Wasser Energie Luft 1/2013 by Schweizerischer Wasserwirtschaftsverband SWV

1-2013

Das Fischaufstiegs- und Laichgewässer beim Kraftwerk Rheinfelden (Luftaufnahme Meyer, Hasel)

14. März 2013

· Neubau KW Rheinfelden · Nachhaltiges Auenmanagement · Pumpspeicherung · KOHS-Empfehlung Freibord

Das Schweizerische Talsperrenkomitee beabsichtigt, auch im Jahr 2014 einen Talsperrenkalender mit je 13 Blättern (Bild und Text, inklusive Titelblatt) herauszugeben. Dazu werden Bilder von Schweizer Talsperren gesucht, welche diese mit Freizeitaktivitäten wie Baden, Wandern, Segeln, Surfen, Klettern, Base-Jumping (Seil, Fallschirm), Skifahren, Langlauf, Wasserski, Fischen, Seilbahn, Nachtbeleuchtung u.s.w., in ihrer Umgebung zeigen. Um allen Interessierten eine Chance zu geben, sich an diesen Kalendern zu beteiligen, führt das Schweizerische Talsperrenkomitee auch 2013 einen Fotowettbewerb durch. An die Fotos werden folgende Ansprüche gestellt: • Gute Qualität, farbig, bei Analogaufnahmen gute Optik und feinkörnigen Film verwenden. Digitale Fotos müssen eine Auflösung aufweisen von 300 dpi (Pixel pro Inch) im Originalformat (mind. A4). Dies entspricht rund 7–8 Mio. Pixel! • Querformat, Verhältnis B/H = 3/2, vergrösserbar bis 40 × 28 cm • Angabe von Ort, Fotograf und Datum (soweit bekannt) • Unentgeltliche Abgabe des Rechts zur uneingeschränkten Verwendung durch das Schweizerische Talsperrenkomitee Teilnahmeberechtigt ist jedermann, es können eine oder mehrere Fotos eingereicht werden. Prämiert werden die jeweils besten Fotos zu den 13 Stauanlagen, welche auf der Vorderseite des Kalenders erscheinen, mit je CHF 200.–. Die Fotos sind einzusenden bis zum 31. März 2013 an: Schweizerisches Talsperrenkomitee · z.H. Herr B. Joos c/o Stucky Ingénieurs-Conseils SA · Rue du Lac 33 · CH-1020 Renens Le Comité suisse des barrages envisage de publier en 2014 à nouveau un calendrier annuel sur des barrages suisses, contenant 13 feuilles (photo et texte). Dans ce but, nous cherchons des photos présentant des barrages suisses dans le contexte de loisirs et détente, comme baignade, balade, voile, planche à voile, escalade, base jumping (fil et parachute), ski, ski de fond, ski nautique, pêche, remontées mécaniques, spectacle nocturne, etc., dans leur environnement. Pour donner une chance à chacun de participer à ce calendrier 2014, la réalisation de ces photos est mise au concours par le Comité suisse des barrages. Les exigences suivantes sont formulées: • Bonne qualité, couleurs, bonne optique et film de grain fin pour des photos conventionnelles. Un minimum de 300 dpi (digits/inch) pour des photos digitales au format final (minimum A4). Ces exigences correspondent à 7–8 mio. de pixels! • Format oblong, proportions L/H = 3/2, agrandissement jusqu’à 40 × 28 cm • Lieu, photographe, date (si possible) • Mise à disposition gratuite du droit de reproduction non limité au Comité suisse des barrages Tout le monde peut participer au concours avec une ou plusieurs photos sur les sujets mentionnés ci-dessus. Un prix de CHF 200.– sera attribué à la photo retenue pour chacun des 12 mois, ainsi que pour la photo de garde du calendrier. Les photos sont à envoyer jusqu’au 31 mars 2013 à: Comité suisse des barrages · Att. M. B. Joos c/o Stucky Ingénieurs-Conseils SA · Rue du Lac 33 · CH-1020 Renens

TALSPERRENKALENDER 2014

Schweizerisches Talsperrenkomitee Comité suisse des barrages Comitato svizzero delle dighe Swiss Committee on Dams

«Wasser Energie Luft» – 105. Jahrgang, 2013, Heft 1, CH-5401 Baden

Editorial Pyrrhus im Misox

«N

Roger Pfammatter Geschäftsführer SWV, Directeur ASAE

och so ein Sieg, und wir sind verloren». König Pyrrhus von Epirus war nach einer gewonnenen Schlacht in Süditalien offenbar der Meinung, ähnlich geschwächt wie der Verlierer vom Platz zu gehen. Rund 2300 Jahre später verleitet das Urteil des Bundesgerichtes zur Restwassersanierung bei den Misoxer Kraftwerken (vgl. BGE 1C_262/2011 vom 15.11.2012) zu ähnlichen Gedanken. Die höchste richterliche Instanz hat die Beschwerde von Umweltschützern und Fischern gegen die kantonale Sanierungsverfügung gutgeheissen. Die vom Verwaltungsgericht noch gestützte Lösung, die der Moesa immerhin 5 Mio. m3 mehr Wasser und dem Kraftwerk Einbussen von rund 5% beschert hätte, wird als ungenügend beurteilt und an den Absender zurückgeschickt. Auf den ersten Blick würde man die Beschwerdeführer zu den Siegern und die Kantonsbehörden zu den Geschlagenen zählen. Aber was ist gewonnen? Die Moesa bleibt weiterhin trocken. Die Kantone müssen bezüglich vorbereiteter Sanierungen über die Bücher. Und besonders irritierend: die vom Konzessionsnehmer entschädigungslos hinzunehmenden Eingriffe in sein Recht der Wassernutzung werden nach richterlichem Gutdünken in der nach oben offenen Skala der

wirtschaftlichen Tragbarkeit weiter ausgedehnt. Das sollte der Schweiz nicht egal sein. Zum einen sind Eigentumsgarantie und Vertrauensschutz Werte, die wir im persönlichen Umfeld ja auch sehr gerne gewahrt sehen. Zum anderen ist die Wasserkraft der wichtigste energiepolitische Trumpf der Schweiz und eine Schwächung ihrer Konkurrenzfähigkeit der Versorgungssicherheit nicht gerade zuträglich. Gewonnen ist also gar nichts. Und das Schlachtfeld – um beim Bild von Pyrrhus zu bleiben – dürfte sich nun einfach zu den Berechnungsmodellen wirtschaftlicher Tragbarkeit verlagern. Besteht diesbezüglich keine Einigkeit und Kompromissfähigkeit, drohen weitere Jahre der juristischen Auseinandersetzung. Ursprung des Übels ist das gesetzgeberische Fehlkonstrukt des Sanierungsartikels. Die Verwendung unbestimmter Rechtsbegriffe und die Einführung entschädigungsloser Eingriffe in bestehende Rechte hat zwar zu Juristenfutter, aber wenig materiellem Fortschritt geführt. Es ist höchste Zeit, die Finanzierung der Sanierungen fair und verursachergerecht zu lösen. Sachgerecht wäre eine Finanzierung wie sie das Parlament für die Sanierungen Schwall/Sunk und Geschiebehaushalt gefunden hat: über einen Netzzuschlag durch die Stromkonsumenten.

Pyrrhus dans le Misox

«E

ncore une telle victoire, et nous sommes perdus». Ces mots prononcés par Pyrrhus, le Roi d’Epire, après une bataille gagnée dans le sud de l’Italie trahissent son sentiment de quitter le champ de bataille aussi affaibli que le perdant. Environ 2300 ans plus tard, l’arrêt du Tribunal fédéral sur l’assainissement des débits résiduels aux centrales hydroélectriques du Misox (cf. BGE 1C_262/2011 du 15.11.2012) pousse à la même réflexion. La plus haute instance juridique a approuvé la plainte des écologistes et des pêcheurs contre les mesures d’assainissement cantonales. La solution soutenue par le Tribunal administratif, qui aurait tout de même accordé 5 millions de m3 d’eau supplémentaire à la Moesa et environ 5% de pertes à la centrale, est jugée insuffisante et renvoyée à l’expéditeur. A première vue, on rangerait les recourants du côté des vainqueurs et les autorités cantonales parmi les perdants. Mais quel est le résultat? La Moesa restera sèche. Les cantons devront fournir des mesures d’assainissement plus abouties. Et ce qui est particulièrement déconcertant: les atteintes réalisées sans contrepartie par le concessionnaire dans son droit d’utilisation de l’eau sont après convenance juridique encore tirés vers le haut de l’échelle de la soutenabilité économique. Cela ne peu être égal à la Suisse. D’une «Wasser Energie Luft» – 105. Jahrgang, 2013, Heft 1, CH-5401 Baden

part, la garantie de propriété et la protection de la confiance légitime sont des valeurs que nous défendons avec vigueur dans le cadre personnel. D’autre part, l’énergie hydraulique est l’atout le plus important de la Suisse en matière de politique énergétique, et un affaiblissement de sa compétitivité dans la sécurité énergétique n’est pas profitable. Rien n’a donc été gagné. Et le champ de bataille – pour garder l’image de Pyrrhus – pourrait tout simplement se déplacer aux modèles de calcul de soutenabilité économique. À cet égard, si aucun accord et capacité de compromis ne sont trouvés, des années de démêlés judiciaires sont à craindre. Le problème réside dans la construction législative erronée de l’article d’assainissement. L’emploi de notions légales indéterminées et l’introduction d’atteintes sans contrepartie dans le droit actuel apportent certes de l’eau au moulin des juristes, mais peu de progrès matériel. Il est plus que temps de résoudre de manière équitable et responsable le financement des assainissements. Un financement tel que le parlement l’a décidé pour l’assainissement des exploitation par éclusées et le bilan sédimentaire serait satisfaisant : une surtaxe de réseau à la charge des consommateurs d’électricité. III

Inhalt 1

1l2013

Neubau Kraftwerk Rheinfelden Armin Fust, Helmut Reif, Alick Schwyzer, Frank Pelzer, Beat Karrer, Stefan Ficht, Jochen Ulrich, Gerhard Blessing

Hydroökologie und nachhaltiges Auenmanagement – Die Sandey-Aue als Modellökosystem für eine Konzeptstudie Michael Doering, Steffen Schweizer, Martina Blaurock, Silvia Oppliger, Matthias Fuchs, Christopher T. Robinson

Bedeutung der internationalen Wasserkraft-Speicherung für die Energiewende in Deutschland Michel Piot

Ausbau Pumpspeicherung – lohnt sich das? Jan Remund

Pumpspeicherkraftwerk Nant de Drance, Schweiz – Wiederbelebung einer innovativen Lösung für die Erstellung der Wasserfassungen Emad Graf

14 35

Schwebstoffmonitoring zum verschleissoptimierten Betrieb von Hochdruck-Wasserkraftanlagen Robert M. Boes, David Felix, Ismail Albayrak

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Inhalt

1l2013

Freibord bei Hochwasserschutzprojekten und Gefahrenbeurteilungen – Empfehlungen der Kommission Hochwasserschutz (KOHS) KOHS

Freibord bei Hochwasserschutzprojekten und Gefahrenbeurteilungen – Fallbeispiele KOHS

Unwetterschäden in der Schweiz im Jahre 2012 – Rutschungen, Murgänge, Hochwasser und Sturzereignisse Norina Andres, Alexandre Badoux, Christoph Hegg

Nachrichten Politik Wasserkraftnutzung Wasserkreislauf/Wasserwirtschaft Hochwasserschutz/Wasserbau Gewässer/Revitalisierung Energiewirtschaft Klima Veranstaltungen Agenda Literatur Industriemitteilungen

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«Wasser Energie Luft» – 105. Jahrgang, 2013, Heft 1, CH-5401 Baden

Neubau Kraftwerk Rheinfelden Armin Fust, Helmut Reif, Wolfgang Biesgen , Alick Schwyzer, Frank Pelzer, Beat Karrer, Stefan Ficht, Jochen Ulrich, Gerhard Blessing

Projektbericht 2009–2012 Ein erster Projektbericht 2002–2008 (Halbzeitbericht) ist in «Wasser Energie Luft» 2008, Heft 3 erschienen [1]. Darin sind hauptsächlich der Bau des Stauwehrs in den ersten zwei Baugruben im Rhein und die Vorbereitung der dritten Baugrube für das Maschinenhaus beschrieben. Der vorliegende Bericht beschreibt den Projektablauf von der Halbzeit 2008 bis zur Fertigstellung 2012. Ein ausführlicher Bericht über das Gesamtprojekt [2] kann bei Energiedienst AG angefordert werden. Zusammenfassung Die Energiedienst AG erhielt 1989 neue Konzessionen für weitere 80 Jahre Kraftwerksbetrieb am Standort Rheinfelden. Damit verbunden war die Auflage, ein neues Kraftwerk mit höherer Stromproduktion zu errichten. Entstanden ist ein 100-Megawatt-Laufwasserkraftwerk mit vier Rohrturbinen und einem Wehr mit sieben Öffnungen. 380 Millionen Euro wurden in das neue Kraftwerk investiert. Im Dezember 2010 produzierten erstmals alle Maschinengruppen Strom. Die Stromproduktion wurde gegenüber der alten Anlage mehr

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als verdreifacht und stieg von 185 auf 600 Millionen Kilowattstunden pro Jahr. Verbunden mit dem Kraftwerksneubau sind zahlreiche Ausgleichsmassnahmen, die den Raum ökologisch aufwerten. Kernstück ist ein rund 900 Meter langes naturnahes Fliessgewässer, das 2012 den bisherigen Kraftwerkskanal in einen wertvollen Lebensraum für zahlreiche Fisch- und Pflanzenarten verwandelte. Das neue Stauwehr wurde von 2003 bis 2007 gebaut, es folgte das Maschinenhaus, das Mitte 2010 den Betrieb aufnahm. Im Unterlauf des Kraftwerks wurde der Rhein eingetieft, um das Gefälle zu erhöhen. Das Oberwasser wurde um 1.4 Meter höher gestaut. Dies erforderte Sicherungsmassnahmen an umliegenden Gebäuden. Im September 2011 wurde das neue Kraftwerk offiziell eingeweiht. Die Fertigstellungsarbeiten der Kraftwerksumgebung dauerten noch bis Ende 2012. Im Frühjahr 2011 war die alte Kraftwerksanlage rückgebaut worden. Die älteste Maschine ist betriebsgetreu erhalten und dokumentiert im «Pavillon Kraftwerk 1898», welcher im Juli 2012 eingeweiht und der Öffentlichkeit zugänglich gemacht wurde.

Kraftwerk Rheinfelden mit naturnahem Fliessgewäs-1 ser am 01.08.2012

1. Rheineintiefung In der Rheinsohle wurde auf einer Länge von 1.8 Kilometern ein Kanal bis zur Altstadt von Rheinfelden/Schweiz ausgebaggert, um dem turbinierten Wasser nach dem Maschinenhaus einen möglichst freien Abfluss zu ermöglichen. Der Kanal ist 100 Meter breit und 12 bis 4 Meter tief. Von der Maschinenhaus-Baugrube bis zur alten Fussgängerbrücke wurde am rechten Rand des auszuhebenden Kanals ein befestigter Damm geschüttet. Dafür wurde Aushubmaterial von der Baustelle verwendet. Der Damm diente als Fahrbahn und Standfläche für die grossen Aushubund Transportgeräte. Eine 50 Meter lange Baubrücke verband den ufernahen Damm mit demjenigen, der in der Kanalachse flussabwärts weitergeschüttet wurde.

Dies gewährleistete den Rheinabfluss rechts und links des Damms. Ausgehend vom Hauptdamm in der Kanalachse wurden rheinabwärts jeweils Querdämme auf die Schweizer Seite geschüttet und von denen aus die eine Kanalhälfte ausgebaggert. Das gewonnene Material wurde für den folgenden Querdamm wie auch für die Verlängerung des Hauptdamms verwendet. Ab dem unteren Ende der Eintiefung, welche im Mai 2009 erreicht war, arbeiteten sich die Aushubgeräte wieder rheinaufwärts und baggerten bis Mitte April 2011 den Hauptdamm sowie den darunterliegenden Fels bis an die rechte Kanalseite aus. Der geschüttete Damm im Rhein wurde in dieser Zeit mehrmals durch Hochwässer überflutet und beschädigt und musste deshalb wiederher-

Bild 1. Unterster Punkt der Rheineintiefung im Mai 2009.

gestellt werden. Für den Aushub von einer Million Kubikmeter Material, davon 90 Prozent Fels und der Rest Kies, wurden grosse Geräte eingesetzt. In Spitzenzeiten baggerten gleichzeitig drei jeweils 130 Tonnen schwere Raupenbagger mit speziell langem Monoblock. Mit einem Reisszahn oder einem Meissel bestückt, konnten sie den Fels bis in acht Meter Tiefe lösen. Ein in den Baggern integriertes GPS-System half den Maschinenführern bei der Orientierung unter Wasser. Für den Aushub zwischen Maschinenhaus und Fussgängerbrücke mussten bis in Tiefen von 12 bis 8 Metern 420 000 Kubikmeter Fels durch Sprengungen gelockert werden. In einem ersten Schritt mussten auf der Rheinsohle mit gebrochenem Felsmaterial Arbeitsplattformen geschüttet werden. Von diesen aus trieben Bohrgeräte Löcher in den Fels bis etwa einen Meter unter die Sollkote des auszubaggernden Kanals. Dazu wurden Pumpsprengstoffe unmittelbar am Bohrloch aus nicht explosiven Einzelstoffen gemischt und über einen Schlauch im tiefsten Punkt des Bohrlochs eingebracht. Gestaffelte Zündungen mehrerer Bohrlöcher in kurzen Zeitabständen liessen die einzelnen Ladesäulen detonieren. Die aus den Sprengungen resultierenden Erschütterungseinwirkungen wurden permanent überwacht durch die Materialprüfungs- und Forschungsanstalt der Universität Karlsruhe. Für die drei Baugruben und die 1.8 Kilometer lange Rheineintiefung mussten 1.4 Millionen Kubikmeter Fels ausgebaggert werden, ein kleiner Teil davon fiel als Schotter an. Für die Deponierung dieses Aushubmaterials konnte mit einem Steinbruch auf deutscher Seite und einer Kiesgrube in direkter Nähe zur Baustelle auf Schweizer Seite ökologisch sinnvolle Lösungen gefunden werden. Ein beachtlicher Teil des Materials wurde in der vor Ort aufgestellten Brecheranlage zu drei Gesteinsfraktionen zerkleinert und wieder verwendet. 2.

Bild 2. Mit vier Kubikmeter fassenden Löffeln beluden die drei 130 t-Bagger sieben Dumper, die das Material zu den Deponien brachten. 2

Bau des Maschinenhauses und des Empfangsgebäudes Nachdem im November 2007 die dritte Baugrube für das Maschinenhaus einschliesslich des Wehrfelds 1 ausgehoben und mit aufwendigen Injektionen abgedichtet war, wurden Anfang Februar 2008 die tiefsten Stellen der Baugrube auf Kote +237,00 m NSH ausgebaggert. Danach wurde mit den vorbereitenden Betonarbeiten und der Einrichtung der Wasserhaltung begonnen. Die tiefsten Punkte

«Wasser Energie Luft» – 105. Jahrgang, 2013, Heft 1, CH-5401 Baden

Bild 4. Baugrube Maschinenhaus.

Bild 3. Schematische Lage des Maschinenhauses in der Baugrube. der Baugrube waren der Entleerungs- und Drainagesumpf, welche der Turbinen- und Drainagenentwässerung dienen. In dieser Aushubtiefe waren die geologischen Übergänge vom Trochitenkalk zum darunterliegenden Dolomit an den Felswänden gut erkennbar. Parallel wurden im Wehrfeld 1 Untergrundverbesserungen mit Beton im Bereich der Felsoberflächen ausgeführt. Anschliessend begannen auch hier die Schal-, Bewehrungs- und Betonarbeiten zur Erstellung der Fundamente für das Maschinenhaus. Der Bau des Maschinenhauses erfolgte in drei Bauabschnitten: 1. Einlaufplatte 2. Kernbereich Turbinentrakt mit dem Turbinenhaus einschliesslich des Kernbereichs mit der Saugrohrpanzerung 3. Saugrohrtrakt mit dem darüberliegenden Anlagengebäude Der an das Maschinenhaus angrenzende Wehrpfeiler Ost wurde in drei analoge Abschnitte unterteilt. Aufgrund der Komplexität der Bauarbeiten wurden die grossen Bauabschnitte in sogenannte «Blocketappen» unterteilt, welche sich aus den jeweiligen Betonierabschnitten ergaben. Die Blocketappen wurden zur detaillierten Übersicht der einzelnen Abschnitte als zusammengefasste Blockfugenpläne gezeichnet.

Bild 5. Unterwasserauslauf Saugrohrstrukturen Maschinen 1–4.

Der Plan gab die wichtigsten Betonierund Montageabläufe vor, die zwingend im Bauablauf, dem sogenannten kritischen Weg, eingehalten werden mussten. In den aus den Blockfugenplänen hervorgehenden Schalplänen waren auch das Abdichtungskonzept, die verschiedenen Einlegeteile und die zu verlegenden Leitungen eingezeichnet. Eine Besonderheit war die Unterteilung in eine Konstruktions- und Ausführungsplanung. Die Ausführungspläne der Schalung und Bewehrung wurden vor der Freigabe von einem unabhängigen Statiker geprüft. Im Kernbereich des Maschinenhauses wurden zuerst die Fundamente der Maschinengruppen 1 bis 4 einschliesslich der Fundamente der Saugrohrpanzerungen gegossen. Anschliessend wurden die Erstbetonstrukturen der oberwasserseitigen Pfeiler und die Einlaufkonturen der einzelnen Maschinengruppen des Kerntrakts erstellt. Gleichzeitig wurden die unterwasserseitigen Erstbetonstrukturen der Pfeiler in den Bereichen der Saugrohrpanzerungen betoniert, so dass die Saugrohrpanzerungen montiert werden konnten. Der zwischen dem Maschinenhaus und der Wehranlage stehende Trennpfeiler (Dotierpfeiler) wurde in den tieferen Gründungsbereichen gegen den Fels der deutschen Uferseite betoniert. Die in der Baugrube höher liegenden Betonstrukturen

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des Wehrfelds 1, die Oberwassereinlaufplatte und die auf Bohrpfählen gegründete Uferwand der Schweizer Seite wurden zunächst unabhängig vom Maschinenhaus erstellt. Später mussten die Bauarbeiten in diesen Abschnitten jedoch so weit fortgeschritten sein, dass die Rohbaustrukturen des Maschinenhauses im weiteren Baufortschritt gemeinsam mit diesen Bauteilen hochgezogen werden konnten, weil diese Bauteile dann baulich ineinandergriffen. Parallel mit dem Zweitbeton bzw. Einbetonieren der Saugrohrpanzerungen wurden die unterwasserseitigen Fundamente und Erstbetonwände der Saugrohre betoniert. Jedes Saugrohr wurde zweiteilig ausgeführt. Als Erstes wurde die untere Schalung der Saugrohre eingebaut und betoniert. Für die zweite Hälfte der Saugrohre wurde eine obere Schalung eingesetzt. Gleichzeitig arbeitete man im Einlaufbereich mit Hochdruck an den Einlaufpfeilern. Nachdem auf dem Werk- und Montageplatz am Schweizer Ufer die Fundamentwände der Kranbahnträger gebaut und die Baugruben verfüllt waren, konnte der zweite Portalkran montiert werden. Die Fertigstellung der Kranbahnträger vom Werkplatz bis zur Maschinengruppe 1 ermöglichte die weitere Montage der Maschinenbauteile in diesem Abschnitt. So 3

Bild 6. Der Stützringschacht ist eingebaut und die Montagen von Turbine bzw. Generator kann beginnen konnte der Stützringschacht Maschinengruppe 1 und der Mauerring Maschinengruppe 1 eingehoben und mit dem Betonieren der Zweitbetonetappen begonnen werden. Nach dem Verguss des Mauerrings wurde die obere Deckenschalung der Einlaufkonturen im Oberwasser mit dem Stahlrahmen des Generatordeckels eingebaut, bewehrt und betoniert. Diese Taktfolge wurde in den Maschinengruppen 2 bis 4 mit den gleichen Abläufen wiederholt. Für die späteren Montagen der noch schwereren Maschinenbauteile wurden die Portalkräne gekoppelt. Dazu mussten zuvor die Kranbahnwände und der Überbau des Wehrfelds 1 fertig gestellt werden. Um Zeit zu sparen, wurde im Einlaufbereich wie im Saugrohrabschnitt eine zweite obere Kalottenschalung eingesetzt. Am Schweizer Ufer wurde der Vertical-Slot-Fischpass als ein vom Maschinenhaus entkoppeltes Stahlbetonbauwerk im Fels verankert und betoniert. Die einzelnen Schlitzpasselemente wurden als Fertigteile ausgebildet und vor Ort mittels Winkeln und Ankerhülsen mit den Wänden und dem Boden verschraubt. Das Substrat für die Sohle des Fischpasses wurde aus dem vorhandenen Felsaushub gewonnen und in den einzelnen Fischpassbecken verlegt. Die Niveaudifferenz zwischen den Becken beträgt 15 Zentimeter, und die Schlitzbreite für den Durchgang der Fische misst 30 Zentimeter. Beim Erstbeton des Maschinenhauses handelt es sich im Wesentlichen um Massenbeton, einen speziellen Beton, der vor allem für massige Bauteile verwendet wird. Er muss hier in erster Linie den wasserbauspezifischen Eigenschaften genügen. So muss er sulfatbeständig sein, da er mit kalkhaltigem Fels in Berührung kommt. Zusätzlich muss er wasserbeständig gegen Karbonatisierung sein. Für Fischpass, Tunnel und Wehrschwelle 4

Bild 7. Blick auf den Vertical-Slot-Fischpass am Schweizer Ufer.

wurde Beton mit höheren Druckfestigkeiten und Bewehrungsgraden verwendet, da die schlankeren Bauweisen höhere Anforderungen an das Material stellten. Zur Verringerung der Hydratationswärme beim Abbinden und Erhärten des Betons wurde CEM I (Portlandzement) mit Zugabe von Flugasche unter Einhaltung eines Wasser-/Bindemittelgehaltes (Bindemittel = Zement + Flugasche) von im Mittel 0.48–0.50 verwendet. Insgesamt wurden für die Bauarbeiten am Maschinenhaus, den Wehrpfeilern und den die Baumassnahme tangierenden Gewerken einschliesslich Tunnel, Fischpass auf Schweizer Seite und Empfangsgebäude rund 176 000 Kubikmeter Beton und etwa 16 000 Tonnen Betonstahl verbaut (Maschinenhaus 100 000 Kubikmeter Beton, Dotierpfeiler 26 000 Kubikmeter und Tunnel 11 000 Tonnen Stahl, Stauwehr und Wehrinsel 50 000 Kubikmeter Beton, 4500 Tonnen Stahl). Dank der Betonherstellung in direkter Nachbarschaft zur Baustelle und der Verwendung von auf der Baustelle angefallenem Kies konnten Betontransporte durch die bewohnten Gebiete vermieden werden. Das auf der Zugangsebene von Schweizer Seite liegende Empfangsge-

bäude ist ein zweistöckiges Gebäude, wobei das Erdgeschoss eine Ausstellung beherbergt und das Obergeschoss bis zu 80 Personen Platz für Schulungen und Anlässe bietet. Die Fundamente des Gebäudes sind aufwendig über dem Fischpass gegründet und bis zu fünf Meter tief sowie erdbebensicher ausgelegt. Die Gebäudehülle ist mit einem Vollwärmeschutz gedämmt. Auf dem Wärmeschutz wurde eine Konstruktion aus Fassadentafeln befestigt. Die zum Unterwasser und in Südwest-Ausrichtung angelegte Terrasse ist vom Obergeschoss aus begehbar und durch Pfeiler auf den Fischpasswänden gegründet. 3.

Montage der Anlagenausrüstung Im neuen Kraftwerk kommen vier doppelt regulierte Rohrturbinen zum Einsatz. Generator und Turbine bilden dabei eine Einheit, die vom Wasser umströmt wird. Alle Medien wie Regelöl, Druckluft, Kühlwasser und Strom werden über einen Einstiegsschacht in den Generatorbereich geführt. Auch die Messsignal- und die Energieableitungskabel werden durch diesen Verbindungsschacht zur Warte und zur Schaltanlage geführt. Durch den Ein-

Bild 8. Blick auf das Kraftwerk mit dem Empfangsgebäude am rechten Bildrand. «Wasser Energie Luft» – 105. Jahrgang, 2013, Heft 1, CH-5401 Baden

bau der Maschine in der Strömungslinie muss das Wasser im Gegensatz zu einer vertikal eingebauten Kaplanmaschine nicht zusätzlich umgelenkt werden. Die Haupttragkonstruktion ist der Stützringschacht, der an den beiden Enden starr in den Beton eingebunden wird. In Richtung Oberwasser wird der Generator angeflanscht, auf der Abflussseite wird die Turbine befestigt. Wegen der Grösse der Bauteile wurde jedes in vier Teilen gefertigt und in der Baugrube verschweisst. Der Mauerring ist die vorderste Stahlummantelung im Triebwasserweg und musste wegen der grossen Abmessungen ebenfalls auf der Baustelle zusammengefügt werden. Der Leitapparat mit 16 Schaufeln und Federlenkern wird direkt an den Mauerring angeflanscht. Das Laufrad mit 6.5 Meter Durchmesser weist vier Flügel auf, welche sich durch einen in der Nabe des Laufrades eingebauten Servomotor gleichmässig von 0 bis 38 Grad verstellen. Der Laufradmantel schliesst sich an den Leitapparat an und hat einen kugeligen Bereich, in dem sich das Laufrad dreht. Der Spalt zwischen Laufrad und Laufradmantel beträgt nur drei Millimeter. Im Saugrohr wird die Fliessgeschwindigkeit wieder reduziert indem der Abflussquerschnitt auf einer Länge von etwa 30 Metern zunimmt und von rund auf rechteckig ändert. Um Betonschäden zu vermeiden wurden die ersten 8.5 Meter des Saugrohrs mit zwei Zentimeter dickem Stahlblech ausgekleidet. Der Stator des Generators wurde an den Stützringschacht angeflanscht. Die Aussenhülle des geschweissten Gehäuses wird direkt vom Wasser umflossen. Der grösste Bereich dieses Gehäuses wird gleichzeitig als Wärmetauscher verwendet. Dazu wurde dieser Teil doppelwandig ausgeführt und das Kühlwasser in einem geschlossenen Kreislauf durch diesen Zwischenraum gepumpt. Mit einem Aussendurchmesser von 7.7 Metern und einem Gewicht von 110 Tonnen war der Stator zugleich das grösste komplett angelieferte Teil. Der Rotor mit einem Gesamtgewicht von 120 Tonnen besteht aus einer geschweissten starren Nabenkonstruktion, an welchem über flexible Schrägplatten der massive Aussenring angeschraubt ist. Die 40 geblechten Polpaare wurden in einem speziellen Zelt auf der Baustelle montiert. Der für den Einbau fertig montierte Rotor wurde anschliessend auf temporären Schienen unter die Portalkräne geschoben und dort von diesen übernommen. Beim Generator musste zuerst die Nase mit den Spaltkühlern auf Hilfsschienen gestellt und

Bild 9. Einheben des ersten Turbinenlaufrades.

Bild 10. Zusammenschieben des Generatorstators über den Rotor. so weit als möglich in Richtung Oberwasser verschoben werden, mit dem Stator wurde gleich verfahren. Zuletzt wurde der Rotor direkt an die Welle angeflanscht und danach der Stator über den Rotor geschoben. Dann wurde die Nase zum Stator geschoben und angeflanscht. In den Trennpfeilern zwischen Wehr und Maschinenhaus wurde zusätzlich eine Dotiermaschine eingebaut, welche das Gwild unterhalb des Stauwehrs stets mit 30 m3/s überströmt. Das Wasser wird direkt vor dem Wehrsegment 1 entnommen und nach dem Segment in das Stauwehrtosbecken abgegeben. Um die Sicherheit der Kraftwerksanlage weiter zu erhöhen, wurde diese Maschine als Kaplanturbine für einen Schwarzstart sowie einen Inselbetrieb ausgelegt.

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Für Revisionen und Notabstellungen stehen zwei Gleitdammbalkensätze zu je vier koppelbaren Elementen zur Verfügung. Der Stababstand beim Einlaufrechen wurde schon in der Genehmigung mit 150 Millimetern vorgegeben. Jeweils zwölf Stäbe sind untereinander mit diagonalen Streben verbunden und bilden so ein Rechenfeld. Für die Reinigung des 24 Meter hohen Einlaufrechens steht eine Seilrechenreinigungsmaschine mit einer Harkenbreite von mehr als drei Meter zur Verfügung. Für das Entfernen von grösseren Baumstämmen ist auf der Rechenreinigungsmaschine ein Hilfskran mit Greifer vorhanden. Zusätzlich ist es möglich, am Portalkran einen noch grösseren Schalengreifer zu montieren. Das Geschwemmsel wird von der Harke in die Geschwemmsel5

Bild 11. Blick auf den Zulauf des Kraftwerks kurz vor der Flutung der Baugrube. rinne geschüttet. Um das Geschwemmsel zum Container zu befördern, wird Wasser hineingepumpt, welches das Material leicht aufschwimmen lässt. Damit die Geschwemmselcontainer gleichmässig befüllt werden können, wurde eine ausfahrbare Rinne angebaut. Für die Umsetzung von Kleinbooten wurde sowohl im Ober- als auch Unterwasser eine Bootsumsetzstelle erstellt. In diese u-förmig geschlossenen Nischen können die Boote einfahren und werden anschliessend mit einem Umsetzfahrzeug aus dem Wasser gehoben, über das Kraftwerksareal transportiert und an der gegenüberliegenden Umsetzstelle wieder zu Wasser gelassen. Dieses Fahrzeug kann Boote bis zu einer Länge von 20 Metern und einem Gewicht von fünf Tonnen umsetzen. Für kleine Boote (Schlauchboote, Ruderboote) sind Aus- und Einstiegsmög-

lichkeiten sowie ein Handwagen vorhanden, die ein Umsetzen der Boote ohne Hilfe des Kraftwerkspersonals ermöglichen. Gemäss Konzession ist die erzeugte Energie je zur Hälfte in das deutsche und Schweizer Netz abzugeben. Dies geschieht über eine SF6-110-KilovoltSchaltanlage mit Doppelsammelschiene, zwei Längskupplungen und einer Querkupplung. Dies erlaubt es, jede Maschine entweder mit dem Schweizer oder mit dem deutschen 110-Kilovolt-Netz zu verbinden. Es ist aber nicht möglich, die beiden 110-Kilovolt-Netze Deutschland und der Schweiz miteinander zu verbinden. Jede Maschine ist mit einem eigenen 31-MVA-Blocktrafo (Maschinentrafo) ausgerüstet, welcher die Generatorspannung von 9 Kilovolt auf 110 Kilovolt hochtransformiert. Das Öl in den Trafos wird über das gleiche Kühlwassersystem wie das des

Generators gekühlt und mit einer Stickstofflöscheinrichtung ausgerüstet. Zwischen Generator und Maschinentrafo besteht eine 9-Kilovolt-Schaltanlage mit dem Generatorleistungsschalter samt Synchronisiereinrichtung. Die statische Erregung wird von der 9-Kilovoltanlage versorgt. Im Weiteren verfügt das Kraftwerk über zwei gasisolierte 20-Kilovolt-Schaltanlagen zur Versorgung des Eigenbedarfs des Stauwehrs und zur Anbindung der Dotiermaschine und eines Teils des Eigenbedarfs für das Maschinenhaus. Diese beiden Schaltanlagen sind aus Sicherheitsgründen über zwei Leitungen mit dem deutschen Netz verbunden. Damit die Versorgung des Eigenbedarfs für das Stauwehr und das Maschinenhaus bei Störungen jederzeit gewährleistet ist, wurde diese mehrfach redundant mit Umschaltautomatik ausgeführt. Im Notfall kann die Einspeisung über die inselfähige Dotiermaschine oder über den Notstromdiesel erfolgen. Zwei unabhängige unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) dienen zur Überbrückung von Stromunterbrüchen für Steuerungen, Reglern und Bedienstationen. Um das Kraftwerk vollautomatisch, d.h. unbesetzt, zu betreiben, sind alle Prozesse mit Steuerungen bzw. Regelungen ausgerüstet. Der übergeordnete Kraftwerksregler koordiniert und steuert die Funktion der verschiedenen Einzelelemente. Bei Störungen oder ausserordentlichen Ereignissen wird das Bereitschaftspersonal informiert. Obwohl alle Steuerungen und Regler über Bussysteme miteinander verbunden sind, werden alle

Bild 12. Übersichtsschema der Energieableitung in die 110 Kilovolt Netze D und CH. 6

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sicherheitsrelevanten Signale immer auch direkt verdrahtet, damit bei einem Ausfall der Busverbindung die Anlage in einem sicheren Zustand gefahren wird. Vollkommen unabhängig von dem übergeordneten Kraftwerksregler und den Bussystemen steht am deutschen Ufer ein Notregler zur Verfügung, der im Störungsfall selbstständig den Wasserstand auf den vorgegebenen Sollwert regelt. 4. Betrieb der Anlagen Die ersten zwei Maschinengruppen wurden anfänglich mit der ursprünglichen Stauhöhe in Betrieb genommen. Die nächsten zwei Maschinen und die Dotiermaschine folgten, als der Zulauf zum alten Kraftwerk stillgelegt war. Danach wurde das Oberwasser im Oktober 2010 höher gestaut, was zu einer Anhebung des Unterwassers beim Kraftwerk Ryburg-Schwörstadt und damit zu einem Erzeugungsverlust in diesem Kraftwerk von rund 60 GWh im Normaljahr führte, der durch die Energiedienst AG real entschädigt wird. Die Zu- und Abströmung am Maschinenhaus gestaltete sich entsprechend den Modellversuchen. Die Maschinen liefern die garantierten Leistungen, die Rohrturbinen und Generatoren laufen ruhig und gleichmässig. Im Maschinenhaus breitet sich jedoch an den Tagen mit Volllast ein merklicher Körperschall aus. Die bisherigen Erfahrungen haben gezeigt, dass die Wirkung der Rechenreinigungsmaschine als auch der Geschwemmselabtransport sich im Betrieb bewähren. Gesamthaft sind die bereits vorliegenden Erfahrungen überwiegend positiv und führen bei allen Beteiligten zu einer grundsätzlich guten Beurteilung der Anlage. Die Betriebsmannschaft des neuen Kraftwerks Rheinfelden zählt 16 Mitarbeiter, die zur Vorbereitung auf die neuen Aufgaben bereits bei der Herstellung und Montage der neuen Komponenten eingesetzt wurden.

Rückbau der Altanlagen und Erhalt einer Maschinengruppe Der Rückbau des alten Kraftwerks war Teil des Planfeststellungsverfahrens für den Neubau. Bevor der Kanal und die Turbinenkammern entleert werden konnten, mussten sie mehrfach abgefischt werden. Da man bei der Entleerung Waffen und Munition aus dem 2. Weltkrieg entdeckte, wurde der Kampfmittelräumdienst eingeschaltet. Ein provisorischer Damm ermöglichte den Rückbau der alten Anlage im Trockenen. Zuerst wurden das Portierhaus sowie die Energieableitungsbrücke abgerissen. Nachdem sämtliche Gebäude entkernt waren, wurde der Grobrechen entfernt, somit konnten die Fahrzeuge auf die Baustelle fahren. Der Rückbau der Fussgängerbrücke über den Rhein gestaltete sich schwierig, da der grosse Mobilkran auf eine Schüttung ins Rheinbett fahren musste. Schliesslich wurde das Maschinenhaus zurückgebaut, Generatoren sowie Getriebe wurden demontiert und die Turbinenkammern abgebrochen. Alle Materialien wurden in einem aufwändigen Verfahren aussortiert und in Absprache mit den Behörden entsorgt. Die älteste Maschinengruppe wurde betriebsgetreu erhalten und aufbereitet. Sie ist zentraler Teil des Ausstellungspavillons «Kraftwerk 1898», der am Standort des alten Kraftwerks dessen Geschichte zeigt und im Juli 2012 eingeweiht und für die Öffentlichkeit geöffnet wurde. 6. Ökologische Massnahmen Für den Neubau war eine zweistufige Umweltverträglichkeitsprüfung durchzuführen. Dabei wurden zahlreiche Ausgleichsmassnahmen festgelegt. So musste mindestens die Hälfte der charakteristischen Stromschnellen im Rhein, des sogenannten Gwilds, erhalten bleiben. Um ein Tro-

Bild 13. Vor dem Rückbau des alten Kraftwerks musste ein Fangedamm und ein Sortierplatz für die Abbruchmaterialien erstellt werden. «Wasser Energie Luft» – 105. Jahrgang, 2013, Heft 1, CH-5401 Baden

ckenfallen dieser Felsstrukturen zu verhindern und die wertvolle wechselfeuchte Flora der Kalkfelsen zu erhalten, wird ständig eine Wassermenge von mindestens 30 m3/s in das Gwild abgegeben. Für die Vernetzung der Stauräume im Unter- und im Oberwasser waren ein grosses naturnahes Fischaufstiegs- und Laichgewässer im Zulaufkanal zum alten Kraftwerk am deutschen Ufer sowie einen «Vertical-Slot-Beckenfischpass» auf der Schweizer Seite, jeweils mit Fischzählbecken, zu bauen. Ein provisorischer Raugerinne-Beckenfischpass am Stauwehr wurde als fester Bestandteil in die Anlage integriert und bildet die dritte Fischaufstiegsmöglichkeit. Die Erfahrungen und Erfolge der Fischzählungen bezüglich Artenvielfalt und Aufstiegszahlen zeigen, dass die in Rheinfelden getroffenen Massnahmen die Erwartungen deutlich übertreffen. Für spezifische Aussagen ist

Bild 14. An der Stelle des alten Kraftwerks entstand der «Pavillon Kraftwerk 1898», in welchem die Geschichte des ersten Kraftwerks am Hochrhein anschaulich dokumentiert ist.

Bild 15. Die betriebsgetreu restaurierte Maschine 10 kann im «Pavillon Kraftwerk 1898» besichtigt werden.

jedoch noch ein längerer Beobachtungszeitraum nötig. Am Rheinufer waren zahlreiche Massnahmen zur Sicherung notwendig, Schloss Beuggen musste als Landschaftsschutzgebiet und Kulturdenkmal unversehrt erhalten bleiben. Eine wesentliche Rolle spielte der Grundwasserschutz, der mit einer gross angelegten Messkampagne vor und nach dem Bau des Kraftwerks überwacht wird. Insgesamt hat die Energiedienst AG das Konzessionsgebiet mit mehr als 65 Einzelmassnahmen ökologisch aufgewertet, wobei das naturnahe Fischaufstiegs- und Laichgewässer in seiner Grössenordnung (900 m Länge, 70 m Breite, 10–16 m3/s Abfluss) herausragend ist. Die Umsetzung aller ökologischen Massnahmen wurde von der Planung über den Bau bis zur Abnahme von einer ökologischen Begleitkommission unterstützt. 7.

