estimer le potentiel énergétique de cette option, des rehaussements des barrages de 5, 10 et 20 % ont été étudiés systématiquement pour les 38 retenues dans les Alpes Suisses d’un volume utile supérieur à 20 Mio. m³ dans l’état actuel. Les adaptations nécessaires ont été évaluées selon huit critères concernant la partie additionnelle de la retenue, le barrage et les aménagements hydroélectriques correspondants en aval. Pour les options jugées «bonnes» ou «modérées», les potentiels énergétiques des volumes additionnels ont été estimés.

Si 17 à 26 des retenues étudiées sont agrandis, 2.2 à 2.9 TWh supplémentaires par an pourront être transférés du semestre d’été au semestre d’hiver. Ceci permettrait d’augmenter la production hivernale des aménagements hydroélectriques à accumulation en Suisse de 48 à 59 ou 62 % de la production annuelle. Afin de contribuer à la réalisation de la «stratégie énergétique 2050», et compte tenu des longues périodes de mise en œuvre et des alternatives limitées, il est recommandé de continuer des études à ce sujet et, si nécessaire, de mettre en place des incitations ou des réglementations supplémentaires pour promouvoir l’augmentation de la capacité de stockage saisonnière. Les avantages supplémentaires indirects des réservoirs agrandis, tels que leur contribution additionnelle à la protection contre les crues, devraient également être pris en compte.

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 1, CH-5401 Baden

Mit der «Energiestrategie 2050» und dem Klimawandel nimmt der Bedarf an saisonaler Speicherkapazität für Elektrizität in der Schweiz zu. Zu diesem Zweck können einerseits neue Stau- bzw. Speicherseen, z. B. in Gletscherrückzugsgebieten, gebaut werden (Ehrbar et al., 2019). Andererseits können bestehende Stauseen mittels Er­ höhung von Talsperren ausgebaut werden.

Im vorliegenden Beitrag wird auf diese Möglichkeit und deren energiewirtschaftliches Potenzial eingegangen.

Zuerst wird die bestehende Situa­tion in der schweizerischen Elektrizitäts­ver­sor­ gung mit Schwerpunkt auf den beste­ henden Speicherwasserkraftwerken so­ wie den klimatischen und energiepoliti­ schen Entwicklungen, welche für einen Ausbau der saisonalen Energiespeicher­ kapazität sprechen, dargestellt. Dann wird auf bisher ausgeführte Talsperrener­hö­hun­ gen in der Schweiz eingegangen. Im Haupt­ teil die­ses Beitrags werden das Vorgehen und die Resultate einer schweizweiten Poten­zial­studie vorgestellt und diskutiert.

2. Ausgangslage 2.1 Elektrizitätsversorgung der Schweiz Die Netto-Landeserzeugung von Elektri­ zität betrug im Mittel über die letzten 10 Jahre 63 TWh/Jahr (BFE, 2019a). Davon stammten 55 % (35 TWh) aus Wasserkraft (Ver­brauch der Speicherpumpen abge­ zogen), 38 % (24 TWh) aus Kernkraft und 7 % (4 TWh) aus konventionell thermischen Kraftwerken und «neuen» erneuerbaren Energien (davon 2 TWh aus Keh­richt­ ­ver­brennung, 1.7 TWh aus Photo­voltaik und <0.2 TWh aus Wind). Im Winterhalb­ jahr (Oktober bis und mit März) stammten im Mittel über die letzten 10 Jahre 50 % (15 TWh) aus Wasserkraft und 43 % (13 TWh) aus Kernkraft. Die Wasserkraft als eine bewährte Form der Nutzung erneuerbarer Energie ist das «Rückgrat» der 1

Bild 1: Elektrizitäts-Exportsaldo der Schweiz über a) die letzten 20 Kalender­jahre und b) die letzten 20 Winterhalbjahre (nach BFE 2019a).

Elektrizitätsversorgung der Schweiz. Be­ sonders wichtig sind die Speicher- und Pumpspeicher-Wasserkraftanlagen, da sie bedarfsgerecht produzieren können.

Vor 2004 exportierte die Schweiz in der Regel über das Kalenderjahr betrach­ tet mehr elektrische Energie als sie importierte. Danach nahm der Nettoexport ab, und es gab auch Nettoimporte von gegen 6 TWh / Jahr (Bild 1a). Die jährliche Import- / Exportbilanz der letzten 10 Jahre war im Mittel etwa ausgeglichen.

Im Winterhalbjahr wurden hingegen seit 2002 bis zu 10 TWh netto importiert, mit einem Mittelwert von 4.3 TWh pro Win­ ter in den letzten 10 Jahren (Bild 1b). Dies entsprach im Mittel 14 % der inländischen Winter-Nettoerzeugung. Im Winter 2016 / 2017, als die Produktion der Schweizer Kern­kraftwerke stark unterdurchschnittlich war, entsprach der Nettoimport von 10 TWh sogar 39 % der inländischen Winter-Netto­ erzeugung (BFE, 2019a).

Bezüglich des wünschenswerten Ei­ gen­­­versorgungsgrads mit Elektrizität kann

argumentiert werden, dass die Energie­ ver­sor­gung der Schweiz vor allem aufgrund der fossilen Brenn- und Treibstoffe ohnehin im hohen Mass auf Importe ange­ wiesen ist. Die hohe Verfügbarkeit an el­ek­ ­trischer Energie ist aber in Ländern wie der Schweiz besonders wichtig. So wurde mit der Motion 17.3970 im Jahr 2017 ange­ regt, im Rahmen der Revision des Strom­ versorgungsgesetzes (StromVG) ei­nen Vor­ ­schlag zur Einführung einer «stra­te­gi­schen Reserve» zu unterbreiten.

2.2 Bestehende Stauseen In den Alpen fällt im Sommer­halb­jahr der Grossteil des jährlichen Abflusses an. Der Elektrizitätsverbrauch in der Schweiz ist hingegen im Winterhalbjahr (ca. 34 TWh) höher als im Sommerhalb­jahr (ca. 26 TWh, BFE, 2019a). Zum saisonalen Ausgleich zwischen dem Wasser­dar­gebot und der Nachfrage tragen die zahlreichen Stau­ seen vor allem in den Alpen wesentlich bei. Die Stauseen in der Schweiz haben ein Gesamtvolumen von rund 4000 Mio. m³

und ein Nutz­vo­lumen von rund 3800 Mio. m³ (STK, 2019, geo.admin.ch und andere Quel­len).

Das Energiespeichervermögen eines Stausees ist das Produkt aus seinem nutz­ ­baren Volumen und dem mittleren Arbeits­ wert des gespeicherten Wassers. Dieser hängt primär von der mittleren nutz­­baren Fall­höhe der zugehörigen Kraft­werke ab.

Letztere wird als Höhendifferenz zwischen dem Speicherschwerpunkt und dem Unter­ ­wasserspiegel bzw. der Maschinen­saal­ kote berechnet (bei Francis- bzw. Pel­ton­Turbi­nen). Der Speicherschwerpunkt kann vereinfa­chend auf zwei Dritteln der Sper­ ren­höhe an­genommen werden. Falls das gespeicherte Wasser mehrere Kraft­werke nach­­einander durchläuft, werden die Ar­ beits­werte summiert. Mit einem geschätz­ ten Anlagen­wirkungsgrad von 0.8 kann mit einem Ku­bik­meter Wasser über eine Brutto­fallhöhe von 459 m eine Kilo­watt­ stunde el­ek­trischer En­ergie erzeugt werden (Ar­beits­­wert = 0.8 ∙ 1000 kg/m³ ∙ 9.81 m/s² ∙ 459 m = 1 kWh/m³). Das Energiespeicher­ ver­mögen der Stau­­seen in der Schweiz wird mit 8.8 TWh angegeben (BFE, 2019a).

In Bild 2 sind die Nutzvolumen und die näherungsweise berechneten Arbeits­ werte der bestehenden 38 Stauseen in der Schweiz mit einem Nutzvolumen von mehr als 20 Mio. m³ dargestellt. Die horizontale Achse ist logarithmisch skaliert.

Der Mit­tel­wert der Nutzvolumen liegt bei 84 Mio. m³, die Hälfte der Nutzvolumen sind grösser als 61 Mio. m³ (Median). Die Grande Dixence hat das grösste Nutz­ volumen (400 Mio. m³). Die nutzbaren Brut­tofallhöhen dieser grös­se­ren Stau­ seen variieren zwischen etwa 45 und 2100 m. Das Wasser in den Stau­ seen Cavagnoli und Naret (Stauziele 2310 m ü. M.)

Bild 2: Nutzvolumen, Arbeitswerte und Energieinhalte der bestehenden grösseren Stauseen (> 20 Mio. m³) in der Schweiz.

2

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 1, CH-5401 Baden

weist bis zum Lago Maggiore (193 m ü. M.) einen mittleren Arbeitswert von ca. 4.5 kWh/ m³ auf. Der Stausee Gries mit dem höchsten Arbeitswert der Schweiz (4.6 kWh/m³) ist in Bild 2 nicht dargestellt, da dessen Nutzvolumen kleiner als 20 Mio. m³ ist. Das mit den Nutzvolumen gewichtete Mittel der Arbeitswerte beträgt 2.55 kWh/m³, was einer Bruttofallhöhe von 1170 m entspricht.

Die Energieinhalte der Stauseen lassen sich an den gestrichelten Linien in Bild 2 ablesen. Die Stauseen mit Nutzvolumen über 20 Mio. m³ machen ca. 84 % des Volumens und ca. 92 % des Energiespeicher­ver­mö­ gens aller Schweizer Stauseen (8.8 TWh) aus. Weitere Informa­tion zu den Stauseen im gesamten Alpen­bogen und den zuge­ hörigen Talsperren sind in Link (1970) zusammengestellt.

2.3 Nutzung der Stauseen Der Wasserspiegel in den Stauseen variiert nicht jedes Jahr über die volle Höhe zwischen dem Stau- und dem Absenkziel.

Einerseits werden Stauseen in der Regel nicht ganz gefüllt, um Abflüsse infolge üblicher Regenereignisse oder Tauwetter zurückhalten und für die Elektrizitäts­pro­ duktion nutzen zu können. Andererseits werden Stauseen üblicherweise nicht bis zum Absenkziel entleert, um auch gegen den Frühling hin noch eine gewisse Flexi­ bilität in der Produktion zu bewahren. Seit 1972 lagen die jährlichen Maxima der Fül­ lungs­grade zwischen 75 und 98 %, die Mi­ ni­­ma zwischen 8 und 35 % (BFE, 2019a). Im Durchschnitt werden von den 8.8 TWh Spei­chervermögen pro Jahr etwa 6.5 TWh (gut 70 %) genutzt, also vom Som­mer- in das Winterhalbjahr umge­ la­ gert (BFE, 2019a). Dank dieser saisonalen Um­la­ge­ rung liefern die Speicherkraftwerke im Winter- und Sommerhalbjahr etwa gleich­ viel elektrische Energie (je ca. 10 TWh, BFE, 2019a, Bild 6).

2.4 Einfluss des Klimawandels Mit einem wärmeren Klima schwinden die Gletscher. Es wird geschätzt, dass die Was­­serspeicherung in den Schweizer Glet­ schern (derzeit rund 50 km³ Eis gemäss GLAMOS, 2018) in einem mittleren Klima­ szenario (RCP 4.5 gemäss van Vu­u­ren et al., 2011) im Jahr 2050 rund 40 % kleiner sein wird (Zekollari et al., 2019). Mit einem wärmeren Klima fällt auch der Nieder­schlag bis in höhere Lagen vermehrt als Regen (SCCER-SoE, 2019). Aus meteorologi­schen Gründen und wegen der geringeren Spei­ che­­­rung in Gletschern und Schnee­decken sind zukünftig grössere Abfluss­schwan­­ kungen zu erwarten (BAFU, 2012). Wasser­

s­ peicher in Form von Stau­seen tragen dazu bei, solche Schwan­kun­gen zu dämpfen. Als Mehrzweckspeicher dienen Stau­ seen auch dem Schutz vor Natur­ge­fahren (vor allem Hochwasser und in einigen Fäl­len Gletscherseeausbrüche), der Wasser­­ab­ gabe in Trockenzeiten (Siche­rung einer mi­ ni­­­malen Niederwasser ­füh­rung und Be­ wäs­­se­rung unterstrom liegender Land­wirt­ ­­schafts­flächen) und in touristischen Re­gio­ nen der Beschneiung (Jossen & Björnsen Gurung, 2018; Brunner et al., 2019).

2.5 Energiestrategie 2050 In der «Energiestrategie 2050» ist der schritt­weise Ausstieg aus der Kern­en­er­ gie­nutzung und ein deutlicher Ausbau der Nutzung «neuer» erneuerbarer En­er­gie, vor allem Photovoltaik, vorgesehen. Für die Was­serkraft wird eine leichte Ver­­grösse­ rung der Jahresproduktion ange­strebt, es wurden aber keine Ziele betref­fend die Pro­ duktion im Winterhalbjahr und die Spei­­cher­kapazität festgelegt. Ehrbar et al.

(2019) legen dar, dass zum Erreichen der Ziele der «Energiestrategie 2050» unter Berücksichtigung der Restwasseranfor­ de­rungen gemäss Gewässerschutzgesetz (GSchG) die Wasserkraftnutzung (aus na­ tür­lichen Zuflüssen) bis 2050 so ausge­ baut werden müsste, dass eine um 4.6 bis 9.1 TWh/a grössere Produktion als heute resultiert. Dabei ist nicht berücksichtigt, dass die Produktion mit den bisherigen Was­ser­kraftwerken 2050 etwa um 0.5 TWh/a tiefer liegen würde als heute, weil erwartet wird, dass bis dann wegen des Abklingens der Gletschermassen­verluste die jährlichen Ab­flüsse gegenüber heute um knapp 3 % zu­rückgehen werden (Schaefli et al., 2019).

Mit dem zukünftigen Verzicht auf die Kernenergienutzung (-24 TWh/a bzw. -13 TWh / Winterhalbjahr gemäss Abschnitt 2.1) sowie mit aufkommender Elektromobilität, und in geringerem Masse wegen des vermehrten Einsatzes von Wärmepumpen in Gebäuden wird die Elektrizitätsproduktion der Schweiz im Winter deutlich unter dem Bedarf liegen (Stalder, 2019a), sofern nicht beispielsweise neue Gaskombikraftwerke gebaut oder neue Technologien wie die Umwandlung zwischen Gas und Elek­tri­ zität («Sektorkopplung») eingeführt werden. Um die Abhängigkeit von Elektrizi­ täts­importen im Winter zu reduzieren, kann mittels Ausbau von Stauseen die Speicher­ kapazität der Wasserkraftanlagen erhöht und so die Umlagerung der Elektrizitäts­ produktion vom Sommer- in das Winter­ halbjahr verstärkt werden.

Mit dem Ausbau von Photovoltaik und Wind – vor allem in den Nachbarländern –

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 1, CH-5401 Baden

wird die Elektrizitätsproduktion stärker fluk­tuieren (Piot, 2014). Mit einer grösseren saisonalen Speicherkapazität lassen sich auch solche Produktionsschwankungen bis in den Wochen- und Monatsbereich besser ausgleichen.

2.6 Nationales Interesse Zur Förderung der inländischen Elektrizi­ täts­produktion aus erneuerbaren Energien wurde im Energiegesetz (EnG Art. 12, in Kraft seit 2018) eingeführt, dass der Neuund Ausbau von Wasserkraftanlagen ab einer bestimmten Jahresproduktion von nationalem Interesse sind. Dies ist für die Interessenabwägung betreffend Schutz­ gebieten des Bundes gemäss Art. 6 des Natur- und Heimatschutzgesetzes (NHG) relevant, d. h. im Kontext der Stauseen vor allem betreffend das «Bundesinventar der Landschaften und Naturdenkmäler» (BLN) von nationaler Bedeutung. Neue Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien sind aber gemäss Art. 12 EnG in Biotopen von nationaler Bedeutung auf Grundlage von Art. 18a NHG (z. B. Auen und Glet­scher­ vorfelder gemäss Anhang der Auenver­ ord­nung) sowie in Wasser- und Zug­vogel­ reservaten ausge­schlossen. Das «nationale Interes­se» an der Nutzung erneuerbarer Energie ist be­züglich Mooren und Moorlandschaften nicht relevant, da bei diesen keine Interessen­ abwägung vorgesehen ist («Rothenturm»-Artikel 78 Abs. 5 der Bundesverfassung).

2.7 Investitionsbeiträge Um trotz schwierigem Marktumfeld Inves­ titionen in die Grosswasserkraft in der Schweiz zu fördern, können seit 2018 für wesentliche Erweiterungen oder Er­neue­ rungen von Grosswasserkraftanlagen (ohne Pumpspeicherwerke) Investitionsbeiträge des Bundes beantragt werden (EnG Art. 24 und 26). Diese Beiträge sind auf 40 % der anrechenbaren Investitionen bzw. auf die nicht-amortisierbaren Mehrkosten begrenzt (Art. 48 der Energieförderungs­ver­ ordnung, EnFV). Die Investitionsbeiträge werden mit maximal 0.1 Rp./kWh aus dem Netzzuschlag finanziert, was rund 50 Mio. Franken pro Jahr, bisher bis 2030 beschlos­ sen, entspricht (BFE, 2019b).

3. Talsperrenerhöhungen 3.1 Ausgeführte Beispiele Weltweit wurden bereits zahlreiche Tal­ sperren verschiedener Bauweisen erhöht (z. B. ICOLD 1994, Brenner 2012). Schwei­zer Stauseen, die mittels Talsperrener­hö­hun­­ gen ausgebaut wurden, sind in Tabelle 1 3

Jahr der Fertig­ stellung

h [m]

Δh [m]

Δh/h [%]

V [Mio. m³]

ΔV [Mio. m³]

Muslen (SG)

1981

24

5

21

0.07

< 0.01

Mauvoisin (VS)

1991

237

13.5

6

182

30

17

Schweiz.

Baublatt (1990)

Luzzone (TI)

1999

208

17

8

88

20

23

Baumer (2012)

Barcuns (GR)

2014

31

5

17

0.12

0.09

75

Axpo (2015)

Vieux Emosson (VS)

2016

55

21.5

39

13

12

~ 93

Talsperre/ Stausee (Kanton)

ΔV/V [%]

Literaturquelle

Berger et al.

(2013)

Vallotton (2012)

Tabelle 1: Ausgeführte Talsperrenerhöhungen in der Schweiz (chronologisch).

Bild 3: Talsperre Mauvoisin während der Erhöhung 1990 (Flugaufnahme: Comet Photo, e-pics ETH Zürich). aufgeführt. Dabei bezeichnet h die ursprüngliche Mauerhöhe an der höchsten Stelle (Fundation bis Mauerkrone). Muslen und Barcuns sind Anlagen mit relativ kleinen Stauvolumen V, auf die im Folgenden vor dem Hintergrund der saisonalen En­er­ gieumlagerung nicht weiter eingegangen wird. Mauvoisin (Bild 3) und Luzzone sind grosse Bogenmauern, die in den 1990erJahren um Δh/h = 6 bzw. 8 % erhöht wurden. Damit konnte deren Stauvolumen überproportional um ΔV/V = 17 bzw. 23 % vergrössert werden. Im Rahmen des Pro­ jekts Pumpspeicherwerk Nant de Drance wurde kürzlich die Bogenge­wichts­mauer Vieux Emosson mit einem Teilabbruch des Kronenbereichs zu einer Bogenmauer um­gebaut und um 39 % erhöht, wobei das Stauvolumen fast verdoppelt wurde.

Das Projekt für den Höherstau des Grimselsees um 23 m befindet sich im Be­ willigungsverfahren. Weitere Talsperren­ erhöhungen wurden u. a. am Lago Bianco, am Mattmarksee und am Göschener­alp­ see studiert, aber vor allem aus wirtschaftlichen Gründen nicht weiterverfolgt.

4

3.2 Kennzahlen aus Beispielen In Tabelle 2 sind für zwei Beispiele, für die die entsprechenden Angaben in der Lite­ ra­tur verfügbar sind, die zusätzlich in den Winter umlagerbare Energie ΔE, die Pro­ jektkosten und das Betonvolumen für die Erhöhung (gemäss Quellen in Tabelle 1) angegeben. Weiter wurden die folgenden spezifischen Kosten berechnet: • die Projektkosten pro m³ Beton der Mauererhöhung • die Projektkosten pro m³ zusätzlichem Stauvolumen ΔV • die Kosten bezogen auf die jährlich zusätzlich umlagerbare Energie ΔE • die Kosten pro kWh zusätzlich umla­gerbare Energie, d.h. Erhöhung der Gestehungskosten für die zusätzliche Talsperre Energie­um- Projekt­ lagerung kosten ΔE [GWh/a] [Mio. CHF]

Produktion im Winter statt im Sommer, mit Annahme einer Amortisations­dauer von 80 Jahren und einem Zinssatz von 3 % Die spezifischen Kosten beziehen sich auf den Geldwert im Projektzeitraum (ohne Teuerung). Die spezifischen Projektkosten, bezogen auf die Betonkubatur, sind etwa doppelt so hoch wie der übliche Preis für ein­­gebrachten Konstruktionsbeton, da auch andere, zum Gesamtprojekt gehö­ ren­ de, Auf­ wendungen enthalten sind.

Beim Lago di Luzzone waren die Inves­ti­ tio­nen pro m³ zusätzliches Stauvolumen etwa doppelt so hoch wie beim grösseren Lac de Mau­voisin. Die spezifische In­ves­ tition für die Erhöhung der Speicher­­ kapazität und die Er­höhung der Ge­ste­ hungs­­kosten waren bei Luzzone ebenfalls höher als bei Mau­voi­sin. Die letzten beiden Kenn­­zahlen können mit denjenigen anderer Speichertech­nolo­gien, wie Bat­te­ rien, Kon­den­satoren oder Druckluft­spei­ cher, verglichen werden.

3.3 Günstige Aspekte für Talsperrenerhöhungen Für den Ausbau bestehender Stauseen mittels­Erhöhung von Talsperren, primär im alpinen Umfeld, sind folgende Aspekte günstig: • Da das Volumen von bestehenden Stauseen oft deutlich kleiner als das jährliche Zuflussvolumen ist, kann mit einem Ausbau mehr Energie in den Winter umgelagert werden.

• Die zusätzlich zeitweise überflutete Flä­che ist im Vergleich zu derjenigen beim Neubau eines Speichers relativ klein, und im günstigen Fall sind vor allem Fels und Geröll betroffen. Somit sind die Auswirkungen eines Höher­staus relativ klein, was die Akzeptanz ent­sprechender Projekte verbessern kann.

• Aufgrund der üblichen Talformen nimmt das Volumen mit der Talsperren­höhe überproportional zu (Kühne, 1978).

• Bogenmauern, d. h. der in der Schweiz bei grösseren Speicherseen vorherr­ schende Talsperrentyp, weisen oft Trag­reserven auf. Daher sind Erhöhungen von Bogenmauern bis zu einem bestimmten Mass oft mit relativ geringem baulichem Aufwand möglich (Auf­beto-­

Beton­ volumen [m³]

[CHF/m³ Beton]

[CHF/m³ Stauvol.]

Spezifische Kosten [CHF/ [Rp./kWh (kWh/a)] Umlagerung]

Mauvoisin

100

43

80 000

538

1.4

0.4

1.4

Luzzone

60

60

80 000

750

3.0

1.0

3.3

Tabelle 2: Kennzahlen ausgewählter Talsperren-Erhöhungsprojekte in der Schweiz.

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nie­ren auf der Krone, ohne Verbrei­ terung der Mauer auf der ganzen Sperren­fläche).

• Mit dem Bestehen einer Talsperre und eines Stausees, oft schon über Jahr­­zehnte, liegen Betriebser­fahrun­gen vor (z. B. zum Verhalten der Sperre, des Untergrunds und der Hänge), und die Akzeptanz in der Bevölkerung ist relativ hoch (z. B. dank Hochwasserschutz).

3.4 Frühere Potenzialstudien Allet und Schleiss (1990) schätzten, dass in der Schweiz mit der Erhöhung von 21 Talsperren um ca. 10 % der bestehenden Mauerhöhen ein zusätzliches Speichervo­ lumen von 710 Mio. m³ geschaffen werden könnte. Dieses würde eine zusätzliche Umlagerung von 2.1 TWh/a vom Sommerin das Winterhalbjahr ermöglichen. Sie unterschieden vier Klassen von Reali­sie­ rungswahrscheinlichkeiten mit den zuge­ hörigen Potenzialen. Der Erwartungswert des totalen Umlagerungspotenzials, d. h. die klassenweisen Potenziale, multipliziert mit ihren Realisierungswahrschein­lich­kei­ ten, wurde somit auf 1.4 TWh/a geschätzt.

Schleiss (2012) schätzte das totale Um­­lagerungspozential ebenfalls auf etwas mehr als 2 TWh/a und listete 19 Stauseen für denk­ bare Ausbauten auf: Albingna, Ca­vagnoli, Curnera, Emosson, Gebidem, Gi­ger­wald, Gries, Hongrin, Klöntal, Lago di Lei, Limmern, Mattmark, Moiry, Nalps, Ritom, Sambuco, Santa Maria, Sihlsee und Zervreila.

Kriterium

0 Punkte!

4. Vorgehen in der Potenzialstudie 4.1 Allgemeines Das Potenzial von Talsperrenerhöhungen in der Schweiz wurde kürzlich in vier Stu­ dien­arbeiten an der VAW der ETH Zürich erneut systematisch untersucht (Baumann et al., 2018, Holland et al., 2018, Leim­ gruber, 2018, Parravicini et al., 2018).

Im vorliegenden Beitrag wird auf die Ausbaumöglichkeiten von Stauseen eingegangen, die im bestehenden Zustand ein Nutzvolumen von über 20 Mio. m³ aufweisen (Bild 2). Bei den drei Stauseen Mauvoisin, Luzzone und Vieux Emosson wurden keine weiteren Erhöhungen erwogen. Obwohl sich der Lago di Lei und der Lago di Livigno grösstenteils auf italienischem Staats­ge­biet befinden, wurden sie berücksichtigt, da die zugehörigen Wasserkraftanlagen in der Schweiz liegen.

Bei Seen ohne künstliche Sperre, die u. a. als Speicher eines Wasserkraftwerks dienen (z. B. Lugern­see), oder bei Seen mit kleineren Bau­werken zur Abfluss­regulie­ rung (keine ei­gent­lichen Talsperren) wurde kein Höher­stau untersucht.

Bei jedem Stausee wurde ein Höher­stau um Δh/h = 5, 10 oder 20 % untersucht. Bei Stauseen mit mehreren Sperren wurde die Höhe der Hauptsperre an der höchsten Stelle zugrunde gelegt. Im Rah­men dieser Studie wurde vereinfachend davon ausgegangen, dass das Stauziel um dasselbe Mass angehoben würde, wie die Sperre erhöht wird (unverändertes Gesamtfreibord).

1 Punkt

2 Punkte

4.2 Datengrundlage Die Kenndaten der bestehenden Stau­ seen, der Talsperren und der unterhalb lie­ genden Wasserkraftwerke wurden aus folgenden, allgemein zugänglichen Grund­ lagen zusammengestellt: • Objektblätter und Listen der Talsperren der Schweiz (STK, 2019) • Daten betreffend Schutzgebieten, Seen, Stauanlagen, Wasserentnahmen und -überleitungen vom Geodaten­ portal des Bundes (geo.admin.ch) • Statistik der Wasserkraftanlagen der Schweiz (BFE, 2019c) • Homepages der Kraftwerksbetreiber, • Fachartikel (z. B. Schweizerische Bauzeitung) 4.3 Bewertungsschema Die Erhöhungsoptionen wurden anhand der Kriterien in Tabelle 3 mit einem Punkte­ system bewertet.

Die Kriterien beziehen sich auf das Ge­ biet des zukünftigen Stauraums (die zeitweise zusätzlich überflutete Fläche), die Sperre sowie das Kraftwerkssystem. Bei günstigen Verhältnissen wurden 4 Punkte vergeben, bei ungünstigen weniger. Bei einigen Kriterien wurden auch Aus­schluss­ kriterien definiert (0 Punkte in Ta­belle 3), bei denen die entsprechende Er­höhungsoption unabhängig von den übrigen Kriterien ausschied. Die Kriterien e) und h) wurden doppelt bzw. dreifach gewichtet.

Im Folgenden wird auf die einzelnen Bewertungskriterien näher eingegangen.

3 Punkte

4 Punkte

Zukünftiger Stauraum (27%): a) S chutzgebiete (9 %)

Hochmoor, Flachmoor oder Moorlandschaft v. nationaler Bedeutung

Aue oder Gletschervorfeld

Mittlere Beeinträchtigung anderer Schutzgebiete

Geringe Beeinträchtigung anderer Schutzgebiete

Keine oder sehr geringe Beeinträchtigung

b) Bodennutzung und Gebäude (9 %)

Siedlung

Einzelne, dauerhaft bewohnte Gebäude

Intensiv nutzbare Landwirtschaftsflächen

Mehrheitlich Wald

Alpweiden oder Fels / Geröll

c) Infrastruktur (9 %)

Umfassende Anpassungen von Uferbebauungen

Hauptstrassen, Bahnen oder Hauptleitungen

Nebenstrasse

Lokale Anpassungen an Höchstens Wanderwege Strassen oder Gebäuden

d) Bautechnische Eignung (9 %)

Nicht geeignet

Wenig geeignet

Geeignet

Gut geeignet

Sehr gut geeignet

e) Relativer Aufwand (18 %)

—

Sehr gross

Gross

Moderat

Gering

f) Wasserwirtschaft (9 %)

Zufluss ungenügend; keine Massn. möglich

Pumpen erforderlich

Beileitungen erforderlich Meist ausreichender Zufluss

Immer ausreichender Zufluss

g) Hydraulisches System (9 %)

—

Sehr umfangreiche Anpassungen

Umfangreiche Anpassungen

Moderate Anpassungen

Geringe Anpassungen

h) Umlagerung in Winter (28 %)

—

< 50 GWh/a

50 bis 100 GWh/a

100 bis 200 GWh/a

> 200 GWh/a

Sperre (27%):

Kraftwerkssystem (46%):

Tabelle 3: Bewertungsschema für die Potenzialstudie von Stausee-Ausbauten.

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5

Die Anwendung dieses Bewertungs­sche­ mas wird in Fuchs et al. (2019) anhand zweier Beispiele (Erddamm Marmorera und Bogenmauer Moiry) aufgezeigt.

4.4 Erläuterungen zu den Bewertungskriterien a) Schutzgebiete Bewertet wurde, inwiefern bei einem Höher­ stau Schutzgebiete des Bundes betroffen sind, da diese in der Regel den höchsten Schutzstatus aufweisen. In BLN-Gebieten ist individuell zu beurteilen, inwiefern ein Bauvorhaben die jeweiligen Schutzziele tangiert; eine moderate Stauzielerhöhung ist nicht stets schutzzielwidrig bzw. kann in der Interessenabwägung als zulässig erachtet werden. Bei Mooren und Moor­ landschaften von nationaler Bedeutung wurde in dieser Studie davon ausge­gan­ gen, dass ein Einstau nicht bewilligungsfähig ist (Ausschlusskriterium). b) Bodennutzung und Gebäude Bewertet wurde die bestehende Boden­ nutzung im Gebiet, das nach einem Aus­ bau zeitweise überflutet wird. Im Gegen­ satz zum Verschieben eines einzelnen Ge­ bäudes, z. B. eines Restaurants, wurde eine Beeinträchtigung von bestehenden Sied­ lun­gen als heutzutage in der Schweiz inak­ zeptabel eingestuft (Ausschluss­krite­rium). c) Infrastruktur Beurteilt wurde, in welchem Ausmass bestehende Verkehrswege, Uferbebau­ungen, wichtige Leitungen oder weitere Infra­struk­ turen im Fall eines Höherstaus angepasst werden müssen. d) Bautechnische Eignung Bei Bogenmauern wurden die Erhöhungs­ möglichkeiten anhand des Schlankheits­ ko­effizienten nach Lombardi (1988) und der Geometrie der Widerlager (Kraftein­ leitung) beurteilt. Gewichtsmauern wurden für alle drei relativen Erhöhungsmasse als geeignet eingestuft. Bei Schütt­däm­ men wurden vereinfachend 3 Punkte, 2 Punkte oder 1 Punkt betreffend die Eig­ nung für Er­höhun­gen um 5, 10 oder 20 % vergeben. Der Typ Pfeilermauer kommt nur einmal vor (Lucendro) und wurde wegen seiner vergleichsweise geringen Wider­ standsfähigkeit gegen Erdbebenein­wirkung in Mauerlängsachse als für eine Erhöhung «wenig geeignet» (1 Punkt) bewertet. e) Relativer Aufwand Der Aufwand einer Sperrenerhöhung variiert je nach Kronenlänge und Erhöhungs­ mass, allfällig notwendig werdenden Sattel­ 6

sperren, Nebenanlagen, Möglichkeiten für die Baustellenerschliessung, -installation und Materialaufbereitung. Bei einer Stau­ zielerhöhung ist zumindest das Einlauf­ bauwerk der Hochwasserentlastung anzupassen. Es wurde davon ausgegangen, dass keine Anpassungen an Grund- oder Mittelablässen erforderlich sind, wenn die Mauer um bis zu 10 % erhöht wird. Der Auf­ wand der Sperrenerhöhung wurde qualitativ im Verhältnis zum zusätzlichen Nutz­ volumen beurteilt. f) Wasserwirtschaft Es wurde bewertet, ob ausreichend Zu­ flüsse vorhanden sind oder in der Region verfügbar gemacht werden können, um auch das vergrösserte Speichervolumen jedes Jahr füllen zu können. Dazu wurde die Speicherkennziffer (= Nutzvolumen des Speichers / Volumen des jährlichen Zu­­flus­ ses) betrachtet. Um auch im Sommer einen gewissen Abfluss über die Turbinen in den Unterlauf abzugeben, soll die Speicher­kenn­ziffer auch nach einem Aus­ bau unter 1 liegen. Vereinfachend wurde davon ausgegangen, dass das Zuflussvo­ lu­men derzeit dem turbinierten Volumen entspricht. Dieses wurde aus der mittleren Jahres­pro­duktion gemäss der Zentralen­ statistik und Arbeitswerten wie in Ab­ schnitt 2.2 berechnet.

Die Höchstpunktzahl wurde vergeben, wenn ohne weitere Massnahmen genü­ gend Zufluss vorhanden ist. Wenn in einer Region auch mit Pumpen nicht genügend Wasser für die alljährliche Füllung des Stau­ sees verfügbar gemacht werden kann, wurden für dieses Erhöhungsmass 0 Punkte vergeben (Ausschlusskriterium). g) Anpassungen am hydraulischen System Bei einem Höherstau können folgende Ele­mente im hydraulischen Schema einer un­terhalb liegenden Wasserkraftanlage an­

zu­passen sein: Beileitungen (üblicherweise im Freispiegelabfluss betrieben) und deren Fas­sungen, Zwischen­fas­sun­gen am Trieb­ wasserweg, Wasserschlösser und allenfalls hydraulisch kommunizierende Spei­ cher. Wasserschlösser sind in der Regel im obe­ren Bereich anzupassen (ty­pi­scher­ weise Höherlegen der oberen Kammer); allenfalls kann dies mittels Einbau einer Drossel ver­mieden werden. Aufgrund der oft schlech­ten Zugänglich­keit sind Was­ ser­­schloss-Baustellen in der Regel trotz über­schaubarer Bauvolumen relativ aufwendig.

Da die Fallhöhen der betrachteten Kraft­werke meist deutlich grösser sind als die Sperrenhöhen, nehmen die statischen Drücke in den Stollen und Leitungen um weniger als 10 % zu. Daher wurde vereinfachend angenommen, dass keine oder nur geringfügige Anpassungen am Trieb­was­ ser­weg (Stollenauskleidung und stahlwas­ serbauliche Anlageteile) erforderlich sind.

Bei Oberliegerkraftwerken kann deren Unterwasserführung betroffen sein. Bei Francis-Turbinen ist eine grössere Gegen­ druckhöhe am Auslauf grundsätzlich güns­ ­tig. Bei Pelton-Turbinen kann die An­lage so umgebaut werden, dass der Unter­ wasser­spiegel mit Einpressen von Druck­ luft ins Turbinengehäuse unter dem Lauf­ rad gehalten werden kann (z. B. Kraft­werk Chanrion am Lac de Mauvoisin). h) Zusätzlich in den Winter umlagerbare Energie Bewertet wurde das Energieäquivalent des zusätzlichen Speichervolumens, d.h. die durch den Ausbau erwartete zusätzliche Umlagerung der Elektrizitätspro­duk­ tion vom Sommer- ins Winterhalbjahr. Da­ bei wurde wiederum ein Anlagenwirkungs­ grad von 0.8 angenommen und die mittlere Bruttofallhöhe ab dem Schwerpunkt des zusätzlichen Volumens eingesetzt.

Bild 4: Gesamtpunktzahlen der Ausbauoptionen aller betrachteten Stauseen und Erhöhungsmasse (modifiziert von Fuchs et al., 2019).

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4.5 Szenarienbildung Für jeden Speicher und jedes der drei relativen Erhöhungsmasse wurde, basierend auf der Bewertung der Kriterien gemäss Tabelle 1, eine gewichtete Gesamtpunkt­ zahl berechnet (maximal 44 Punkte pro Aus­bauoption). Falls bei einem Stausee mit einem Erhöhungsmass ein Ausschluss­ kriterium erfüllt war, wurden dort keine grösseren Erhöhungen mehr betrachtet.

Alle Ausbauoptionen wurden nach ihrer Gesamtpunktzahl sortiert (Bild 4).

Die Ausbauoptionen mit Gesamtpunkt­ ­zahlen zwischen 25 und 28 wurden der Klasse «mässig geeignet» zugeordnet, Aus­­ bauoptionen mit höheren Gesamt­ punkte­zahlen der Klasse «gut geeignet».

Ausbauoptionen mit Gesamtpunktzahlen unter 25 wurden nicht weiter betrachtet.

Im Szenario 1 wurden die «gut geeig­ne­ ten» Ausbauoptionen berücksichtigt, in Szenario 2 zusätzlich die «mässig geeigneten». Pro Standort wurde die grösstmögliche Ausbauoption berücksichtigt, deren Gesamtpunktzahl mindestens der Mindestpunktzahl für das jeweilige Szenario (29 bzw. 25) entsprach.

5. Resultate und Diskussion 5.1 Zusätzliche Speicherkapazität In Bild 5a sind die in den beiden Szenarien erreichbaren zusätzlichen Nutzvolumen der Stauseen in den Schweizer Alpen dar-

gestellt. Bild 5b zeigt die zugehörigen Energieinhalte und somit die zusätzlich in das Winterhalbjahr umlagerbare Elektri­zi­ täts­­produktion.

Grosse Umlagerungspotenziale haben wie erwartet Anlagen mit grossen zusätzli­ chen Speichervolumen (grosse See­fläche, grosses Erhöhungsmass) und grossen Ge­samtfallhöhen (hohe Arbeits­werte). Da es sich bei der Grande Dixence um eine Ge­wichtsmauer handelt, müsste diese bei einer Erhöhung um 10 % (30 m) auf der ganzen Höhe luftseitig verstärkt werden (relativ grosser Aufwand). Bei der Bogen­ mauer Emosson dürfte eine Er­höhung mit geringem Aufwand möglich sein. Es erscheint jedoch unwahrscheinlich, dass der Emossonsee bald ausgebaut wird, da das Pumpspeicherwerk Nant de Drance aktuell fertiggestellt wird. Das Potenzial des Grimselsee-Ausbaus ist aufgrund des bereits ausgearbeiteten Pro­ jekts, das einer Erhöhung der Hauptsperre um 20 % entspricht, bekannt. Beim Lago di Lei wären auch die Partner aus Italien in die Ab­klärungen einzubeziehen. Bei der Bo­ gen­­gewichtsmauer Oberaar ist der Auf­ wand vermutlich relativ hoch. Weitere Seen, wenn auch mit meist geringeren Ar­ beits­werten, tragen in Summe dennoch be­trächtlich zum Umlagerungs­potenzial bei.

Bei den folgenden neun Stauseen wurde im Rahmen dieser Studie eine Er­

Bild 5: a) Zusätzliche Stauvolumen und b) zusätzlich in das Winterhalbjahr umlagerbare Elektrizitätsproduktion in den Szenarien 1 und 2 (26 Speicher mit bestehendem Nutzvolumen > 20 Mio. m³ in alphabetischer Reihenfolge).

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höhung verworfen, weil bereits bei einer Er­höhung um 5 % ein Ausschlusskriterium erfüllt war: • Lac de Gruyere, Schiffenensee, Sihl­see, Wägitalersee, Lago di Livigno und Lago di Vogorno (Contra, Verzascatal) wegen bestehender Siedlungen bzw. umfangreicher Bebauungen wenig oberhalb des Stauziels • Räterichsbodensee und Göschener­ alpsee wegen Schutzgebieten (kartierte Moorflächen von nationaler Bedeutung wenig oberhalb des Stauziels) • Lac de Zeuzier, da bautechnisch nicht geeignet (wegen Topografie des Widerlagers zwischen der Bogen­ mauer und dem Satteldamm) Die Summen der zusätzlichen Nutzv­o­lu­ men ΔV und der zughörigen Energieinhalte ΔE sind für beide Szenarien in Tabelle 4 zusammengestellt. Weiter ist angegeben, wie viele Talsperren um welches relative Mass erhöht würden. Damit würde das bestehende Speichervolumen (Abschnitt 2.2) um 18 bis 25 % vergrössert. Ein solcher Ausbau der Stauseen um bis zu 950 Mio. m³ ≈ 1 km³ vermag aber die erwartete Abnahme des Wasserspeicher­ volumens in den Schweizer Alpen infolge des Gletscher­­schwunds (40 % von 50 km³ ≈ 20 km³ bis 2050 gemäss Abschnitt 2.4) bei weitem nicht zu kompensieren.