Massnahmen infolge des Höherstaus und Bauperipherie Der konzessionsbedingte Höherstau im Oberwasser um 1.4 Meter bewirkte einen Anstieg des Grundwasserspiegels und gefährdete damit einzelne Kellerbereiche des Schlosses Beuggen und der Unternehmen Evonik Rheinfelden sowie Aluminium Rheinfelden. Die betroffenen Keller der Schlossanlage wurden mit einem Horizontalabdichtungsschleier im Mauerwerk sowie einer äusseren und inneren Abdichtung mit einer teilweisen Auffüllung

Bild 16. im ehemaligen Kraftwerkszulaufkanal.

geschützt. Die Keller der Evonik Rheinfelden konnten teilweise konventionell mittels zusätzlicher Bodenplatten gesichert werden. Ein Gebäude erhielt eine aufwendige Grundwasserabsenkungsanlage. Bei der Aluminium Rheinfelden reichten die Sicherungsmassnahmen von punktuellen Abdichtungen von Rohrleitungen über die Erhöhung von Kellerfussböden bis zu einem Umbau einer kompletten Schaltanlage. Zusätzlich wurden kleinere Anlagen am Rheinufer wie Fischerhütten, Angelsporteinrichtungen und Bootsliegeplätze gesichert. Alle diese Massnahmen haben sich seit dem Höherstau anstandslos bewährt. 8. Terminplan Nachdem die Energiedienst AG am 20. Dezember 1989 die Konzessionen für den Kraftwerksbetrieb erhalten hatte, wurde mit der Genehmigungsplanung begonnen. Hierzu waren umfangreiche geologische Analysen, Umweltverträglichkeitsuntersuchungen und hydraulische Modellversuche erforderlich. Im September 1994 reichte die Energiedienst AG termingerecht den Bauantrag bei den deutschen und Schweizer Behörden ein. Mit einem Verzug von zwei Jahren wurde im September 1998 die Baugenehmigung für die Kraftwerkanlage erteilt. Als in Folge der Strommarktliberalisierung in Deutschland die Strompreise sanken und die Finanzierung ins Wanken geriet, wurde 2000 ein Änderungsantrag an die Genehmigungsbehörden gestellt. Gewünscht war nun ein Bau in Etappen. Das Stauwehr sollte sofort errichtet werden, das Maschi-

nenhaus bis 2019 folgen. Diesem Ansinnen wurde mit der Änderungsgenehmigung vom Mai 2002 zugestimmt. Der Schweizerische Fischereiverband, der Aargauische Fischereiverband und Aqua Viva haben daraufhin Einspruch beim Bundesgericht eingelegt. Dieser wurde jedoch im August 2004 abgelehnt. Obwohl das Verfahren am Bundesgericht noch anhängig war, wurde 2002 bereits mit den vorbereitenden Massnahmen wie Neubau des Grobrechens und Verlegung der 110-Kilovolt-Freileitung im Bereich der künftigen Baustelle begonnen. Nachdem der Vorstand und der Aufsichtsbzw. Verwaltungsrat der Energiedienst AG den Bau des Stauwehrs beschlossen hatten, wurde am 31. März 2003 termingerecht mit den Bauarbeiten begonnen. Der Bau des Stauwehrs erfolgte in zwei Bauabschnitten und war im April 2007 mit einem Vorlauf von fünf Monaten beendet. Nachdem der Stau auf das neue Wehr verlegt war, wurde die alte Stauwehranlage rückgebaut. Nach dem Baubeschluss im Juni 2005 wurde die Planung für die Ausführung des Maschinenhauses angegangen und 2007 mit den Arbeiten begonnen. 2010 wurden alle Maschinen in Betrieb genommen. Parallel wurde das Unterwasser eingetieft. Aufgrund eines neuen Verfahrens durch die Arbeitsgemeinschaft Bau wurde die Unterwassereintiefung nicht wie ursprünglich geplant im Jahr 2012, sondern bereits Anfang 2011 abgeschlossen. Somit konnte das neue Kraftwerk ein Jahr früher fertig gestellt werden und entsprechend eher Strom produzieren als ursprünglich geplant.

Tabelle 1. Übersicht des Terminplanes.

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Kosten

Tabelle 2. Projektgesamtkosten, exklusiv Teuerung von 13 Millionen Euro . Mit Beginn der Konzessionsplanung 1983 bis zum Bau des Stauwehrs 2003 sind Vorlaufkosten für Planung und vorbereitende Massnahmen in Höhe von 45 Millionen Euro angefallen. Die Kosten für das Stauwehr von 2003 bis 2007 waren mit 57 Millionen Euro budgetiert. Aufgrund von optimierten Bauabläufen konnten diese auf knapp 47 Millionen Euro reduziert werden. Für den Bau des Maschinenhauses wurden mit Baubeschluss vom Juni 2005 rund 277 Millionen Euro vorgesehen. Er wurde jedoch mit 259 Millionen Euro abgeschlossen. Die deutliche Unterschreitung der Kosten war dank einer sehr guten Vorplanung möglich und weil die Unterwassereintiefung mittels Schüttdamm kostengünstiger als die ursprünglich vorgesehene Verwendung von Pontons war. Zusätzlich wurden die gesamten Bauabläufe optimiert. In den budgetierten Gesamtkosten waren keine Teuerungskosten berücksichtigt, diese beliefen sich gesamthaft für das Stauwehr und das Maschinenhaus auf 13 Millionen Euro. Aufgrund der Kostenunterschreitung von 29 Millionen Euro konnte dadurch diese Teuerung mit abgedeckt werden. Nicht berücksichtigt in diesen Kosten sind die Stromerlöse aufgrund der zwölf Monate früheren Inbetriebnahme der Gesamtanlage.

Kenndaten des Projektes Hauptschnitte durch Stauwehr und Maschinenhaus Altanlage Neubau Gefälle 4.2–6.0 m 6.0–9.1 m Jahresarbeit 185 GWh 600 GWh Leistung 25.7 MW 100 MW Turbinen 20 Maschinen 4 Rohrturbinen 1 Dotierturbine Ausbaudurchfluss 600 m3/s 1500 m3/s Wehranlage 12 Wehröffnungen 7 Wehröffnungen Ökologie – Naturnahes Fischaufstiegsund Laichgewässer (900 m Länge); 2 lachsgängige Fischpässe; Dotierpumpe für Gwild-Fläche; div. Massnahmen im Stauraum

Literatur [1] Neubau

Wasserkraftwerk

Rheinfelden,

Halbzeitbericht Baustelle 2002–2008 und Vorgeschichte erschienen in WEL 2008, Heft 3 (Auch als Sonderdruck erschienen). [2] Neubau Wasserkraftwerk Rheinfelden, Projektbericht (114 Seiten A4), Mai 2012 Erschienen bei Energiedienst Holding AG, CH-5080 Laufenburg. Der Bericht kann dort, solange vorrätig, angefordert werden. Wolfgang Biesgen, Leiter Kraftwerke

nik, Inbetriebsetzungsleiter

Anschrift der Verfasser

Alick Schwyzer, Bauleiter und stv. Projektleiter

Jochen Ulrich, Fachprojektleiter Ökologie

Energiedienst Holding AG, Basler Strasse 44,

Frank Pelzer, Fachprojektleiter Peripherie

Gerhard Blessing, Fachprojektleiter Rückbau

CH-5080 Laufenburg

Beat Karrer, Fachprojektleiter Turbinen, Stahl-

Altanlagen

Dr. Armin Fust, Projektverantwortlicher

wasserbau und HKL

Weitere Informationen:

Helmut Reif, Projektleiter

Stefan Ficht, Fachprojektleiter E- und Leittech-

nicole.haller@energiedienst.de

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Hydroökologie und nachhaltiges Auenmanagement Die Sandey-Aue als Modellökosystem für eine Konzeptstudie Michael Doering, Steffen Schweizer, Martina Blaurock, Silvia Oppliger, Matthias Fuchs, Christopher T. Robinson

Zusammenfassung Die Sandey-Aue, gelegen im Urbachtal im Kanton Bern, ist eine Aue von nationaler Bedeutung. Aufgrund ihrer vielfältigen Habitatstrukturen und ihrem dynamischen Abflussregime ist sie von einer hohen Diversität geprägt und damit ökologisch von besonderem Interesse. Allerdings ist diese Diversität aufgrund von Wasserkraftnutzung, extensiver Landwirtschaft und insbesondere durch eine Vielzahl von Verbauungen zum Hochwasserschutz beeinträchtigt. Das in diesem Zusammenhang gegründete Projekt «Hydroökologie und nachhaltiges Auenmanagement» wurde von Vertretern verschiedener Interessengruppen initiiert und verbindet Wissenschaft und Praxis. Im Rahmen des Projekts werden integrative Methoden ausgearbeitet, um die Entwicklung von Auensystemen auf Landschaftsebene zu bewerten, vorherzusagen und zu beobachten. Dazu werden aussagekräftige und einfach anwendbare Indikatoren, ein digitales Oberflächenmodell, ein hydraulisches und hydrologisches Abflussmodell sowie Fernerkundungsmethoden miteinander verknüpft. Durch diese Kombination lassen sich Auswirkungen von historischen Eingriffen auf das System bewerten, die Wirkung von Massnahmen, wie das Entfernen von Verbauungen, auf Ökologie, Hochwasserschutz und Landnutzung vorhersagen, sowie die Auswirkungen von umgesetzten Massnahmen langfristig beobachten. Das Vorgehen erlaubt, sozioökonomische und ökologische Interessen gleichermassen zu berücksichtigen und damit Aufwertungsmassnahmen zu planen, zu bewerten und im Sinne eines adaptiven Managements gegebenenfalls anzupassen.

1. Auenlandschaften Auenlandschaften sind sehr heterogene und dynamische Ökosysteme. Ihre strukturelle Vielfalt ist durch verschiedene terrestrische (z.B. Weich- und Hartholzaue, Inseln, Kiesbänke) und aquatische Habitattypen (z.B. Altarme, Haupt- und Nebengerinne, temporäre und permanente Tümpel) geprägt. Im Wesentlichen hängen diese verschiedenen Lebensräume von einem ausreichenden Flächenangebot, ausreichender Geschiebezufuhr und einer möglichst uneingeschränkten Überflutungsdynamik ab. Diese Dynamik ist die Voraussetzung für immer wiederkehrende Prozesse von Erosion, Deposition, Überflutung und Trockenfallen und bedingt so einen ständigen Wechsel der Habitate und deren Lebensbedingungen. Daher werden Auen auch als sich ändernde Habitatmosaike bezeichnet (Stanford et al. 2005). Aufgrund dieser Eigenschaften bieten sie Raum für eine Vielzahl verschiedener 10

Pflanzen- und Tierarten und tragen einen sehr grossen Anteil zum Erhalt der heimischen Biodiversität bei. Heute haben Auenlandschaften in der Schweiz lediglich einen Anteil von ~0.3% an der Landesfläche. Dennoch leben rund 10% der heimischen Fauna ausschliesslich, 32% regelmässig und 42% gelegentlich in Auen (Rust-Duebié et al. 2006). Neben ihrer Bedeutung für die Biodiversität erfüllen Auen aber auch zahlreiche Funktionen in Bezug auf gesellschaftliche Bedürfnisse wie Trinkwasserversorgung, Energieproduktion, Wasserreinigung, Hochwasserschutz und Erholung. Diese verschiedenen Nutzungsarten üben einen grossen Druck auf die schweizerischen Auensysteme aus. Während Nutzungen des Wassers zur Stromproduktion oder zur Bewässerung hauptsächlich das Abflussregime beeinflussen, reduzieren Landwirtschaft und Hochwasserschutzdämme häufig

die für eine Auenentwicklung nötige Fläche oder unterbinden die Vernetzung von Auenlandschaften. Schätzungen zu Folge sind in der Schweiz bereits mehr als 70% aller Auengebiete verschwunden und nur noch sehr wenige Objekte befinden sich in einem naturnahen Zustand (Lachat et al. 2010). Aktuelle Klimavorhersagen, wenn auch mit Unsicherheiten behaftet, prognostizieren für die alpinen Regionen eine Verschiebung der Niederschläge in den späten Winter und Frühling. Dies erhöht wiederum die Wahrscheinlichkeit von Überflutungen im Frühjahr und Trockenperioden im späten Sommer (Schweizerische Gesellschaft für Hydrologie und Limnologie (SGHL) und Hydrologische Kommission (CHy) 2011). Auf diese Tendenz forcierend dürfte sich auch der zukünftige Gletscherrückzug auswirken. Insbesondere für Auenlandschaften ergeben sich so neue Herausforderungen, die sowohl die Verteilung der Ressource Wasser als auch den Hochwasser- und Gewässerschutz betreffen. Das revidierte Gewässerschutzgesetz (GSchG; in Kraft seit Januar 2011) sieht unter anderem für die kommenden Jahrzehnte die Revitalisierung von Gewässern (Art. 38a GSchG) sowie die Sicherung und extensive Bewirtschaftung des Gewässerraums (Art. 36a GSchG) vor. Innerhalb der nächsten 80 Jahre sollen etwa 25% der insgesamt 15 000 km beeinträchtigten Gewässerabschnitte revitalisiert werden (Göggel 2012). Ausserdem sind zur Reduktion der negativen Auswirkungen der Wasserkraftnutzung verschiedene Sanierungsmassnahmen geplant, wie die Verminderung der negativen Auswirkungen des Schwall-Sunk-Betriebs (Art. 39a GSchG), die Reaktivierung des Geschiebehaushaltes (Art. 43a GSchG) und die Wiederherstellung der freien Fischwanderung (Art. 10 Bundesgesetz über die Fischerei).

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Die verschiedenen sozioökonomischen und ökologischen Interessen haben prinzipiell ein hohes Konfliktpotenzial. Damit stellen sie grosse Anforderungen an ein nachhaltiges Gewässer- und Auenmanagement mit dem Ziel, einen tragfähigen Kompromiss zwischen Gewässerschutz, Gewässernutzung und Hochwasserschutz zu finden. Um diese komplexe Aufgabe anzugehen, müssen zunächst die Zusammenhänge zwischen diesen einzelnen Bereichen in Form einer integrativen Sichtweise verstanden und berücksichtigt werden. Sowohl für die Wissenschaft als auch für die Praxis stellt sich damit folgende Frage: Welche Massnahmen sind zu ergreifen, um die Struktur und Funktion eines Auensystems zu erhalten und gleichzeitig von seinen Leistungen zu profitieren, ohne dabei die Tragfähigkeit des Systems zu überschreiten und den Hochwasserschutz zu vernachlässigen? Das Forschungsprojekt «Hydroökologie und nachhaltiges Auenmanagement» Im Jahr 2011 gründete die Eawag gemeinsam mit den Kraftwerken Oberhasli AG das aktuelle Forschungsprojekt «Hydroökologie und nachhaltiges Auenmanagement», welches von den Bundesämtern für Umwelt und Raumentwicklung, dem Amt für Naturförderung des Kantons Bern und der Auenberatungsstelle (Service conseil Zones alluviales) unterstützt wird. In diesem Forschungsprojekt werden exemplarisch Möglichkeiten entwickelt, wie sich verschiedene sozioökonomische und ökologische Interessen im Sinne eines integrativen und nachhaltigen Gewässer- und Auenmanagement vereinbaren lassen. Für diese Konzeptstudie dient die Auenlandschaft Sandey im Kanton Bern als Modellökosystem. Im Rahmen des EU Interreg IVB Projektes «Alp Water Scarce – Risikoprävention von Wasserknappheit im Alpinen Raum» konnte die Aue als konkretes Untersuchungsobjekt bereits wichtige Daten und Erkenntnisse liefern (www.alpwaterscarce.eu; Hohenwallner et al. 2011). Diese Daten bilden die Grundlagen zu dem oben erwähnten und aktuell laufenden Projekt, an dem sich mittlerweile auch internationale Institute aus Slowenien und den USA beteiligen (Tabelle 1).

Tabelle 1. Am Projekt beteiligte Akteure und untersuchte Referenzsysteme.

2.1

Die Sandey-Aue – Ein Modellökosystem für ein nachhaltiges Auenmanagement Die Sandey-Aue liegt im unteren Teil des Urbachtals (800–900 m ü.M.), direkt oberhalb der Ortschaft Innertkirchen im Kanton

Bild 1. Der Vergleich von Luftbildern zeigt deutlich, wie sich der abgebildete Teilabschnitt der Sandey-Aue zwischen 1940 (links) und 2007 (rechts) verändert hat. Die roten Linien markieren die Lage von Hochwasserschutzdämmen (Quelle: Swisstopo). Bern (Bild 1). Der Schutzstatus entspricht einer Aue von nationaler Bedeutung. Die knapp vier Kilometer lange und bis zu 600 m breite Aue umfasst rund 125 ha und erstreckt sich von Süd nach Nord. Auf der orographisch linken Seite begrenzt die Steilwand der Engelhörner die räumliche Ausdehnung der Aue, auf der rechten Seite befinden sich mehrere hundert Meter breite Weideflächen. Geologisch ist das Gebiet hauptsächlich durch Kalkstein geprägt, im Oberlauf kommt auch kristallines Gestein vor (Labhart 2007). Das Abflussregime des Urbachwassers lässt sich als glazionival beschreiben, mit höchsten Abflussmengen zur Schnee- und Gletscherschmelze im Sommer (mittlerer Jahresabfluss zwischen 1 und 2 m3/s). Starkregenereignisse treten fast ausschliesslich im Sommerhalbjahr auf und lösen regelmässig Überflutungen aus (mittleres jährliches Hochwasser (HQ1) ~16 m3/s), die zu einer ausgeprägten Expansions- und Kontraktionsdynamik des Systems führen. In der

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Aue kommen alle für Auenlandschaft typischen aquatischen und terrestrischen Habitate vor, insbesondere verschiedene Gerinneläufe, Seitenarme, Zuflüsse, Inseln, Auenwälder und Schotterbänke mit und ohne Pioniervegetation. Allerdings ist die heutige Situation der Aue durch hydrologische und morphologische Eingriffe beeinträchtigt. Im Jahr 1950 wurde etwa sechs Kilometer oberhalb des Auengebietes auf 1875 m ü.M. der Mattenalpsee mit einem Fassungsvermögen von rund zwei Mio m3 durch die Kraftwerke Oberhasli AG errichtet errichtet. Das hier gefasste Wasser wird unterirdisch in das Aaretal abgeleitet und zur Stromproduktion in den Kraftwerken Handeck und Innertkirchen genutzt. Dadurch fliessen heute nur noch rund 70% des natürlichen Abflusses durch die Sandey-Aue. Im Rahmen der Restwassersanierung der Gewässer im Oberhasli wurde die Bedeutung des Restwasserregimes für die Sandey-Aue genauer untersucht 11

(Schweizer et al. 2010, Doering et al. 2012). Das relativ grosse Zwischeneinzugsgebiet zwischen Mattenalpsee und der SandeyAue, das regelmässige Auftreten von Überlaufsituationen am Mattenalpsee sowie häufige Starkniederschlagsereignisse in dieser Region gewährleisten eine relativ naturnahe Hochwasser- und Geschiebedynamik. Am 1. Januar 2013 wurde die Restwassersanierung im Oberhasli umgesetzt. Dabei wird aus den oben genannten Gründen auf künstliche Hochwasserdotierungen ab Mattenalpsee verzichtet und nur eine geringe saisonale Erhöhung der Restwassermengen ab Mattenalpsee festgelegt (Schweizer & Zeh Weissmann 2011). Aufgrund der landwirtschaftlichen Nutzung und verschiedener Hochwasserereignisse wurden in den 1950er- und insbesondere in den 1990er-Jahren zahlreiche Längsverbauungen zum Überflutungsschutz in den aktiven Teil der Aue eingesetzt. Diese oben beschriebenen hydrologischen und insbesondere morphologischen Einschränkungen in Form von Längsverbauungen haben eine starke Einschränkung der Auendynamik zur Folge und zu einem Flächenverlust von auentypischen Habitaten beigetragen (Doering et al. 2012; Bild 1). 2.2 Das Forschungsprojekt Aufgrund der oben genannten Bedingungen bezüglich Habitatvielfalt und Nutzungseingriffen bietet die Sandey-Aue ideale Voraussetzungen, um Ansätze hinsichtlich eines integrativen und nachhaltigen Gewässermanagements zu entwickeln. Dazu vereint das interdisziplinäre Forschungsprojekt «Hydroökologie und nachhaltiges Auenmanagement» insgesamt drei Schwerpunkte: • Indikatorenbildung, um Zusammenhänge zwischen Einflüssen und Auswirkungen zu erkennen, sowie qualitativ und quantitativ zu beschreiben, • Modellierungen, um diese Zusammenhänge vorherzusagen, zu quantifizieren und Revitalisierungsmassnahmen effizient unter Berücksichtigung des Hochwasserschutzes zu planen und • ein umfassendes Monitoring, um Veränderungen durch potenzielle Revitalisierungsmassnahmen zu bewerten und gegebenenfalls anzupassen. Hierzu werden verschiedene Methoden wie Feldarbeit, Modellierung, Raumanalyse und Fernerkundung kombiniert und auf nationaler und internationaler Ebene verschiedene Akteure und Referenzsysteme miteinbezogen (Tabelle 1). Dadurch 12

haben die in diesem Forschungsprojekt gewonnenen Erkenntnisse und Methoden das Potenzial, auch auf andere Auensysteme übertragen und angewendet zu werden. Des Weiteren erlaubt der Einsatz von Raumanalyse mittels Geographischer Informationssysteme (GIS) und Fernerkundung die Ergebnisse auf Landschaftsebene zu erfassen und zu quantifizieren, um somit Aussagen auf der Ebene eines ganzen Ökosystems treffen zu können. Ziel des Gesamtprojektes ist es, allgemeingültige Management- und Entscheidungshilfen zu entwickeln, die den Planungsprozess, aber auch die Bewertung von Revitalisierungsmassnahmen effektiv unterstützen. Darüber hinaus können mit den Forschungsresultaten wichtige Grundlagen für den Dialog zwischen verschiedenen Akteuren sowie eine partizipative und transparente Entscheidungsfindung geschaffen werden, um so zu einem möglichst nachhaltigen und integrativen Auenmanagement zu gelangen (Bild 2). 2.2.1 Indikatoren – Verknüpfung von Struktur und Funktion Vielfältige Habitatstrukturen gelten allgemein als eine der wichtigsten Voraussetzungen zur Entwicklung und Erhaltung der Biodiversität. Daher ist es sowohl aus wissenschaftlicher als auch aus praktischer Sicht bedeutend, strukturelle Indikatoren zu finden, die zum einen eng mit den ökologischen Funktionen verknüpft sind und zum anderen auch auf Modifikationen des

natürlichen Abflussregimes und/oder auf morphologische Eingriffe sensitiv reagieren. Ausserdem sollten diese Indikatoren mit einem vertretbaren Aufwand in der Praxis angewendet werden können. Für komplexe Auenlandschaften, die nicht nur aus aquatischen sondern auch aus terrestrischen Habitaten bestehen, sind bisher nur wenig entsprechende Indikatoren entwickelt worden (Turner 2010, Tockner et al. 2010). Ein vielversprechender Ansatz für die Entwicklung der entsprechenden Indikatoren besteht darin, die ökologischen Funktionen über die strukturellen Veränderungen zu erfassen (Doering et al. 2011, Shugart, 1998, Turner 2010). Dieser Ansatz erlaubt ein relativ einfaches Vorgehen, bei dem typische Auenstrukturen sowie ihre zeitliche und räumliche Veränderung mittels Modellierung (Kapitel 2.2.2) für künftige Zustände prognostiziert werden oder mit Hilfe historischer und aktueller Fernerkundungsdaten ohne grösseren Aufwand rekonstruiert und quantifiziert werden können (Kapitel 2.3). In der Sandey-Aue unterscheiden sich die räumlich eng beieinander liegenden aquatischen und terrestrischen Habitate deutlich in ihren biotischen und abiotischen Eigenschaften wie Hydrochemie, Temperatur, Gehalt an organischem Material oder Korngrössenverteilung. So sind Schotterflächen im Allgemeinen sehr «harsche» Habitattypen, die durch hohe Temperaturschwankungen, einem geringen Gehalt an organischem Material und stän-

Bild 2. Konzept zu einem nachhaltigen Fluss- und Auenmanagement: Mit Hilfe interdisziplinärer Forschung, verschiedenen Referenzsystemen und Partnern aus Wissenschaft und Praxis werden Indikatoren entwickelt und mit Modellen verknüpft. Ein Monitoring ist nötig, um die ökologischen Zusammenhänge und Entwicklungen zu untersuchen. «Wasser Energie Luft» – 105. Jahrgang, 2013, Heft 1, CH-5401 Baden

dig wechselnden hydrologischen Bedingungen (Überflutung und Trockenfallen) gekennzeichnet sind. Inseln und Auenwälder weisen hingegen eher ausgeglichene Bedingungen sowie einen relativ hohen Gehalt an organischem Material auf (Bodmer 2011; Doering et al. 2011; Tonolla et al. 2010). Diese Unterschiede in der Struktur der einzelnen Habitate spiegeln sich sowohl in der Besiedlung durch Invertebraten (Wirbellose) im aquatischen als auch in der Umsetzung von organischem Material im aquatischen und terrestrischen Bereich wieder. So unterscheidet sich das Makrozoobenthos deutlich in Arten- und Individuenzahl sowie Biomasse zwischen dem Hauptgerinne, temporären und permanenten Zuflüssen (Robinson und Doering 2012; Bild 3). Entsprechende Unterschiede finden sich auch hinsichtlich der Respirationsraten. Respiration, gemessen als CO2 Produktion pro m2 Bodenfläche, ist ein Schlüsselprozess im Kohlenstoffkreislauf. Mit diesem Prozess lässt sich der Umsatz von organischem Material bzw. des Kohlenstoffs, einer wichtigen Energiequelle in aquatischen und terrestrischen Ökosystemen, und auch die mikrobielle Aktivität abschätzen (Uehlinger et al. 1995). Respirationsraten reagieren sehr sensitiv auf Umweltveränderungen und können somit gut als Indikator herangezogen werden. Die Respirationsraten unterscheiden sich signifikant in den einzelnen Habitattypen. Hohe Respirationsleistungen finden sich in Habitaten mit einem hohen Anteil an organischem Material und relativ konstanten Umweltbedingungen (Inseln und Auenwald). Dagegen treten niedrige Respirationsleistungen in Habitaten mit stark wechselnden Umweltbedingungen (Schotter und Gerinne) und geringeren Anteilen an organischem Material auf. Beim Vergleich der Ergebnisse mit Messungen in den relativ natürlichen Auen des Tagliamento in Italien, einem der letzten grossen natürlichen Wildflüsse Europas, und der Soća (Triglav Nationalpark, Slowenien) wurde jeweils der gleiche Trend gefunden. Dieser Umstand lässt eine gewisse Generalisierung zwischen verschiedenen Auensystemen zu (Bodmer 2011; Bild 4). Ausserdem ist es bemerkenswert, dass die Respirationsraten in diesen Auensystemen auf kleinsten Raum Werte aufweisen, die fast die gesamte Bandbreite der weltweiten Biome (Grosslebensräume) umfassen. So entsprechen die Respirationsraten, die auf den Schotterflächen gemessen wurden, denen, wie sie in der arktischen Tundra vorkommen (~0.1 kg

Bild 3. Sowohl die Artenanzahl (oben) als auch die Individuendichte (unten) von Wirbellosen in den verschiedenen aquatischen Habitaten der Sandey-Aue zeigen deutliche Unterschiede. Die Daten zeigen die Mittelwerte und Standartabweichung aus einem monatlichen Monitoring in 2009 und 2010 in vier Bereichen entlang des Hauptgerinnes, sowie in ausgewählten temporären und permanenten Zuflüssen.

Bild 4. Die Respirationsraten (µmol CO2 pro m2 pro Sekunde standardisiert auf 12 °C; Mittelwerte und Standartabweichungen) der Auen der Sandey, der Soća (Slowenien) und des Tagliamento (Italien) zeigen deutlich ein gemeinsames Muster, was eine gewisse Vergleichbarkeit zwischen den Auensystemen in Mitteleuropa zulässt. Kohlenstoff pro m2 und Jahr), während auf den bewaldeten Inseln gemessene Werte denen in tropischen Regenwäldern gleichen (~1.1 kg Kohlenstoff pro m2 und Jahr; Doering et al. 2011). Diese Ergebnisse aus den Unter-

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suchungen zum Makrozoobenthos und der Respiration zeigen deutlich den engen Zusammenhang zwischen Habitatstruktur und Habitatfunktionen auf. Eine heterogene Habitatstruktur sowie eine naturnahe Verteilung der verschiedenen Habitatty13

pen sind somit die Grundvoraussetzung für eine hohe Bio- und Prozessdiversität. Dabei ist zu beachten, dass die verschiedenen Habitate einer hohen Dynamik in ihrer räumlichen Lage unterworfen sind. Dies ist hauptsächlich auf die immer wiederkehrende Abfolge von Hoch- und Niedrigwasserereignissen zurückzuführen. In natürlichen Auensystemen bleiben trotz dieser hohen Dynamik die relativen Anteile der einzelnen Habitattypen aber weitestgehend konstant. Dieses Phänomen wird in der wissenschaftlichen Literatur als das sogenannte «Shifting Habitat Steady State Concept» bezeichnet (Stanford et al. 2005). In der Regel verändern sich in anthropogen beeinträchtigten Auenlandschaften die relativen Anteile und Flächen der verschiedenen Habitattypen und damit auch, wie oben beschrieben, wichtige Habitatfunktionen. Inseln z.B. sind einer der ersten Habitattypen, die im Zuge von hydrologischen und/oder morphologischen Veränderungen aus Auensystemen verschwinden (Gurnell et al. 2001), während eine Störung des natürlichen Geschiebehaushalts mit einer Reduktion an Schotterflächen und Kiesbänken einhergehen kann. Daher eignet sich die Veränderung der Anteile der verschiedenen Habitattypen sehr gut für eine relativ einfache Grundbewertung des ökologischen Zustands einer Aue. Liegen zusätzlich historische Luftbilder vor, lässt sich mit dieser Methode auch die ökologische Entwicklung einer Aue beschreiben (Kapitel 2.3). Wird ein digitales Geländemodell mit einem hydraulischen und hydrologischen Modell kombiniert und sind Niedrig-, Mittel- und Hochwasserabflüsse bekannt, lassen sich künftige Eingriffe oder Aufwertungsmassnahmen im Auensystem mit diesem Ansatz objektiv abschätzen (Kapitel 2.2.2). 2.2.2 Modellierung – Vorhersage von Habitatstrukturen und Hochwasserschutz Eine der aktuellen Forschungsthemen in der Ökologie ist wie sich verschiedene hydrologische und morphologische Faktoren und insbesondere deren Wechselwirkungen auf die Struktur und Funktion in Ökosystemen auswirken (Turner 2010). Gleichzeitig hat diese Fragestellung auch eine grosse Bedeutung in Bezug auf Revitalisierungsmassnahmen von Flüssen und deren Auenlandschaften: In der Praxis stellt sich häufig die Frage, ob es aus ökologischer Sicht effektiver ist, hydrologische oder morphologische Anpassung vorzunehmen oder ob beide Aspekte ver14

Bild 5. Schematische Darstellung der Modellierung mit anschliessender Datenanalyse im Geographischen Informationssystem (GIS). bessert werden müssen, um einen Fluss und sein Auensystem wirksam aufzuwerten. In der Praxis können die ökologischen Anliegen allerdings nur erreicht werden, wenn gleichzeitig auch der Hochwasserschutz gewährleistet ist. Im Sinne eines integrativen Einzugsgebietsmanagements bedarf es daher, dass sowohl die Schutzals auch Nutzungsinteressen in die Planungen miteinbezogen werden (BAFU 2012).

In intensiv genutzten Auenlandschaften ist dies in der Regel ein komplexes Vorhaben. Deshalb müssen die künftigen Auswirkungen von Aufwertungsmassnahmen auf den Hochwasserschutz und auf die Auenökologie mit einem möglichst objektiven Bewertungssystem getroffen werden. Ein integrativer Ansatz, um die Auswirkungen von Revitalisierungsvorhaben auf beide Aspekte abzuschätzen, ist die Modellierung auf Landschaftsebene.

Bild 6.1. Erste Modellergebnisse der Gefährdung der Landwirtschaftsflächen durch Hochwasser mit einer Wiederkehrdauer von 30 Jahren (HQ30) ohne (links) und mit ausgewählten simulierten Aufwertungsmassnahmen (Gerinneanschluss durch Dammentfernung; rechts) zeigen nur geringfügige Unterschiede. «Wasser Energie Luft» – 105. Jahrgang, 2013, Heft 1, CH-5401 Baden

Bild 6.2. Erste Modellergebnisse für ein Hochwasser mit einer Wiederkehrdauer von einem Jahr (HQ1) ohne (links) und mit ausgewählten simulierten Aufwertungsmassnahmen (Gerinneanschluss durch Dammentfernung; rechts) zeigen deutlich positive Auswirkung auf die temporäre Anbindung von Gerinnen und auf die ökologisch bedeutsame Überflutung des Auenwaldes.

Bild 6.3. Erste Modellergebnisse bei mittlerem sommerlichen Abfluss (MQs) ohne (links) und mit ausgewählten simulierten Aufwertungsmassnahmen (Gerinneanschluss durch Dammentfernung; rechts) zeigen, dass einzelne Gerinne dauerhaft angebunden werden. Hierdurch entstehen neue Gewässerverzweigungen und Habitate mit unterschiedlichen Eigenschaften (hier gezeigt als Unterschiede in der Fliessgeschwindigkeit) mit ökologischer Bedeutung für die Biodiversität. Um den hier beschriebenen Ansatz in einem möglichst realistischen Kontext anzuwenden, wurde die Sandey-Aue als Fallbeispiel gewählt (Kap. 2.1). In Zusammenarbeit mit der EPF Lausanne wurde ein digitales Geländemodell (DGM; Genauigkeit: ~5 cm vertikal, ~10 cm horizontal) aus einer LiDaR (Light Detection and

Ranging) Befliegung mit einem hydrologischen (Software Routing System, Dubois 2005; Garcia Hernandez et al. 2007) und hydraulischen Modell (zweidimensionales Modell, Software Aquaveo und Basement, Faeh et al. 2011) kombiniert (Bieri 2011; Oppliger 2012). Sowohl das hydrologische als auch das hydraulische Modell wurden

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bereits in anderen praktischen Fragestellungen erfolgreich angewendet (z.B. Jordan 2007, Garcia Hernandez 2011). Um die Modellberechnungen in einem zeitlich vertretbaren Rahmen durchzuführen, wurde beim DGM eine Auflösung von 2 m verwendet. Die Kombination dieser Modelle erlaubt es, Änderungen der hydrologischen (z.B. Anpassung der Restwassermenge oder der Hochwasserdynamik) und der morphologischen Gegebenheiten (z.B. sukzessiver Rückbau oder Verlegung von Dämmen), einzeln oder in Kombination zu betrachten, und deren Auswirkung auf wichtige Habitateigenschaften und Strukturen abzuschätzen (z.B. Verteilung der Wassertiefen, Fliessgeschwindigkeiten, Uferlängen, Gerinneverzweigungen, Überflutungshäufigkeiten). Die Modellergebnisse können anschliessend mittels GIS analysiert und mit weiteren räumlichen Daten wie Landnutzung und -qualität verschnitten werden (Bild 5). Zum einen lassen sich damit für künftige Zustände detaillierte Gefahrenkarten erstellen, da mit der Modellierung maximale Wassertiefen und maximale Fliessgeschwindigkeiten berechnet und so künftige Schwachpunkte bezüglich Hochwasserschutz aufgezeigt werden können. Zum Anderen lassen sich auch die ökologischen Auswirkungen abschätzen, z.B. ab welchen Hochwasserabflüssen eine Fläche überflutet wird und wie sich oben genannte Habitateigenschaften und Strukturen im Zuge von Aufwertungsmassnahmen verändern (Blaurock 2012; Oppliger 2012; Bilder 6.1–6.3). Diese Kombination aus ökologischer Bewertung und hydraulischer und hydrologischer Modellierung ermöglicht es, eine objektive Evaluation von Revitalisierungsmassnahmen unter Abwägung verschiedener sozioökonomischer und ökologischer Interessen vorzunehmen. 2.2.3 Monitoring – Erfolgskontrolle und adaptives Management Ein Langzeitmonitoring dient in der Praxis und in der Forschung dazu, historische und künftige Veränderungen in Ökosystemen zu dokumentieren. Generell wird ein Monitoring bei Flussrevitalisierungen empfohlen, damit die ökologischen Auswirkungen erfasst, bewertet und bei Bedarf Anpassungen vorgenommen werden können (Robinson et al. 2011; Woolsey et al. 2002, 2006). Ökologische und morphologische Reaktionen auf Eingriffe oder Revitalisierungen können aber unter Umständen mehrere Jahre in Anspruch nehmen. Daher ist in diesen Fällen ein Langzeitmonitoring nötig. Diese Langzeitdaten liefern 15

der angewandten Forschung wertvolle Erkenntnisse über die Veränderung von Ökosystemen und bilden die Grundlage für die Entwicklung von Indikatoren und Leitbildern für eine objektive Erfolgskontrolle und bei Bedarf für eine Anpassung von Aufwertungsmassnahmen – im Sinne eines adaptiven Managements. Die Komplexität von Auenlandschaften sowie die geplanten umfangreichen Revitalisierungsmassnahmen der nächsten 80 Jahre erfordern ein effektives Monitoring zur Erfolgskontrolle. Bisher wurden Erfolgskontrollen nur vereinzelt durchgeführt und stützen sich in der Regel auf umfangreiche und zeitintensive Feldaufnahmen. Das hier beschriebene Forschungsprojekt untersucht, inwieweit Fernerkundungsmethoden in Verbindung mit denen in Kapitel 2.2.1 beschriebenen Indikatoren basierend auf Veränderungen in der Habitatstruktur die biologischen und ökomorphologischen Untersuchungen künftig ergänzen oder zum Teil ersetzen könnten. Moderne Fernerkundungsmethoden (Hyper- und Multispektral, LiDaR, thermisches Infrarot) erlauben, eine Vielzahl von strukturellen und funktionellen Parametern wie z.B. Habitatveränderungen und -verteilungen, Vegetationseinheiten oder Temperaturverteilungen in einer sehr hohen Informationsdichte auf Landschaftsebene zu erfassen und dabei den Zeit- und Personalaufwand, sowie den Eingriff in das Ökosystem gering zu halten. Zusätzlich können ökologische Untersuchungen im Feld mit den Fernerkundungsdaten verglichen und kombiniert werden. Für die Sandey-Aue wurden zunächst gewöhnliche historische Luftbilder ausgewertet und mit Feldmessungen (Kapitel 2.2.1) verschnitten. Diese mit einem relativ geringen Aufwand verbundene Kombination bildet eine wichtige Grundlage für die ökologische Bewertung der historischen Auenentwicklungen, des Ist-Zustands und für die Vorhersage der Auswirkungen von künftigen Revitalisierungsmassnahmen (Kapitel 2.3). 2.3

Anwendung erster Forschungsergebnisse In einem ersten Schritt wurde die räumliche und zeitliche Entwicklung der Verteilung der einzelnen Habitate in der SandeyAue von ihrem relativ natürlichen Zustand im Jahr 1940 bis ins Jahr 2007 mit Hilfe einer Serie lagegenauer und entzerrter historischer Luftbilder rekonstruiert. Alle Bilder wurden im Zeitraum von Ende Juli bis Mitte September bei ähnlichen Abflussbedingungen aufgenommen. Aus dieser his16

Bild 7. Die Fläche (%) der einzelnen Habitate abgeleitet aus historischen Luftbildern (links; siehe auch Bild 1; Quelle: Swisstopo) ändert sich deutlich zwischen 1940 und 2007 und hat Veränderungen im Kohlenstoffumsatz zur Folge (tC pro Jahr, berechnet aus den entsprechenden Respirationsraten; rechts).

Tabelle 2. Die Änderung der Habitatanteile von 1940 bis 2007 zeigen, dass generell alle Flächen der einzelnen Habitattypen abnehmen mit Ausnahme der des Graslandes. Das Grasland wiederum trägt wesentlich zur Erhöhung der Gesamtrespiration, hier umgerechnet in Tonnen Kohlenstoff pro Jahr (tC pro Jahr), im System bei. torischen Analyse der Habitatverteilung geht hervor, dass die relative Abundanz der Habitatflächen von 1940 bis 2007 in der Sandey Aue stark schwankt, was in natürlichen Auensystemen normalerweise nicht der Fall ist («shifting habitat steady state concept»; Kapitel 2.2.1). Insbesondere bei Habitaten, die wesentlich von der hydrologischen Dynamik abhängig sind (z. B. bewachsene Schotterflächen, Inseln), lassen sich deutliche Veränderungen verzeichnen. Heute liegt die Abundanz der einzelnen auentypischen Habitate deutlich mit bis zu 78% unter dem Niveau von 1940. Dagegen nahm der Anteil von Grasland um 28% zu (Bild 7; Tabelle 2). Diese räumlichen Daten der historischen Habitatverteilung wurden mit den habitatspezifischen Respirationsdaten (Kapitel 2.2.1) verschnitten. Das erlaubt eine Rekonstruktion der historischen Umsatzraten von Kohlenstoff in einzelnen Habitattypen, aber auch für die gesamte Aue. Entsprechend der Flächenreduktion der auentypischen Habitate nehmen die dortigen Umsatzraten an Kohlenstoff von 1940 bis 2007 gesamthaft ab. Das Grasland hingegen als eher untypischer

Habitattyp für eine Aue weist im Allgemeinen eine relativ hohe Respirationsrate auf und trägt daher in Verbindung mit seiner Flächenzunahme im untersuchten Auenperimeter zwischen 1940 und 2007 wesentlich zu der Erhöhung des Gesamtumsatzes an Kohlenstoff von ~20% auf 1005 t pro Jahr bei (Bild 7; Tabelle 2). Im Gegensatz zur Umsatzrate weist Grasland aber eine relativ niedrige Produktionsrate an Biomasse (Kohlenstoff) auf. Dadurch kann es insgesamt zu einer Verschiebung zwischen natürlichem Abbau und Produktion von Kohlenstoff im System kommen. Diese Untersuchungen in der SandeyAue zeigen, dass die Anteile der Habitatstrukturen und die damit verbundene Prozessdiversität, innerhalb ökologischer Zeiträume betrachtet, relativ schnell und sensitiv auf Eingriffe in das Auensystem reagieren (Doering et al., 2012). Neben der Wasserentnahme schränken vor allem die Längsverbauungen in und am Rand der Aue die natürliche Dynamik der Auenlandschaft ein und fördern gemeinsam mit der landwirtschaftlichen Nutzung stabile Lebensräume (Hartholzaue und Weideflächen).