Mit einem zusätzlichen Energieinhalt von 2.2 bis 2.9 TWh gemäss Tabelle 4 würde die Energiespeicherkapazität der bestehenden Stauseen (Abschnitt 2.2) um 25 bis 33 % gesteigert.

Das Potenzial der Stauseen mit einem Nutzvolumen < 20 Mio. m³, die hier nicht betrachtet wurden, wurde entsprechend ihrem Anteil des Energieinhalts am Ge­ samt­energieinhalt der Schweizer Speicher (Abschnitt 2.2) auf ca. 0.23 TWh/a geschätzt ([100 − 92] % · 2.9 TWh/a). Das Po­ ten­ zial der kleineren Seen wurde aber nicht addiert, um teilweise zu kompensieren, dass sich bei einer weiteren Unter­ suchung der grösseren Stauseen wahrscheinlich einige Optionen als nicht machbar herausstellen werden.

Das hier geschätzte Potenzial und die Anzahl der Anlagen, die dafür auszubauen wären, sind ähnlich wie in früheren Studien (Abschnitt 3.4). In der vorliegenden Poten­ zialstudie liegen aber die meisten relativen Erhöhungsmasse zwischen 10 und 20 % (Tabelle 4) und sind somit grösser als in der Studie von Schleiss (2012), in welcher von Erhöhungen um 10 % ausgegangen wurde. Von den 26 Standorten für potenzielle Stausee-Ausbauten in Bild 5 wurden 16 auch in Schleiss (2012) aufgelistet.

7

Anzahl Stauseen mit erhöhten Talsperren um Δh/h =

ΔV [Mio m³]

ΔE [TWh/a]

5 %

10 %

20 %

total

Szenario 1

1

6

10

17

700

2.2

Szenario 2

2

3

21

26

950

2.9

Tabelle 4: Kennzahlen der Szenarien für Stausee-Ausbauten in der Schweiz.

5.2 Erhöhung der jährlichen Produktion Beim Ausbau eines Stausees mittels Tal­ sperrenerhöhung und Anheben des Stau­ ziels nimmt die mittlere Fallhöhe der zugehörigen Kraftwerke zu. Diese Zunahme ist jedoch bei den meisten Anlagen in der Schweiz deutlich geringer als das relative Erhöhungsmass der Sperre, da die Fall­ höhen deutlich grösser sind als die Sper­ ren­höhen. Würde die höchste Sperre (285 m für Grande Dixence) um 20 %, also um knapp 60 m erhöht, würde der Schwer­ punkt des gespeicherten Wassers um schätzungsweise 40 m höher liegen. Bei einer mittleren Bruttofallhöhe von etwa 1800 m im bestehenden Zustand würde diese um gut 2 % zunehmen. Für die in den beiden oben beschriebenen Szena­ rien betrachteten Anlagen (mit geringeren Sperrenhöhen und einigen Erhöhungen unter 20 %, aber auch mit geringeren Fall­ höhen) beträgt die Zunahme der Brutto­ fallhöhe im Mittel ebenfalls etwa 2 %.

Die jährliche Produktion der Speicher­ kraftwerke in der Schweiz beträgt 21.1 TWh/a (Mittelwert 2008 – 2018, BFE, 2019a).

Unter der Annahme, dass etwa die Hälfte aller Stauseen in der Schweiz ausgebaut würde und dadurch die Fallhöhe der zugehörigen Kraftwerke im Mittel um 2 % zunähme, wird die dadurch verursachte Steigerung der jährlichen Elektrizitäts­pro­ duktion auf ca. 0.2 TWh/a geschätzt. Für die Erreichung der Ziele der «Energie­ strategie 2050» ist hingegen ein Ausbau der Wasserkraftproduktion um 4.6 bis 9.1 TWh/a erforderlich (Abschnitt 2.5).

Ausbauten von Stauseen mittels Talsper­ ren­erhöhungen können daher nur wenig zur direkten Steigerung der Jahres­pro­ duktion beitragen; zu diesem Zweck sind andere Massnahmen erforderlich. Indirekt ist der Ausbau der Speicher­kapa­zität jedoch eine wichtige Voraussetzung für die Integration der zunehmenden intermit­tie­ renden Produktion «neuer» erneuerbarer Energien in Europa.

5.3 Saisonale Umlagerung Über die letzten 10 Jahre produzierten die Schweizer Speicherwasserkraftwerke im Mittel 48 % im Winterhalbjahr. Wenn die Ausbauten der Stauseen in den Schweizer 8

Alpen wie im Szenario 1 bzw. 2 (gemäss Tabelle 4) realisiert würden, könnte dieser Anteil auf 59 bzw. 62 % gesteigert werden (Bild 6). Dabei wurde angenommen, dass die zusätzlichen Stauvolumen jedes Jahr voll genutzt werden, zusätzlich zur Um­ lagerung im bisherigen Ausmass (Ab­ schnitt 2.3). Weiter wurde in Bild 6 das in der «Energiestrategie 2050» angestrebte leichte Wachstum der jährlichen Produktion der Speicherwasserkraftwerke (durch Opti­ mierungen, Ausbauten mit zusätzlichen Zuflüssen und Neubauten) der Einfachheit halber vernachlässigt.

Mit einer um gut 2 TWh/a höheren El­ek­ ­trizitätsproduktion im Winterhalbjahr könnte der jährliche Nettoimport im Winter, wenn er auf dem Niveau der letzten 10 Jahre bleibt (4.3 TWh gemäss Abschnitt 2.1), um etwa die Hälfte reduziert werden.

5.4 Wirtschaftlichkeit Am wirtschaftlichsten sind Stausee-Aus­ bauprojekte mit grossen zusätzlichen Spei­cherpotenzialen und relativ geringem Anpassungsbedarf. Damit Energiever­sor­ gungsunternehmen solche Projekte wirt­ schaftlich begründen können, müsste die Preisdifferenz von Elektrizität in Zeiten grosser Nachfrage (typischerweise im Win­ter, an Werktagen, bei geringer Pro­ duk­­tion aus Photovoltaik) gegenüber Zei­ten mit geringer Nachfrage (typischerweise Sommer) im Mittel grösser sein als die Er­ höhung der Gestehungs­kosten durch die zusätzliche Produktions­umlagerung. Der­ zeit sind diese Voraus­setzungen in der

Regel nicht gegeben bzw. es sind keine deutlichen Marktsignale erkennbar, und die Unsicherheiten betref­fend zukünftiger Entwicklungen während Konzessions­ dauern von bis zu 80 Jahren sind zu gross, um Stausee-Aus­bauprojekte in Angriff zu nehmen (vgl. z. B. Piot, 2014, Stalder, 2019b).

Beim Ausbau einiger Stauseen sind Haupt- oder Nebenstrassen, die an der Tal­ flanke wenige Meter über dem bestehen­ den Stauziel verlaufen, im Extremfall entlang der ganzen Seelänge anzupassen (Hö­ her­legen oder in Tunnel). Dies kann dazu führen, dass die Kosten der Anpas­sungs­ arbeiten einen beträchtlichen Anteil der Ge­ samtprojektkosten ausmachen. Falls mit einer Strassenverlegung Verbes­se­rungen mit einem Nutzen für die All­ge­meinheit erreicht werden können (z. B. besserer Schutz vor Naturgefahren oder Landschafts­ schutz), sollte auch eine teilweise Kosten­ beteiligung durch Dritte geprüft werden.

Bei vielen potenziellen Stausee-Aus­ bau­projekten ist es im derzeitigen Markt­ umfeld nicht möglich, die Investitionen in der verbleibenden Restlaufzeit der Kon­ zession zu amortisieren. Zur Sicherung von Investitionen über die Konzessionsdauer hinaus können Investitions- bzw. Amorti­ sa­tionsvereinbarung zwischen einem Kraft­ werksbetreiber und dem heimfallberech­ tigten Gemeinwesen (in der Regel Kanton) abgeschlossen werden (Art. 67 Abs. 4 des Wasserrechtsgesetzes, WRG). Damit ist nur der entsprechende Teil der Investi­ti­o­ nen innerhalb der Restlaufzeit der Konzes­ sion zu amortisieren.

5.5 Realisierungsaussichten Für die Planung und Realisierung eines Stausee-Ausbaus in der Schweiz können 15 Jahre erforderlich sein, wovon einige Jahre auf die Bauausführung entfallen. Dies erfordert einen langen Investitions­horizont

Bild 6: Verstärkte Umlagerung der Elektrizitätsproduktion aus Speicher­­wasser­­kraft auf das Winterhalbjahr mit den Stausee-Ausbauszenarien gemäss Tabelle 4.

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und Vorinvestitionen in die Pla­nung, um im Fall eines günstigeren Markt­umfeldes ein Projekt baldmöglichst realisieren zu können. Es wird davon ausge­gangen, dass bis zum Jahr 2035, für welches Zwi­schen­ziele der «Energiestrategie 2050» formuliert wurden, keine Stausee-Aus­bau­projekte umge­ setzt sein werden. Bis 2050 könnte ein Teil der hier aufgezeigten Op­tionen realisiert werden, wenn sich die energiepo­li­ti­schen und wirtschaftlichen Rahmenbe­dingungen ent­sprechend ändern und die Bevölkerung sowie die Um­welt­verbände den Ausbau von Wasser­ speichern angesichts ihrer wichtigen Auf­gaben akzeptieren.

5.6 Unsicherheiten Die Resultate dieser Potenzialstudie sind aufgrund der generalisierten Heran­ge­hens­ ­­weise mit Unsicherheiten behaftet. Wäh­ rend die Beurteilung bei einigen Krite­rien (z. B. Umlagerungspotenzial in den Winter) auf berechneten Werten basiert, lässt sich z. B. der relative Aufwand weniger objektiv bewerten (Fuchs et al., 2019). Weiter ändern sich durch eine Ver­schie­bung der Gewichtungen und der Klassen­grenzen die Rangierung der Aus­bau­optionen und das Umlagerungs­potenzial. Die ermit­tel­ ten Gesamtpunkt­zahlen stellen daher kein absolutes Mass dar, sondern dienen dazu, Speicher zu identifizieren, welche für einen Ausbau a priori besser geeignet sind als andere und nennenswert zur energiewirtschaftlichen Zielsetzung beitragen kön­nen.

6. Empfehlungen Es wird empfohlen, in Machbarkeits­stu­ dien – auch für ausgewählte Stau­seen mit Nutzvolumen unter 20 Mio. m³ im bestehenden Zustand (z. B. Gries, Gebidem etc.) und für andere relative Erhöhungs­ masse als 5, 10 oder 20 % – folgende As­ pekte mit zusätzli­chen anlagespezifischen Grundlagen zu untersuchen bzw. zu berücksichtigen: • zukünftige Zuflüsse und Wasser­ wirtschaft unter Berücksichtigung der Auswirkungen des Klimawandels • kantonale und kommunale Schutz­ge­ biete sowie lokale Gegebenheiten • Zustand und Verhalten der Talsperren • Stabilität der Talflanken und Risiko von Massenbewegungen in den Stauraum • bauliche Ausgestaltung und Dimensio­nie­rung der erforderlichen Anpassungen • Produktionsausfälle infolge Betriebs­ einschränkungen während der Bauzeit • Erstellen von Kostenschätzungen und Abklären von Förderbeiträgen

• Untersuchung der Wirtschaftlichkeit • Untersuchung der Umweltaus­ wirkungen • Einbezug von Interessensvertretern Weiter wird empfohlen, Stausee-Aus­bau­ projekte untereinander pro Fluss­ein­zugs­ gebiet und mit den Schutz- und Nutzungs­ planungen der Kantone zu koordinieren.

Ausserdem sind auch neue Wasserkraft­ anlagen im periglazialen Umfeld (vgl. Ehr­ bar et al., 2019), die Abhängigkeiten beim Aus­ bau hydraulisch kommunizierender Seen (wie z. B. Nalps und Santa Maria) oder erforderlich werdende Sanie­rungen bzw. Neukonzessionie­rungen zu berücksichtigen.

Es ist zudem zu prüfen, in welchem Aus­mass eine verstärkte saisonale Um­ lage­ rung der Abflüsse unterstrom von Spei­cher­­kraftwerken aus gewässeröko­ logi­­scher Sicht zulässig ist. Dabei sind die durch den Klimawandel zu erwartenden Veränderungen der Abflussregime und die Möglichkeiten zur Wasserabgabe aus grösseren Speichern in Trockenzeiten zu berücksichtigen.

Schliesslich wird empfohlen, Marktan­ reize bzw. Regelungen zur Förderung der Ausbauten der Stauseen weiterzuführen bzw. als Steuerungsinstrument entspre­ chend anzupassen.

7. Schlussfolgerungen Mit den energiepolitischen und klimatischen Veränderungen in der Schweiz nimmt der Bedarf an saisonaler Speicher­kapa­zität für elektrische Energie zu. Der Ausbau von Stauseen mittels Erhöhungen von Tal­ sperren kann dazu beitragen, diesen Be­ darf zu decken. Es wurde ein Vor­gehen und ein Kriterienkatalog vorge­schla­gen, mit welchem zahlreiche Aus­bau­optionen systematisch und auf allgemein verfügbaren Grundlagen basierend in erster Näherung bewertet werden können.

Wenn von den 38 Stauseen mit einem Nutzvolumen von derzeit mindestens 20 Mio. m³ in den Schweizer Alpen 17 bzw.

26 mittels Talsperrenerhöhungen zwischen 5 und 20 % ausgebaut würden, könnte ein zusätzliches Wasserspeichervolumen von 700 bzw. 950 Mio. m³ geschaffen werden.

So könnten mit den unterstrom liegenden Hoch- und Mitteldruckwasser­kraftwerken 2.2 bzw. 2.9 TWh elektrische Energie pro Jahr zusätzlich vom Sommer- in das Winter­ halbjahr umgelagert werden. Dies entspricht 25 bzw. 33 % des heutigen Ener­gie­ äquivalents der Schweizer Stauseen (8.8 TWh). Damit würde die Elektrizitäts­ produktion der Speicherwasser­kraftwerke

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der Schweiz im Winterhalbjahr von 48 auf 59 bzw. 62 % gesteigert.

Die 2.2 bzw. 2.9 TWh/a stellen einen oberen Grenzwert für das Potenzial des Ausbaus bestehender Speicherseen dar.

Es wird erwartet, dass sich bei der weiteren Ausarbeitung der Projekte zeigt, dass nicht das ganze oben genannte Potenzial realisiert werden kann, auch wenn dafür günstigere Rahmenbedingungen geschaf­ fen würden. Wenn beispielsweise die zwei Ausbauoptionen mit dem höchsten energetischen Potenzial (Grande Dixence und Emosson) aus diversen Gründen nicht realisiert werden, sinkt das Umlagerungs­ potenzial auf 1.2 bzw. 1.9 TWh/a. Da in die­ ser Studie die zusätzlich in das Winter­halb­ jahr umlagerbare Energie (Kriterium «h») dreifach gewichtet wurde, erhielten viele Ausbauoptionen mit dem grössten hier un­ ter­suchten relativen Erhöhungs­mass (20 %) die besten Bewertungen. In vielen Fällen dürf­ten aber kleinere relative Er­höh­ungs­ masse eine höhere Wirtschaft­lich­keit aufweisen. Mit kleineren Er­höhungs­massen ist das Umlagerungs­ potenzial ent­ spre­ chend geringer und vergleichbar mit früheren Studien (Abschnitt 3.4), in denen mehrheitlich von Erhöhungen um rund 10 % bei einer ähnlichen Anzahl von Tal­ sperren ausgegangen wurde.

Die geringe Zunahme der Fallhöhen um ca. 2 % infolge der moderaten Sperren­ erhöhungen führt zu keiner nennenswerten Steigerung der Jahresproduktion.

Bei der Frage um Stausee-Ausbauten ist weiter zu berücksichtigen, dass solche Pro­jekte auch dem verstärkten Schutz vor Naturgefahren (vor allem Hochwasser) und der Bewässerung dienen können (Mehr­zweckspeicher).

Mit 17 bzw. 26 Stauseen-Ausbauten in den beiden Szenarien müssten bei mehr als der Hälfte bzw. zwei Dritteln aller 38 grösseren Stauseen und an den betrof­fe­ nen zugehörigen Anlagenteile Bauar­beiten ausgeführt werden, was nicht einfach umsetzbar ist. Da für die Reali­sierung solcher Projekte in unserem demo­kra­ti­schen und föderalistischen System 15 Jahre erforderlich sein können, wird empfohlen, Studien zum Ausbau bestehender Stau­seen wei­ terzuverfolgen, um die vielversprech­ends­ ten Projekte baldmöglichst zu erkennen.

Um die Ziele der «Energie­stra­tegie 2050» zu erreichen und die Ab­ hängig­ keit von Elektrizitätsimporten im Winter zu reduzieren, ist bezüglich der Schweizer Wasser­ kraft eine Kombination von Opti­mie­rungen, Ausbauten und Neu­bauten erfor­derlich, die mittels entspre­chender An­reize und Regelungen gesteuert werden kann.

9

Dank Die Beiträge zum Thema dieser Studie von M. Baumann, A. Emmenegger, J. Hol­land, A. Kasper, C. Parravicini, D. Vicari, R. Werlen, S. Wolf und H. Zimmer­mann im Rahmen von Projekt­arbeiten sowie von A. Leimgruber und weiteren Studierenden im Rahmen von Masterarbeiten werden

verdankt. Ein weiterer Dank geht an Dr. H. Fuchs (VAW) für die konstruktiven Bespre­chungen während der Erstellung des Bei­trags von Fuchs et al. (2019), an Dr. G. Guidati (SCCER-SoE) für die An­ regungen zur Auswertung von Kennzahlen von Tal­sperrenerhöhungsprojekten sowie an Dr. M. Stähli (WSL) für die Gedanken

betreffend Mehrzweckspeicher. Die Arbeit von D. Felix wurde im Rahmen des Schwei­ zer Kompetenzzentrums für Energie­for­ schung – Strombereitstellung (Swiss Com­ pe­tence Center for Energy Research – Supply of Electricity, SCCER-SoE) durch die Schweizerische Agentur für Innova­tions­ ­­förderung Innosuisse finanziell unterstützt.

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10

Autoren: Dr. David Felix, Dr. Michelle Müller-Hagmann, Prof. Dr. Robert Boes Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW), ETH Zürich Hönggerbergring 26, 8093 Zürich felix@vaw.baug.ethz.ch

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 1, CH-5401 Baden

Abschätzung der Gefährdung durch Tsunamis in perialpinen Seen infolge Unterwasserhangrutschungen Michael Strupler, Paola Bacigaluppi, Katrina Kremer, David Vetsch, Flavio S. Anselmetti, Robert Boes, Stefan Wiemer

Zusammenfassung Historische Ereignisse haben gezeigt, dass Tsunamis nicht nur im marinen Bereich, sondern auch in Binnenseen auftreten können. Eine der Hauptursachen von SeeTsunamis sind subaquatische Massenbewegungen. In diesem Beitrag präsentieren wir einen Arbeitsablauf zur Abschätzung der Gefährdung durch Tsunamis durch Unter­ wasser­hangrutschungen in perialpinen Seen. Die Methodik besteht aus einer automa­ tischen Kartierung von potenziellen Unterwasserrutschungen und einer groben Ab­ schätzung der Wellenamplituden, die durch solche Rutschungen zu erwarten sind. Als Folge lässt sich die Wellenausbreitung und das Auflaufen der Welle an der See­ufer­linie für ausgewählte Fälle mit der GPU-optimierten Software «BASEMENT» simu­lieren.

Der Arbeitsablauf generiert eine Übersicht über die Gefährdung durch Tsunamis der unter­suchten Seen und erlaubt die Identifikation und Priorisierung von Unter­wasser­ hängen und Seebecken, welche vertiefte, weiterführende Modellierungen benötigen.

1. Einleitung Historische Aufzeichnungen belegen, dass Tsunamis nicht nur in Ozeanen, sondern auch in Seen auftreten können. Eines der vielen historisch dokumentierten Beispiele in der Schweiz ist der Tsunami im Vier­ wald­stättersee, welcher sich im Jahr 1601 AD ereignet hat und zu Wellenamplituden von bis zu ~ 4 m über dem Seespiegel führte (Cysat, 1969; Schnellmann et al, 2002; Hilbe und Anselmetti, 2015). Unterwasser­ hang­rutschungen sind eine der Hauptur­ sachen von See-Tsunamis. Von einigen Rutschungen in perialpinen Seen wird angenommen, dass sie durch Erdbeben aus­ gelöst wurden (wie z. B. beim Ereignis von 1601 AD), da mehrere Rutschungen zeitgleich beckenweit auftraten (Schnellmann et al., 2002). In diesem Beitrag liegt der Fokus hauptsächlich auf Tsunamis, die durch erdbebeninduzierte Unterwasser­ hang­rutschungen generiert werden.

Auch wenn die Ursachen für die meisten der historisch dokumentierten SeeTsunamis bekannt ist, fehlen die Grund­ lagen, um diese Gefahr zum heutigen Zeit­ punkt quantitativ einzuschätzen. Diese Lücke soll in zwei aktuellen Schweizer Forschungsprojekten geschlossen werden.

In einem vom Schweizerischen National­ fonds finanzierten Sinergia-Projekt mit dem Titel «Lake Tsunamis: Causes, Controls,

and Hazard» werden aktuell die wissenschaftlichen Grundlagen zum Verständnis von Ursache, Ausbreitung und Auswir­ kungen von Tsunamis in perialpinen Seen un­tersucht. Eines der Arbeitspakete dieses Projekts (Arbeitspaket «WPwave») beschäftigt sich unter anderem mit der detai­l­lier ­ten Modellierung der Wellenaus­ brei­tung und Überflutungshöhe. In einem weiteren, auf dem Sinergia-Projekt auf­ bau­en­den Arbeitspaket, welches durch das Bun­des­amt für Umwelt (BAFU) gefördert wird («TSUNAMI-CH»), wird unter anderem die Gefährdung durch Tsunamis für Schweizer Seen mit einer Oberfläche grösser als 1 km² charakterisiert.

Um die Gefährdung durch solche rutschungs­­induzierte See-Tsunamis mit nu­me­rischen Modellen detailliert zu si­ mulieren, braucht es hochauflösende bathy­metri­sche, sedimentologische und geo­tech­ni­sche Daten sowie Informationen zu po­ten­­ziellen Auslösemechanismen («Trig­gern»).

In den vergangenen Jahren wurden von mehreren Schweizer Seen hochauflösende bathymetrische Tiefenmodelle er­ stellt. Von vielen Seen existieren auch In­ formationen zur Seeboden-Stratigraphie und Lithologie. Hochaufgelöste geotech­ nische Informationen sind bisher allerdings nur vom Vierwaldstättersee (Strasser et al., 2011) und vom Zürichsee (Strupler et

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al., 2017) vorhanden, da diese Messungen zeit­aufwendig und teuer sind. Darum ist ein Hauptziel dieser Studie, einen Arbeits­ ablauf und Werkzeuge für eine schnelle Be­ urteilung der Gefährdung durch Tsunamis auf Schweizer Seen bereitzustellen, der ohne aufwendige Messungen auskommt.

Kon­kret soll untersucht werden, welche Unter­wasserhänge rutschungsgefährdet sind und welche Auswirkungen von diesen aus­gehen könnten. Die Ergebnisse einer solchen Abschätzung sollen in erster Linie dazu dienen, gewisse Seen resp.

See­becken zu selektieren, wofür vertiefte Unter­suchungen mittels numerischer Mo­ dellierung nötig sind.

2. Methodik Der Arbeitsablauf besteht grundsätzlich aus den folgenden drei Schritten: 1. Kartierung von potenziellen Unter­ wasser­rutschflächen 2. Abschätzung der Wellenamplituden, welche durch die kartierten potenziellen Rutschungen zu erwarten sind, und 3. Abschätzung der Wellengeschwindig­ keiten und des Wellenauflaufens am Seeufer Die durch die Rutschungen generierten Wellenamplituden werden mit empirischen Gleichungen abgeschätzt. Für ausgewählte Fälle kann folglich die Wellenausbreitung und das Wellenauflaufen am Seeufer mit der GPU-optimierten Software «BASE­ MENT» modelliert werden. Die grundsätzlichen Arbeitsschritte sind in Abbildung 1 dargestellt und werden in den folgenden Ab­schnitten erläutert.

2.1 Kartierung von potenziellen Unterwasserrutschflächen Geophysikalische und sedimentologische Messungen in perialpinen Seen (e.g. Stras­ ser et al., 2011; Strupler et al., 2018) haben gezeigt, dass Unterwasserhang­rutschun­ gen hauptsächlich an Hängen mit Neigun­ gen zwischen ca. 10 und 25 ° auftreten.

Die Gleitfläche vieler dokumentierter Rut­ 11

Digitales bathymetrisches Modell (DBM)

Hangneigungen

Sedimentkerne, Reflexionsseismische Daten, In-situ Messungen (CPT)

Gleitflächen und Mächtigkeiten dokumentierter Rutschungen

Erdbebenbeschleunigungen für verschiedene Wiederkehrperioden

Geotechnische Informationen

Annahmen zur Gleitfläche und Mächtigkeit des potentiell mobilen Sediments

Beckenweite Hangstabilitätsabschätzungen und automatische Kartierung der potenziell instabilen Zonen

Lage und Ausmass der potenziellen Rutschungen (1)

Extraktion der Rutschparameter

Abschätzung der durch die potentiellen Rutschungen generierten Wellen A) mit empirischer Gleichung (Watts et al., 2005)

Erwartete Wellenamplituden (2)

B) mit numerischer Modellierung (BASEMENT; Vetsch et al., 2008)

Erwartete Wellenamplituden (2) und Wellenauflaufen am Seeufer (3)

Abbildung 1: Schematischer Workflow mit den benötigten Inputdaten (blau), Annahmen (gelb) und Methoden (weiss) sowie Zwischenresultaten und Resultaten (grün). schungen befindet sich in einer Schwach­ schicht, die aus spätglazialen Tonen besteht. Heute ist diese potenzielle Schwach­ schicht mit einer je nach Hangneigung und Wassertiefe ca. 3 bis 10 m mächtigen holozänen Sedimentdecke überlagert.

Die Hangstabilität wird mit Grenz­gleich­ ­gewichtsbedingungen ermittelt, die eine einfache und schnelle, grobe Abschätzung erlauben. Dabei wird die Stabilität mit einem Sicherheitsfaktor (FS) ausgedrückt: ein FS kleiner als 1 bedeutet, dass die hangabwärts gerichteten Kräfte stärker als die zurückhaltenden Kräfte sind und ein Hang instabil ist. Umgekehrt bedeutet ein FS grösser als 1, dass ein Hang stabil ist.

In der einfachsten Form berechnet sich der FS für wassergesättigte, feinporige Se­dimente gemäss Gleichung 1: wobei z = Mächtigkeit der potenziellen Rutschung [m]

su = undrainierte Scherfestigkeit [Pa] ϒ' = G ewicht unter Auftrieb des potenziell mobilen Sediments [N * m–3] ϒw = Wichte des Wassers [N * m–3] α = Hangneigung PGA = Spitzen-Bodenbeschleunigung [N * m–2] k = pseudostatischer Koeffizient = 0.2 Die vorhandenen geotechnischen Daten aus dem Zürichsee (Strupler et al., 2017) und Vierwaldstättersee (Strasser et al., 2011) zeigen Schüttdichten von ca.

1300 kg/m³ am Seeboden, welche zu ca.

1600 kg/m³ an der Basis der holozänen Sediment­be­deckung an­steigen, und undrainierte Scher­­festig­keiten an der potenziellen Gleit­fläche von ca. 8000 Pa. Unter der vereinfachten Annahme, dass alle perialpinen Seen dieselben geo­ techn­ i­ schen Charak­te­risti­ken aufweisen, werden für die Ab­schätzung der Hangsta­bi­­li­ täten gemäss Gleichung 1 Angaben zur

(Gleichung 1) 12

Neigung des Han­ges, zur Mächtigkeit der potenziell mo­bilen Sedimente sowie An­ gaben zu erwarteten Bodenbeschleu­ni­ gun­gen als Eingabe-Variablen benötigt.

Die Hangneigung wird aus dem digitalen bathymetrischen Modell (DBM) (räumliche Auflösung 10 m) berechnet, und die potenziell mobile Sediment­mäch­tig­keit über der Schwachschicht wird mit einem einfachen linearen Sedimentations­modell als Funk­tion von Wassertiefe und Hang­­ nei­gung (Strupler et al., 2018) abge­schätzt.

Erdbe­benbeschleunigungen («peak ground accelerations», PGA) werden aus dem Seis­­mic Hazard Model «SuiHaz15» (Wiemer et al., 2016) verwendet. Aus der Be­rech­ nung des FS für verschiedene Kombi­na­ tionen von PGA, Hangneigung und po­ tenziell mobiler Sedimentdicke können instabile Hänge identifiziert werden (Ab­ bildung 2).

Unter der Annahme, dass alle zusammenhängenden, instabilen Zonen die Rutsch­ fläche einer potenziellen Unterwas­ser­rut­ schung bilden, werden diese automatisch kartiert.

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 1, CH-5401 Baden

Abbildung 2: Minimale Mächtigkeit der Sedimentdecke, welche abhängig von verschiedenen Kombinationen von PGA und Hangneigung vorhanden sein muss, damit ein Hang unter den verwendeten sediment-mechanischen Annahmen instabil wird.

(Gleichung 2)

Abbildung 3: Benötigte Parameter zur Abschätzung der rutschinduzierten Wellenamplituden (Gleichung 2) «Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 1, CH-5401 Baden

2.2 Abschätzung der zu er­wartenden Wellenamplituden Die Gefährdung durch Tsunamis auf einem See kann mit verschiedenen Kenngrössen dar­gestellt werden. Ein erster Indikator ist die Wellen­amplitude bei ihrer Entstehung.

Mit dem em­pirischen Ansatz von Watts et al. (2005) kann die charakteristische, durch eine Ru­t­­schung generierte 2-dimensionale Wellen­amplitude als Funktion der mittleren Hang­ neigung der potenziellen Rutsch­ fläche (Se), Mächtigkeit (T) und Längen­aus­ dehnung (Le) der Rutschung, sowie der Was­sertiefe (d) im Zentrum der Rutsch­ masse (Abbildung 3) berechnet werden: Die verschiedenen, für Gleichung 2 benö­ ti­gten Parameter (Abbildung 3) werden aus Informationen aus dem DBM, den au­to­ma­ ti­sch kartierten potenziellen Rutsch­flächen, einem Sedimentations­modell und der mit­t­ le­ren Seespiegellage berechnet.

Für ausgewählte Situationen kann eine detaillierte Abschätzung mit einem nu­me­ri­ ­schen Modell durchgeführt werden. Hier­für wird die Software BASEMENT (basement.­ ethz.ch) verwendet. Um die Aussagekraft des Modells zu verbessern, werden insbe­ son­dere die Ansätze für die Wellengene­rie­ rung anhand von experimen­tellen Daten aus der Literatur (u.a. Watts et al., 2005) oder von Modellver­suchen zu Unterwasser­rut­ schun­gen der VAW (Fuchs et al., 2018) vali­diert. Anschliessend können die zuvor kar­ti­erten potenziellen Rutsch­flächen und erhobenen Rutscharameter als Input für die Abschätzung der Wellen­ generation ver­wendet werden.

Im Vergleich zur einfachen Ab­schätz­ ung ermöglicht das numerische Modell eine dynamische Simulation der Wellenaus­ ­breitung unter Berücksichtigung der Bathy­ ­metrie und der Uferbereiche des jeweiligen Sees. Der simulierte Wellenauflauf erlaubt es, mögliche Überflutungsgebiete und die dortigen Wassertiefen und Strömungs­ ge­schwindigkeiten abzuschätzen, die für eine detaillierte Bewertung der Gefähr­ dung durch Tsunamis und Kartierung des Risikos be­ nötigt werden. Abbildung 4 fasst dieses Konzept zusammen.

Die Software BASEMENT Version 3.0, welche an der VAW entwickelt wurde (Vetsch et al., 2018), erlaubt es, komplexe Geometrien mit einem hohen Detailgrad ab­zubilden und somit Berechnungen auf hoch­aufgelösten Berechnungsgittern durch­ ­zu­führen. Aufgrund der speziellen Archi­tek­ tur der Software, welche durch eine starke Skalierung von Multi-Core-CPU-Simula­ tio­nen und der Verwendung von GPUs (Prozessoren von handelsüblichen Grafik­ karten) charakterisiert ist, sind die Berech­ 13

Numerische Modellierung

INPUT

•

Wellenausbreitung

•

Übeflutungsgebiete

•

Wassertiefen

•

Strömungsgeschwindigkeiten

1

Von der Schnellabschätzung: • •

Wellengenera�on

OUTPUT 3

2

Wellenausbreitung

Wellenauflauf

Abschätzung und Kartierung der Gefährdung durch Tsunamis

Kartierung potenzieller Rutschungen

•

Überflutungsgebiete

Rutschparameter (z.Bsp: Mächtigkeit)

•

Wassertiefen

•

Strömungsgeschwindigkeiten

Abbildung 4: Ablauf der Abschätzung von potenziellen Gefährdungen durch Tsunamis mit dem numerischen Modell.

Die schwarzen Pfeile zeigen die Bewegung der Rutschung, während die blauen Pfeile die Wellenausbreitung und den Wellenauflauf repräsentieren. nun­gen sehr effizient. Dies ermöglicht umfangreiche Analysen zur Sensitivität von Parametern und Unsicherheiten, z. B. mittels Monte-Carlo-Simulationen.

3. Anwendungsbeispiel Vierwald­stättersee Der Arbeitsablauf wird im Folgenden am Beispiel des Vierwaldstättersees (mittlerer Seespiegel 434 m ü. M.) exemplarisch aufgezeigt. Dieser glazial entstandene, perialpine See in der Zentralschweiz eignet sich gut für die Abschätzung der Gefähr­dung durch Tsunamis. Einerseits sind (I) historische Tsunamis dokumentiert (z. B. Cysat, 1969), und andererseits sind (II) Spuren von mehreren im See verteilten Massen­be­ we­gun­gen vorhanden, von denen man an­ nimmt, dass sie durch Erdbeben verur­sacht wurden (z. B. Schnellmann et al., 2006).

3.1 Potenzielle Unterwasser­ rutschungen und generierte Wellenamplituden Individuelle Rutschungen, welche gemäss der hier vorgestellten Schnellabschätzung für Erdbeben mit einer Wiederkehrperiode von 475 Jahren (Abbildung 5a) und 2475 Jahren (Abbildung 5b) am Seeboden des Vierwaldstättersees zu erwarten sind, resul­ tieren gemäss Gleichung 2 in potenziellen charakteristischen Wellenamplituden von bis rund 0.5 m. Die Schnellab­schätzung be­ rücksichtigt jedoch keine Effekte aufgrund von Interferenz mehrerer Wellen oder der Bathymetrie. Um diese Effekte mit ein­ zubeziehen, wird im Folgenden eine detailliertere numerische Modellierung mit BASEMENT durchgeführt.

14

Abbildung 5: Erwartete Rutschungen, eingefärbt mit der abgeschätzten Wellen­­ amplitude ŋ 0,2D für Wiederkehrperioden von 475 (a) und 2475 (b) Jahren.

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 1, CH-5401 Baden

3.2 Detaillierte Modellierung der Wel­len­generation und -aus­breitung mit BASEMENT Eine detailliertere Abschätzung der Wellen­ ausbreitung wird nachfolgend anhand ei­nes Beispiels für einen Ausschnitt des Vier­wald­ stättersees veranschaulicht. Hierfür wur-

den zwei Rutschungsbereiche ausgewählt, welche gemäss der vorgestellten Schnell­ ab­schätzung durch Erdbeben mit einer Wie­der­kehrperiode von 475 Jahren (Ab­bil­ dung 5a) ausgelöst werden könnten. Für das ausgewählte Beispiel wurde ange­ nom­men, dass die zwei Unterwasser­hang­

rutschungen gleich­ zeitig auftreten und dabei verschiedene Wellen erzeugen. Die beiden generierten Wellen breiten sich aus und treffen sich in der Seemitte zwischen den Rutschungszonen und laufen weiter bis zur Uferlinie. Für die numerische Simu­ la­tion wird aus dem DBM und der See­ufer­

Abbildung 6: Simulation der Wellenausbreitung im Vierwaldstättersee zu verschiedenen Zeitpunkten. (a) Gewähltes Simulationsgebiet (weisses Polygon), ausgewählte Rutschungszonen (rote und gelbe Fläche) und Detailausschnitt bei Buochs (oranges Rechteck). Simulation der Wellenausbreitung zum Zeitpunkt 12s (b), 40s (c), und 100s (d) nach Auslösung der Rutschung. e) Detail der Simulation bei Buochs zum Zeitpunkt 50s nach Auslösung der Rutschung.

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15

Anzahl Dreicks­ elemente

Mittlere Element­ grösse [m²]

Simulations­zeit [s]

Berechnungszeit [s]

Grafikkarte

2.6 Millionen

50

160

103

GeForce GTX 1080 Ti

Tabelle 1 linie ein Berechnungsgitter mit Dreicks­­ elementen erstellt (Details in Ta­bel­le 1).

Das für das Beispiel betrachtete Si­ mula­ tionsgebiet (weisses Polygon) und die potenziellen Rutschungszonen sind in Ab­bildung 6a dargestellt. Die Mächtigkeit der Rutschungszonen wurde anhand der Schnell­abschätzung ermittelt (siehe Ab­ schnitt 3.1) und beträgt 5 m (gelbe Zone) und 7 m (rote Zone). In diesem Beispiel werden in der numerischen Simulation die Rutschungen als plötzlicher Versatz des Seegrunds nachgebildet, d. h., die Ele­men­ te in diesen beiden Gebieten erfahren eine unvermittelte Änderung der Bathymetrie in der Grösse der Rutschmächtigkeit. Darauf­ hin bilden sich zwei Wellenzüge aus. Als Ausgangswasserspiegel wurde der mittlere Seespiegel 434 m ü. M. angenommen. Die so generierten Wellen breiten sich bis zum Ufer aus, wobei der Prozess des Wellen­ auf­laufens noch nicht detailliert untersucht wurde; Abbildungen 6b – d zeigen den zeitlichen Verlauf der Wellen anhand der Wellenamplituden zu verschiedenen Zeit­ punkten. Die dargestellten Wellen­ ampli­tuden wurden mit dem Maximalwert normiert, sodass die Werte zwischen 0 und 1 liegen. Abbildung 6e zeigt eine Ver­ grösserung des Gebiets bei Buochs (oran-

ges Rechteck in Abbildung 6a). Das Ziel dieses Beispiels ist es, den allgemeinen Arbeitsablauf aufzuzeigen. Der Ansatz für die Simulation der Wellenerzeugung ist Be­ standteil der laufenden Forschung, wes­ halb die gezeigten Resultate zum jetzigen Stand des Projekts ausschliesslich qualitativen Charakter haben.

Quellen: Cysat R (1969). Collectanea Chronica und denkwürdige Sachen pro Chroinica Lucernensi et Helvetiae. In: Schmid J (ed) Quellen und Forschungen zur Kultur­ geschichte von Luzern und der Innerschweiz. Diebold Schilling Verlag, Luzern, pp 882–888.

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4. Schlussfolgerungen In diesem Beitrag präsentieren wir einen Arbeitsablauf für die schnelle Abschätzung von Wellenamplituden, die durch erd­bebeninduzierte Unterwasserhang­rutschungen ausgelöst wurden. Der hier vorgestellte Arbeitsablauf erlaubt eine effiziente Identi­ fikation von Zonen an den Unter­wasser­ hängen, für welche weiterführende und vertiefte sedimentologische und geotech­ nische Studien angebracht sind. Ausser­ dem erlaubt die schnelle Abschätzung die Auswahl von Zonen, für welche detailliertere Modellierungen (z. B. mittels der Soft­ ware BASEMENT) angebracht sind. Mittels dieses Arbeitsablaufes kann für verschie­ dene perialpine Seen die relative Gefähr­ dung durch Tsunamis, welche durch Unter­ wasserhangrutschungen ausgelöst werden können, eingeschätzt werden.

Geodaten: © swisstopo

Unabhängig von der gewählten Mo­del­­lie­ rungs­methode muss für die Abschät­zung von durch Rutschungen verursach­ten Tsu­ ­­na­mis in einem ersten Schritt eine Hang­­ sta­bilitätsanalyse und Kartierung von po­ ten­zi­ellen Rutschflächen durchgeführt wer­ ­den. Je nach Vorhandensein von Daten für verschiedene Seen können dann generellere oder spezifischere Mo­delle verwendet werden.

Obwohl der hier vorgestellte Workflow auf stark vereinfachten Annahmen beruht (z. B., dass die Sedimenteigenschaften in allen perialpinen Seen dieselben sind), gibt dessen Anwendung auf verschiedenen Seen einen Anhaltspunkt, welche Seen prioritär mit weiterführenden, vertieften Mo­dellierungen untersucht werden sollten.