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Erste Resultate der aktuellen Modellierung verschiedener Revitalisierungsmassnahmen zeigen, dass das Entfernen von Dämmen und das Öffnen zusätzlicher Seitenarme innerhalb des Auenwalds das Überschwemmungsrisiko generell nicht wesentlich erhöhen und zugleich die Habitatvielfalt und Struktur positiv beeinflussen können (Bilder 6.1–6.3). Bei Verhandlungen zwischen den verschiedenen Betroffenen und Beteiligten (z.B. Landeigentümer, Kantonale Ämter, Bundesamt für Umwelt, Gemeinde, Kraftwerke Oberhasli AG, NGOs) können die Modellierungen objektive und entscheidende Argumente liefern, um ökologisch effektive Revitalisierungsmassnahmen auszuwählen, die auch den Hochwasserschutz ausreichend berücksichtigen. Daher ist der hydraulisch-hydrologische Modellansatz (Kapitel 2.2.2) eine sehr gute Grundlage, um einen partizipativen Prozess effektiv zu steuern. Dabei werden die verschiedenen Anliegen berücksichtigt, wodurch die Akzeptanz und das Vertrauen der einzelnen Akteure untereinander gefördert werden kann. 3. Diskussion Die Anforderungen an ein nachhaltiges Auenmanagement sind komplex, da eine Vielzahl von ökologischen und sozioökonomischen Interessen berücksichtigt werden müssen. Daher bedarf es integrativer und interdisziplinärer Lösungsansätze. Das hier vorgestellte Projekt an der Sandey-Aue zeigt exemplarisch einen Ansatz auf, wie diese Konflikte empirisch und praktisch, unter Einbindung verschiedener ökologischer und sozioökonomischer Interessen untersucht, abgewogen und kommuniziert werden können. Dabei hat sich die integrative Anwendung bestehend aus Indikatorenbildung, Modellierung und Monitoring auf Landschaftsebene bereits bewährt. Die ersten evaluierten aquatischen und terrestrischen Indikatoren zeigen deutlich den Zusammenhang zwischen Habitatstruktur und Funktion in Auenlandschaften (Bilder 3 und 4). Das unterstreicht das Potenzial dieses Ansatzes, allein aus strukturellen Veränderungen der Habitate einfache und aussagekräftige Indikatoren abzuleiten, um den ökologischen Zustand einer Aue oder deren räumliche und zeitliche Veränderung zu bewerten. Der Vorteil liegt darin, dass sich Strukturen wie z.B. verschiedene Habitattypen, Uferlängen oder Gerinneverzweigungen relativ einfach über Feldbegehung oder Fernerkundung erfassen lassen. Liegen historische Luftbilder vor, lässt sich mit dieser Methode auch die historische Entwicklung einer

Aue rekonstruieren, um daraus Leitbilder für geplante Revitalisierungen herzuleiten (Bild 7; Tabelle 2). Ausserdem lassen sich diese Indikatoren gut in räumliche Modelle integrieren. Die hier angewandte Kombination aus einem detaillierten digitalen Geländemodell mit einem hydraulischen und hydrologischen Modell erlaubt es, die strukturellen Auswirkungen künftiger Eingriffe oder Aufwertungsmassnahmen im Auensystem zu prognostizieren. Dieser Modellansatz ermöglicht sowohl eine detaillierte Beurteilung des Ist-Zustandes als auch den Einfluss von hydrologischen und morphologischen Einschränkungen oder Eingriffen getrennt und in Kombination zu betrachteten. So können künftige Aufwertungsmassnahmen wie z.B. die Entfernung von Dämmen oder die Anpassung des Abflussregimes mit den entwickelten Indikatoren simuliert und bewertet werden. Auf diese Weise werden ökologische und sozioökonomische Aspekte berücksichtigt und die Auswirkungen auf den Hochwasserschutz abgeschätzt (Bilder 6.1–6.3). Somit können komplexe ökologische und sozioökonomische Ansprüche verschiedener Interessengruppen objektiv bewertet und im Rahmen der Entscheidungsfindung besser formalisiert werden (Hostmann et al. 2005; Reichert et al. 2007), um gezielte Aufwertungsmassnahmen zu planen. Als Gegenstand weiterer Forschung ist geplant, soweit möglich den Sedimenttransport im System zu berücksichtigen. Das würde erlauben, die morphologischen Auswirkungen geschiebeführender Hochwasser auf die Bildung oder Erosion spezifischer Habitate wie z.B. Gerinne, Inseln oder Schotterflächen genauer vorherzusagen. Für die Bewertung von konkreten Aufwertungsmassnahmen bedarf es umfassender Langzeitdaten. Solche Datengrundlagen sind innerhalb eines integrativen Flussgebietsmanagement allerdings nur vereinzelt zu finden. Wie wichtig aber solche Langzeitdaten für ein erfolgreiches Flussgebietsmanagement sind, zeigt sich am Beispiel des Gebirgsbaches Spöl im Schweizer Nationalpark, dessen Wasser im Speichersee Livigno für die Stromproduktion genutzt wird. Hier werden seit über 11 Jahren experimentelle Flutungen zur Verbesserung der Hochwasserdynamik durchgeführt und deren Auswirkungen, auf die Struktur und Funktion im Gewässer untersucht (Robinson & Uehlinger 2008; Robinson 2012). Über ein intensives Langzeitmonitoring konnten die positiven Auswirkungen dieser Flutungen detailliert dokumentiert und optimiert werden. Dies

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führte dazu, dass diese ökologischen Flutungen in die regulatorischen Bestimmungen des Flussmanagements am Spöl übernommen wurden. Zudem hat das Projekt vergleichbare Vorhaben auf internationaler Ebene initiiert. Im Zuge des revidierten Gewässerschutzgesetzes und der geplanten umfassenden Flussrevitalisierungen in den nächsten 80 Jahren werden Langzeitdaten ein wichtiges Instrument zur Erfolgskontrolle darstellen. Nur so ist es möglich aus unvorhergesehenen Entwicklungen im Sinne eines adaptiven Managements zu lernen. Ein effektives Monitoringprogramm wird daher künftig unerlässlich. Die zunehmende Komplexität in landschaftsökologischer Forschung, dem Management und Monitoring von Ökosystemen, erfordert effiziente Methoden zur Datenerfassung. Traditionelle Datenerfassungen im Feld sind in der Regel zeit- und kostenintensiv und in ihrer Aussagekraft hinsichtlich landschaftsökologischer Fragestellungen beschränkt, da in der Regel nur ein Ausschnitt des Ökosystems betrachtet wird. Moderne Fernerkundungsmethoden ermöglichen, den Zeit- und Personalaufwand sowie den Eingriff in das Ökosystem minimal zu halten, dabei aber Daten in einer sehr hohen Informationsdichte auf Landschaftsebene zu erfassen. (Whited et al. 2003). Die erste Anwendung von historischen Fernerkundungsdaten in Verbindung mit Indikatoren konnte in der Sandey-Aue bereits erfolgreich angewendet werden (Kapitel 2.2.3 und 2.3) und unterstreicht das Potenzial eines auf Fernerkundung basierten Monitoringprogramms, das im Rahmen dieses Projektes entwickelt werden soll. Die hieraus gewonnenen Erkenntnisse und Daten können wiederum zur Bildung neuer Indikatoren sowie zur Kalibrierung der Modelle herangezogen werden. Das interdisziplinäre Forschungsprojekt «Hydroökologie und nachhaltiges Auenmanagement» legt grossen Wert auf die Übertragbarkeit auf andere Auensysteme. Um dies zu gewährleisten, werden Vergleichsuntersuchungen in anderen Auensystemen herangezogen und Akteure auf regionaler, nationaler und internationaler Ebene eingebunden. 4.

Bedeutung der Ergebnisse für die Praxis Die in diesem Forschungsprojekt gewonnenen Ergebnisse haben neben den wissenschaftlichen Erkenntnissen eine sehr hohe Relevanz für zahlreiche praktische Fragestellungen, die sowohl die Schweizer Wasserkraftbetreiber als auch Bund und 17

Kantone sowie Umweltschutzorganisationen betreffen. Die hier entwickelten Ansätze und gewonnenen Forschungsresultate können wichtige Grundlagen liefern, wenn im Rahmen der Restwassersanierung nach GSchG Art. 80ff. oder bei einer Neukonzessionierung nach GSchG Art. 31ff. das Restwasserregime festgelegt werden soll. Ausserdem können die Erkenntnisse verwendet werden, um im Rahmen einer Schutz- und Nutzungsplanung (GSchG Art. 32c) Auenrevitalisierungen effektiv zu planen, zu bewerten und zu priorisieren. Prinzipiell kann der Modellansatz mit einer Kombination von einem digitalem Geländemodell und hydraulisch und hydrologischer Modellierung auch für Fragestellungen beim Thema Schwall/Sunk herangezogen werden. Darüber hinaus dürften diese Forschungsergebnisse im Zuge der umfassenden geplanten Revitalisierungsmassnahmen in den nächsten 80 Jahren (GSchG Art. 38a; Göggel 2012) wichtige Hilfsmittel, nicht nur bei der strategischen Planung sondern auch bei der konkreten Umsetzung von Auenrevitalisierungen und bei der Durchführung einer Erfolgskontrolle darstellen. 5.

Schlussfolgerungen und Ausblick Ziel des Gesamtprojektes (Kapitel 2; Bild 2) ist es, allgemeingültige Managementstrategien und Entscheidungshilfen zu geben, die den Planungsprozess aber auch die Bewertung von Revitalisierungsmassnahmen effektiv unterstützen. Darüber hinaus sollen damit Grundlagen für den Dialog zwischen verschiedenen Akteuren sowie für eine partizipative und transparente Entscheidungsfindung geschaffen werden. Die Gegebenheiten an der Sandey-Aue ermöglichen es, die hierzu nötigen wissenschaftlichen Grundlagen zur Auenökologie mit praktischen Managementansätzen zu verbinden. In diesem Sinn kann die Sandey-Aue als Modellökosystem gesehen werden, an dem sich übergreifende Konzepte für ein integratives und nachhaltiges Auenmanagement erarbeiten lassen. Die im bisherigen Projektverlauf erarbeiteten Daten lieferten bereits wichtige Grundlagen in Bezug auf die Restwasserproblematik, insbesondere für die Restwassersanierung (GSchG Art. 80ff.) im Oberhasli und für die Ausgleichsmassnahmen im Rahmen der KWO plus Ausbauprojekte (Schweizer & Zeh Weissmann 2011, Schweizer et al. 2012). Die Untersuchungen werden mit dem mittelfristigen Ziel fortgeführt, kon18

krete Revitalisierungsmassnahmen in der Sandey-Aue zu verwirklichen. Hierbei werden die verschiedenen Anliegen aller Beteiligten berücksichtigt. Die Ergebnisse aus den momentan laufenden Modellierungen (Kapitel 2.2.2) werden sämtlichen «Stakeholdern» vorgestellt und insbesondere mit den kantonalen Ämtern und den Landeigentümern diskutiert. Wenn sich alle Beteiligten auf bestimmte Aufwertungsmassnahmen einigen können, werden die entsprechenden Dämme abgetragen und in einem Monitoringprogramm die ökologischen Veränderungen und die Hochwassersituation untersucht. Als experimentelle Auenlandschaft könnte die Sandey-Aue so langfristige Daten über strukturelle und funktionelle Veränderungen liefern, die wiederum die Grundlagen bilden, um im Rahmen eines nachhaltigen Auenmanagements bestimmte Anpassungen vorzunehmen und bei Bedarf weitere Massnahmen zu planen. Darüber hinaus könnten diese langfristig erhobenen Daten künftig auf nationaler aber auch internationaler Ebene Referenzdaten von hoher Qualität liefern und so die Grundlage für die Beantwortung aktueller wissenschaftlicher und praktischer Fragen liefern. Um die Übertragbarkeit der Forschungsergebnisse auf andere Auensysteme zu verbessern, sind weitere Ausweitungen der Untersuchungen auch auf andere Auengebiete geplant. Generell ist die Studie offen strukturiert und kann jederzeit um Forschungsthemen oder Praxisbedürfnisse zur nachhaltigen Entwicklung von Auenlandschaften verschiedener Interessengruppen erweitert werden.

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6. Danksagung Ein grosser Dank geht an zahlreiche Personen, die aktiv am Projekt mitarbeiten, es fachlich und finanziell unterstützen und/ oder das Manuskript kritisch durchgelesen haben. Hier sind zu nennen: Marc Baumgartner (BAFU), Simone Blaser (Eawag), Pascal Bodmer (IGB Berlin), Bayani Cardenas (University of Texas, USA), Tom Gonser (Eawag), Markus Graf (ANF Bern), Christian Hossli (ETHZ), Christa Jolidon (Eawag), Manfred Kummer (BAFU), Franziska von Lerber (ANF Bern), Mark Lorang (University of Montana, USA), Stephan Lussi (BAFU), Matthias Meyer (KWO), Natasa Mori (NIB, Slowenien), Christian Roulier (Service conseil Zones alluviales – Auenberatungsstelle), Anton Schleiss (EPFL), Sandro Schläppi (KWO), Craig Thompson (Western Wyoming Community College, USA), Diego Tonolla (BAFU).

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River flood plains are model ecosystems to test

«Wasser Energie Luft» – 105. Jahrgang, 2013, Heft 1, CH-5401 Baden

STIFTUNG LOMBARDI INGENIEURWESEN Ausschreibung

Ihre Seilschaft

Die Stiftung Lombardi Ingenieurwesen unterstützt Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Bauwesen insbesondere in den Gebieten Untertagbau und Wasserbau.

Grosse, herausfordernde und professionelle Leistungen werden im Team erzielt. Wir sind Ihre Seilschaft von der Projektierung, Fabrikation, Montage bis zur Servicearbeit. Kundenwünsche sind unser Metier.

Für das Jahr 2013 hat der Stiftungsrat beschlossen vorzugsweise Projekte im Zusammenhang mit: - Langzeit Material Verhalten bei Stahlbetonbauwerken und wasserbaulichen Anlagen, - Anwendung von hochfesten Betonen im Tunnelbau, - Neuentwicklungen für den Ausbau der Wasserkraft, - Unterhalt von Brücken und Talsperren zu unterstützen. Für das Jahr 2013 stellt die Stiftung etwa CHF 15'00020‘000 pro Projekt zur Verfügung. Die Bewerbungen sind bis zum Dienstag den 30. April 2013 an die angegebene Adresse mit folgenden Unterlagen zu schicken: - Personalien des Bewerbers, - Ziel und Abwicklung des Forschungsprojektes, - Miteinbezogene Ämter oder Institute, - gewünschte finanzielle Unterstützung.

Seilwinden

Weitere Angaben zur vorliegenden Ausschreibung sind auf der Website www.lombardi.ch ersichtlich.

STIFTUNG LOMBARDI INGENIEURWESEN c/o Lombardi AG - Via R. Simen 19 - 6648 Minusio

Personen- und Materialseilbahnen

Stahlwasserbau

Kabelverlegesysteme

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Bedeutung der internationalen Wasserkraft-Speicherung für die Energiewende in Deutschland Michel Piot

Zusammenfassung Im April 2012 erhielt die Prognos AG vom Weltenergierat Deutschland den Auftrag, die Bedeutung der internationalen Wasserkraft-Speicherung für die Energiewende in Deutschland zu untersuchen. Auf Grund der topographischen Gegebenheiten und der damit verbundenen grossen Wasserkraftpotenziale lag der Schwerpunkt der Untersuchung auf den Partnerländern Schweiz, Österreich und Skandinavien. Der Autor hatte die Gelegenheit in dieser Begleitgruppe mitzuarbeiten und gibt nachfolgend einen Überblick über das Thema im Allgemeinen und über das Vorgehen und die Resultate der Studie von Prognos im Speziellen. Dabei wird in diesem Artikel der Fokus auf die Verbindung des deutschen und skandinavischen Marktes gelegt, indem aufgezeigt wird, wie gross das energetische Potenzial von Interkonnektoren zwischen Deutschland und Norwegen ist und wie deren Wirtschaftlichkeit abgeschätzt werden kann.

Bild 1. Ausbauszenario für erneuerbare Energien in Deutschland bis 2050 inklusive anteilige Leistung des Imports aus erneuerbaren Energien gemäss Szenario 2011 A. Quellen: Bild [4], Szenariodefinition und Datenquelle [12].

Bild 2. Zeitliche Charakteristik erneuerbarer Stromerzeugung. Quelle: [11]. 1.

Ausgangslage und langfristige Ziele Deutschlands Deutschland hat in den letzten 20 Jahren grosse Anstrengungen vollzogen, um den Anteil der erneuerbaren Energien am Stromverbrauch zu steigern. Vor allem dank grossen Fortschritten bei der Nutzung der Windenergie an Land konnte Deutschland einen Teil des grossen technischen Potenzials im Norden des Landes erschliessen. Die Förderung der Photovoltaik in den letzten Jahren hat weiter dazu beigetragen, dass der Anteil der erneuerbaren Energien am Stromverbrauch heute bei 20 Prozent liegt. Gemäss dem Leitszenario der Bundesregierung soll im Jahr 2050 der Anteil mindestens bei 80 Prozent liegen. Bei diesem Ausbauszenario steigt die installierte Leistung von

heute 166 GW auf rund 230 GW im Jahre 2050, die der erneuerbaren Energien von 65 GW auf rund 180 GW (siehe Bild 1). Im gleichen Zeitraum nimmt die installierte Leistung der konventionellen Kraftwerke von 101 GW auf 50 GW ab, während die abgeschätzte Jahreshöchstlast konstant bei 75 GW bleibt [6]. Da die Produktion von Strom aus Windanlagen und Photovoltaik teilweise mit extrem hohen Fluktuationen verbunden ist (siehe Bild 2), stellen sich mit dem Ausbau der Nutzung der Windenergie und Photovoltaik vier grosse Herausforderungen: erstens müssen genügend Kraftwerks- und Speicherkapazitäten vorhanden sein, um bei wenig Produktion der fluktuierenden erneuerbaren Energien über längere Zeit – man spricht auch von

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«dunkler Flaute» – die Nachfrage jederzeit decken zu können. Zweitens müssen sehr flexible Kraftwerkskapazitäten in das Stromversorgungssystem integriert sein, um rasch auf die kurz- und mittelfristigen Fluktuationen reagieren zu können, die trotz verbesserter meteorologischer Modelle überraschend eintreten und stark ausfallen können. Drittens muss bei zu hoher Produktion das Überangebot abgeführt werden können und viertens müssen grosse Leistungen an fluktuierenden erneuerbaren Energien bereitgestellt werden, damit als Folge der geringen Volllaststunden im Jahresdurchschnitt die Anteilsziele der Regierung erreicht werden können. Zwei Begriffe sind in diesem Zusammenhang von Wichtigkeit: erstens die 21

spezifische gesicherte Leistung, die Auskunft gibt «über den prozentualen Anteil der installierten Leistung, der unter Berücksichtigung von zum Beispiel geplanten und ungeplanten Ausfällen, Revisionen oder bei fluktuierenden erneuerbaren Energien der Wetterabhängigkeit zum Zeitpunkt der Jahreshöchstlast für die Lastdeckung gesichert zur Verfügung steht» [3] und damit auch abhängig ist vom unterstellten Niveau der Versorgungssicherheit. In der Netzstudie der Deutschen Energie-Agentur [2] wird die Methode zur Berechnung der gesicherten Leistung von Windanlagen ausführlich beschrieben. Basierend auf Modellrechnungen wird gezeigt, dass die spezifische gesicherte Leistung der Windanlagen bei isolierter Betrachtung Deutschlands mit zunehmender installierter Leistung von Windanlagen abnimmt. In einer Sensitivitätsanalyse wurden zudem die spezifischen gesicherten Leistungen in Abhängigkeit verschiedener Niveaus der Versorgungssicherheit bestimmt. Dabei zeigt sich, dass das «gewählte Niveau der Versorgungssicherheit die Werte für die spezifische gesicherte Leistung der Windanlagen zum Zeitpunkt der Jahreshöchstlast nur geringfügig beeinflusst» [2] und in der Grössenordnung von zwischen sechs und sieben Prozent liegt. In einem von der Europäischen Union unterstützten Projekt wurden die Vorteile eines ausgebauten europäischen Netzes kombiniert mit verbessertem Marktdesign auf die Integration der Windenergie untersucht. In dieser Studie konnte gezeigt werden, dass ein europäisches Netz zu einer deutlichen Zunahme der gesicherten Leistung (capacity credit) führt und zwar von heute zwischen sieben bis acht Prozent auf neun bis 14 Prozent abhängig von der Grösse der vernetzten Region [20]. Trotz dieser potenziellen Verbesserung der gesicherten Leistung blei-

ben die oben aufgezählten Herausforderungen bestehen. Zweitens die Residuallast, die definiert ist als Differenz zwischen der nachgefragten Leistung und der fluktuierenden Einspeisung von nicht steuerbaren Kraftwerken. Ist die Residuallast positiv, so muss die restliche Nachfrage mit steuerbaren Kraftwerken gedeckt werden und/oder mittels Demand-Side-Management-Massnahmen reduziert werden. Ist sie negativ, braucht es entweder verfügbare Speicherkapazitäten, die die Energie aufnehmen können und/oder eine Steigerung der Nachfrage. Eine Abschaltung der Produktion aus fluktuierenden Quellen möchte man vermeiden, da die variablen Kosten der Produktion beinahe Null sind. Mit zunehmendem Ausbau der Leistung fluktuierender Technologien löst der Begriff der Residuallast die bisherige klassische Unterscheidung zwischen Band- und Spitzenenergie ab. Als Folge des starken Zubaus von Windanlagen und Photovoltaik muss man in Deutschland auf der einen Seite damit rechnen, dass im Jahr 2030 in rund 1100 Stunden eine negative Residuallast anfällt, bis 2050 könnten es sogar 2200 Stunden sein, wobei die Überschussleistung in einzelnen Stunden auf 60 GW ansteigt und sich die Überschussproduktion auf 38 TWh aufsummiert, was immerhin acht Prozent des deutschen Stromverbrauchs im Jahr 2050 entspricht [6] (siehe Bild 5). Auf der anderen Seite kann es in ganz Europa ungefähr einmal pro Jahrzehnt mehrere Wochen windstill sein [9]. In solchen Fällen hilft eine Steigerung der elektrischen Übertragungskapazitäten nicht, vielmehr muss die Stromversorgung dann mit flexibler Produktion oder mit Langzeitspeichersystemen gesichert werden. Da die Speicherthematik also zunehmend an Bedeutung gewinnt, werden im nachfol-

Bild 3. Klassifizierung von Energiespeichertechnologien. Quelle: [9]. 22

genden Kapitel einige Speichertechnologien vorgestellt, die zur Bewältigung der negativen und positiven Residuallast beitragen können. Für einen umfassenden Überblick wird auf [9] verwiesen. 2. Speichertechnologien Speichertechnologien lassen sich nach verschiedenen Kriterien klassifizieren, wobei Bild 3 eine Differenzierung nach der Dauer der Verfügbarkeit und gespeicherten Energieform zeigt. Das Energiezu-Leistungs-Verhältnis (energy to power ratio, E2P) setzt die gespeicherte Energie ins Verhältnis zur installierten Leistung. Ausgehend davon wird in [9] unterschieden zwischen Kurzzeit- mit einem E2P von weniger als 0.25 Stunden, Mittelzeit- mit einem E2P von 1–10 Stunden und Langzeittechnologien mit E2P-Werten von 50500 Stunden. Für längere Zeitperioden, also für Monats- bis Saisonspeicherung kommen nur grosse Wasserspeichersysteme oder die Elektrolyse von Wasser für die Produktion von Wasserstoff und nachgelagert Methan in Betracht. «Alle anderen Speichertechnologien, einschliesslich Druckluftenergiespeicher, wären aufgrund der hohen Kosten im Verhältnis zur Kapazität und der niedrigen Auslastungsrate extrem teuer» [9]. 2.1 Pumpspeicherkraftwerke In einem Gutachten [8] im Auftrag der österreichischen Verbund AG wird dargelegt, dass Pumpspeicherkraftwerke die «mit Abstand kostengünstigste und effizienteste grosstechnische Speichertechnologieoption sind und im Gegensatz zu allen anderen grosstechnischen Speichertechnologien moderate Investitionskosten, lange Lebensdauer und hohe Wirkungsgrade vereinen». In Deutschland sind die möglichen Standorte für neue Pumpspeicherkraftwerke stark eingeschränkt. Ende September 2008 hat die Schluchseewerk AG im Schwarzwald allerdings Pläne für das neue Pumpspeicherkraftwerk Atdorf im Hotzenwald vorgelegt. Dieses Kraftwerk sollte eine Leistung von 1400 MW haben, und wäre mit einem Investitionsvolumen von EUR 1.6 Mrd. verbunden. Im November 2012 wurde das Projekt der Energiekonzerne RWE und EnBW allerdings gestoppt [10]. Dies zeigt den Widerspruch zwischen der Notwendigkeit des Speicherausbaus und der momentanen Situation auf dem europäischen Strommarkt, der betriebswirtschaftlich wenig Anreize setzt, grosse Investitionen in nicht subventionierte Anla-

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gen zu tätigen. Dies ist umso bedauernswerter, weil die Schluchseewerke zwei Studien in Auftrag gegeben haben ([1], [19]), die beide zum Schluss kommen, dass das Pumpspeicherkraftwerk Atdorf einen erheblichen volkswirtschaftlichen Nutzen bringt: nebst der Vermeidung des Abregelns von erneuerbarer Stromerzeugung, kann das Pumpspeicherwerk zu einer Verringerung des Bedarfs an Spitzenlastkapazitäten führen und zwar über das Mass der installierten Turbinenleistung hinaus, was zu einer Reduktion der volkswirtschaftlichen Kosten der Stromerzeugung und der CO2-Emissionen führt. Weiter wurden im Gutachten der Deutschen Energie-Agentur [1] zwei kritische Engpasssituationen im Stromnetz aufgrund hoher Windenergieeinspeisung bei hoher Stromnachfrage untersucht. Die Simulation hat für beide Situationen gezeigt, dass die Überlastung mehrerer Stromleitungen durch den Einsatz des Pumpspeicherwerks erheblich reduziert werden könnte. Pumpspeicherwerke weisen im Vergleich zu Gasturbinen-Kraftwerken, die grundsätzlich auch Regelenergie liefern können, zahlreiche Vorteile auf. Unter anderem haben sie eine Hochlaufzeit aus dem Stillstand von nur zirka 15 Sekunden – gegenüber zirka zwei Minuten – und beim Schwarzstart eine deutlich höhere Zuverlässigkeitsrate, da sie mehrheitlich ohne externe elektrische Leistung oder Spannungsvorgabe rein manuell gestartet werden können [1]. 2.2 Power to Gas: Wasserstoff Bei diesem Speichersystem wird während des Ladevorgangs mit Strom mittels Elektrolyse Wasserstoff erzeugt, der verdichtet und zum Beispiel in Salzkavernen oder Spezialtanks gelagert wird. Beim Entladevorgang kann der Wasserstoff verwendet werden, um Verbrennungsturbinen anzutreiben oder Brennstoffzellen zu speisen. Der Vorteil liegt in den geringen spezifischen Kosten des Speichers, da die Energiedichte des komprimierten Wasserstoffs hoch ist, nachteilig ist allerdings der geringe Wirkungsgrad von unter 40 Prozent. Momentan sind gemäss [9] keine WasserstoffEnergiespeichersysteme in grossem Massstab in Betrieb, weil beim gegenwärtigen Stand der Marktdurchdringung von erneuerbaren Energien die Kapazität der konventionellen Backup-Stromerzeugung oder die indirekte Speicherung (siehe unten) viel billiger sind. Wasserstoffspeicher werden grössere Bedeutung erlangen für Stromsysteme mit sehr hohen Anteilen erneuerbarer Energie von 80 bis 100 Prozent. Als

Bild 4. Funktionsweise zweier unabhängiger Märkte mit eigener Speicherung (links) und zweier verbundener Märkte mit indirekter Speicherung (rechts). Abkürzungen: N: Nachfrage, P: Produktion, S: Wasserspeicher, SD: Speicher für Deutschland, Ü: Überschuss, W-S: Wasserstoff-Speicher, : Speicherreserve. Eigene Darstellung. Alternative kann der Wasserstoff statt in Kavernen im Erdgasnetz gespeichert werden, wobei auf Grund der gegenwärtigen Industriestandards, die erlaubte Konzentration auf wenige Prozent begrenzt ist. Gemäss [4] sind die bestehenden Erdgasspeicher mit 23.5 Milliarden Kubikmetern die grössten Energiespeicher Deutschlands und gleichen sowohl tagesals auch jahreszeitliche Verbrauchsspitzen aus. Porenspeicher dienen der Deckung des saisonalen Grundlastbedarfs an Erdgas, während Salzkavernenspeicher in ihrer Ein- und Ausspeicherrate leistungsfähiger sind als Porenspeicher und daher besonders für die tageszeitliche Spitzenlastabdeckung geeignet sind. 2.3 Power to Gas: Methanisierung Anstelle der Wasserstoff-Speicherung kann auch synthetisches Erdgas gespeichert werden. Es wird mit dem FischerTropsch-Verfahren aus Wasserstoff und Kohlendioxid hergestellt. Das Endprodukt Methan ist der Hauptbestandteil von Erdgas und ist somit mit der bestehenden Erdgas-Infrastruktur vollständig kompatibel, so dass es ohne Einschränkung in das Erdgasnetz eingespeist werden kann. Das deutsche Gasnetz könnte dann zum Zweck der Mittel- und Langzeitspeicherung genutzt werden. Nachteilig bei der Methanisierung sind die hinzukommende Verringerung des Wirkungsgrades und die zusätzlichen Kosten. [9] 3. Indirekte Speicherung Bei den obigen Technologien resultieren durch die Speicherung der Energie teil-

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weise erhebliche Wirkungsgradverluste. Ziel der indirekten Speicherung ist die Vermeidung dieser Verluste. Das Prinzip wird in Bild 4 dargestellt: auf der linken Abbildungshälfte sind Deutschland und Norwegen nicht miteinander verbunden: Zum Zeitpunkt 1 produziert Deutschland einen Überschuss auf Grund guter Witterungsbedingungen bei durchschnittlicher Nachfrage. Dieser wird zum Beispiel in einem Wasserstoff-Speichersystem mit einem Wirkungsgrad von weniger als 40 Prozent eingelagert. Norwegen deckt seine Nachfrage vollständig mit eigener Wasserkraft ab. Zum Zeitpunkt 2 ist die Nachfrage in Deutschland überdurchschnittlich und die Produktion durchschnittlich, so dass der Speicher eingesetzt werden muss. Norwegen deckt seine Nachfrage wiederum mit Wasserkraft ab. Zieht man Bilanz, so haben beide Länder leere Speicher. Auf der rechten Abbildungshälfte sind Deutschland und Norwegen durch Interkonnektoren miteinander verbunden. Der Überschuss Deutschlands dient direkt zur Nachfragedeckung Norwegens, so dass Norwegen selber nur noch einen kleinen Teil aus Speichern bereitstellen muss und damit die Speicherreserven hoch halten kann. Zum Zeitpunkt 2 deckt Deutschland seine positive Residuallast mit Speicherkapazitäten aus Norwegen. Zieht man Bilanz, so hat Norwegen einen beachtlichen Teil des Speichers noch gefüllt und Deutschland braucht keinen eigenen Speicher. Basierend auf diesen Grundüberlegungen ergeben sich zwei Fragestellungen, die den Kern der Studie von Prognos [6] bilden: Wie können erstens eine untere 23

Grenze für das energetische Potenzial der indirekten Speicherung und zweitens die Wirtschaftlichkeit von Interkonnektoren abgeschätzt werden? Zur ersten Frage ist eine Fallunterscheidung vorzunehmen: i) Negative Residuallast in Deutschland: Wie viel Überschussleistung können die Partnerländer mindestens aufnehmen? Dazu ist die Überschussleistung Deutschlands mit der Mindestlast in den Partnerländern zu vergleichen. ii) Positive Residuallast in Deutschland: Wie viel Leistung können die Partnerländer mindestens zur Verfügung stellen? Dazu ist die Residuallast Deutschlands mit der verfügbaren Reserveleistung bei Maximallast in den Partnerländern zu vergleichen. 3.1

Wasserkraft in den Partnerländern Zum Ausbaupotenzial der Wasserkraft in der Schweiz wird an dieser Stelle auf die Artikel [13] und [16] verwiesen, für Österreich auf die Studie [14]. Auf die indirekte Speicherung zwischen Deutschland und den Alpenländern wird nicht weiter eingegangen. Norwegen weist ein theoretisches Wasserkraftpotenzial von rund 600 TWh auf, davon dürften gut 200 TWh wirtschaftlich nutzbar sein. 124 TWh davon werden heute genutzt, 50 TWh sind in Schutzgebieten und damit nicht nutzbar. Somit bleibt ein ausschöpfbares Ausbaupotenzial von knapp 30 TWh. Die Leistung aus Wasserkraft könnte unter marginalen ökologischen Auswirkungen von knapp 30 GW auf 33–35 GW erhöht werden, mit etwas grösseren Eingriffen wären Ausbauziele von 10–20 GW denkbar. [15] Die jährliche Produktion schwankt als Folge der Witterungsverhältnisse beträchtlich. So lag der Spitzenwert bei 142 TWh im Jahre 2000, während im Jahr 2003 nur 106 TWh produziert wurden, was zu einem erheblichen Importbedarf geführt hat. Dies war aber kein Einzelfall wie die Daten der Vergangenheit aufzeigen [18]. Der skandinavische Markt ist gut organisiert, vernetzt und weist insgesamt ein breit diversifiziertes Produktionsportfolio auf, so dass sich die skandinavischen Länder in den meisten Situationen aushelfen können. Da aber eine hohe Korrelation zwischen den Niederschlagsmustern Norwegens und Schwedens besteht, können in trockenen Jahren in Norwegen Engpasssituationen auftreten, da Schweden in solchen Jahren nur geringe Exportmengen zur Verfügung stellen kann. In diesen Fällen muss Norwegen auf seine grossen 24

Speicherreservoire, die als Backup-Kapazitäten dienen, zurückgreifen. Diese weisen allerdings eine Auffülldauer von drei bis vier Jahren auf [15]. Es liegt somit auch im Interesse Norwegens, die Anbindung an andere Märkte und damit die Versorgungssicherheit zu verbessern. 3.2

Energetisches Potenzial der indirekten Speicherung Fall i): Die Mindestlast in Norwegen betrug im Jahr 2010 gut 8 GW, in Schweden lag sie sogar noch leicht darüber. Damit kann auch unter Berücksichtigung von MustRun-Kapazitäten – meist konventionelle Kraftwerke, die in Betrieb sein müssen, um Systemdienstleistungen bereitstellen zu können – eine erhebliche Importleistung aufgenommen werden, für Skandinavien schätzt Prognos rund 10–13 GW. Da in Zeiten des Überschusses in Deutschland die Preise auf dem deutschen Markt tiefer sein dürften als in Skandinavien besteht zudem ein wirtschaftlicher Anreiz für den Import aus Deutschland. Fall ii): Die Maximallast lag in Norwegen und Schweden im Jahr 2010 bei 49 GW. Bei einer regelbaren installierten Leistung von 65 GW ergibt sich somit eine Differenz von 16 GW die genutzt werden könnte, um Strom nach Deutschland zu exportieren. Davon fallen auf der einen Seite auf Grund von füllstandsbedingten Einschränkungen der Wasserkraft, Knappheiten im Übertragungsnetz sowie zu erwartenden Kraftwerksausfällen substanzielle Mengen weg. Prognos schätzt für einen normalen Winter eine Leistungsreserve von gut 6 GW in Norwegen und Schweden. Auf der anderen Seite dürfte als Folge des Ausbaus der Interkonnektoren und der Lieferung von Überschussstrom nach Skandinavien die zur Verfügung stehende Reserveleistung in Skandinavien als Folge der höheren Füllstande einzelner Wasserkraftwerke steigen, so dass die nutzbare Leistung höher ist. Prognos erachtet alles in allem eine Leistungsaufnahme von 12 GW als realistisch. 3.3

Wirtschaftlichkeit von Interkonnektoren Der Bau von Interkonnektoren zwischen Deutschland und Norwegen ist aus unternehmerischer Sicht nur dann wirtschaftlich, wenn die Erlöse aus dem Betrieb der Interkonnektoren die Kosten übersteigen. Dabei ist zu unterscheiden zwischen regulierten und nicht-regulierten Interkonnektoren: regulierte werden über öffentlich kontrollierte Netznutzungsentgelte finanziert, nicht-regulierte erzielen ihre

Erlöse durch die Ausnützung von Strompreisdifferenzen in den zwei verbundenen Marktgebieten. Die Kosten für einen Interkonnektor werden zu rund 90 Prozent von den Investitionskosten bestimmt, dazu kommen noch Kosten für die Instandhaltung und den Betrieb sowie Kosten für die Transportverluste. Es existieren zwei Projekte für Interkonnektoren zwischen Deutschland und Norwegen: das erste Projekt NorGer wurde 2006 entwickelt, an dem ursprünglich auch die Elektrizitätsgesellschaft Laufenburg (EGL) mit einem Sechstel beteiligt war. NorGer sollte als reines Handelskabel betrieben werden und von Regulierungsauflagen befreit sein. Die Gesellschaft würde sich somit ausschliesslich aus den Preisdifferenzen zwischen den beiden Märkten finanzieren. Auf Grund von behördlichen Auflagen hat das Konsortium im Jahre 2011 seine Anträge an die EUKommission und die Bundesnetzagentur zurückgezogen [7] und in der Folge hat EGL seinen Anteil an das norwegische Energieunternehmen Statnett verkauft. 2007 wurde das zweite Projekt NORD. LINK von Statnett und Transpower (heute TenneT TSO) initiiert: ein HochspannungsGleichstrom-Übertragungskabel mit einer Gesamtlänge von 640 Kilometern, wobei das Seekabel zirka 530 Kilometer lang sein soll. Im Gegensatz zu NorGer wäre NORD.LINK ein reguliertes Seekabel, das heisst es wäre über öffentlich kontrollierte Netznutzungsentgelte finanziert. Die geplante Kapazität beträgt rund 1400 MW, das Investitionsvolumen liegt bei rund EUR 2 Mrd. und die Fertigstellung war für 2016 geplant. Gemäss [5] dürfte sich die Inbetriebnahme auf Grund von dringend notwendigen Netzverstärkungen auf norwegischer Seite auf 2018–2021 verzögern und auch die Kapazität wird neu auf 1000 MW veranschlagt. Im Jahre 2010 hat die norwegische Energiebehörde zudem von NORD.LINK und NorGer eine gemeinsame Planung für die Meeranbindung in Norwegen gefordert, was zur Folge hat, dass vorerst höchstens eines der beiden Projekte realisiert werden dürfte. 3.3.1 Methode 1: Marktpreisdifferenzen Bei der ersten Methode der Wirtschaftlichkeitsrechnung wird von einem Handelskabel ausgegangen. Prognos rechnet bei 1400 MW und EUR 1400 pro kW mit EUR 2 Mrd. Investitionen, so dass der Kabelbetreiber bei einer Verzinsungserwartung von acht Prozent pro Jahr und einer Abschreibedauer von 20 Jahren einen jährlichen Überschuss von rund EUR 200 Mio.

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erwirtschaften muss. Nimmt man an, dass das Kabel das ganze Jahr mit voller Leistung genutzt wird, dann müssen sich Erträge von rund EUR 16 pro MWh ergeben, das heisst die Preisdifferenz zwischen dem deutschen und skandinavischen Markt muss EUR 16 pro MWh betragen, unter Berücksichtigung von Netzverlusten von rund 10 Prozent liegt die geforderte Differenz bei EUR 18 pro MWh. Auch wenn diese Spreads aus heutiger Sicht durchaus realistisch erscheinen, ist die Abschätzung der Wirtschaftlichkeit nur basierend auf der Entwicklung der Preisunterschiede zwischen den Märkten stark risikobehaftet, da die regulatorischen Rahmenbedingungen heute unsicher sind: so ist nicht klar, ob sehr hohe Preisspitzen als Knappheitssignale zugelassen werden oder ob diese durch Leistungsreserven verhindert werden. Im Weiteren führt eine Zusammenführung der beiden Märkte tendenziell zu einer Reduktion der Preisunterschiede was die Wirtschaftlichkeit dämpft. 3.3.2 Methode 2: Kostenvergleich mit alternativen Speichertechnologien Die zweite Methode schätzt die Wirtschaftlichkeit auf dem Umweg über die alternativen Nutzungsmöglichkeiten des Überschussstromes ab. Dabei handelt es sich um eine sehr vereinfachte Näherung, die aber aufzeigt, welches Potenzial in der Anbindung von Deutschland mit Norwegen stecken kann. Geht man davon aus, dass langfristig die mittleren Stromgestehungskosten EUR 90 pro MWh betragen werden und die Methanisierung einen Wirkungsgrad von einem Drittel aufweist, dann hat der Überschussstrom einen oberen Wert von EUR 30 pro MWh. Errichtet man stattdessen einen Interkonnektor dann beträgt der Ertrag für die Nutzung des Überschussstroms also etwa EUR 60 pro MWh. Prognos berücksichtigt in ihren Abschätzungen weiter, dass dank der Verbindung zweier Märkte die Reservekapazitäten in Deutschland reduziert werden könnten, so dass ein zusätzlicher Nutzen von EUR 250 pro kW für zukünftige Kabelprojekte resultiert, was bei einer entsprechenden Gutschrift zu Nettoinvestitionskosten von EUR 1150 pro kW für den Interkonnektor führt. Bei gleichen betriebswirtschaftlichen Annahmen wie in Methode 1 ergibt sich damit eine Mindestnutzungsdauer des Interkonnektors von 1900 Stunden pro Jahr. Damit könnten mindestens 4 GW (Bild 5 schwarze Linie) oder knapp 8 TWh Überschussstrom von Deutschland nach Norwegen abgeführt werden. In Skandinavien werden die er-

Bild 5. Jahresdauerlinie der Residuallast in Deutschland im Jahr 2050. Sie zeigt, während wie vielen Stunden im Jahr (x-Achse) eine bestimmte Überschussleistung aus fluktuierenden erneuerbaren Energien (y-Achse) überschritten wird. Positive Werte entsprechen einer negativen Residuallast (Überschussstrom), negative Werte einer positiven Residuallast. Dargestellt ist das wirtschaftliche Potenzial der Interkonnektorenleistung durch Nutzung von deutschem und skandinavischem Überschussstrom im Jahr 2050. Quelle: [6], bearbeitet. neuerbaren Energie ebenfalls ausgebaut und der grösste Teil des erwarteten Überschussstromes dürfte nicht zeitgleich mit dem Überschuss in Deutschland anfallen, da in Skandinavien wenig Photovoltaik gebaut wird und die Windanlagen zwischen 500 und 1000 Kilometer von den deutschen Windanlagen entfernt sind und damit zeitversetzt den Grossraumwetterlagen ausgesetzt sind. Damit kann die Nutzung der Interkonnektoren und die Wirtschaftlichkeit weiter verbessert werden. Unterstellt man einen Import nach Deutschland von 5 TWh (Bild 5 blaue Fläche), dann erhöht sich gemäss Prognos das Potenzial von Interkonnektoren auf 15 GW (Bild 5 grau gestrichelte Linie). Zieht man die bereits heute installierte Leistung von 3 GW über Dänemark ab, ergibt sich langfristig ein Ausbaupotenzial von bis zu 12 GW. 4.

Schlussfolgerungen und Bezug zur Schweiz Die Verbindung des deutschen und skandinavischen Marktes durch Interkonnektoren kann dazu beitragen, dass ein substanzieller Teil der Überschussenergie Deutschlands direkt und folglich mit geringen Wirkungsgradverlusten genutzt werden kann. Dabei handelt es sich allerdings um langfristige Projekte deren mögliche Realisierungen erst am Anfang stehen und mit zahlreichen Unsicherheiten verbunden sind. Wie obige Abschätzungen zeigen, kann damit aber nur ein Teil des

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Überschussstromes abgenommen werden und die Überschussleistung bleibt in einzelnen Stunden nach wie vor hoch. Somit hat Deutschland nebst indirekter Speicherung weitere Speichertechnologien auch im Kurz- und Mittelzeitbereich zu erschliessen. Die Schweiz baut momentan ihre Pumpspeicherkapazitäten stark aus. Damit kann sie bereits in wenigen Jahren äusserst flexibel bei der Bewältigung der positiven und negativen Residuallast aus Deutschland einen Beitrag leisten, was angesichts der sehr hohen Fluktuationen der Windenergie und Photovoltaik gerade im Minuten- und Stundenbereich eine grosse Chance für die Pumpspeicherbetreiber und damit die Schweizer Wirtschaft ist. Unverständlich ist es unter diesem Aspekt, dass die Schweiz laut darüber nachdenkt, ihre nachhaltige Stromversorgung und damit ideale Ausgangslage aufs Spiel zu setzen, indem sie sich in der Energiestrategie Ziele vorgibt, die einen massiven Ausbau der Photovoltaik und auch in geringerem Ausmasse der Windenergie vorsieht. Damit würde sie die Strategie und die Entwicklung Deutschlands kopieren, was dazu führte, dass sie in fernerer Zukunft genau die gleichen Herausforderungen zu bewältigen hätte wie Deutschland, nämlich negative Residuallast im Sommer und im Gegensatz zu Deutschland in noch verstärktem Ausmass positive Residuallast im Winter, da die Schweiz weni25

ger Windanlagen erstellen könnte. Damit müssten die neuen Pumpspeicherkapazitäten verstärkt für die Gewährleistung der Versorgungssicherheit in der Schweiz eingesetzt werden. Diese Entwicklung ist bedauernswert, da sie nicht aus einer Notlage entsteht. Vielmehr müsste es für ein kleines Land wie die Schweiz erstrebenswert sein, eine sinnvolle Ergänzung mit alternativen Geschäftsmodellen auf dem europäischen Strommarkt bieten zu können. Das Potenzial wäre zweifellos vorhanden, droht nun aber auf Grund von staatlichen Interventionen und Subventionen wegzubrechen.

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windparks-grossinvestitionen-fuer-energie-

che Bewertung von Pumpspeicherwerken und

Deutschland an Land und Offshore bis zum Jahr

wende-auf-wiedervorlage/70117999.html (ab-

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veloping Europe’s power market for the large-

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scale intergration of wind power.

tion erneuerbaren Stroms in das Erdgasnetz:

[12] Nitsch J. et al. 2012. Langfristszenarien

Power to Gas – eine innovative Systemlösung

und Strategien für den Ausbau der erneuerba-

Anschrift des Verfassers

für die Energieversorgung von morgen entwi-

ren Energien in Deutschland bei Berücksichti-

Dr. Michel Piot, Public Affairs, swisselectric

ckeln.

gung der Entwicklung in Europa und global –

Postfach 7950, CH-3001 Bern

[5] Entso-E. 2012. TYNDP 2012: Regional In-

Schlussbericht.

michel.piot@swisselectric.ch

vestment Plan North Sea – Final.

[13] Pfammatter R. 2012. Wasserkraftpotenzial

www.swisselectric.ch

Energiewirtschaftliche

[8] Frontier

Economics.

2011.