5. Ausblick Der vorgestellte Arbeitsablauf benötigt Ein­gabedaten, welche auf einer engen Zu­ sam­menarbeit der Gebiete Sedimento­lo­ gie, Geotechnik und numerischer Model­ lierung beruhen. Geotechnische Mes­sun­ gen an Unterwasserhängen ausgewählter perialpiner Seen würden eine individuelle Beurteilung anhand der Stabilitätskriterien für jeden See ermöglichen. In zukünftigen Arbeiten soll der Arbeitsablauf unter Be­ rück­sichtigung der Gefährdung durch Tsu­ namis auf­­grund von Delta-Instabilitäten und Massen­bewegungen oberhalb des Seespiegels erweitert werden.

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Seismic Hazard Model 2015 for Switzerland. 1–163. doi: 10.12686/a2.

Autoren: Michael Strupler, Katrina Kremer, und Stefan Wiemer Schweizerischer Erdbebendienst an der ETH Zürich, Sonneggstrasse 5, 8092 Zürich, www.seismo.ethz.ch, michael.strupler@sed.ethz.ch Flavio Anselmetti Institut für Geologie und Oeschger-Zentrum für Klima­forschung an der Universität Bern, Baltzerstrasse 1 + 3, 3012 Bern, www.geo.unibe.ch Paola Bacigaluppi, Robert Boes, und David Vetsch Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) ETH Zürich, Hönggerbergring 26, CH-8093 Zürich, www.vaw.ethz.ch

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 1, CH-5401 Baden

Zukunft der Schweizer Wasserkraft: Systemverständnis als Grundlage für künftiges Handeln Felix Ribi, Michel Müller, Christina Dübendorfer

Zusammenfassung Die Schweizer Wasserkraft ist ein wichtiger Pfeiler in der Schweizer Stromversorgung.

Ins­besondere die tiefen Strompreise der letzten Jahre haben jedoch gezeigt, dass das Bestehen in der Zukunft nicht ungefährdet ist. Darum hat der Schweizerische Wasser­wirtschaftsverband (SWV) entschieden, sich mit der Zukunft der Wasserkraft und de­ren Rahmenbedingungen vertieft auseinanderzusetzen. Dafür hat der SWV mit der Unter­stützung der Beratungsfirma EBP, einer Begleitgruppe aus Mitgliedern des SWV und wissenschaftlichen Experten eine breite Auslegeordnung aller relevanten Einflussfaktoren auf die Zukunft der Schweizer Wasserkraft erarbeitet. Darauf aufbauend wurde speziell untersucht, wie die Rahmenbedingungen für Investitionen in den Erhalt und den Ausbau der Wasserkraftanlagen verbessert werden können.

Resultat ist eine umfangreiche Sammlung von über 80 möglichen Massnahmen sowie eine Liste priorisierter Massnahmen, die einen Beitrag leisten, um die Zukunft der Wasserkraft zu sichern.

Wichtige Rolle der Schweizer Wasserkraft Die Schweizer Wasserkraft spielt heute eine zentrale Rolle in der Schweizer Strom­ ­­versorgung. Dies soll gemäss der Energie­ strategie 2050 des Bundesrats auch in Zukunft so bleiben, denn sie hat grosse Stärken. Mit der Schweizer Was­serkraft wird kostengünstig Strom erzeugt, der rund 60 % des Strombedarfs der Schweiz entspricht. Die Wasserkraft und insbeson­ dere die Speicher- und Pump­speicher­an­ lagen sind ein wichtiges Element im europäischen Stromnetz und leisten einen namhaften Beitrag zur Ver­sorgungssicher­ heit. Zudem ist die Was­serkraft ein bedeu­ tender Wirtschafts­zweig in Bergge­bieten und die Strom­er­zeugungsart mit den geringsten CO2-Emissionen über den gesamten Lebens­zyklus (BFE, 2017).

lich in Wasserkraftanlagen investiert. Der Aus­bau der Stromerzeugung mittels Was­ ser­kraft, den die Richtwerte des neuen En­er­gie­gesetzes vorschreiben, ist beim Strom­­preisniveau der letzten Jahre bedroht. Aber es gibt auch positive Ent­ wicklungen für die Schweizer Wasserkraft, beispielsweise die Zunahme der Strom­­

nachfrage aufgrund des Aufschwungs der Elektro­mobilität.

Zukunft der Wasserkraft hängt von vielen Einflussfaktoren ab Um ein klareres Bild der künftigen Her­aus­ forderungen und Chancen der Schweizer Wasserkraft zu erhalten, hat der Schwei­ze­ rische Wasser­wirtschaftsver­band ent­schie­ den, sich vertieft mit diesen ausein­an­der­ zusetzen. Darum haben der SWV und der BaslerFonds von der Beratungs­firma EBP eine Auslegeordnung erarbeiten lassen, die alle relevanten Themenfelder umfasst.

EBP hat in einem ersten Schritt in Zu­ sammenarbeit mit wissenschaftlichen Ex­ perten rund 100 Einflussfaktoren identifi­ ziert (Abbildung 1), diese in dreizehn The­ men­felder gruppiert und die Wir­kungs­ zusammenhänge zwischen den Einfluss­ faktoren aufgezeigt und beschrieben. Aus der Vielzahl von Faktoren und den komplexen Wirkungszu­sammen­hängen entstand ein übergeordnetes Sys­tem­ver­ständ­nis.

Wasserkraft durch Marktrisiken bedroht Die Schweizer Wasserkraft hatte jedoch in den letzten Jahren einen schweren Stand, bedingt durch die tiefen Strompreise auf dem europäischen Strommarkt. Zwi­schen­ ­­zeit­lich konnten mit vielen Wasser­kraft­an­ lagen keine Gewinne mehr erwirtschaftet werden, und folglich wurde nur noch spär-

Abbildung 1: Sammlung der Einflussfaktoren und systematische Darstellung der Wirkungszusammenhänge.

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 1, CH-5401 Baden

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Das kondensierte Wirkungsmodell (Ab­ bildung 2) zeigt im Zentrum die für die Stromversorgung wichtigen Dienstleistun­ gen Energie, Kapazität und Flexibilität, die durch die Schweizer Wasserkraft erbracht werden. Übergeordnet zeigt die linke Seite die Erzeugung dieser Dienstleistungen, die rechte Seite bildet den Absatz von Strom­dienstleistungen der Schweizer Was­ ­ser­kraft ab. Die Erzeugung beruht auf den nutzbaren Wassermengen, den ge­eig­ne­ ten Standorten, die ein nutzbares Ge­fälle aufweisen, und den Wasser­kraft­anlagen.

Indirekt werden diese Themen­felder beeinflusst durch natürliche Ein­flüsse wie Ab­flussmengen, gesellschaftliche Faktoren wie das Ausmass der geforderten Öko­lo­ gi­sie­rung und ökonomi­sche Aspekte wie die Ge­stehungskosten der Wasserkraft.

Die rechte Seite des Wirkungsmodells zeigt den Ab­satz der Stromdienst­leistun­ gen der Schwei­zer Was­serkraft. Im Zen­ trum steht hier die ener­giewirt­schaftliche Dynamik des Markts, die letztlich zu den Mengen und Preisen der abgesetzten Stromdienst­leistungen führen. Die energie­ wirtschaftliche Dynamik des Markts entsteht im Wirkungsgefüge von Nachfrage, Angebot der Wasserkraft, An­gebot von Kon­kurrenz­technologien und regulatorischen Rahmen­­be­dingungen, zum Bei­spiel aus der Energiepolitik.

Für einen Blick in die Zukunft wurde für alle Einflussfaktoren auch diskutiert, wie sie sich langfristig entwickeln. Die Ent­ wick­lung mancher Faktoren scheint absehbar, wie zum Beispiel die Ver­ände­rung der Ab­flüs­se aufgrund des Klimawandels.

Bei an­deren Faktoren ist die Entwicklung

sehr un­­sicher, beispielsweise der zukün­f­ ti­ge Preis von Gas und Öl. Die Resul­ta­te wurden mit einer Begleitgruppe, beste­ hend aus Mit­gliedern des SWV, verifiziert.

Nachfolgend werden anhand ausge­wähl­ ter Themen­fel­der wichtige Zusam­men­ hänge und künftige Entwicklungen vor­ gestellt.

Preis als wichtigster Faktor Der wichtigste Faktor bezüglich der Zu­ kunft der Schweizer Wasserkraft sind die Preise, die am europäischen Strommarkt für die Stromdienstleistungen der Wasser­ kraft erzielt werden. Heute wird ein beträchtlicher Teil der Stromproduktion der Schweizer Wasserkraft am freien Markt verkauft. Mit der geplanten vollen Libe­ra­li­ ­sierung wird der Einfluss des europäischen Marktes weiter zunehmen. Die Preise am Strommarkt wirken sich direkt auf die Wirtschaftlichkeit von Wasserkraft­anlagen aus und sind somit für den Aus­bau, die

Nachfrage

Bevölkerungsentwicklung, Wirtschaftsentwicklung, Preise von Strom und anderen Energieträgern, CO2-Preise, neue Stromanwendungen, Nutzerverhalten, Klimawandel, Effizienzmassnahmen, Substitutions­ möglichkeiten, Netzkonvergenz und Marktzugang Preise anderer Stromerzeugungstechnologien, Speichertechnologien, Energieträger (z. B. Gas, Öl, Kohle) • Energie- und Klimastrategien: Förderung von Stromerzeugung und Speicherung, CO2-Abgabe, Ausstieg aus Stromerzeugung mittels Kernkraft und Kohle • Marktdesign im Strommarkt: Das Marktdesign bestimmt, welche Dienstleistungen wie vergütet werden. Ergänzend zum heutigen Energy-Only-Markt könnte ein angepasstes Marktdesign Dienstleistungen wie Kapazität und Flexibilität stärken.

• Integration in europäischen Strommarkt

Konkurrenzangebote Regulatorische Rahmenbedingungen

Risiken Erträge

Eigentümeraspekte

Wirtschaftlichkeit

Ausbaupotenzial von Speichern

Gesellschaftliche Ansprüche

Marktrisiken Technologische Entwicklung

Verfügbare Standorte und WasserkraftAnlagen

Fassbare und nutzbare Wassermengen

Nachfrage nach Stromdienstleistungen der Schweizer Wasserkraft

Energie

Erzeugung von StromDienstleistungen

Stromdienstleistungen der Schweizer Wasserkraft

Europäische Strompreise

Internationale Energiepreise

Wirtschafts- und Bevölkerungswachstum

Investitionen in Wasserkraftanlagen

Naturbedingte Einflüsse auf fassbare Wassermengen

Gemäss dem World Energy Outlook der IEA (2018) wird die Stromnachfrage in der

Unterfaktoren

Wasserbauliche und wasserkrafttechnische Entwicklungen

Klimawandel

Stromnachfrage

Direkte Einflussfaktoren

Gestehungskosten der Wasserkraft

Naturbedingte Einflüsse auf Wasserkraftanlagen

Erneuerung, den Erhalt und den Betrieb der Anlagen entscheidend. Die Wichtigkeit der Preise zeigen auch die Resultate der Untersuchungen des NFP 70 (Weigt, 2019).

Wie sich die Preise am europäischen Strom­­markt entwickeln werden, ist jedoch unklar. Doch klar ist, welches die wichtigsten Einflussfaktoren auf die Preise sind.

Die Energieversorgung steht unter starker politischer Einflussnahme. Folglich zählen neben der Nachfrage und den Kon­kur­renz­ angeboten auch die regulatorischen Rah­ men­bedingungen zu den wichtigsten di­ rekten Einflussfaktoren. Die nachfolgende Ta­belle zeigt die wichtigsten direkten Ein­ fluss­faktoren und deren Un­ter­faktoren.

Die Zusammenhänge werden in den anschliessenden Abschnitten detaillierter beschrieben.

Vermarktung von Stromdienstleistungen

Kapazität

Flexibilität

Ökologisierung der Wasserkraft

Preise für CO2Emissionen

NetzTransferkapazitäten Konkurrenzangebote

Energiewirtschaftliche Dynamik, welche die Stromdienstleistungen und deren Preise bestimmt

Gestaltung der Stromdienstleistungen aufgrund der Marktbedürfnisse

Energie- und Klimastrategie

Marktdesign

Integration in europäischen Strommarkt

Abbildung 2: Kondensiertes Wirkungsmodell der Schweizer Wasserkraft.

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«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 1, CH-5401 Baden

EU im Zeitraum 2017 bis 2040 von 6.5 bis 14.7 % ansteigen. Gemäss den Energie­ perspektiven des Bundes wird die Strom­ nachfrage in der Schweiz von 2010 bis 2035, je nach Entwicklungsszenario, zwischen 10 % zunehmen und 6 % abnehmen (BFE / Prognos AG, 2012). Die Zu­nahme der Stromnachfrage beruht hauptsächlich auf der Zunahme von Bevölkerung und Wirtschaftsleistung, dem Anstieg der CO2Preise sowie einer stärkeren Elek­tri­fi­zie­rung des Mobilitäts- und des Wärme­be­reichs durch den Aufschwung der Elek­tro­mobilität und der Wärmepumpen. Ener­gie­effizienz­ massnahmen wie beispielsweise der Er­ satz von Elektroheizungen oder der Ein­ satz von LED-Leuchten werden jedoch die Nachfrage drosseln.

Regulatorische Rahmen­ bedingungen Politische Entscheide, welche die regulatorischen Rahmenbedingungen der Was­ serkraft betreffen, können unmittelbare und grosse Auswirkungen auf die Wasser­ kraft haben – positiv oder negativ. Da die langfristige politische Entwicklung grundsätzlich unsicher ist, ist auch die langfristige Entwicklung der regulatorischen Rah­ menbedingungen unsicher. Für die Investitionssicherheit sind eine kontinuierliche Politik und stabile regulatorische Rahmenbedingungen vorteilhaft. Durch die Umsetzung von Klima- und Energie­ strategien der öffentlichen Hand ist mit weiteren Entscheiden zur Förderung von Technologien zu rechnen, die in Kon­kur­ renz zur Wasserkraft stehen (z. B. PV, Wind, verschiedene Speicherformen). Gleich­ zeitig führen politisch getriebene Ent­ scheide zur Ausserbetriebnahme ein­zel­ ner Techno­logien (z. B. Ausstieg aus Kern­ kraft und Kohle) und zu weniger Kon­ kurrenz für die Wasserkraft. Durch diese Entscheide ändert sich das Umfeld für die Wasserkraft deutlich. Weitere Einfluss­ faktoren, in welchen die Politik die Ent­ wicklung vorgibt, sind die Liberali­sierung des Strommarkts, eine Anpassung des Marktdesigns mit eventuellen Kor­rek­turen des heutigen En­ergy-Only-Markts und die verstärkte euro­ päische Integration des Schweizer Strom­markts. Eine An­passung des Energy-Only-­Markts würde die Strom­ dienstleistungen Kapazität und Flexibilität stärken – eine Chance für Spei­cher- und Pumpspeicher­kraftwerke. Die verstärkte europäische In­te­­gration würde der Was­ serkraft zusätzliche Chan­cen eröffnen, jedoch auch die Kon­kur­renz durch europäische Kraftwerke steigern.

Klimawandel und Auswirkungen auf fassbare Wassermengen Die Entwicklung der naturbedingten Ein­ flüsse wird insbesondere durch den übergeordneten Trend des Klimawandels beeinflusst. Es handelt sich um eine langfris­ tige stetige Entwicklung, deren generelle Richtung relativ gut voraussehbar scheint.

Es ist sowohl bis 2035 als auch bis 2050 mit erhöhten Temperaturen, dem Rück­ gang der Gletscher, der Reduktion des Perma­frosts, der Zunahme des Geschiebe­ triebs, weniger Nieder­schlag im Sommer, mehr Niederschlag im Winter sowie einer generellen Erhöhung der Schneefallgrenze zu rechnen. Nach 2050 ist durch den fortschreitenden Glet­scher­schwund mit einer Abflussabnahme zu rechnen. Für Speicher­ kraftwerke ist im Winter von einer Zu­nah­me der fassbaren Was­sermenge auszugehen.

Die Abnahme der Abflüsse im Sommer wird teilweise auf­­grund der Limitierung durch die Aus­bau­was­sermengen kompensiert. Bei Laufkraftwerken führen die höheren Winterabflüsse direkt zu einer erhöhten Produktion im Winter, während reduzierte Sommerabflüsse das Ge­ gen­ teilige bewirken. Ökologisierung der Wasserkraft Die Wasserkraftnutzung beeinflusst die Wasserführung und Dynamik der Ge­ wässer und damit die gewässerspezifi­ schen Lebensräume stark. In den vergangenen drei Jahrzehnten haben An­ passungen in der Gewässer­schutz­gesetz­ gebung und deren Vollzug zu einer zunehmenden Ökologisierung der Wasser­ kraft geführt. Es ist davon auszugehen, dass ein Ausbau der Wasserkraft an neuen Standorten weiterhin auf grossen Wider­ stand stösst und dass durch den Vollzug der Gewässerschutzbe­stimmun­gen weitere Produktionsverluste entstehen. Neu­ kon­zes­sio­nierungen sind zudem mit Un­ sicherheiten in der Rechtsauslegung und lang dauernden, komplexen Verfahrens­ ab­läufen konfrontiert, was die Planungs­ sicherheit schmälert. Für eine Umsetzung der Gewässerschutzgesetzgebung mit Au­genmass und eine Verringerung der Wi­ derstände gegen die Wasserkraft­nut­zung muss auf gesellschaftlicher und politischer Ebene angesetzt werden.

Beeinflussbarkeit von Einflussfaktoren Nachfolgend wird die Beeinflussbarkeit der Einflussfaktoren durch Schweizer Akteure

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 1, CH-5401 Baden

wie die Kraftwerkbetreiber oder Schweizer Politiker beschrieben. Viele der relevantes­ ten Einflussfaktoren sind überge­ord­ne­te Treiber, durch globale oder euro­päische Dy­namiken geprägt und über physische Gegebenheiten wie beim Klima­ wandel bestimmt. Es besteht keine Be­einfluss­bar­ keit. Doch es gilt, sich innerhalb der ver­ änderten Rahmenbe­dingun­gen optimal aus­zurichten.

Die Auswirkungen des Klimawandels sind grundsätzlich gut absehbar, und die Konsequenzen sind bekannt. Die Reaktion auf den Klimawandel umfasst insbe­son­ dere Massnahmen der Betriebsopti­mie­ rung, indem die Wasserkraftanlagen entsprechend so angepasst werden, dass sie auch zukunftsgerichtet weiterhin funk­ tions­fähig bleiben. Bei der Neuauslegung von Anlagen muss dem sich ändernden Abflussregime Rechnung getragen werden. Ansonsten stehen technische und betriebliche Massnahmen zur Geschiebe­ abweisung im Vordergrund.

Politische Entscheide und Rahmen­ bedingungen können das Marktumfeld für die Wasserkraft markant verbessern oder verschlechtern. Obwohl stark europäisch geprägt, ist auch auf Schweizer Ebene ein entsprechender Gestaltungsspielraum vor­ ­­handen. Die Einflussnahme auf die Schwei­ zer Entscheide ist ein möglicher Hebel, um die zukünftige Entwicklung der Was­ser­ kraft positiv zu gestalten. Beispiele sind eine neue Lösung im Bereich der Was­ serzinsen oder regulatorische Rah­men­be­ dingungen für eine massvolle Aus­legung der ökologischen Anforderungen an die Wasserkraft. Zudem erhöhen langfristig gleichbleibende Rahmendbe­din­gun­gen die Investitionssicherheit. Neben der Be­ein­ flus­sung politischer Entscheide ist das Er­ kennen von zukunftsfähigen und robusten Geschäftsmodellen der einzelnen Wasser­ kraftwerkstypen sowie die daraus folgende optimale Ausrichtung des Kraft­werk­ parks zentral. Auf unterneh­me­rischer Ebene bestehen zudem relevante Ein­fluss­mög­lich­ keiten im Kosten­manage­ment sowie bei Investitions­pla­nun­gen und -entscheiden.

Wie kann die Investitionssituation verbessert werden?

Wie eingangs des Artikels erläutert, ist unter den gegenwärtigen Rahmenbedin­ gun­gen und insbesondere aufgrund der Marktrisiken nicht sicher, ob die nötigen Investitionen in Wasserkraftanlagen getätigt werden, um den Kraftwerkspark zu erhalten und die Ausbauziele des neuen Energiegesetzes zu erreichen. Deshalb 19

hat EBP auf der Basis der Erkenntnisse aus der Auslegeordnung und mittels Ver­ tiefungsarbeiten die heutige Investitions­ situation aufgezeigt und eine breite Samm­­lung möglicher Massnahmen zur Ver­besserung der Investitionssituation er­ ar­beitet, um anschliessend mit Mit­glie­ dern des SWV eine Auswahl priorisierter Mass­nahmen zu treffen.

Grundsätzlich bedarf die Realisierung von Wasserkraftanlagen kapitalintensiver Investitionen. Mit den Erträgen, die heute erzielt werden können, sind die Pay-backZeiten sehr lang. Sind die Erträge gesich­ert, ist das kein Problem, da die Lebens­dauern und die Konzessionsdauern der Anlagen auch sehr lang sind und folglich lange Payback-Zeiten erlauben. Heute sind bei einem Teil der Kraftwerke die Erträge gesichert, da der Kleinkunden­markt noch nicht liberalisiert ist und die Kosten auf die Endkunden überwälzt werden können. Müssen die Erträge jedoch am freien Markt erzielt werden, bestehen grosse Ertragsrisiken.

Die Ertragsrisiken führen generell zu höheren Rendite­an­sprü­chen der Investoren und der Fremd­ kapitalgeber, was dazu führt, dass die Kapitalkosten steigen.

Folg­­lich werden Investitionen nur dann getätigt, wenn das prognostizierte Preis­ niveau derart hoch ist, dass es wahrscheinlich ist, dass die höheren Rendite­ an­sprüche erfüllt werden können.

Wir bereits vorhin erläutert, wird folglich heute nur dann investiert, wenn mittels ge­sicherter Erträge eine genügend grosse Rendite erwirtschaftet werden kann. Dies kann der Fall sein, wenn die Kosten an gebundene Kunden überwälzt werden können. Wenn der Strom jedoch am freien Markt vermarktet werden muss, ist das heutige Preisniveau zu tief und die Er­ trags­risiken sind derart gross, dass oftmals die Investitionen nicht getätigt werden. Deshalb sind zum Erhalt der bestehenden Anlagen und zum Erreichen der Ausbauziele Massnahmen zur Ver­ besserung der Investitionssituation nötig.

Auswahl priorisierter Massnahmen zur Verbesserung der Investitions­ situation In einem mehrstufigen Verfahren wurde eine Sammlung von über 80 Massnahmen erarbeitet. Dabei wurden beispielsweise Massnahmen, die in anderen Ländern und Branchen angewendet werden, gesam­ melt, Massnahmen aufgrund von Hemm­ nissen hergeleitet und Experteninterviews

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Fazit Die umfangreichen Analysen haben sowohl zu einem besseren Systemverständ­ nis als auch zu vertieftem Wissen über die künftigen Herausforderungen und Chancen der Wasserkraft geführt. Einige Einfluss­ faktoren wie der Klimawandel oder die europäische Energie- und Klimapolitik kön­nen von Schweizer Akteuren zwar nicht bestimmt werden, doch gilt es, deren Aus­ wirkungen zu kennen und den Schweizer Kraftwerkspark optimal darauf auszurich­ ten. Bedeutende Handlungsmöglichkeiten, insbesondere zur Verbesserung der In­ve­s­ ti­tionssituation, bestehen in der Schweizer Politik. Die Ausrichtung des Kraftwerk­s­ parks auf die künftige Nachfrage und die regu­latorischen Rahmenbedingungen, das Kos­ten­management und eine erfolgreiche Kom­munikation sind wichtige Handlungs­ felder der Unternehmen.

Ziele

Massnahmen

Ertragssicherung

• I nvestitionsbeiträge beibehalten, verbessern, insbesondere administrative Hürden abbauen •M arktprämie beibehalten, verbessern, evtl. Richtung Contract for Difference weiterentwickeln •B ei Bedarf Kapazitätsmechanismen einführen; dieser Bedarf entsteht, wenn Nachbarländer Kapazitätsmechanismen einführen und die Schweizer Wasserkraft benachteiligt wird •R ealisierung kürzerer Clearingintervalle, Stärkung von Intraday-Märkten und Umsetzung eines strikten Bilanzkreismanagements • Wenn die EU eine CO2-Lenkungsabgabe auf Strom einführt, eine Schweizer Lösung einführen, die mit der EU-Lösung abgestimmt ist • K lare Regelung der Restwertabgeltung beim Heimfall

Heutige Investitionen Gemäss einer Datenerhebung des SWV bei 40 Laufwasser- und 25 Speicher­kraft­ werken beträgt das Investitionsvolumen, das für den langfristigen Erhalt der heutigen Schweizer Wasserkraftwerke nötig ist, CHF 480 Mio. pro Jahr (Michel Piot, 2018).

Gemäss Aussagen von Mitgliedern des SWV wurden in den letzten fünf Jahren jedoch jährlich lediglich ca. CHF 200 – 300 Mio. investiert. Das heisst, dass die der­zei­ tigen Investitionen nicht ausreichen, um den Erhalt der heutigen Was­serkraftwerke si­ her­zustellen, und folglich in den nächsten Jahren grössere Investi­tio­nen nötig sind, um das Investitionsdefizit auszugleichen.

Ansonsten ist mit einem Substanzverlust und erhöhten Ausfall­risi­ken zu rechnen.

Bezüglich Modernisierungs- und Er­ wei­terungsinvestitionen sieht die Situation auch schwierig aus. Die besten hydrologischen Potenziale sind in der Schweiz schon genutzt. Die Nutzung der verblei­ benden Potenziale ist gemäss Aus­sagen von Mitgliedern des SWV im Vergleich zum Marktpreis meist mit verhältnismäs­ sig hohen Gestehungskosten verbunden.

geführt. Auf der Basis dieser Auswahl haben die beteiligten Mitglieder des SWV die in der untenstehenden Tabelle gezeigten Massnahmen priorisiert.

Entschädigung von Kapitalkosten Verbesserung des Marktzugangs Kostensenkung

• S tromabkommen mit der EU

•G esamtlösung Wasserzinsen: Senkung und Flexibilisierung des Wasserzinsniveaus, Finanzierung der Wasserzinsen über Netzabgaben •R egulatorische Rahmenbedingungen für eine massvolle Auslegung der ökologischen Anforderungen an die Wasserkraft • I n der Interessenabwägung dem nationalen Interesse für erneuerbare Energie mehr Geltung verschaffen • Verkürzung von Baubewilligungsverfahren Verbesserung der • K ommunikationsmassnahmen, die den Nutzen und die Stärken der Akzeptanz der Wasserkraft Wasser­kraft sowie das Engagement für eine Ökologisierung der Wasser­kraft aufzeigen

Quellen: BFE / Prognos AG (2012), Energieperspektiven für die Schweiz bis 2050.

BFE (2017), Potenziale, Kosten und Umweltaus­ wirkungen von Stromproduktionsanlagen, Synthese.

IEA (2018), World Energy Outlook 2018.

Michel Piot (2018), Investitionen in Wasserkraft­anlagen, SWV-Faktenblatt.

Hannes Weigt, Universität Basel (2019), NRP70: 3rd Workshop, The Future of Swiss Hydropower: Market Realities,29.3.2019, Bern.

Autoren: Felix Ribi, Michel Müller und Christina Dübendorfer EBP, felix.ribi@ebp.ch, michel.mueller@ebp.ch, christina.duebendorfer@ebp.ch

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 1, CH-5401 Baden

Bildgebende Durchflussmessung in einem breiten Gewässer mittels eines Multi-View-Systems Maxence Carrel, Salvador Peña-Haro, Beat Lüthi, Robert Lukes

Zusammenfassung Die Entwicklung eines Multi-View­ -Sys­ tems für die Surface-Structure-ImageVelocimetry-Methode (SSIV) erlaubt Ab­­flussmessungen in breiten Gewässern. Der Einsatz einer sogenannten Pan-Tilt-Zoom-Kamera erlaubt das optische Messen des Wasserpegels und der Oberflächengeschwindigkeit an verschiedenen vordefinierten Stellen des Flussquerschnittes mit einer einzigen Kamera. Das Messgerät misst von der Zoll­brücke auf dem Alpenrhein in der Nähe von Montlingen, wo der Fluss­quer­ schnitt bei Niedrigwasserbe­din­gungen ca. 100 m beträgt. Die Roh­ergebnisse einer ersten Mess­­kam­pagne mit Messintervallen von 10 Minuten ergeben einen mittleren Abfluss von 190 m³/s. Ein Vergleich mit Abflussdaten, die mit einer Pegel-Ab­flussBeziehung bestimmt wurden, zeigt einen mittleren quadratischen Fehler von 8.4 m³/s, was einem relativen Unter­schied von 4.4 % entspricht.

Résumé Un système d’hydrométrie vidéo multi-vues a été développé dans le but d’effectuer de la mesure de débit dans de larges cours d’eau en utilisant la technique de vélocimétrie par image des structures de surfaces. Ce système multi-vues est rendu possible par l’utilisation d’une caméra motorisée performante permettant de mesurer le niveau d’eau et la vitesse d’écoulement en surface à différents endroits prédéfinis de la section du cours d’eau considéré de manière fiable et précise. Ce système est installé sur le Zollbrücke sur le Rhin dans la région de Mont­lin­gen, où la largeur de ce fleuve mesure environ 100 m en conditions d’étiage. Sur une première campagne de mesures d’un mois avec intervalle de 10 minutes, les données brutes obte­nues don­nent un débit moyen de 190 m³/s. Une comparaison avec des données radar révèlent une erreur quadratique moyenne de 8.4 m³/s, ce qui repré­sente une différence relative de 4.4%.

1. Einführung Der Volumenstrom oder Abfluss ist eine wichtige Variable für diverse Aufgaben wie die Analyse von hydrologischen Pro­ zes­sen, die Planung und der Betrieb von wasserbaulichen Bauwerken oder die Di­ men­sio­nierung von Hochwasserschutz­ bau­ten oder Wasserkraftwerken. Dabei sind kontinuierliche Abflussdaten je nach Messstandort schwierig und kosten­intensiv.

Um kontinuierliche Abflussdaten zu bestimmen, kommen oft intrusive Mess­ geräte wie Druck- oder akustische Senso­ ren zum Einsatz, die im Gerinne eingebaut werden müssen. Anhand von Pegel-Ab­ fluss-Beziehungen ist es möglich, mit dem gemessenen Wasserpegel den Abfluss em­pirisch mithilfe eines Potenzsatzes zu

ermitteln (Turnispeed et al., 2010). Dabei sind die notwendigen konstruktiven Mass­ nahmen, um diese Sensoren im Gerinne einzubauen und vor Hochwasser zu schützen, oft kostenintensiv.

Ein alternativer und innovativer Ansatz sind bildgebenden Messverfahren, bei denen der Abfluss anhand von kurzen Videosequenzen berechnet wird. Dieses Verfahren wird oft als Large Scale Particle Image Velocimetry (LSPIV) bezeichnet (Hauet et al., 2008, Muste et al., 2011) und ist sehr versatil, weil die dazu notwendigen Kameras ganz einfach an Brückenpfeilern oder sonstigen schon bestehenden Struk­ turen installierbar sind. LSPIV-Methoden benötigen aber den Zusatz von Tracer­ partikeln, was bei kontinuierlichen Mes­ sungen ungünstig ist. Kürzlich wurde aber

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die Surface-Structure-Image-Velocimetry (SSIV-)Methode entwickelt, bei der natürliche Strukturen wie Schaum oder Wirbel, die sich an der Gewässeroberfläche bilden, als Tracers benutzt werden können, sodass der Einsatz von künstlichen Tracer­ partikeln nicht mehr erforderlich ist (Leitão et al., 2018). Solche Systeme wurden bereits erfolgreich an alpinen Wild­bächen, an kleineren Flüssen oder in Ka­nalisationen eingesetzt (Carrel et al., 2019, Peña et al., 2019), aber noch nie an Ge­wässern, die deutlich breiter sind als 50 m.

Dieser Beitrag stellt nun ein SSIV-Mess­ system vor, welches mit einer einzigen Pan-Tilt-Zoom-Kamera automatisch durch vorprogrammierte Schwenk- und Neige­ richtun­gen patrouilliert und so nachein­ ander mehrere Flussausschnitte filmt, aus­ wertet und schliesslich für die Durchfluss­ berechnung kombiniert. Mit diesem MultiView-Verfahren kann somit das gesamte Oberflächengeschwindigkeitsfeld und der Wasserpegel eines 100 m breiten Ge­wäs­ sers gemessen werden, was kombiniert die Berechnung des Abflusses erlaubt.

2. Methoden Sichtbare Punkte mit bekannten Ko­or­di­ naten (sog. Ground Control Points [GCP]) an den Ufern im Sichtfeld sind bei bildgebenden Messverfahren für die Kamera­ kalibrierung erforderlich (Creutin et al., 2003, Kim et al., 2006, Jodeau et al., 2008).

Die Kamerakalibrierung erlaubt, sowohl den genauen Standort der Kamera zu ermitteln als auch deren optische Ver­zerrung zu korrigieren. Da die GCP bei Messun­gen an breiteren Gewässern mit einem Multi-ViewVerfahren für gewisse Ansichten nicht im Sichtfeld zu erkennen sind (z.B. wenn die Kamera nur Wasser sieht), wurde eine neue Kalibrierungs­metho­dik entwickelt.

Bei PTZ-Kameras sind für jede Kameraeinstellung sowohl die Schwenk- und Nei­ gungsposition als auch der Zoomfaktor bekannt. Bei der PTZ-Kalibrierung geht es darum, die ursprüngliche Orientierung der 21

Kamera zu bestimmen, um so eine Be­ zieh­ung zwischen den gemessenen Ka­ mera­­winkeln, dem Zoomfaktor, der Fokus­ länge und der tatsächlichen Ausrichtung der Kamera zu bestimmen. Dafür werden im Minimum die Koordinaten von 6 GCP mit ihren dazugehörenden Schwenk- und Neigungspositionen eingemessen. Nach erfolgter Kalibrierung ist es bei bekanntem Wasserpegel möglich, für jede Kamera­ ansicht und bei beliebigem Zoomfaktor jedes Pixel im Sichtfeld einem Punkt im 3-D-Raum zuzuordnen.

Nach der Kamerakalibrierung kann der Abfluss folgendermassen berechnet werden: Der Wasserpegel wird zuerst automatisch mit einer sogenannten Seg­ mentierung (Erkennung der Grenzlinie zwischen dem Wasser und dem Ufer) am Ufer ermittelt. Dann ist es mit der SSIVTechnologie möglich, in mehreren, die ganze Flussbreite abdeckenden Ansichten die Geschwindigkeit an der Gewässerober­ fläche zu messen. Um die Geschwindigkeit

zu bestimmen, kommt eine Kreuzkor­re­la­ tionsmethode zum Einsatz. Dafür werden die einzelnen Bilder der Videosequenz in sogenannte Subwindows unterteilt. Bei der Kreuzkorrelation wird für jedes einzelne Subwindow eines Bildes in den entsprechenden Subwindows des nächsten Bildes nach Mustern gesucht, die im ursprünglichen Fenster auch vorhanden waren. Diese Muster werden typischerweise durch Wellen, Schaum oder tur­ bulente Wirbel gebildet, die sich an der Ober­fläche befinden. Somit ist es möglich, für jedes Fenster einen Verschie­ bungs­vektor mit Einheit Pixel / Bild zu bestimmen. Da jedes Pixel einem Punkt im 3-D-Raum entspricht und die Aufnahme­ ge­schwindigkeit der Kamera bekannt ist, kann diese Verschiebung in einen Ge­ schwindigkeistvektor mit Einheit in m/s umgerechnet werden.

Die Anwendung der SSIV-Methode bei den Videosequenzen aller Kameraan­sich­ ten liefert ein Geschwindigkeitsfeld an der

Abbildung 1: Luftbild des Alpenrheins und der Zollbrücke, auf der die Kamera installiert ist (oben). Kamerastandort und die verschiedene Kameraansichten, durch die die Ober­flächen­geschwindig­keitsmessungen durchgeführt werden (unten).

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Oberfläche des betrachteten Flussab­ schnitts. Die gemessenen Geschwindig­ keiten in Strömungsrichtung erlauben, ein Geschwindigkeitsprofil an der Oberfläche zu bestimmen. Dann wird angenommen, dass der Flussquerschnitt sich im Fluss­ abschnitt nicht verändert. Falls der Fluss­ abschnitt sich verändern sollte, als Folge eines Hochwasserereignisses zum Bei­ spiel, muss er neu, z. B. mit klassischen Ver­ fahren erfasst werden. Schliesslich kom­mt die ISO-Norm 748:2007 zum Ein­ satz, um die mittlere Geschwindigkeit in diskreten Abschnitten zu bestimmen. ISO 748:2007 ist ein Standard, der die mittlere Geschwindigkeit eines Querschnittsab­ schnitts als Funktion der Tiefe, der Ober­ flächengeschwindigkeit und eines StricklerRauigkeitskoeffizients ausdrückt. Eine In­ te­gration der mittleren Geschwindigkeit über die Tiefe und den Flussquerschnitt führt dann zum Abfluss.

3. Fallstudie Das hier vorgeführte Messsystem ist auf der Zollbrücke auf dem Alpenrhein an der schweizerischen-österreichischen Grenze installiert. Die Breite des Flussbettes beträgt an dieser Stelle ca. 100 m unter Nied­ rigabflussbedingungen und die Breite des Überflutungsgebietes beträgt ca. 200 m (siehe Abbildung 1, oben). Eine Messstelle des BAFU ist auch auf dieser Brücke vorhanden und mit einem SOMMER-RQ-30Radar ausgerüstet.

Die PTZ-Kamera (Vivotek SD9364-EH) patrouilliert zwischen drei verschiedenen An­­sichten, die so angeordnet sind, dass das gesamte Oberflächengeschwindig­ keits­­­feld mit genügend starkem Zoom gemessen werden kann (Abbildung 1). Eine zu­ sätzliche Ansicht erlaubt noch, den Was­­­ser­­pegel am rechten Ufer zu messen (Ab­­bil­dung 2 A). Die Kamera nimmt alle 10 Mi­nu­­ten eine 5 Sekunden lange Video­se­­ quenz für jede Ansicht auf. Die Videos wer­ den mit eHD-Auflösung und einer Fre­q­uenz von 30 Bildern per Sekunde aufgenommen.

Mithilfe eines von der Kamera mitge­ führten und mitgezoomten Infrarot-Beamers lassen sich Messungen auch nachtsüber zuverlässig durchführen. Dies erlaubt, den Wasserpegel auch nachtsüber optisch am Ufer zu messen (Abbildung 2 B). Der Infra­ rot-Beamer ist aber zu schwach, um die Ge­ schwindigkeit in allen Ansichten zu mes­sen, deswegen wird die Geschwin­dig­ keit nachtsüber nur unmittelbar unter der Brücke ge­messen, wo die Beleuchtung des Beamers zufriedenstellende Mes­sun­gen erlaubt.

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Abbildung 2: (A) Beispiel eines Bildes der Kameraansicht, die für die automatische Wasserpegelerkennung gebraucht wird (rote Linie). Die rosa Punkte stellen GCP und die türkisen Linien Isolinien des Flussquerschnitts dar. (B) Beispiel einer nächtlichen Wasserpegelmessung. Oberflächengeschwindigkeitsfelder für die Ansichten, die sich in der Mitte (C) und auf der rechten Seite (D) des Flusses befinden.

4. Resultate und Diskussion Die gemessenen Oberflächengeschwind­ig­ ­keiten in Strömungsrichtung der verschie­ denen Kameraansichten und das damit bestimmte Geschwindigkeitsprofil sind in der Abbildung 3 dargestellt. Für jede Ka­ mera­ansicht wird ein 5 Sekunden langer Film aufgenommen und ausge­wer­tet. Jeder farbige Punkt auf der Abbildung entspricht der Messung in einem Subwin­dow. Die Streuung, die sich beobachten lässt, ist einerseits auf ausschliesslich turbulente Fluktuationen und anderseits auf eine von den Brückenpfeilern verursachte der Karman-Strasse zurückzuführen. Der Fit des Geschwindigkeitsprofils ist so pa­ra­ metrisiert, dass er diese Fluktuationen optimal ausmitteln kann. Das Messsystem merkt sich die Parameter des Fits tagsüber, wenn Messungen in alle Ansichten durchgeführt werden. Nachtsüber wird dann nur in der mittleren Ansicht gemes­ sen, aber der Fit wird mit den gleichen Pa­ ra­metern durchgeführt, sodass die Be­ einträchtigung durch die geringere Be­ leuch­tung des Infrarot-Beamers optimal kompensiert werden kann.

Die optisch gemessenen Daten wurden mit den Abflussdaten verglichen, die

Abbildung 3: Geschwindigkeits­komponente, die auf der linken Seite (gelb), in der Mitte (rot) und auf der rechten Seite (grau) des Rheins gemessen wurden.

Die blaue Kurve stellt der Fit der mit den gemessen Daten angepasst wurde.