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HYDROGRAPHIE I STRÖMUNGSMESSUNG I SEEGRUNDKARTIERUNG Inserat_quer_RZ.indd 1 Prozessfarbe CyanProzessfarbe MagentaProzessfarbe GelbProzessfarbe Schwarz

23.03.12 13:25

«Wasser Energie Luft» – 105. Jahrgang, 2013, Heft 1, CH-5401 Baden

Ausbau Pumpspeicherung – lohnt sich das? Jan Remund

Zusammenfassung In diesem Bericht wird untersucht, wie sich die Variabilität des deutschen Strombedarfs in Abhängigkeit von der installierten Leistung der Photovoltaik (PV) verändert. Die Untersuchung zeigt, dass die Variabilität der Stromnachfrage im Moment einen absoluten Tiefpunkt durchläuft. Dies deshalb, weil die momentan in Deutschland installierte PV-Leistung von 30 GWp ziemlich genau den Unterschied zwischen Tagesminimum und -maximum ausgleicht. Bei steigender PV-Installation wird die Variabilität wieder zunehmen. Bei 65 GWp, die je nach Ausbautempo in 5–10 Jahren erreicht werden, wird die Variabilität gleich oder höher sein als ohne PV-Installation. Unter der Annahme, dass je höher die Variabilität der Stromnachfrage, desto höher der Preis für die variable Produktion ist, wird die Pumpspeicherung in Zukunft wieder mehr Gewinn abwerfen. Bandkraftwerke werden ab 50 GWp PV hingegen zunehmend unrentabel.

1. Einleitung In der Schweiz bestehen seit mehreren Jahrzehnten Pumpspeicherwerke. Seit der europäischen Marktöffnung und der Teilnahme der Schweizer Elektrizitätsunternehmungen an der Leipziger Strombörse EEX wurden diese vermehrt nachgefragt. Die Kapazität wird deshalb im Moment von 1.5 auf 4.0 GW ausgebaut. Weitere 2 GW sind in Planung. Das Potenzial beträgt im Minimum 10 GW. Die Schweizer Pumpspeicherwerke sind zudem zum grössten Teil in Speicherkraftwerke eingebunden und weisen deshalb relativ grosse Unterund Oberbecken auf. Bei den Speicherkraftwerken beträgt die installierte Leistung 8 GW. Die Pumpspeicherung florierte bis 2010 dank dem relativ grossen Preisunterschied zwischen billigem Nachtstrom, der von AKW oder Kohlekraftwerken stammte, und teurem Spitzenstrom über Mittag. Der Betrieb der Pumpspeicherung – ursprünglich zur Lieferung von Regelenergie gebaut – wurde aus ökonomischen Gründen stark ausgeweitet. Im 2012 kam in der Schweiz allerdings die Debatte auf, ob sich der laufende

und geplante Ausbau der Pumpspeicherung lohne. Die Erträge an der europäischen Strombörse sind in den letzten zwei Jahren eingebrochen. Dies aus zwei Gründen: erstens war auf Grund der Wirtschaftskrise die Stromnachfrage kleiner, was zu einem Überangebot führte. Zweitens deckt die Photovoltaik in Deutschland im Sommerhalbjahr seit 2011 häufig die Mittagsspitze ab. Der Unterschied zwischen dem höchsten und tiefsten Preis verkleinerte sich deshalb stark. In diesem Bericht wird untersucht, ob der Trend der abnehmenden Nachfrage nach Spitzenstrom weiter anhält und wie sich generell die Variabilität des deutschen Strombedarfs in Abhängigkeit von der installierten Leistung der Photovoltaik (PV) verändert. 2. Datengrundlage Die Datengrundlage dieser Untersuchung sind öffentlich zugängliche Daten der Leipziger Strombörse EEX . Analysiert wurden sechs Wochen im Zeitraum vom Oktober 2011 bis August 2012 (jeweils eine Woche alle zwei Monate). Die installierte PV-Leistung in Deutschland wuchs in diesem Zeit-

Bild 1. Verlauf der Stromnachfrage (Last) und der Wind- und PV-Leistung in Deutschland. Der graue Bereich ist die Residual-Last bei 70 GWp PV («Konventionell»). Die horizontale blaue Linie zeigt die Leistung der Grundlastkraftwerke mit einer angenommenen summierten Leistung von 35 GW. «Wasser Energie Luft» – 105. Jahrgang, 2013, Heft 1, CH-5401 Baden

raum von ca. 21 auf 30 GWp PV. Bild 1 zeigt den Verlauf der Stromnachfrage (oberste Linie) und davon abgezogen die PV-Leistung während sieben Tagen im August 2012. Die Residuallast nach Abzug der Produktion durch die 30 GWp PV von der momentanen Stromnachfrage (Last) verläuft oberhalb des roten Bereichs (braune Linie: Last – 30 GW PV). Der Tagesverlauf der Residuallast ist momentan ziemlich flach – die Mittagsspitze ist durch die PV abgehobelt. Dieser Effekt tritt bei 30 GWp zwischen März und Oktober auf. Im Winter ist die Einstrahlung in Deutschland zu gering. Sechs der sieben abgebildeten Tage sind eher sonnig. An einigen Tagen wurden rund 20 GW PV-Leistung erreicht, was rund 67% der installierten PV-Leistung entspricht. Der Maximalwert liegt bei rund 70% der installierten Leistung. Dieser Wert wird zwischen Mai und August rela-

tiv selten erreicht (dazu muss Deutschland vollkommen wolkenlos sein). In den Jahren 2010–12 wurden pro Jahr ca. 7 GWp PV in Deutschland installiert. Für die nächsten Jahre wird mit 3–6 GWp pro Jahr gerechnet. 52 GWp sollten gemäss Regierung 2020 erreicht werden (beim heutigen Wachstum bereits 2015). Für die Energiewende sind zwischen 70–200 GWp PV (12–25% der Produktion) in Deutschland notwendig. Ab 70 GW PV wird es regelmässig vorkommen, dass die PV die gesamte Last abdeckt. 3.

Veränderung der kurzfristigen Variabilität Es wurden zwei Indizes für die Variabilität des Lastverlaufs berechnet. Diese basieren auf dem Lastverlauf von dem die PVLeistung abgezogen wird (Residual-Lastverlauf). 1. Absoluter Unterschied zwischen höchstem Residual-Lastverlauf und

Bild 2. Differenz zwischen Maximum und Minimum der Nettolast in Abhängigkeit der installierten PV-Leistung (analysiert für ganzes Jahr).

tiefstem Residual-Lastverlauf innerhalb einer Woche. 2. Maximale Differenz zwischen zwei aufeinander folgenden Stundenwerten des Residual-Lastverlaufs während einer Woche. Die Idee hinter beiden Indizes ist, dass die Speicher- und insbesondere die Pumpspeicherkraftwerke am besten auf die raschen und grossen Änderungen reagieren können (im Gegensatz zu Kohleoder Atomkraftwerke, deren Reaktionszeiten viel länger sind und die kaum reguliert werden können). Je grösser und schneller die Änderungen, desto mehr werden (Pump-) Speicherkraftwerke benötigt. Die Bilder 2 und 3 zeigen den Verlauf der beiden Indizes in Abhängigkeit von der installierten PV-Leistung. Ebenfalls zeigen die Bilder 2 und 3 klar auf, dass bei 30 GWp PV – der momentan in Deutschland installierten Leistung – die Differenzen am kleinsten sind und deshalb am wenigsten Ausgleichsleistung benötigt wird. Die Speicherkraftwerke werden somit in Zukunft wieder stärker nachgefragt. Der Ausgleichsbedarf wird in den nächsten 5–10 Jahren wieder auf die vor 2010 üblichen Werte und danach auf höhere Werte steigen. Je mehr PV in den nächsten Jahren installiert wird, desto schneller steigt der Bedarf wieder an. Der schlechteste Fall tritt ein, wenn das deutsche Einspeisegesetz (EEG) für die Photovoltaik 2013 vollständig gebremst würde (was aber wenig wahrscheinlich ist). Diese Studie stützt sich auf die deutschen EEX-Kurse und den deutschen PV-Markt, da diese für die Preisbildung in Westeuropa am wichtigsten sind. Die hier nicht berücksichtigten PV-Zubauraten in Österreich und Italien sind aber ebenfalls hoch und werden die Nachfrage nach variabler Stromproduktion zusätzlich verstärken. 4.

Bild 3. Maximale Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stundenwerten in Abhängigkeit der installierten PV (analysiert für ganzes Jahr). 28

Finanzielle Auswirkungen auf Grundlastkraftwerke Momentan setzt sich der Grundlastkraftwerkspark in Deutschland folgendermassen zusammen: • AKW: 12 GW • Braunkohle: 20 GW • Steinkohle: 21 GW Die gesamte Summe beträgt damit rund 53 GW. Die Summe des Zubaus der Kohlekraftwerke bis 2015 beträgt zudem rund 8 GW. Rund 3 GW werden voraussichtlich still gelegt. Die Summe der Kohlekraftwerke beträgt damit ab 2022 (beschlossener Ausstieg aus Atomkraft) 46 GW. Zieht man davon noch Revisionszeiten

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und einen Anteil für flexiblere SteinkohleKraftwerke ab (25%) so erhält man eine minimale Leistung von 35 GW. Wir gehen im Weiteren von dieser Grösse aus. Folgendes zugegebenermassen stark vereinfachtes Modell wurde verwendet, um den Einfluss der PV auf die Grundlastkraftwerke zu berechnen: Die Grundlast entspricht dem mittleren tägliche Minima der Residuallast pro Woche. Der Wind wurde konstant belassen, um nur den Einfluss der PV zu berechnen. Wie weiter unten gezeigt wird, verschlechtert die zusätzliche Erhöhung der Windeinspeisung die Situation der Grundlastkraftwerke weiter. Dieser wöchentliche Grundlastleistungswert wird in Beziehung zu den 35 GW gesetzt und damit ein Anteil der möglichen Volllaststunden berechnet. In Bild 1 (Augustwoche) würde die konstante Residuallast bei 30 GWp PV bei 33 GW liegen und bei 70 GW PV bei rund 15 GW liegen. Die Volllaststunden würden damit in der Augustwoche von 95 auf 42% sinken. Bild 4 zeigt den Anteil der Volllaststunden (während des ganzen Jahres) der 35 GW Grundlastkraftwerke in Abhängigkeit zur installierten PV-Leistung. Bild 5 zeigt den Zusammenhang zwischen der PV und den Grundlastkraftwerken noch deutlicher. Hier wurde die Verringerung der Volllaststunden in Geldwerte umgerechnet, indem die nicht produzierbare Energiemenge mit einem Grundlaststrompreis von 0.04 E/kWh multipliziert wurde. Bis 50 GWp PV ist die Verringerung der Volllaststunden und damit des Ertrags noch relativ flach. Ab 50 GWp nimmt der Verlust rapide zu. Bei 80 GWp PV betragen diese rund vier Mrd. EUR pro Jahr. Jedes zusätzliche GW PV wird die Betreiber von Grundlastkraftwerken damit rund 90 Mio. EUR/Jahr kosten. Bei den heute vorhandenen 30 GWp PV führt jedes weitere GWp PV zu Mindereinnahmen von rund 45 Mio. EUR pro Jahr. Die starke Opposition der deutschen Grundlastkraftwerkbetreiber gegen die PV wird damit aus finanzieller Sicht nachvollziehbar. Der Merit-Order Effekt an der Strombörse dürfte diese Tendenz zudem eher noch verstärken. Bei gleichzeitigem gleich starkem Wachstum der Windinstallation erhöhen sich die Mindereinnahmen pro GW PV auf 180 Mio. EUR (oberhalb 50 GWp PV). Falls die Erträge wie gezeigt zurückgehen, ist davon auszugehen, dass weitere Grundlastkraftwerke abgestellt werden (neben den AKW, die bis spätestens 2022 abgestellt werden sollen).

Bild 4. Anteil Stunden eines Jahres, während dem Strom von Grundlastkraftwerken mit einer Gesamtleistung von 35 GW benötigt wird, in Abhängigkeit von der installierten PV-Leistung.

Bild 5. Verringerung des Ertrags von Grundlastkraftwerken (mit summierter Leistung von 35 GW) in Abhängigkeit der installierten PV-Leistung. 5.

Finanzielle Auswirkungen auf Spitzenlastkraftwerke Unter der Annahme, dass der «spread» (Differenz zwischen Spitzenstrom- und Tiefstrompreis) proportional zum Unterschied zwischen Tagesmaximum und -Minimum der Tageslast ist (was sich ebenfalls zeigen lässt), so wären mit dem Variabilitäts-Index, der auf der Differenz zwischen Tagesmaximum und -minimum beruht, zusätzliche 35 GWp PV-Strom nötig (Total: 65 GWp), um wieder gleich hohe Erträge aus der Lieferung von Spitzenstrom zu erreichen (Bild 2). Diese werden je nach Ausbautempo in 5–10 Jahren erreicht werden. Beim zweiten Variabilitätsindex basierend auf der maximalen 1-Stundendifferenz wird der Gleichstand bereits bei 50 GW erreicht. Es ist zudem wahrscheinlich, dass während den tiefen Lasttälern (der Residuallast) der Preis an der Strombörse sehr tief wenn nicht sogar negativ sein wird (der Strompreis hängt durch die Merit-Order Regel von den Grenzkosten der noch in Europa verbleibenden AKWs und Kohle-

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kraftwerken ab). Der Strompreis während der höchsten Nachfrage der Residuallast wird wahrscheinlich durch Gaskraftwerke definiert. Falls die Pumpspeicherwerke günstigeren Strom als diese liefern können, werden diese im Markt bestehen, was nach heutigen Preisniveaus der Fall ist. Physikalisch werden Stromspeichersysteme ab 5–10% Anteil PV-Strom am Jahresbedarf benötigt. Dies ist der Fall, wenn die Produktion der Erneuerbaren zeitweise die Last übersteigt. Bei einer auf erneuerbaren Energieträgern basierten Stromversorgung ist dies unumgänglich. Die Anteile werden in Europa mit recht grosser Wahrscheinlichkeit in den nächsten Jahren erreicht und überschritten werden (Deutschland hat bereits rund 5%). Dass die Pumpspeicherung momentan und auf einige Zeit hinaus das mit Abstand günstigste Kurzzeit-Speichersystem darstellt, ist ein weiterer Grund dafür, dass diese in Zukunft rentabel sein werden. Pumpspeicherkraftwerke werden damit nicht nur als Regelenergielieferant eingesetzt werden, sondern auch als phy29

Bild 6. Aufteilung der Residuallast in Abhängigkeit der installierten PVLeistung bei gleich starkem Ausbau der Windenergie. sikalischer notwendiger Speicher benötigt. Auch unter dem Gesichtspunkt des in der Schweiz und den Nachbarländern benötigten mittelfristigen Ausgleichsbedarfs, sowohl bei nachhaltigen Szenarien (mit 100% Erneuerbaren, Energiestrategie 2050 der Grünen) als auch bei Szenarien des Bundesrats (Energiestrategie 2050), ist der Ausbau der Pumpspeicherung sinnvoll. Bild 6 zeigt die benötigte Residuallast und deren Aufteilung in Grund-, Mittel - und Spitzenlast bei einem gleich starken Ausbau der Windinstallation. Der Bedarf an Grundlastproduktion sinkt bei dieser (realitätsnahen) Annahme besonders stark ab. Der Bedarf an Mittellastproduktion bleibt in etwa konstant während die Spitzenlastproduktion ab 50 GW PV stark steigt. Der zukünftige Ertrag der (Schweizer) Pumpspeicherkraftwerke wird von vielen Faktoren abhängen, die schwierig zu beziffern sind. Zentral sind sicher die wirtschaftliche Entwicklung Europas, das Mass der Integration der Schweiz in den

europäischen Strommarkt und nicht zuletzt das Verhältnis vom Schweizerfranken zum Euro. Der zukünftige Zubau der PV wird aber gemäss dieser Untersuchung die Ertragsmöglichkeiten der Speicherkraftwerke nicht weiter schmälern sondern erhöhen. Es zeigt sich auch hier: Speicherkraftwerke und Photovoltaik bilden das «dream team» für die erneuerbare Energieversorgung der Schweiz und Europas.

gien für Strom und Wärme in Deutschland http://www.ise.fraunhofer.de/de/veroeffentlichungen/veroeffentlichungen-pdfdateien/studien-und-konzeptpapiere/studie-100-erneuerbare-energien-in-deutschland.pdf VI Mittellast bezeichnet den über die Grundlast hinausgehenden Strombedarf, abgesehen von kurzen Leistungsspitzen, starken Leistungsanstiegen oder unvorhergesehenem Strombedarf. In dieser Studie wurde von

Referenzen

einer maximalen Leistungsänderung der

Mittellast von 2.5 GW pro Stunde ausge-

EEX Strombörse: http://www.transparency. eex.com/de/

gangen.

www.sma.de

VII Energiestrategie 2050 des Bundesrats

III Bundesnetzagentur: http://www.bundes-

(www.energiestrategie2050.ch)

netzagentur.de/cln_1912/DE/Sachgebiete/ ElektrizitaetGas/Sonderthemen/Kraftwerksliste/VeroeffKraftwerksliste_Basepage.html

Anschrift des Verfassers

IV Hintergrundbericht zur Energiestrategie

Jan Remund, dipl. Natw. ETH

2050 der Grünen, Bild 11: http://www.

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Pumpspeicherkraftwerk Nant de Drance, Schweiz Wiederbelebung einer innovativen Lösung für die Erstellung der Wasserfassungen Emad Graf

Zusammenfassung Zur Realisierung des ambitiösen neuen Pumpspeicherwerk-Projekts Nant de Drance im Kanton Wallis hat das eidgenössische Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation (UVEK) am 25. August 2008 die Konzession und die Baugenehmigung erteilt. Am 14. April 2011 erhielt die Nant de Drance SA durch das UVEK die Zusatzkonzession für die Leistungserhöhung des im Bau befindlichen Kraftwerks von 600 MW auf 900 MW. Die Gesamtkosten für das Projekt belaufen sich auf etwa 1.80 Milliarden Franken.

Der Bau des Pumpspeicherwerks Nant de Drance dient der Produktion von Spitzenenergie infolge der europaweit steigenden Bedürfnisse nach konsumangepasster Spitzen-Energieproduktion und rasch einsetzbarer Regulierleistung für die Landesund Bahnstromversorgung (SBB, TRAVYS und BLS). Hierfür kommt die modernste Maschinentechnik für eine schnelle Reaktion auf stark veränderlichen Netzschwankungen und unregelmässige Produktion aus erneuerbaren Energien zum Einsatz. Das Projekt nutzt die bestehenden Stauseen Emosson und Vieux Emosson auf dem Gebiet der Walliser Gemeinde Finhaut mit einem Gefälle von 250–395 m zur Erzeugung von rund 2500 GWh jährlich bei einer Turbinenperformance von etwa 85%. Als Wegweisend für neue Technologien in der Schweiz werden in diesem Projekt erstmals asynchrone Pumpturbinen mit variabler Geschwindigkeit eingesetzt. Die von Alstom (Schweiz) AG herzustellenden sechs vertikalen, reversiblen Francis-Turbineneinheiten von je Maximum 157 MW und die vertikalen Asynchronmotor-Generator-Einheiten mit 170 MVA sowie weitere zentrale Anlagenelemente stellen die Kernausrüstung des Projekts dar.

Bauherrschaft: Nant de Drance SA, gegründet am 7.11.2008 mit folgenden Beteiligungen: • Alpiq Suisse SA 39% • Schweizer Bundesbahn, SBB 36% • Industrielle Werke Basel, IWB 15% • Kanton Wallis (FMV) 10% Hauptbeteiligte Berater und Planer: • Gesamtprojektierender: AF Consult Switzerland AG • Planung Staumauererhöhung Stucky SA Unternehmer und Lieferanten: • Groupement Marti Implenia: Hauptbauunternehmer • Alstom (Schweiz) AG: Pumpturbinen und Motorgeneratoren • ABB Schweiz: Maschinentransformatoren • Andritz Hydro AG: Stahlwasserbau • Alpiq Ener Trans: Planung Netzanschluss Projekt-Bestandteile Das PSW Nant de Drance besteht hauptsächlich aus den folgenden Anlagenteilen: • Maschinenkaverne (194 × 52 × 32 m) mit sechs Vario-Speed-Pumpturbinengruppen zu je 150 MW • Trafokaverne (140 × 18 × 15 m) mit sechs dreipoligen Zweiwickel-Transformatoren • zwei unabhängige Triebwasserwege mit Gesamtlänge von je ca. 2100 m (inkl. Vertikalschächte) jeweils bestehend aus: - Oberwasserseitig der Maschinenkaverne: - Ein-/Auslaufbauwerk Vieux Emosson (EAO) - Druckstollen mit einer Länge von rund 280 m und Innendurchmesser Øi = 7.70 m - OW-Schieberkammer mit Drosselklappe - Vertikalschacht, Tiefe 440 m betonverkleidet mit Innendurchmesser Øi = 7.00 m • Stahlgepanzerte Flachstrecke zur Ma-

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schinenkaverne mit L = 55 m Innendurchmesser Øi = 5.50 m sowie drei Verteilleitungen mit L = 30 m und je Øi = 3.20 m • Unterwasserseitig der Maschinenkaverne: - 3 Verteilleitungen mit L = 45 m und je Øi = 3.70 m sowie eine stahlgepanzertes Teilstück L = 30 m, Øi = 5.50 m - Druckstollen aus Beton mit L = 1200 m, Øi = 7.70 m - Untere Schützenkaverne mit zwei Rollschützen - Ein-/Auslaufbauwerk Emosson (EAU) • Hauptzugangstunnel mit Drainageleitungen und Werkleitungsrohrblöcken. Der Tunnel wird in Schildvortriebsverfahren im Hartgestein (Fels teils mit Störungen/Verwerfungen) aufgefahren. Die Länge des Schildtunnels beträgt 5600 m mit einem Ausbruchdurchmesser Ø = 9.45 m • dem Stollensystem Emosson und Vieux Emosson mit Gesamtlänge von ca. 4300 m und einer Querschnittsfläche von ca. 45.0–50.0 m2 • definitive Deponien «Le Châtelard», «Collecteur Ouest» und «La Gueulaz» mit Gesamtkapazität von rund 2.32 Mio. m3. • Erhöhung der Staumauer Vieux Emosson um ca. 21.5 m und somit Verdoppelung der Seekapazität. • sowie weitere Umweltkompensationsmassnahmen Im Herbst 2008 haben die Bauarbeiten für das PSW NdD begonnen. Die Inbetriebnahme ist schrittweise ab Ende 2017 geplant. Das Projekt enthält zahlreiche technische Herausforderungen, die durch eine optimale Zusammenarbeit zwischen dem Bauherrn, dem Generalplaner, den Bauunternehmern sowie den Lieferanten mit gutem Ergebnis gemeistert werden können. Als Beispiel hierfür gelten unter anderem: • die Projekterweiterung von 600 MW auf 31

Bild 1. Pumpspeicherkraftwerk Nant de Drance, Übersicht der Untertagebauwerke.

Bild 2. Triebwasserwege und Zugangsstollensystem.

•

900 MW während des Baus dank grosser Flexibilität der Beteiligten, der Schildvortrieb in klüftigem Fels im Einflussbereich der Staumauer Emosson, und nicht zuletzt die Entscheidung, den Bau der Wasserfassungen im grossen Unterwasserspeicher mittels einer Einschwimm-Methode durchzuführen. Es sind die Einzelheiten der letztge-

nannten Herausforderung, die im Folgenden genauer betrachtet werden. Die Wasserfassungen Die Abhängigkeit vom Wasserspiegel im Stausee Emosson und die kurze Periode für den Bau, gegeben durch die alpine Lage, stellten die Hauptschwierigkeiten bei der Erarbeitung einer Lösungen zur Erstellung der beiden je 1700 t schweren Wasserfassungen im Unterwasserbereich dar.

Um die für die Erstellung der Bauwerke jeweils notwendige Seeabsenkung hinsichtlich ihrer Dauer zu minimieren und um kurze Bauzeiten zu gewährleisten, bot sich die Einschwimmlösung an. Im Sommer und Herbst 2010 wurde zunächst eine Plattform auf Kote 1917 m ü.M. errichtet, nahe der Hochwasserentlastung des Stausees und ca. 1 km vom endgültigen Standort der Fassungsbauwerke entfernt. In der darauf folgenden Sommerperiode 2011 wurde die erste der beiden Wasserfassungen nahezu vollständig erstellt. Anschliessend stieg der Wasserspiegel im Reservoir Emosson zunächst soweit über die Bauwerksdecke an, dass die für den Transport erforderliche Wassersäule zur Installation der Schwimmpontons erreicht wurde. Im September 2011 schliesslich war das gesamte Fassungsbauwerk unterhalb der Wasseroberfläche unsichtbar und der vorinstallierten Schwimmpontons konnten über das Bauwerk gefahren werden. Nach Befestigung der Transportseile wurde mithilfe von Kompressoren Luft in eine im Bauwerk installierte Tauchglocke gepumpt (siehe Bild 3).

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Die im Bauwerk eingeschlossene Luftblase vermochte 80% des Eigengewichtes des Bauwerkes zu tragen. Die verbleibenden 20% wurden von den Pontons aufgenommen. In der im Bild 3 dargestellten Konstellation, also an den Pontons hängend, wurde das Bauwerk genau bis über den endgültigen Absetzstandort transportiert. Dort wurden Führungsseile am Bauwerk befestigt. Diese waren während der vorangehenden Seeabsenkungsperiode am 110 m tiefer liegenden Absetzstandort im Fels am Seegrund verankert worden und ermöglichten nun ein zentimetergenaues Absetzen der Bauwerke am Bestimmungsort. Eine weitere Massnahme zur Sicherstellung der Absetzgenauigkeit war der Einbau eines JustierStahlkonus an einem bestimmten Punkt auf der Absetzplattform. Für den Konus war eine Öffnung in der Stahlbetonsohle des Fassungsbauwerkes vorbereitet worden. Während des Absenkens musste sich der Justierkonus ohne Beschädigung des Bauwerks in die Sohlöffnung einfädeln. Die Dicke der Luftblase wurde während des Transports und während des Absetzvorgangs kontinuierlich mit mehreren Kameras überwacht. Bei Bedarf sorgten zwei auf den Pontons installierte Kompressoren für den nötigen Luftnachschub. Allfällige Schieflagen konnten mithilfe der Führungsseile auf einfache Art und Weise ausgeglichen werden. Bild 4 zeigt die Pontons mit dem darunter hängenden Fassungsbauwerk auf dem Weg zum Bestimmungsort. Im März 2012 wurde das erste eingeschwommene Bauwerk an seinem definitiven Standort im leeren Stausee Emosson erstmals sichtbar (Bild 5). Im Sommer 2012 wurde mit dem Bau des zweiten Bauwerks begonnen. Das Einschwimmen und Absetzen am Bestimmungsort fand im September 2012 statt. Statische Untersuchung des EAUBauwerks Abmessungen des Bauwerks: Länge 22.00 m, Breite von 8.70 bis 22.40 m, Höhe 11.47 m. Siehe Bild 6. Zur Berücksichtigung der räumlichen Tragwirkung wurde das Bauwerk in einem dreidimensionalen Rechenmodell simuliert. Dabei konnte man die tatsächlichen Steifigkeiten der verschiedenen Bauteile relativ genau im statischen System übernehmen. Zu diesem Zweck wurde das Rechenprogramm «FENAS» der Firma «Walder und Trüb» in Bern eingesetzt. Zur Berücksichtigung der Felsreaktion an der Sohle wurde eine vorsich-

Bild 3. Fassungsbauwerk auf der Plattform 1917 m ü.M., kurz vor dem Transport in Richtung definitiven Standort (Animation: AFC).

Bild 4. Die Pontons beim Transport des Fassungsbauwerkes an den Bestimmungsort, angetrieben von einfachen Aussenbordmotoren. Die grauen Stahlgerüste sorgten für den Seilnachschub und die Seilführung; links sind die gelben Luftkompressoren zu erkennen (Foto: NdD).

Bild 5. Fassungsbauwerk am Bestimmungsort im Frühjahr 2012 (Foto: NdD).

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Bild 6.1. EAU im Grundriss (links oben). Bild 6.2. EAU Ansicht (rechts oben). Bild 6.3. Statisches System in 3D-Modell (rechts unten). tige Bettung angesetzt, die als realitätsnah erachtet wird. Die Berechnung hat überwiegend eine Druckbettung gezeigt, sodass eine Nichtlineare Berechnung zur Ausschaltung der Zugbettung nicht mehr notwendig war. Für Lastfälle, in denen die Horizontalkräfte nicht im Gleichgewicht stehen, konnte die Mobilisierung der Sohlreibung, vertreten durch tangentiale Bettungsfeder, das Gleichgewicht wieder herstellen. Die Reibungsfedern sind an den senkrechten Bettungsfedern durch einen Reibungsbeiwert (µ) zu koppeln bzw. nachträglich zu kontrollieren. In der Schwimmphase hängt das Bauwerk an den Pontons an Seilen, die die Auflagerung des EAU definieren. Für das EAU-Bauwerk wurden die Lasten aus Eigengewicht, Kiesbett über

der Decke, Schneelasten, hydraulischen Lasten infolge Druckverlusten am Rechen und im Bauwerk, Auftriebskräfte während des Aufschwimmens und Steinschlag auf die Decke gemäss SIA-Normen angenommen. Weitere Lasten aus dem Stahlwasserbau wirken lokal und wurden deshalb separat betrachtet. Je nach Bauphase wurden die Lastfallkombinationen gebildet, für die das Bauwerk im Detail untersucht wurde. Dabei wurden die entsprechenden Material- und Lastbeiwerte gemäss SIA berücksichtigt. Anhand der Berechnungen aller Kombinationen wurden die zulässigen Verformungen überprüft. Aus Überlagerung aller Lastfallkombinationen wurde zunächst die statisch erforderliche Biegebewehrung er-

mittelt, die anschliessend sowohl mit der Mindestbewehrung zur Beschränkung der Rissbreiten als auch mit der konstruktiven Mindestbewehrung gemäss SIA-Normen verglichen wurde. Zurzeit ruhen die Fassungsbauwerke am endgültigen Standort im unteren See Emosson vor dem jeweiligen Unterwasser-Druckstollen. Im Frühjahr 2013 wird schliesslich mit der Erstellung der Verbindungen zwischen Fassungsbauwerken und Stollen im Ortbetonbau begonnen.

Anschrift des Verfassers Emad Graf, Dipl. Bauing. AF-Consult Switzerland AG, CH-5405 Baden, Tel. +41 56 483 17 82 emad.graf@afconsult.com

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Schwebstoffmonitoring zum verschleissoptimierten Betrieb von HochdruckWasserkraftanlagen Robert M. Boes, David Felix, Ismail Albayrak

Zusammenfassung Die Schädigung von Wasserkraftturbinen durch feinkörnige, harte mineralische Partikel im Wasser (Schwebstoffe) ist bei gewissen Hochdruck-Wasserkraftanlagen sowohl in der Schweiz als auch weltweit ein wirtschaftlich bedeutender Aspekt bei der Planung und im Betrieb. Durch die zunehmende Variabilität der Niederschläge und den Gletscherrückgang gewinnt diese Problematik an Bedeutung. Für eine wirtschaftliche Optimierung ist es erforderlich, die Schwebstoffführung im Triebwasser, die Schädigung an den Turbinen (Hydroabrasivverschleiss) und die damit einhergehende Wirkungsgradabnahme zu quantifizieren. Als Grundlage für Verbesserungen des Betriebs und der Planung von Revisionsarbeiten ist eine Überwachung (Monitoring) der relevanten Parameter, möglichst in Echtzeit, wünschenswert. Im vorliegenden Artikel werden Methoden des Schwebstoffmonitorings und die Notwendigkeit von Kalibrierungen der Messgeräte, vorzugsweise unter kontrollierten Laborbedingungen, aufgezeigt. Weiter werden Lösungsansätze zur Minderung der Hydroabrasion, insbesondere die Option eines wirtschaftlich auch bezüglich des aktuellen Verschleisses optimierten Anlagenmanagements, d.h. die Abschaltung von Turbinen während Schwebstoffkonzentrationsspitzen, diskutiert.

1. Einleitung Der vorliegende Artikel bezieht sich auf einen am 8.11.2012 in Horw im Rahmen der Fachtagung Wasserkraft des Schweizerischen Wasserwirtschaftsverbands (SWV) gehaltenen Vortrag. 1.1

Hydroabrasion an Wasserkraftanlagen Hydroabrasivverschleiss wird nach DIN 50320 (1979) definiert als Schaden an Oberflächen von Bau- und Anlagenteilen, der durch den Transport von Feststoffpartikeln in Flüssigkeiten auftritt. Verallgemeinert werden in diesem Zusammenhang oft die Begriffe der (Hydro-)Abrasion und der Erosion verwendet. Die Wasserkraft ist räumlich und zeitlich unterschiedlich stark von Hydroabrasivverschleiss betroffen. Bei Wasserkraftwerken an Gewässern mit hohem Feststoffgehalt, wie sie typischerweise im Gebirge dominant

Résumé Des dégâts aux turbines hydrauliques causés par des particules solides fines en suspension dans l’eau turbinée sont économiquement importants et doivent être pris en compte lors de la conception et l’exploitation de certains aménagements hydrauliques en Suisse et dans le monde. En raison de la variabilité croissante des précipitations et du recul des glaciers cette problématique ne cesse de prendre de l’ampleur. Pour une optimisation économique il faut quantifier le transport solide en suspension dans l’eau turbinée, les dégâts aux turbines (l’usure par hydro-abrasion) ainsi que la réduction correspondante en rendement. Une surveillance des paramètres en jeu est désirable, si possible en temps réel, en tant que données de base pour l’exploitation et la planification des travaux de révision optimisées. Le présent article décrit des méthodes actuelles pour la surveillance des solides en suspension et la nécessité d’étalonner les instruments, de préférence sous des conditions contrôlées en laboratoire. En plus, des approches pour diminuer l’hydro-abrasion, particulièrement l’option d’une exploitation économiquement optimisée entre autres par rapport à l’usure actuelle, c’est-à-dire l’arrêt des machines pendant des pointes de transport solide en suspension, sont discutées.

sind, tritt Hydroabrasion vor allem an Anlagen mit grossen Fallhöhen und ohne grösseren Kopfspeicher (Laufkraftwerke) auf, wo sich der Grossteil der als Schwebstoffe mittransportierten Feinanteile der Sedimente nicht in Speichern oder Entsandern absetzt und im Triebwasser mittransportiert wird. Zeitlich beschränkt sich der Verschleiss auf die sog. Schwebstoffsaison, also auf die Zeiten hohen Feststofftransportes während Schneeund Gletscherschmelze bzw. während (oft nur kurz andauernden) Hochwassern, z.B. nach Gewitterereignissen. Peltonturbinen sind am meisten betroffen, da diese bei grossen Fallhöhen eingesetzt werden und die Beanspruchung der Turbinenbauteile infolge der hohen Strahlgeschwindigkeiten gross ist. Am meisten werden die Haupt- und Nebenschneiden der Peltonbecher beschädigt, an denen der eintretende Wasserstrahl aufgeteilt

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wird (Bild 1). Die anfangs scharfen Mittelschneiden und Bechereintrittskanten werden im Lauf des Betriebs zunehmend breiter, was zu Sekundärströmungen führt, die Kavitationserosion zur Folge haben können. Bei unbeschichteten Laufrädern kommt es weiter zu flächigem Abtrag im Bechergrund. Die Auswirkungen werden schliesslich für den Betreiber anhand von Produktionsverlusten infolge Wirkungsgradabnahmen spürbar. Die wesentlichen Faktoren für Hydroabrasionsschäden an Wasserturbinen (Sulzer Hydro 1996 in DWA 2006, Winkler et al. 2011) sind die • Relativgeschwindigkeit u zwischen Strömung und Turbinenbauteil, • in der Regel zeitlich sehr veränderliche Schwebstoffkonzentration C, • zeitlich ebenfalls veränderliche Partikelgrösse, • für ein gegebenes Einzugsgebiet eher 35

Bild 1. Becher eines unbeschichteten Pelton-Laufrads mit Verschleiss-Schäden (Ausstellungsobjekt bei der Staumauer Emosson, Foto: VAW). konstante Partikelform (insbesondere kantige Partikel), • Partikelhärte (vor allem Mohshärte grösser 6, d.h. Quarz- und Feldspatgehalt, da diese Minerale härter sind als das übliche Turbinengrundmaterial). Um den Prozess des Hydroabrasivverschleisses besser zu verstehen, müssen die Schwebstoffeigenschaften im Triebwasser, der Materialverlust an den Turbinen und die Wirkungsgradreduktion quantifiziert werden. Solche Datensätze können zum Verifizieren und Weiterentwickeln von Prognosemodellen des Turbinenverschleisses (z.B. Nozaki 1990, Sulzer Hydro 1996 in DWA 2006) verwendet werden. Dazu wurde ein interdisziplinäres Forschungsprojekt von der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) der ETH Zürich initiiert, im Rahmen dessen gemeinsam mit dem Kompetenzzentrum Fluidmechanik & Hydromaschinen der Hochschule Luzern sowie den Gommerkraftwerken (GKW), der BKW FMB Energie AG, Bern, und der Andritz Hydro AG, Kriens, u.a. PrototypUntersuchungen an einer bestehenden Kraftwerksanlage (KW Fieschertal, Wallis) durchgeführt werden. Die dabei verwendeten Messeinrichtungen für das Monitoring von Schwebstoffen wurden vorgängig im Labor in einem Mischtank mit verschiedenen Partikelsorten untersucht, bevor sie im Sommer 2012 an der Wasserkraftanlage Fieschertal im Wallis, einer stark von Hydroabrasivverschleiss betroffenen Hochdruckanlage mit stark vergletschertem Einzugsgebiet ohne Speichersee, ba36

sierend auf Vorarbeiten von Abgottspon (2011) eingebaut wurden. Die nachfolgend gezeigten ersten Resultate des laufenden Forschungsprojekts beziehen sich sowohl auf die Labor- als auch Prototypversuche (Felix et al. 2012a und b). 1.2

Lösungsansätze zur Minderung des Hydroabrasivverschleisses Zur Verminderung des Hydroabrasivverschleisses gibt es verschiedene Ansätze, die entweder eine Verringerung der Beanspruchung oder eine Erhöhung des Widerstands bewirken: a. Optimierung der Feststoffabscheidung (baulich) und des Turbinendesigns (elektromechanisch) (Verringerung der Einwirkungen), b. Verbesserung der Turbinenmaterialien, z.B. mittels den heute üblichen rund 300 µm starken Wolframkarbid-Beschichtungen (Erhöhung des Widerstands), c. Verschleissoptimierte Betriebsweise (Verringerung der Einwirkungen). Die Schwebstoffbelastung (Konzentrationen und Partikelgrössen) kann bei Neuanlagen in einem gewissen Mass über die Absetzwirkung von Entsandern bzw. Kopfspeichern (Massnahmentyp a) beeinflusst werden (Ortmanns 2006). Solchen Anlagen zur Feststoffabscheidung sind aber wirtschaftliche, z.T. auch räumlichtopographische Grenzen gesetzt. Für bestehende Anlagen kann eine verbesserte Feststoffabscheidung in der Regel nur mit beträchtlichem bautechnischen Aufwand erreicht werden. Weitere Parameter wie

Kornhärte, -form und Relativgeschwindigkeit zwischen Strömung und Laufrad spielen zwar, wie oben erwähnt, ebenfalls eine Rolle hinsichtlich Verschleiss, können aber praktisch nicht beeinflusst werden, da sie durch die Geologie des Einzugsgebiets bzw. die Fallhöhe (Lage von Fassungen und Maschinenhäusern) gegeben sind. Da der Massnahmentyp b trotz fallweise deutlicher Erhöhung der Turbinen-Standzeiten oft nicht allein das erhoffte Ergebnis bringt (und auch die Laufradrevisionen deutlich aufwändiger macht), soll der Fokus in diesem Beitrag auf einen verschleissoptimierten Anlagenbetrieb (Massnahmentyp c) gelegt werden. Als Voraussetzung dazu müssen die wichtigen Einflussgrössen des Hydroabrasivverschleisses, insbesondere die Partikelkonzentration und -grösse, in Echtzeit bekannt sein, was besondere Anforderungen an die Messtechnik stellt. Ein kontinuierliches Schwebstoffmonitoring und vorübergehende Kraftwerksabstellungen aufgrund temporär hoher Stromgestehungskosten infolge starkem Hydroabrasivverschleiss sind bei Wasserkraftanlagen noch die Ausnahme. Temporäre Kraftwerksabschaltungen oder das vorübergehende Ausleiten von Fassungen werden bisher vor allem während starkem Geschiebetrieb, der den Betrieb der Wasserkraftanlage erschwert oder verunmöglicht, praktiziert (z.B. mit Geschiebe aufgefüllte oder überschüttete Fassungen). 2.

Methoden des Schwebstoffmonitorings Beim Schwebstoffmonitoring ist zunächst zwischen kontinuierlichen und diskontinuierlichen Messmethoden zu unterscheiden. Zu letzteren zählen klassische Schöpfproben, bei denen mit einem Schöpfgefäss von Hand ein Wasservolumen entnommen wird und entweder mittels Imhoff-Trichter oder im Nachgang im Labor mittels Filtrierung und/oder Ofentrocknung die Schwebstoffkonzentration und ggf. die Korngrössenverteilung bestimmt werden. Eine Weiterentwicklung sind automatische Probennahmegeräte, welche mittels einer Pumpe z.B. bis zu 24 Flaschen abfüllen (Bild 2). Der Zeitpunkt der Entnahme kann durch einen Computer gesteuert werden, beispielsweise auch als Funktion der Trübung, die dann mit einem anderen Gerät in Echtzeit gemessen werden muss. Kontinuierliche Schwebstoffmessungen sind im Wesentlichen auf optischem oder akustischem Weg durchführbar. Zu den optischen Geräten zählen die

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Bild 2. Programmierbarer Wasserprobennehmer, im Bild mit abgehobenem Deckel, mit Pumpe und Vorrichtung zum Füllen von bis zu 24 Flaschen (Foto: VAW). weithin eingesetzten Trübungssonden, sei es nach dem Streu- oder Durchlichtverfahren. Die Ausgabe der Messwerte erfolgt hierbei in Trübungseinheiten (z.B. FNU = Formazine Nephelometric Unit; CU = Concentration Unit). Bei konstanten und bekannten Partikeleigenschaften (insbesondere Grösse und Form) können die Messwerte von Trübungssonden in eine Schwebstoff-Massenkonzentrationen (z.B. [mg/l]) umgerechnet werden, bzw. diese Kalibrierung kann im zugehörigen Messumformer hinterlegt werden. In der Realität ist aber insbesondere die Partikelgrösse zeitlich oft sehr variabel, was ohne zusätzliche Informationen zu beträchtlichen Unsicherheiten bei der Bestimmung der Schwebstoffkonzentration führen

kann. Anhand von Schöpfproben können die kontinuierlichen Messungen von Trübungssonden besser interpretiert werden. Eine andere optische Messmethode, die Laserdiffraktometrie, ermöglicht neben der Konzentrationsmessung zusätzlich die Bestimmung von Partikelgrössen und deren Verteilung. Dabei wird ein Laserstrahl durch die Wasser-Sediment-Suspension gesendet und die an den Partikeln gestreute Strahlung auf verschiedenen Ringen detektiert. Über das gemessene Streuungsmuster lassen sich die Partikelgrössenverteilung und die Volumenkonzentration der Partikel bestimmen, welche das gemessene Streuungsmuster verursacht hätten (Agrawal et al. 2011). Das im KW Fieschertal – nach Wis-

sen der Autoren erstmals an einer Schweizer Wasserkraftanlage – installierte in-situ Laserdiffraktometer (LISST-100X, Typ C) weist einen nominellen Korngrössenmessbereich von 2.5 bis 500 µm auf. Bei Wasserkraftwerken wird der turbinierte Volumenstrom oft mit akustischer Durchflussmessung bestimmt. Dabei werden Ultraschallpulse diagonal durch die Druckleitung geschickt. Wenn das Wasser Schwebstoffe enthält, wird das Empfangssignal in Funktion der Schwebstoffkonzentration und der Partikelgrösse abgeschwächt. Da solche Einrichtungen für die akustische Durchflussmessung in vielen Kraftwerken vorhanden sind, ist – basierend auf der Amplitudendämpfung – zumindest ein qualitatives Schwebstoffmonitoring im Sinne von Warnungen für den Kraftwerksbetrieb denkbar. Diese Methode wird derzeit im Rahmen des Forschungsprojekts weiter untersucht. 3.