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Abbildung 4: Zeitreihen der Wasserpegelmessungen mit dem optischen Verfahren (rot) und dem Radar (schwarz) für eine Zeitperiode vom 10. Januar bis zum 10. Februar 2018.

Abbildung 5: Zeitreihen der Abflussmessungen mit der SSIV (rot) und dem Radar (schwarz) für eine Zeitperiode vom 10. Januar bis zum 10. Februar 2018.

Abbildung 6: Gemessener Wasserpegel als Funktion des Abflusses für das optische System (rot) und für den Radar (schwarz).

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mittels einer Pegel-Abfluss-Beziehung bestimmt wurden. Dabei ist aber wichtig zu betrachten, dass die optischen Daten nicht nachbearbeit wurden, d. h., Ausreis­ ser wurden nicht gefiltert. Die Ab­bil­dun­gen 4 und 5 stellen Zeitreihen der gemes­se­nen Wasserpegel- und Abflussdaten in 10-minütigen Intervallen für eine Zeitpe­ rio­ de vom 10. Januar bis zum 10. Februar 2018 dar. Auf den ersten Blick scheinen die optisch gemessenen und die Referenz­daten ei­ni­ger­massen gut übereinzustim­men. Die zum Teil starken täglichen Fluk­tuationen dieser Zeitreihen sind auf die Aktivität der grossen Anzahl Wasser­kraft­werke zurückzuführen, die sich im Ein­zugs­gebiet des Alpen­rheins befinden. Die­­se hohen Fluk­ tu­ationen erlauben, einen interessanten Ver­ gleich über eine breite Span­ ne zwischen den beiden Messsystemen durch­ zufüh­ren.

Um einen quantitativen Vergleich zwischen den Datenreihen durchzuführen, wurde der quadratische mittlere Fehler berechnet. Dieser beträgt 6.8 cm für den Wasserpegel, was auf die aus der Ab­bil­ dung 4 ersichtlichen Aussreisser zurückzuführen ist. Der quadratische mittlere Fehler des Abflusses beträgt 8.487 m³/s, was relativ betrachtet nur 4.44 % des mittleren Ab­flus­ses für diese Zeitperiode ausmacht. Die beobachteten Ausreisser bei der optischen Wasserpegeldetektion kön­ nten mit dem Einbau eines redundanten

Wasser­ pegel­ sensors (z. B. Radar- oder Drucksen­ sor) oder mit einer automa­ ti­ schen Filterung aufgehoben werden.

Die Wasserpegelwerte sind in der Ab­ bil­dung 6 als Funktion der Abflusswerte dargestellt. Dabei fällt auf, dass die op­ tisch ermittelten Daten eine gewisse Streu­ ung aufweisen. Das optische System erlaubt es, gleichzeitig den Durchfluss und den Wasser­pegel zu messen, sodass laufend Pegel-Abfluss-Beziehungen generiert wer­den können. So können Ände­ rungen des Querschnitts automatisch detektiert werden, wenn die gemessenen Daten zum Beispiel nach einem Hoch­­ wasser­ereignis plötzlich nicht mehr auf die vor­her beobachtete Pegel-AbflussBeziehung zu­rück­fallen.

Ein weiterer interessanter Aspekt der op­ tischen Methode ist, dass für jede Messung und jede Kamerasicht ein sogenanntes Beweisbild gespeichert wird (Abbildung 2). Darauf sind die gemes­senen Wasserpegel und Geschwindig­keits­­felder ersichtlich, sodass jede Messung bei Be­ darf schnell plausibilisiert werden kann.

Zusätzlich ist es möglich, in Echtzeit auf die Kamera des Messsystems zuzugrei­ fen. Dies kann z. B. bei Hochwasser von Inte­res­se sein, um z. B. die Umgebung der Mess­stelle zu beobachten. Im Hochwas­ser­ ­fall kann das System verwendet werden, um optisch Hochwassermeldungen zu plausibilisieren, dabei kann auch noch zusätz­lich

die Kontrolle über die Kamera über­nom­ men werden, sodass die Um­gebung der Mess­stelle inspiziert werden können.

Quellen: Carrel, M., Peña-Haro S., Lüthi B., Hansen I. (2019).

Berührlose optische Durchflussmessung unter hoch­alpinen Verhältnissen. Wasserwirtschaft 11. 77 – 78.

Creutin, J. D., Muste, M., Bradley, A. A., Kim, S. C., Kruger, A. (2003). «River Gauging Using PIV Techniques: A Proof of Concept Experiment on the Iowa River.»

Journal of Hydrology 277, no. 3–4 .182–94.

Fujita, I., Watanabe, H., Tsubaki, R. (2007).

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Hauet, A., Creutin J-D., Belleudy, P. (2008). «Sensitivity Study of Large-Scale Particle Image Veloci-metry Measurement of River Discharge Using Numerical Simulation.» Journal of Hydrology 349, no. 1–2. 178–90.

Jodeau, M., Hauet, Paquier, A., Le Coz, J., Dramais, G. (2008). «Application and Evaluation of LS-PIV Technique for the Monitoring of River Surface Velocities in High Flow Conditions.» Flow Measurement and Instrumentation 19, no. 2: 117–27.

Jodeau, M., Hauet, A., Le Coz, J., Bercovitz, Y., Lebert, F. (2017). «Laboratory and Field LSPIV Measurements of Flow Velocities Using Fudaa-LSPIV a Free User-Friendly Software.» Madrid.

Leitão, J.P., Peña-Haro, S., Lüthi, B., Scheidegger, A., Moy de Vitry, M. (2018). «Urban Overland Runoff Velocity Measurement with Consumer-Grade Surveillance Cameras and Surface Structure Image Velocimetry.» Journal of Hydrology 565. 791–804.

Muste, M., Ho, H. -C., Kim, D. (2011). «Considerations on Direct Stream Flow Measurements Using Video Imagery: Outlook and Research Needs.» Journal of Hydro-Environment Research 5, no. 4. 289–300.

Patalano, A., Marcelo García, C., Rodríguez, A. (2017).

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Peña-Haro, S., Lüthi, B., Carrel, M., Scheidegger, A., Moy de Vitry, M., Leitão, J.P. (2019). «Es überschwemmt, und keiner sieht zu?! Oberflächenab­fluss­ messugen im urbanen Raum mittels Videomaterial von Überwachungskameras». Aqua & Gas (5).

Tauro, Flavia, Fabio Tosi, Stefano Mattoccia, Elena Toth, Rodolfo Piscopia, and Salvatore Grimaldi.

«Optical Tracking Velocimetry (OTV): Leveraging Optical Flow and Trajectory-Based Filtering for Surface Streamflow Observations.» Remote Sensing 10, no. 12 (2018): 2010.

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Reston, Virginia: U.S. Geological Survey, Techniques and Methods book 3, chap. A8, 87 p., 2010.

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5. Fazit Diese Studie stellt den Einsatz eines bild­ ge­benden Verfahrens mit einer PTZ-Ka­ mera am Alpenrhein in der Nähe der Zoll­ brücke vor. Mit einem automatischen MultiView-SSIV-Verfahren können der Was­ser­ pegel und das gesamte Ober­flächen­ge­ schwindigkeitsfeld über eine Breite von 100 m im Dauerbetrieb gemessen werden.

Der Abfluss lässt sich aus der Kombination dieser gemessen Daten, der Information über den Flussquerschnitt und dessen Rau­igkeit berechnen. Das System misst kontinuierlich in einem 10-Minuten-Takt.

Der mittlere Abfluss der betrachteten Mess­­periode beträgt 190 m³/s, und ein Ver­gleich mit Referenzwerten zeigt einen mitt­leren quadratischen Fehler von 8.437 m³/s, was einem relativen Unterschied von weniger als 5 % entspricht. Insgesamt sind die Ergebnisse, die vom optischen Mess­ver­ fahren geliefert werden, viel­ver­spre­chend, und das System hat das Po­tenzial, an noch breiteren Gewässern angewendet zu werden. Nachfolgestudien werden die Robust­heit des Systems und dessen Er­ geb­nisse über längere Zeit­pe­rioden so­wie den Einfluss von möglichen Stör­fak­to­ren wie Wind oder Schnee untersuchen.

Autoren: Maxence Carrel Photrack AG, Ankerstrasse 16 A, 8004 Zürich carrel@photrack.ch Salvador Peña-Haro Photrack AG, Ankerstrasse 16 A, 8004 Zürich Beat Lüthi Photrack AG, Ankerstrasse 16 A, 8004 Zürich Robert Lukes Bundesamt für Umwelt, BAFU, Abteilung Hydrologie, Sektion Hydrometrie, Papiermühlstrasse 172, 3063 Ittigen

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Wirkungskontrolle Fischabstieg am Horizontalrechen des Kraftwerks Stroppel Ricardo Mendez, Claudia Zaugg

Zusammenfassung Am Kleinwasserkraftwerk Stroppel (KWK Stroppel) der Axpo Kleinwasserkraft AG mit einer Ausbauwassermenge von 33 m³/s wurde in den Jahren 2013 / 2014 die erste schweizerische Fischabstiegsanlage mittels Horizontalrechen realisiert. Die lichte Stabweite des Rechens beträgt 20 mm. Dabei handelt es sich um eine Mass­nahme nach Art. 10 Bundesgesetz über die Fischerei (BGF), welche nach Art. 34 des Energie­ gesetzes (EnG) durch den nationalen Netzzuschlagsfonds vollumfänglich entschädigt wurde.

Europaweit sind in den letzten Jahren bei Wasserkraftwerken mit einer Ausbau­ wasser­menge bis max. 80 m³/s vermehrt Fischabstiegsanlagen mit mechanischen Barrieren umgesetzt worden. Für grössere Kraftwerke erlaubt der Stand der Technik noch keine entsprechenden Massnahmen. Das «Know-how» für die Planung von Fischabstiegsanlagen sowie für die Durchführung von Wirkungskontrollen war und ist nach wie vor aufgrund der wenigen umgesetzten Fischabstiegsanlagen begrenzt.

Aus diesem Grund wurde beim Pilotprojekt KWK Stroppel eine umfangreiche und detaillierte Wirkungskontrolle durchgeführt, mit welcher u. a. viele neue Erkenntnisse zur Funktionalität eines Horizontalrechens, zum Verhalten der Fische am Rechen, zum Zeitpunkt von Massenabstiegen der Fische, zur Art- und Grössenzusammen­ setzung der absteigenden Fische, zu Gefahrenquellen für Fische innerhalb des Ab­ stiegs­systems und schliesslich auch zur zeitlichen und qualitativen Optimierung von Wirkungskontrollen gewonnen.

1. Einleitung Fische wandern während ihres Lebens­ zyklus aus verschiedenen Gründen sowohl flussauf- als auch flussabwärts. Die flussaufwärtsgerichtete Fischwanderung ist bereits gut untersucht. Obwohl es auch dort noch offene Fragen gibt, sind grundsätzlich genügend Grundlagen für die Planung und den Bau von effizienten Fisch­ ­wanderhilfen vorhanden. Der Fisch­ab­stieg ist dagegen weitaus weniger gut erforscht.

Besonders bei grossen Wasser­kraftan­­la­ gen (> 80 m³/s) besteht noch ein erheblicher Forschungsbedarf bezüglich des Ver­hal­tens von Fischen beim Abstieg so­ wie über effiziente und praktikable Fisch­ ab­stiegs­anlagen. Bei kleineren Was­ser­ kraftanlagen ist der Kenntnisstand schon etwas fortgeschrittener. An solchen Was­ ser­kraft­werken wurden bereits Fisch­ab­ stiegsan­ lagen installiert, und es liegen auch schon Erkennt­nisse aus biolo­gi­schen Wir­kungs­kontrollen für solche Abstiegs­ anla­gen vor.

Eine bereits realisierte Anlage findet sich beim Kraftwerk Stroppel der Axpo Klein­ wasserkraft AG (Axpo) an der Limmat in Untersiggenthal. Sie wurde in den Jahren 2013 / 14 realisiert und ging im Frühling 2014 in Betrieb. Dabei handelt es sich um eine schweizweite Pilotanlage für einen Horizontalrechen, welcher in einem Kanal platziert ist und frontal angeströmt wird.

Die zugehörige Wirkungskontrolle wurde von 2015 bis 2017 durchgeführt. Beim Bau und bei der Durchführung der Wirkungs­ kon­trol­le handelt es sich um eine Mass­ nahme nach Art. 10 Bundesgesetz über die Fi­sche­rei (BGF), welche dem Kraft­werks­­in­ haber nach Art. 34 des Energie­gesetzes (EnG) durch den nationalen Netz­zu­schlags­ f­onds vollumfänglich entschädigt wird.

im Kanal und Restwasserstrecke. Die Aus­ bauwassermenge liegt bei 33 m³/s. Die Kraft­werksanlage ist mit einem Streich­ wehr ausgestattet. Das Restwasser wird über den Wehrkopf dotiert. Im Weiteren wird das nicht nutzbare Wasser über den Wehrkopf und das Streichwehr in die Restwasserstrecke abgeleitet.

2.2 Fischleitrechen Zum Schutz absteigender Fische wurde in Anlehnung an das Prinzip des Fisch- und Treibgutableiters nach Ebel, Gluch & Kehl (2013) ein Horizontalrechen eingebaut (vgl. Abb. 1), welcher das Weiterleiten von Fischen und Treibgut durch einen permanent offenen Fischabstieg (Bypass) mit einer ganzjährigen Dotation von 690 l/s sicherstellt. Der Anströmwinkel beträgt 38 °, die lichte Stabweite der horizontalen Rechenstäbe 20 mm (vgl. Abbildung 2) und die maximale Anströmgeschwindigkeit 0.48 m/s. Damit soll ein irreversibles An­ pressen des Fisches an den Feinrechen verhindert werden.

2. Fischabstiegsanlage KWK Stroppel 2.1 Beschreibung KWK Stroppel Beim KWK Stroppel handelt es sich um ein Ausleitkraftwerk mit Maschinenhaus

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Abbildung 1: Ansicht Fischleitrechen im Bau. 27

Fische in einen Plungepool, welcher durch einen Rückstau aufgrund eines fest eingebauten Wehrs entsteht. Sobald die Fische den Wehrrücken passiert haben, gelangen sie in die eigentliche Bypass­lei­ tung, welche sie mit einer Geschwindigkeit von rund 5 m/s in das Unterwasser führt.

Abbildung 2: Teilstück Fischleitrechen.

Der Horizontalrechen hat für die Fische nicht primär eine Schutzfunktion, sondern eine Leitfunktion. Der Rechen soll absteigende Fische in Richtung Bypass leiten und über diesen sicher ins Unter­was­ ser führen. In den Bypass kommen die Fische über ein Stemmtor mit oberflächen­ naher Klappe und bodennaher Ausspa­ rung, durch welche die Fische absteigen können. Nach dem Passieren der Bypass­ klappe oder der Aussparung gelangen die

2.3 Rechenreinigung Der Horizontalrechen wird mit einer fahrbaren Rechenreinigungsmaschine gerei­ nigt. Die Rechenreinigung erfolgt in Fliess­ richtung zum Fischabstieg hin. Durch ein kurzzeitiges Öffnen des Stemmtors während des Reinigungsvorgangs wird das Treibgut über den Bypass abgeleitet.

Grosses Treibgut muss mit einem installierten Schwemmholzkran entnommen und entsorgt werden. Die Rechenver­le­ gung durch Geschwemmsel variiert saisonal, kann zu betrieblichen Herausforde­ rungen führen und somit auch den Kraft­ werksbetrieb beeinflussen.

3. Fragestellung und Methode Wirkungskontrolle 3.1 Fragestellung Die Wirkungskontrolle wurde in den Jahren 2015 bis 2017 durchgeführt. Das Hauptziel der Wirkungskontrolle bestand darin, die Funktionalität der Fischabstiegs­ anlage am KWK Stroppel zu überprüfen.

Da es sich bei der Fischabstiegs­an­lage

Abbildung 3: Übersicht Kraftwerk Stroppel mit Fischauf- und -abstieg (Orthofoto map.geo.admin.ch).

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des KWK Stroppel um ein schweizweites Pilotprojekt handelt und zudem be­züglich Fischabstieg an grösseren Fliess­ ge­ wässern mit gemischtem Fischbestand grosse Wissenslücken vorhanden sind, bestand die Zielsetzung auch darin, möglichst viele Informationen über den Fisch­ abstieg in der Limmat sowie über die Metho­­dik von Fischabstiegskontrollen zu erhalten. Dabei ging es nicht um Grund­ lagenforschung, sondern solche Resultate sollen es erlauben, künftige Schutz- und Abstiegsanlagen bei anderen Kraftwerks­ anlagen zu optimieren und Wirkungskon­ trollen möglichst gezielt durchführen zu können.

Folglich standen folgende Fragestel­ lungen im Fokus: • Werden Fische vor der Passage durch die Turbinen geschützt (Schutzfunktion Rechen)?

• Werden absteigende Fische entlang des Leitrechens zum Bypass geleitet und passieren sie diesen (Leitwirkung Rechen und Auffinden Bypass)?

• Wie viele Fische wandern ab? Welche Arten wandern ab? Welche Lebensstadien wandern ab?

• Wann findet Fischabwanderung statt?

Was sind die Zeitgeber?

• Gelangen absteigende Fische verletzungsfrei ins Unterwasser?

• Wie verhalten sich Fische vor dem Rechen?

3.2 Methoden Hamenreuse Für den Fang und die Zählung von abstei­ genden Fischen werden in den meisten Fällen sogenannte Hamenreusen einge­ setzt (vgl. Abbildung 4). Diese Methode wurde auch für die Wirkungskontrolle beim KWK-Stroppel gewählt. Zur stationären Monta­ge des Hamens wurde der Auslauf bzw. die Mündung des Bypasses mit ei­ nem gekrümmten Kunststoffrohr verlängert und parallel zur Strömung gelenkt. An­ schlies­send folgte ein Fangkorb mit ange­ häng­tem Hamen (vgl. Abbildung 5).

Bei Aufstiegskontrollen in Fischpässen können aufsteigende Fische u.a. mittels Reusen oder Zählkammern erhoben werden. Es reicht in der Regel, wenn diese Geräte einmal pro Tag kontrolliert werden, wodurch der Aufwand vergleichsweise ge­ ring ist und langzeitige Kontrollen durch­­ geführt werden können. Anders beim Fisch­abstieg: Bei Anlagen wie jener des KWK Stroppel passiert zusammen mit absteigenden Fischen laufend auch Ge­ schwemmsel den Bypass, welches während der Wirkungskontrolle in den Hamen

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gelangt. Abgestiegene Fische dürfen deshalb aufgrund der Verletzungsgefahr (Ge­ schwemmsel) und der hohen Fliess­ge­ schwindigkeit im Hamen (Erschöpfung) nicht während längerer Zeit in einem Fang­gerät wie der Hamenreuse belassen werden. Beim KWK Stroppel wurde die Hamenreuse deshalb alle 30 Minuten geleert, damit methodenbedingte Verletzun­ gen der Fische – insbesondere Schuppen­ ver­luste – reduziert oder ausgeschlossen werden konnten. Während Massenab­stie­ gen wurde die Hamenreuse sogar in kürzeren Zeitabständen von 15 Minuten geleert.

Video und ARIS-Sonar Um einen präziseren Einblick in das Ver­ halten der Fische während des Abstiegs zu erhalten, wurden am Rechen in unterschiedlichen Wassertiefen sechs um 360 ° schwenkbare Infrarot-Videokameras angebracht. Damit konnte das Verhalten der Fische direkt am Rechen, aber auch in der Sohlleitrinne beobachtet werden.

Zusätzlich kam vor und hinter dem Rechen noch ein ARIS-Sonar zum Einsatz.

Dieses Sonar liefert hochauflösende Bilder in Echtzeit, indem es je nach Einstellung 4 bis 8 Bilder pro Sekunde macht.

Abbildung 4: Hamenreuse mit Fangkorb.

4. Konzept Fischzählung

Abbildung 5: Hamenreuse im Einsatz.

Es wurden folgende Abstiegsuntersuchun­gen durchgeführt: Datum

15. – 18.09.2015 20. – 23.10.2015 10. – 12.05.2016 20.07.2016 21.07.2016 02. – 04.08.2016 01.09.2016 30.09.2016 10.10.2016 17.10.2016 23.10.2016 25. – 27.10.2016 10.11.2016 08.12.2016

Art Dauer Wassertemperatur Abfluss Limmat, Wasser­ (Std.) Limmat, Baden Baden (BAFU) trübung (BAFU) (Ø Tagesmittel) (Ø Tagesmittel) [°C] [m³/s] U U U S S U S S S S S U S S

70 72 48 2 3 48 4.25 3 3.5 3 3.75 38 2.75 3.5

19.1 13.0 13.3 21.7 23.0 22.4 22.7 19.3 15.0 14.3 12.9 13.3 10.6 7.0

47.3 72.7 96.4 143 138 96.5 61 60.5 39.4 43.4 45.6 66.8 72.7 56.3

Wetter

klar leicht bewölkt – schön bräunlich bewölkt klar bewölkt – schön klar schön klar leichter Regen klar schön klar schön klar schön klar bewölkt klar leichter Regen klar Regen bräunlich bewölkt – Regen klar Regen klar schön

Tabelle 1: Zeitdauer und Umweltparameter während grosser Untersuchungs­ blöcken (U) und Stichproben (S).

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Gemäss dem ersten Konzept und auf Basis von Literaturempfehlungen sollten Zähl­blöcke à 72 Stunden während Neu­ mondphasen durchgeführt werden, da zu diesem Zeitpunkt grosse Wander­akti­vität stattfinden sollte. Die laufenden Er­kennt­ nis­se zeigten aber schnell, dass der ursprünglich als wichtige Zeitgeber definierte Neumond nicht massgebend für den Fischabstieg in der Limmat ist. Aus diesem Grund wurde das ursprüngliche Pro­ gramm geändert, und es wurden in regel­ mäs­si­gen Zeitabständen Stich­proben von 2 bis 4 Stunden durchgeführt. Bei Fest­ stellung grosser Abwanderaktivität wur­ den unmittelbar anschliessend längere Unter­su­chungs­blöcke à 38 bis 48 Stunden durchgeführt.

Bei allen Abstiegskontrollen wurden die gefangenen Fische nach Art und Grös­ sen­klassen eingeteilt (< 10 cm, 10.1 – 20 cm, 20.1 – 30 cm, > 30 cm) und auf allfällige Ver­ letzungen hin untersucht. Wäh­rend der 5 grossen Untersuchungsblöcke wurde jeweils eine Stichprobe der abgestiegenen Fische für 24 Stunden gehältert und auf allfällige zeitverzögerte Ver­letzungen / Mor­ ta­lität kontrolliert.

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Anlage, Gewässer

Untersuchungsdauer

Anzahl Fische

Anzahl Arten

KW Halle-Planena, Saale • Nutzwassermenge: 50 m3/s • 20 mm Horizontalrechen • Abfluss Bypass: 1.0 m3/s

28 Tage (25 Tage Frühjahr & 3 Tage Herbst)

2’072

23

KW Rothenburg, Saale • Nutzwassermenge: 68 m3/s • 20 mm Horizontalrechen • Abfluss Bypass: 1.45 m3/s

34 Tage (14 Tage Frühjahr & 20 Tage Herbst)

7’657

29

KW Raguhn, Mulde • Nutzwassermenge: 88 m3/s • 20 mm Horizontalrechen • Abfluss Bypass: 1.0 m3/s

30 Tage (28 Tage Frühjahr & 2 Tage Herbst)

1’176

20

KWK Stroppel, Limmat • Nutzwassermenge: 33 m3/s • 20 mm Horizontalrechen • Abfluss Bypass: 0.69 m3/s

12.7 Tage (2 Tage Frühjahr, 2.2 Tage Sommer, 8.3 Tage Herbst & 0.2 Tage Winter)

11’348

28

Abbildung 6: Artenzusammensetzung Untersuchungsblöcke.

Tabelle 2: Vergleich Abstiegszahlen mit anderen Kraftwerksanlagen mit Horizontalrechen (Angaben aus Ebel, 2013).

5. Resultate 5.1 Wie viele Fische wandern ab?

Während der 5 grossen Untersuchungs­ blöcke über 38 bis 72 Stunden wurden insgesamt 8761 Fische erhoben, welche über den Bypass abgestiegen sind. 2587 Fische wurden zudem während der 9 Stich­ proben gezählt. Somit wurden während der gesamten Untersuchungsdauer von insgesamt 304 Stunden (12.7 Tage) total 11 348 abgestiegene Fische erfasst.

Da aus der Schweiz keine Resultate analoger Untersuchungen vorliegen, wurden zum Vergleich dieser Daten Resultate ver­gleichbarer Abstiegsanlagen aus dem deutschen Raum beigezogen (vgl. Tabelle 1). Daraus wird ersichtlich, dass beim KWK Stroppel vergleichsweise viele abge­ wanderte Fische gezählt wurden. Dieses Resultat darf nicht überbewertet werden, da beim KWK Stroppel die Zeiten grosser Wanderaktivität mittels Stichproben eruiert wurden. Trotzdem gibt es eine ver­ gleich­bare Grössenordnung absteigender Fische.

Die effektive Abstiegszahl dürfte um ein Mehrfaches höher sein, da Fische am Standort Stroppel auch über das oberliegende Kraftwerk Gebenstorf, den ständig mit dem Restwasser dotierten Wehr­ kopf sowie bei Hochwasser über das Wehr absteigen können. Wenn es möglich wäre, am Standort Stroppel eine ganzjährige Wirkungskontrolle über alle Ab­ stiegswege durchzuführen, würden wahrscheinlich mehrere 100 000 absteigende Fische erfasst.

5.2 Welche Arten wandern ab?

Insgesamt wurden 28 abgestiegene Arten ermittelt. Mit Abstand am meisten kamen 30

Rotaugen vor, gefolgt von Schneidern, Barben und von grundsätzlich nicht erwarteten juvenilen Brachsmen (vgl. Abb. 8 und 9). Gemäss den Resultaten verschie­ dener Elektroabfischungen und Auf­stiegs­ kontrollen kommen aktuell in der Limmat 34 Fischarten vor. Davon waren folgende Arten nicht in der Wirkungs­kon­trolle vertreten: • Rapfen, Graskarpfen und Regen­ bogenforelle: Diese Neozoen kommen in der Limmat selten vor.

• Strömer: Diese gefährdete Art kommt in der Limmat ebenfals selten vor (total nur 2 Nennungen, Fehlbestimmung nicht ausgeschlossen).

• Bartgrundel, Dorngrundel und Trüsche.

• Zusätzlich wurde ein Seesaibling erhoben, eine Art, die vorher aus der Limmat noch nicht gemeldet war.

Alle in der Limmat regelmässig vorkom­ men­den Arten waren auch in der Wirkungs­ kontrolle zum Fischabstieg Stroppel vertreten, mit Ausnahme der benthischen Fischarten Bartgrundel, Dorngrundel und Trüsche. Die Barbe als potamodrome Leit­fischart in der Limmat und der Aare war mit 819 abgestiegenen Individuen gut vertreten.

Die Artenzusammensetzung variierte zwischen den einzelnen Untersuchungs­ blöcken, wobei jedoch insbesondere Rot­ augen, Barben, Schneider, Brachsmen, Lauben, Alet und Flussbarsche regelmässig vorkamen. Über die Hälfte der während der 5 Untersuchungsblöcke abgestiegenen Fische waren Rotaugen, gefolgt von Schneidern (12 %), Barben (9 %), Brachsmen (8 %) und Flussbarschen (5 %). 96% aller erhobenen Fische gehör­ ten den 8 am häufigsten vorkommenden Arten an.

Abbildung 7: Artenzusammensetzung Stichproben.

5.3 Längenklassen: Welche Stadien wandern ab?

Bei den Abstiegskontrollen beim KWK Stroppel wurden insbesondere Jungfisch­ stadien und Kleinfische ermittelt. Während der grossen Untersuchungsblöcke wiesen 87 % aller erhobenen Fische eine Körper­ länge < 10 cm auf, weitere 12 % waren 10 – 20 cm gross. Nur 1 % war grösser als 20 cm. Diese Resultate entsprechen jenen von ähnlichen Abstiegsuntersuchungen an Kleinwasserkraftwerken im süddeut­ schen Raum (Schmalz, 2007, Schmalz, 2010, Schmalz, 2012, Edler, 2011). Gemäss Recken­dorfer (2014) besteht ein Grossteil abwandernder Individuen aus Larven oder Juvenilen; die Körperlänge abwandernder Fische beträgt meist < 15 cm. Somit ist die flussab­wärtsgerichtete Migration auch für frühe Lebensstadien ein essenzieller Fak­ tor im Lebenszyklus von Fischen.

Trotzdem wurde eine höhere Anzahl grösserer Fische erwartet. Es wurden nur 33 Fische mit einer Körperlänge grösser 30 cm erhoben, insbesondere Aale und Barben. Es ist nicht ausgeschlossen, dass die Abwan­derung von grossen Fischen nicht in den untersuchten Zeitfenstern stattfand. Zudem hatte es im Frühling 2016 verschiedentlich Hochwasser, weshalb in dieser Zeit keine Wirkungs­kontrol­len zum Fischabstieg durch­geführt werden konnten

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respektive der schadlose Ab­wan­der­weg über das Wehr über sehr lange Zeit möglich war. Somit ist die Grös­sen­zusam­men­ setzung aller abgewander­ten Fischen beim KWK Stroppel nicht bekannt und kann an diesem Standort auch nicht ermittelt werden, da davon ausge­gangen wird, dass viele Fische bei Hoch­wasser übers Wehr in die Rest­wasser­strecke absteigen.

Larven von ca. 3 cm Körperlänge wurden bis auf ein paar wenige Exemplare keine nachgewiesen. Dies ist unter anderem darauf zurückzuführen, dass einerseits der Leitrechen Larven wohl nicht von der Passage abhalten kann (Schwimm­ver­ mögen klein), andererseits aufgrund der zu grossen Maschenweite der Hamen­ reuse solche Kleinstfische nicht gefangen werden konnten.

5.4 Was sind die Zeitgeber für die Abwanderung?

Diese Frage kann anhand der durchge­ führten Untersuchungen nicht vollumfänglich beantwortet werden, da Abstiegs­kon­ trollen nur an 20 unterschiedlichen Tagen und während insgesamt 304 Stunden durchgeführt wurden. Zudem konnten bei Hochwasser aufgrund des Rückstaus von der Aare her keine Abstiegskontrollen durch­­geführt und über das Wehr abstei­ gende Fische nicht erfasst werden. Den­ noch zeigten sich gewisse Tendenzen:

Abbildung 8: Verteilung der Längen­ klassen der gezählten Fische in den Untersuchungsblöcken.

Abbildung 9: Verteilung der Längen­ klassen der gezählten Fische in den Stichproben.

• Der Abstieg erfolgte hauptsächlich in den Dämmerungsstunden und nachts mit einem Anteil von 76 % aller abgestiegenen Fische. Die Peaks an abgewanderten Fischen fanden immer unmittelbar nach der Abend­ dämmerung statt und flachten dann gegen Mitternacht ab.

• Beide Massenabstiege im Herbst fanden bei Wassertemperaturen < 13.5 °C statt. Es ist wahrscheinlich, dass die Wassertemperatur ein Auslöser für die herbstliche Ab­ wanderung (insbesondere von Jung­ fischen) darstellt (vgl. Abbildung 10).

• Es wird vermutet, dass Abflusser­ höhungen mit auftretender Trübung die Abwanderung deutlich begünstigen. Das trübe Wasser wirkt wohl als Schutz gegen Prädatoren.

Dazu braucht es aber keine eigentlichen Hochwasser, sondern lediglich Wetter- und Abflussände­ rungen.

• Bei den Abstiegskontrollen beim KWK Stroppel konnte kein Einfluss der Mondphase auf die Anzahl abgestiegener Fische festgestellt werden, obwohl dies in der Literatur oft beschrieben wird.

Abbildung 10: Korrelation der Anzahl abgestiegener Fische mit Umwelteinflüssen wie Abfluss, Wassertemperatur und Mondphasen.

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5.5 Schutz- und Leitfunktion Rechen: Werden Fische vor dem Durch­ gang durch die Turbine geschützt?

Die lichte Stabweite des horizontalen Fein­ ­rechens des KWK Stroppel beträgt 20 mm.

Fische bis zu einer Körperlänge von 20 cm können solche Rechen theoretisch passieren (Grundregel: Fischlänge [l] x 0.1 = Fischbreite [b]). Wie in Kap. 5.3 erläutert, wiesen 8670 der während der Unter­su­ chungsblöcke 1 bis 5 8761 abgestiegenen Fische eine Körperlänge < 20 cm auf. Dies bedeutet, dass 98.96 % der abgestiege­ nen Fische den Horizontalrechen eigentlich hätten passieren können, dies aber nicht gemacht haben.

Mit den Videountersuchungen konnten keine Fische gesichtet werden, welche den Horizontalrechen passierten (vgl. Ab­ bildungen 11 und 12). Mit den ARIS-Unter­ su­chungen hingegen konnte während des Massenab­ stiegs am 25. Oktober 2016 zwischen ca. 19.00 und 21.00 Uhr festgehalten werden, dass sich im Suchfeld des Sonars rund 50 Kleinfische hinter dem Rechen aufhielten (vgl. Abbildung 12). In derselben Zeitspanne wanderten über den Fischabstieg über 1340 Kleinfische ab. In den übrigen Tages­stunden wurden in unregelmässigen Ab­stän­den Einzelfische ge­ sichtet, welche auf der Bodenplatte des Turbineneinlaufs erschienen. Ohne die genaue Anzahl gesichteter Fische über die Untersuchungs­zeit vom 25. bis 27. Okto­ber 2016 quantifizieren zu können (Mehrfach­ sichtungen wahrscheinlich), wird geschät­zt, dass rund 100 bis 200 Kleinfische mit einer Körper­länge < 10 cm hinter den Rechen gelang­ten und schlussendlich durch die Tur­binen abgestiegen sind. Im Vergleich zu Gesamt­abstiegszahl von 6239 abge­ stie­ge­nen Fischen in derselben Zeits­pan­ne handelt es sich dabei um einen Anteil von 1.6 bis 3.2 %, was sehr tief und wohl ver­ nach­­lässigbar ist. Grössere Fische wurden keine gesichtet, wurden aber auch im Bypass nicht nachgewiesen.

Aus den gemachten Untersuchungen und Beobachtungen kann die Schluss­ folge­­ rung gezogen werden, dass der Horizontal­rechen mit einer lichten Stab­ weite von 20 mm zwar keinen vollstän­ digen Schutz für Kleinfische bietet, jedoch einen Grossteil der abwandernden Fische sicher zum By­pass leitet oder zumindest die Turbinen­passage deutlich erschwert.

Die Leit- und Schutz­funktion scheint gut zu sein. Aus anderen Projekten in Deutsch­ land ist bekannt, dass auch grössere Fische einen 20-mm-Rechen passieren konnten. Die Anlagen­ geometrie dieser Fälle ist allerdings nicht bekannt. Aufgrund 32

der beim KWK Stroppel gemachten Beob­ achtungen wird davon ausgegangen, dass bei idealer Anströmung des Rechens die abstei­gen­den Fische rasch zum By­pass geleitet werden. Sind diese Leit­wirkung und die Ausgestaltung des By­pass­ein­ stiegs aufgrund einer subop­timalen Aus­ führung der Abstiegsanlage schlecht, ist nicht auszuschliessen, dass Fische über lange Zeit den Bypasseinstieg suchen und sich schluss­endlich durch den Rechen zwängen.

Für genauere Resultate müssten Hamen­­­untersuchungen unterhalb der Turbinen mit gleichzeitigen Hamenunter­ suchungen unterhalb des Bypasses durch­­geführt werden. Aufgrund des grossen zusätzlichen Aufwandes wurde eine ARIS-Untersuchung hinter dem Rechen als ausreichend erachtet.

Abbildung 11: Fische vor dem Horizontralrechen.

Abbildung 12: Schwarm von Klein­ fischen hinter dem Rechen in einer Distanz von 2 – 3 m vor dem Sonar.

5.6 Verletzungen Leider sind während der Wirkungskontrolle verschiedentlich Fische mit Verletzungen aufgetaucht, welche auf die Bypass­füh­ rung zurückzuführen waren. Die Art der Verletzungen setzte sich insbesondere aus Schuppenverlusten (vgl. Abbildung 13), Hämatomen am Körper sowie in den Augen und Blutungen in den Flossen­ strahlen zusammen. Es waren aber nicht alle Arten und Grössenklassen betroffen.

Die Verletzungen beschränkten sich insbesondere auf sehr kleine Fische mit einer Körperlänge von ca. 5 cm und auf Fisch­ arten, welche bekannterweise ein sensibles Schuppenkleid aufweisen (Lauben und Schneider).

Es wird davon ausgegangen, dass der Grossteil dieser Verletzungen auf einen Schlag in einer engen Kurve, welche nicht gemäss den Minimalanforderungen an die

Abbildung 13: Schneider mit Schuppenverlusten und Blutungen in den Flossenstrahlen.

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Radien gemäss Literatur realisiert wurde, zurückzuführen ist. Entsprechend läuft aktuell die Projektierung für einen Umbau der Bypassleitung, damit dort zukünftig keine absteigenden Fische verletzt werden.

6. Schlusswort und Empfehlungen für weitere Fischabstiegsprojekte Das Hauptziel der schweizweit ersten durchgeführten Wirkungskontrolle einer Fischabstiegsanlage bestand primär darin zu untersuchen, ob und wie viele Fische den Horizontalrechen mit einer lichten Stabweite von 20 mm wahrnehmen, von diesem vor dem Turbinendurchgang abgehalten werden, sich zum Bypass leiten lassen, in diesen einsteigen und so schluss­ ­­endlich den sicheren Abstieg in das Unter­ ­wasser finden.

Obwohl während einer zeitlich begrenz­ ten Detailuntersuchung rund 1.6 – 3.2 % aller absteigenden Fische hinter dem Rechen gesichtet wurden, kann die Leitund Schutzfunktion des Rechens beim KWK Stroppel als gut bezeichnet werden.

Ein vollständiger Schutz der Fische kann nur mit deutlich kleineren Re­chen­ab­stän­ den erreicht werden. Da die abge­stiege­ nen Fische meist kleiner als 10 cm waren und somit eine Körperbreite von 10 mm oder kleiner aufwiesen, dürfte jedoch auch eine lichte Stabweite von 15 oder 10 mm keinen vollständigen Schutz bieten.

Quellen: Ebel, G. (2013). Fischschutz und Fischabstieg an Wasserkraftanlagen, Handbuch Rechen- und Bypasssysteme, Ingenieurbiologische Grundlagen, Modellierung und Prognose, Bemessung und Gestaltung. Mitteilung aus dem Büro für Gewässerökologie und Fischerei.

Schmalz, W., Schmalz, M. (2007). Durchführung systematischer Untersuchungen zur Konzeption funktionsgerechter Wanderhilfen im Bereich von Wasserkraftanlagen am Beispiel der Wasserkraftanlage Camburg/Döbritschen (Thüringen). Abschlussbericht Az: 18364/.

Schmalz, W. (2010). Methodenuntersuchungen bzgl.

Fischschutzuntersuchungen HWS Hitzacher. Im Auftrag Jeetzeldeichverband, Lüneburg.

Auch weisen die hohen nachgewie­se­ nen Abstiegszahlen sowie die gemachten Video­ aufnahmen darauf hin, dass die Fische die oberflächen- und bodennahen Bypasseinstiege gut und ohne Zeitver­ zögerung finden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Fischabstiegsanlage in dieser Hinsicht nach dem aktuellen Stand der Technik und unter Berücksichtigung der wichtigen physikalischen Randbe­ dingungen (z. B. Anströmwinkel Rechen, Fliessgeschwindigkeiten, Positionierung Bypasseinstieg) korrekt umgesetzt wurde.

Im Weiteren konnten viele neuen Er­ kenntnisse zum Abwanderverhalten der Fische in der Limmat gewonnen werden.

Insbesondere die Erkenntnis von Massen­ abwanderungen von juvenilen karpfenarti­ gen Kleinfischen, welche in Abhängigkeit von physikalischen Zeitgebern im Herbst erfolgten, waren in dieser Weise neu. Ent­ sprechend hat die Wirkungskontrolle einen wichtigen Beitrag zum noch kleinen Wis­ sen zum Abstiegsverhalten der Fische in Mittellandgewässern geleistet. Offen bleibt die Frage, aus welchem Grund sehr wenige grosse Fische in den Abstiegs­unter­­su­ chun­­gen festgestellt wurden und ob dies auf die Fischabstiegsanlage an sich, den Zeitpunkt der Untersuchungen oder auf sonstige verhaltensbiologische Präfe­ren­ zen zurückzuführen ist. Entsprechend wird für zukünftige Wirkungskontrollen in Ge­ wäs­sern mit gemischtem Fischbestand empfohlen, nicht nur gemäss den Erkennt­

nissen beim KWK Stroppel in den Zeit­ räumen mit Massenabstiegen Untersu­ chungen durchzuführen, sondern auch ausserhalb dieser Zeiträume Abstiegs­kon­ trollen vorzunehmen, um allenfalls auch grös­sere Fische erfassen zu können.

Nicht zuletzt wird empfohlen, bei Ab­ stiegsprojekten mindestens die Minimal­ an­forderungen an die Bypasskrümmungen einzuhalten oder sogar eine Reserve einzuplanen, damit sich keine Fische verletzen. Es darf nicht sein, dass schlussendlich eine Turbinenpassage schonender ist als die Bypasspassage bei der Fisch­ abstiegsanlage!

Schmalz, M. (2012). Optimierung von Bypässen für den Fischabstieg. Abschlussbericht Az 26632 − 24/0.

Edler, Ch., Diestelholz, O., Kock, M. (2011). Unter­su­ chungen zur Abwanderung und Schädigung von Fischen an der Wasserkraftschnecke Rhede-Krechting, Bocholter Aa (Kreis Borken). Abschlussbericht im Auftrag des Landesfischereiverbandes Westfalen und Lippe e.V. Reckendorfer, W. (2014). Potamodrome Fischarten.

Populationsökologie. Präsentation Forum Fischschutz und Fischabstieg, Erfurt, 23.09.2014.

Autoren: Ricardo Mendez Axpo Power AG, Ressort Gewässerschutzgesetz Parkstrasse 23, CH-5401 Baden ricardo.mendez@axpo.com Claudia Zaugg Aquarius Weiheracher 14, CH-3253 Schnottwil info@netaquarius.ch

Danksagung Die Autoren danken allen beteiligten Per­ sonen, welche tatkräftig bei der zeit- und personalintensiven Wirkungskontrolle mitgewirkt haben. Um dieses Pilotprojekt zu meistern, war eine interdisziplinäre Zu­ sam­­men­arbeit zwischen Biologen, Inge­ nieuren und Technikern erforderlich. Na­ ment­ lich sind dies die Mitarbeiter von Aquarius, von der mechanischen Werk­ statt Froelich, dem Betriebspersonal der Axpo Power AG und den Mitarbeitern der Ressorts Umwelt & Gewässer­schutz­ge­setz der Axpo Power AG. Nicht zuletzt danken wir den Behördenvertretern des Kantons Aargau und des Bundesamtes für Umwelt für die konstruktive und zielorientierte Be­ gleitung des Pilotprojekts.

Schlussbericht zur Wirkungskontrolle unter folgendem Link einsehbar: https://plattform-renaturierung.ch/wp-content/ uploads/2019/04/KWKSt-2018.09.04-BerichtErfolgskontrolle-Fischabstieg_inkl.-Anhang_final.pdf

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Kleine Anlage – kleiner Eingriff?

Auswirkungen von Kleinwasser­kraft­ werken auf Fliessgewässer Christine Weber, Katharina Lange, Nico Bätz, Martin Schmid, Bernhard Wehrli

Zusammenfassung In der Schweiz und weltweit werden zahlreiche Kleinwasserkraftwerke gebaut.

Verglichen mit der Grosswasserkraft sind deren Auswirkungen auf die Fliess­ gewässer­ökosysteme aber bisher kaum untersucht. Im vorliegenden Artikel geben wir einen Über­blick über die Anzahl Kleinwasserkraftwerke national und international und fassen die verfügbare wissenschaftliche Literatur zu den beobachteten Auswirkungen auf Lebensraumangebot, Artenvielfalt und Nahrungsnetz zusammen.

Anschliessend identifizieren wir Wissenslücken, z .B. bezüglich der kumulativen Auswirkungen von mehreren Kleinwasserkraftwerken. Wir schliessen mit dem Appell, die ökologischen Auswirkungen von kleinen Kraftwerken in kleinen Ge­ wässern nicht zu unterschätzen, sondern durch strengere Umweltauflagen, grossräumige und langfristige Planung sowie revidierte Finanzierungsprogramme zu überprüfen resp. zu minimieren.

nationale Inventare oft fehlen oder nicht auf dem neusten Stand sind. Die Klein­ wasserkraftwerke kommen für rund 13 % der globalen Wasserkraftproduktion auf (420 TWh/Jahr; IRENA, 2017, zitiert in Killingtveit, 2019).

Unabhängig von installierter Leistung oder Produktionserwartung: Das typische Kleinwasserkraftwerk gibt es nicht; vielmehr besteht eine grosse Vielfalt an unterschiedlichen Anlagen. So gibt es Infra­ struk­turkraftwerke in Trink- und Abwasser­ anlagen. Diese Kraftwerke betrachten wir in diesem Artikel nicht weiter, da sie kaum Umweltfolgen haben. Bei den Klein­wasser­

1. Kleinwasserkraftwerke in der Schweiz und weltweit Kleinwasserkraft, Grosswasserkraft – wo liegt der Unterschied? In der Schweiz wird die Grenze bei 10 MW installierter Leistung gezogen; Kraftwerke mit weniger als 0.3 MW werden auch als Kleinst­was­ser­ kraft­werke bezeichnet (Abbildungen 1 und 2). Diese Einteilung ist jedoch nicht überall auf der Welt gleich: In Brasilien gelten z. B. Kraftwerke mit < 30 MW noch als klein, in China oder Kanada liegt die Schwelle bei 50 MW (WSHPDR, 2016).

In der Schweiz produzieren > 1550 An­ lagen in einem durchschnittlichen Jahr etwa 36 Terawattstunden (TWh, d. h. Milli­ arden KWh) elektrische Energie (Thürler, 2018; SwissSmallHydro, 2019). Zahlen­ mäs­sig machen die Kleinen einen grossen Anteil der Anlagen aus, nämlich min­des­ tens 88 % (Thürler, 2018; SwissSmallHydro, 2019). Hinsichtlich der mittleren Pro­duk­ tions­erwartung ist der Beitrag der Klein­ wasser­kraft an der gesamten Pro­duktion durch Wasserkraft gering: In der Schweiz beträgt er ungefähr 11 % oder 4 TWh / Jahr (Thürler, 2018; SwissSmall Hydro, 2019).

Weltweit bestehen aktuell fast 100 000 Kleinwasserkraftwerke (inkl. im Bau); sie stellen etwa 90 % der globalen Wasser­ kraftwerke (Couto und Olden, 2018). Ge­ naue Zahlen sind nicht vorhanden, weil

Abbildung 1: Übersicht zu Kleinwasser­kraftwerken in der Schweiz und welt­weit.

1) Couto und Olden, 2018; 2) SwissSmall­Hydro, 2019; 3) BFE, 2019; 4) Benejam et al., 2016; 5) Arroita et al., 2015; 6) Wang et al., 2016.

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Umweltauflagen: So können Kleinwasser­ kraftwerke zwischen 1 und 10 MW in der Schweiz beispielsweise von der KEV profitieren, der kostendeckenden Einspeise­ ver­gütung. Die KEV garantiert den Pro­du­ zenten während 15 Jahren einen fixen Be­ trag pro produzierter Kilowattstunde. Im Zeitraum 2006 – 2018 wurden 95 % der zu­ ­gebauten Kleinwasserkraftwerke (excl. In­ fra­strukturkraftwerke) durch die KEV unter­ ­stützt (WA21, 2019). Die KEV läuft jedoch 2022 aus; in Zukunft werden Er­wei­te­run­ gen und Erneuerungen von An­lagen durch Investitionsbeiträge gefördert (BFE, 2017).

2. Welche Auswirkungen sind bekannt?

Abbildung 2: Wasserausleitung des Kleinwasserkraftwerks Wannebode an der Blinne, Kanton Wallis (Foto: Severin Caluori).

Box1: Zubau von Kleinwasserkraftwerken in der Schweiz seit 2006 resp. 2012 Zwischen 2006 und 2018 wurden in Schweizer Fliessgewässern 299 neue oder umgebaute Kleinwasserkraftwerke in Betrieb genommen, wobei Infrastrukturanlagen nicht mitgezählt sind. Die 299 Anlagen weisen eine mittlere Produktionserwartung von 0.75 TWh / Jahr auf (WA21, 2019). Darunter sind 155 Kleinstwasserkraftwerke (51 %), die total eine Produktionserwartung von 0.06 TWh / Jahr haben (7 %). Zieht man nur die Jahre seit Lancierung der Energiestrategie in Betracht (2012 – 2018), dann wurden 160 Kleinwasserkraftwerke in Fliessgewässern zugebaut (inkl. Kleinst­ kraftwerke) mit einer Produktionserwartung von 0.50 TWh / Jahr.

kraftwerken in Schweizer Fliessgewässern handelt es sich mehrheitlich um Lauf­was­ ser­kraftwerke. Diese produzieren kon­ti­ nuierlich Strom, entweder als Ausleit­kraft­ werke oder als Durchlaufkraftwerke. Bei den Ausleitkraftwerken entsteht zwischen Entnahme und Rückgabe eine Rest­was­ serstrecke, in der nur ein Bruch­teil des na­ türlichen Abflusses verbleibt. Weit weniger häufig werden Kleinwasser­kraftwerke als Speicherkraftwerke zur be­ darfsab­ hängigen Stromproduktion genutzt. Dabei wird das Wasser zum Beispiel in einem Stausee oder Entsander zwischen­ ge­ speichert.

Weltweit boomt der Bau von Klein­ wasser­kraftwerken: So sind allein auf dem Bal­kan mehr als 2400 neue Anlagen geplant (Schwarz, 2015). Global sollen in den kommenden Jahren mehr als 10 000 Klein­ ­wasserkraftwerke gebaut werden (Couto und Olden, 2018). Im Rahmen der Ener­ giestrategie 2050 war für die Schweiz zwischen 2012 und 2050 ursprünglich eine Erhöhung der Produktionserwartung um 36

1.3 – 1.6 TWh / Jahr durch Kleinwasser­kraft geplant (BFE, 2012), was 51 – 85 % des in der Energiestrategie verlangten gesamten Wasserkraftausbaus ausmachen würde (ab­züglich Restwasserabgaben; BFE, 2012).

Das Ausbaupotenzial wurde kürzlich auf 0.46-0.77 TWh / Jahr reduziert (2019 – 2050; BFE, 2019), vor allem aufgrund von ungünstigen wirtschaftlichen Prognosen und limitierter Realisierungs­wahrscheinlich­keit.

Seit Inkrafttreten der Energiestrategie im Jahr 2012 wurden in der Schweiz 160 Klein­ wasserkraftwerke in Fliessgewässern zugebaut (Box 1; WA21, 2019).

Die Gründe für den Boom in der Schweiz und weltweit sind vielfältig: die Reaktorkatastrophe in Fukushima, die öf­ fent­liche Wahrnehmung, dass kleine Kraft­ ­werke auch nur kleine ökologische Aus­ wirkungen haben, eine Abkehr von der fos­ silen Energieproduktion zwecks Klima­ schutz sowie eine gezielte Förderung der Kleinwasserkraft. Letztere umfasst verschiedene Instrumente wie finanzielle An­ reize oder verminderte resp. aufgehobene

Trotz weltweiter Beachtung und starkem Zubau: Die ökologischen oder sozio-ökonomischen Auswirkungen von Klein­was­ ser­­kraftwerken sind bisher wenig untersucht; die grosse Mehrheit der verfügbaren wissenschaftlichen Literatur bezieht sich auf die Grosswasserkraft (Lange et al., 2018, 2019; Couto und Olden, 2018).

Für Kleinwasserkraftwerke bestehen ein­ zelne Fallstudien, jedoch kaum systematische Untersuchungen oder konzeptionelle Übersichten. Anhand ausgewählter Bei­ spiele illustrieren wir nachfolgend die Band­ breite dieser Auswirkungen. Generell sind Veränderungen der Artenvielfalt und -zusammensetzung am besten untersucht.

Lebensraumangebot: Das Lebensraum­ angebot in Fliessgewässern wird stark durch Abfluss- und Geschiebedynamik ge­prägt. Eingriffe in den Geschiebe- und / oder Abflusshaushalt eines Fliess­ge­wäs­ sers können entsprechend zu Verände­ rungen des Lebensrauman­gebots führen.

Eine Untersuchung von 16 Kleinwasser­ kraft­ werken in Nordostspanien zeigte, dass Restwasserstrecken unterhalb der Was­ser­­ausleitung signifikant weniger Fisch­­­unter­stände aufwiesen als Kontroll­ strecken, d. h., die Flächen wurden reduziert, in denen Fische Schutz vor Fress­ feinden oder harschen Bedingungen wie Hoch­wassern finden (Benejam et al., 2016).

Daneben nahmen auch die maximale Wassertiefe sowie das Vorkommen von schnell durchflossenen Lebensräumen (Schnellen / Riffles) ab. Zudem waren die Sohlenpartikel in den Restwasserstrecken tendenziell feiner als in den Kontrollab­ schnitten.

Nahrungsgrundlage: Fliessgewässer sind eng mit ihrem Umland vernetzt. So wird von den Ufern viel organisches, das heisst

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kohlen­ stoffhaltiges Material in die Ge­ wässer eingetragen – Holz, Blätter, Nadeln, Samen, Lebewesen. Je nach Korngrösse und Fliessgeschwindigkeit wird das organische Material nicht abgeschwemmt, sondern steht als wichtige Grundlage für das Nahrungsnetz zur Verfügung, im Wasser wie auch an Land. Arroita et al.

(2015) zeigten in einer Studie an fünf Klein­ wasserkraftwerken in Nordwestspanien, dass der Rückhalt von organischem Ma­ te­rial durch die Kleinwasserkraft saisonal verändert werden kann. In den Rest­was­ serstrecken wurde über die Wintermonate signifikant weniger organisches Material in der Flusssohle zurückgehalten als in den Abschnitten oberhalb der Wasseraus­ leitung (mittlere Reduktion um – 28 %), ver­mutlich aufgrund eines verminderten Eintrags von oberhalb: Schwemmholz und Geschwemmsel wurden bei der Wasser­ ausleitung an einem Rechen aufgefangen, aus dem Gewässer entnommen und an Land entsorgt.

einer Verfeinerung des Sohlenmaterials, einer Abnahme der Fliessgeschwindigkeit sowie einer Reduktion an gelöstem Sauer­ stoff. Die Auswirkungen waren räumlich nicht überall gleich: So waren die Rück­ gänge in Vielfalt und Dichte am oberen Ende der 3.7 km langen Restwasser­ strecke, also direkt nach dem Wehr, am höchsten. Der Effekt verringerte sich langsam entlang der Fliessstrecke, von einem Rückgang von 70 auf 40 % für die Arten­ vielfalt und von 90 auf 70 % für die Dichte.

Doch auch nach Rückgabe des Wassers blieb der Effekt bestehen: An der untersten Messstelle, etwa 10 km nach der Wasser­ rückgabe, betrugen Vielfalt und Dichte 80 resp. 40 % der oberhalb der Wasser­aus­ leitung gemessenen Werte.

Auch für Fische wurden Verände­rungen in der Artenzusammensetzung sowie der Biomasse oder Populationsgrösse gezeigt.

In einer Studie an 23 tschechischen Klein­ wasserkraftwerken wurden in den Rest­

wasser­strecken vermehrt kleinwüchsige Arten wie Elritze, Groppe und Gründling sowie junge Forellen beobachtet, während in den Kontrollstrecken oberhalb der Was­ ser­ ausleitung grössere Arten wie Alet, Hasel und Äsche sowie ausgewachsene Forellen vorkamen (Kubečka et al., 1997).

Die Biomassen reduzierten sich um durch­ schnittlich 53 %. In der nordspanischen Kleinwasserkraft-Studie wurde eine Re­ duk­tion der Populationsgrösse der Forellen um 42 % nachgewiesen (Benejam et al., 2016; Abb. 3b).

Charakteristiken der Lebewesen: Neben Einflüssen auf Ebene der Artgemeinschaft oder der Population einer bestimmten Art sind auch Auswirkungen der Kleinwasser­ kraft auf Ebene des einzelnen Individuums messbar. So weisen Forellen in Rest­was­ ser­ strecken eine signifikant geringere Kondition auf als ihre gleichgrossen Art­ genossen oberhalb der Wasserausleitung

Ökosystemfunktionen: Eine Vielzahl von Insekten, Pilzen und Bakterien kümmert sich um das Sammeln, Zerkleinern und Abbauen des organischen Materials. In Restwasserstrecken unterhalb der Was­ ser­ausleitung kann der Abbau des organischen Materials signifikant reduziert sein (Arroita et al., 2015). Auch die Anzahl an Invertebraten, die sich auf das Zerkleinern von organischem Material spezialisiert haben («Shredders»), wurde reduziert.

Mögliche Ursachen für die beiden Be­fun­ de sind zum einen die verkleinerte Lebens­ ­raumfläche sowie die geringere Verfügbar­ keit von Blättern und anderem organischem Material.

Artenvielfalt und Artenzusammensetzung: Welche Arten in einem Gewässerabschnitt vorkommen und wie häufig sie sind, hängt von vielen Faktoren ab, so z. B. vom Le­ bens­­­raumangebot, von Ausbreitungs­bar­ rieren (z. B. Abstürze) oder der Besied­ lungs­geschichte. Klein­wasserkraftwerke können Artenvielfalt und -zusammensetzung verändern, wie eine chinesische Studie zeigt (Wang et al., 2016). In der Restwasserstrecke war die Artenvielfalt der Invertebraten durchschnittlich um 54 % und die Dichte gar um 80 % reduziert (Abbildung 3a). Besonders stark vom Rückgang betroffen waren jene Arten, die für ihre Ernährung organisches Material sammeln («collector-gatherers») oder Algen von der Flusssohle abschaben («scrapers»).

Die Rückgänge gingen mit Veränderungen im Lebensraumangebot einher, wie z. B.

Abbildung 3: Nachgewiesene Auswirkungen von Kleinwasserkraftwerken: a) Reduzierte Invertebratendichte (Wang et al., 2016.); b) reduzierte Fischdichte (Benejam et al., 2016).

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(Benejam et al., 2016). Die Kondition bemisst sich aus dem Verhältnis des Ge­ wichts zur dritten Potenz der Länge und wird als Mass für den Ernährungszustand und die körperliche Fitness verwendet, welche Auswirkungen auf Wachstum, Fort­­pflanzung und Überleben haben können.

Ausbreitung von Organismen: Zahlreiche Fliessgewässerorganismen sind viel unter­ wegs, sei es zwecks Laichwande­ rung, Be­ siedlung eines neuen Lebens­ raums, Rückzug bei Hochwasser oder ein­fach im Rahmen der täglichen Nah­rungs­suche.

Wehre zur Wasseraus­leitung können Bar­ rieren für die lebenswichtige Ausbrei­tung oder die Wanderung von Organismen darstellen. Kubečka et al. (1997) zeigten für die 23 tschechischen Kleinwasser­kraft­ werke, dass 71 % der Wehre für adulte Äschen und 36 % für adulte Forellen unpassierbar waren.

Die Beispiele verdeutlichen, dass Klein­ ­was­ser­kraftwerke sehr unterschiedliche biotische und abiotische Auswir­kungen haben und auf verschiedene Bestandteile (Strukturen, Prozesse) eines Fliessge­wäs­ ser-Ökosystems einwirken.

3. Wissenslücken Die bisher veröffentlichten Studien lassen noch eine Vielzahl von Fragen zu den Um­ weltauswirkungen der Kleinwasser­ kraft offen. Welche Wissenslücken bestehen, können wir aus den Arbeiten zu den ökologischen Auswirkungen der Grosswas­ ser­kraft oder aus Untersuchungen zu anderen Eingriffen ableiten. Nachfolgend präsentieren wir fünf Gruppen von Wis­ sens­lücken und illustrieren sie exemplarisch anhand ausgewählter Studien.

Reichweite der Auswirkungen: Gross­räu­ mige Prozesse wie der Geschiebehaushalt, das Temperaturregime oder die Fisch­ wanderung können durch Wasserkraft­ werke verändert oder unterbrochen werden – mit grossräumigen Auswirkungen, z. B. in Längsrichtung: So führt die Wasser­ ausleitung am Ende einer 21 km langen Restwasserstrecke des Brenno im Bleniotal zu einer sommerlichen Erwärmung von 3.7 °C resp. zu einer Abkühlung von 1.8 °C im Winter (Meier et al., 2003). Auch seitlich können sich Auswirkungen fortpflanzen, z. B. via die Anzahl geschlüpfter Insekten­ larven, die Futter für Insekten, Spinnen oder Wirbeltiere an Land darstellen (z. B. Vögel, Reptilien). So schlüpfen in nordschwedischen Flüssen, die hydroelektrisch 38

genutzt werden, signifikant weniger Insek­ ten als in vergleichbaren naturnahen Ge­ wässern, und die Biomasse der Wirbel­ losen an Land liegt ebenfalls signifikant tiefer (Jonsson et al., 2012). Schliesslich pflanzen sich Auswirkungen auch vertikal fort: So kann Schwall-Sunk im Kieslücken­ system zu einer Temperatur­veränderung sowie zu einer Verstopfung durch Fein­ sedi­mente führen, was sich in einer Ver­ armung der Invertebratengemeinschaft niederschlägt (Bruno et al., 2009).

Kumulative Auswirkungen: Das Risiko von kumulativen Auswirkungen besteht, wenn I) Auswirkungen eines einzelnen Kraft­ werks nicht lokal begrenzt sind, sondern sich im Raum ausbreiten oder II) wenn mobile Organismen durch ihre Bewegung den lokalen Aus­wirkun­gen mehrerer auf­ einanderfol­­gen­der Kraft­werke ausgesetzt sind. Der erste Fall wurde für die Aus­bau­ pläne im Me­ kong-Einzugsgebiet abge­ schätzt (Kondolf et al., 2014). Dort sollen in den kommenden Jahren zwischen 38 und 140 Wasserkraftwerke gebaut wer­den.

Beim Bau von 38 Kraftwerken würden noch 51 % des natürlichen Geschiebe­eintrags aus dem Mekong das süd­chi­nesische Meer erreichen, bei einem Total­ausbau noch 4 %.

Der zweite Fall ist für wandernde Fische untersucht: So kann es bei der Auf- und Ab­wanderung an Kraft­werksanlagen zu Ver­zögerungen kommen, weil Fische die Wanderhilfen länger suchen müssen oder nur zöger­ lich passieren (Nyqvist et al., 2017). Solche Verzögerun­gen führen zu einem erhöhten Energie­ver­brauch des ein­ zelnen Fischs, einer verstärkter Mortalität durch fischfressende Vögel, einem Ver­ passen der optimalen Laichbe­dingungen oder zum Ver­lust des Wander­triebs. Ökoevolutionäre Auswirkungen: Wasser­ kraft­werke können den Genfluss zwischen Populationen verringern, z. B. indem ein Grossteil (70 – 94 %) aller im Wasser transportierten Pflanzensamen im Staubereich absinken oder am Wehr hängen bleiben, statt flussabwärts zu geeigneten Lebens­ räumen fürs Auskeimen getragen zu werden (Merritt und Wohl, 2006). Verände­ rungen im Genfluss können fundamentale Auswirkungen haben wie z. B. eine reduzierte Anpassungsfähigkeit gegenüber Umweltveränderungen (z. B. Klima­wandel) oder lokales Aussterben.

Interaktion mit anderen Einflüssen: Fliess­ gewässer und ihre Einzugsgebiete werden seit Jahrhunderten durch den Menschen genutzt. Die Intensität und Diversität die-

ser Nutzungen hat zur Folge, dass die meisten Gewässer nicht nur einem Stres­ sor, sondern mehreren Stressoren («multiple Stressoren») ausgesetzt sind. Das Zusammenwirken von zwei oder mehr Stressoren kann zu Interaktionen führen, wobei die beobachteten Auswirkungen oft deutlich stärker oder schwächer ausfallen als erwartet. In einer neuseeländischen Feld­studie zu den gemeinsamen Effekten von Wasserentnahmen und Weidetier­wirt­ schaft wurde beispielsweise beob­achtet, dass jeder Stressor allein eine Reduktion des Anteils von sensiblen Arten an der Invertebratengemeinschaft (Ein­tags­flie­ gen, Steinfliegen, Köcherfliegen) hervorrief (Lange et al., 2014). Der gemeinsame Effekt war aber schwächer als angenom­ men. Dies klingt zunächst positiv, bedeutet allerdings auch, dass eine ökologische Verbesserung nur durch eine gleichzeitige Reduktion beider Stressoren erreicht werden kann.

Sozio-ökonomische Auswirkungen: Neben der Ökologie können auch andere Be­rei­ che von Auswirkungen durch die Was­ser­ kraftnutzung betroffen sein. Gut dokumen­ tiert sind die Auswirkungen von Gross­ wasserkraftwerken auf die Fischerei: Nach dem Kraftwerksbau im Fluss Tocantins in Brasilien brach der Fangertrag der lokalen Fischer innerhalb von zwei Jahren um 60 % ein (Fearnside, 1999). Daneben sind auch Einbussen für den Tourismus möglich, wie z. B. für das Kajakfahren (Hynes und Hanley, 2006) oder das Besuchen von Wasser­ fällen (Ehrlich und Reimann, 2011).

Man darf annehmen, dass sich viele der beobachteten Auswirkungen nicht nur auf Grosswasserkraftwerke oder grosse Flüsse beschränken, sondern auch auf Klein­was­serkraftwerke in kleinen Gewäs­ ser übertagbar sind. Dies gilt nicht nur für die ökologischen Aspekte, sondern auch für die Auswirkungen auf Gesellschaft und Wirt­schaft: Auch wenn die Berufsfischerei in kleinen Gewässern kein Thema ist, spie­len Angelfischerei oder Attraktivität für den Tourismus dennoch oft eine grosse wirt­schaftliche Rolle.

4. Wie weiter?

Angesichts der grossen Bedeutung der Fliessgewässer für das Wohlergehen von Mensch und Natur, der Schwierigkeit, Ge­ wässer integral zu schützen resp. aufzuwerten (Box 2), und der hohen Kosten für die Aufwertung beeinträchtigter Gewässer appellieren wir an alle Bewil­ligungs­be­hör­ den, Planerinnen und Planer, eine vorraus-

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schauende und umsichtige Strategie hinsichtlich des Ausbaus der Kleinwasser­ kraft zu verfolgen (Lange et al., 2019).

Dieser Appell lässt sich in vier Forde­run­ gen konkretisieren: leiche ökologische Anforderungen: Klein­ G wasserkraftwerke sollen dieselben Um­ weltauflagen / -anforderungen erfüllen wie Grosswasserkraftwerke, da sie mit ökologischen Gefahren und hohen sozio-ökonomischen Kosten verbunden sind, die jene der Grosswasserkraftwerke unter Um­ ­ständen übersteigen (Bakken et al., 2014).

Funktionsfähige Aufwertungsmass­nahmen wie Fischwanderhilfen oder dyna­mische

Box 2: Grenzen in Fliessgewässer­ schutz und -aufwertung Fliessgewässer sind dynamische Öko­ systeme von überdurchschnittlichem Artenreichtum; gleichzeitig gehören sie aufgrund der starken Nutzung zu den am stärksten gefährdeten Ökosys­te­ men der Welt (Dudgeon et al., 2006).

Weltweit werden grosse Anstrengun­ gen unternommen und umfangreiche Investitionen getätigt, um beeinträch­ tig­ten Fliessgewässern ihre naturnahen Strukturen und Funktionen zurückzugeben, z. B. im Rahmen von Revita­li­ sie­rungs- oder Sanierungsprojekten.

Viele der umgesetzten Projekte machen deutlich, dass I. eine vollständige Wiederher­ stellung der Komplexität unbeeinflusster Fliessgewässer-Öko­ systeme oft nicht möglich ist, d. h., dass Eingriffe zu unwiderruflichen Schäden führen können (z. B. Verlust lokaler Arten).

II. die Erholung eines Systems sehr viel Zeit in Anspruch nimmt (z. T. Jahrzehnte).

III. die Entwicklung stark von weiteren Einflussgrössen auf Einzugs­ gebietsebene abhängig ist wie z. B. von landwirtschaftlichen Flächen oder der Wasserqualität.

Der Schutz der Fliessgewässer und ihrer vielfältigen Funktionen ist eine schwierige Aufgabe. In der Schweiz, aber auch weltweit gibt es kaum griffige Schutzkonzepte, die der hierarchischen, eng vernetzten Struktur von Fliessgewässern Rechnung tragen und zum Beispiel das Funktionieren grossräumiger Prozesse wie des Sedimentoder Schwemmholz­trans­ports gewährleisten (Abell et al., 2007).

Restwasserabgaben können den ökolo­ gischen Fussabdruck eines Klein­­wasser­ kraftwerks reduzieren, aber niemals komplett beheben (Noonan et al., 2012).

Langfristige Planung und Zustandsüber­ wachung auf Einzugsgebietsebene: Der Zubau von Wasserkraftwerken muss, un­ abhängig von deren Grösse, durch ge­ setzlich verbindliche Richtlinien gesteuert werden, die eine langfristige strategische Planung und Überwachung auf Einzugs­ ge­bietsebene verlangen (Winemiller et al., 2016; Box 3). Es ist unzureichend, allfällige Auswirkungen nur entlang eines eng begrenzten Flussabschnitts zu untersuchen, da sich Auswirkungen über Zeit und Raum fortpflanzen werden. Spezifische Studien sind nötig, welche die Reichweite der Aus­ wirkungen sowie die kumulativen Effekte mehrerer Anlagen auf kleine Fliessge­wäs­ ser und ihre Ökosysteme betrachten. Be­ sonderes Augenmerk verdient die Rolle von alten und neuen Kleinwasserkraft­ werken in Flussstrecken, die ökologisch aufgewertet werden müssen (z. B. Rest­ wasser­sanierung, Revitalisierung).

Einbezug der tatsächlichen Kosten und Nutzen: Behörden, internationale Geld­ geber und private Investoren müssen ihre

Finan­zie­rungs- und Subventionspro­gram­ me da­hin­gehend revidieren, dass die tatsächlichen ökologischen und sozio-öko­ nomi­schen Kosten und Nutzen betrachtet werden. Viele Kleiwasserkraftwerke sind ohne Subventionen wirtschaftlich nicht rentabel. Zusätzlich müssen die Kosten für den späteren Rückbau der Infrastruk­ tur in der langfristigen wirtschaftlichen Pla­nung berücksichtigt werden, z. B. als explizite Auf­lage in der Konzession. Als Ent­schei­dungs­­grundlage für eine KostenNutzen-Ana­lyse braucht es gezielte Unter­ su­chun­gen zu den ökologischen und öko­ no­mi­schen Auswirkungen der Klein­was­ ser­kraft.

Umfassender Schutz noch naturnaher Gewässer: Naturnahe Gewässer sind vor negativen Einflüssen zu schützen. Ein integrales Ma­na­gement auf Einzugsge­biets­ ebene (BAFU, 2012), eine strategische Um­ ­weltprüfung (Sutter et al., 2014) oder die Erarbeitung einer kantonalen SchutzNutzungs-Stra­te­gie (BAFU, BFE, ARE, 2011) sind dafür sicher ein wichtiger erster Schritt. Dabei müssen aber gerade auch kleine Ge­wäs­ser explizit in die Betrachtung mit einbezogen werden: Sie stehen ganz am Anfang des Gewässernetzwerks und tragen wesentlich zur Resilienz eines Ein­

Box 3: Räumlich explizite Planung Wie oben beschrieben, können die Auswirkungen von Ausleitkraftwerken über die Restwasserstrecke hinausreichen. In Einzugsgebieten mit mehreren bestehenden oder geplanten Kleinwasserkraftwerken ist die Abschätzung der langfristigen Stabilität bzw. Resilienz der Ökosysteme sowie der öko-evolutionären Auswirkungen besonders komplex. Die infrage kommenden Kraftwerksstandorte sollten mit alternativen Standorten verglichen werden, unter Abwägung verschiedener Ziele wie z.B. der Erhöhung wirtschaftlicher Wertschöpfung gegenüber einer Minimierung der ökologischen Auswirkungen (Kuby et al., 2005; Jager et al., 2015). Multiobjektive Optimie­rung wird häufig angewandt bei Fragestellungen rund um die Nutzung der Ressource Wasser (Labadie, 2004). Optimale Lösungen bilden die sogenannte paretooptimale Front, von der aus die Verbesserung eines bestimmten Ziels nur durch Ver­schlechterung eines oder mehrerer anderer Ziele erreicht werden kann. Öko­ nomische Grössen wie Investitionskosten oder erwarteter Gewinn lassen sich aus Kraftwerkseigenschaften und hydrologischen Parametern einfach berechnen. Da­ gegen ist die Einschätzung der ökologischen Auswirkungen auf Einzugsge­biets­ ebene wesentlich schwieriger, da die Bewertung von den Umwelteigenschaften und den im System vorhandenen Organismen abhängt. Es gibt eine Reihe von ökologischen Bewertungsmethoden, die sich für die Positionierung von Kraftwerken innerhalb von Einzugsgebieten eignen (z. B. Hy:Con; Seliger et al., 2016). Ein Bei­spiel ist Marxan, eine räumlich explizite Planungssoftware, die um den Aspekt Längs­ vernetzung in Fliessgewässern erweitert wurde (Hermoso et al., 2015). Darin wird ein Fliessgewässernetzwerk in Teileinzugsgebiete unterteilt. Für jedes Teilein­zugs­gebiet werden die Schutzpriorität sowie die damit verbundenen Kosten angegeben. Ein Algorithmus identifiziert dann diejenige räumliche Anordnung von geschützten und ungeschützten Teileinzugsgebieten, welche zu den tiefsten Kosten bei hohem Ver­ netzungsgrad auf Einzugsgebietsebene und Beibehaltung der bestehenden Schutz­ werte führt (z. B. einzigartiger Habitate).

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zugsgebiets bei, denn sie versorgen unsere grossen Flüsse mit dem, was diese aus­ macht: Was­ser, Geschiebe, Lebewesen,

Holz. Will man die grossen Gewässer mit ihren wichtigen ökologischen und ge­sell­ schaftli­chen Funktionen erhalten, so muss

sicher­gestellt sein, dass auch die kleinen langfristig und umfassend geschützt werden («Prozessschutz»).

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Autorin: Dr. Christine Weber Eawag: Das Wasserforschungsinstitut des ETH-Bereichs Seestrasse 79, CH-6047 Kastanienbaum Telefon +41 (0)58 765 22 14 christine.weber@eawag.ch www.eawag.ch

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Wirkungskontrollen mit Wirkung: Gemeinsam lernen für Revitalisierungen Christine Weber, Lucie Sprecher, Ulrika Åberg, Gregor Thomas, Simone Baumgartner, Susanne Haertel-Borer

Zusammenfassung Ab 2020 wird für die Wirkungskontrolle von Fliessgewässerrevitalisierungen schweizweit ein einheitliches Gerüst vorgegeben, das aus zwei Elementen besteht – der Wirkungskontrolle STANDARD und der Wirkungskontrolle VERTIEFT. Die Ende 2019 erschienene Praxisdokumentation erklärt das konkrete Vorgehen und beschreibt 10 Indikator-Sets für die Erhebungen im Feld. Dank einheitlichen Erhebungen können zukünftig Erfahrungen aus unterschiedlichen Projekten und Projektkontexten einander gegenübergestellt werden. Der Schritt von der projektspezifischen Einzel­fall­ betrachtung zur projektübergreifenden Übersicht ermöglicht ein umfassenderes, allgemein gültigeres Verständnis der ablaufenden Prozesse sowie der Faktoren, die die Wirkung von Revitalisierungen hemmen oder fördern (z. B. revitalisierte Länge, Fragmentierung). Erkenntnisse aus der Wirkungskontrolle sollen in konkrete Hand­ lungs­empfehlungen übersetzt werden. Damit können zukünftige Revitalisierungen noch kosteneffektiver werden und einen wesentlichen Beitrag zur Erhaltung und zur Förderung der heimischen Biodiversität leisten.

1. Wer revitalisiert, lernt 1.1. Wirkung messen und verstehen «Revitalisieren bedeutet Experimentieren und Lernen.» Diese Aussage stammt vom US-Geomorphologen Mathias Kondolf (Kondolf, 1995). Jedes Revitalisierungs­ pro­jekt ist für ihn ein Experiment, weil der lokale Kontext einmalig und hochkomplex ist. Entsprechend stark betont Kondolf das Lernen, d. h. das genaue Beobachten der Entwicklung eines revitalisierten Fliess­ ­gewässers sowie das Ableiten von Em­p­ feh­­lungen für künftige Projekte. Konti­nu­ ierli­ches Lernen reduziert Unsicherheiten und erlaubt, die oft begrenzten Mittel mög­lichst wirkungsvoll einzusetzen (Roni und Beechie, 2013).

Beim Lernen stehen zwei Fragen im Vor­dergrund (Weber et al., 2017): Wie hat sich ein Flussabschnitt seit der Revi­ta­ lisierung verändert? Und warum kam es zu dieser Ver­änderung? Wie- und WarumFragen lassen sich durch Erfolgskontrollen angehen. Eine Erfolgskontrolle hat zwei Be­ ­standteile – die Umsetzungskontrolle und die Wirkungskontrolle. Mit einer Um­set­ zungs­kontrolle wird geprüft, wie viele und welche Projekte umgesetzt wurden; auch liefert sie Informationen zu den um­ge­set­z­ ten Massnahmen (BAFU, 2012). Mit einer

Wirkungskontrolle wird dagegen untersucht, ob das umgesetzte Revitalisie­rungs­ ­­projekt die gewünschte Wirkung zeigt, d.h., ob die angestrebten Ziele erfüllt und die Mittel effektiv eingesetzt wurden (BAFU, 2012).

In Wirkungskontrollen kommen Indika­ to­ren zum Einsatz. Indikatoren sind messbare Grössen, welche wertvolle Infor­ma­ti­ o­­nen über den Zustand eines Öko­­sys­tems und relevanter Prozesse liefern (Lorenz et al., 1997). Mit Indikatoren erreicht man also zwei Dinge – eine Messung und eine Be­wer­tung.

Für Wirkungskontrollen gibt es viele un­ terschiedliche Ansätze (Roni und Beechie, 2013; Woolsey et al., 2005): Vorher-Nach­ her-Untersuchungen mit oder ohne Kon­ troll- oder Referenz­strecken, reine Nach­ her-Vergleiche von revitalisierten und ka­ na­­­li­sierten Abschnitten etc. Je nach Rah­ men­­bedingungen wählt man einen anderen An­satz: Sollen Resultate beispielsweise schnell vorliegen, dann bietet sich ein reiner Nachher-Ansatz an.

1.2. Lernen auf zwei Ebenen Lernen aus Wirkungskontrollen lässt sich auf zwei Ebenen (Abb. 1; BAFU, 2019) – aus eigenen Erfahrungen auf der Ebene des Projekts oder aus Erfahrungen anderer,

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also projektübergreifend, z. B. auf Ebene Einzugsgebiet, Kanton oder Ge­ samt­ schweiz. Beide Ebenen haben ihre Be­ sonderheiten und ihren Wert, wie zwei deutsche Studien exemplarisch zeigen: Projektspezifisches Lernen: In einer Auf­ wei­tung an der Lippe in Nordrhein-West­ falen wurde während 21 Jahren der Fisch­ bestand untersucht – 4 Jahre vor der Re­ vita­lisierung und 17 Jahre nachher (Höcken­ dorff et al., 2017). Die Daten wurden mit einer kanalisierten Kontrollstrecke vergli­ chen. Die Fischartenzahl in der revitali­ sierten Strecke stieg schnell an, während sie in der kanalisierten Strecke um den Aus­ gangswert schwankte. Die Studie zeigte, dass die Entwicklung schnell einsetzte, es aber viele Jahre dauerte, bis sich ein Gleich­ gewichtszustand einstellte, dass die Arten­ zahl zwischen den Jahren stark variierte und die Ursachen der beobachteten Ent­ wicklung (= warum?) letztlich nicht eindeu­ tig identifizierbar waren.

Projektübergreifendes Lernen: Kail et al.

(2015) verglichen 91 europäische Revitali­ sie­rungs­projekte, um zu identi­fizieren, welche Faktoren die be­obachtete Wirkung am stärksten beeinflussten. Sie stellten fest, dass das Alter eines Projekts oder die Land­ wirtschaftsfläche im Einzugs­ gebiet den grössten relativen Einfluss hatten, während die Landnutzung im direkten Umland oder die umgesetzte Haupt­­ massnahme weniger relevant waren. Die Studie zeigte, dass sehr vielfältige Pro­ jekte in eine projektübergreifende Aus­ wertung einbezogen werden können, der Projekt­vergleich Zusam­men­hänge aufzeigt (= warum?), der Erklärungsgrad aber höher wäre, wenn in den einzelnen Studien einheitliche Indikatoren erhoben worden wären.

Zusammengefasst lässt sich sagen: Pro­ jektspezifisch lässt sich die zeitliche Ent­ wicklung besonders gut angehen (WieFragen). Die Ursache / Wirkung-Zusam­ 41

Seit 2017 fragt das BAFU bei den Kan­to­ nen die Daten zur Umsetzungskontrolle in einheitlicher Form ab: Neben allgemeinen Kenn­daten zu den Projekten (z. B. Name Ge­wässer, Geo-Koordinaten) werden wei­te­ ­re Charakteristiken der umgesetzten Mass­ ­­nahmen zusammengetragen (z. B. um­ge­ setzte Massnahmentypen). Ab 2020 erhält auch die Wirkungskontrolle für Fliess­ge­ wäs­serrevitalisierungen ein schweizweit einheitliches Gesicht (BAFU, 2019). Sie be­ steht aus zwei Elementen, die aufeinander aufbauen und sich so gegensei­tig ergän­ zen (Tabelle 1), ähnlich wie NAWA TREND und NAWA SPEZ (Göggel et al., 2013).