Kalibrierung von Schwebstoffmessgeräten Wie oben ausgeführt ist eine Kalibrierung von kontinuierlichen Schwebstoffmessgeräten unumgänglich, wenn eine der Realität nahe kommende Massenkonzentration C bestimmt werden soll. Die in der Regel gemessenen Trübungswerte müssen dazu zunächst in die Einheit einer Massenkonzentration umgerechnet werden, was besonders mit der Korngrösse und -form, aber auch mit den optischen Eigenschaften (z.B. Farbe) der Partikelminerale (Gippel 1995, Sutherland et al. 2000) variiert. Für die Laborversuche wurden mineralische Partikel (Bild 3), die kommerziell erhältlich und mit den Partikeln in Fieschertal vergleichbar sind (Granitge-

Bild 3. Mineralische Partikel, welche in den Laborversuchen betreffend Schwebstoffmessung verwendet wurden: Feldspatpulver (links, d50 = 34 µm), Glimmerpulver (Mitte, «d50» = 45 µm) und Quarzfeinsand (rechts, d50 = 147 µm) (Bilder: VAW und IfB, ETH Zürich). «Wasser Energie Luft» – 105. Jahrgang, 2013, Heft 1, CH-5401 Baden

Bild 4. Trübungswerte, welche mit einer Trübungssonde (Hach-Lange Solitax ts-line sc) in Suspensionen mit verschiedenen Partikelsorten gemessen wurden (nach Felix et al. 2012a).

Bild 5. Mit einem tragbaren Laserdiffraktometer (Sequoia LISST-100X) bestimmte Schwebstoffkonzentrationen im Vergleich zur Referenz-Konzentration (nach Felix et al. 2012b).

Bild 6. Relative Dämpfung von akustischen Ultraschallsignalen (akustische Durchflussmesseinrichtung, Rittmeyer) im Vergleich zur Referenz-Konzentration (nach Felix et al. 2012b). 38

biet mit Quarz, Feldspat und Glimmer), sowie Feinsedimente vom Unterwasserkanal des KW Fieschertal verwendet. Für Referenzzwecke kamen auch Glaskugeln zum Einsatz. Die bei Bild 3 angegebenen Massen-Median-Korndurchmesser d50 stammen von Messungen mit einem nicht tragbaren Laserdiffraktometer am Institut für Geotechnik (IGT) der ETH Zürich, welche als Referenz verwendet wurden. Bild 3 wurde mittels Rasterelektronenmikroskop am Institut für Baustoffe (IfB) der ETH Zürich aufgenommen. Weitere Angaben zu den durchgeführten Laborversuchen sind in Felix et al. (2012a und b) publiziert. Bild 4 zeigt den deutlichen Einfluss der Korngrösse auf die Trübung. Die Korngrösse wird hier durch den Massen-Median-Durchmesser d50 ausgedrückt. Weiter sind in Bild 4 Einflüsse der Partikelform zu erkennen, z.B. bei Vergleich der Linien für Glimmerpulver mit plättchenförmigen Partikeln und für Glaskugeln, die beide etwa denselben d50-Wert aufweisen. In Bild 5 sind mit dem tragbaren Laserdiffraktometer gemessene Schwebstoffkonzentrationen im Vergleich zu den Referenz-Konzentrationen dargestellt. Letztere wurden durch Wägung von ofengetrockneten Schöpfproben, die auf der Höhe der Instrumente aus dem Mischtank bei den jeweiligen Konzentrationsstufen entnommen wurden, bestimmt. Beim Laserdiffraktometer ist die Bestimmung der Schwebstoffkonzentration theoretisch nicht von der Korngrösse abhängig. Dies wird durch die Punkte von Quarzfeinsand und Feldspatpulver, welche trotz unterschiedlichen Korndurchmessern in Bild 5 relativ nahe beieinander liegen, bestätigt. Das Vorhandensein von feinen Partikeln, die kleiner sind als der Bereich der messbaren Partikel (< 2.5 µm), kann aber dazu führen, dass die Schwebstoffkonzentration überschätzt wird. Auch bei der Laserdiffraktometrie führt eine Kornform, welche stark von der in der Auswertungssoftware zugrunde gelegten abweicht, zu Fehlern bei der Bestimmung der Schwebstoffkonzentration. Die Streuung der Versuchsdaten, insbesondere bei gröberen Partikeln, kann den lokalen und zeitlichen Konzentrationsunterschieden in der turbulenten Suspension zugeschrieben werden. Es ist bemerkenswert, dass beim Laserdiffraktometer lediglich mit Verwendung der Werkkalibrierung, d.h. unter Annahme von unregelmässig geformten Partikeln mit einer Dichte von 2.65 t/m3, die dargestellten Schwebstoffkonzentrationen resultierten, die mit Ausnahme des Glimmers relativ nahe an den erwarteten

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Schwebstoffkonzentrationswerten liegen (1:1-Linie). Auch die akustische Messmethode ist bei der Konzentrationsbestimmung nicht frei vom Effekt der genannten Partikeleigenschaften, was aus Bild 6 hervorgeht, jedoch sind die Unterschiede zwischen den Kalibrierkurven geringer als bei Trübungssonden. Bild 7 verdeutlicht, dass bei der Messung der Partikelgrössen mittels tragbarem Laserdiffraktometer die Breite der Korngrössenverteilung, d.h. die Stufung, gut erkannt wurde. Die Messwerte liegen sowohl für Feldspatpulver als auch für Quarzfeinsand in der richtigen Grössenordnung. Im Fall von Glimmerpulver mit der speziellen plattigen Partikelform gibt es eine systematische Abweichung von den Referenzmessungen, wobei zu bedenken ist, dass die Definition des «Durchmessers» eines plattigen Teilchens unklar ist. Zu den Referenzmessungen (durchgeführt mit nicht-tragbarem Laserdiffraktometer am IGT der ETH Zürich) ist zu bemerken, dass diese Proben zu Beginn der Versuchsreihen von den Behältern der Partikelsorten trocken entnommen wurden. Die Abweichungen zwischen den im Mischtank gemessenen Korngrössenverteilungen von den Referenzmessungen, insbesondere bei gröberen Fraktionen, sind vermutlich dem Phänomen zuzuschreiben, dass im Mischtank gröbere Partikel trotz Rührwerk tendenziell im unteren Bereich der Wassersäule, unterhalb des Messkopfs des Laserdiffraktometers, vorhanden waren (vertikales Konzentrationsprofil) oder nicht vollständig in Schwebe gehalten werden konnten. 4.

Option temporärer Turbinenabschaltungen während Schwebstoffspitzen Wie in Abschnitt 1 beschrieben, sind für den Hydroabrasivverschleiss von Turbinen insbesondere die Schwebstoffkonzentrationen (bzw. -frachten) und Partikelgrössen massgebend. Stark erhöhte Konzentrationen im Triebwasser kommen in der Regel bei grösseren Abflussereignissen vor, z.B. nach Starkregen wie Gewittern, und weisen meist eine kurze Dauer auf. Die in Bild 8 und Bild 9 zu erkennenden Konzentrationsspitzen am Kraftwerk Dorferbach in Tirol, Österreich, haben beispielsweise typische Dauern von wenigen Stunden, innerhalb derer eine vergleichbare Sedimentfracht über die Turbine abgeleitet wird wie bei Normalbetrieb während mehrerer Tage. Um diese Schweb-

Bild 7. Mit tragbarem Laserdiffraktometer (Sequoia LISST-100X) ermittelte Korngrössenverteilung im Vergleich zu Referenz-Messungen (nach Felix et al. 2012b).

Bild 8. Verlauf der Schwebstoffkonzentration im Triebwasser des KW Dorferbach im Sommer 2008, (–) Daten der Trübungssonde nach Kalibrierung anhand von (*) Einzelproben (nach Boes 2010).

Bild 9. Verlauf der Schwebstoffkonzentration (linke Achse, gemessen mit kalibrierter Trübungssonde, Ausschnitt aus Bild 8) und des Turbinendurchflusses Ende Juni 2008 und Angabe des Schwellenwerts für die vorübergehende Ausserbetriebnahme des KW Dorferbach (Quelle: TIWAG).

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Bild 10. Verlauf der Trübung als Indikator für die Schwebstoffkonzentration im Triebwasser des KW Fieschertal Ende Juni/Anfang Juli 2012.

Bild 11. Verlauf der Trübung (linke Achse, Ausschnitt aus Bild 10) und der relativen Amplitudendämpfung von akustischen Ultraschallsignalen (rechte Achse) im Triebwasser des KW Fieschertal Anfang Juli 2012 (nach Felix et al. 2012b). stoffbelastung zu reduzieren, liegt es daher nahe, eine von Hydroabrasion betroffene Wasserkraftanlage bei hoher Schwebstoffführung kurzzeitig ausser Betrieb zu nehmen, sofern dies von den übergeordneten Randbedingungen her möglich ist (Kraftwerkspark, Verbundnetz, Produktionsverpflichtungen, usw.). Dies bedingt jedoch einerseits ein verlässliches und kontinuierliches Schwebstoffmonitoring (Bishwakarma & Støle 2008), andererseits die Kenntnis von Grenzwerten bezüglich Konzentration und idealerweise auch der Korngrösse. Die Grenz- oder Schwellenwerte sind eine Frage der betriebswirtschaftlichen Optimierung (vor allem Verlust an produzierter Energie während Turbinen40

abschaltungen vs. Einsparungen bei Laufradrevisionen), zu deren Beantwortung der quantitative Zusammenhang zwischen den oben erwähnten Parametern und dem Hydroabrasivverschleiss an Turbinen bzw. dessen Auswirkungen (Wirkungsgradminderung) bekannt sein muss, was – wie einleitend erwähnt – noch Gegenstand der Forschung ist. Auf Grundlage von kontinuierlichen Schwebstoffdaten sowie von Verschleissmessdaten, die in einem zeitlich engen Raster während der Sedimentsaison 2008 erhoben wurden, wurde für das KW Dorferbach ein Konzentrationsgrenzwert von 1100 mg/l im Triebwasser festgelegt, bei dessen Überschreiten das Kraftwerk ausser Betrieb genommen wird (Boes 2010). Mit dieser Massnahme konn-

ten die Hydroabrasionsschäden markant reduziert werden (Götsch 2012). In diesem Fall erlaubte das umfangreiche Schwebstoff- und Verschleiss-Monitoring eine anlagenspezifische Kalibrierung eines Verschleiss-Prognosemodells und eine rechnerische Abschätzung der Entwicklung der Mittelschneidenbreiten des Peltonlaufrads in Abhängigkeit der Schwebstoffkonzentration. Dabei wurde ein empirisch gefundener Zusammenhang zwischen der Schwebstoffkonzentration und dem mittleren Partikeldurchmesser verwendet (Boes 2010). Vom Triebwasser des KW Fieschertal liegen erste Schwebstoffdaten vor. Ein seltenes Hochwasserereignis (ca. 30- bis 50-Jährlichkeit im Goms) führte Anfang Juli 2012 zu extremen Schwebstoffkonzentrationen von mindestens 68 g/l in der Spitze (auf Grundlage von Schöpfproben ermittelt), was zu erheblichen Schädigungen der beschichteten, schon eine zeitlang in Betrieb stehenden Turbinenlaufräder führte. In Bild 10 und Bild 11 ist der zeitliche Verlauf der mittels Durchlichtverfahren gemessenen Trübung dargestellt. Es ist deutlich zu sehen, dass die Trübung von den üblichen rund 0.2 bis 0.5 CU während des Ereignisses bis auf 4.7 CU anstieg, also um das rund 10-Fache (Bild 10). Bild 11 lässt zudem die gute Übereinstimmung der Trübungswerte mit der relativen Amplitudendämpfung der Ultraschallpulse erkennen. Dass die absolute Spitze mittels der akustischen Methode nicht aufgezeichnet werden konnte, hängt mit der vorhandenen Pfadlänge und der verwendeten Sendefrequenz zusammen. Von Mitte April 2012 bis unmittelbar nach diesem Hochwasser hat der Turbinenwirkungsgrad gemäss Indexwirkungsgradmessungen, die noch ausgewertet werden, relativ stark abgenommen. Es ist zu vermuten, dass ein Grossteil der Wirkungsgradabnahme in dieser Periode allein durch dieses Ereignis verursacht wurde. Für den Fall derartiger Schwebstofftransportereignisse sollen hier exemplarisch zwei denkbare Varianten einer auch hinsichtlich aktuellem Turbinenverschleiss optimierten Betriebsweise des KW Fieschertal aufgezeigt werden. Die in Bild 12 angenommenen Grenzwerte bezüglich Schwebstoffführung des Triebwassers beruhen vorerst auf der Beobachtung des Schwebstoffaufkommens in «normalen Sommerverhältnissen» und darauf aufgesetzten ereignisbedingten Schwebstofftransportspitzen. Im ersten fiktiven Szenario mit einem TrübungsSchwellenwert von 3.0 CU für das Abstel-

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Bild 12. Verlauf der Trübung Anfang Juli 2012 (Ausschnitt aus Bild 10) und angenommene Schwellenwerte für die Ausser- und Wiederinbetriebnahme des KW Fieschertal in zwei fiktiven Szenarien. len der beiden Maschinen, die nach dem Unterschreiten von 0.9 CU wieder in Betrieb genommen würden, würde die Anlage rund 16 h nicht produzieren. In einem zweiten Szenario würde die Anlage bereits b ei Überschreiten von 2.0 CU ausser Betrieb genommen, so dass die Turbinen mit weniger Schwebstoffen als bei Szenario 1 belastet würden. Mit demselben Grenzwert für die Wiederinbetriebnahme käme man auf einen Stillstand während rund eines Tages. Die entsprechenden Produktionsausfälle würden sich bei einer Ausbauleistung des KW Fieschertal von 64 MW unter Ansatz eines Energiepreises von 60 CHF/ MWh in den beiden oben genannten Szenarien auf gut 60 bzw. 90 kCHF belaufen. Obwohl dies zunächst hoch erscheinen mag, relativieren sich diese Werte bei einem Vergleich mit typischen Revisionskosten von mehreren 100 kCHF für derartige Pelton-Laufräder. Zudem verursacht ein Laufradwechsel, der infolge eines unvorhergesehenen Schwebstoffereignisses während der Volllastzeit erforderlich wird, bei einem Zeitbedarf von rund 16 h bei diesem Laufkraftwerk Produktionsausfallkosten von gut 30 kCHF. Laufradwechsel erfolgen normalerweise während der Niederwasserperiode, wenn eine Maschine ohne Produktionsausfall ausser Betrieb genommen werden kann. Es sei darauf hingewiesen, dass die Schwebstoffe für eine solche Betriebsweise nicht nur im Triebwasser, sondern auch an der Wasserfassung gemessen werden müssen, um die Wiederinbetriebsetzung des Kraftwerks in Abhängigkeit des aktuellen Schwebstoffaufkommens

im Gewässer zu ermöglichen, da ja nach dem Abstellen der Turbinen kein Wasser mehr im Triebwasserweg fliesst. Weiter sei erwähnt, dass die Wiederinbetriebnahme einer grösseren Kraftwerksanlage, die bei hoher Schwebstoffkonzentration ausser Betrieb genommen wurde, mit einigem Arbeitsaufwand verbunden sein kann (z.B. Entfernen von Ablagerungen in Hilfseinrichtungen). Der Aufwand für die Wiederinbetriebsetzung nach einer sedimentbedingten Abschaltung sollte aber gegenüber den vermiedenen Schäden in der Regel nicht ins Gewicht fallen.

Laserdiffraktometrie ermöglicht es, die Schwebstoffkonzentration bei wechselnden Partikeleigenschaften genauer zu bestimmen und Informationen über die Korngrössen zu gewinnen, was für den Hydroabrasivverschleiss ein wichtiger Parameter ist. Weiter können akustische Durchflussmessungen, wie sie an zahlreichen Wasserkraftwerken vorhanden sind, durch geringfügige Anpassungen zumindest für ein qualitatives Schwebstoffmonitoring verwendet werden, was den Vorteil einer Messung direkt im Triebwasserweg mit sich bringt. Die durchgeführten Laborversuche werden weiter ausgewertet und die Untersuchungen an der Kraftwerksanlage weitergeführt. Neben den Schwebstoffmessungen werden auch die Schädigung der Turbinen und die Wirkungsgradänderungen periodisch erfasst. Ein verschleissoptimierter Betrieb von Wasserkraftanlagen erfordert eine langjährige Datengrundlage und eine anlagenspezifische Betrachtung des Gesamtsystems über den Lebenszyklus. Schlussendlich sollen die Forschungsergebnisse zur Effizienzsteigerung der Wasserkraft beitragen. Verdankung Das Forschungsprojekt wird durch swisselectric research, das Schweizer Bundesamt für Energie (BFE) und die Gommerkraftwerke (GKW) finanziell unterstützt. Die Autoren bedanken sich bei diesen sowie den weiteren eingangs genannten Projektpartnern für ihr Engagement und für die

Schlussfolgerungen und Ausblick Es besteht ein zunehmender Bedarf an praxistauglichen Messeinrichtungen zur Echtzeit-Erfassung des Schwebstoffaufkommens (Konzentration und Korngrössenverteilung) nicht nur an Wasserkraftanlagen, sondern auch an Fliessgewässern und Seen. Die hier vorgestellten Schwebstoffmessmethoden lassen sich neben einer hinsichtlich dem aktuellen Turbinenverschleiss wirtschaftlich optimierten Betriebsweise von Hochdruck-Wasserkraftanlagen auch im Zusammenhang mit dem Sedimentmanagement an Stauanlagen und Seen sowie zur Untersuchung ökologischer Fragestellungen einsetzen. Die meisten der dabei zum Einsatz kommenden Messgeräte benötigen eine auf die am Einsatzort vorhandenen Schwebstoffe abgestimmte Kalibrierung, welche vorzugsweise vorgängig im Labor unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt wird. Die heutzutage auch für in-situMessungen verfügbare Methode der

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Unterstützung bei der Durchführung der Laborversuche und der Felddatenerhebung. Ein weiterer Dank geht an die Firma Sigrist Photometer, Ennetbürgen, welche ein Trübungsmessgerät für die Laboruntersuchungen zur Verfügung gestellt hat, sowie die Firma Rittmeyer, Baar, für die Unterstützung betreffend der akustischen Messmethode. Literatur Abgottspon, A. (2011): Messung abrasiver Partikel in Wasserkraftanlagen. Masterarbeit (unveröffentlicht), CC Fluidmechanik & Hydromaschinen, Hochschule Luzern. Agrawal, Y., Mikkelsen, O.A., Pottsmith, H.C. (2011). Sediment monitoring technology for turbine erosion and reservoir siltation applications. Proc. Hydro 2011 Conference, Aqua-Media Intl. Ltd., Prague, Czech Republic. Bishwakarma, M.B., Støle, H. (2008). Realtime sediment monitoring in hydropower plants. J. Hydr. Res. 46 (2): 282–288. Boes, R. (2010). Kontinuierliche Messung von Schwebstoffkonzentration und -korngrössenverteilung im Triebwasser und Quantifizierung

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Empfehlungen der Kommission Hochwasserschutz (KOHS) KOHS

Zusammenfassung Die Kommission für Hochwasserschutz (KOHS) hat eine Methode erarbeitet, nach welcher das für die Gewährleistung der Abflusskapazität erforderliche Freibord in Fliessgewässern bestimmt werden kann. Das erforderliches Freibord setzt sich aus mehreren Teilfreiborden zusammen. Diese berücksichtigen einerseits Unschärfen, die bei der Berechnung einer Wasserspiegellage auftreten, und andererseits hydraulische Prozesse wie die Wellenbildung, den Rückstau an Hindernissen oder den Platz, welcher unter Brücken für das Abführen von Treibgut benötigt wird. Es wird auch eine Methode vorgeschlagen, wie das Freibord bei der Wirkungsanalyse im Rahmen von Gefahrenbeurteilungen berücksichtigt werden kann.

Résumé La Commission pour la protection contre les crues (CIPC) a élaboré une méthode pour déterminer la revanche nécessaire pour assurer la capacité hydraulique des cours d’eau. La revanche requise est composée de plusieurs revanches partielles. Ces dernières intègrent soit les incertitudes liées au calcul hydraulique, soit des processus hydrauliques tels que la formation des vagues, les remous d’exhaussement causé par des obstacles ou l’espace nécessaires pour assurer le transport de flottants sous les ponts. L’article propose également une méthode pour prendre en considération la revanche lors de l’analyse d’impact dans le cadre de l’évaluation des dangers. Avec cette recommandation, la CIPC vise à unifier l’utilisation de la revanche lors des projets de protection contre les crues et de l’analyse des dangers. Une version française de cet article sera publiée dans la prochaine édition d’ «Eau Energie Air».

Weshalb eine Empfehlung zum Freibord? Bei der Bestimmung der Abflusskapazität eines Gewässers und bei der Bemessung von Schutzbauten gegen Hochwasser wird in der Regel ein Freibord berücksichtigt. Dieses bezeichnet den Abstand zwischen dem Wasserspiegel und der Oberkante des Ufers oder der Unterkante einer Brücke. Für die Festlegung des erforderlichen Freibordes gibt es unterschiedliche Ansätze; z.B. eine feste Grösse (0.5 m, 1.0 m), die Geschwindigkeitshöhe v2/2g oder ein Bruchteil davon. Manchmal wird das erforderliche Freibord auch in Abhängigkeit der zu schützenden Objekte, der Art der Schutzbaute oder in Funktion der Jährlichkeit des Bemessungsabflusses festgelegt und erhält damit die Funktion einer Schutzzielgrösse. In der wasserbaulichen Praxis in der Schweiz hat sich bis jetzt keine einheitliche Methode durchgesetzt. Auch werden bei der Bemessung von Hochwasserschutzbauten und bei einer Gefahrenbeurteilung oftmals unterschiedliche Kriterien und Ansätze verwendet. Der Gebrauch unterschiedlicher Krite-

rien stiftet Verwirrung, verursacht bei Projektanten und Fachbehörden Unsicherheit über die «richtige» Wahl des Freibords und erschwert die Vergleichbarkeit verschiedener Hochwasserschutzprojekte und Gefahrenbeurteilungen. Das nachfolgende Beispiel zeigt die Bedeutung des Freibordes bei der Beurteilung der Abflusskapazität des Alpenrheins bei Diepoldsau (Bild 1). Der Alpenrhein ist bei einem Abfluss von 4500 m3/s bordvoll

(Freibord = 0 m). Die Energielinie (mittlere Geschwindigkeit des gesamten benetzten Querschnittes) erreicht die Dammkrone bei einem Abfluss von 3750 m3/s (Freibord ca. 0.5 m) und bei einem Freibord von 1 m liegt die Abflusskapazität noch bei 3200 m3/s. Für diese Abflussmenge wird im Mittelgerinne eine Fliesstiefe von rund 7.5 m beansprucht. Im obersten Meter bis zur Dammkrone können rechnerisch rund 1300 m3/s oder 40% der Abflusskapazi-

Bild 1. Einfluss des Freibords auf die Abflusskapazität des Alpenrheins. Angepasst aus [8].

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KOHS-Empfehlung Freibord

Freibord bei Hochwasserschutzprojekten und Gefahrenbeurteilungen

KOHS-Empfehlung Freibord

tät bei einem Freibord von 1 m abgeführt werden. Je nach dem, welches Kriterium für das erforderliche Freibord angewandt wird, definiert man die Abflusskapazität in diesem Abschnitt des Alpenrheins also zwischen 3200 m3/s (ca. HQ100) und 4500 m3/s (ca. HQ300). Mit einer Empfehlung zum Thema Freibord möchte die Kommission für Hochwasserschutz (KOHS) dazu beitragen, dass das Freibord in der wasserbaulichen Praxis in der Schweiz einheitlich berücksichtigt wird. Die vorliegende Empfehlung wurde von der KOHS am 17. Januar 2013 verabschiedet. Sie beschreibt die bisherige Praxis in der Anwendung des Freibordes in der Schweiz und im benachbarten Ausland (Kap. 2), legt Grundsätze fest für den Umgang mit dem Freibord bei Schutzprojekten und Gefahrenbeurteilungen (Kap. 3) und schlägt eine Berechnungsmethode für das erforderliche Freibord vor (Kap. 4). In Kap. 5 wird die Anwendung der Freibordbetrachtung bei der Wirkungsanalyse diskutiert. In der Schweiz bestehen wenige Normen für die Bemessung von Schutzbauten oder für die Beurteilung von Naturgefahren. Die vorliegende Methode zur Bestimmung des erforderlichen Freibordes ist als Empfehlung der Kommission für Hochwasserschutz des Schweizerischen Wasserwirtschaftsverbandes zu verstehen. Sie richtet sich an Wasserbauingenieure aus Praxis und Verwaltung. Die Ansätze wurden im Bestreben entwickelt, möglichst transparent, allgemeingültig und in sich kohärent zu sein und lassen sich auf die meisten in der Praxis vorkommenden Fälle anwenden. Es ist dem Anwender jedoch überlassen, die Methode an die Verhältnisse des von ihm bearbeiteten Gewässers anzupassen und zu verbessern. Die Bestimmung des Freibords ist ein Baustein in der Analyse von Hochwassergefahren oder in der Konzeption und Bemessung von Schutzmassnahmen. Andere Elemente wie z.B. die Definition von Schutzzielen, das Festlegen von Bemessungsereignissen oder die Bewältigung von Überlast müssen gesondert betrachtet werden. 2.

Die bisherige Praxis

2.1 Untersuchungsmethoden Die im In- und Ausland bestehende Methoden zur Festlegung des erforderlichen Freibords fe und ihre Anwendung wurde mit einer Literaturrecherche, einer Umfrage bei Wasserbaubehörden und Hochschu44

Bild 2. Das Freibord f als Abstand zwischen dem Wasserspiegel und der Oberkante des Ufers.

Bild 3. Bei Brücken bezieht sich das Freibord auf eine mittlere Kote der Unterkante. len im In- und Ausland mittels Fragebogen sowie mit Interviews von Fachpersonen ermittelt [3]. Die Praxis in den Kantonen bei der Anwendung des Freibordes bei Gefahrenbeurteilungen wurde mit einer Recherche im Bundesamt für Umwelt erhoben. 2.2

Methoden und ihre Anwendung in der Schweiz In der Schweiz sind die am häufigsten vertretenen Philosophien: • fe = feste Grösse • fe = v2/2g • fe = abhängig von der Schutzzielgrösse und vom Schadenpotenzial Als Werte für die festen Grössen wurden genannt: • unter Brücken fe = min. 1.0 m • Bäche fe = min. 0.5–1.0 m • Flüsse fe = min. 0.8–1.0 m • Wildbäche fe = min. 1.5–2.5 m Dabei verwenden unterschiedliche Institutionen unterschiedliche Werte. Folgende Prozesse werden laut Umfrage im Freibord berücksichtigt: • Schwemmholz • variable Sohlenlage • Kurvenüberhöhung • instationäre Abflüsse • Wellenbildung Praktisch alle befragten Institutionen gaben an, das Freibord nicht zu verwenden, um hydrologische oder bauliche Unsicherheiten abzudecken. In der Regel wird in Projekten ein Freibord gefordert. Bei der Gefahrenbeurteilung ist die Praxis sehr unterschiedlich: In je rund einem Drittel der Kantone wird ein Freibord ganz, teilweise oder überhaupt nicht berücksichtigt. Wenn es berücksichtigt wird, dann am ehesten bei der Beurteilung der Abflusskapazität bei Brückenquerungen.

2.3

Methoden und ihre Anwendung im Ausland Jede der angefragten Institutionen hat eine andere Philosophie zur Festlegung des erforderlichen Freibords. Nachfolgend die Bandbreite: • fe = mit probabilistischem Ansatz (Niederlande, Südtirol, England) • fe = abhängig von Prozessen, durch Berechnung (Österreich, Deutschland) • fe = v2/2g (Österreich, Italien) • fe = abhängig von der Schutzzielgrösse (Österreich) • fe = Mindest-Freibord (Deutschland) • fe = 0.17 · Fr1/3 · hm, Berücksichtigung einer strömungsinduzierten Wellenentwicklung mit Fr = Froude-Zahl und hm = mittlere Fliesstiefe (Deutschland) Für die Festlegung des Freibords werden folgende Prozesse berücksichtigt: • Wind • Wellenauflauf • Verklausung (durch Treibholz) • Verstopfung (durch seitliche Lawinenund Mureinstösse) • Variable Sohlenlage • Eis • Querströmungen • Ausführungstoleranzen Hydrologische Unsicherheiten werden in der Festlegung des erforderlichen Freibords nicht berücksichtigt. 3.

Konzept Freibord: Grundsätze

3.1 Definition Freibord «Das Freibord bezeichnet den senkrechten Abstand zwischen dem Wasserspiegel und der Oberkante des Ufers oder eines Wasserbauwerks (z.B. Damm, Sperre) oder der Unterkante einer Brücke.» ([1],

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3.2

Das Freibord als hydraulische Grösse Das erforderliche Freibord wird als hydraulische Grösse betrachtet. Es beschreibt einerseits die Unschärfen in der Berechnung einer Wasserspiegellage bei gegebenem Gerinnequerschnitt und andrerseits berücksichtigt es Prozesse wie Wellenbildung und Staudruck an Hindernissen sowie den Transport von Treibgut. 3.3

Belastung, Einwirkung und Kapazität In einen Gewässerabschnitt können der Abfluss sowie die Zufuhr von Geschiebe, Schwemmholz und anderem Treibgut 1 als Belastungsgrössen betrachtet werden. Als Mass für die Einwirkung der Belastung auf einen Gerinnequerschnitt werden die Lage des Wasserspiegels – sie wird von der (veränderlichen) Sohlenlage und der Abflusstiefe bestimmt – die Fliessgeschwindigkeit sowie eine Mass t über dem Wasserspiegel definiert. Letzteres beschreibt den Raum, welcher durch Treibgut beansprucht wird. Die Geometrie des Gerinnes, sein Gefälle und seine Rauheit sowie das Freibord bestimmen die Kapazität des Gerinnes, die Belastungsgrössen abzuführen. Die Belastungsgrössen und die Grössen der Kapazität beeinflussen beide die Grössen der Einwirkung und beeinflussen sich gegenseitig (Bild 4). So sind z.B. die Lage des Wasserspiegels zw und die Fliessgeschwindigkeit v sowohl eine Funktion des Abflusses als auch eine Funktion der Geometrie und der Rauheit des Gerinnes. Im Weiteren ist z.B. die Geometrie des Querschnitts abhängig davon, ob dieser durch Treibgut verlegt wird oder nicht. Umgekehrt werden die Wellenbildung und somit das erforderliche Freibord von der Fliessgeschwindigkeit v und der Abflusstiefe h bestimmt. 3.4 Berücksichtigte Unschärfen Das erforderliche Freibord deckt Unschärfen in der Berechnung des Wasserspie1

Bild 4. Systemabgrenzung zwischen Belastung, Einwirkung und Kapazität eines Gerinneabschnittes. Das Freibord f ist ein Element der Kapazität. gels ab, welche hervorgerufen werden durch Unschärfen in der Prognose der Sohlenlage bei Hochwasser und durch Unschärfen in der Abflussrechnung. Die Unschärfen in der Berechnung des Wasserspiegels können nach den Methoden von Kap. 4.2 bestimmt werden. Das Freibord deckt keine Fehler ab, welche durch die Verwendung eines ungeeigneten hydraulischen Modells oder durch eine falsche Modellkonfiguration entstehen. Die Unschärfen sollen bei einer Abflussrechnung ausgewiesen werden. Sie sollen nicht durch konservative Annahmen in Bezug auf massgebliche Fliessquerschnitte, Sohlenlagen oder Rauheiten «überdeckt» werden. 3.5 Berücksichtigte Prozesse Das erforderliche Freibord deckt die nachfolgend aufgeführten Prozesse ab, d.h. das Freibord trägt dazu bei, dass trotz Auftreten dieser Prozesse die Abflusskapazität eines Gerinnes nicht erschöpft ist: • Wellen, durch den Abfluss verursacht • Aufstau an lokalen Abflusshindernissen (z.B. an Bäumen oder vorspringenden Mauerecken) • Schwemmholztransport und Eistrieb Das Freibord wird zum Wasserspiegel addiert, welcher unter Berücksichtigung der folgenden Prozesse berechnet wurde: • Sohlenveränderung während eines Hochwassers • Langfristige Sohlenveränderungen • Überhöhung des Wasserspiegels in Kurvenaussenseiten • Unterschiedliche Fliessgeschwindigkeiten im Hauptgerinne und im Vorland bei gegliederten Querschnitten • Ansammlungen von Schwemmholz und Treibeis an Brückenpfeilern oder -widerlagern

Bei Murgängen wird das Freibord sinngemäss zum beanspruchten Abflussquerschnitt der Murgangfront addiert. Das vorliegende Konzept berücksichtigt keine Windwellen (sie sind in den betrachteten Gewässern von untergeordneter Bedeutung) und kein geotechnisches Versagen von Dämmen. 3.6 Anwendungsbereich Das vorliegende Konzept für die Definition des erforderlichen Freibords wird bei Wasserbauprojekten und Gefahrenbeurteilungen an Flüssen, Bächen und Wildbächen angewandt. Der Fliessquerschnitt kann einfach oder gegliedert sein. Bei Brücken und Durchlässen muss in der Regel ein Freibord eingehalten werden. Andernfalls muss der Nachweis erbracht werden, dass ein Abfluss unter Druck möglich ist. Die Freibordkriterien gelten dann für den Zulauf. Die Methode wurde entwickelt, um die meisten in der Praxis vorkommenden Fälle zu bearbeiten. In Spezialfällen, z.B. bei Grossprojekten oder bei Spezialbauwerken wie Hochwasserentlastungen kann bzw. soll die vorliegende Methode ergänzt oder erweitert werden. Für Stauseen und Flussstauhaltungen sind die Anforderungen an das Freibord in den Richtlinien zur Stauanlagenverordnung festgelegt [7]. Sie werden hier nicht weiter behandelt. 3.7 Wozu das Freibord nicht dient Das Freibord soll nicht verwendet werden, um Unschärfen in den hydrologischen Szenarien (Festlegen eines Abflusses oder eines Geschiebeeintrages bestimmter Jährlichkeit) oder Unschärfen in der geotechnischen oder statischen Bemessung von Schutzbauten abzudecken. Es

Zum Beispiel Siloballen, Sperrgut, Treibeis usw.

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zit. in [3], vgl. Bild 2). Bei Brücken mit nicht horizontaler Unterkante (schräg, gebogen) bezieht sich das Freibord auf eine mittlere Kote der Unterkante (Bild 3). Das erforderliche Freibord fe bezeichnet das Freibord, welches eingehalten werden muss, damit eine rechnerisch bestimmte Abflusskapazität des Gerinnes gewährleistet ist.

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soll auch nicht dazu dienen, für ein hohes Schadenpotenzial einen höheren Sicherheitszuschlag (und damit implizit eine höhere Abflusskapazität) zu begründen. Solche Kriterien sollten durch die Wahl des Bemessungsszenarios berücksichtigt werden. 4.

Berechnung des erforderlichen Freibords

4.1 Aufbau Das erforderliche Freibord fe setzt sich aus verschiedenen Teil-Freiborden zusammen. Jedes der Teil-Freiborde berücksichtigt eine der in Kap. 3.3 definierten Einwirkungen.

(1)

mit fe = erforderliches Freibord fmin = minimal erforderliches Freibord fmax = maximal erforderliches Freibord fw = erforderliches Freibord aufgrund von Unschärfen in der Bestimmung der Wasserspiegellage fv = erforderliches Freibord aufgrund von Wellenbildung und Rückstau an Hindernissen ft = erforderliches Freibord aufgrund von zusätzlich benötigtem Abflussquerschnitt für Treibgut unter Brücken

Je nach Situation sind die einzelnen Elemente mehr oder weniger bedeutend. Unter Umständen spielen die Wellenbildung (langsam fliessendes Gewässer) oder der zusätzlich benötigte Abflussquerschnitt (im offenen Gerinne) keine Rolle. In diesen Fällen können die entsprechenden Terme zu null gesetzt werden. Für die Definition des erforderlichen Freibords werden die Teil-Freiborde geometrisch addiert. Damit wird berücksichtigt, dass sich nicht immer alle Unschärfen oder Prozesse gleichermassen manifestieren. 4.2

Freibord aufgrund von Unschärfen in der Bestimmung der Wasserspiegellage

4.2.1 Einführung Jede berechnete Wasserspiegellage ist mit Unschärfen behaftet. Die Unschärfen werden hervorgerufen durch Unsicherheiten • in der Prognose der massgeblichen Sohlenlage • in der Abflussrechnung auf der massgeblichen Sohlenlage (Bild 5) Das Freibord aufgrund von Unschärfen in der Bestimmung der Wasserspiegellage hat den Betrag des mittleren Fehlers an der berechneten Wasserspiegellage w. Dieser setzt sich zusammen aus dem mittleren Fehler, hervorgerufen durch die Unschärfe der Prognose der massgeblichen

Bild 5. Mittlerer Fehler w an der Bestimmung des Wasserspiegels. Die Abflusstiefe h wird auf einer prognostizierten, massgeblichen Sohlenlage z berechnet. Die prognostizierte Sohlenlage und die Abflusstiefe sind mit Fehlern behaftet.

Tabelle 1. Geschätzte mittlere Fehler an den Eingangsgrössen einer hydraulischen Rechnung.

Sohlenlage wz und aus dem mittleren Fehler der Abflussrechnung wh.

(2)

4.2.2 Fehler am Wasserspiegel hervorgerufen durch Unschärfen in der Prognose der massgeblichen Sohlenlage Grundsätzlich müssen mögliche Sohlenveränderungen während eines Hochwassers prognostiziert und bei der Abflussrechnung berücksichtigt werden. Der Parameter wz dient also nicht dazu, eventuelle Geschiebeablagerungen per se im Freibord zu berücksichtigen sondern dazu, die Unschärfe in der Prognose der Sohlenlage abzudecken. Diese Unschärfe muss im Einzelfall ausgewiesen werden. Die Unschärfe in der Prognose der massgeblichen Sohlenlage ist vor allem dort von Bedeutung, wo während eines Hochwasserereignisses mit Ablagerungen von Geschiebe zu rechnen ist (z.B. an Gefälleknicken oder beim seitlichen Eintrag von Geschiebe), oder wo die Sohle ihre Lage langfristig verändern kann. Sie ist umso grösser, je grösser die erwartete Sohlenveränderung ist. Für die Bestimmung von wz gibt es bislang nur wenige Erfahrungswerte. Für wz dürften Werte zwischen 0.1 m (grösserer Talfluss) und 1.0 m (Wildbach) als plausibel eingestuft werden 2. Wird die Sohlenlage mit numerischen Simulationen bestimmt, kann der Nachweis mit einer Sensitivitätsanalyse, z.B. durch eine Variation von massgeblichen Korngrössen oder durch die Anwendung unterschiedlicher Transportgesetze geführt werden. Wird eine Sohle als stabil bezeichnet, kann die Unschärfe in der Sohlenlage vernachlässigt werden (wz = 0). 4.2.3 Fehler am Wasserspiegel hervorgerufen durch Unschärfen in der Abflussrechnung Unschärfen in der Abflussrechnung können hervorgerufen werden durch Unschärfen in der Querprofilgeometrie oder durch Fehler in der Schätzung der Rauheit des Gerinnes. Mit einer Sensitivitätsanalyse für Abflussrechnungen an verschiedenen Gewässern in der Schweiz wurde die Grössenordnung dieser Fehler bestimmt [3]. Dabei wurde angenommen, dass jede

Der Wert wz beschreibt den mittleren Fehler am Wasserspiegel aufgrund von Unschärfen in der Sohlenlage. Im Sinne einer Vereinfachung kann er der Unschärfe an der Sohlenlage gleichgesetzt werden und es gilt wz = z. 2

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wh = 0.06 + 0.06 h

Bild 6. Mittlerer Fehler wz an der berechneten Abflusstiefe in Abhängigkeit der Abflusstiefe h für die Testgewässer im Anhang A.

(3)

Je grösser die Abflusstiefe ist, desto grösser ist auch der Fehler an der Abflussrechnung. Der Fehler an der Rauheit wirkt sich am stärksten auf den Fehler an der Abflusstiefe aus, weil nach dem Fliessgesetz von Strickler der Rauheitsbeiwert linear in die Abflussrechnung einfliesst. Bei gegliederten Querschnitten soll eine an den Abflussanteilen von Hauptgerinne und Vorland gewichtete mittlere Abflusstiefe in Gleichung 3 eingesetzt werden. In spezifischen Situationen soll der Fehler an der Abflussrechnung individuell bestimmt werden, z.B. bei sehr variabler Gerinnegeometrie oder grossen Rauheiten oder wenn bei Grossprojekten ohnehin umfangreiche Abflussrechnungen durchgeführt werden, welche es erlauben die Fehler an der hydraulischen Rechnung mit Hilfe einer Sensitivitätsanalyse zu präzisieren. Ebenso kann die Beobachtung vergangener Hochwasserereignisse in die Schätzung des Fehlers mit einbezogen werden. 4.3

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Eingangsgrösse für die Abflussrechnung mit einem mittleren Fehler behaftet sei. Der Einfluss der einzelnen Fehler am Resultat der Berechnung wurde durch Ableitung der Fliessformel von Strickler bestimmt und die jeweiligen Ergebnisse mit dem Fehlerfortpflanzungsgesetz nach Gauss addiert. Die Fehlerrechnung wurde für 18 Gewässer und insgesamt 52 Abflüsse durchgeführt. Als Fehler an den Eingangsgrössen wurden die Werte von Tabelle 1 geschätzt. Die Ergebnisse sind in Bild 6 dargestellt. Es zeigt sich, dass der mittlere Fehler an der berechneten Abflusstiefe linear mit derselben ansteigt. Die Ergebnisse lassen sich mit einer linearen Gleichung annähern:

Freibord aufgrund von Wellenbildung und Rückstau an Hindernissen Bei Hindernissen im Fliessquerschnitt (z.B. Pfeiler, Brückenwiderlager, vorspringende Mauerecken) wird der Abfluss örtlich zurück gestaut. Der Wasserspiegel erhöht sich im Rückstau bis maximal auf die Höhe der Energielinie, liegt also höchstens um den Betrag v2/2g höher als der mittlere Wasserspiegel im Gerinnequerschnitt. Bei Abflussverhältnissen nahe dem kritischen Abfluss bilden sich auf der Wasseroberfläche Wellen. Sie sind an der Stelle mit den grössten Fliessgeschwindigkeiten am höchsten (in einem geraden Gewässerabschnitt in der Mitte des Fliessquer-

Tabelle 2. Teil-Freiborde ft für Schwemmholz in Abhängigkeit der Beschaffenheit der Brücke und Art und Menge des Schwemmholzes. schnittes). Ein Wellenberg liegt höchstens um den Betrag v2/2g höher als der mittlere Wasserspiegel im Gerinnequerschnitt. Das Freibord aufgrund von Wellenbildung und Rückstau an Hindernissen wird deshalb mit

•

(4) bestimmt. Dabei bezeichnet v die örtliche Fliessgeschwindigkeit. Sie ist im Prinzip eine Funktion der örtlichen Abflusstiefe, des Längengefälles und der Sohlrauigkeit und kann über die üblichen Fliessformeln abgleitet werden. Es sollen die folgenden Regeln angewandt werden: • In einfachen Trapez- und Rechteckgerinnen setzt man die örtliche der mittleren Fliessgeschwindigkeit gleich. • In einem Doppelprofil (Profil mit Vorland, Berme) ist die Fliessgeschwindigkeit in Funktion der mittleren Abflusstiefe auf dem Vorland massgebend. Die Breite des Vorlandes muss mindestens dem Fünffachen der Abflusstiefe entsprechen. • Bei Brücken gilt die mittlere Fliessgeschwindigkeit des jeweiligen Teilquerschnitts (Hauptgerinne oder Vorland) als örtliche Geschwindigkeit. • An der Kurvenaussenseite einer starken Krümmung ist die örtliche Geschwindigkeit um bis zu 30% grösser als die mittlere Fliessgeschwindigkeit im Querschnitt.

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Bei dichter Vegetation in Ufernähe kann die örtliche Fliessgeschwindigkeit gleich null gesetzt werden, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind: · Der Vegetationsstreifen ist genügend breit. · Der Vegetationsstreifen wird in der Abflussrechnung als nicht durchströmt angenommen. · Der Erhalt des Vegetationsstreifens ist durch ein Unterhaltskonzept nachweislich gesichert.

4.4

Freibord aufgrund von zusätzlich benötigtem Abflussquerschnitt unter Brücken Beim Abfluss unter Brücken beansprucht mitgeführtes Treibgut zusätzlichen Raum über dem Wasserspiegel, damit es ohne hängen zu bleiben, abgeführt wird. Grundsätzlich hängt der benötigte Raum von der Menge und den Abmessungen des Treibgutes ab (glatte Baumstämme, Wurzelteller, Eisschollen, Siloballen usw., die einzeln oder als Teppich angeschwemmt werden) sowie von der Beschaffenheit der Untersicht der Brücke. Für die Festlegung des Teil-Freibordes ft für Schwemmholz wird ein Klassensystem vorgeschlagen. ft ist eine feste Grösse zwischen 0.3 m und 1.0 m. Der Wert von ft wird in Funktion der Beschaffenheit der Brücke und in Funktion von Art und Menge des erwarteten Schwemm47

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Tabelle 3. Kriterien für die Anwendung der Teil-Freiborde. holzes definiert (Tabelle 2). Als Brücke mit rauer Untersicht gilt z.B. eine Brücke mit Fachwerk, vorspringenden Trägern oder angehängten Leitungen. In einem Gewässer mit anderem Treibgut als Schwemmholz (Siloballen, Eis) muss ft sinngemäss bestimmt werden. 4.5 Wahl der Teil-Freiborde Mit der Wahl der Teil-Freiborde fw, fv und ft von Gleichung 1 kann die Bemessung des erforderlichen Freibordes der spezifischen Situation eines Gewässerabschnittes angepasst werden. Je nach Situation kann das eine oder andere Teil-Freibord zu null gesetzt werden. Bei der Festlegung des erforderlichen Freibordes sollen die Kriterien von Tabelle 3 angewandt werden. Minimales und maximal erforderliches Freibord Das rechnerisch ermittelte erforderliche Freibord wird auf Dezimeter gerundet und nach oben und unten begrenzt. Mit der unteren Grenze fmin = 0.3 m

wird dem mittleren Fehler an der berechneten Abflusstiefe bei kleinen, langsam fliessenden Gewässern ein höheres Gewicht beigemessen. Mit der oberen Grenze fmax wird verhindert, dass das erforderliche Freibord bei hohen Fliessgeschwindigkeiten sehr gross wird. In Gewässern mit fluvialem Geschiebetransport wird eine obere Grenze von fmax =1.5 m vorgeschlagen. In murfähigen Wildbächen kann durchaus ein grösseres, maximales Freibord gefordert werden. Das erforderliche Freibord wird querschnittsweise berechnet und abschnittweise vereinheitlicht. 5.

Wirkung bei Überschreiten der Abflusskapazität

4.6

5.1

Freibord und Schwachstellenanalyse Das Freibord wird bei der Schwachstellenanalyse im Rahmen der Projektierung von Hochwasserschutzmassnahmen oder

im Rahmen einer Gefahrenbeurteilung berücksichtigt. Die Schwachstellenanalyse beantwortet die Fragen: • Wo kann bei einem gegebenen Abfluss Wasser aus dem Gerinne austreten? • Weshalb tritt Wasser aus (Überströmen, Dammbruch, Verklausung)? • Wie viel Wasser tritt aus? Das erforderliche Freibord fe wird für einen Abfluss Q und eine Zufuhr von Geschiebe G, Holz H und anderem Treibgut nach der Methode von Kap. 4 bestimmt. Dabei spielt es keine Rolle, ob der betreffende Abfluss Q als Bemessungsabfluss QDim, als Abfluss bei Überlast oder Abfluss eines bestimmten Hochwasserszenarios HQx oder EHQ bezeichnet wird. Ist für einen Abfluss Q und den dazugehörigen berechneten Wasserspiegel zw das Freibord f grösser als das erforderliche Freibord fe, reicht die Abflusskapazität des betreffenden Gerinneabschnittes aus, um den Abfluss Q schadlos abzuführen. In Bezug auf die Abflusskapazität stellt der betreffende Gerinneabschnitt keine Schwachstelle dar (Bild 7). Andere Versagensmechanismen (z.B. Verklausung an Brückenpfeilern, Seitenerosion, geotechnisches Versagen eines Dammes, Unterkolkung usw.) bleiben vorbehalten. Ist für einen Abfluss Q und den dazugehörigen berechneten Wasserspiegel zw das Freibord f kleiner als das erforderliche Freibord fe, reicht die Abflusskapazität des betreffenden Gerinneabschnittes nicht aus, um den Abfluss schadlos abzuführen. In der Terminologie einer Gefahrenbeurteilung stellt der betreffende Gerinneabschnitt eine Schwachstelle dar und es ist eine Wirkung ausserhalb des Gerinnes möglich. Es wird deshalb überprüft, ob Wasser aus dem Gerinne austritt. Diese Überprüfung wird bei Gefahrenbeurteilung in der Schweiz bisher unterschiedlich gehandhabt. In einigen Kantonen wird eine Überflutung ausgewiesen, wenn das erforderliche Freibord nicht mehr verfügbar ist, in anderen, wenn kein Freibord mehr vorhanden ist. In den folgenden Kapiteln wird ein einheitliches Vorgehen vorgeschlagen. 5.2

Bild 7. Berücksichtigung des Freibordes bei der Schwachstellenanalyse. 48

Wirkung bei Gerinnen mit überströmsicherer Begrenzung In einem Gerinne, welches durch das Terrain oder durch eine überströmbare Schutzbaute (überströmsicherer Damm oder Mauer) begrenzt ist, wird bei Überschreiten der Abflusskapazität ein Ausbruchszenario in Funktion der Wasserspiegellage definiert. Als massgeblicher Wasserspie-

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Bild 8. Überschreiten der Abflusskapazität in Gerinne mit überströmsicherer Begrenzung und Überflutungsszenario mit einem denkbaren Wasserspiegel.

Bild 9. Überschreiten der Abflusskapazität in Gerinne mit überströmsicherer Begrenzung ohne Überflutungsszenario.

Bild 10. Überschreiten der Abflusskapazität in Gerinne mit nicht überströmsicherer Begrenzung und Dammbruchszenario. Mitte: mit möglichem Wasserspiegel zw' ; rechts: mit wahrscheinlichstem Wasserspiegel zw. gel wird ein Wasserspiegel zw’ angenommen, welcher unter Berücksichtigung der in Kap. 4.2 definierten Unschärfen auch möglich wäre. Für zw’ gilt:

(5)

Darin bezeichnet zw den Wasserspiegel, der mit Hilfe einer Abflussrechnung und unter Berücksichtigung der in Kap. 3.5 aufgeführten Prozesse bestimmt wurde. Es ist dies der wahrscheinlichste Wasserspiegel. zw' bezeichnet einen um den mittleren Fehler an der Berechnung erhöhten Wasserspiegel. Mit diesem Ansatz wird immer dann eine Überflutungsfläche ausgewiesen, wenn die Abflusskapazität als ungenügend betrachtet wird (Bild 8). Bei einer Gefahrenbeurteilung und bei der Bemessung von Schutzbauten werden somit die gleichen Kriterien angewandt. Alternativ kann für die Beurteilung einer Überflutung der Wasserspiegel zw betrachtet werden. Dieser Ansatz wurde bislang bei Gefahrenkartierungen häufig

dann angewandt, wenn Überflutungsflächen aus 2d-Abflusssimulationen direkt abgeleitet wurden. Die Wahrscheinlichkeit der Überflutung entspricht dann am ehesten der Wahrscheinlichkeit des Grundszenarios 3. Die Methode hat aber den Nachteil, dass in Fällen, bei welchen ein Freibord zwar besteht, dieses aber ungenügend ist (f < fe) und deshalb die Abflusskapazität als nicht gewährleistet bezeichnet wird, keine Überflutung ausgewiesen wird. Die Überflutungsgefahr muss dann auf einer Überflutungs-, Intensitäts- oder Gefahrenkarte anderweitig gekennzeichnet werden (Bild 9). 5.3

Wirkung bei Gerinnen mit nicht überströmsicherer Begrenzung Ist ein Gerinne durch ein nicht überströmsicheres Ufer begrenzt (nicht überströmsicherer Damm oder Mauer), wird bei Überschreiten der Abflusskapazität ein Szenario für das Versagen des Dammes bzw. der Mauer definiert. Um die Austrittswassermenge zu bestimmen können wiederum ein möglicher Wasserspiegel zw’ oder der wahrscheinlichste Wasserspiegel zw als massgeblich bezeichnet werden (Bild 10).

Es bleibt zu beachten, dass in den meisten Fällen andere Faktoren wie z.B. die Grösse der Bresche, der Zeitpunkt eines Dammbruches oder Ablagerungen von Geschiebe bei der Entlastung die Austrittswassermenge stärker beeinflussen als die Wahl des massgeblichen Wasserspiegels. Im Rahmen der Wirkungsanalyse wird die Geschwindigkeitshöhe verwendet um gegebenenfalls ein Dammbruchszenario zu begründen nicht aber um Ausbruchwassermengen zu bestimmen. 5.4

Wirkung bei Brücken oder Durchlässen Ist die Abflusskapazität eines Brückenquerschnitts oder eines Durchlasses ungenügend, wird ein Verklausungsszenario definiert, d.h. es wird definiert, um welchen Flächenanteil A sich der Brückenquerschnitt oder der Querschnitt eines Durchlasses vermindert (Bild 11). Dabei spielen die Abmessungen und die Form des Querschnittes, die Beschaffenheit von Untersicht und Sohle (Auskolkung möglich oder nicht) und die Menge der Schwemmholzzufuhr eine Rolle. Für Querschnitte mit einer Fläche kleiner als 30 m2 wurden im

Abweichungen sind möglich, wenn die Wahrscheinlichkeit des Grundszenarios sich nur auf die Abflussspitze und nicht auf das Abflussvolumen bezieht.

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Bild 11. Überschreiten der Abflusskapazität in einem Brückenquerschnitt und Verklausungsszenario. Rahmen von Protect Verklausungsszenarien vorgeschlagen [6]: • Reduktion des Abflussquerschnittes um 100 % (vollständige Verklausung), wenn · die kleinste Abmessung des Querschnitts < 1 m misst oder · die Sohle sich durch Auskolken nicht anpassen kann oder · die Schwemmholzmenge gross ist. • Reduktion des Abflussquerschnittes um 50% (Teilverklausung), wenn das Schwemmholzaufkommen gering ist und sich die Sohle durch Auskolken anpassen kann. Ist eine Brücke darauf ausgelegt, Abfluss unter Druck abzuführen, gilt das FreibordKriterium nicht für den Brückenquerschnitt selber sondern für die Zulaufstrecke, in welcher sich der Abfluss zurück staut. Das Verhalten einer Druckbrücke bei der Zufuhr von Treibgut muss untersucht werden. 6. Schlussfolgerung Im vorliegenden Artikel wird eine Methode beschrieben, mit welcher die Abflusskapazität eines Fliessgewässers unter Berücksichtigung eines Freibordes beurteilt werden kann. Das erforderliche Freibord wird als hydraulische Grösse verstanden und berücksichtigt Prozesse wie Wellenbildung, Rückstau an Abflusshindernissen und den Transport von Schwemmholz sowie Unschärfen in der Berechnung des Wasserspiegels. Andere Unschärfen, z.B. solche bei der Bestimmung von Abflussmengen, müssen unabhängig davon diskutiert werden. Es bleibt jedoch zu beachten, dass ein Querschnitt in einem Gewässer auch dann eine Schwachstelle darstellen kann, wenn für einen bestimmten Abfluss das erforderliche Freibord eingehalten wird. Die Kommission für Hochwasserschutz des Schweizerischen Wasserwirtschaftsverbandes empfiehlt, das erforderliche Freibord nach der vorliegenden Methode zu bestimmen. Sie empfiehlt die Methode bei allen künftigen Wasserbauprojekten sowie bei der Erarbeitung neuer oder der Revision bestehender Gefahrenkarten anzuwenden. 50

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schärfen in der Berechnung

von

Un-

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Symbole w

[m]

Unschärfe an der berechneten Wasserspiegellage

wh

[m]

wz

[m]

Unschärfe an der berechneten Abflusstiefe Unschärfe an der berechne-

Autorenschaft Kommission für Hochwasserschutz, Wasserbau und Gewässerpflege, KOHS c/o Schweizerischer Wasserwirtschaftsverband. Mitwirkende in der Arbeitsgruppe Freibord der KOHS: Lukas Hunzinger, Martin Jäggi, Jean-Pierre Jordan, Jürg Speerli, Heinz Weiss, Benno Zarn.

ten Wasserspiegellage aufgrund der Unschärfe der prognostizierten Sohlenlage z

[m]

Unschärfe an der prognostizierten Sohlenlage

A

[m2]

Querschnittsreduktion wegen Verklausung von Brücken und Durchlässen mit Schwemm-

Dank Die KOHS dankt dem Bundesamt für Umwelt für die finanzielle – und dem Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft des Kantons Zürich – für die logistische Unterstützung zur Erarbeitung der Empfehlung.

holz A

[m2]

Gerinnequerschnitt

EHQ [m3/s]

Extremhochwasser

[m]

Feibord

[m]

erforderliches Freibord

[m]

Teil-Freibord aufgrund von Unschärfe in der Bestimmung der Wasserspiegellage «Wasser Energie Luft» – 105. Jahrgang, 2013, Heft 1, CH-5401 Baden

KOHS-Empfehlung Freibord

Freibord bei Hochwasserschutzprojekten und Gefahrenbeurteilungen Fallbeispiele KOHS

1. Einleitung Die im vorhergehenden Artikel (WEL 1-2013, Seite 43–50) vorgestellte Methode zur Bestimmung des erforderlichen Freibordes wird an drei Beispielen angewandt und beschrieben. Die Beispiele repräsentieren Gewässer unterschiedlicher Grösse und in jedem Gewässer bestimmen unterschiedliche Prozesse das erforderliche Freibord. 2.

Sagentobelbach in Dübendorf, Kanton Zürich Der Sagentobelbach entspringt am Zürichberg Nord in steilem, waldigem Gelände. Sein Einzugsgebiet misst 3.2 km2. Er ist dort zum Teil stark verbaut und durch Abschnitte mit Molassefelsen grösstenteils stabilisiert. Zum Dorfteil Stettbach hin flacht er ab; vor allem eingangs des Dorfes ist er eng und hart verbaut, was periodisch zu Verklausungen führt. Ausgangs des Dorfes wurde er im Zuge der Erweiterung des Bahnhofareals Stettbach umgeleitet bzw. auf rund 300 m neu erstellt. Der neue Bach wurde im kompakten Moränenmaterial ausgehoben. Dieses ist mehrheitlich feinkörnig, aber mit Kies-/ Gerölllinsen durchsetzt. Auf dem betrachteten Abschnitt hat der Bach ein Längengefälle zwischen 1.5% und 2.0%. Die Mittelwasserrinne ist 0.5 m bis 1.0 m breit. Vorländer liegen rund 50 cm bis 80 cm über der mittleren Sohle und wechseln sich links- und rechtsufrig ab. Die Breite der oberen Uferumrandung beträgt im Minimum 15 m. Die Böschungsneigungen sind variabel (im Mittel 1:3–1:2). Die Ufer sind im Einschnitt bis zu gut vier Meter hoch. An einigen Stellen erheben sich kleinere Dämme bis etwa 60 cm über das Terrain. Diese sind luftseitig 1:5 geneigt und mit Gras bewachsen, aber rechnerisch nicht als überströmbar gedacht. In diesem oberen Teilstück überquert eine Brücke den Bach (Breite zwischen den Widerlagern 7.0 m, Höhe über der Mittelwassersohle 2.0 m).

Bild 1. Sagentobelbach in der Flachstrecke (1.5%–2.0%). Aufnahme vom November 2012 (nach dem grossen Hochwasser vom 3. Juli 2012) (Quelle: Basler&Hofmann AG).

Tabelle 1. Erforderliche Freiborde im Sagentobelbach für einen Abfluss von 13 m3/s. Der Bach wurde hydraulisch mittels eindimensionaler Staukurvenrechnung dimensioniert (Rauheitsbeiwert k = 25 m1/3/s). Der Bemessungsabfluss beträgt 13 m3/s. Es resultieren eine Abflusstiefe von 1.1 m und eine mittlere Fliessgeschwindigkeit von 2.5 m/s. Der Geschiebeeintrag im betrachteten Abschnitt wird als gering beurteilt, weil das aus dem Einzugsgebiet herangeführte Material mehrheitlich eingangs des Dorfes liegen bleibt. Hingegen wird kiesiges Material (anstehendes und aus ökologischen Überlegungen einge-

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brachtes Fremdmaterial) bei Hochwasser transportiert, so dass die Sohlenlage bei Hochwasser Schwankungen unterliegt. Der Fehler am berechneten Wasserspiegel, aufgrund von Unschärfen in der Prognose der Sohlenlage wird deshalb zu wz = 0.2 m geschätzt. Das Holzaufkommen ist wegen der Verklausungen im engen, oberen Dorfteil und wegen der Wildbachverbauungen eher gering. Bäume werden einzeln angeschwemmt. Es resultieren die erforderlichen Freiborde von Tabelle 1. 51

KOHS-Empfehlung Freibord

Schächen bei Altdorf, Kanton Uri Der Schächen entwässert das westlich des Klausenpasses gelegene Schächental und mündet bei Attinghausen in die Reuss. Das Einzugsgebiet ist 109 km2 gross. Auf

den letzten ca. 2 km seines Laufs fliesst der Schächen auf seinem Schwemmkegel. Auf diesem Abschnitt wurde das Gerinne nach dem verheerenden Hochwasser von 1911 in eine gemauerte Schale eingefasst (siehe Bild). Das Gefälle beträgt dort 2.2%,

Tabelle 2. Erforderliche Freiborde im Schächen für einen Abfluss von 120 m3/s auf glatter Sohle ohne Auflandung.

Tabelle 3. Erforderliche Freiborde im Schächen für einen Abfluss von 120 m3/s mit rückschreitender Auflandung.

Bild 2. Schächen bei Altdorf (Quelle: Flussbau AG SAH).

die Sohlbreite 15 m, die Uferneigung 1:1. Wand- und Sohlrauigkeit können durch einen k-Wert nach Strickler von 45 m1/3/s charakterisiert werden. Im oberen Teil liegt die Schale in einem Einschnitt. Nachher liegt sie auf dem Kegel, d.h. austretendes Wasser fliesst nicht mehr ins Gerinne zurück. Weststaulagen führen immer wieder zu bedeutenden Hochwasserereignissen. Am 1. August 1977 und am 23. August 2005 uferte der Schächen oberhalb der SBB-Brücke kurz oberhalb der Mündung aus und führte zu grossen Schäden. Die Reuss konnte den grossen Geschiebeanfall des Schächens nicht bewältigen und die Sohle landete an der Mündung auf. Dies bewirkte bei beiden Ereignissen eine rückschreitende Auflandung in der Schale des Schächens, worauf der Brückenquerschnitt mit Geschiebe und Holz verfüllt wurde. Grundsätzlich gibt es somit zwei Dimensionierungsfälle, nämlich den Fall des Reinwasserabflusses auf glatter Sohle mit hohen Fliessgeschwindigkeiten sowie den Fall des Abflusses auf der rückschreitenden Auflandung. Für den Fall ohne Ablagerungen auf der Schale resultieren die erforderlichen Freiborde von Tabelle 2. Sie werden durch die minimal bzw. maximal erforderlichen Freiborde aus Kap. 4.6 bestimmt. Die lichte Weite unter der Brücke und die Höhe der Ufer betragen 3 m. Die Summe von Abflusstiefe und Freibord ergibt 2.8 m. Die Dimensionierung wäre also für diesen Fall ausreichend. Für den Fall mit Ablagerungen auf der Schale resultieren die erforderlichen Freiborde von Tabelle 3. Die Ufer müssen für diesen Fall knapp 4 m hoch sein (Summe von Ablagerung, Fliesstiefe und erforderlichem Freibord). Mit der kürzlich realisierten Erhöhung der Ufermauern ist diese Bedingung erfüllt.

Bild 3. Alpenrhein bei Au/Lustenau. (Foto stimmt nicht mit Ort Hydraulik überein) (Quelle: Hunziker, Zarn & Partner AG). «Wasser Energie Luft» – 105. Jahrgang, 2013, Heft 1, CH-5401 Baden

KOHS-Empfehlung Freibord Tabelle 4. Erforderliche Freiborde im Alpenrhein für einen Abfluss von 3100 m3/s. Unter der Brücke müsste eine lichte Weite von 4.16 m vorhanden sein. Die im Zug des NEAT-Baus ursprünglich vorgesehene Höhe von 4 m hätte also nicht ausgereicht. Die neue Brücke wurde als Druckbrücke mit einer 3 m hohen Verschalung realisiert. Die rechnerische Dimensionierung erwies sich später im hydraulischen Modellversuch als korrekt. 4.

Alpenrhein, Internationale Rheinstrecke Der Alpenrhein bildet oberhalb des Bodensees die Landesgrenze zwischen St. Gallen (CH) und Vorarlberg (A) und entwässert ein 6119 km2 grosses Einzugsgebiet. In diesem Abschnitt queren mehrere Brücken den Talfluss, welcher zwischen hohen, nicht überströmsicheren Dämmen in einem Doppeltrapezprofil fliesst. Die Vorländer sind vom Mittelgerinne mit überströmbaren Wuhren abgetrennt. Das Mittelgerinne ist rund 60 m breit, der Abstand zwischen den Hauptdämmen beträgt rund 255 m. Der Alpenrhein hat ein Gefälle von 0.11%. Die Rauheit der Flusssohle wird auf 37 m1/3/s und diejenige der Ufer und des Vorlandes im Mittel auf 32.5 m1/3/s geschätzt. Der Alpenrheinabschnitt oberhalb des Bodensees ist eine Anlandungsstrecke. Weil die Wildbacheinzugsgebiete weit entfernt sind und herangeführtes Geschiebe in der Sohle gespeichert wird, sind die Sohlenveränderungen während eines Hochwasserereignisses gering. Dafür ist das Holzaufkommen bei Hochwasser gross. Der Freibordanteil fw wegen der Unschärfen bei der Bestimmung des Wasserspiegels wird für den Gesamtquerschnitt

ermittelt. Ein Fehler bei der Rauheit im Vorland wirkt sich auch auf den Wasserspiegel im Mittelgerinne aus und umgekehrt. Bei einem Abfluss 3100 m3/s (HQ100) fliessen rund 2080 m3/s im Mittelgerinne mit einer mittleren Fliesstiefe von 7.36 m und einer mittleren Geschwindigkeit von 3.67 m/s ab. Die entsprechenden Werte für das linke Vorland (CH) sind 715 m3/s, 3.73 m und 2.31 m/s und für das rechte Vorland (A) 305 m3/s, 2.92 m und 1.96 m/s. Die Werte wurden mit einer Normalabflussberechnung in einem idealisierten Querprofil bei Flusskilometer 79.4 bestimmt. Der Fehler aus der Abflussberechnung wh kann mit einer an den Teilabflüssen gewichteten mittleren Fliesstiefe abgeschätzt werden. Diese lässt sich mit

(6) berechnen. Mit Gleichung (3) resultiert für wh ein Wert von 0.43 m. Der Fehler auf den Wasserspiegel wh infolge Unsicherheiten bei der Sohlenlage wird auf 0.05 m geschätzt. Im Mittelgerinne besteht die Unsicherheit wegen möglichen Geschiebeablagerungen und im Vorland wegen Schwebstoffablagerungen. Würden die Fehler für die Teilgerinne unterschiedlich geschätzt, könnte ein gewichtetes Mittel mit dem analogen Vorgehen wie bei der Fliesstiefe bestimmt werden. Mit Gleichung (2) resultiert schliesslich für fw ein

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Wert von 0.43 m. Dieser ist für die beiden Vorländer und das Mittelgerinne gleich. Wegen der unterschiedlichen Fliessgeschwindigkeiten in den Teilquerschnitten ist das Teilfreibord fv für die Berücksichtigung von Wellenbildung und Rückstau an Hindernissen in den Vorländern und im Mittelgerinne nicht gleich. Mit Gleichung (4) resultiert für das Mittelgerinne fv = 0.69 m, für das linke Vorland fv = 0.27 m und für das rechte Vorland fv = 0.20 m. Weil Schwemmholz in allen Teilquerschnitten transportiert werden kann, wird das Teilfreibord ft überall auf 1 m festgelegt. Das erforderliche Freibord wird für alle drei Teilquerschnitte individuell bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 zusammengefasst. Für die Ufer in einem Einschnitt würde sich ein erforderliches Freibord fe von 0.4 m ergeben. Dies ist ein theoretischer Wert, weil der Alpenrhein nicht in einem Einschnitt fliesst. Im Einschnitt wäre das erforderliche Freibord für alle drei Teilabflussquerschnitte gleich, weil es nur vom Fehler am Wasserspiegel abhängt. Entlang von Dämmen ist das erforderliche Freibord in den Vorländern 0.50 m, im Hauptgerinne wären es 0.8 m, falls dieses von Dämmen eingefasst würde. Der Unterschied wird durch die höhere Fliessgeschwindigkeit im Hauptgerinne verursacht. Bei einer Brücke ist das erforderliche Freibord fe in den beiden Vorländern mit 1.10 m gleich und im Mittelgerinne mit 1.3 m rund 20 cm höher. Anschrift des Verfassers KOHS c/o Schweizerischer Wasserwirtschaftsverband

Gemeinsam halten Sie sich über Wasser. Wasser kennt keine Grenzen, insbesondere wenn es in Massen kommt. Lösungen gegen Hochwasser, die zusammen mit Ihrer Nachbargemeinde umgesetzt werden, sind oft wirksamer. Kooperationen sind auch bei der Wasserversorgung, beim Abwasser oder bei der Revitalisierung von Gewässern von Nutzen. Weshalb sie sich lohnen und wie Sie vorgehen können, der 2013, Wasserkompass 54 «Wasser Energie Luft» – 105.zeigt Jahrgang, Heft 1, CH-5401 Baden für Gemeinden. Bestellen Sie ihn unter www.wasser2013.ch

Unwetterschäden in der Schweiz im Jahre 2012 Rutschungen, Murgänge, Hochwasser und Sturzereignisse Norina Andres, Alexandre Badoux, Christoph Hegg

Zusammenfassung Im Jahr 2012 verursachten Rutschungen, Murgänge, Hochwasser und Sturzereignisse Schäden von knapp 40 Mio. CHF. Verglichen mit dem teuerungsbereinigten Mittelwert (1972–2011) von 329 Mio. CHF handelte es sich um ein schadenarmes Jahr. Hochwasser und Murgänge waren für 71% aller Schäden verantwortlich, während Sturzereignisse rund 24% der Gesamtschäden verursachten. Der hohe Anteil der durch Sturzprozesse verursachten Schäden ist auf die Ereignisse in Gurtnellen UR zurückzuführen, wo Felsmassen die Geleise der Gotthardstrecke im Verlaufe des Jahres mehrmals verschütteten. Insgesamt waren im Jahr 2012 fünf Todesfälle infolge von Sturzprozessen zu beklagen. Die zweite Jahreshälfte war geprägt durch Hochwasserereignisse. Heftige Regenfälle führten am 28. Juli zu überfluteten Kellern und Strassen in Frenkendorf, Füllinsdorf und Giebenach BL. Infolge eines starken Gewitters am 20. August wurden mehr als 100 Gebäude in Bomatt und Zollbrück BE beschädigt. Dauerregen führte am 9. und 10. Oktober zu unzähligen überschwemmten Kellern und Strassen vor allem in den Kantonen Aargau, Basel-Landschaft, Luzern, Schwyz und Zürich. Von den grossen Regensummen am 10. November war vor allem der Kanton Waadt stark betroffen.

1. Einleitung Die Forschungseinheit Gebirgshydrologie und Massenbewegungen der Eidgenössischen Forschungsanstalt WSL sammelt seit 1972 mit der Unterstützung des Bundesamtes für Umwelt systematisch Informationen über Unwetterschäden in der Schweiz. Neben dem Zweck der Dokumentation ermöglicht diese lange Zeitreihe einen Vergleich der Unwetterschäden der letzten 41 Jahre. In diesem Bericht werden die Ergebnisse der Auswertung der Ereignisse des Jahres 2012 dargelegt (Abschnitte 2 und 3). Aufgrund der geringen Schadenssumme in diesem Jahr wird der vorliegende Bericht entsprechend kurz gehalten, wobei im chronologischen Jahresrückblick (Abschnitt 3) nur die schadenreichsten Unwetterereignisse aufgeführt werden. 2.

Erfassung und Auswertung von Unwetterschadensdaten Basierend auf Meldungen aus rund 3000 Schweizer Zeitungen und Zeitschriften sowie zusätzlichen Informationen aus dem

Internet werden Schäden durch auf natürliche Weise ausgelöste Rutschungen, Murgänge, Hochwasser und (seit 2002) Sturzprozesse aufgezeichnet und analysiert. Der jährliche Bericht befasst sich mit naturbedingten Schäden als Folge von starken Gewittern, Dauerregen und Schneeschmelze. Schäden als Folge von Lawinen, Schneedruck, Erdbeben, Blitzschlag, Hagel, Sturm und Trockenheit werden in den Auswertungen nicht berücksichtigt. Einige dieser Schadensereignisse aus dem Jahr 2012 werden allerdings im letzten Abschnitt kurz angesprochen. 2.1 Schadenskosten Die jährliche Schadenssumme gibt die Grössenordnung des entstandenen Sachschadens und der Interventionskosten an. Die Schadensangaben beruhen grundsätzlich auf Informationen aus den Medien. Erfolgen dort keine monetären Angaben, werden die Schadenskosten auf Basis von Erfahrungswerten abgeschätzt. Im Falle von folgeschweren Ereignissen werden zusätzliche Informationen von

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Versicherungen, Krisenstäben und (halb-) amtlichen Stellen von Gemeinden, Kantonen und dem Bund beigezogen. In den gesamten Schadenskosten werden sowohl versicherte Sach- und Personenschäden (Gebäude- und Privatversicherungen) als auch nicht versicherte und nicht versicherbare Schäden berücksichtigt. Indirekte Schäden, spätere Sanierungsmassnahmen, Betriebsausfallskosten und ideelle Schäden (z.B. irreparable Schäden an Natur und Umwelt) werden hingegen nicht berücksichtigt. Im Jahr 2012 wurde eine Schadenssumme von knapp 40 Mio. CHF registriert. Dies ist rund ein Drittel der gesamten Schadenssumme des Jahres 2011 und ca. 80 Mal weniger als im (seit Erfassungsbeginn 1972) schadenreichsten Jahr 2005. Im Vergleich kann 2012 als schadenarmes Jahr bezeichnet werden. Das teuerungsbereinigte, langjährige Mittel (1972–2011) beträgt 329 Mio. CHF und der entsprechende Median liegt bei 88 Mio. CHF. 2.2 Ursachen der Schäden Gemäss den vorherrschenden Witterungsverhältnissen werden die Ursachen für die jeweiligen Schadensprozesse in vier verschiedene Gruppen aufgeteilt (Bild 1): Gewitter und intensive Regen: Gewitter führten zu rund 42% der Gesamtschadenskosten. Der Anteil von Gewitterschäden an der Gesamtschadenssumme war im Jahr 2012 grösser als 2011, jedoch geringer als in den Jahren zuvor. In den Monaten Juli und August waren Gewitter und intensive Regen deutlich die wichtigste Schadensursache. Dauerregen: Schäden durch lang anhaltende, ausgiebige Niederschläge machten 2012 ca. 31% der gesamten Schadenskosten aus. Vor allem im Oktober und November war Dauerregen für die erfassten Überschwemmungsschäden verantwortlich. 55

Bild 1. Anteile der verschiedenen Schadensursachen an den Gesamtkosten des Jahres 2012.

Bild 2. Anteile der verschiedenen Schadensprozesse an den Gesamtkosten des Jahres 2012 (vgl. Bild 3).

Bild 3. Ort und Ausmass der Schadensschwerpunkte 2012. Anhand der Symbole lässt sich zudem die Prozessart erkennen. (Kartengrundlage: BFS GEOSTAT/Bundesamt für Landestopographie). Schwemmholz, verursacht werden. Dazu Schneeschmelze und Regen: 2.3 Schadensprozesse zählen Hochwasser und Murgänge mit Schneeschmelze (teils kombiniert mit Nie- Die erfassten Schadensprozesse wurden ihren möglichen Auswirkungen in Form derschlägen) verursachten 2012 nur Schä- in drei Kategorien eingeteilt. Aufgrund der von Überschwemmungen, Übersarungen den von einem geringen Ausmass. grossen Vielfalt der im Naturgefahrenbe- und Übermurungen. Rund 71% der GeUnbekannte oder andere Ursa- reich möglichen Prozesse sind die Gren- samtschadenssumme des Jahres 2012 chen: Der Anteil von ca. 27% der Gesamt- zen zwischen diesen Kategorien fliessend sind auf Wasserprozesse zurückzufühschadenskosten ist relativ gross. Dies ist (Bild 2). ren. Dieser Anteil ist aufgrund der vielen vor allem auf Sturz- und Rutschprozesse Hochwasser/Murgänge: Diese aufgetretenen Sturzereignissen (s. unten) zurückzuführen, welche nicht eindeutig Gruppe umfasst Schäden, die im weites- nicht ganz so hoch wie in den vergangenen einer bestimmten Witterung zugeordnet ten Sinne durch stehendes oder fliessen- Jahren. werden konnten. des Wasser, mit oder ohne Geschiebe und Rutschungen: Diese Gruppe um56

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Tabelle 1. Ereigniskategorien und deren geschätzte Schadenskosten pro Gemeinde. fasst vorwiegend durch Lockermaterial verursachte Schäden, wobei sämtliche Arten von Rutschungsprozessen ausserhalb des unmittelbaren Gewässerbereichs dazugehören. Solche Ereignisse machten 2012 weniger als 5% der Gesamtkosten aus. Sturzprozesse: Dieser Kategorie werden Schäden zugeordnet, die durch Steinschlag, Fels- und Bergsturz entstanden sind. Der hohe Anteil an den Gesamtkosten von rund 24% im Jahr 2012 stellt den grössten Wert seit Beginn der Erfassung von Sturzprozessen (2002) dar. Der grösste Teil dieser Schäden wurde in Gurtnellen UR verursacht, wo Felsmassen die Geleise der Gotthardbahn im Verlaufe des Jahres mehrmals verschütteten. Ein Ereignis mit ähnlich hohen Schäden fand im Jahr 2006 in derselben Gemeinde statt, als mehrere Felsbrocken auf die Autobahn stürzten und dabei zwei Personen ums Leben kamen (Hilker et al., 2007). Insgesamt waren im Jahr 2012 fünf Todesfälle zu beklagen, alle infolge von Sturzereignissen. Noch nie mussten aufgrund dieser Prozessart in einem Jahr derart viele Todesfälle registriert werden. 2.4

Räumliche Verteilung und Ausmass der Schäden Bei einem Unwetterereignis, welches mehrere Gemeinden betrifft, wird grundsätzlich ein Datensatz pro Gemeinde erstellt. Für den Schadensschwerpunkt oder den Ort des am besten lokalisierbaren Schadens jeder betroffenen Gemeinde werden die Koordinaten ermittelt. In Bild 3 sind die Schadensorte, -ausmasse und -prozesse gemäss der in Tabelle 1 beschriebenen Kategorien dargestellt. Rot markiert sind die Todesfälle infolge Sturzprozessen (Dreiecke) in den Gemeinden Saint-Gingolph VS (2 Personen), Gurtnellen UR, Hundwil AR und Tschlin GR sowie die hohen Hochwasserschäden (Kreise) in Bomatt und Zollbrück BE am 20. August und am 10. November in Rolle VD, wo ein Herrenhaus am Rande des Sees mit einer wertvollen Autosammlung überschwemmt wurde. Auffällig ist eine Ansammlung von Schadensereignissen im Raum Basel und Solothurn.

Dauerregen am 7. Juni, Gewitter im Juli und langanhaltende Regenschauer im Oktober führten dort zu Überschwemmungsschäden. Auch die Ansammlung von Schäden im Raum Zürich, Luzern und Zug ist auf die Sommerniederschläge zurückzuführen. Im Vergleich zu den letzten Jahren sind in der Westschweiz, aufgrund der von Dauerregen verursachten Überschwemmungsschäden vom 10. November, mehr Schadensorte in die Datenbank aufgenommen worden. Ob ein Ereignis aufgenommen wird, hängt jeweils von dessen Präsenz in den Medienberichten ab. 2.5

Jahreszeitliche Verteilung der Schäden Auf die Sommermonate Juni bis August entfällt ein beträchtlicher Anteil (ca. 68%) der Schadenskosten. Mit einer Schadenssumme von fast 10 Mio. CHF war der Juli der schadenreichste Monat des Jahres (Bild 4). Hierfür verantwortlich waren vor allem die vielen Niederschläge zu Beginn des Monats. In den Monaten März, Juni und November sind die Schäden stark durch die Sturzereignisse in Gurtnellen UR geprägt. Wie auch schon im Jahr 2011 (Andres et al., 2012) gab es im Oktober infolge Dauerregen Hochwasserschäden. Sie waren jedoch mit knapp 3 Mio. CHF bedeutend geringer als 2011 (ca. 85 Mio. CHF), als Schneeschmelze zusätzlich eine Rolle spielte. Im November 2012 führte ein Dauerregen in der Westschweiz zu Schadenskosten von rund 4.5 Mio. CHF. 3.

Chronologischer Jahresrückblick über die Ereignisse

Witterung des Jahres 2012: Gemäss MeteoSchweiz (2012a) startete das Jahr 2012 mit viel Schnee in den Bergen und einer massiven Kältewelle im Februar. Es folgte ein warmer, sonniger und recht trockener Frühling. Der Sommerbeginn war eher nass und trüb, und erst der August lieferte den eigentlichen Hochsommer mit einer Hitzewelle. Erste Wintervorboten traten im Frühherbst auf und wurden von einem prächtigen Altweibersommer zu Be-

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Bild 4. Jahreszeitliche Verteilung der Schadensprozesse und -kosten (ca. 40 Mio. CHF) im Jahr 2012. ginn des Oktobers abgelöst. In den letzten Oktobertagen schneite es dann bis in die tiefen Lagen. Ende November kam es nochmals zu einem Wintereinbruch und in der ersten Dezemberhälfte zu landesweit ausgiebigen Schneefällen bis in die Niederungen. Die folgenden Ausschnitte zum Wettergeschehen wurden aus den monatlichen Klimabulletins von MeteoSchweiz entnommen (MeteoSchweiz, 2012b). 3.1 Januar Der Januar war in weiten Landesteilen niederschlagsreich. In Beatenberg BE riss am 2. ein Murgang im Sundgraben die Hängebrücke bei Haselegg weg und verwüstete beim Bachdelta einen Platz. Am 5. fegten heftige Windböen des Sturmtiefs «Andrea» über die Alpennordseite. Der Sturm führte zu leichten Überschwemmungen in den Kantonen Wallis und Solothurn. 3.2 Februar Neben der Kältewelle in der ersten Monatshälfte brachte der Februar extreme Trockenheit und viel Sonne. 57

3.4 April Das Wetter war vor allem gegen Westen und Süden sehr wolkenreich und in vielen Gebieten nass. In diesem Monat wurden nur geringe Schäden verursacht, vor allem durch Erdrutsche und Sturzprozesse. In Unterseen BE stürzten Erde, Holz, Geröll und Felsbrocken am 11. auf die Habkernstrasse. Auch in Plasselb FR wurde eine Strasse von mehreren Tonnen Material verschüttet. In Weggis LU ist am 18. die bergseitige Böschung auf die Strasse abgerutscht, und die RhB-Bahnstrecke zwischen Disentis und Mustér GR wurde wegen eines Erdrutsches am 29. unterbrochen.

Bild 5. Am 15. Mai ereignete sich am Valegiòn oberhalb von Preonzo TI ein grosser Felssturz (Foto: Cantone Ticino, Divisione delle costruzioni).

Bild 6. Weitere Gesteinsmassen drohten nach dem Felssturz am 15. Mai in Preonzo TI abzubrechen (Foto: Cantone Ticino, Divisione delle costruzioni). Erdrutsche in Neuhausen am Rheinfall SH, Teufen AR, Ardez und Fideris GR verschütteten Wege, Strassen oder Schienen. Ansonsten war der Februar (wie sein Vormonat) schadensarm. 3.3 März Der März 2012 war sehr mild und es wurde gesamtschweizerisch ein Wärmeüberschuss von +3.8 °C gegenüber der Normperiode der Jahre 1961–1990 gemessen. In weiten Teilen der Schweiz war der Monat niederschlagsarm. Ein Felssturz in der Nähe des Bahn58

hofs Gurtnellen UR verschüttete am 7. die Geleise, wobei der grösste Teil des Materials von den Schutzbauwerken oberhalb der Geleise aufgefangen werden konnte. An derselben Stelle ereigneten sich im Verlaufe des Jahres zwei weitere Sturzereignisse (5.6. und 14.11). In Tschlin GR wurde am 30. ein Reisecar (ohne Passagiere) und ein Personenwagen von Felsbrocken verschüttet. Der Buschauffeur überlebte das Unglück nicht. Die im betroffenen Strassenkörper durchlaufende Starkstromleitung sowie eine Fernseh- und Telefonleitung wurden beschädigt.