Abbildung 1: Die zwei Ebenen des Lernens von Revitalisierungsprojekten aus Umsetzungs- und Wirkungs­kontrolle. Unterschiedliche Formen kennzeichnen unterschiedliche Massnahmen (z. B. Aufweitung, Ausdolung, Uferstrukturierung). men­­­hänge (Warum-Fragen) können auf der Projektebene aber oft nicht geklärt werden (Schmidt et al., 2017), insbe­son­ dere wenn es um grossräumige, über den Pro­jekt­perimeter hinausreichende Ein­ fluss­ grössen geht. Projektübergreifend lassen sich diese Zusammenhänge greifbar machen, weil man z. B. Projekte mit unterschiedlicher Landnutzung im Ein­zugs­ ­ge­biet bezüglich ihrer Wirkung vergleicht.

Gleichzeitig steht hier das Verfolgen der detaillierten Entwicklung einzelner Pro­ jekte aber im Hintergrund.

2. Gemeinsam lernen ab 2020 2.1. Aufbau der Wirkungskontrolle In der Schweiz sollen bis ins Jahr 2090 rund 4000 km Fliessgewässer und See­ufer revitalisiert werden; insgesamt belaufen sich die finanziellen Aufwendungen auf geschätzt 5 – 6 Mrd. Franken. Um die­se Mehr­generationenaufgabe mit den zur Ver­ fügung stehenden Mitteln möglichst wir­ kungsvoll zu erfüllen, legt das BAFU mit der dritten Phase der Programmver­ein­ba­rung (PV) Revitalisierung ab 2020 die Grund­lage für eine schweizweit einheitliche Wirkungs­ kontrolle, welche einen gemeinsamen Lern­ prozess erlaubt (BAFU, 2019). Es wird ein projektübergreifendes Grundgerüst geschaffen, d. h., die Erfolgskontrolle wird soweit vereinheitlicht, dass zukünftig nicht nur auf der Projektebene, sondern auch projektübergreifend gelernt werden kann.

Konkret werden drei Ziele verfolgt: 1. Umsetzung und Wirkung überprüfen: Umsetzungs- und Wirkungskontrollen werden durchgeführt und die Daten zentral zusammengeführt, um den Nachweis zu erbringen, dass der gesetzliche Auf­ 42

trag umgesetzt wird und die angestrebte Wirkung zeigt.

2. Aus Erfahrungen lernen: Ergebnisse aus der Umsetzungs- und Wirkungs­kon­ trolle ermöglichen, dass aus Erfahrungen gelernt werden kann, Projekte verbessert werden können und ein wirkungsvoller Mitteleinsatz gewährleistet werden kann.

Der gemeinsame Lernprozess liefert gute Beispiele, motiviert und schafft ein Argu­ mentarium fürs Revitalisieren.

3. Koordination gewährleisten: Um­set­zungund Wirkungskontrollen zur Revita­li­sierung sind mit verwandten Monitoring­program­ men, Umsetzungs- und Wirkungs­kontrollen (z. B. Sanie­rung Wasserkraft, Biotopschutz Schweiz) weit möglichst abgestimmt, sodass Synergien optimal genutzt und Doppel­ spurigkeiten vermieden werden können.

Wirkungskontrolle STANDARD (Kap. 3): Mit diesem langfristig stabilen Programm werden gängige, aus der Gesetzgebung abgeleitete Ziele von Revitalisierungen an einer grossen Zahl von Projekten überprüft (jedes Projekt ist prinzipiell geeignet).

Wirkungskontrolle VERTIEFT (Kap. 4): Mit diesem projektartigen Format werden innerhalb von 1 – 2 PV-Perioden spezifische Fragen aus der Revitalisie­rungs­ praxis beantwortet. In der PV-Periode 2020 – 24 liegt der Fokus auf der mittelfristigen Entwicklung von Revitalisierungs­ projekten an kleinen Gewässern.

STANDARD und VERTIEFT sind auf einen mehrjährigen Lernprozess ausgerichtet, im Laufe dessen sich Schwerpunkte und technische Möglichkeiten auch verändern können. So wird die PV-Phase 2020 – 24 als Vorlauf genutzt, um Grundlagen für die zweite strategische Revitalisierungs­pla­ nung für Fliessgewässer der Kantone zu be­schaffen (einzureichen im Jahr 2026)

STANDARD

VERTIEFT

Wozu?

Überprüfung gängiger Revitalisierungsziele

Beantwortung spezifischer Praxisfragen 2020 – 24: mittelfristige Entwicklung von Revitalisierungen an kleinen Gewässern; Erprobung Indikatoren STANDARD

Wo?

Möglichst viele Projekte der PV Revitalisierung sowie Einzelprojekte

Projekte der PV Revitalisierung oder Einzelprojekte 2020 – 24: geeignete, 4 – 12-jährige Projekte in kleinen Gewässern

Was?

10 vordefinierte IndikatorSets

Indikatoren gemäss Fragestellung 2020-24: anhand 6 Indikator-Sets von STANDARD

Wie?

Vorher-Nachher-Vergleich

Je nach Fragestellung.

2020 – 24: Nachher-Erhebung bereits von 2020 umgesetzten Projekten plus Kontrollstrecken

Wie viel?

Zu 60% vom BAFU finanziert

Zu 80% vom BAFU finanziert

Wie lange?

2020 – 24: Testphase 2025 ff.: 12 Jahre (1 Zyklus der strategischen Planung)

4 – 8 Jahre (1 – 2 Phasen der PV)

Ähnlichkeit?

NAWA TREND

NAWA SPEZ

Tabelle 1: Kurzzusammenfassung der Wirkungskontrollen STANDARD und VERTIEFT. «Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 1, CH-5401 Baden

sowie wertvolle Erfahrungen für die Erhe­ bung, Datenauswertung und Kommunika­ tion für STANDARD zu sammeln. VER­ TIEFT ist in diesen vier ersten Jahren in­ halt­ lich eng mit STANDARD gekoppelt (Ka­pitel 4.2). Ab 2025 soll die Wirkungs­ kon­ trolle STANDARD wie die strategischen Planungen einem 12-Jahres-Rhyth­ mus fol­ gen mit anschliessender Eva­ luation und all­ fälliger Anpassung. Die Wirkungs­ kon­ trolle VERTIEFT wird mit einem 4­ -Jahre-­ Rhythmus auf die PVPhasen abgestimmt.

2.2. Erarbeitung des Konzepts Das Konzept für die Wirkungskontrollen STANDARD und VERTIEFT wurde zwischen Oktober 2015 und Februar 2018 an der Eawag erarbeitet, in engem Aus­ tausch mit dem BAFU und drei Begleit­ gruppen (Eawag-intern, national, international). Diese Begleitgruppen umfass­ ten insgesamt 30 Kolleginnen und Kol­ legen von verschiede­nen Akteursgruppen (z.

B. Bund, Kantone, private Büros, Wissen­schaft) und Be­reichen (z. B. Öko­ logie, Fluss­bau, Sozial­wissen­schaften, Ge­wäs­serschutz, Geo­mor­pho­logie, Sozial­ ­wis­sen­schaften, Wirt­schaft). Daneben wurden viele weitere Dis­kussionen geführt, auf verschie­ dens­ ten Plattformen und mit zahlreichen verwandten Projekten oder Programmen, national wie auch interna­tional.

Nach Abschluss der ersten Erar­ bei­ tungs­­phase wurden die Vorschläge an drei Erfahrungsaustauschen der Wasser-Agen­ da­21 (April und November 2018, April 2019) sowie einem Workshop (September 2018) mit allen vertretenen Kantonen diskutiert. Die an den Ver­an­staltungen geäusserten Bedenken und die erwähnte Kri­tik, insbesondere zur Finanzierung, wur­ den aufgenommen, das Konzept wur­de ange­passt (Kapitel 3.4). So konnten Zu­ stim­mung und Verständnis über die drei Ver­anstaltungen hinweg deutlich erhöht werden. Im Dezember 2019 wurde die Praxis­dokumentation «Wirkungskon­trolle Re­vi­ta­lisierung – Gemeinsam lernen für die Zu­kunft» veröffentlicht (BAFU, 2019); sie ist auf Deutsch verfügbar und ab Früh­jahr 2020 auch auf Französisch. Die Praxis­ dokumentation besteht aus 9 Merkblättern und 10 Indikator-Sets, die in Steckbriefen beschrieben sind. Merkblätter und Steck­ briefe sowie viele weitere Informationen (z.

B. Feldprotokolle, Eingabeformulare) kön­­­nen auf der Webseite des BAFU unter folgendem Link in der jeweils aktuellsten Version bezogen werden: www.bafu.admin. ch/wirkungskontrolle­-revit.

3. Die Wirkungskontrolle STANDARD 3.1. Genereller Ablauf Das Ziel der Wirkungskontrolle STAN­DARD ist, gängige Ziele von Revitali­sie­run­gen zu überprüfen und zu verstehen, wo und wa­ rum eine bestimmte Wirkung beob­ach­tet wurde. STANDARD umfasst fünf Schrit­te, die in Abb. 2 aufgeführt und in Merk­­blatt 2 der Praxis­dokumentation (BAFU, 2019) aus­führlicher beschrieben sind. Je nach Schritt sind unterschiedliche Akteure verantwortlich (mandatiertes Büro, Kanton, Bund). In den nachfolgenden Unterkapiteln werden ausgewählte Aspekte detaillierter erklärt und hergeleitet.

1. Projektübersicht: Zuerst wird vom Kan­ ton eine Projektübersicht für die anstehen­ de PV-Periode zusammengestellt. Die Über­sicht umfasst neben groben Angaben zu den Projekt­eigen­schaften (z. B. Länge, ein­gesetzte Massnahme) auch eine Schät­ zung der erwarteten Baukosten. Diese erlaubt die Kategorisierung der Projekte in vier Grössenklassen (Kapitel 3.5).

2. Berechnung des Budgets Wirkungs­ kontrolle: Gemeinsam mit dem BAFU berechnet der Kanton die für die Wirkungs­ kontrolle verfügbaren Mittel. Für die Wir­ kungs­ kontrolle STANDARD kommt ein Verteilschlüssel zum Einsatz, der die anstehende sowie die laufende PV-Periode berücksichtigt (Kapitel 3.4).

3. Auswahl der Projekte und Indikator-Sets: Anschliessend bestimmt der Kanton, welche Projekte er in die Wirkungskontrolle einbezieht, d.h., wie er das kantonale Bud­ get für die Wirkungskontrolle einsetzt. Dies ist ein iterativer Prozess, da der Erhe­bungs­ ­umfang für die Wirkungskontrollen und damit auch die anfallenden Kosten je nach Projektaufwand variieren (Kapitel 3.4).

4. Erhebung und Bewertung der IndikatorSets: Im Feld werden die ausgewählten Indikator-Sets gemäss Praxisdokumenta­ tion erhoben. Dies geschieht meist durch ein oder mehrere mandatierte Fachbüros (Kapitel 3.5, 3.6).

5. Datenlieferung und Finanzreporting: Nach Abschluss der Arbeiten werden die Rohdaten der Wirkungskontrolle (Mes­ sungen und Bewertungen) in die zentralisierte Datenhaltung überführt, entweder direkt durch die mandatierten Büros oder durch den Kanton. Am Ende jeder PVPeriode erfolgt das Finanzreporting.

3.2. Überprüfte Ziele Revitalisierungsprojekte verfolgen vielfäl­ tige Ziele – ökologische, gesellschaftliche oder wirtschaftliche. Mit einer Wirkungs­ kontrolle lassen sich die gesteckten Ziele überprüfen. Doch welche Ziele stehen für den gemeinsamen Lernprozess auf nationaler Ebene im Vordergrund? In mehreren Schritten wurden in der Konzept­erar­bei­ tung gängige, von der Gesetzgebung ab-

Abbildung 2: Die fünf Schritte der Wirkungskontrolle STANDARD und VERTIEFT. Die übergeordneten Schritte 6 bis 8 beziehen sich auf den Lernprozess und werden in Kapitel 5 beschrieben.

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geleitete Ziele für Revitalisierungsprojekte identifiziert. Zuerst wurden mögliche Re­ vitalisierungsziele mit den drei Begleit­ gruppen sowie aus der Literatur gesam­ melt (z. B. Woolsey et al., 2005, Reichert et al., 2007, 2013). Diese Ziele lassen sich in einer Zielhierarchie gruppieren (siehe Merk­ blatt 7 in BAFU, 2019). Eine Zielhierarchie ist ein nützliches Instrument, um Ziele mit unterschiedlichem Detailgrad übersichtlich darzustellen (Reichert et al., 2007, 2013).

Darauf wurden systematisch vier Gesetzes­ dokumente durchsucht – GschG, GSchV, Er­ läuternder Bericht zur GSchV sowie Hand­­­buch «Programmvereinbarungen im Umweltbereich» – und die darin genannten Ziele in die Zielhierarchie einsortiert. Zum Schluss wurden mit den Begleitgruppen verschiedene Filter definiert, um prioritäre Ziele auszuwählen, wie z. B. die Anzahl Nen­­nungen in den Dokumenten, die Ver­ füg­barkeit von Indikatoren für die Ziel­über­ prüfung oder die direkte Beeinflussung des Ziels durch ein Revitalisierungsprojekt. Es resultierte eine Liste aus 9 gängigen Zielen, die mit verschiedenen Unterzielen weiter charakterisiert werden (Abbildung 3).

3.3. Eingesetzte Indikatoren Mit Indikatoren lassen sich Ziele überprüfen, d. h., sie stellen die eigentlichen Werk­zeuge aus der Zielhierarchie dar und sind entsprechend eng mit den Zielen verknüpft. In der Konzepterarbeitung stützte man sich auf Indikatoren, die für die Schweiz beschrieben sind und für die bereits eine Wertfunktion vorhanden ist (= Schritt von der Messung in die Be­wer­ tung). Gestartet wurde mit einer Liste von gut 80 Indikatoren aus verschiedenen Quellen, wie z. B. dem Handbuch Erfolgs­ kontrol­le (Woolsey et al., 2005) oder dem Modul-Stufen-Konzept. In mehreren Schrit­ ten wur­den die verfügbaren Indikatoren auf die Ziele der Zielhierarchie verteilt, und ihre Eig­nung für Messung und Be­wertung wurde kritisch diskutiert. Am Schluss dieses Pro­zes­ses blieben zu den 9 ausge­ wählten gängigen Zielen 22 Indi­ka­­to­ren übrig. Diese wurden für die Praxis­­doku­ mentation, wo nötig, in Rücksprache mit den Verfassern der Methode aktualisiert.

Zwischen zahlreichen Indikatoren gibt es Synergien, d. h., die Erhebungen sind ähn­lich, erfolgen am selben Ort oder lassen sich leicht kombinieren. Entsprechend wurden die 22 Indikatoren in 10 synergis­ tisch zu erhebende Indikator-Sets gebün­ delt (Abbildung 3), die direkt mit den gängigen Zielen von Revitalisierungsprojekten verknüpft sind. Es handelt sich um 4 abiotische Indikator-Sets, 5 biologische und 44

Abbildung 3: Die 11 Indikator-Sets mit den zugehörigen Indikatoren und ihrem Bezug zu den gängigen Zielen von Revitalisierungsprojekten. ein gesellschaftliches Set. Daneben besteht ein zusätzliches Set (Set 11), das nach Ab­sprache mit dem BAFU den pro­ jektspezifi­schen Zielen und Bedürfnissen angepasst werden kann.

3.4. Einbezogene Projekte und Finanzierung Anzahl und Typ der in STANDARD einbezogenen Revitalisierungsprojekte haben einen grossen Einfluss auf die nachfolgen­ den Auswertungen und den Lernprozess.

Werden z. B. wenige und sehr unterschied­ liche Projekte berücksichtigt, dann besteht die Gefahr, dass sehr viel Variabilität in den Daten vorkommt und die Resultate nicht breit abgestützt sind. Aus solch unsicheren Resultaten Handlungsempfeh­ lun­gen ableiten zu wollen, ist heikel resp. nur bedingt möglich. Entsprechend gilt es, die Projektauswahl so zu gestalten, dass mit der Variabilität sinnvoll umgegangen werden kann.

Die ursprüngliche Vision für STANDARD war, dass sämtliche Projekte, die Bundes­ unterstützung via GSchG erhalten, eine (mi­ ni­male) Wirkungskontrolle durchführen sol-

len. In den Workshops mit den Kantonen wurde deutlich, dass diesbezüglich mehr Flexibilität gewünscht ist. Das Konzept wurde entsprechend angepasst: Die Wir­ kungs­kontrolle STANDARD ist nicht für alle Projekte obligatorisch; vielmehr entschei­ det der Kanton, unter Berücksichtigung ge­ wisser Richtlinien (Kapitel 3.5), welche Pro­ jekte er einbeziehen will und welche nicht.

Die Finanzierung der Wirkungskontrolle er­ folgt unabhängig von der Finanzierung der Projektumsetzung. Der in Abbildung 4 dar­ ge­stellte Verteilschlüssel wurde an den Work­shops als Kompromiss zwischen ge­ nü­ gend Daten und genügend Geld für Pro­­ jekte begrüsst. Das Budget für die Wirkungs­kontrolle STANDARD setzt sich wie folgt zusammen: Es werden je 5 % der Bundes­beiträge aus der aktuellen sowie der vorhergehenden PV-Phase für die Wirkungs­kontrolle eingesetzt. Damit werden die Vor­ her-Aufnahmen der neuen Projekte (Auf­nahme Ist-Zustand) sowie die Wirkungs­kontrollen nach Abschluss der Arbeiten (Nach­her-Aufnahmen) gedeckt (Kap. 3.6). Für STANDARD übernimmt der Bund 60 % der Kosten der Wirkungs­kon­ trolle (via Pro­jektziel 1).

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Abbildung 4: Zusammensetzung des Budgets für die Wirkungskontrollen STANDARD und VERTIEFT. 3.5. Umfang der Felderhebung Projektspezifische Flexibilität in der Indi­ ka­torwahl und Vereinheitlichung auf nationaler Ebene – diese beiden Forderungen lassen sich nicht einfach miteinander vereinbaren. Besteht sehr viel Flexibilität bei der Wahl der Indikator-Sets, dann kann es dazu führen, dass es wenige Projekte gibt, die dieselben Erhebungen machen – die Stichprobengrösse für die projektübergreifende Auswertung wird klein. Lässt man aber kaum Freiheit, dann werden von Projekten u. U. unsinnige oder viel zu aufwendige Erhebungen verlangt. Der Um­ fang der Felderhebungen orientiert sich ent­ sprechend an einigen Grundsätzen (Abb. 5):

se Projekte: < 5 Mio CHF, Ein­zelprojekte.

Die Klassengrenzen wurden unter Berück­ sichtigung der Kosten­ver­teilung der bereits umgesetzten Pro­ jekte sowie von Erfahrungswerten aus der Praxis gestzt.

Für die Grössenklasse «klein» können entsprechend maximal drei Indi­kator-Sets erhoben werden, für Einzel­projekte maximal 6. Mit dieser Deckelung soll sichergestellt werden, dass die für die Wirkungs­kontrolle verfügbaren Mittel über eine ausreichend grosse Zahl an Projekten verteilt werden

und nicht nur in einige wenige, aber sehr umfangreiche Wirkungs­kontrollen inves­ tiert werden.

Wählbare und empfohlene Indikator-Sets: Die Anzahl wählbarer Indikator-Sets ist pro Grössenklasse begrenzt, um sicherzustellen, dass für eine Klasse auch ausreichend Projekte mit denselben Erhe­ bungen verfügbar sind. Innerhalb der wähl­baren Sets gibt es auch empfohlene Sets; dies soll die Auswahl vereinfachen.

Mindestumfang: Wenn eine Wirkungs­ kontrolle durchgeführt wird, müssen im Minimum das Indikator-Set 1 und ein biologisches Indikator-Set erhoben werden.

So wird sichergestellt, dass auch in verhältnismässig kleinen Wirkungskontrollen die abiotische und biologische Wirkung erhoben und einander gegenübergestellt werden. Auch wird damit garantiert, dass über alle Wirkungs­kontrollen hinweg zumindest ein gemeinsames Indikator-Set (Indikator-Set 1) erhoben wird.

Höchstumfang: Das Maximum zu erhebender Indikator-Sets richtet sich nach der Projektgrösse. Es werden vier Grös­sen­ ­klassen (≈ subventionsberech­tig­te Kos­ten) unterschieden: kleine Projekte: < 250 000 CHF, mittlere Projekte: < 1 Mio CHF, gros-

Abbildung 5: Erhebung und Auswahl der Indikator-Sets in Abhängigkeit von der Projektgrösse.

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Keine Kontroll- oder Referenzstrecken: Wie in Merkblatt 7 beschrieben, sind Kontroll- oder Referenzstrecken für das projektübergreifende Lernen nicht notwendig; ein Vorher-Nachher-Vergleich über eine grosse Zahl von Projekten ist ausreichend. In STANDARD wird die Erhe­ bung auf die revitalisierte Strecke beschränkt. Ein Einbezug zusätzlicher Stre­ cken für das projektspezifische Lernen ist aber nach Rücksprache mit dem BAFU möglich.

3.6. Zeitpunkt der Felderhebung Es braucht Zeit, bis sich in einem Revita­ li­sierungsprojekt eine Wirkung überhaupt untersuchen lässt. Dabei spielen die un­ ter­ suchten Indikatoren eine Rolle, die unter­ schiedlich schnell auf eine Ver­ änderung reagieren. Daneben ist aber auch der Kon­text im Einzugsgebiet wichtig, wie z. B. Barrieren für eine Wieder­be­ siedlung oder eine beeinträchtigte Wasser­ qualität.

STANDARD folgt einem mBA-Design (multiple Before-After-Design; Roni und Beechie, 2013), also einem mehrfachen Vorher-Nachher-Vergleich ohne Kontrolloder Referenzstrecken (siehe Kapitel 3.5).

Dieses Design eignet sich für den Ein­ bezug einer grossen Zahl von Pro­jek­ten.

Es werden eine Vorher-Erhebung (Jahr – 1) und, je nach Projektaufwand, eine bis meh­ rere Nachher-Erhebungen durchgeführt (Jahre + 4 und + 10; Abbildung 6). Die Pro­ jekte haben eine gewisse zeitliche Flexi­ bilität im Erhebungszeitpunkt, um auf allfällige Stö­run­gen oder Probleme reagieren zu können (z. B. Hochwasser während der Felder­hebungen, Gewässerver­schmutzung, organisatorische Abstimmung etc.). So kann die Vorher-Erhebung bereits im Jahr – 2 gemacht werden, die erste NachherEr­he­bung erst in Jahr + 5 oder + 6 und die zwei­te Nachher-Erhebung erst zwischen Jahr + 11 bis + 14.

3.7. Datenhaltung Im Rahmen von STANDARD (und VER­ TIEFT; siehe Kapitel 4) wird eine grosse Da­ten­menge mit grossem Potenzial für das gemeinsame Lernen anfallen. Damit diese Da­ten von verschiedenen Akteuren wir­kungsvoll abgelegt und genutzt werden können, ist zum einen eine robuste, langfristige zentralisierte Datenhaltung zwingend. Diese muss mit bereits beste­hen­ den Datenbank-Lösungen wie z. B. MIDAT abgestimmt sein. Auch müssen die dezentral eingegebenen Daten zentral kontrolliert und verifiziert werden. Strukturelle Vorgaben sowie technische Hilfsmittel kön­­nen die Eingabe der Felddaten unterstützen, um den Aufwand möglichst gering und die Qualität der Daten möglichst hoch zu halten. Die Datenhaltung ist zurzeit am BAFU in Diskussion resp. im Auf­ bau. Kurzfristig erfolgt der Datenaus­tausch mittels vereinheitlichter Eingabe­formulare (Merkblatt 5 in BAFU, 2019).

4. Die Wirkungskontrolle VERTIEFT 4.1. Genereller Ablauf Wie entwickelt sich ein kleiner Bach im Land­wirtschaftsland nach seiner Remä­ andrierung? Wie lange dauert es, bis die heimischen Fischarten einen Flussab­ schnitt nach einer Ausdolung wiederbe­ siedeln? Die Revitalisierungspraxis und -wissenschaft sind verhältnismässig jung, viele Fragen sind entsprechend offen.

Zahl­ reiche Fragen werden sich mit STAND­ARD über die Jahre beantworten lassen. Mit VERTIEFT soll aber parallel dazu spezifischen, dringlichen Fragen aus der Praxis nachgegangen werden. Ähnlich wie NAWA-SPEZ hat VERTIEFT Projekt­ charakter, d.h., man beantwortet konkrete Fragen an spezifisch dafür ausgewählten Projekten. Die genaue Anzahl und Aus­ wahl der Projekte hängt von der Frage­

stellung ab. Je nach Fragestellung folgt VER­TIEFT einem Vier- oder Acht-JahreRhythmus und ist damit mit dem Finan­zie­ rungsrhythmus abgestimmt (PV-Phasen).

Die erste Runde von VERTIEFT wird 5 Jahre dauern (2020 – 24).

Der Ablauf von VERTIEFT ist analog zu jenem von STANDARD (Schritte 1 – 5; Abbildung 2). Die relevanten Frage­stel­lun­ gen zu VER­TIEFT werden jeweils vorgängig zur Ver­ hand­ lung der anstehenden PVPeriode vom BAFU in Rücksprache mit den Kanto­ nen festgelegt und mit den Kantonen diskutiert. Spätestens im Zuge der PV-Verhandlung wird besprochen, ob geeignete Projekte im Kan­ton existieren und in welchem Ausmass der Kanton bereit ist, sich an einer Wir­kungskontrolle VER­TIEFT zu beteiligen. Es wird auf die freiwillige Mitarbeit jener Kan­tone gesetzt, welche geeignete Projekte haben. Der Bund unterstützt die Wirk­ungs­kontrolle VER­TIEFT im Gegenzug mit einem höheren Subventionssatz von 80 %, die Finan­ zie­rung der verbleibenden 20 % erfolgt wie bei STANDARD durch den Kanton (resp. Gemeinden oder Dritte).

Die Kosten für die Wirkungskontrolle VERTIEFT werden anhand von Kosten­ schät­zungen bestimmt und im entsprech­ enden Leistungsindikator im PZ 1 Grund­ la­gen fixiert. Die erwarteten Kosten für VER­TIEFT werden für das Budget Wir­ kungs­kontrolle zum errechneten Budget STAND­ARD addiert (Abbildung 4). Eine Aus­ nah­ me hierzu stellt die PV-Periode 2020 – 24 dar, in der die nicht benötigten Finanz­mittel für die Nachher-Erhebungen aus STANDARD für VERTIEFT genutzt werden.

4.2. VERTIEFT in der PV-Phase 2020 – 24 Für die dritte PV-Phase 2020 – 24 beste­ hen folgende inhaltlichen und methodischen Schwerpunkte, die zwischen 2015

Abbildung 6: Zeitpunkt der Vorher- und Nachher-Erhebungen im Rahmen der Wirkungskontrolle STANDARD in Abhängigkeit der Projektgrösse.

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und 2018 durch Befragung verschiedener Akteurs­gruppen identifiziert wurden:

(= Zeitpunkt der ersten und zweiten Nach­ her-Erhebung in STANDARD).

Optimierung der Feld­erhebungen und des Konzepts.

Die Wirkung von Revitalisierungen in kleinen Fliessgewässern besser ver­stehen: Kleine Gewässer machen den Hauptteil des Schweizer Fliess­gewässernetzes aus, sind bez. Morpho­­logie und Biologie sehr viel­ fältig, stark unter Druck durch den Menschen und oft Ziel von Revitalisierun­ gen – aber selten mit einer Wirkungskon­ trolle umfassend untersucht. In VERTIEFT 2020 – 24 wird eine ausreichend grosse Stichprobe an Revitalisierungspro­jekten an kleinen Gewässern untersucht. Sechs In­di­kator-Sets der Wir­kungskontrolle STAN­ ­DARD, die sich für eine Beprobung an klei­nen Gewässern eignen, werden erho­ ben: Habitat­vielfalt (Set 1), Temperatur (Set 4), Makrophyten (Set 5), Makro­zooben­ thos (Set 6), Fische (Set 7), Ufervegetation (Set 8). Die Resultate aus den revita­lisier­ ten Ab­ schnit­ ten werden mit Kontroll­ strecken verglichen.

5. Ablauf des gemeinsamen Lernprozesses oder «Von Daten zu Taten»

7. Breite Kommunikation der Erkenntnisse: Die Resultate aus der Wirkungskon­trolle werden in regelmässigen Ab­ständen breit kommuniziert, sobald konsolidierte Er­ geb­­nisse vorliegen. Die Kommunikation erfolgt zielgerichtet in geeigneten Forma­ ten. Den Kantonen steht es frei, eigene Daten für die Kommunikation zu nutzen.

Ein gemeinsamer Lernprozess ist ein ambitioniertes Ziel. Er passiert aber nicht einfach von sich aus, sondern braucht Pla­ nung, gegenseitige Abstimmung und Struk­tur. Die in den Wirkungskontrollen STANDARD und VERTIEFT gewonnenen Daten werden in drei Schritten weiterverarbeitet (Abb. 2): die Koordination und Steuerung liegen beim BAFU:

In die Zukunft von STANDARD blicken: Die Aufnahmen an den kleinen Ge­wässern sollen gleichzeitig auch ge­nutzt werden, um zu bestimmen, wie sich die Indikatoren aus STAND­ARD über die Zeit entwickeln, wie sie miteinander in Zusammenhang stehen und wie sich das Potenzial der erhobenen Daten und Indikatoren voll­­stän­ dig ausschöpfen lässt. Ent­sprechend wird in VERTIEFT auf einen zeitaufwendigen Vorher-Nachher-Vergleich verzichtet. Es werden aus­schliesslich Nachher-Aufnah­ men ge­macht (Post-treatment, PT), und zwar an ca. 4- bis 12-jährigen Projekten

6. Zentralisierte Auswertung auf nationaler Ebene: Die projektübergreifende Auswer­ tung der Daten der Wirkungskontrollen STANDARD und VERTIEFT erfolgt zentralisiert und in Verantwortung des BAFU. Neben Angaben aus der Wirkungskontrolle (Felderhebungen der Indikatoren) werden projektspezifische Informa­tionen aus der Umsetzungs­kontrolle einbezogen (Pro­jekt­ charakteristiken). Zudem werden für jedes Projekt weitere erklärende Grössen aus be­stehenden Geodaten zusammenge­tra­ gen, wie zum Beispiel die landwirtschaftliche Nutzung oder die Anzahl Quer­bau­ werke im Einzugs­gebiet. Diese Sammlung der Geodaten wird ebenfalls zentralisiert vorgenommen. Die zentralisierte Aus­wer­ tung der Daten wird frühzeitig gestartet, um die Startphase der Wirkungs­kontrollen STANDARD und VERTIEFT eng begleiten und unterstützen zu können. Eine zeitnahe Rückmeldung der Erfah­rungen dient der

Quellen: BAFU/Bundesamt für Umwelt (2012). Einzugsge­ bietsmanagement. Anleitung für die Praxis zur integralen Bewirtschaftung des Wassers in der Schweiz. BAFU, Bern. Umwelt-Wissen Nr. 1204.

BAFU/ Bundesamt für Umwelt (2019). Wirkungskontrolle Revitalisierung – Gemeinsam lernen für die Zukunft.

Download der Merkblätter und Indikator-Steckbriefe unter https://www.bafu.admin.ch/wirkungskontrolle-revit Göggel, W., Leu, C., Kunz, M., Hürlimann, J. (2013).

NAWA – Nationale Beobachtung Oberflächengewässer­ qualität. Konzept Fliessgewässer. Umwelt-Wissen. 74 S. Höckendorff, S., Tonkin, J.D., Haase, P., Bunzel-Drüke, M., Zimball, O., Scharf, M., Stoll, S. (2017.) Characterizing fish responses to a river restoration over 21 years based on species traits. Conservation Biology. 31: 1098–1108.

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8. Formulieren von Handlungs­empfeh­lun­ gen und Anpassung des Konzepts: Re­ sultate aus der Wirkungskontrolle werden im partizipativen Prozess mit den Be­tei­ ligten in Handlungsempfehlungen übersetzt. Diese fliessen in die Über­arbeitung des Handbuchs «Pro­gramm­verein­ba­run­ gen im Um­welt­bereich» sowie in Entschei­ dungs­hilfen ein, wie z.B. für die Erarbei­ tung der strategischen Planung Revitali­ sierung Fliess­ge­wässer. Erfahrungen aus der Anwen­dung dienen der periodischen Evalua­tion und der allfälligen Optimierung der Wirkungskontrolle STANDARD sowie der Identifikation zukünftiger Frage­stel­ lungen der Wirkungskontrolle VERTIEFT. Die Revitalisierung der Gewässer der Schweiz ist eine komplexe Mehrgenera­ tionen­aufgabe. Eine schweizweit abge­ stimmte, einheitlichere Wirkungs­kontrolle eröffnet wertvolle Möglichkeiten, den Ein­ satz der begrenzten Mittel noch effektiver zu gestalten. Der gemeinsame Lernpro­zess steht allen offen.

Weber, C., Åberg, U., Buijse, A.D., Hughes, F.M.R., McKie, B.G., Piégay, H., Roni, P., Vollenweider, S., Haertel-Borer, S. (2017). Goals and principles for programmatic river restoration monitoring and evaluation: Collaborative learning across multiple projects. Wiley Interdisciplinary Reviews: Water: e1257.

Woolsey, S., Weber, C., Gonser, T., Hoehn, E., Hostmann, M., Junker, B., Roulier, C., Schweizer, S., Tiegs, S., Tockner, K., Peter, A. (2005). Handbuch für die Erfolgskontrolle bei Fliessgewässerrevitalisierungen; Eawag, WSL, LCH-EPFL, VAW-ETHZ: Dübendorf, Zürich, Lausanne. 112 S. Autorin: Dr. Christine Weber Eawag: Das Wasserforschungsinstitut des ETH-Bereichs Seestrasse 79, CH-6047 Kastanienbaum Telefon +41 (0)58 765 22 14 christine.weber@eawag.ch www.eawag.ch

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Recommandations pour l’évaluation des dangers d’érosion des berges des cours d’eau Lukas Hunzinger, Annette Bachmann, Ralph Brändle, Paul Dändliker, David Jud, Mario Koksch

1. Introduction Résumé Les Spécialistes des dangers naturels (FAN) et la Commission pour la protection contre les crues (CIPC) ont élaboré des recommandations pour l’évaluation des dangers d’érosion des berges des cours d’eau. Ces recommandations décrivent une procédure avec les étapes: élaboration des scénarios de base, analyse des points faibles et analyse des effets. Dans le cadre de l’analyse des points faibles, différents cas de charge sont identifiés en fonction de la morphologie et des endroits d’érosion connus. Pour chaque cas de charge, les grandeurs de la charge et la résistance de la berge sont définies de manière qualitative ou quantitative. Si la comparaison des deux grandeurs montre qu’une érosion latérale est probable, on définit l’étendue de l’érosion et sa probabilité d’occurrence spatiale. Les possibles processus consécutifs sont analysés par la suite.

Les recommandations peuvent être téléchargées en langue allemande ou française sur les sites Internet de la FAN (www.fan-info.ch) et de l’Association suisse pour l’aménagement des eaux (www.swv.ch).

Zusammenfassung Die Fachleute Naturgefahren Schweiz (FAN) und die Kommission für Hochwasser­ schutz, Wasserbau und Gewässerpflege (KOHS) haben eine Empfehlung zur Be­ urteilung der Gefahr von Ufererosion an Fliessgewässern erarbeitet. Die Empfeh­lung beschreibt ein Vorgehen zur Beurteilung der Gefahr von Ufererosion mit den Be­ arbeitungsschritten Grundszenarien, Schwachstellenanalyse und Wirkungs­analyse.

Im Rahmen der Schwachstellenanalyse werden aufgrund der Morphologie und der bekannten Erosionsstellen die massgebenden Gefährdungsbilder identifiziert. Für jedes Gefährdungsbild werden die Belastungsgrössen auf das Ufer und der Erosions­ ­widerstand des Ufers qualitativ oder quantitativ bestimmt. Ist nach dem Fazit der Schwachstellenanalyse für einen Gewässerabschnitt Ufererosion anzunehmen, werden in der Wirkungsanalyse deren Ausmass und räumliche Auftretens­wahr­schein­ lichkeit festgelegt. Anschliessend werden mögliche Folgeprozesse beurteilt.

Die hier beschriebene Empfehlung zur Beurteilung der Gefahr von Ufererosion an Fliessgewässern kann in elektronischer Form und in deutscher oder französischer Sprache auf den Internetseiten der FAN (www.fan-info.ch) und des Schweize­ rischen Wasserwirtschaftsverbandes (www.swv.ch) bezogen werden

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L’érosion des berges est un processus de danger de peu d’importance en termes de superficie. Son potentiel de danger a cependant été sous-estimé jusqu’à présent.

C’est ce qu’a montré notamment l’événement de crue de 2005 en Suisse, où l’arrachement des berges a endommagé voire détruit nombre de bâtiments et d’infra­ structures. L’évaluation des dangers d’éro­ sion claire et compréhensible en quan­tité comme en qualité est une base importante pour la protection des zones bâties et des voies de communication contre l’érosion des berges. Pour évaluer le processus d’érosion des berges, il n’existe aujourd’hui aucune méthode ni base de calcul généralement reconnues.

C’est pour combler cette lacune que les Spécialistes des dangers naturels (FAN) et la Commission pour la protection contre les crues (CIPC) ont mandaté l’élaboration des présentes recommandations. Elles doivent servir de guide pour collecter les données de base sur les dangers et contribuer à uniformiser les évaluations des dangers d’érosion des berges, afin de mieux les comprendre et les comparer. Elles sont destinées aux experts en aménagements des cours d’eaux et des dangers naturels issus aussi bien Figure 1: Erosion des berges de la Trueb pendant les crues de 2005.

Photo: Flussbau AG SAH.

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 1, CH-5401 Baden

de la pratique que de l’administration et s’appuient sur les Recommandations fédérales (Loat et Petrascheck, 1997). Elles proposent des méthodes qui permettront d’évaluer les dangers d’érosion des berges. Par contre, le choix d’une approche quantitative appropriée pour déterminer l’ampleur de l’érosion des berges est laissé à la libre appréciation des utilisateurs.

Le présent article résume les recommandations (FAN et CIPC, 2020) publiées en allemand en 2015. Les recommanda­ tions complètes incluant des exemples d’applications peuvent être téléchargées en langue allemande ou française sur les sites Internet de la FAN (www.fan-info.ch) et de l’Association suisse pour l’aménagement des eaux (www.swv.ch). Le présent article apparaît simultanément dans Eau énergie air ainsi que dans la FAN Agenda.

Scénarios de base

Débit Q Apport en charriage G Apport en bois H Ch. 4.5

Analyse des points faibles

Endroits d’érosion connus Ch. 4.6.1

Morphologie - actuelle - modifications en cas de crue Ch. 4.6.2 Cas de charge - érosion du pied de la berge - impact direct du courant - érosion du sommet de la berge Ch. 4.6.3

Sollicitations - force tractrice - profondeur d’affouillement Ch. 4.6.4

2. Procédure générale Les recommandations proposent une démarche pour trois niveaux de détail de l’étude: pour le niveau des indications de dangers, le niveau d’une carte des dangers et le niveau d’une expertise au cas par cas (voir Figure 2). Les méthodes quan­ titatives ainsi que le temps investi pour la collecte des données de base et l’évaluation des dangers augmentent avec le ni­ veau de détail de l’étude.

Dans le présent résumé uniquement le niveau de détail «carte des dangers» est présenté. Les autres niveaux de détail sont décrits en détail dans les recommandations (FAN et CIPC, 2020). En plus, la procédure y est illustrée à l’aide de deux exemples.

La procédure générale d’évaluation des dangers d’érosion des berges s’appuie sur la pratique de l’évaluation des dangers en Suisse et se divise en trois phases: scénarios de base, analyse des points faibles et analyse des effets (Figure 3). L’ana­lyse des points faibles consiste à définir les cas de charge déterminants à partir de la mor­ phologie des cours d’eau et à évaluer les sollicitations et la résistance des berges.

L’analyse des endroits d’érosion connus fournit des indications essentielles sur les processus d’érosion possibles. L’analyse des points faibles et l’analyse des effets sont menées séparément pour chaque

Indication de danger

Résistance à l’érosion - nature des berges - hauteur et longueur du renforcement et fondations - état Ch. 4.6.5 - charge limite

Conclusion: érosion latérale possible?

Ch. 4.6.6

Non

Évaluation de l’érosion des berges terminée pour le scénario

Oui Analyse des effets

Étendue et intensité - étendue en superficie - intensité

Ch. 4.7.1

Probabilité d’occurrence spatiale Ch. 4.7.2

Analyse des processus subséquents Ch. 4.7.3

Figure 3: Procédure générale d’évaluation des dangers d’érosion des berges. scénario de base. Si l’analyse des points faibles permet de déceler le danger d’éro­ sion latérale sur un tronçon de cours d’eau, l’ampleur de l’érosion potentielle et sa probabilité d’occurrence spatiale sont déterminées dans le cadre de l’analyse des effets. Il faut enfin clarifier si l’érosion latérale peut elle-même déclencher d’autres processus.

à évaluer le danger d’érosion des berges ne diffère pas de la définition des scéna­ rios de base utilisés pour évaluer d’autres dangers liés aux eaux. Il s’agit de déterminer le débit Q, le charriage G et l’apport en bois H pour des scénarios de crue avec différents temps de retour.