3.5 Mai Der Mai war 1.5 bis 2.5 °C wärmer als in der Normperiode. Die Regensummen waren örtlich stark verschieden, blieben teilweise aber massiv unter dem langjährigen Durchschnitt. In Malleray BE ereignete sich zu Beginn des Monats oberhalb eines Steinbruchs ein Erdrutsch, woraufhin mehrere Maschinen und die Strasse beschädigt wurden. Der Steinbruch musste geschlossen werden. Am 15. lösten sich mehrere hunderttausend Kubikmeter Gestein im Fels oberhalb Preonzo TI und hinterliessen eine Schneise im Wald (Bild 5 und Bild 6). Vereinzelt rollten Felsenbrocken bis zum Rückhaltedamm hinter den Industrieanlagen. In den folgenden Monaten (z.B. 9.6. und 24.9.) ereigneten sich mehrere Schlammströme und Murgänge, welche Material auf Grünanlagen, Sportplatz, Zufahrtswegen und der Kantonsstrasse ablagerten. 3.6 Juni In den meisten Gebieten war der Monat überdurchschnittlich regenreich, besonders im Osten und Südosten. Vom 3. bis 13. Juni war die Witterung im ganzen Land trüb und nass. Am 5. wurden in Gurtnellen UR die Geleise der SBB zum zweiten Mal im Jahr 2012 verschüttet (Bild 7). Dabei kam ein Bauarbeiter bei Hangsicherungsarbeiten ums Leben und zwei weitere Arbeiter wurden mittelschwer verletzt. Geleise, Trassee, Fahrleitung und Masten wurden beschädigt sowie ein Bagger und eine Baubaracke demoliert. Vor allem die Räumungs- und Wiederherstellungskosten waren hoch. Die Gotthard-Bahnstrecke blieb bis zum 2. Juli gesperrt. In den Kantonen Zug und Luzern kam es am Abend des 7. und im Verlaufe

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des 8. infolge heftiger Regenfälle zu überfluteten Räumlichkeiten und Strassen. Geringere Schäden waren vor allem in den Kantonen BE, ZH, SZ und BL zu verzeichnen. Am stärksten betroffen war Meierskappel LU, wo der Erlibach über die Ufer trat und einen Campingplatz unter Wasser setzte. Neben Zelten erlitten mehrere Wohnwagen Totalschaden. Am 9. ereignete sich im Luganese TI ein kräftiger Wolkenbruch. Strassen und Wege wurden durch Murgänge verschüttet und durch Bäche übersart. Am Abend des 12. gingen im Kanton Basel-Landschaft Gewitter nieder. Dies führte vor allem im oberen Kantonsteil zu Problemen. Am stärksten betroffen war Gelterkinden, wo die Feuerwehr innert Kürze sieben Mal ausrücken musste, um Wasser aus Kellern zu pumpen und Strassen von Schlamm zu befreien. In Wald ZH riss ein Erdrutsch am 15. Hangsicherungen mit sich und verschüttete das Bahntrassee. Dies führte zu Schäden an einem Zug, welcher nicht mehr rechtzeitig stoppen konnte und in die Ablagerung fuhr. Am 21. absolvierten die Feuerwehren infolge eines Gewittersturms rund 200 Einsätze im Kanton Zürich, 80 davon auf Zürcher Stadtgebiet. Neben überfluteten Kellern wurde auch wegen umgeknickten Bäumen und Ästen, welche die Strassen blockierten, angerufen. 3.7 Juli Der Juli war im Schweizer Mittel wärmer als im langjährigen Durchschnitt, und die Regensummen zeigten beträchtliche lokale Unterschiede. Nass war es in den nördlichen und nordwestlichen Gebieten und vom Wallis über das Nordtessin bis Nordbünden. In den frühen Stunden am 1. zogen starke Gewitter von Westen her über das Mittelland hinweg und brachten gebietsweise massive Hagelschläge. Wasserschäden wurden vor allem in den Kantonen Zürich und Bern registriert. Im Wallis fielen in der Nacht auf den 2. Juli rund 60 mm. Verschiedene Pässe (Grimsel-, Susten-, Furka- und Nufenenpass) mussten infolge Steinschlagereignissen oder Murgängen gesperrt werden. Am 3. verweilte eine Regenzelle stationär über der Stadt Zürich. Die Feuerwehren leisteten daraufhin im ganzen Kanton über 300 Einsätze, davon 140 in der Stadt Zürich. In den meisten Fällen mussten Keller und Garagen ausgepumpt werden. Der Dorfbach in Schwamendingen trat über die Ufer und floss durch das Quartier. In Dübendorf standen ebenfalls viele Keller unter Wasser und Strassen

Bild 7. Am 5. Juni wurden die Geleise der Gotthardbahn in Gurtnellen UR beschädigt und ein Arbeiter tödlich verletzt (Foto: Marc Hauser, SBB). wurden überschwemmt, unter anderem, weil im Bereich Stettbach der Sagentobelbach über die Ufer trat. Infolge starker Gewitter schwoll die Zulg im Kanton BE am Nachmittag des 4. stark an und transportierte tonnenweise Schwemmholz talwärts. Die enormen Wassermassen schossen wie eine Wasserwalze in Richtung Steffisburg, rissen Bäume mit und unterspülten das Ufer (Bild 8). Durch Verschlammungen mit Geröll und Erde ist an etlichen Orten viel Kultur- und Weideland beschädigt worden. Auch wurden Teile des Zulg-Wanderweges weggespült. Vor allem die Zubringer-Bäche der Zulg auf der linken Seite mobilisierten viel Geschiebe, uferten im Kegelbereich aus und verursachten Übersarungen. In der Gemeinde HorrenbachBuchen beschädigten Hangmuren Weideland. Auch in der Region Emmental BE kam es infolge der heftigen Regenfälle zu mehreren Meldungen. In Schangnau trat ein Bach über die Ufer und verschüttete Stall und Wohnhaus eines Bauernhofs mit Geschiebe. Zudem wurde ein Silo mitgerissen und ein Auto darunter zerquetscht. Im Rheintal SG führte ein heftiges Gewitter am selben Abend zu über 80 Einsätzen der Feuerwehren. Vor allem in St. Margrethen und Montlingen-Oberriet musste Wasser aus Kellern, Garagen und Untergeschossen gepumpt werden. Am 5. führten heftige Regenfälle im Appenzeller Mittelland zu Schäden an Gebäuden und Fahrzeugen. Am ärgsten betroffen waren die Gemeinden Trogen, Bühler und Gais AR. Im Oberbaselbiet nahm die Polizei vom 5. bis am Mittag des 6. rund 60 Meldungen aufgrund heftiger Re-

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genfälle entgegen, hauptsächlich wegen überschwemmter Räume. Z.B. in Arisdorf wurden die Hilfskräfte im Quartier Känelmatt zu elf Häusern gerufen. In Giebenach traten der Zettel- und Violenbach über die Ufer und verursachten Wasserschäden. Auch in Lausen und Seltisberg wurden Keller überflutet, Wege überschwemmt sowie Park- und Spielplätze mit Schlamm bedeckt. Im Kanton Aargau mussten die Feuerwehren in Möhlin und Rheinfelden mehrmals ausrücken. Ein heftiges Gewitter mit Hagel und hohen Windgeschwindigkeiten zog am 10. am Nachmittag über Frauenfeld TG und überflutete Strassenunterführungen, Garagen und Keller. Zu Beginn desselben Abends brach ein Gewitter in Bereichen des Kantons Jura los, woraufhin in Pleigne ein Erdrutsch eine Strasse verschüttete und in Bourrignon ein Geflügelhof überflutet wurde. Am 25. regnete es im Churfirstengebiet SG heftig, worauf die Wildhauser Thur bei Unterwasser über die Ufer trat. In den Gemeinden Wildhaus und Alt St. Johann waren Überflutungen zu verzeichnen und es kam zu Erdrutschen. Ein heftiges Sommergewitter führte schliesslich am Abend des 28. zu einem Grosseinsatz der Feuerwehren in Frenkendorf, Füllinsdorf und Giebenach BL. Der Zettelbach trat über die Ufer, woraufhin die Wassermassen ins Dorf flossen und Keller überfluteten. In Basel BS waren einzelne Geschäfte und Keller nass geworden, und im Schwarzbubenland mussten insbesondere in den Gemeinden Büren und Nuglar–St. Pantaleon SO Wasser abgepumpt werden. In Möhlin AG standen 59

fasste in der Nacht des 23. zwei Autos und verschüttete die Malojastrasse. Am selben Tag starb ein Wanderer beim Aufstieg auf den Säntis AR. Er wurde von einem Steinschlag überrascht und am Kopf getroffen. Einen Tag später führte abends ein Sturmgewitter in Ascona TI zu mehreren überfluteten Garagen und Kellern. Starke Regenfälle in der Nacht auf den 31. verursachten vor allem im Bezirk Uster ZH zahlreiche überflutete Keller und kleinere Überschwemmungen. In Schwerzenbach trat Wasser in eine Elektrostation ein, woraufhin es zu einem Stromausfall kam.

Bild 8. Am 4. Juli staute sich Wasser der Zulg hinter einem Schwemmholzteppich und drückte diesen flussabwärts in Richtung Steffisburg BE (Foto: Gemeinde Steffisburg).

Bild 9. Ein heftiges Gewitter führte in Zollbrück BE am 20. August zu Schäden (Foto: Flo Wüthrich, neo1). Keller, Wohnungen und Scheunen sowie Teilabschnitte des SBB-Trassees unter Wasser. 3.8 August Der August gehörte im Schweizer Mittel zu den fünf wärmsten seit Beginn der Datenreihe im Jahr 1864. Es fielen verbreitet grosse Regensummen, wegen der lokalen Gewittertätigkeit variierten sie jedoch örtlich beträchtlich. Ein heftiges Gewitter mit Hagel am Abend des 20. führte in Zollbrück und Bomatt BE zu Überschwemmungen, wobei mehr als 100 Gebäude in Mitleidenschaft 60

gezogen wurden (Bild 9). Zum einen verursachte Oberflächenwasser grosse Schäden und zum andern verliess der Frittenbach sein Bett und floss die Hauptstrasse herunter, wobei er alle angrenzenden Keller unter Wasser setzte. Auch die Region Winterthur ZH war von lokalen Gewitterzellen betroffen. Das Wasser drang infolge eines Rückstaus über die Kanalisation in die Untergeschosse vieler Geschäfte in der Altstadt im Bereich Untertor. Der Dimmerbach in Willerzell SZ trat gleichentags über die Ufer, woraufhin Wasser und Schlamm in die Häuser und Garagen eindrang. Ein Murgang in Vicosoprano GR er-

3.9 September Im September fielen regional sehr unterschiedliche Regensummen. Die Sonnenscheindauer erreichte in den meisten Gebieten etwas unterdurchschnittliche Werte. Mehrere hundert Kubikmeter Stein verschütteten am Abend des 2. die Valserstrasse bei Sevgein GR. Am 5. wurden auf einem Wanderweg zwischen dem Col de la Croix und dem Pas de Lovenex VS zwei Personen bei einem Steinschlagereignis getötet. Anfangs September musste die Schlimbachbrücke in Sarnen OW gesperrt werden. Eine bereits im Jahr 2010 festgestellte Rutschung in diesem Gebiet führte dazu, dass sich die Brückenpfeiler deformierten. Ein Felssturz verschüttete am 11. oberhalb Zernez GR die Ofenbergstrasse. In der Nacht auf den 27. verursachte ein Unwetter Schäden im ganzen Kanton Tessin, wobei Bäche über die Ufer traten und eine Erdrutschablagerung die Zugstrecke durch das Centovalli versperrte. 3.10 Oktober Der Oktober zeigte sich vor allem auf der Alpennordseite sehr nass. Vom 7. bis 10. wurde die Schweiz von zwei Niederschlagszonen überquert, wobei vor allem am 9. auf der Alpennordseite, im Wallis sowie in Nord- und Mittelbünden Dauerregen fiel. Am 10. hielten die Niederschläge entlang des zentralen und östlichen Alpennordhangs an. Die höchsten Schäden als Folge dieses Dauerregens waren im südlichen und westlichen Teil des Kantons Aargau zu verzeichnen. In Muri und Geltwil führten die grossen Wassermassen zu überschwemmten Strassen, Feldern und Gründstücken, wobei Wasser aus vielen Liegenschaften abgepumpt werden musste. In Uerkheim trat die Uerke über das Ufer und floss daraufhin durchs Dorf, in

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mehrere Keller und über die Felder. Gegen Abend kam es in den Schwyzer Bezirken Einsiedeln, March und Höfe zu Feuerwehreinsätzen wegen überfluteter Strassen und Wassereinbrüchen in Häusern. Im Kanton Luzern musste die Feuerwehr vor allem in Aesch und Mosen wegen über die Ufer getretener Bäche ausrücken. Ähnlich sah es im Kanton Basel-Landschaft aus. Dort waren das Oberbaselbiet, das Leimen- sowie das Laufental am stärksten betroffen. Im Kanton Zürich mussten die Feuerwehren vor allem im Knonauer Amt sowie am rechten und linken Ufer des Zürichsees wegen vollgelaufener Keller und Gebäude, über die Ufer getretener Bäche oder überfluteter Strassen ausrücken. Auch bei den Feuerwehren in Baar und Neuheim ZG gingen viele Meldungen ein. Am 17. verschüttete ein Erdrutsch die Passstrasse über den Grossen Sankt Bernhard VS, woraufhin einige mittransportierte Blöcke gesprengt werden mussten.

strecke und die Stützmauer beschädigt sowie die Oberleitung heruntergerissen. Ein Steinschlagnetz, welches nach dem Ereignis am 5. Juni errichtet worden war, musste teilweise ersetzt werden. Die drei Sturzereignisse auf die SBB-Strecke im Verlaufe des Jahres führten insgesamt zu Schäden von ca. 8.5 Mio. CHF. 3.12 Dezember In der ersten Dezemberhälfte herrschten winterliche Verhältnisse, die zweite Monatshälfte zeigte sich hingegen sehr mild und war vielerorts niederschlagsreich. Starke Regenfälle und die einsetzende Schneeschmelze führten am 23. in Dallenwil NW zu einem Erdrutsch an der Aussenseite einer Strasse. Die Strasse wurde gesperrt, weil die eine Fahrbahnseite abzubrechen drohte. Im Kanton Aargau traten vielerorts Flüsse oder Bäche über die Ufer, so z.B. der Stadtbach zwischen Lenzburg und Ammerswil.

Danksagung Wir danken dem Bundesamt für Umwelt BAFU für die langjährige und massgebliche Unterstützung bei der Erfassung der Unwetterschäden und Nadine Hilker für die fachliche Beratung. Literatur Andres, N., Badoux, A., Hilker, N., Hegg, C. (2012): Unwetterschäden in der Schweiz im

4. 3.11 November Der November war 1.5 bis 2.5 °C wärmer als im langjährigen Mittel. Entlang dem Jura, im Mittelland westlich vom Napf und auf der Alpensüdseite fielen örtlich mehr als das Doppelte der normalen Novemberniederschläge. Die SBB-Strecke zwischen Ecublens-Rue FR und Bressonnaz VD wurde im November mehrmals von Erdmassen verschüttet. Ein Sturzereignis am 6. führte zu einer Sperrung der Julierstrasse zwischen Rona und Mulegns GR. Ein einzelner Felsblock durchbrach den Schutzwall und stürzte auf die Strasse, wobei auch die Hochspannungsleitung beschädigt wurde. Am 10. erhielt die West- und Nordwestschweiz grosse Regensummen. Stark betroffen war der Kanton Waadt in den Bezirken Morges, Nyon, Ouest lausannois, Gros-de-Vaud und Jura-Nord vaudois. In Nyon traten drei Flüsse über die Ufer und in Rolle wurde ein Herrenhaus am Rande des Sees überschwemmt, wobei eine Autosammlung von grossem Wert beschädigt wurde. In Morges leistete die Feuerwehr 50 Einsätze, unter anderem weil der Bach La Morges über die Ufer trat. In Yverdonles-Bains musste die Feuerwehr an vielen Orten Wasser auspumpen. Im Kanton Fribourg waren vor allem die Bezirke Broye, Sarine und Lac betroffen, wo etwa 30 überschwemmte Keller gemeldet wurden. Am 14. ereignete sich in Gurtnellen UR das dritte Sturzereignis im Jahr 2012. Dabei wurden die Geleise der Gotthard-

wurde am 10. Juli während eines heftigen Sturms mit Böen von über 90 km/h ein Zelt aus der Verankerung gerissen. Dabei wurden zwei Personen schwer verletzt und eine Person erlag in der Folge ihren Verletzungen. Todesfälle infolge Risikosportarten werden in der Datenbank nicht berücksichtigt (Schmid et al., 2004), so z.B. das Canyoning-Unglück vom 7. Oktober, als zwei Gruppen im Fallenbach bei Amden SG von steigendem Wasser überrascht wurden. Ein Guide und eine Touristin konnten nur noch tot geborgen werden.

Schäden durch weitere Naturgefahrenprozesse Dieser Artikel fokussiert auf Schäden, welche durch Hochwasser, Murgänge, Rutschungen und Sturzprozesse verursacht werden. Andere Naturgefahrenprozesse wie z.B. Hagel und Sturm führten 2012 (wie schon 2011) zu erheblichen Schäden, welche die in diesem Beitrag zusammengestellten Schadenskosten deutlich übertreffen. Finanziell am schwerwiegendsten waren die Hagelstürme zu Beginn des Monats Juli. Es wurden Gebäudeschäden von ca. 50 Mio. CHF (gemäss Vereinigung Kantonaler Feuerversicherungen VKF), Schäden an versicherten landwirtschaftlichen Kulturen von ca. 7 Mio. CHF (gemäss Schweizer Hagel) und Schäden an Fahrzeugen von ca. 115 Mio. CHF (gemäss verschiedener privater Versicherungen) verzeichnet. Mit Gebäudeschäden von über 30 Mio. CHF war der Kanton Zürich besonders stark betroffen (gemäss persönlicher Mitteilung, Gebäudeversicherung Kanton Zürich GVZ). Im Jahr 2012 führten heftige Stürme zu weiteren Schäden. Ohne Anspruch auf Vollständigkeit werden nachfolgend drei Ereignisse erwähnt. Sturmartige Föhnböen am Wochenende des 28. und 29. April rissen Bäume um, zerstörten Hausdächer und führten zu Stromausfällen und Schäden in Millionenhöhe. Am 21. Juni zogen heftige Gewitter über die Schweiz und verursachten an mehreren Orten Sachschäden. Auf dem Zürichberg wurde ein Rekordwert einer Sturmböe von 131.8 km/h gemessen. In Frauenfeld TG

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Jahre 2011: Rutschungen, Murgänge, Hochwasser und Sturzereignisse. «Wasser Energie Luft», 104. Jg., Heft 1: 41–49. Hilker, N., Badoux, A., Hegg, C. (2007): Unwetterschäden in der Schweiz im Jahre 2006. «Wasser Energie Luft», 99. Jg., Heft 2: 137–145. MeteoSchweiz (2012a): Klimabulletin Jahr 2012, Zürich. MeteoSchweiz (2012b): Das monatliche Klimabulletin der MeteoSchweiz (Monate Januar bis Dezember), Zürich. Schmid, F., Fraefel, M., Hegg, C. (2004): Unwetterschäden in der Schweiz 1972–2002: Verteilung, Ursachen, Entwicklung. «Wasser Energie Luft», 96. Jg., Heft 1/2: 21–28. Adresse der Verfasser: Norina Andres, Dr. Alexandre Badoux, Dr. Christoph Hegg Eidg. Forschungsanstalt WSL Zürcherstrasse 111, CH-8903 Birmensdorf norina.andres@wsl.ch

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Nachrichten Informationen aus der Wasser- und Energiewirtschaft

P o litik lit ik Vernehmlassung zum ersten Massnahmenpaket der Energiestrategie 2050 Die Vernehmlassung zum ersten Massnahmenpaket der Energiestrategie 2050 ist beendet. Alle Stellungnahmen sind auf der Internetseite www.energiestrategie2050.ch publiziert. Diese werden nun vom BFE ausgewertet und die Vorlage entsprechend bereinigt. Der Bundesrat wird die Botschaft ans Parlament voraussichtlich im September verabschieden. (BFE) Stellungnahme SWV Der SWV hat die Vorlage des Bundesrates zur «Energiestrategie 2050» im Detail und mit Fokus Wasserwirtschaft analysiert. Die angestrebte Stärkung der Wasserkraft wird grundsätzlich begrüsst. Die dazu vorgesehenen Massnahmen reichen allerdings bei weitem nicht aus. Strom ist das Schlüsselelement im Umbau Richtung nachhaltiger Energiesysteme. Angesichts des steigenden Bedarfs und wegfallender Produktion ist die Frage nicht, ob Effizienzsteigerungen notwendig sind oder ob die Neuen Erneuerbaren oder die Wasserkraft ausgebaut werden sollen. Soll auf die Kernenergie verzichtet werden, braucht es sowohl enorme Einsparungen beim Verbrauch wie auch den Ausbau und das Zusammenspiel aller erneuerbaren Produktionskapazitäten. Vor diesem Hintergrund ist die angestrebte Stärkung der einheimischen und erneuerbaren Wasserkraft zu begrüssen. Die mit der Vorlage definierten Massnahmen reichen allerdings nicht aus, um die von der Politik gewünschte Steigerung der Produktion aus Wasserkraft auf 38 600 GWh/a zu bewerkstelligen. Zudem wird der Sicherstellung der dringend benötigten Regel- und Ausgleichskapazitäten mittels Speichern viel zu wenig Beachtung geschenkt. Soll die Wasserkraft als Rückgrat der

Versorgungssicherheit gestärkt werden, braucht es weitergehende Massnahmen mit folgenden Schwerpunkten: • Moderate Restwasserregelungen bei bestehenden Anlagen zur Vermeidung unnötiger Produktionsverluste, die anderswo kaum umweltfreundlicher wieder beschafft werden müssen • Verbesserung der wirtschaftlichen Anreize für Erweiterungen und Optimierungen bestehender grosser Anlagen >10 MW, die heute 90% der Wasserkraftproduktion liefern. • Wirtschaftliche Anreize für Investitionen in kurzfristige und saisonale Speicherleistungen zur Sicherstellung der dringend benötigten Regelund Ausgleichskapazitäten. • Stärkung der Konkurrenzfähigkeit der Wasserkraft statt Schwächung in einem zunehmend subventionierten Umfeld. Ohne breit getragene neue Kompromisse zwischen Schutz und Nutzung sowie die Verbesserung der wirtschaftlichen Rahmenbedingungen bleibt das Erreichen des Ausbauzieles im Bereich der Wasserkraft Wunschdenken. Aufgrund der absehbaren Produktionsverluste aus der Umsetzung der Restwasserbestimmungen ist dann eher mit einem Rückgang der Produktion zu rechnen.

Die detaillierte Stellungnahme mit den Grundsätzen und 21 konkreten Anträgen steht auf der Webseite www.swv.ch zum Download zur Verfügung. (PFA)

Revidiertes CO2-Gesetz und -Verordnung in Kraft gesetzt Der Bundesrat hat die neue CO2-Verordnung gutgeheissen. Sie ist zusammen mit dem revidierten CO2-Gesetz am 1. Januar 2013 in Kraft getreten. Damit stehen die rechtlichen Rahmenbedingungen für die Klimapolitik der Schweiz für den Zeitraum 2013 bis 2020 fest. Die CO2-Verordnung konkretisiert für die Zeit nach 2012 die Bestimmungen des

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CO2-Gesetzes, das vom Parlament in der Wintersession 2011 verabschiedet wurde. Demgemäss muss der inländische Ausstoss an Treibhausgasen bis 2020 gegenüber 1990 um 20 Prozent sinken. Die Instrumente werden in der CO2-Verordnung so ausgestaltet, dass das gesetzlich festgeschriebene Reduktionsziel eingehalten werden kann. Abrechnung der ersten Kyoto-Periode erst im Jahr 2014 Die Schweiz wird ihre Verpflichtung im Zeitraum 2008 bis 2012 mit dem Zukauf ausländischer Emissionsminderungszertifikate und der Anrechnung der Senkenleistung des Schweizer Waldes voraus-sichtlich knapp einhalten können. Die definitive Abrechnung über die Erreichung der KyotoZiele wird erst 2014 vorliegen, wenn die Emissionsdaten bis Ende 2012 bekannt sind. (Der Bundesrat, UVEK/BAFU)

Kanton Bern will gesetzliche Regelung für konkurrierende Konzessionsgesuche Wie soll sich der Kanton Bern verhalten, wenn zwei oder mehrere sich ausschliessende Konzessionsgesuche zur Nutzung der Wasserkraft eingereicht werden? Eine entsprechende gesetzliche Regelung hat der Regierungsrat des Kantons Bern im 1. Quartal 2013 in die Vernehmlassung geschickt. Mit der Neuausrichtung der Energiepolitik hat die Wasserkraft als wichtigste einheimische und erneuerbare Energiequelle an Bedeutung gewonnen. Dies hat dazu geführt, dass neu auch Konzessionsgesuche für Wasserkraftwerke eingereicht werden, die sich gegenseitig konkurrenzieren. Für solche Konkurrenzsituationen fehlt dem 63

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Kanton derzeit eine gesetzliche Regelung. Sie soll mit einer Änderung des kantonalen Wassernutzungsgesetzes geschaffen werden. Die Revision sieht vor, dass Konkurrenzgesuche nur innerhalb von drei Monaten seit Eingang des ersten Gesuchs eingereicht werden können. Damit potenzielle Konkurrenten Kenntnis davon erhalten, dass ein Gesuch bei der Verwaltung eingegangen ist, wird der Gesuchseingang in Zukunft veröffentlicht. Sofern danach innerhalb von drei Monaten konkurrierende Gesuche eingehen, entscheidet zunächst die Bau-, Verkehrs- und Energiedirektion, welchem der Gesuche der Vorzug gebührt. Der Vorzug gebührt gemäss der Vorgabe des Bundesrechts demjenigen Gesuch, das dem öffentlichen Wohl in grösserem Masse dient. Wenn die konkurrienden Gesuche in diesem Punkt gleichwertig sind, wird dasjenige vorgezogen, das am besten für die wirtschaftliche Ausnutzung des Gewässers sorgt. Ob dem Siegerprojekt die Konzession erteilt wird, entscheidet anschliessend wie bisher die ordentliche Konzessionsbehörde: Je nach Grösse des Projekts ist es das zuständige kantonale Amt, die Direktion, der Regierungsrat oder der Grosse Rat. Der Regierungsrat des Kantons Bern hat die Bau-, Verkehrs- und Energiedirektion ermächtigt, die entsprechende Änderung des Wassernutzungsgesetzes in die Vernehmlassung zu schicken. Das Vernehmlassungsverfahren dauerte bis zum 15. März 2013. (Kanton Bern, BVE)

Was s e r kr af tnut zung Baubeschluss zur Aufwertung der Kraftwerke Innertkirchen und Handeck Die KWO, Kraftwerke Oberhasli AG, hat den Baubeschluss für die Aufwertung der Kraftwerke Innertkirchen 1 und Handeck 2 gefasst. Das Investitionsvolumen beträgt gesamthaft 305 Millionen Franken. Erste Teile befinden sich bereits im Bau; der soeben gefasste Baubeschluss betrifft vor allem die zusätzlichen Kraftwerkszentralen. Die kantonale Konzession liegt bereits vor; die Baubewilligung wird demnächst erteilt werden. Gegen das Projekt sind keine Einsprachen eingegangen. Zwei neue leistungsfähige Maschinen Die Kraftwerkskette Räterichsbodensee– Handeck 2–Innertkirchen 1 wird durch einen parallel laufenden Kraftwerksstrang ergänzt. Dieser besteht aus Druckstollen 64

Bild. Tunnelbohrmaschine (KWO). und -schächten sowie aus zwei neuen Kraftwerkszentralen, die direkt neben den bestehenden liegen und hydraulisch mit ihnen verbunden sind. Die parallelen Stollen und Schächte verringern die Reibungsverluste, sodass zusätzlich 70 Gigawattstunden (GWh) Energie gewonnen werden. Die neuen Kraftwerke mit je einer grossen Maschine steigern die Leistung um total 280 Megawatt (MW). Die Gesamtleistung der KWO-Anlagen steigt damit von 1125 MW auf 1405 MW. Neben diesem Vorhaben werden auch die rund 70-jährigen Kraftwerke Handeck 2 und Innertkirchen 1 umfassend saniert. Dafür werden zusätzlich rund 120 Millionen Franken investiert. Diese Sanierungen sind bereits zu etwa 80 % abgeschlossen. Sie bringen einen Energiegewinn von etwa 50 GWh sowie eine Leistungssteigerung von 40 MW. Mit dem gefassten Baubeschluss beginnen nun die Arbeiten an den eigentlichen Kraftwerksanlagen. Diese beinhalten den Ausbruch der neuen Kavernen, den Einbau der Maschinen, den Bau des Unterwasserstollens in Innertkirchen sowie des neuen Beruhigungsbeckens für die sanfte Wasserrückgabe in die Aare. Die Bauarbeiten werden bis 2015 dauern. Bedeutende Umweltmassnahmen Die mit der Aufwertung einhergehenden Umweltmassnahmen sind Teil eines Gesamtkonzepts für sämtliche in Bearbeitung befindlichen Investitionsvorhaben. Erarbeitet wurden die Umweltmassnahmen unter Beizug einer Begleitgruppe unter Leitung des Kantons Bern. In der Begleitgruppe waren Umweltorganisationen sowie die verantwortlichen kantonalen Fachstellen vertreten. Das Gesamt-

paket umfasst rund 50 Massnahmen in den Gewässern und der Landschaft rund um Grimsel und Susten sowie entlang der Aare bis zum Brienzersee. Die wichtigste Umweltmassnahme zum soeben beschlossenen Vorhaben ist das Beruhigungsbecken für die Wasserrückgabe in Innertkirchen. Dieses Becken verringert die Pegelschwankungen in der Aare, und es leitet das Wasser auf sanfte Weise seitlich in das Gewässer ein. Verbunden mit zusätzlichen Dotierungen zur Steigerung der Wassermenge in den genutzten Gewässern werden damit die Durchgängigkeit und der Lebensraum für die Fische wesentlich verbessert. Zusammenfassung Nutzen/Eckdaten: • Energiegewinn durch Verminderung der Reibungsverluste im bestehenden Triebwassersystem: 70 GWh pro Jahr • Erhöhung der Leistung: 280 MW (240 MW mit zwei neuen Maschinen, 40 MW in bestehenden Maschinen) • Reduktion der Pegelschwankungen bei der Wasserrückgabe in Innertkirchen • Gesamtinvestition 305 Mio. Franken (alle Projektteile inkl. der bereits ausgeführten Projekte) • Bauzeit rund fünf Jahre (KWO)

Fischzählung beim Kraftwerk Rheinfelden: Erfolgreiche Zwischenbilanz Fast 40 000 Fische am Kraftwerk Rheinfelden – 33 verschiedene Arten im Umgehungsgewässer registriert: eine beeindruckende Bilanz. Seit April zählen die örtlichen Fischervereine im Auftrag von Energiedienst die Fische in Rheinfelden am

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naturnahen Fischaufstiegs- und Laichgewässer sowie am Fischpass auf Schweizer Seite. Die nun von Fischbiologen ausgewerteten Ergebnisse zeigen, dass beide Fischaufstiegsanlagen sehr gut funktionieren: Insgesamt 39 358 Fische wurden zwischen April und Oktober gezählt. «Damit und besonders mit dem grossen Artenspektrum sind wir mehr als zufrieden», kommentiert Jochen Ulrich, Leiter Ökologie und Werkdienst bei Energiedienst, die Massnahme. Eine ähnliche Zählung hatte zuletzt 2005/06 an allen Fischpässen am Hochrhein stattgefunden. Regelmässige Monitorings in Zusammenarbeit mit Fischereiverbänden und Fischbiologen zeigen, ob die Aufwertungsmassnahmen beim neuen Kraftwerk Rheinfelden erfolgreich sind oder nachgearbeitet werden muss. Aufschluss über die Funktion der Fischtreppen geben Fischzählungen, bei denen alle rheinaufwärts wandernde Fische in einem Zählbecken erfasst werden. Der Fischereiverein Bezirk Rheinfelden (Schweiz) und der Fischerverein Karsau führen im Auftrag von Energiedienst die Massnahme durch. Rolf Bürgi von den Rheinfelder Fischern erklärt: «Die Zählung findet während eines ganzen Jahres statt. Die eigens dafür eingebauten Zählbecken werden täglich von Mitgliedern des Fischereivereins kontrolliert und die Fische nach Art, Anzahl, Grösse und Besonderheiten bestimmt.» Viele Fische – viele Arten Am Umgehungsgewässer wurden insgesamt 34 515 Fische und 33 verschiedene Arten, am Vertical-Slot-Fischpass 4843 Fische und 22 unterschiedliche Arten gezählt. Sehr gute Erfolge zeigten sich unter anderem bei gefährdeten und stark gefährdeten Arten im Rhein, wie zum Beispiel der Nase und der Äsche. Am Umgehungsgewässer wurden 407 Nasen und 20 Äschen registriert. Zum Vergleich: Bei der vom Schweizer Bundesamt für Umwelt koordinierten Fischzählung am Hochrhein 2005/06 wurden an allen 15 Fischaufstiegshilfen am Hochrhein insgesamt nur 157 Nasen und 7 Äschen gezählt. Dies ist aus Sicht von Energiedienst ein besonderer Erfolg, da speziell für diese beiden Arten Laichplätze im Umgehungsgewässer geschaffen wurden. Beide Arten wurden auch im Fischpass auf Schweizer Seite gezählt. Neben Äschen und Nasen sind auch Bitterlinge, Felchen, Stichlinge und Schneider als Besonderheiten anzusehen. Die beiden erstmals seit den 50er-Jahren registrierten Lachse waren im Rahmen

Bild 1. Zählbecken im Umgehungsgewässer KW Reinfelden (Foto: SWV/Pfa).

Bild 2. Umgehungsgewässer KW Reinfelden (Foto: SWV/Pfa). der Fischzählung ein besonderer Höhepunkt. Den eigentlichen Erfolg des Umgehungsgewässers sieht Michael Strittmatter von den Karsauer Fischern aber an anderer Stelle: «Wir haben sehr viele, auch schwimmschwache Kleinfischarten wie Stichling, Schneider und sogar Groppen im Zählbecken vorgefunden. Das zeigt, dass der Aufstieg für alle Fischarten möglich ist. Neben dem Lachs haben wir als grosse Besonderheit auch erstmals Felchen in dieser Rheinregion registriert.» Eine detaillierte Auswertung der Ergebnisse erfolgt nach Beendigung der Zählung im März 2013. Neben der reinen Zählung führen Fischbiologen dann im Verlauf des Jahres 2013 auch eine Untersuchung durch, wie gut die neu geschaffenen Lebensräume und Laichplätze von den Fischen angenommen werden.

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Naturgemässe Lebensbedingungen Das Kraftwerk Rheinfelden wurde während der Planung und des Baus auf seine Umweltverträglichkeit geprüft und unterliegt weitere 12 Jahre einer Überprüfung zur Wirksamkeit der Umweltmassnahmen. Insgesamt investierte Energiedienst 12 Millionen Euro in 65 ökologische Einzelprojekte. Kern der Aufwertungsmassnahmen ist das naturnahe Fischaufstiegs- und Laichgewässer, das unzähligen Tier- und Pflanzenarten als neuer Lebensraum dienen wird. Mit einer Länge von rund 900 Metern und einer Breite von etwa 60 Metern ist das Fliessgewässer einzigartig in dieser Grössenordnung. «Dank einer Leitströmung finden die Fische den Einstieg in die Mündungsrampe und können die Staustufe mit einer Höhendifferenz von neun Metern überwinden», erklärt Jochen 65

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Ulrich. Ausserdem wurden gezielt Bereiche gestaltet, die Fischen als Laich- und Ruhezonen dienen. Fischarten wie Nasen, Barben, Forellen und Äschen profitieren ebenso wie Krebse und andere wassergebundene Tiere von diesem strukturreichen Lebensraum mit Stromschnellen, Rinnen und Kiesinseln. Um den Lebensraum «Rhein» zu vernetzen, wurde 2005 auf der deutschen Uferseite ein Raugerinne-Beckenpass fertig gestellt. Ein weiterer Fischpass (VerticalSlot) ist seit 2010 auf der Schweizer Seite des Rheins in Betrieb. Alle Anlagen sind nach neuesten fischbiologischen Erkenntnissen gestaltet. Für die Fischzählung wurden eigens Zählbecken eingebaut, die Fischverletzungen bei der Zählung wirkungsvoll verhindern. Die Fischzählung ist für ein Jahr angesetzt und wird bis April 2013 fortgeführt. (Energiedienst/PFA)

Forschungsprojekt Fischabstieg: Zwischenberichte publiziert, Hydraulische Modellversuche an der ETHZ praktisch abgeschlossen. Pfa. Das vom Verband Aare-Rheinwerke (VAR) initiierte und von den Forschungsinstituten VAW und eawag der ETHZ durchgeführte Forschungsprojekt soll Erkenntnisse zu möglichen Lösungen für den schonenden Fischabstieg bei Wasserkraftwerken an mittelgrossen europäischen Flüssen bringen. Die Literaturstudien sowie die hydraulischen Versuche am Grossmodell und an den Detailmodellen sind praktisch abgeschlossen. Als nächstes folgen ethohydraulische Modellversuche mit Fischen. Der Verband Aare-Rheinwerke (VAR) hat Ende 2010 die Versuchsanstalt für Wasserbau der ETHZ (VAW) und das Wasserforschungsinstitut des ETH-Bereichs (eawag) mit einem Forschungsprojekt zum Fischabstieg beauftragt. Das zusätzlich zum VAR und seiner Kraftwerke auch von Swisselectric Research und dem Bundesamt für Energie mitfinanzierte Projekt bezweckt die Entwicklung von «Massnahmen zur Gewährleistung eines schonenden Fischabstiegs an grösseren mitteleuropäischen Flusskraftwerken». Die Partner des Projektes erwarten vom Projekt Hinweise auf innovative bauliche Massnahmen zur Verbesserung der Bedingungen für die Fischabwärtswanderung. Das Projekt leistet damit einen Beitrag zur nachhaltigen Nutzung der Wasserkraft in der Schweiz und ist auch als Grundlage für die Umsetzung des revidierten Gewässerschutzgesetzes zu sehen (vgl. dazu den Beitrag in 66

Bild 1. Illustration der denkbaren Fischabstiege bei Flusskraftwerken (VAW).

Bild 2. Das Grossmodell 1:35 zur Untersuchung des Anströmverhaltens bei Leitvorrichtung und Turbinen (VAW). den Nachrichten Heft 1/2012, Seite 83ff.). Zwischenberichte zu Literaturstudium und Studienreise USA Die ersten beiden Zwischenberichte des Forschungsprojektes sind inzwischen publiziert. Es handelt sich dabei um die Resultate aus den Literaturstudien zu fischbiologischen Grundlagen mit Schwerpunkt Aare-Hochrhein sowie zu den technischen Möglichkeiten für Fischschutz- und Fischabstieg. Dabei sind auch die anlässlich einer Studienreise am Connecticut-River in den USA gewonnenen Erkenntnisse aus bisherigen Erfahrungen mit Fischabstiegseinrichtungen, insbesondere mechanische Verhaltensbarrieren in Kombination mit Bypass-Systemen an den dortigen grossen Wasserkraftanlagen eingeflossen. Eine sehr wesentliche Erkenntnis bestand darin, dass die Lösungen in den USA nicht einfach auf die hiesigen Verhältnisse übertragen werden können. Die beiden

Zwischenberichte können über die Webseite des VAR bezogen werden (vgl. dazu den Hinweis in der Rubrik «Publikationen» in diesem Heft). Bestehende und denkbare Fischabstiege bei einem Kraftwerk Grundsätzlich bestehen für einen Fisch verschiedene Wege, um vom Ober- ins Unterwasser eines Kraftwerkes zu gelangen: a) Durchschwimmen der Turbine, was je nach Fischart, Fischgrösse, Turbinenart, Grösse der Laufräder sowie Drehgeschwindigkeit zu Fischverletzungen führen kann; b) Mitschwimmen über das Wehr bei Wehrüberfall; c) Abstieg über bestehende Fischaufstiegshilfen, Umgehungsgewässer oder Bypässe. Da sich Fische primär an der Hauptströmung orientieren, besteht eine der grossen Herausforderungen darin, die Fische vor dem Eintritt in die Turbinen zu schützen und an die richtigen Stellen für den schonenden

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Bild 3. Hydraulische Detailmodelle zur Untersuchung der Höhenverluste und Strömungsverhältnisse an Leiteinrichtungen (VAW, SWV/Pfa).

Bild 4. Die Leiteinrichtung im Detailmodell 1:1 im Querschnitt (VAW).

Abstieg zu führen. Denkbar sind zum Beispiel mechanische oder sensorische Verhaltensbarrieren. Einfluss von Leiteinrichtungen auf Strömungsverhältnisse Im Rahmen des Projektes wird unter anderem die Wirkung von mechanischen Verhaltensbarrieren (im Englischen spricht man von sogenannten «Louver» oder «Bar Racks») detailliert untersucht. Diese Barrieren sind den Rechen ähnlich, wirken aber durch die Veränderung der Strömung und nicht durch das physische Abhalten. Bei den Untersuchungen geht es neben biologischen und bautechnischen Fragen namentlich um die strömungstechnischen Verhältnisse in der Nähe des Kraftwerkes und im Einlauf zu den Turbinen. Über den Einfluss von Leiteinrichtungen auf die Strömungsverhältnisse ist noch sehr wenig bekannt; dabei ist die Strömung sowohl für die Minimierung der Verluste bei der Nut-

zung wie auch für das Funktionieren der Leiteinrichtung für die Fische von grösster Bedeutung. Hydraulische Modellversuche für typische Situationen An der VAW wurden in den letzten Monaten mittels hydraulischen Modellen zahlreiche Untersuchungen zu diesen Strömungsfragen durchgeführt. Diese physikalischen Modelle orientieren sich an einem frontal angeströmten mittelgrossen Flusskraftwerk, wie es an der Aare und am Hochrhein typischerweise besteht. Dabei wurden sowohl ein Grossmodell im Massstab 1:35 wie auch Detailmodelle im Massstab 1:2 bis 1:1 angefertigt. Dabei werden die wichtigsten Einflussfaktoren wie Winkel und Verbauungsrad einer Leiteinrichtung variiert und die Strömungsverhältnisse analysiert. Daraus können wichtige Erkenntnisse für mögliche Lösungen gewonnen werden. Ziel muss es sein, die

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Was s e r kr ei s lauf / Was s e r wi r ts c haf t Die neue hydrologische Einzugsgebietsgliederung der Schweiz Das Einzugsgebiet ist der Bezugsraum für die Hydrologie und die Wasserwirtschaft. Für viele Aufgaben sind Kenntnis von Grösse und Grenze des Einzugsgebiets unerlässlich. Mit der Einzugsgebietsgliederung Schweiz, EZGG-CH steht eine neue, fein aufgelöste und schweizweit flächendeckende Datengrundlage zur Verfügung. Das Einzugsgebiet ist der grundlegende Bezugsraum für gewässerbezogene Fragestellungen. Etliche Forschungsvorhaben der Hydrologie aber auch Projekte der Wasserwirtschaft und des Umweltmonitorings benötigen deshalb Gewässereinzugsgebiete als primäre Datengrundlage. Für die Erfüllung seiner Aufgaben im Bereich Wasser hat das Bundesamt für Umwelt (BAFU) einen Geodatensatz 67

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optimale Kombination von Minimierung der Energieverluste bei Funktionieren der Leitwirkung zu finden. Einfluss von Schwemmholz und Geschiebe Die hydraulischen Versuche sind kurz vor dem Abschluss und werden zweifellos interessante Erkenntnisse bringen. Für die Praxis nicht zu vernachlässigen ist aber auch die Problematik des Schwemmholzes und allenfalls von Geschiebe. Beides beeinflusst gerade an Aare und Hochrhein immer wieder massgeblich den Betrieb. Insbesondere Schwemmholz kann über Verklausungen zu ernsthaften Problemen führen und damit auch die Machbarkeit von allfälligen Leiteinrichtungen verunmöglichen. Nächster Schritt: Ethohydraulische Modelle Neben den hydraulischen und betrieblichen Aspekten ist natürlich auch der Einfluss strömungstechnisch optimierter Leiteinrichtungen auf das Verhalten der einheimischen Zielfischarten entscheidend. Dazu werden in einem nächsten Schritt und parallel zur Auswertung der hydraulischen Versuche sogenannte «Ethohydraulische Modelle» zur Untersuchung mit Lebendfischen konzipiert. Über den weiteren Verlauf und die Resultate des Forschungsprojektes wird zu gegebener Zeit wieder informiert. Vorderhand stehen die erwähnten Zwischenberichte zur Verfügung (vgl. dazu Hinweis unter «Publikationen» in diesem Heft). (VAR/Pfa)

Nachrichten Bild. Illustration aus dem Datensatz EZGG-CH (BAFU). «Einzugsgebietsgliederung Schweiz, EZGG-CH» entwickelt, der nun auch öffentlich zugänglich ist. Der Datensatz wurde speziell für die Anwendung in geographischen Informationssystemen (GIS) konzipiert. Er besteht im Kern aus einem lückenlosen Mosaik von über 22 000 topographisch definierten Teileinzugsgebieten mit einer durchschnittlichen Fläche von 1 bis 1.5 km2 und deckt die Schweiz sowie das angrenzende Ausland ab. Seine hierarchische Struktur ermöglicht auch in sehr einfachen GIS die Bildung von korrekten Gesamteinzugsgebieten aus dem Mosaik der Teileinzugsgebiets-Polygone. Auf Basis der EZGG-CH wurden am BAFU bereits zahlreiche gewässer- und einzugsgebietsbezogene Kennzahlen gerechnet, die unter anderem in die jährlichen Reportings an die Europäische Umweltagentur einfliessen. Die relevantesten Daten sind als integraler Bestandteil des Paketes «Einzugsgebietsgliederung Schweiz» ebenfalls frei verfügbar. Mittlerweile existieren Kennzahlen zu Bodenbedeckung und Physiogeographie des Einzugsgebiets sowie einzelne hydrologische Kennwerte, zum Beispiel der Fliessgewässer-Regimetyp oder modellierte mittlere Abflüsse. Rückmeldungen sind erwünscht! Grundlage für das nächste Release des Datensatzes, welches im Herbst 2013 erscheinen wird, sind gerade die Anpassungswünsche und Korrekturvorschläge der Anwender der EZGG-CH. Zudem laufen derzeit Abklärungen, ob und inwiefern grossräumige Karstphänomene, die zu erheblichen Abweichungen zwischen topographischen und hydrogeologischen Einzugsgebieten führen können, in kommenden Releases berücksichtigt werden sollen. 68

Weitere Informationen sind auf folgender Webseite zu finden. Von dieser kann auch der Datensatz mitsamt seiner Dokumentation herunter geladen werden: www.bafu.admin.ch/ezgg-ch. (BAFU)

H oc o c hwas s e r s c hut z / Was s e r bau Verbesserung der Hochwassersicherheit der oberen Reusstalebene: Umbau des Wehrs beim Kraftwerk Bremgarten-Zufikon Um die Hochwassersicherheit in der oberen Reusstalebene zu verbessern, soll vor und während der Hochwasserspitzen der Staupegel am Kraftwerk Bremgarten-Zufikon (KWBZ) um bis zu 1.5 Meter abgesenkt werden. Dazu begannen im Frühling 2011 Umbaumassnahmen drei von fünf Wehröffnungen des Kraftwerkes. Die ersten zwei Bauetappen mit dem Umbau der Wehrfelder 3 und 4 sind abgeschlossen. Der Umbau des letzten Wehrfeldes 5 hat begonnen. Als Betreiberin des Kraftwerkes investiert die AEW Energie AG rund CHF 5.9 Mio. in die Hochwassersicherheit. Der Staupegel oberhalb des Kraftwerkes soll vor und während der Hochwasserspitzen um bis zu 1.5 Meter abgesenkt werden. Mit dieser Massnahme wird die Gefahr einer Überflutung der Dämme bei Hochwasser reduziert. Da trotz des temporär abgesenkten Staupegels die konzessionierte maximale Abfluss-Wassermenge von 900 Kubikmeter pro Sekunde durch das Stauwehr zu gewährleisten ist, werden durch die AEW Energie AG drei von insgesamt fünf Wehröffnungen vergrössert. Nach erfolgtem Umbau kann

sichergestellt werden, dass auch zukünftig die konzessionierte Wassermenge von 900 Kubikmeter pro Sekunde, bei einem abgesenkten Staupegel auf 378.5 m ü.M., durch das Stauwehr abgeleitet werden kann. Die abfliessende Wassermenge der Reuss wird weiterhin im Gleichgewicht mit der zufliessenden Wassermenge gehalten. Es kommt zu keinem erhöhten Abfluss. Umbau Wehrfeld 3 und 4 ist abgeschlossen Da aus Gründen der Hochwassersicherheit immer mindestens vier der insgesamt fünf Wehrfelder funktionstüchtig und in Betrieb sein müssen, ist ein etappenweiser Umbau der Wehrfelder zwingend notwendig. Mit dem Ausbau des alten Segmentschützes begannen im März 2011 die Umbauarbeiten am Wehrfeld 3, welche im Januar 2012 erfolgreich abgeschlossen werden konnten. Ende Januar 2012 begann die zweite Bauetappe, der Umbau des Wehrfeldes 4. Dazu musste das ca. 13 Meter unter der Wehrbrücke liegende Segment mit Brenn-schneidgeräten ausgebaut werden. Danach wurden grosse Anpassungsarbeiten an der Betonkonstruktion durchgeführt. Der Beton wurde wochenlang mittels Hydro-Jet-Verfahren abgetragen, die neu zu bauenden Schützennuten und die Stauwand vor dem neuen Rollschütz armiert und betoniert. Im Juli 2012 erfolgte die Installation des 40 Tonnen schweren neuen Rollschützes (8.4 Meter breit und 4.5 Meter hoch) mittels zweier grosser Pneukräne. Nachdem auch die Wehrhydraulik und die Wehrsteuerung im laufenden Betrieb angepasst waren, konnte Ende August auch das Wehrfeld 4 erfolgreich in Betrieb genommen werden. Umbau Wehrfeld 5 Mitte September 2012 haben die Abbrucharbeiten im Wehrfeld 5 begonnen. Diese Umbaumassnahme wird voraussichtlich im Mai 2013 beendet sein. Nach kleineren Anpassungsarbeiten an den Wehrfeldern 1 und 2 wird die erneuerte Wehranlage

Bild. Abfluss über Wehrklappen beim KW Bremgarten-Zufikon (AEW).