3. Scénarios de base

4.1 Endroits d’érosion connus L’étude des endroits d’érosion connus sur les cours d’eau à examiner est essentielle pour évaluer le danger d’érosion des berges. Elle fournit des indications sur les zones où l’érosion est possible et sur l’ampleur qu’elle peut prendre, mais elle ne donne pas d’image définitive des endroits d’é­rosion potentiels. Il existe les sources d’in­formation suivantes: le cadastre des évé­ne­ments, les cartes des phénomènes,

La définition des scénarios de base visant

Carte des dangers

Expertise au cas par cas

Figure 2: Niveaux de détail de l’étude en fonction du type d’expertise des dangers.

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 1, CH-5401 Baden

4. Analyse des points faibles

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les photos aériennes et les modèles de terrain, les anciens projets d’aménagement, les visites des lieux ou les observateurs locaux.

4.2 Morphologie La morphologie du cours d’eau et les processus qui se déroulent dans le chenal (écoulement, exhaussement, érosion du lit, érosion latérale) sont en interaction per­ manente. Ainsi, des crues importantes peu­ vent déclencher des processus morphologiques d’échelle supérieure qui vont mo­difier foncièrement la morphologie et déplacer le chenal.

L’évaluation des dangers d’érosion des berges contient la description du style fluvial (ramifié, méandres, rectiligne) et son changement potentiel lors d’une crue.

Le charriage ainsi que les modifications de niveau du fond du lit (érosion ou exhaussement) sont importants. Dans un chenal où le fond du lit est érodé, le renforcement des berges peut être affouillé à sa base. Dans un chenal avec dépôt de sédiments en revanche, le renforcement des berges peut être remblayé et donc perdre son effet.

L’évaluation du tracé (rectiligne, courbe) donne une indication sur l’apparition des érosions: Dans les courbures, l’érosion se produit de préférence sur la berge concave située à l’extérieur tandis que, dans les tronçons rectilignes, l’érosion latérale est possible sur les deux rives. Les irrégularités du chenal (chutes, autres ouvrages) peuvent provoquer des courants secondaires. Elles doivent être considérées com­ me causes possibles d’érosion latérale ou d’érosion du lit.

4.3 Cas de charge Les processus décrits ci-après peuvent dé­clencher une érosion latérale et sont donc désignés comme cas de charge. Ils peuvent survenir isolément ou de manière combinée. Il est souvent difficile de les différencier les uns des autres.

hUE

hUE

BUE

BUE

Figure 5: Érosion latérale par impact direct du courant.

Erosion du pied de la berge L’érosion du fond du lit, l’affouillement ou l’érosion du pied déstabilisent la berge au point de provoquer son glissement (Figure 4). L’érosion du fond du lit peut survenir à grande échelle ou très localement. Les affouillements peuvent apparaître lors d’une irrégularité du chenal et comme un processus secondaire lorsque p. ex. la section d’écoulement est rétrécie par un mur de rive effondré ou par un arbre tombé.

Impact direct du courant L’impact direct du courant a pour effet d’arracher les matériaux de la berge. Cela peut se produire sur toute la hauteur de la berge (Figure 5 à gauche) ou seulement sur une partie supérieure non aménagée (Figure 5 à droite). L’impact direct du courant frappe le plus souvent sur la partie extérieure des courbures. Il peut néan­ moins, comme dans le cas de l’affouillement, résulter d’obstacles dans le cours d’eau.

Les modifications du niveau du fond du lit du cours d’eau pendant un épisode de crue ont pour résultat que le point d’impact se déplace vers le haut ou vers le bas.

Erosion du sommet de la berge La submersion du sommet de la berge ou le contournement du renforcement de la berge érodent le sommet de la berge (Figure 6). Ce processus d’érosion est lié à l’eau qui déborde du chenal et dépend, entre autres facteurs, du niveau du fond du lit pendant la crue. Le reflux de l’eau peut aussi conduire à une érosion du som­ met de la berge.

hUE

BUE

Figure 6: Erosion au sommet de la berge.

4.4 Sollicitations Les sollicitations sont estimées pour les cas de charge identifiés comme détermi­ nants dans l’étape précédente (Tableau 1).

Il est souvent nécessaire de procéder à une expertise qualitative, ce qui est généralement suffisant pour l’établissement des cartes des dangers. Dans les cas plus complexes, les sollicitations doivent être calculées afin de satisfaire les exigences des cartes des dangers. Dans les tableaux suivants, tout d’abord la démarche qualitative est décrite. Ensuite, une évaluation approfondie présente une démarche quantitative.

Erosion du pied de la berge

Evaluation approfondie: •D éterminer l’érosion du fond du lit en calculant le charriage.

•C alculer la profondeur des affouillements.

Impact direct du courant

BUE

BUE

Figure 4: L’érosion du lit, l’affouillement ou l’érosion du pied déstabilisent la berge (à gauche, berge basse, à droite, berge élevée).

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• É valuation d’experts de la sollicitation.

• F aire particulièrement attention aux pointes de charge dus aux irrégularités.

Evaluation approfondie: •C alculer la force tractrice sur la berge.

• É valuer les pointes de charge en cas d’irrégularités.

hUE

hUE

• E valuation d’experts de l’ampleur de l’érosion du fond du lit et de la profondeur des affouillements.

• F aire particulièrement attention à la profondeur des affouillements en cas d’irrégularités.

Erosion du sommet de la berge

• E valuation d’experts en fonction de l’inondation.

Evaluation approfondie: •C alculer la force tractrice sur le terrain.

Tableau 1: Procédure d’évaluation de la charge sur la berge.

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 1, CH-5401 Baden

4.5 Résistance à l’érosion La résistance de la berge à la charge atten­ due est calculée pour les cas de charge désignés comme déterminants. Il s’agit de relever la nature et l’état de la berge et du terrain alentour (Tableau 2).

Erosion du pied de la berge

• Déterminer sur place la nature, l’état et la durabilité du pied de la berge (roche, type d’aménagement, taille des blocs, granulométrie, pente, etc.).

• Estimer de visu sur place la profondeur des fondations.

• Décrire en termes de qualité la résistance du pied de la berge.

Evaluation approfondie (ajouter aux relevés précédents): • Déterminer la profondeur des fondations à partir des plans du projet.

• Calculer la force tractrice critique du pied de la berge.

Impact direct du courant

• Déterminer sur place la nature, l’état et la durabilité de la berge (roche, type d’aménagement, taille des blocs, granulométrie, pente, etc.).

• Décrire en termes de qualité la résistance de la berge à l’impact direct du courant.

Evaluation approfondie (ajouter aux relevés précédents): • Calculer la force tractrice critique de la berge.

Erosion du sommet de la berge

• Déterminer sur place la nature, l’état et la durabilité du terrain au sommet de la berge (roche, granulométrie, pente, etc.).

• Décrire en termes de qualité la résistance du terrain à l’impact du courant.

Erosion du pied de la berge

• S i la berge n’est pas renforcée, on suppose toujours une érosion de la berge en cas d’érosion du fond du lit ou d’affouillement.

• S i la berge est renforcée, on suppose une érosion de la berge lorsque l’érosion du fond du lit ou l’affouillement arrivent sous les fondations de l’aménagement de la berge.

Impact direct du courant

• Toujours supposer une érosion en cas de berges non renforcées constituées de matériaux meubles.

•O n suppose une érosion de la berge si les conditions selon Protect (niveau évaluation sommaire) ne sont pas remplies.

Evaluation approfondie: •O n suppose une érosion de la berge lorsque la force tractrice sur la berge est plus grande que la force tractrice critique.

Erosion du sommet de la berge

• F aire une expertise en fonction de l’inondation (p.ex. en fonction de l’intensité de l’inondation).

Evaluation approfondie: •O n suppose une érosion du sommet de la berge lorsque la force tractrice sur le terrain est plus grande que sa force tractrice critique.

Tableau 3: Procédure de conclusion de l’analyse des points faibles.

5. Analyse des effets 5.1 Etendue et intensité Si l’analyse des points faibles conclut que la berge est menacée par l’érosion, il faut

déterminer l’ampleur de cette érosion.

L’ampleur de l’érosion est mesurée sur la base de la largeur de l’érosion BUE, sa hauteur hUE et sa longueur LUE (Figure 7).

Les indications sur l’ampleur de l’érosion sont obtenues p. ex. avec les études de l’érosion due aux événements de crue passés (Hunzinger et Durrer, 2008, Bach­ mann, 2012, Krapesch et al., 2011) qui ont chiffré les longueurs et les largeurs d’érosion types.

Largeur et longueur d’érosion Les études mentionnées ci-dessus permettent de déduire que la largeur des éro­ sions latérales dues à des processus morphologiques d’échelle supérieure est nettement plus importante que la largeur des érosions dues à des phénomènes locaux (obstacles, irrégularités).

Lors des processus morphologiques, la largeur d’érosion peut être déterminer à l’aide de cartes historiques et de calculs morphologiques. Dans les chenaux rectilignes, la largeur d’érosion peut être évaluée à partir de la largeur limite. La largeur limite est atteinte lorsque la force tractrice sur la berge est inférieure à la valeur minimale nécessaire pour amorcer le mouvement des matériaux de la berge. Si la force tractrice n’est pas calculée, l’ampleur des érosions peut parfois être déduite à partir de l’observation des événements antérieurs.

La longueur d’érosion peut être délimitée utilement là où une érosion latérale peut être clairement localisée, c’est-à-dire lorsqu’elle est causée par un obstacle ou qu’elle se produit dans une courbure. Sur

Evaluation approfondie (ajouter aux relevés précédents): • Calculer la force tractrice critique pour le terrain au-dessus de la berge Tableau 2: Procédure d’évaluation de la résistance de la berge.

4.6 Conclusions de l’analyse des points faibles En conclusion de cette analyse, les connaissances acquises au cours des étapes précédentes permettent de décider s’il faut supposer ou non l’érosion de la berge dans une zone donnée du cours d’eau. Il s’agit de considérer les cas de charge pos­ sibles pour chaque scénario de base et de comparer chaque sollicitation de la berge avec sa résistance (Tableau 3). Si la sollicitation est supérieure à la résistance, il faut généralement admettre l’érosion des berges.

Figure 7: Mesures de l’ampleur de l’érosion. Photo: OFOR 2005

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les tronçons rectilignes ou sur les tronçons avec ramifications, c’est parfois la berge sur toute sa longueur qui est menacée d’érosion, même si, pendant un événement, la berge n’est pas érodée sur toute sa longueur.

Intensité L’intensité de l’érosion de la berge se mesure à la hauteur de l’érosion hUE. Cette mesure se fait perpendiculairement à partir du sommet de la berge jusqu’au lit de l’endroit d’érosion (Figure 7). Les classes d’intensité utilisées sont celles définies dans les Recommandations fédérales de 1997 (Loat et Petrascheck 1997) (Tableau 4). La classe d’intensité reste la même sur toute la largeur d’érosion.

Intensité

Hauteur de l’érosion (hUE)

Faible

hUE < 0.5 m

Moyenne

0.5 m < hUE < 2 m

Forte

hUE > 2m

valeurs doivent être fixées et justifiées au cas par cas. Si l’emplacement de l’en­droit d’érosion probable est évident, c’est la valeur à la limite supérieure qui sera choisie.

S’il n’y a aucun indice de l’endroit où l’éro­ sion est la plus probable, c’est une valeur inférieure qui sera choisie pour la probabilité d’occurrence spatiale.

Style fluvial et tracé

pRA

Berge concave

0.50 – 1.00

Chenal rectiligne

0.10 – 0.50

Berge concave dans un méandre

0.50 – 1.00

Ramification

0.25 – 0.75

Tableau 5: Valeurs possibles de probabilité d’occurrence spatiale pRA d’érosion des berges.

5.2 Probabilité d’occurrence spatiale (pRA) La considération des risques attribue une probabilité d’occurrence spatiale pRA au processus d’érosion des berges. Cette probabilité dépend du style fluvial et du tracé.

La probabilité d’occurrence spatiale est élevée sur les berges concaves. Si le danger d’érosion est attendu sur les deux rives d’un cours d’eau, p. ex. chenal ramifié, la probabilité d’occurrence spatiale est moindre. Le Tableau 5 donne une indication des valeurs possibles avec lesquelles cette probabilité peut être chiffrée. Les

5.3 Processus subséquents L’érosion latérale dans un cours d’eau peut déclencher d’autres processus: • Des matières solides sont mobilisées (charriage, arbres et arbustes, objets déposés sur la berge), qui sont ensuite transportées vers l’aval où elles déclenchent de nouveaux processus de dan­gers dus aux dépôts ou aux embâcles.

• L’érosion du pied d’une berge haute déclenche un glissement de la pente ou accélère un glissement en cours.

• Dans le chenal élargi par l’érosion latérale, la capacité de transport diminue et le charriage et le bois flottant s’accumulent dans le lit.

L’évaluation des dangers doit étudier la pos­sibilité de ces processus subséquents et leurs effets. Selon les circonstances, la personne en charge de l’évaluation doit faire appel aux spécialistes des autres dis­ciplines.

Bibliographie: Bachmann A. (2012). Ausmass und Auftreten von Seitenerosionen bei Hochwasserereignissen.

Geographisches Institut der Universität Bern, Bern.

FAN et KOHS. (2020). Recommandations pour l’évaluation des dangers d’érosion des berges des cours d’eau. www.fan-info.ch et www.swv.ch.

Hunzinger L. et Durrer S.: Seitenerosion. in Bezzola G.R., Hegg C. (Ed.) (2008). Ereignisanalyse Hochwasser 2005, Teil 2 – Analyse von Prozessen, Massnahmen und Gefahrengrundlagen. Bundesamt für Umwelt BAFU, Eidgenössische Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL. Umwelt-Wissen Nr. 0825: 429 S.

Krapesch G., Hauer C. et Habersack H. (2011). Scale orientated analysis of river width changes due to extreme flood hazards. Natural Hazards and Earth System Sciences 11, 2137-2147.

Loat R. et Petrascheck A. (1997). Recommandation 1997.

Prise en compte des dangers dus aux crues dans le cadre des activités de l’aménagement du territoire. Office fédéral de l’économie des eaux (OFEE), Office fédéral de l’aménagement du territoire (OFAT), Office fédéral de l’environnement, des forêts et du paysage (OFEFP).

Romang Hans (Ed.) (2008): Effet des mesures de protection. Plate-forme nationale «Dangers naturels» PLANAT, Bern. 289 p.

Tableau 4: Niveaux d’intensité de l’érosion des berges.

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6. Application et perspective Les recommandations dans cet article décrivent une procédure qui permet d’éva­ luer le danger du processus d’érosion des berges de fleuves et de ruisseaux, quelle que soit leur taille ou leur pente. Par contre, les approches empiriques proposées pour quantifier les sollicitations sont géné­ rale­ment conçues pour des cours d’eau de pente moyenne et de charriage de type fluvial et ne peuvent pas toujours être trans­­ posées à des torrents abrupts à laves torrentielles.

Les recommandations soulèvent la problématique des incertitudes dans l’éva­ luation. Il peut exister des incertitudes en déterminant les sollicitations dans les profils en travers irréguliers ou en estimant la profondeur des fondations d’un vieil ou­ vrage. Afin de maintenir les incertitudes à un faible niveau, il faut souvent consacrer beaucoup d’efforts à la collecte de données de base. Un moyen de déceler les incertitudes qui entachent une évaluation, et de peut-être les réduire, est l’application de différentes méthodes et de comparer les résultats. Il faut toutefois veiller à garder un certain équilibre entre le travail supplémentaire nécessaire et l’amélioration de la pertinence.

Remerciements Le groupe de travail remercie toutes les personnes qui ont collaboré à cet ouvrage par leurs contributions et l’Office fédéral de l’environnement pour le financement du projet.

Auteurs: Membres du groupe de travail érosion des berges des Spécialistes en dangers naturels Suisse (FAN) et de la Commission pour la protection contre les crues (CIPC): Lukas Hunzinger, Annette Bachmann, Ralph Brändle, Paul Dändliker, David Jud et Mario Koksch.

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Nachrichten Informationen aus der Wasser- und Energiewirtschaft

Politik Parlament verabschiedet Gesetzes­ änderung zur Verankerung des Ist-Zustandes bei UVP von Konzessions­­erneuerungen Das Parlament hat in den Schlussab­stim­ mungen der Wintersession am 20. De­ zember 2019 der Änderung des Bundes­ gesetzes über die Nutzbar­machung der Wasserkräfte (WRG) in Sachen Aus­ gangs­­zustand bei der Prüfung der Um­ weltverträglichkeit von Konzessions­er­ neuerungen zugestimmt. Ab Inkraft­treten des Gesetzes gilt damit für die Festlegung von Schutz-, Wiederher­stel­lungs- und Ersatzmassnahmen der Zu­stand bei Ge­ suchseinreichung als massgebener Aus­ gangszustand.

Die Gesetzesänderung geht auf die par­ lamentarische Initiative 16.452 von NR Albert Rösti zurück. Bei Konzessions­er­ neuerungen von Wasserkraftwerken soll gemäss dem Vorstoss als Ausgangs­zu­ stand für die Festlegung von Schutz-, Wie­ der­herstellungs- und Ersatzmass­nah­men nach Natur- und Heimatschutzgesetz (NHG) im Rahmen der Umw­elt­verträglich­keits­ prü­fung nicht der historische Zustand vor Bau der Erstanlagen gelten, sondern der Ist-Zustand vor Konzessions­erneue­rung.

Nach Vorberatungen in der Umwelt­ kom­mission des Nationalrates hat die Kom­ mission zusammen mit der Bundes­ver­ waltung einen Vorschlag für eine Präzisie­ rung im Bundesgesetz über die Nutz­bar­ machung der Wasserkräfte (WRG) erarbeitet und anschliessend als Kommis­ sions­vorschlag in die öffentliche Vernehm­ lassung gebracht. Aufgrund der grossmehrheitlichen Unterstützung in der Ver­ nehmlassung und gestützt auf eine grundsätzlich positive Stellungnahme des Bun­ des­rates wurde ein konkreter Kommis­

sions­vorschlag für einen neuen Art. 58a Abs. 5 Ziff. 5 WRG zur Beratung gebracht.

Dieser wurde von beiden Räten in den Erst­ abstimmungen und am 20. Dezember 2019 schliesslich auch in den Schluss­ab­stim­ mun­gen angenommen.

Das Wasserrechtsgesetz vom 22. De­ zember 1916 wird gemäss diesem Par­la­ mentsbeschluss wie folgt geändert (BBl 2019 5575): «WRG Art. 58a Abs. 5 Ziff. 5 Als Aus­ gangszustand im Sinne von Artikel 10b Ab­­satz 2 Buchstabe a des Umwelt­schutz­ gesetzes vom 7. Oktober 1983 gilt für die Festlegung von Schutz-, Wieder­herstel­ lungs- und Ersatzmassnahmen nach dem Bundesgesetz vom 1. Juli 1966 über den Natur- und Heimatschutz der Zustand im Zeitpunkt der Gesuchseinreichung.»

Damit gilt bei Konzessions­erneuerun­gen von Wasserkraftwerken als massge­ben­ der Ausgangszustand für die Fest­legung von Schutz-, Wiederherstellungs- und Er­ satzmassnahmen nach NHG ab Inkraft­ treten der Gesetzesänderung der Zustand im Zeitpunkt der Gesuchseinreichung. Die Referendumsfrist läuft am 9. April 2020 ab. Der Bundesrat bestimmt das Inkraft­ treten.

(SWV/Pfa)

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UREK-N für ausgewogenes CO2Gesetz und Solar-Offensive Die nationalrätliche Umweltkommission hat die Totalrevision des CO2-Gesetzes in der Gesamtabstimmung angenom­men.

Sie hat Weichen für die Verteilung der Mittel aus dem Klimafonds gestellt und dabei insbesondere den ländlichen Raum, Innovationen im Flugsektor und das Nachtzug-Angebot miteinbezogen.

Zudem wurde eine Verstärkung für den Ausbau von Photovoltaikanlagen beschlossen.

Die Kommission für Umwelt, Raumpla­nung und Energie des Nationalrates (UREK-N) hat anlässlich ihrer Februar-Sitzung die Beratung des CO2-Gesetzes (17.071) abgeschlossen und die Vorlage in der Ge­ samt­abstimmung mit 18 Ja-Stimmen ge­ gen 7 Nein-Stimmen deutlich angenom­ men. Die Kommission trägt die Haupt­ elemente der ständerätlichen Vorlage mit, insbesondere die Reduktionsziele, die Vor­ gaben für Fahrzeuge, den Klimafonds und die Flugticketabgabe (siehe Medien­mit­ teilungen vom 29. Oktober 2019, 26. No­ vember 2019 und 15. Januar 2020). Die Kommission war bestrebt, ihrem Rat eine ausgewogene Vorlage zu präsentieren. Die

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Nachrichten

beantragten Massnahmen im CO2-Gesetz können einen wesentlichen Bei­trag dazu leisten, die Treibhausgas­emis­sio­nen zu re­ duzieren.

Rand- und Bergregionen berücksichtigen Die Kommission unterstützt es, einen über­ geordneten Klimafonds zu schaffen, mit dem ein breites Spektrum an Mass­nah­ men gefördert werden kann. Sie begrüsst die flexible Gestaltung dieses Instruments, das viel Spielraum bei der Mittelver­wen­ dung zulässt. Die Kommission legt aber Wert darauf, dass auch die ländlichen und alpinen Regionen zum Zug kommen. Sie hält fest, dass der Bundesrat deren wirt­ schaftliche Situation berücksichtigen muss, wenn es um die Verteilung der Fonds­ mittel geht. Dieser Entscheid fiel mit 15 zu 8 Stimmen bei einer Enthaltung. Eine Min­ derheit lehnt die Zusatzbe­stim­mung ab.

Innovation im Flugsektor Dem Beschluss des Ständerates folgend, will die Kommission die Hälfte der Gelder aus der Flugticketabgabe für Klimaschutz­ massnahmen einsetzen. Der Rest fliesst an die Bevölkerung und die Wirtschaft zurück. Die Kommission legt wie der Stän­ derat besonderen Wert darauf, dass Inno­ vatio­nen im Klimabereich gefördert werden. Um umweltschonende Technologien im Flug­sektor vorwärtszubringen, erwähnt die Kom­ mission diese ausdrücklich im Ge­setzestext. Ihren Beschluss vom Januar, wonach Forschung und Innovation im Be­ reich der Luftfahrt gefördert werden sollen, hat sie präzisiert: Die Fondsmittel sollen auch für die Entwicklung von erneuer­ ba­rem Flugtreibstoff eingesetzt werden können. Dabei dürften die Förderbeiträge für erneuerbare Treibstoffe bis zu 80 Pro­ zent der Mehrkosten gegenüber fossilem Kero­sin decken. Anfänglich sind maximal 100 Mil­ lionen Franken pro Jahr dafür vorge­sehen. Erweist sich die Technologie als er­folg­reicher Weg, kann der Unterstüt­ zungs­­bei­trag auf 300 Millionen Franken anstei­gen. Dafür hat sich die Kommission mit 17 zu 6 Stimmen bei 2 Enthaltungen entschieden. Zudem will die Kommission mit 14 zu 11 Stimmen sicherstellen, dass der Klimafonds auch grenzüberschrei­ten­ de Zug­­rei­sen als Alternative zu Flugreisen fördern kann – einschliesslich Nachtzüge.

Eine Minderheit erachtet es nicht als notwendig, diese För­derungsmöglichkeit explizit aufzuführen.

Zusätzlich beantragt die Kommission mit 23 zu 2 Stimmen, CO2-neutrale An­ triebs­technologien im öffentlichen Verkehr 54

zu unterstützen. Dafür will sie jene Gelder einsetzen, die der Bund einsparen wird, sobald die Mineralölsteuer-Rückerstat­ tung für konzessionierte Transportunter­ nehmen im Stadt- und Agglomerations­ verkehr abgeschafft sein wird.

Die gesamte Vorlage wird in der Früh­ jahrssession 2020 im Nationalrat behan­delt.

Offensive für Investitionen in grosse Photovoltaikanlagen An ihrer Sitzung hat sich die Kommission mit weiteren Themen befasst. Sie hat einstimmig beschlossen, eine Kommissions­ initiative (20.401) zur Erhöhung der Einmal­ vergütung für grosse Photovoltaikanlagen einzureichen. Grosse Photovoltaikanlagen ohne Eigenverbrauch, etwa auf Stall­dä­ chern oder Infrastrukturen, sind in den heu­tigen Förderreglungen aufgrund der tiefen Abnahmepreise für den einge­speis­ ten Strom benachteiligt. Eine Änderung im Energiegesetz soll dies beheben. Die Kom­ ­mission ist sich bewusst, dass der Bun­ desrat zusätzliche Investitionsanreize in erneuerbare Energien im Rahmen der geplanten Revision des Energiegesetzes vor­ sieht, sie will aber mit dieser gezielten Ver­ besserung rasch vorwärts machen. Sie nimmt damit die Anliegen der parlamentarischen Initiativen 18.481 von Nationalrat Mathias Reynard und 19.493 von National­ rat Leo Müller auf. Beide parlamentarischen Initiativen wurden zurückgezogen.

Die Kommission spricht sich weiter für mehr Flexibilität bei der Führung des Netz­ zuschlagsfonds aus. Sie hat die Motion 19.3742, welche die Prüfung einer Verschul­ dung des Netzzuschlagsfonds bezweckt, mit 18 Stimmen zu 7 Ablehnun­gen ange­ nommen. Damit könnten weitere Mittel zur Förderung erneuerbarer Ener­gien einge­ setzt werden. Dieses Anliegen soll im Rahmen der geplanten Revision des Ener­ gie­gesetzes realisiert werden.

Im Bereich der Photovoltaik will die Kom­mission auch die Vorbildfunktion des Bundes stärken. Dazu hat sie mit 17 zu 8 Stim­men eine Ergänzung der Motion 19.3750 angenommen. Neben der Ausrüs­ tung aller geeigneten Dach- und Fassa­ den­flächen des Bundes mit Photovoltaik sieht die Motion vor, die Immobilien des Bundes rascher zu sanieren und deren Autonomie im Strombereich sicherzustel­ len. Eine Minderheit lehnt die Motion ab.

Die Kommission hat am 10. und 11. Fe­b­­ruar 2020 unter dem Vorsitz von Natio­nal­rat Bastien Girod (G, ZH) und teilweise in An­wesenheit der Bundespräsi­ dentin Simo­­­netta Sommaruga in Bern getagt.

(UREK-N)

Energiewirtschaft KKW Mühleberg: Erste Stilllegung eines Schweizer Kernkraftwerks Nach 47 Jahren Leistungsbetrieb hat die BKW das Kernkraftwerk Mühleberg (KKM) am 20. Dezember 2019 um 12.30 Uhr end­ gültig abgeschaltet. Es ist das erste Mal, dass in der Schweiz ein Leis­tungsreaktor stillgelegt wird.

Die BKW hat das Kernkraftwerk Mühle­ berg während 47 Jahren sicher und zuverlässig betrieben. Seit der Inbetriebnahme am 6. November 1972 produzierte das KKM rund 130 Milliarden Kilowattstunden Strom, was den aktuellen Konsum einer Stadt wie Bern für mehr als hundert Jahre decken würde. Ermöglicht wurde dies dank einer Anlagenverfügbarkeit von über 90 Prozent.

Die BKW investierte kontinuierlich in Nach­ rüstungen und in die Sicherheit der Anlage.

Daher weist das KKM bei der Abschaltung den höchsten Stand der Tech­nik in seiner Geschichte auf.

Einstellung des Leistungsbetriebs Während der Jahresrevision im Sommer 2018 wurde der Kern des KKM für den letz­ ten, 15-monatigen Betriebszyklus bis zum 20. Dezember 2019 mit Brennele­men­ten be­ laden. Dabei wurde die Brenn­stoff­menge so berechnet, dass sich die Leis­tung des KKM seit Mitte November langsam re­du­ zierte. Das Abfahren der Anlage erfolgte schritt­weise: gemäss Fahrpro­gramm wurde in der Nacht auf den 20. Dezember die erste der beiden Turbinen vom Netz getrennt. Die zweite Turbine wurde kurz nach Mittag vom Netz genom­men. Endgültig eingestellt wurde der Leis­tungsbetrieb, als anschliessend der letzte Steuerstab zwischen die Brennelemente gefahren wurde.

Damit war die Ketten­re­aktion unterbunden und der Reaktor abgeschaltet.

Das KKW Mühleberg wird als erstes Schweizer Kernkraftwerk stillgelegt (Bild: BKW).

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 1, CH-5401 Baden

Stilllegung dauert 15 Jahre Die Stilllegung des KKM dauert rund 15 Jahre und wird 2034 abgeschlossen sein.

Wie während des Leistungsbetriebs stehen auch bei der Stilllegung die Sicherheit der Bevölkerung, der Umwelt und der Mit­ arbeitenden im Zentrum. Die BKW wird die Stilllegung hauptsächlich mit eigenen Mitarbeitenden durchführen. Sie verfügen über wertvolles Fachwissen sowie umfassende Anlagenkenntnisse. Für hoch­ spe­ zia­ lisierte, einmalige Aufgaben wird die BKW Experten und Dienstleister beiziehen, die über internationale Erfahrung im Rückbau von Kernkraftwerken verfügen. Die wichtigsten dieser Aufträge sind bereits vergeben und die nötigen Fremdleistungen damit gesichert.

Kosten von 3 Mrd. Franken Auch die Finanzierung der Stilllegung und der Entsorgung der radioaktiven Abfälle ist sichergestellt. Die BKW kommt für die notwendigen Kosten vollumfänglich auf.

Sie hat die entsprechenden Beträge bezahlt, Rückstellungen gebildet und zahlt weiterhin Gelder in die vom Bund kontrollierten Stilllegungs- und Entsorgungsfonds ein. Gemäss Kostenstudie 2016 belaufen sich die Kosten für die Stilllegung und die Entsorgung gesamthaft auf 3 Milliarden Franken, davon sind 80 Prozent bereits ge­deckt. Die verbleibenden 20 Prozent fallen bis 2126 an und werden durch weite­re Fonds­beiträge sowie Anlagen­er­ träge gedeckt.

(BKW)

entstehen. Mit dem 2-Megawatt-Pionier­ projekt treibt Axpo den Ausbau der erneuerbaren Energien in der Schweiz wei­ ter voran. Die Anlage wird rund die Hälf­ te ihrer Stromproduktion während des Winters liefern – also in einer Jahres­zeit, in der es tendenziell zu wenig Strom gibt.

Das Projekt «PV Muttsee» sieht eine An­ lage mit einer installierten Leistung von 2 Mega­watt und einer Jahresstrom­produk­ tion von 2,7 Gigawattstunden vor. Ins­tal­ liert werden sollen gut 6000 PV-Module auf einer Fläche von 10 000 Quadrat­me­ tern. Axpo wird das entsprechende Bau­ gesuch in den nächsten Tagen einreichen.

«Die Muttsee-Staumauer ist ausseror­dent­ lich gut für Photovoltaik geeignet», sagt Christoph Sutter, Leiter neue Energien bei Axpo. «Wir haben eine bestehende Infra­ struktur, die über einen Netzanschluss ver­ fügt und gegen Süden ausgerichtet und damit optimal besonnt ist. Darüber hinaus liegt die Anlage in fast 2500 Meter Höhe und liefert damit besonders während der Wintermonate viel Strom.»

Photovoltaikanlagen im alpinen Bereich liefern – anders als Anlagen im Unterland – rund die Hälfte ihrer Stromproduktion im Winterhalbjahr. Das hat verschiedene Grün­ de: In hohen Lagen liegt weniger Nebel, und es gibt entsprechend mehr Sonnenein­ strah­lung. Ausserdem ist der Wirkungs­grad von PV-Modulen bei tiefen Temperaturen höher. Und schliesslich wird das Sonnen­ licht von der Schneedecke reflektiert, was zu einer höheren Solarstromausbeute im Winter führt. Das Solarprojekt an der Mutt­ see-Staumauer ist in der Schweiz ein­zig­ artig und richtungswei­send. Axpo wird des­ halb beim BFE bean­tragen, die Anlage in die Liste der Leucht­turmprojekte aufzunehmen. Darüber hinaus ist Axpo derzeit

im Gespräch mit potenziellen Partnern, die interessiert da­ran sind, einen Teil des beim Muttsee produzierten Solarstroms im Rah­men von Langzeitverträgen abzunehmen.

Fehlender Winterstrom: Alpine PV als Teil der Lösung Die Schweiz verbraucht im Winter deutlich mehr Strom, als sie produziert. Diese Winter­stromproblematik wird sich in den nächs­ten Jahren verschärfen, wenn bestehende Grosskraftwerke im In- und Aus­ land vom Netz gehen. Während der letzten Jahre wurden die erneuerbaren Pro­duk­ tions­kapazitäten in der Schweiz vor allem bei der Photovoltaik im Mittelland ausge­ baut (Zwischen 2013 und 2017 machte die Photovoltaik fast 90 Prozent des Zu­baus aus). Dieser Ausbau entschärft die Winter­ stromproblematik allerdings nicht. Denn Photovoltaikanlagen im Mittelland lie­fern lediglich ein Viertel ihrer Strom­produk­tion während der Wintermonate. In der alpinen Photovoltaik sieht Axpo einen potenziell vielversprechenden Ansatz­punkt, die En­ er­giestrategie 2050 des Bundes zu unter­­ stützen und gleichzeitig Winterstrom zu lie­fern. «Wir sehen, dass man mit Photo­vol­ taik grosse Mengen Strom produzieren kann», sagt Andy Heiz, Leiter Produktion und Netze bei Axpo. «Um einen wesentli­ chen Beitrag zu leisten, reicht die Anlage auf der Mutt­see-Staumauer natürlich nicht.

Man müsste weitere Standorte ausbauen, die nicht in Schutzgebieten liegen und bereits gut erschlossen sind. Dafür müssen aller­dings auch die politischen und wirt­ schaftlichen Rahmenbedingungen stimmen.»

Weitere Informationen, Vi­de­os und Bil­ der zum Projekt «PV Muttsee» finden sich unter axpo.com/alpinsolar.

(Axpo)

Erste alpine Solar-Grossanlage der Schweiz in Planung Auf der Muttsee-Staumauer des Pump­ speicherwerks Limmern soll die erste alpine Solar-Grossanlage der Schweiz

Animation der alpinen PV-Anlage an der Staumauer Muttsee (Quelle: Axpo).

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Nachrichten

Frühzeitiger Entscheid Die BKW entschied bereits am 30. Ok­to­ ber 2013, das KKM bis Ende 2019 zu betreiben und es anschliessend stillzulegen.

Dank dieses frühzeitigen Entscheids konnte das grösste Projekt der BKW seit dem Bau des KKM gut vorbereitet und geplant werden. Das Vorhaben ist in jeder Hinsicht auf Kurs. Die rechtskräftige Still­legungs­ ver­­fügung des Eidgenössischen Departe­ ments für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation (UVEK) liegt vor, eben­so wie die Freigaben des Eidgenössischen Nuklearsicherheitsinspektorats (ENSI) für die Etablierung des technischen Nachbe­ triebs. Damit konnten die Arbeiten für den Rückbau bereits am 6. Januar 2020 gestartet werden.

Nachrichten

Wasserkraft Bundesverwaltungsgericht schafft Rechtssicherheit bei Netznutzungs­ entgelt Das Bundesverwaltungsgericht hat in ei­ nem konkreten Fall der Engadiner Kraft­ werke (EKW) den Entscheid der Eid­ge­nös­ ­sischen Elektrizitätskommission (ElCom) gestützt: Von Konzessions­ge­mein­den, die Energie bei Dritten beziehen, dürfen die gesetzlich vorgesehenen Netznutzungs­ entgelte erhoben werden.

Wie viele Wasserkraftbetreiber ist auch die Engadiner Kraftwerke AG (EKW) verpflich­ tet, die Gemeinden im Konzessions­ge­biet mit Energie zu beliefern. Diese En­ergie ist teilweise gratis und teilweise zu definierten, günstigen Konditionen zu liefern. EKW hat dazu ihr Stromverteilnetz gratis zur Verfü­ gung zu stellen. Unklar war bislang, ob EKW ihr Netz auch dann gratis zur Verfü­ gung stellen muss, wenn die Konzes­sions­ gemeinden die Energie bei Dritten beziehen. Deshalb hat EKW die zu­ständige Eidgenössische Elektrizitäts­kom­mission (ElCom) gebeten, diese Frage zu klären.

Aufwendige Abklärungen durch durch die ElCom Nach aufwendiger Prüfung kam die ElCom im September 2018 zum Schluss, dass EKW die gesetzlich vorgesehenen Netz­ nutzungs­entgelte erheben darf, sofern die Konzessionsgemeinden die Energie bei Dritten beziehen. Die Konzessions­gemein­ den haben anschliessend von der Möglich­ keit Gebrauch gemacht, den ElCom-Ent­ scheid durch das Bundesverwaltungs­ge­ richt überprüfen zu lassen.

Bundesverwaltungsgericht kommt zum gleichen Schluss Das Bundesverwaltungsgericht kommt nun ebenfalls zum Schluss, dass EKW die gesetzlich vorgesehenen Netznutzungs­ ent­gelte erheben darf. Die Konzessions­ gemeinden beschafften während der letzten sechs Jahre den Grossteil ihres En­ ergie­bedarfs auf dem freien Markt. EKW wird nun für die Lieferung dieser Energie das gesetzlich vorgeschriebene Netz­nut­ zungs­entgelt in Rechnung stellen, sobald der Entscheid des Bundesver­waltungs­ gerichts rechtskräftig ist. Beide Parteien haben noch die Möglichkeit, den Ent­scheid durch das Bundesgericht überprüfen zu lassen. Unabhängig davon, haben die Kon­ 56

zessionsgemeinden entschieden, ab dem Jahr 2020 den gesamten Energiebedarf von EKW zu beziehen, sodass der Entscheid des Bundesverwaltungsgerichts für die künftigen Energielieferungen im konkreten Fall ohne Bedeutung bleibt.

(EKW) Erneuerung Wasserfassungen der Engadiner Kraftwerke Verschiedene Wasserfassungen der En­ ga­diner Kraftwerke AG (EKW) sind sanie­ rungsbedürftig. Die Fassung sollen für rund 30 Mio. Franken erneuert werden.

Die EKW betreibt auf dem Gebiet der Ge­ mein­ de Schanf drei Wasserfassungen.

Wäh­rend der Inn mittels einer mächtigen Fassung unterhalb des Dorfes Schanf gefasst wird, werden die kleineren Seiten­ flüsse Vallember und Varusch an separaten Wasserfassungen bei Susauna bzw. am Ausgang des Val Trupchun gefasst. Mit den drei Wasserfassungen entzieht EKW den Gewässern jährlich über 600 Mil­li­onen Ku­ bikmeter Wasser, die anschlies­send durch einen unterirdischen Stollen ins Staubecken Ova Spin befördert werden, be­vor die Kraft des Wassers in den Kraft­werken Pradella bei Scuol und Martina in elektrische Ener­ gie umgewandelt wird. Mit dem in den drei Fas­sungen gefassten Wasser produziert EKW jährlich über 700 Millionen Kilowatt­ stunden Strom, womit an die 200 000 Haus­ haltungen versorgt werden können.

Ersatz Hydraulikanlagen, bauliche Sanierung Die drei Wasserfassungen wurden 1970 in Betrieb genommen und weisen teilweise dringenden Sanierungsbedarf auf. Das dafür notwendige Projektgenehmigungs­ gesuch wurde mit den zuständigen Amts­

stellen abgestimmt und der Bündner Re­ gierung vorgelegt. Die Projektgenehmi­ gung wird Anfang 2020 erwartet, sodass die Arbeiten im Frühjahr starten können.

Bei allen drei Fassungen werden die Hy­ drau­likanlagen erneuert, die für die Steue­ rung der verschiedenen Klap­pen notwen­ dig sind. Auch verschie­dene Rechen, die dazugehörenden Rechen­rei­ni­gungsma­ schi­nen sowie die baulichen An­lagen werden ersetzt, erneuert oder saniert. Im Wei­ teren gibt es bei den elektrotechnischen Einrichtungen, die der Steue­rung, dem Schutz und der Regulierung der Anlagen dienen, erheblichen Erneue­rungs­aufwand.

Insgesamt wird EKW dafür rund 12.5 Mio. Franken investieren.

Fischgängigkeit der Fassung Vallember Im Rahmen des Projekts wird die Fassung Vallember bei Susauna umgebaut, sodass diese künftig von Fischen durchwandert werden kann. Bislang ist es für Forellen, die vom Inn ins Val Susauna aufsteigen, nicht möglich, die Wasserfassung zu über­win­ den. Nach dem Umbau werden die Fische während der Laichzeit mithilfe einer sogenannten Fischtreppe ins Val Susauna aufsteigen und dank einer speziellen Fisch­ abstiegseinrichtung wieder in den Inn zu­ rück­wandern können. Die dafür notwen­di­ gen Installationen werden mit rund 3.5 Mil­ lionen Franken veranschlagt. Dank dem re­vidierten Gewässerschutzgesetz werden diese Kosten über das Netzentgelt finanziert. Die notwendigen Bewilligungen und Kostengutsprachen aus Bern sind allerdings noch nicht eingetroffen, weshalb sich die Realisierung der Fischwan­der­hilfen wo­ möglich weiter verzögern wird. Die übrigen Arbeiten sollten hingegen planmässig im Verlauf des Jahres 2020 abgeschlossen werden können.

(EKW)

Wasserfassung Vallember (Bild: EKW).

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Neuer Fischpass für Wasser­kraft­ werk Bannwil – Verbesserung der Situation für viele Fischarten in der Aare Die BKW ist beim Wasserkraftwerk Bann­ wil an der Planung eines neuen Fisch­ passes. Dieser soll es einem Grossteil der Fischarten in der Aare ermöglichen, das Kraftwerk flussaufwärts zu überwinden. Das Baugesuch ist beim Kanton eingereicht, die Bauarbeiten beginnen voraussichtlich im Sommer 2021, und die Inbetriebnahme ist für Sommer 2024 geplant.

Grund für den Neubau ist die Anpassung des Gewässerschutzgesetzes (GSchG).

Dieses verlangt, dass Fischpässe künftig auf alle gängigen Fischarten der Aare (Gross­­salmoniden wie Lachs sowie Barbe und Forellen) ausgelegt und dimensioniert sein müssen. Zusammen mit Bund und Kanton sowie den Umwelt- und Fische­rei­ verbänden hat die BKW eine Lösung für das Wasserkraftwerk Bannwil ausgear­bei­ tet, die den Bedürfnissen dieser Wander­ fische entspricht.

Zwei Einstiegsmöglichkeiten und ein Beobachtungsraum Geplant ist der Neubau eines Fischpasses mit zwei Einstiegsmöglichkeiten: Ein Ein­

stieg für schwimmschwächere Fische (z. B. Barbe) wird sich unterhalb der Boots­ ­rampe befinden. Er ist damit weiter entfernt von der direkten Turbinen­strömung, in der ho­he Fliessgeschwindigkeiten vorherrschen. Ein anderer Einstieg wird nahe der Tur­bi­nen­ausläufe angebracht und ist damit für schwimmstarke Fische (z. B. Gross­salmo­ni­den wie den Lachs oder die Forelle) geeignet. Auf der Höhe des Kraft­ werksge­bäudes befindet sich die Fisch­ zählstation. Oberhalb dieser verläuft der Fischpass in einem naturnah gestalteten Bach zum Aus­­stieg oberhalb des Kraft­ werks.

Start im Sommer 2021, Inbetriebnahme im Sommer 2024 Bereits heute ist der neue Fischpass beim Kraftwerk abgesteckt. Die Bauarbeiten können jedoch aufgrund administrativer Schritte (Baugesuch, Beurteilung Be­hör­ den) frühestens im Sommer 2021 beginnen. Der Fischpass wird voraussichtlich im Sommer 2024 in Betrieb genommen.

Ge­samt­haft investiert die BKW für den neuen Fischpass ca. 12 Mio. Franken, die nach der Realisierung über das Gewässer­ schutz­ge­setz durch den Bund rücker­stat­ tet werden.

Sämtliche Wasserkraftwerke in der Schweiz müssen bis ins Jahr 2030 die Vor­ gaben des neuen Gewässerschutz­geset­ zes erfüllen und werden sukzessive ange­ passt. So wird auch die BKW ihre ei­genen Kraftwerke und die Partnerwerke laufend mit neuen Fischpässen aufrüsten. (BKW)

Verbandsmitteilungen

Rücktritt Geschäftsführer per September 2020 Der Geschäftsführer des SWV tritt auf die nächste Hauptversammlung im Sep­ tember 2020 zurück. Der Vor­ stands­­aus­schuss befasst sich aktuell mit der Nach­folgeregelung.

«Wie dem Team auf der Geschäfts­ stelle und den Verbandsgremien bereits Anfang 2020 mitgeteilt, werde ich meine Tätigkeit als Geschäftsführer des SWV und Herausgeber des WEL nach zehn Jah­ren Engagement auf die nächste Haupt­ver­sammlung vom 3. / 4.

September 2020 bzw. formal per Ende September 2020 nie­derlegen und den SWV verlassen.

Der Zeitpunkt ist günstig: Der Ver­ band ist gut aufgestellt, finanziell stabil und verfügt auf der Geschäftsstelle über ein motiviertes und gut einge­ spieltes Team. Es ist mir – nicht zuletzt für dieses Team – ein grosses Anliegen, dass ein guter Über­gang gelingt; mit der erfolgten frühzeitigen Ankündigung des Rücktrittes wird eine sorgfältige Nach­folgeregelung ermöglicht.

Gemäss Statuten des SWV ist der Ge­schäftsführer durch den Vorstand zu wählen. Vorbereitend hat sich der Vor­ stands­ausschuss mit dem Profil und dem Selek­tions­prozess befasst und die nötigen Vor­entscheide getroffen. Ge­ stützt darauf wur­de die Stelle bereits Ende Januar 2020 auf der Webseite des SWV und auf verschie­de­nen Platt­ formen ausgeschrieben. Den Ab­schluss dieser Ausschrei­bungs­phase macht nun das Inserat im aktuellen Heft (vgl.

Stelleninserat auf Seite 66).

Bleibt zu vermerken, dass ich bis zur Hauptversammlung Anfang Sep­ tem­ber 2020 sowohl als Geschäfts­füh­ rer wie auch als Herausgeber des WEL engagiert bleibe. Dem SWV wünsche ich aber schon jetzt viel Erfolg bei der Nachfolgeregelung!»

Roger Pfammatter, SWV

Geplanter Fischpass am Kraftwerk Bannwil (Bild: BKW).

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 1, CH-5401 Baden

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Nachrichten

Gewässerschutz

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Rückblick Veranstaltungen Rückblick Schweizerischer Stromkongress 2020 Am 14. Schweizerischen Stromkongress vom 16. / 17. Januar 2020 im Kursaal Bern trafen sich rund 400 Vertreter aus Ener­ giebranche, Politik und Forschung zum jährlichen Stelldichein. Geadelt wurde die Veranstaltung in diesem Jahr durch das Keynote-Referat von Energieministerin und Bundespräsidentin Simonetta Som­ ma­ruga.

Klimapolitik ist Energiepolitik «Es gibt Momente im Leben ... Momente, in denen man viel bewegen kann.» So der erste Satz von Bundesrätin Simonetta Som­maruga am Schweizerischen Strom­ kongress 2020. Nun sei so ein Moment, und zwar in der Klimapolitik. «Klimapolitik heisst in erster Linie Energiepolitik, und da sind Sie am Drücker», so Sommaruga zu den Kongressteilnehmern. Gemeinsam mit der Politik könne die Branche notwendige Veränderungen in der Energie­ land­schaft einleiten und diese so prägen, dass Bevölkerung und Wirtschaft davon profitieren. «Wir müssen die Produktion von einheimischem Strom aus erneuerbaren Energiequellen forcieren. Denn das braucht es, damit Wirtschaft und Bevöl­ kerung im Jahr 2050 weitestgehend ohne fossile Energieträger und ohne Schweizer Atomstrom auskommen und damit die Versorgungssicherheit gewährleistet ist.»

Sommaruga versicherte, dass die Branche auf die Unterstützung der Politik zählen könne: «Vonseiten der Politik gibt es den Willen, die Rahmenbedingungen zu schaffen, damit Sie handeln können und Pla­ nungssicherheit haben.»

Die UVEK-Vorsteherin rief die Branche zur Zusammenarbeit mit Behörden und Politik auf, um die anstehenden Heraus­ forderungen gemeinsam zu meistern. So­ wohl der Klimawandel als auch das Strom­ abkommen mit der Europäischen Union seien zwar schwierige, aber doch lösbare Aufgaben, befand sie. Ihre Zuversicht zog Simonetta Sommaruga nicht zuletzt aus dem Umstand, dass die Schweizerinnen und Schweizer in der Vergangenheit sich bietende Chancen und Möglichkeiten erkannt hätten, «und diese vor allem auch zu nutzen wussten». In der Klimapolitik sei genau jetzt ein solcher Moment. «Lassen Sie uns diese Chance gemeinsam nutzen», 58

Politik-Podium am Stromkongress (Bild: VSE, Foto Basler Aarau) appellierte die Berner SP-Bundes­rätin an die versammelten Experten. «30 Jahre reichen, um etwas zu bewirken, um die Schweiz klimaneutral zu machen.»

Politikpodium zur Dekarbonisierung Im Politikpodium wurde unter der Mo­de­ ration Urs Gredigs engagiert und heftig diskutiert. Die Nationalräte Kurt Egger (Grüne / TG), Jürg Grossen (GLP / BE), Beat Jans (SP / BS), Albert Rösti (SVP / BE) so­ wie Ständerat Martin Schmid (FDP / GR) debattierten zum aktuellen Megathema Klima­­wandel und zur Umsetzung der En­ er­gie­strategie 2050.

Allen Podiumsteilnehmenden war klar, dass die Wasserkraft zentral ist, um die Ziele der Energiestrategie 2050 zu errei­ chen. Umso unverständlicher war es daher für Albert Rösti, dass Links-Grün im Par­ la­ment seine Initiative, welche die Wasser­ kraft unterstütze, zu Fall bringen wollte.

Neo-Nationalrat Kurt Egger entgegnete, dass man Fehler, die vor 80 Jahren gemacht worden seien, nicht einfach so stehen lassen sollte, wenn Wasserkraftwerke erneuert werden. Dass die Energiewende Geld kostet, war ebenso klar. Jürg Gros­ sen gab aber zu bedenken, dass mehr über den Nutzen dieser Energiewende als ständig nur über die Kosten gesprochen werden sollte. Beat Jans betonte, dass die treibende Kraft für die Energiewende kei­ nes­falls von Links oder Links-Grün komme: «Sie kommt direkt aus den Zimmern unserer Kinder. Das müssen wir respektieren.»

Martin Schmid schliesslich wies auf die zentrale Rolle der Versorgungssicherheit für die Schweiz hin. «Wir haben die Ver­ antwortung, alles zu tun, um diese auch in Zukunft zu gewährleisten.»

Konsequenzen für Jahrhunderte Den Abschluss des ersten Kongresstages machte schliesslich Reto Knutti, der aktuelle «Shooting Star» insachen Klima­wan­del.

Der ETH-Professor zeigte eindrücklich auf, dass der Klimawandel real und zum grössten Teil menschgemacht ist. «Die Menschheit hat eine Veränderung verursacht, die 10 bis 100 Mal schneller geschieht, als was in der letzten Million Jahre geschehen ist», so Knutti. Und dass etwas dagegen getan werden muss, und zwar schnell: «Wir haben nicht mehr viel Zeit, um zu handeln, denn was wir heute tun, hat Auswirkungen nicht nur auf Jahr­ hunderte, sondern auf Jahrtausende.»

Erfahrungsberichte Den zweiten Tag eröffnete Renato Tami, Ge­schäftsführer der ElCom, und zeigte der Branche auf, welche Herausforde­run­ gen die Schweiz meistern muss, um die Versorgungssicherheit auch in Zukunft ge­währleisten zu können. Keine Entwar­ nung mochte Renato Tami bezüglich Netz­ engpässen geben: «Auch wenn im Winter europaweit eigentlich genügend Strom vorhanden wäre, sind die Import­möglich­ keiten der Schweiz aufgrund der politischen Situation alles andere als sicher.»

Folgerichtig räumt die ElCom einem substanziellen Zubau der Inlandsproduktion im Winter höchste Priorität ein. Daniel Fisch­lin, CEO der Kraftwerke Oberhasli AG, stellte das – vor dem Hintergrund der sich kon­ti­ nu­ierlich zurückziehenden Gletscher – hoch­ aktuelle Trift-Projekt der KWO vor. An der Trift soll der erste Kombispeicher nach dem Gletscherrückzug erstellt werden.

Als saisonaler Speicher hätte der TriftSpeicher eine wichtige Rolle bei der Um­ setzung der Energiestrategie 2050 inne, wäre er doch eine wertvolle Energie­reser­ ve (215 GWh) während der Wintermonate.

Der eine oder die andere im Saal dürfte während Daniel Fischlins Präsentation an die mahnenden Worte erinnert worden sein, welche Renato Tami am Morgen dieses zweiten Stromkongresstages ans Plenum gerichtet hatte.

(VSE/SWV)

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18.3.2020, Landquart / GR RhV-Vortragsreihe 2020, Vortrag 3: Gemeinschaftskraftwerk Inn – Ein Projekt im österreichischschweizerischen Grenzgebiet (d) Rheinverband, eine SWV Verbandsgruppe www.rheinverband.ch

Vorausschauende Entwicklung von Wasserbauprojekten Donnerstag / Freitag, 26. / 27. März 2020 Serpiano, Tessin Die Kommission Hochwasserschutz (KOHS) des SWV führt zusammen mit dem Bun­des­ amt für Umwelt (BAFU) diese fünfte Serie der erfolgreichen wasserbaulichen Weiter­ bildungskurse durch.

Zielpublikum Der Kurs richtet sich an aktive oder künftige Verantwortliche von wasserbaulichen Gesamtprojekten.

Zielsetzung, Inhalt Der praxisorientierte, zweitägige Kurs soll einen fundierten Einblick in die verschie­de­ nen Aspekte der Entwicklung von Wasser­ bauprojekten geben und dabei auch Ver­ ständ­nis für die heute notwendige Inter­ dis­ziplinarität schaffen. Die Teilnehmen­ den wissen nach dem Kurs, wie man ein zukunftsfähiges Wasserbauprojekt entwickelt, und haben dazu verschiedene Werk­zeuge praxisnah kennengelernt. Zu­ dem haben sie die Gelegenheit, sich an Workshops und an der Exkursion mit ausgewiesenen Fachleuten auszutauschen.

Sprache Der Kurs wird auf Italienisch durchgeführt.

Anmeldung Ab sofort über www.swv.ch. Die Zahl der Teilnehmenden ist auf 28 Personen limitiert; Berücksichtigung nach Eingang der Anmeldungen.

ausgebu

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26./27.3.2020, Serpiano / TI KOHS-Weiterbildungskurs Wasserbau 5.5: Vorausschauende Entwicklung von Wasserbauprojekten (i) Kommission KOHS des SWV mit BAFU www.swv.ch 30.3.2020, Bern / BE BAFU/WA21-Anwenderkurs Schwall / Sunk-Massnahmen: An­wendung des Moduls der Vollzugshilfe Re­naturierung (d/f) BAFU und WA21. wa21.ch/anwenderkurs-sans 22.4.2020, Gams / SG RhV-Vortragsreihe 2020, Exkursion 1: Renaturierung der Simmi bei Gams (d) Rheinverband, eine SWV Verbandsgruppe www.rheinverband.ch 13.5.2020, Dornbirn / AT RhV-Vortragsreihe 2020, Exkursion 2 (anschl. GV): Physikalisches / hydraulisches Modelle für das Hochwasserschutzprojekt Rhesi (d) Rheinverband, eine SWV Verbandsgruppe www.rheinverband.ch

3./4.9.2020, Airolo / TI SWV-Wasserwirtschaftstagung mit 109. Hauptversammlung: Tagung und Besichtigung der Baustelle für das neue Kraftwerk Ritom (i/f/d) SWV www.swv.ch

rhesi.org

KOHS-Weiterbildungskurs 5. Serie, 5. Kurs

24./25.6.2020, Gais / AR KOHS-Weiterbildungskurs Wasserbau 5.6: Vorausschauende Entwicklung von Wasserbauprojekten (d) Kommission KOHS des SWV mit BAFU www.swv.ch

16.-18.6.2020, Zürich / ZH Powertage 2020: Ausstellungen und Foren zur Schweizer Strom­ wirtschaft (d/f) VSE, Electrosuisse, SWV, BFE www.powertage.ch 17.-19.6.2020, Zürich / ZH VAW-Wasserbau-Symposium 2020: Wasserbau in Zeiten von Energie­ wende, Gewässerschutz und Klima­ wandel (d/f)

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 1, CH-5401 Baden

10.11.2020, Olten / SO Hydrosuisse-Fachtagung Wasserkraft 2020: Bau, Betrieb und Instandhaltung von Wasserkraftwerken (d/f) Kommission Hydrosuisse des SWV www.swv.ch 59

Nachrichten

VAW-ETHZ zusammen mit TU Graz und TU München vaw.ethz.ch/wbs2020.html

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En mémoire de Dr. John P. Wolf (30.1.1938 – 8.12.2019) Après une courte maladie, Dr. John P. Wolf, un ingénieur et scientifique aux accomplisse-ments remarquables dans le domaine des éléments finis et de l’interaction dynamique sol-structure, s’est éteint à Belmont-sur-Lausanne dans sa 81ème année.

John Wolf a fait ses études d’ingénieur civil à l’ETH Zürich où il a reçu son diplôme en 1961 et a été distingué de la médaille d’argent. Après ses études, il a tout d’abord travaillé comme collaborateur scien­tifique auprès de Prof. Thürlimann à l’Institut de statique de l’ETHZ. Il a ensuite participé à un cycle postgrade au MIT aux Etats-Unis, financé par une bourse O.H. Amman. Il y a obtenu le master avec son travail «Auto­ ma­ tic solution of Pucher’s Equation» et est ensuite devenu assistant de recherche auprès du Prof. Connor. De retour en Suisse 2 ans plus tard, il devient responsable de la section de statique chez Digital AG à Zürich en 1965. Il participe activement au développement du premier système de logiciels d’ana­­lyses statiques par éléments finis en Eu­ro­pe, STRIP. En parallèle à cette activité, John Wolf rédige une thèse intitulée «Generali­ zed Stress Models for Finite-Element An­ alysis» et obtient le titre de Docteur en sciences techniques de l’ETH Zürich en 1974.

En 1973, John Wolf entre chez Electro­ watt Ingénieur Conseil SA à Zurich comme responsable de la section dynamique des structures et développement. Il y conduit tout d’abord les analyses dynamiques de la centrale nucléaire de Leibstadt pour les impacts d’avion et le comportement en cas de séisme, allant du développement des méthodes de calcul à l’interprétation des résultats. Son activité dans ce domaine s’étend progressivement à l’étranger, notamment en Afrique du Sud, Allemagne, Iran et Angleterre. C’est dans ce con-texte qu’il est confronté à la problématique de l’interaction dynamique sol-structure avec le projet de centrale nucléaire d’Angra dos Reis au Brésil, fondée sur 300 pieux. Il appréhende la problématique avec la très grande rigueur scientifique qui le caractérise et en publie la méthodologie et les résultats. C’est le début d’une carrière mondiale exceptionnelle dans le domaine spé60

cialisé de l’interaction dynamique solstruc­ture, dont il deviendra le chef de fil.

John Wolf s’intéresse également aux as­pects de comportement des barrages en cas de séismes. Il rejoint alors le Labo­ ratoire de constructions hydrauliques (LCH) de l’EPFL en 1988 pour y diriger un groupe de recherche dans le domaine du comportement dynamique des structures, notamment des digues en terre. Il y poursuit également ses travaux sur l’interaction sol-structure, développant entre autres le concept novateur de «Scaled boundary finite element method».

blications dans des journaux très réputés à indice d’impact élevé et 8 livres, dont certains traduits en chinois, mais également sa capacité d’écoute, sa disponibilité, sa gentillesse. Toujours prêt à engager une discussion sur un sujet de culture générale, il n’en restait pas moins le scientifique passionné qui a fait sa réputation.

Anton Schleiss et Georges Darbre

Publikationen Forschung für die Schweizer Energiezukunft – Resümee des Nationalen Forschungsprogramms «Energie»

John Wolf dans son bureau au LCH-EPFL en 1999 Durant sa carrière, John Wolf a été attentif à promouvoir le partage des connaissances au plus haut niveau. Il a été chargé de cours à l’ETHZ de 1975 à 2003 et à l’EPFL de 1989 à 2003 et a accompagné plusieurs travaux de doctorats. Toujours très apprécié par les étudiants et doctorants du fait de sa capacité à expliquer des théories complexes avec une grande clarté, il était également un orateur apprécié dans les grandes conférences internationales spécialisées. John Wolf a de plus été actif dans plusieurs associations professionnelles et comités scientifiques de haute renommée, comme par exemple la National Science Foundation aux Etats-Unis, auprès de laquelle il agissait en qualité d’expert. Il a également été président du Groupe Suisse pour le Génie Para­sismique SGE (précurseur de l’actuelle Société Suisse du Génie Parasismique et de la Dynamique des Structures SGEB) de 1983 à 1990.

On retiendra de John Wolf non seulement ses accomplissements scientifiques exceptionnels documentés dans 200 pu-

Publikation: Januar 2020; Hrsg.: Leitungs­ gruppen der Nationalen Forschungs­pro­ gram­me «Energiewende» (NFP 70) und «Steue­rung des Energieverbrauchs» (NFP 71), Schweizerischer Nationalfonds, Bern.

Bundesamt für Umwelt, BAFU; Reihe: Um­ welt-Wissen; Seiten: 110; Sprache: Deutsch, Französisch oder Englisch; Down­­load: www. nfp-energie.ch Beschrieb: Das gemeinsame Resümee der Nationalen Forschungsprogramme «Ener­gie­wende» (NFP 70) und «Steuerung des En­ergieverbrauchs» (NFP 71) fasst die Er­geb­nisse der insgesamt 103 Forsch­ungs­ ­projekte und 4 Ergänzungsstudien so­wie 6 thematischen Synthesen und 4 Ver­ bundsynthesen des NFP «Energie» zu­ sam­ men und leitet daraus Schlussfol­ gerungen und Empfehlungen ab. Das Re­ sümee des NFP «Energie» ist ein Beitrag der Wissenschaft zur Meinungsbildung, zur politischen und fachlichen Debatte so­ wie zur Strategie- und Mass­nahmen­pla­

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Fachpersonen als Grundlage für wald- und flussbauliche Massnahmen.

(BAFU) Influence of outlet discharge on the efficiency of turbidity current venting

Schwemmholz in Fliess­gewässern – Ein praxisorientiertes Forschungsprojekt

modeling, the Dr. Sabine Chamoun studied for the first time the influence of outlet discharge on the efficiency of turbidity current venting. The effect of the reservoir bed slope as well as the dimensions of the bot­tom outlet were also highlighted. As an­other novelty, the timing of venting relatively to the arrival of the turbidity current at the dam and the required duration of venting were investigated. The systematic tests allowed also to quantify the efficiency of venting regarding the amount of se­ diments evacuated compared to the water used from the reservoir. Finally, Dr. Sabine Chamoun could give some practical recommendations on how turbidity current venting should be performed in order to attain the most optimum release of fine sediments for a certain outflow discharge.

Characterization of hydraulic behavior of orifices in conduits

Publikation: Dezember 2019; Hrsg.: Bun­ des­amt für Umwelt, BAFU; Reihe: UmweltWissen; Seiten: 102; Sprachen: Deutsch, Französisch; Nummer: UW-1910-D bzw.

UW-1910-F, Download: www.bafu.admin.ch Beschrieb: Die vorliegende Publikation fasst die wichtigsten praxisrelevanten Er­ kennt­nisse aus dem Forschungsprojekt «WoodFlow» zusammen. Das übergeord­ ne­te Ziel war es, das Prozessverständnis der Schwemmholzdynamik in Fliessge­ wäs­sern zu vertiefen und der Praxis geeignete Hilfsmittel zur Verfügung zu stellen, die bei der Beurteilung schwemmholz­ relevanter Gefahren helfen. Die Re­sul­tate liefern Grundlagen zur Abschätzung po­ ten­zieller Schwemmholzmengen, zur Mo­ del­­lie­rung von Holztransport bei Hoch­ wasser und zur Beschreibung der damit verbun­de­nen Verklausungspro­zes­se. Die entwickelten Ansätze werden mittels Fall­ bei­spielen auf unterschiedlichen räumlichen Skalen veranschaulicht. Die daraus abge­ leiteten Anwendungsempfeh­lungen die­nen

Publikation: S. Chamoun; Communi­ca­tion du Labora­toi­re de constructions hydrauliques-LCH Nº 72, EPFL, 2017, 231 Seiten, 20.5 x 14.5 cm; Hrsg.: Prof. A. Schleiss, ISSN 1661-1179, doi: 10.5075/epfl-lchcomm-72.

Beschrieb: Reservoirs created by dams are vital water infrastructures worldwide ensuring not only water, food and energy but also protecting against floods. Sedi­ men­tation endangers the sustainable use of these reservoirs. Fine sediments transported as suspension during floods into reservoirs normally represent the most important of the sediment yield. In deep and long reservoirs, the fine sediment laden inflow plunges and travels as a turbidity current along the bottom of the reservoirs downwards to the dam. Thus, during every inflowing flood event, a significant amount of fine sediments is transported by these turbidity currents directly to the dam. Besides the reduction of the use­ ful storage volume, the water release struc­ tures as bottom outlets and intakes may be clogged by the fine sediments with time.

When opening bottom outlets or low level outlets during the occurrence of turbidity currents, the latter may be vented through the dam before the deposition of the fine sediments in front of the dam. In practice, the question arises on how much sediments can be vented under a certain discharge capacity of the bottom outlet or low level outlet.

By the help of systematic laboratory experiments in a flume and by numerical

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Publikation: N. J. Adam; Communication du Labora­toire de constructions hydrauliques-LCH Nº 73, EPFL, 2017, 246 Seiten, 20.5 x 14.5 cm; Hrsg.: Prof. A. Schleiss, ISSN 1661-1179, doi : 10.5075/epfl-lchcomm-73.

Beschrieb: Surge tanks in high-head po­ wer plants ensure safe and flexible transient operation of the hydraulic machinery.

Orifices or throttles in surge tanks are often critical structural elements in view of the good performance of surge tanks and the stability of the whole waterway system com­ ­bined with hydraulic-mechanical equip­­ ment. The design and the dimensioning of orifices ore throttles placed at surge tanks has to be carried out with great care since a non-functioning of this critical structural elements can endanger the safe operation of the whole hydropower scheme. Orifices or throttles have to produce a distinct head 61

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nung für die Transformation des En­er­gie­ sys­tems vor dem Hintergrund der En­er­gie­ ­­strategie 2050 der Schweiz. Mit den Lö­ sungs­­an­sätzen und Empfehlungen spricht das Re­sü­mee insbesondere jene Schlüs­ sel­akteure an, die das Energie­sys­tem in we­sen­tlichem Masse prägen und entspre­ chend auch ge­ stalten können. Mit der Publikation des Programmresümees sind die Nationalen Forschungspro­gram­me «Ener­gie­wende» (NFP 70) und «Steuerung des Energie­ver­brauchs» (NFP 71) abge­ schlos­sen.

(NFP)

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loss for flow entering and leaving the surge tank. In the design the best geometry has to be found which produces the wished head losses. The search of the most adapted geometry of the orifice or throttle is often difficult and has often to be done with systematic hydraulic model tests.

In order to allow a preliminary design of orifices Dr. Nicolas Adam studied for the first time systematically with laboratory experiments and numerical simulations a large number of different geometries of throttles, i. e. orifices. Based on the exten­ si­ve catalogue of the orifice geometries tes­ted and the developed empirical rela­ tion­ships, he could give efficient design guidelines based on empirical formulae and on a useful expert sheet in order to find efficiently the appropriate orifice geometry for a wished head loss. Dr. Adam studied also for the first time systematically the transient head losses through orifices. The systematical experiments and numerical simulations allowed also a better understanding of the hydraulic behavior of orifices in view of the influence length of the orifice i. e. the reattachment length of the jet leaving the orifice and associated risk of cavitation. Finally, Dr. Adam gives helpful practical recommendation for an efficient and safe design of orifices in surge tanks.

dings with large openings resisted better to the hydrodynamic impact of the wave.

The whole steel or concrete structure of the building remained intact and the upper floors could serve as shelters.

For the first time, Dr. Davide Wüthrich conducted a systematic experimental study in order to identify the effect of openings in buildings on the hydrodynamic loadings during wave impact. A sophisticated experimental set-up was developed which allowed to measure the dynamic forces acting on the building with a very high acquisition frequency. In order to hydraulically characterize the generated waves on dry and wet bed in terms of their water depths and flow velocities a novel methodology was used by the Dr. Wüthrich.

Based on the experimental study the Dr. Wüthrich proposes new formulae which allow to estimate the hydrodynamic loads on the building taking into account the effect of openings within an adapted resistance coefficient. This is an important information for designer in view of safer building infrastructures.

Geomorphic work by gravity currents with varying initial conditions

Extreme Hydrodynamic impact onto buildings

bet­ween the hydrodynamics of the gravity current and sediment transport capacity is still not well known. Above all there is a lack of knowledge regarding the circulation pattern inside the currents. With her experimental research work, using advanced measurement techniques, Dr Jessica Zordan made several novel contributions answering the following question: • What are the characteristic features in the head and body regions of a gravity current generated with the lock-exchange method and which is a common structure of the inherent vertical movements?

• With which parametrization the entrainment from the bottom can be defined taking into account the spatio-temporal variability of the gravity currents?

• Which mechanisms govern the en­trainment, transport and deposition of sediment and how the hydrodynamic of the gravity currents produces geomorphic changes on a mobile bed?

• Is there an interaction between the gravity current and the entrained sediment?

• How the turbulent structure of the gravity current influences the deposition of entrained sediments?

By answering the above questions, Dr. Zordan could give new insights on the behavior of gravity currents flowing over a mobile bed.

Zeitschriften «WasserWirtschaft» Themen in der Ausgabe 2 – 3 / 2020

Publikation: D. Wüthrich; Communication du Labora­toire de constructions hydrauliques-LCH Nº 74, EPFL, 2018, 260 Seiten, 20.5 x 14.5 cm; Hrsg.: Prof. A. Schleiss, ISSN 1661-1179, doi : 10.5075/epfl-lchcomm-74.

Beschrieb: The catastrophic tsunami ev­ ents in 2004 and 2011 revealed that buil62

Autor: Publikation: J. Zordan; Communication du Labora­toire de constructions hydrauliques-LCH Nº 75, EPFL, 2018, 185 Seiten, 20.5 x 14.5 cm; Hrsg.: Prof. A. Schleiss, ISSN 1661-1179, doi : 10.5075/epfl-lchcomm-75.

Beschrieb: Gravity currents are densitydriven flows which can have a high sediment transport capacity.

When occurring in reservoirs, lakes and in oceans, significant geomorphic changes may occur at the bottom. The coupling

• Sebastian Hanfland: Die Regen­bogen­ forelle in Bayern – Pro und Contra Be­satz in freien Gewässern • Christian von Landwüst: Monitoring gebietsfremder Fischarten in Rhein, Mosel und Lahn • Daniel Schmidt und Antje Strelow: Bachmuschelschutz bei der Gewässer­ unterhaltung – Chance statt Problem • Carolin Judeck, Volker Thiele, Claudia Hellmann und Simone Eisenbarth: Leistungen des Makrozoobenthos bei der Gegenstromwanderung in einem Fließgewässer des Norddeutschen Tieflandes • Martin Friedrichs, Simone D. Lang­ hans, Thomas Hein, Florian Borgwardt, Harald Kling, Sonja C. Jähnig und

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• Bernhard Mayrhofer und Alkisti Stergiopoulou: 2-Kammern-Orga­nis­ men­wanderhilfe – Umsetzung der Pilot­anlagen • Reinhard Hassinger und Sandra Koczula: Problemfeld Fischschutz und Fischabstieg – Hydraulik und Eignung von Feinrechen • Walter Reckendorfer: Druckverhältnisse in großen Kaplan-Turbinen und deren Auswirkungen auf die Überlebensraten von Fischen «Kleinwasserkraft» Themen in der Ausgabe 3 / 2019 • Werner Jauch, Verwaltungsrats­­prä­si­dent KW Schächen AG: Gute Fort­schritte beim Kraftwerk Schächen – Weitere Nutzungskaskade in anspruchsvoller Umgebung • Reiner Knittel, Messer Schweiz AG: Eine von uns: Die Messer Schweiz AG – Hochreine Gase dank Klein­wasser­­kraft

• Martin Bölli, Geschäftsleiter Swiss Small Hydro: Bundesgerichtsurteil zu ehehaften Wasserrechten – Wichtige Vorgehensempfehlungen an Kraft­ werkbesitzer • Michel Hausmann, Vorstandsmitglied Swiss Small Hydro: Wissenswertes zur MwSt. bei der Einspeisevergütung – Antwort auf Anfrage von Turbinor SA • Martin Bölli, Geschäftsleiter Swiss Small Hydro: Ziele der Energie­strategie 2050 dürften verfehlt werden – Kom­mentar von Swiss Small Hydro zur BFE-Studie Wasserkraft • Martin Bölli, Geschäftsleiter Swiss Small Hydro: Neues Merkblatt über die Kleinwasserkraft in der Schweiz – Kenn­daten, Fachausdrücke, Links und Grafiken • Andreas Walker, HK-Gebäudetechnik / Silent-Power: Strom aus Methanol mit Thermo-Photolumineszenz-Zelle – Ge­räuschloses Mikro-Kraftwerk mit 500 Watt elektrischer Leistung

© Manuel Minder

Die nächste Ausgabe von «Wasser Energie Luft» erscheint am Donnerstag, 11. Juni.

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Sami Domisch: Art-Areal-Modellierung für Fischarten im Ein­zugs­gebiet der oberen Donau – Aspekte zur Interpre­ta­ tion der Projektionen • Ursula Rock: Das Lahnfenster Hessen – Besucherzentrum und Umwelt­bildungs­ einrichtung • Kristof Reuther, Lukas Kirchgäßner und Günther Unfer: Bewegte Bilder für komplexe Themen • Steffen Wüst und Uwe Weibel: Tele­ metrie in der Barbenregion – Verhindert elektrische Fischscheuchanlage Sackgasseneffekt?

• Lisa Wilmsmeier, Nils Schölzel, Alvaro Baumann y Carmona und Armin Peter: Fischzählbecken – die unterschätzte Bedeutung der Reusenkehle • Martin Mühlbauer, Clemens Ratschan, Wolfgang Lauber und Gerald Zauner: Das asymmetrische Raugerinne, ein neuer Fischaufstiegsanlagen-Typ • Klaus Jorde und Janine Bryan: Das Whooshh-Fish-Passage-System für den Fischaufstieg an hohen Stau­anlagen

Publireportage

Aufwertung eines landschaftlichen Juwels in Graubünden

Gewandt schlängelt sich der Zug der Rhä­ tischen Bahn von Poschiavo immer hö­her hinauf Richtung Berninamassiv. Nach et­ wa 20 Minuten Fahrt ab Poschiavo zwängt er sich durch die Enge bei Puntalta. An­ schlies­­send wird es flach und dem Rei­ sen­den eröffnet sich ein weiter Blick auf die Cavaglia-Ebene. Wie ein kleines Para­ dies liegt sie auf rund 1700 m ü. M. von Bergen umgeben da. Gegen Norden hin ist in der Höhe der sich zurückziehende Palügletscher zu sehen, der die Ebene in prähistorischer Zeit geformt hat.

Die Cavaglia-Ebene im Puschlav im Südosten Graubündens ist wahrlich ein landschaftliches Juwel. Gemäss Naturund Landschaftsschutzinventar des Kan­ tons Graubünden sind die Gewässer so­ wie die angrenzenden Bereiche in der

Cavaglia-Ebene derzeit als Aue von lo­ka­ ler Bedeutung ausgeschieden. Der rechte Flussuferbereich rund um den Weiler Ca­ vagliola liegt in einer Landschafts­schutz­­ zone von regionaler Bedeutung. Ebenso befindet sich auf dem Gebiet von Cavaglia ein Flachmoor von regionaler Bedeutung, welches Lebensraum für eine Vielzahl von Pflanzen- und Tierarten bietet. Die Schutz­ objekte manifestieren den hohen öko­ logischen und landschaftlichen Wert der Cavaglia-Ebene.

Gleichgewicht zwischen Schutz und Nutzung Seit jeher dient die Ebene aber auch der landwirtschaftlichen Nutzung und im et­ was abseits gelegenen Wasserkraftwerk

wird bereits seit fast 100 Jahren Strom produziert. Am kleinen Bahnhof der Rhä­ tischen Bahn steigen insbesondere im Sommer zahlreiche Wanderer aus und die rasanten Abfahrten ziehen viele Mountain­ biker an. Im Winter entdecken Schnee­ schuhläufer die Gegend. Von einem reinen Naturidyll kann deshalb nicht gespro­chen werden – Landschaft, Tourismus, Land­ wirt­ schaft und Wasserwirtschaft exis­ tieren parallel und es gilt, ein Gleichge­wicht zwischen Schutz und Nutzung zu finden.

Genau dieses Ziel verfolgt die Revita­ lisierung der Hochebene. Trotz der ökologischen und landschaftlichen Bedeu­ tung bestanden bis vor Kurzem an di­ versen Standorten entlang der Hauptge­ wässer Acqua da Palü und Cavagliasch

Der revitalisierte Bach Cavagliasch, der die Cavaglia-Ebene durchfliesst. Im Hintergrund links der Piz Palü, in der Mitte der Piz Cambrena.

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Publireportage Die neu gebaute, höher gelegene Brücke vermeidet Abbaggerungen und die damit verbundene Zerstörung der Uferhabitate. grosse Aufwertungspotenziale. Das Ener­ gie­un­ternehmen Repower, welches das Kraft­werk Cavaglia und auch das oberhalb gelegene Kraftwerk Palü betreibt, hat deshalb zusammen mit den Umwelt­ spezia­listen von ecowert ein Revitalisie­ rungs­­konzept entwickelt. Dieses sieht in einem ersten Schritt Massnahmen an den Bach­ läufen vor wie zum Beispiel den Rück­bau von Uferverbauungen sowie den Ersatz einer zu tief liegenden Brücke. In einem zweiten Schritt sind bauliche Mass­ nah­ men geplant, die in direktem Zu­­ sammen­hang mit dem Kraftwerksbetrieb stehen. So soll das Auslaufbauwerk des Kraft­­werks Cavaglia landschaftsver ­träg­ licher gestaltet und die bisherige teilweise einbetonierte Frei­spie­gel­leitung in den Boden verlegt werden. Schliesslich sind in einem dritten Schritt Aufwertungs­mass­ nahmen in Zusammen­hang mit der landwirtschaftlichen Bewirt­schaf­tung vor­ge­ sehen.

Neue Brücke für einen ungestörten Wasserlauf Bereits abgeschlossen ist der Ersatz eines Holzstegs, der als Übergang zu einer land­ wirtschaftlich genutzten Parzelle dient. ­­ Der Steg stellte die grösste Störung im Ein­­flussbereich der Fliessgewässer in der Cavaglia-Ebene dar. Die tiefe Bauweise führte dazu, dass es bei Hochwasser­­­ ereignissen zu einem Rückstau kam und

der Steg überspült wurde. Der Übergang konnte nur durch permanente Abbag­ge­ rungen sichergestellt werden, die wiederum seitlich zu meterhohen Wällen und der Zerstörung der Uferhabitate über hunderte Meter führte. Mit dem Bau einer höhergelegenen Brücke im Jahr 2018 konnte dieses Problem behoben werden. Weiter wurden im vergangenen Sommer bereits diverse Uferverbauungen rückgebaut, Sei­ ­ten­bäche aufgewertet und ein Bachlauf verlegt. Die Kosten dieser ersten Etappe der Revitalisierung belaufen sich auf 400 000 Franken. Die weiteren Schritte (Re­ ­­vitalisierungsmassnahmen im Zu­sam­men­ hang mit den Kraftwerksanlagen so­wie Auf­wertungsmassnahmen in Zusam­men­ hang mit der landwirtschaftlichen Be­wirt­ schaftung) sind noch in der Planungs­ phase.

Ziel der Revitalisierungsmassnahmen in der Cavaglia-Ebene ist ein Mosaik aus unterschiedlichen Lebensräumen mit offenen Kiesflächen, Pioniergesellschaften sowie Wald- und Buschgesellschaften.

Das Vorkommen standorttypischer und seltener Tier- und Pflanzenarten soll gefördert und innerhalb des Gewässer­sys­ tems sollen wieder eigendynamische Pro­ zesse zugelassen werden. Uner­läs­s­liche und notwendige Schutzbauten sollen so angepasst werden, dass die Ver­netzung der verschiedenen Wasserläufe gewährleistet ist und das Landschaftsbild nicht gestört wird.

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Ökostromkunden machen es möglich Finanziert werden die Revitalisie­ rungs­ mass­ nahmen aus dem Ökofonds von Repower. Dieser wiederum wurde durch den Verkauf von Ökostrom aus den Kraft­ werken Palü und Cavaglia gespiesen. Kun­ dinnen und Kunden von Repower, die sich für das Stromprodukt PUREPOWER entscheiden, erhalten gegen einen Aufpreis qualitativ hochwertigen, zertifizierten Öko­ strom aus Graubünden geliefert. Dieser Aufpreis wird hauptsächlich zweckge­ bunden für regionale Umwelt­schutz­pro­ jekte und die Energiewende eingesetzt.

Der Zug der Rhätischen Bahn setzt seine Reise fort. Nach der kurzen Ver­ schnaufpause in Cavaglia geht es wieder bergan in Richtung Alp Grüm. Von dort oben ist die Cavaglia-Ebene noch einmal in ihrer ganzen Grösse und Schönheit zu überblicken, einladend für Erholungs­su­ chende und gleichzeitig schutzbedürftig mit ihrer verletzlichen Natur.

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«Wasser Energie Luft» ist offizielles Organ des SWV und seiner Gruppen: / «Eau énergie air» est l’organe officiel de publication de l’ASAE est ses groupes régionaux: Associazione Ticinese di Economia delle Acque (ATEA), Verband Aare-Rheinwerke (VAR), Rheinverband (RhV).

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