«Wasser Energie Luft» – 105. Jahrgang, 2013, Heft 1, CH-5401 Baden

Ankündigung Praxishilfe zur Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebeeinträge in Vorfluter Die Geschiebeführung in den Schweizer Fliessgewässern wird vielerorts durch Anlagen wie Kraftwerke, Kiesentnahmen und Gewässerverbauungen beeinträchtigt, was zu Defiziten in den Bereichen Ökologie, Grundwasser- und Hochwasserschutz führen kann. Durch das revidierte Gewässerschutzgesetz werden die Inhaber dieser Anlagen verpflichtet, den Geschiebehaushalt zu sanieren. Die Kantone sind angehalten, die wesentlichen Beeinträchtigungen der Geschiebeführung festzustellen und die verursachenden Anlagen zu definieren. Sie werden dabei vom Bund durch die Vollzugshilfe «Renaturierung der Gewässer» mit dem Modul «Strategische Planung Sanierung Geschiebehaushalt» unterstützt. Die Lokalisierung und Quantifizierung von anlagenbedingten Beeinträchtigungen der Geschiebeführung erfordern eine Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebeeinträge aus den Seitenbächen in die Vorfluter, sowohl im naturnahen Zustand, als auch im Zustand mit bestehenden Verbauungen. Das BAFU (Abteilungen Wasser, Hydrologie, Gefahrenprävention) hat aus diesem

Grund zusammen mit Ingenieurbüros (Hunziker, Zarn und Partner, Lehmann Hydrologie, belop gmbh), Forschungsvertretern (WSL, M. Jäggi) und kantonalen Fachkräften eine Praxishilfe entwickelt. Praxishilfe Es existieren bereits etablierte feldbasierte Methoden und rechnerische Ansätze zur Abschätzung des Geschiebeaufkommens und zur Bestimmung ereignisbezogener Geschiebefrachten. Für die Abschätzung der mittleren jährlichen Geschiebelieferung in einen Vorfluter existieren aber keine operationell einsetzbaren Methoden. Die Praxishilfe bietet eine Anleitung, um mittels Auswertung von Geodaten und einer punktuellen Geländebegehung mit verhältnismässigem Aufwand die Grössenordnung von mittleren jährlichen Geschiebelieferungen in den Vorfluter abschätzen zu können. Die Resultate können zudem zur Plausibilisierung von Geschiebehaushaltsstudien herangezogen werden. Zielgruppe Die vorgestellten Methoden beinhalten eine detaillierte Anleitung. Bei einigen Parametern ist jedoch eine gutachterliche Beurteilung der effektiven Verhältnisse durch den Bearbeiter unumgänglich. Aus diesem Grund richtet sich die Praxishilfe an Fachkräfte resp. spezialisierte Ingenieurbüros, welche mit der Abschätzung von Geschiebefrachten vertraut sind, sei es im Rahmen von Gefahrenbeurteilungen oder ökologischen Fragestellungen. Inhalt der Praxishilfe In der Praxishilfe werden das Vorgehen zur Definierung geschieberelevanter Seitenbäche sowie zwei Methoden zur Bestimmung der mittleren jährlichen Geschiebeeinträge der Seitenbäche in einen Vorfluter beschrieben. Im Anhang der Praxishilfe wird der Berechnungsvorgang für beide Methoden jeweils anhand eines Beispiels erläutert. Für den Geschiebeeintrag in einen Vorflu-

Bild 1. Flaches Gewässer, in welchem die Transportkapazität massgebend ist. «Wasser Energie Luft» – 105. Jahrgang, 2013, Heft 1, CH-5401 Baden

ter sind sowohl die Geschiebemobilisierung im Seitenbach, die Verlagerungsprozesse im Kegelbereich, als auch die dortige Transportkapazität von Bedeutung. Aufbauend auf der Annahme, dass bei eher flachen Gewässern in der Regel die Transportkapazität der limitierende Faktor ist und bei steileren Gewässern oft die Geschiebeverfügbarkeit bestimmend wirkt, wurden für diese beiden Grenzfälle entsprechende Methoden ausgearbeitet und anhand von Referenzwerten verifiziert. Die Methode der Transportkapazität ermittelt in einem Abschnitt, welcher tendenziell aufgrund des Gefälles, der Breite, der Morphologie, usw. den Transport limitiert, die im jährlichen Mittel theoretisch transportierbare Geschiebefracht. Das Verfahren wird bei Gefällen bis ca. 10% vorgeschlagen und ähnelt im Prinzip der Betrachtung in einer Schlüsselstrecke. Für Gewässer, an denen keine Abflussmessungen vorliegen, muss vorgängig die mittlere jährliche Abflussdauerkurve bestimmt werden. Im Rahmen der Praxishilfe wurde dazu auf Basis der Messdaten von rund 40 BAFU-Abflussmessstationen ein neuer Ansatz entwickelt, welcher einzugsgebietsspezifische Charakteristiken (u.a. Einzugsgebietsfläche, Höhenlage, Vergletscherung, Niederschlagsverhältnisse und Bodenparameter) berücksichtigt. Für die Frachtberechnungen existieren bereits verschiedene Ansätze, welche die Hydraulik und den Geschiebetransport erfassen sowie Verluste wegen Makrorauigkeit berücksichtigen. Anhand von 22 Referenzwerten, welche aus detaillierten Geschiebehaushaltstudien stammen, konnte die Anwendbarkeit dieser Ansätze überprüft werden. Daraus resultierte eine Empfehlung zur Verwendung der Rechenansätze unter Berücksichtigung der lokalen Verhältnisse (Gefälle, Kornverteilung, Morphologie, Sohlenstrukturen). Zusätzlich ist in der Praxishilfe eine Anleitung enthalten, wie die erforderlichen Eingangsda-

Bild 2. Steiler Kegelbereich einer Murrinne, in welcher die Verfügbarkeit des Geschiebes massgebend ist. 69

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im Herbst 2013 dem ordentlichen Betrieb übergeben. Keinen Einfluss auf Stromproduktion Der Umbau der Wehröffnungen dient dem Hochwasserschutz und hat keinen Einfluss auf die Stromproduktion. Das inzwischen 37-jährige Laufwasserkraftwerk erzeugt rund 106 Mio. Kilowattstunden Strom pro Jahr, das entspricht dem Jahresbedarf von ca. 23 500 Haushalten. Das Kraftwerk ist seit 2011 mit dem Qualitätszeichen «naturemade basic» ausgezeichnet und der produzierte Strom fliesst in die AEW Naturstromprodukte ein. (AEW/Pfa)

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ten (Längsgefälle, Kornverteilung, usw.) zu bestimmen sind. Die Methode der Geschiebemobilisierung eignet sich für Seitengewässer mit einem Gefälle von >10%. Der mittlere jährliche Geschiebeeintrag in den Vorfluter ergibt sich einerseits aus den auftretenden Geschiebefrachten, andererseits aus den Geschiebeverlusten, welche im unteren Bachbereich die Geschiebemenge reduzieren können. Für die Bestimmung der mittleren jährlichen Geschiebefracht werden einfache Methoden zur Abschätzung der 1-, 10-, 30-, 100- und 300-jährlichen Ereignisfrachten vorgeschlagen. Die Methode berücksichtigt für jedes Szenarium spezifische Mobilisierungs- und Transportprozesse. Die Geschiebefrachten können zum grossen Teil anhand von Karten und Luftbildern ermittelt werden, so dass der Aufwand für Geländebegehungen minimal gehalten werden kann. Auf dem Kegel werden die geschiebelimitierenden Einflüsse berücksichtigt, welche die Geschiebefracht der verschiedenen Szenarien reduziert. Aus den in den Vorfluter gelangenden szenarienabhängigen Geschiebefrachten wird die mittlere jährliche Geschiebefracht abgeschätzt. Die Methode wurde unter Einbezug der Daten von 75 Geschiebemessstellen der SOLID-Datenbank (Geschiebemessnetz der Abteilung Hydrologie im BAFU) entwickelt resp. verifiziert. Termine und Ansprechpartner Die Praxishilfe steht ab März 2013 auf www.bafu.admin.ch zur Verfügung. Auskünfte erteilt gerne Herr Georg Heim, Bundesamt für Umwelt, Sektion Oberflächengewässer, Morphologie und Wasserführung, georg.heim@bafu.admin.ch, Tel. 031 324 07 05. (BAFU)

G ewäs s e r / Revital i s ie rung Revitalisierung Festlegung von Gewässerräumen: Bund und Kantone präzisieren weiteres Vorgehen Bis Ende 2018 müssen die Kantone entlang von Gewässern Gebiete festlegen, die dem Gewässer- und Hochwasserschutz dienen und die Gewässernutzung ermöglichen. Dies verlangt die neue Gesetzeslage. In dicht überbauten Gebieten kann indes unter gewissen Voraussetzungen von den minimalen Breiten abgewichen werden. Im Rahmen eines gemeinsam geführten Prozesses haben die Bundesämter für Raumentwicklung 70

(ARE) und Umwelt (BAFU) sowie die Bau-, Planungs- und Umweltdirektorenkonferenz (BPUK) ein Merkblatt erarbeitet, das den Begriff «dicht überbaute Gebiete» konkretisiert. Am 1. Juni 2011 sind neue Gewässerschutzbestimmungen in Kraft getreten, nach denen entlang der Gewässer ein Gewässerraum ausgeschieden werden muss. Ziel dieser Festlegung des Gewässerraums ist es, die natürlichen Funktionen der Gewässer zu erhalten, den Hochwasserschutz zu gewährleisten und die Gewässernutzung zu ermöglichen. Die Gewässerräume sind extensiv zu gestalten und zu bewirtschaften (Art. 36a Abs. 3 GSchG). Deshalb sind im Gewässerraum nur standortgebundene, im öffentlichen Interesse liegende Anlagen zugelassen. In dicht überbauten Gebieten können die Kantone von den minimalen Breiten abweichen und diese den baulichen Gegebenheiten anpassen, soweit der Schutz vor Hochwasser gewährleistet ist (Art. 41a Abs. 4 und Art. 41b Abs. 3 GSchV). Dies sieht die Gewässerschutzverordnung vor. Abweichen kann die zuständige Behörde ausserdem vom grundsätzlichen Verbot von nicht standortgebundenen und nicht im öffentlichen Interesse liegenden Anlagen. Sie kann in dicht überbauten Gebieten zonenkonforme Anlagen ausnahmsweise bewilligen, soweit keine überwiegenden Interessen entgegenstehen (Art. 41c Abs. 1 GSchV). Bund und Kantone haben nun bei der Umsetzung der Bestimmungen für die Ausscheidung des Gewässerraums ein wichtiges Ergebnis erreicht: Das ARE und das BAFU haben zusammen mit den Kantonen ein Merkblatt zur Anwendung des Begriffs «dicht überbaute Gebiete» verfasst und verabschiedet. Dieses Merkblatt unterstützt die Kantone bei einem landesweit einheitlichen Vollzug innerhalb des Siedlungsgebiets und belässt ihnen die Möglichkeit, auf unterschiedliche Verhältnisse einzugehen. Auch für den Vollzug im Bereich der Landwirtschaft sind Merkblätter geplant. Im erläuternden Bericht zur Änderung der GSchV wurde festgehalten, dass die kantonal unterschiedlichen Vorschriften für die landwirtschaftliche Nutzung entlang der Gewässer mittelfristig harmonisiert werden sollen. Ein Lösungsvorschlag für die Harmonisierung liegt nun vor. Die dafür notwendigen rechtlichen Anpassungen werden im Rahmen der Agrarpolitik 2014–2017 durchgeführt (Anpassung der Verordnungen zu AP 14–17). (BAFU/ARE)

Ene E ne r g iiewi ewi r ts t s c haf t Wirtschaftliche Bedeutung der erneuerbaren Energien Die Schweizer Unternehmen aus der Querschnittsbranche «Erneuerbare Energien» (EE-Branche) haben im Jahre 2010 mit 22 800 Beschäftigten eine Bruttowertschöpfung von 4.8 Milliarden Franken erzielt. Im europäischen Vergleich liegt die Schweiz damit in der Spitzengruppe. Die Exporte von Gütern und Dienstleistungen, insbesondere im Photovoltaik- und Wasserkraftbereich, erreichten ein Volumen von 3.2 Milliarden Franken. Bis 2020 werden je nach Szenario jährliche Wachstumsraten zwischen +1.6% (Szenario Weiter wie bisher) und +2.9% (Szenario Massnahmenpaket Energiestrategie 2050) erwartet. Diese Werte liegen deutlich über den gesamtwirtschaftlichen Wachstumsprognosen. Das zeigt eine im Auftrag des Bundesamts für Energie erstellte Studie. Im Auftrag des Bundesamts für Energie (Forschungsprogramm Energie-Wirtschaft-Gesellschaft) haben die Büros Rütter+Partner, Ernst Basler + Partner und das Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung die Studie «Volkswirtschaftliche Bedeutung erneuerbarer Energien in der Schweiz» erarbeitet (Schlussbericht vom 28. Januar 2013. Sie haben darin die wirtschaftliche Bedeutung erneuerbarer Energien in der Schweiz ermittelt, insbesondere deren Beitrag zum Bruttoinlandprodukt, zur Beschäftigung und zu den Exporten. Neben der direkten wirtschaftlichen Bedeutung wurden auch die indirekten Effekte ermittelt, welche die Branche bei anderen Unternehmen auslöst. Bruttowertschöpfung und Beschäftigung Die direkte Bruttowertschöpfung der Schweizer EE-Branche lag 2010 bei 4.8 Milliarden Franken. Diese Leistung wurde von 22 800 Beschäftigten (Vollzeitstellen) erbracht. Der Anteil der Branche entspricht damit 0.9% des Bruttoinlandprodukts (BIP) der Schweiz und 0.6% der Gesamtbeschäftigung. Unter Einbezug der vorgelagerten Zulieferbranchen sind rund 1.5% des BIP und 1.2% der Beschäftigten an der Nutzung erneuerbarer Energien beteiligt. Bezüglich des Beschäftigungsanteils liegt die Schweiz damit in der Spitzengruppe der europäischen Länder. Ausgaben und Exporte 2010 betrugen in der Schweiz die gesamten Ausgaben für den Bau und den Betrieb

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fung bis 2020 auf 6.4 Milliarden Franken oder 1.1% des BIP, die Beschäftigung auf 29 000 Vollzeitstellen oder 0.7% der Gesamtbeschäftigung. Die jährlichen Wachstumsraten liegen bei 2.9% für die Wertschöpfung und 2.5% für die Beschäftigung. Bezieht man die indirekten Effekte mit ein, so erhöht sich die mit erneuerbaren Energien verbundene Bruttowertschöpfung auf 10.6 Milliarden Franken (1.8% des BIP) und die Beschäftigung auf 57 000 Vollzeitstellen. Im Baseline-Szenario, das von konservativen Annahmen zum Ausbau erneuerbarer Energien ausgeht, fällt das Wachstum kleiner aus. Die Wertschöpfung steigt auf 5.7 Milliarden Franken oder 1% des BIP, die Beschäftigung auf 25 500 Vollzeitstellen oder 0.6% der Gesamtbeschäftigung. Unter Einbezug der indirekten Effekte liegt die Bruttowertschöpfung bei 9.3 Milliarden Franken (1.6% des BIP) und die Beschäftigung bei 50 000 Vollzeitstellen. (BFE) Die Studie kann auf der Webseite des BFE bezogen werden. Vergleiche dazu auch den Hinweis in der Rubrik «Publikationen» in diesem Heft.

K l i ma Die Schweiz hat bis 2050 die CO2-Emissionen drastisch zu senken Die Schweiz hat bis 2050 ihre CO2-Emissionen um 80 bis 95 Prozent (gegenüber 1990) zu senken und bis zum Ende des 21. Jahrhunderts auf nahezu Null zu reduzieren. Diese Schlussfolgerung zieht das OcCC (Beratendes Organ für Fragen der Klimaänderung des Bundes) im publizierten Bericht «Klimaziele und Emissionsreduktion» zu den Langfristzielen der schweizerischen Klimapolitik. Das OcCC empfiehlt der Schweiz, ihre Klimapolitik am Ziel der Begrenzung der globalen Erderwärmung auf unter zwei Grad Celsius (gegenüber vorindustriellen Zeiten) auszurichten. Die dazu notwendigen Emissionsreduktionen erachtet das OcCC für die Schweiz als machbar, sowie finanziell und gesellschaftlich als tragbar. Umgekehrt seien einer Anpassung an ein hohes Ausmass der Erwärmung viele Grenzen gesetzt, warnt das OcCC. Die Erwärmung der Erdatmosphäre ist zum überwiegenden Teil durch den menschgemachten Ausstoss an Treibhausgasen verursacht. Die internationale Staatengemeinschaft hat sich darauf geeinigt, die Treibhausgase in der Atmosphäre zu stabilisieren und möchte die

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globale Erwärmung auf weniger als plus zwei Grad Celsius (im Vergleich zu vorindustriellen Zeiten) begrenzen. Dazu muss die Zunahme der Emissionen bis spätestens Ende dieses Jahrzehnts gestoppt und anschliessend drastisch gesenkt werden. Auch für weniger ehrgeizige Erwärmungsziele müssen die CO2-Emissionen in den nächsten Jahrzehnten sinken. Der Wille für ein globales Abkommen zum Klimaschutz ist zwar positiv zu werten, aber der vorgeschlagene Zeitplan wird der Dringlichkeit des Klimaschutzes nicht gerecht. Daraus ergeben sich zwei Konsequenzen: Erstens gilt es die Emissionsreduktionen weit gezielter voranzutreiben. Zweitens wird der zusätzliche Fokus auf Anpassung an den Klimawandel wichtiger denn je. Anpassung darf dabei aber nicht von der Notwendigkeit weiterer, massiver Emissionsreduktionen ablenken, da der Anpassung an ein hohes Ausmass der Erwärmung vielerlei Grenzen, nicht zuletzt ökonomische, gesetzt sind. Mit der CO2-Gesetzesrevision hat die Schweiz einen ersten Schritt in die richtige Richtung unternommen und zeigt auf, dass ein 20 Prozent Reduktionsziel bis 2020 erreicht werden kann. Dieser erste Schritt erfüllt aber die Anforderungen an einen langfristig verantwortungsvollen, nachhaltigen Weg noch nicht und ist mit dem globalen Schutzziel von maximal zwei Grad Celsius Erwärmung nicht kompatibel. Mittelfristig, bis 2050, müssen die Emissionen in der Schweiz in der Grössenordnung von 80 bis 95 Prozent sinken (verglichen mit 1990) und bis zum Ende des 21. Jahrhunderts gegen Null gehen, auch auf globaler Ebene. Das OcCC hat sich deshalb mit der Frage einer wünschenswerten und notwenigen Klimapolitik beschäftigt und zeigt im Bericht «Klimaziele und Emissionsreduktion» auf, dass eine entsprechende Planung und Umsetzung mit dem technischen und finanziellen Potenzial der Schweiz möglich ist. Dazu müssen Klima-, Energie- und Ressourcenfragen zusammen mit zukünftigen Raumnutzungs- und Verkehrskonzepten langfristig geplant, und entsprechende Ziele klar kommuniziert werden. Diese Herausforderung erfordert aber auch gesellschaftliche Verhaltensänderungen hin zu einer nachhaltigen Lebensweise. Weitere Informationen: Der Bericht ist als pdf-Dokument auf der OcCC-Webseite erhältlich. Gedruckte Exemplare können bei der OcCC Geschäftsstelle bezogen werden. (vgl. auch Rubrik: Literatur in diesem Heft) (OcCC) 71

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von Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien 7.3 Milliarden Franken. Davon entfielen 3 Milliarden Franken auf Neubau und Ersatz bestehender Anlagen, 3.8 Milliarden Franken auf den Betrieb der Anlagen, insbesondere der Wasserkraftwerke sowie 0.5 Milliarden Franken auf Holz in Holzfeuerungen. Vom Total dieser Ausgaben (7.3 Milliarden Franken) fielen 2.5 Milliarden Franken als direkte Wertschöpfung bei den Anlagenbetreibern an. Die restlichen 4.8 Milliarden Franken umfassen Güter und Dienstleistungen für Bau und Betrieb der Anlagen. Davon wiederum wurde der überwiegende Teil (3.1 Milliarden Franken) von der Schweizer EE-Branche bereitgestellt. Dazu kommen Vorleistungen aus der übrigen Schweizer Volkswirtschaft, wie z.B. Bank- und Versicherungsdienstleistungen in der Höhe von 0.6 Milliarden Franken. Der Rest (1.1 Milliarden Franken) wird aus dem Ausland importiert, beispielsweise Windenergieanlagen und ein Grossteil der im Inland verwendeten Solarmodule. Andererseits exportierten Schweizer EE-Unternehmen Produkte und Dienstleistungen im Wert von 3.2 Milliarden Franken. Zukünftige Entwicklung in zwei Szenarien Die zukünftige Entwicklung der EE-Branche hängt sowohl von der Entwicklung des Binnen- und Weltmarkts als auch von den energiepolitischen Entscheidungen auf nationaler und globaler Ebene ab. Aussagen zur Entwicklung der erneuerbaren Energien und deren wirtschaftlicher Bedeutung sind deshalb mit Unsicherheiten verbunden. Die in der vorliegenden Studie betrachteten zwei Szenarien zeigen daher lediglich mögliche Entwicklungen auf. Die zwei Szenarien stützen sich für die nationalen Entwicklungen auf die Energieperspektiven 2050 des Bundesamtes für Energie (Stand September 2012) und für die globalen Trends auf den World Energy Outlook der Internationalen Energieagentur IEA. Das Baseline-Szenario («Weiter wie bisher») orientiert sich an den bereits beschlossenen und in Kraft gesetzten energiepolitischen Massnahmen. Das Ausbau-Szenario orientiert sich am Massnahmenpaket der Energiestrategie 2050. Die Ergebnisse der Modellrechnungen zeigen die Bruttoeffekte und sind nicht als Nettowirkungen einer Förderung erneuerbarer Energien zu verstehen. Dazu müssten zusätzlich die negativen Effekte aus der Verdrängung konventioneller Energien und gesamtwirtschaftliche Kreislauf- und Innovationseffekte berücksichtigt werden. Im Ausbau-Szenario steigt die Wertschöp-

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Ve r anstaltunge n

Hochwasserschutz KOHS-Weiterbildungskurse 3. Serie Gefahrengrundlagen und Hochwasserbewältigung 23./24.5.2013, Warth/TG

Anmeldung Anmeldungen bitte ausschliesslich einfach und bequem über die Webseite des SWV: www.swv.ch/KOHS-Kurs-Warth-2013 Die Teilnehmerzahl ist auf maximal 28 Personen begrenzt. Berücksichtigung der Anmeldungen nach Eingang.

Horw 25.–27.3.2013 Hydro-Weiterbildungskurs: Hydromechanik (D) Fachhochschulen in Zusammenarbeit mit dem SWV. www.swv.ch Arbeitsgemeinschaft Alpine Wasserkraft

AGAW-Symposium und SWV-Hauptversammlung 2013 Wasserkraft im Alpenraum – Energiewirtschaftliche Rahmenbedingungen 4.–6.9.2013, Interlaken

Zielpublikum Der Kurs richtet sich primär an Fachleute von Ingenieur- und Beratungsunternehmen sowie von kantonalen Verwaltungen. Zielsetzung, Inhalt Die zentralen Elemente der Bewältigung von Hochwasserereignissen werden von ausgewiesenen Fachleuten präsentiert und in Workshops diskutiert. Aus dem Inhalt: 1. Tag • Gefahrengrundlagen • Schwachstellenanalyse • Alarmorganisation und Notfallplanung am konkreten Beispiel 2. Tag • Spurensicherung, Ereignisdokumentation und Ereignisanalyse • Sofortmassnahmen während und nach einem Hochwasserereignis • Umgang mit weiteren Gefahren und die Intervention des Einzelnen Das Detailprogramm ist diesem Heft als Flyer beigelgt und kann der Webseite unter www.swv.ch/Weiterbildung entnommen werden. Kosten Für Mitglieder des Schweizerischen Wasserwirtschaftsverbandes SWV und des Vereins für Ingenieurbiologie VIB gelten vergünstigte Tarife: • Mitglieder SWV/VIB: CHF 650.– • Nichtmitglieder SWV/VIB: CHF 750.– Inkl. Kursunterlagen, Verpflegung 1. Tag Mittag und Abend sowie 2. Tag Mittag, Pausenkaffee, Transporte für die Exkursion; exkl. 8% MWSt. und allfällige Übernachtungskosten. 72

Bern 22.3.2013 Veranstaltung Weltwassertag: Wasser überwindet Grenzen – Beispiele und Chancen in der Schweiz Wasser-Agenda 21. Auftaktveranstaltung zum UNO-Jahr der Wasserkooperation. www.wa21.ch

Bern 4.–6.4.2013 Tag der Hydrologie: Wasserressourcen im globalen Wandel – von der Messung zur Anwendung Fachgemeinschaft Hydrologische Wissenschaften und Universität Bern. www.kasa.unibe.ch/tdh13/ Aarau 23.4./13.5./20.6. Lehrgang Wasserkraft: Das eigene Wasserkraftwerk – Vorgehen von der Projektidee bis zur Realisation (sechs Module) VSE. Mitglieder SWV mit Ermässigung. www.strom.ch

Räterichsbodenstausee

(Foto: MMi)

Programmübersicht Mittwoch, 4. September 2013 18.30 Uhr Abendanlass Harder Kulm Donnerstag, 5. September 2013 08.30 Uhr Eintreffen im Kursaal Interlaken 09.00 Uhr Eröffnungsreden 09.40 Uhr Referate in vier Sessionen 17.00 Uhr Ende Tagungsteil 17.15 Uhr Hauptversammlung SWV 18.45 Uhr Apéro im Theatersaal 19.30 Uhr Abendessen im Theatersaal Freitag, 6. September 2013 08.30 Uhr Exkursion zu den Kraftwerken Oberhasli (KWO) 15.00 Uhr Ende der Exkursion Bitte das Datum reservieren. Weitere Informationen und Anmeldemöglichkeit über die Webseite www.swv.ch folgen.

Age nda Lausanne 21.3.2013 Theun Hinboun 220 MW Hydropower Project in Laos Selim Sayah, Lombardi SA Ingegneri consulenti, Minusio, Suisse www.epfl.ch >Veranstaltungen

Delémont 25.4.2013 Gewässerpreis Schweiz 2013: Verleihung Preis im Rahmen Vortragsveranstaltung mit Exkursion Trägerschaft VIB, SWV, Pro Natura, VSA. www.gewaesserpreis.ch Lausanne, 23.5.2013 Usine souterraine de l’aménagement de pompage-turbinage de Nant-deDrance Nima Nilipour, BG Ingénieurs Conseils SA, Lausanne: www.epfl.ch >Veranstaltungen Warth 23./24.5.2013 KOHS-Weiterbildungskurs: Gefahrengrundlagen und Hochwasserbewältigung (8. Kurs, D) Kommission Hochwasserschutz (KOHS) des SWV und BAFU. www.swv.ch Sion 27.–29.5.2013 Hydro-Weiterbildungskurs: Hydraulische Maschinen (F) Fachhochschulen in Zusammenarbeit mit dem SWV. www.swv.ch Rapperswil 5.–7.6.2013 Hydro-Weiterbildungskurs: Betriebsführung und Instandhaltung (D) Fachhochschulen in Zusammenarbeit mit dem SWV. www.swv.ch

«Wasser Energie Luft» – 105. Jahrgang, 2013, Heft 1, CH-5401 Baden

L ite i te r atur Klimaziele und Emissionsreduktion – eine Analyse und politische Vision für die Schweiz

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Rapperswil 6./7.6.2013 Symposium Hochwasserschutz Linth: Abschluss eines modernen Hochwasserschutzprojektes (D) Linthwerk, in Zusammenarbeit u.a. mit HSR, VAW, BAFU und SWV. www.linthwerk-symposium.ch/ Sion 17.–21.6.2013 Hydro-Weiterbildungskurs: Einführung hydroelektrische Anlagen, inkl. Besichtigungen (F) Fachhochschulen in Zusammenarbeit mit dem SWV. www.swv.ch Rapperswil 26.–28.6.2013 Hydro-Weiterbildungskurs: Betriebsführung und Instandhaltung (F) Fachhochschulen in Zusammenarbeit mit dem SWV. www.swv.ch Lausanne 27.6.2013 Lagobianco, 1000 MW de pompage-turbinage dans les Alpes Suisses Fadi Hachem, Stucky SA, Renens www.epfl.ch >Veranstaltungen Interlaken 4.–6.9.2013 Internationales Symposium AGAW und Hauptversammlung SWV, Wasserkraft im Alpenraum SWV in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgemeinschaft Alpine Wasserkraft (AGAW). Weitere Informationen folgen. www.swv.ch Luzern 19./20.9.2013 Internationales Anwenderforum Kleinwasserkraft OTTI. Mitglieder SWV mit Ermässigung. www.otti.de >Veranstaltungen Olten 6.11.2013 Fachtagung Wasserkraft 2013: Bau, Betrieb und Instandhaltung von Wasserkraftwerken (D/F) SWV. Weitere Informationen und Anmeldung folgen zu einem späteren Zeitpunkt: www.swv.ch Zürich 25.–27.6.2014 Internationales Symposium 2014: Wasser- und Flussbau im Alpenraum Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW), ETH Zürich, in Zusammenarbeit mit der TU Graz und der TU München. Einreichung der Abstracts bis zum 19.7.2013. www.vaw-symposium.ethz.ch

Ausgabe: November 2012, Hrsg: OcCC, Bern, 63 pp., ISBN: 978-3-907630-36-5, Bezug: als Donwload auf der Webseite www.occc.ch, oder auf der Geschäftsstelle: OcCC, Schweizerische Akademie der Naturwissenschaften, Schwarztorstrasse 9, 3007 Bern, E-mail: occc@scnat.ch Die Schweiz soll bis 2050 ihre CO2-Emissionen um 80 bis 95 Prozent (gegenüber 1990) senken und bis zum Ende des 21. Jahrhunderts auf nahezu Null reduzieren. Diese Schlussfolgerung zieht das OcCC (Beratendes Organ für Fragen der Klimaänderung des Bundes) im Bericht «Klimaziele und Emissionsreduktion» zu den Langfristzielen der schweizerischen Klimapolitik. Das OcCC empfiehlt der Schweiz ihre Klimapolitik am Ziel der Begrenzung der globalen Erderwärmung auf unter zwei Grad Celsius gegenüber vorindustriellen Zeiten auszurichten. Die dazu notwendigen Emissionsreduktionen erachtet das OcCC für die Schweiz als machbar, sowie finanziell und gesellschaftlich als tragbar. Umgekehrt seien einer Anpassung an ein hohes Ausmass der Erwärmung viele Grenzen gesetzt, warnt das OcCC. (OcCC)

Empfehlung zur Berücksichtigung der Bundesinventare nach Artikel 5 NHG in der Richt- und Nutzungsplanung Ausgabejahr 2012; Seiten 19; Nr. UD1063-D; Herausgeber: Bundesamt für

«Wasser Energie Luft» – 105. Jahrgang, 2013, Heft 1, CH-5401 Baden

Umwelt BAFU, Bundesamt für Raumentwicklung ARE, Bundesamt für Strassen ASTRA, Bundesamt für Kultur BAK. Die für die Bundesinventare zuständigen Bundesämter für Umwelt BAFU (BLN), für Kultur BAK (ISOS) und für Strassen ASTRA (IVS) sowie das für die Prüfung der kantonalen Richtpläne zuständige Bundesamt für Raumentwicklung ARE haben den BGE Rüti zum Anlass genommen, um aufzuzeigen, wie die Bundesinventare in der Richt- und Nutzungsplanung umgesetzt werden sollen. (BAFU)

In der wundersamsten Gegend der Welt – die Phlegraeischen Felder am Golf von Neapel

Autor: Mathias Döring, 300 Seiten, 250 meist farbige Fotos und Reproduktionen von Illustrationen aus sieben Jahrhunderten, 110 Bauwerkszeichnungen, Karten 73

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und Skizzen. ISBN 978-3-9815362-0-1, 48.– Euro zzgl. Versand Aus dem Inhalt: • Griechen und Römer am Golf • Vulkane und Bradysismus • Antike Strassen und Reisen • Pozzuoli: Roms Tor zur Welt • Häfen und Orienthandel • Misenum: Standort der römischen Mittelmeerflotte • Cumae: wo alles begann • Luxusbad Baiae • Die Thermen • Fischfarmen und Muschelzucht • Averner See: Eingang zur Unterwelt • Die Hölle von Tritoli • Römische Wasserversorgung • Aquädukte und Zisternen • Was blieb: Epilog • Literatur, Glossar • Who’s who • Technischer Anhang • Besichtigungshinweise

Beiträge zur Hydrologie der Schweiz Nr. 39: Prozessbasierte Hochwasserabschätzung für mesoskalige Einzugsgebiete

Beiträge zur Hydrologie der Schweiz Nr. 39 Herausgegeben von der Schweizerischen Gesellschaft für Hydrologie und Limnologie (SGHL) und der Schweizerischen Hydrologischen Kommission (CHy)

Daniel Viviroli und Rolf Weingartner

Prozessbasierte Hochwasserabschätzung für mesoskalige Einzugsgebiete Grundlagen und Interpretationshilfe zum Verfahren PREVAH-regHQ

Bern, Juni 2012

Viviroli, Daniel; Weingartner, Rolf (2012): Prozessbasierte Hochwasserabschätzung für mesoskalige Einzugsgebiete, Grundlagen und Interpretationshilfe zum Verfahren PREVAH-regHQ. Beiträge zur Hydrologie der Schweiz, Nr. 39, Bern. (127 S.; ISBN 978-3-033-03497-6; Bezugsadresse: Geschäftsstelle CHy, Hallerstrasse 12, 3012 Bern; gratis) Zum Inhalt: Im Jahr 2003 startete die «International Association of Hydrological Sciences» 74

Bild 2. Ausschnitt aus der Abbildung «Kennzahlen des Abflusses für die Simme». Extrapoliertes 100-jährliches Hochwasser mit Vergleichswerten aus HQx_meso_CH und dem aus der gleich langen beobachten Reihe extrapolierten HQ100. (IAHS) die sog. PUB-Initiative (PUB = Predictions in Ungauged Basins). Dabei sollen weltweit die Grundlagen zur Abschätzung von Abflüssen verbessert werden. Im Oktober 2012 wurde die PUB-Dekade mit einer Konferenz in den Niederlanden abgeschlossen. Die PUB-Initiative belegt die hervorragende Bedeutung der Abschätzung von Abflusskennwerten in Gebieten ohne Abflussmessungen, und zwar sowohl in Wissenschaft wie auch in der Praxis. Die Publikation «Prozessbasierte Hochwasserabschätzung für mesoskalige Einzugsgebiete – Grundlagen und Interpretationshilfe zum Verfahren PREVAHregHQ», die nun in den «Beiträgen zur Hydrologie der Schweiz Nr. 39» veröffentlicht wurde, ist in diesen Kontext einzuordnen. Ziel war es, in allen mesoskaligen Einzugsgebieten der Alpennordseite zeitlich hochaufgelöste, langjährige Abflussganglinien bereitzustellen, von denen dann Hochwasserkennwerte ableitbar sind. Um dieses Ziel zu erreichen, musste ein deterministisches Konzeptmodell, dessen Parameter im Normalfall über Niederschlags- und Abflussmessungen geeicht werden, auf Einzugsgebiete ohne Abflussmessungen zugeschnitten werden, in denen eine solche Eichung nicht möglich ist. Es liegen nun für rund 450 Einzugsgebiete Hochwasserabschätzungen vor: Jährliche Spitzenabflüsse, mHQ, HHQ und Extremwertdiagramm. Für jede einzelne Abschätzung werden zudem Unterlagen zur Verfügung gestellt, um einerseits die Unsicherheit der Abschätzung zu beurteilen und sie andererseits in einen regionalen Kontext einzuordnen (siehe Bild 2). Die Publikation zeigt im Detail auf, wie bei einer Hochwasserabschätzung vorzugehen ist; sie diskutiert aber auch das methodische Vorgehen und weist auf Möglichkeiten und Grenzen des Ansatzes hin. Die Publikation wird von

einer Webseite begleitet, welche die Daten und Informationen zur Verfügung stellt, um Hochwasserabschätzungen durchzuführen (www.hydrologie.unibe.ch/projekte/ PREVAHregHQ.html). PREVAH-regHQ bildet eine wichtige Ergänzung zum in der Praxis weit verbreiteten Programm-Paket «HQx_meso_CH». Damit wird die Hochwasserabschätzung auf eine noch breitere (Modell-)Basis gestellt. Die Publikation kann bezogen werden bei: Hydrologische Kommission (CHy) der Akademie der Naturwissenschaften Schweiz (scnat) c/o Geographisches Institut der Universität Bern, Hallerstrasse 12, CH-3012 Bern. Sie ist auch als pdf-File herunterladbar: www.hydrologie.unibe.ch/projekte/PREVAHregHQ.html. (CHy)

The Hydro-Morphological Index of Diversity: a planning tool for river restoration projects

«Wasser Energie Luft» – 105. Jahrgang, 2013, Heft 1, CH-5401 Baden

Operation of complex hydropower schemes and its impact on the flow regime in the downstream river system under changing scenarios M. Bieri, Communication du Laboratoire de constructions hydrauliques – LCH

reference river morphologies. Construction measures (e.g., retention basins, plant enhancements) are preferred to restrictions of turbine operations. From socioeconomic and energy production points of view, the latter was assessed as less efficient. Dr. Martin Bieri developed and applied his novel integrative approach to one of the probably most complex hydropower schemes in Switzerland, namely the Kraftwerke Oberhasli scheme in the Swiss Alps.

Influence of in- and outflow sequences on flow patterns and suspended sediment behavior in reservoirs

N° 52, EPFL, 2012, 187 Seiten, 20.5 × 14.5 cm. Herausgeber: Prof. A. Schleiss, ISSN 1661-1179 High-head storage hydropower plants are designed to concentrate their turbine operation during periods of high-energy demand in order to satisfy the latter. The sudden opening and closing of the turbines produce highly unsteady or transient flow conditions, called hydropeaking, in the river downstream of the powerhouse outlet. Hydropeaking modifies the river flow regime. Large fluctuations in discharge and water levels associated with hydropeaking may result in a loss of habitats. In the framework of river restoration projects and according to the legal requirements in Switzerland, the negative effects of hydropeaking have to be mitigated. Innovative hydropeaking mitigation measures are subsequently required, which do not question the economic soundness of the hydropower production. Especially in complex hydropower schemes, as they exist in Switzerland, it is a challenge to identify sustainable hydropeaking mitigation measures. In this thesis research project, Dr. Martin Bieri developed a novel integrative approach to model and to assess the impact of the operation of highhead storage hydropower schemes on the downstream river system. The approach is based on an economic-ecological coupled analysis and contains several aspects including: precipitation-runoff modeling in glacier covered Alpine catchment areas, optimization of hydropower operation in a free electricity exchange market, and identification of hydropeaking measures with cost estimation in order to assess them with habitat models for target species and

«Wasser Energie Luft» – 105. Jahrgang, 2013, Heft 1, CH-5401 Baden

M. Müller, Communication du Laboratoire de constructions hydrauliques – LCH N° 53, EPFL, 2012, 156 Seiten, 20.5 × 14.5 cm. Herausgeber: Prof. A. Schleiss, ISSN 1661-1179 The risks associated with our dependence upon renewable energy sources development, such as solar and wind energy with highly fluctuating and unpredictable production, is somewhat mitigated by pumped-storage power facilities allowing ensuring grid stability and reliable power supply at any moment. In the Alpine countries of Europe, several new pumped-storage plants are planned or already under construction. Very often, artificial lakes of existing storage power plants are used as lower and/or upper reservoir. As with all reservoirs, sedimentation leads to storage loss and endangers the sustainable use of these storage volumes. On the one hand, pumped-storage operation will introduce more turbulence in the reservoirs which can potentially reduce settling of suspended 75

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W. Gostner, Communication du Laboratoire de constructions hydrauliques – LCH N° 51, EPFL, 2012, 217 Seiten, 20.5 × 14.5 cm. Prof. A. Schleiss, ISSN 1661-1179. Flood protection and river engineering projects nowadays have to improve also the ecological condition of the river. Very often the space is not available for a full restoration of the river morphology. Therefore the hydro-morphological heterogeneity has to be optimized within certain space constraints. For such projects a tool for practitioners would be very helpful which allows to quantify the habitat heterogeneity enhancement for different project alternatives and to recommend the best alternative in view of eco-morphological perspective. In his research project Dr. Walter Gostner proposed a new HydroMorphological Index of Diversity (HMID), which allows a quantitative statement of the enhancement of habitat heterogeneity during the comparison of different project alternatives in the framework of river engineering projects. Compared to other existing habitat indices, which are mostly based on visual, qualitative assessment in the field and therefore influenced by the subjectivity of the observers, the new HMID is based on statistical parameters calculated by numerical 2D and 3D simulations during project planning and thus can be denoted fully objective. The HMID was developed on the basis of very extensive field campaigns by recording a large amount of hydraulic and geomorphic data as it has been done rarely before. In order to see clearly the hydro-morphological heterogeneity several very contrasting sites from fully natural to very channelized stretches have been analysed on three different gravel bed rivers in the Swiss Prealps (Bünz, Venoge, Sense). By comparing the variability of the numerous hydraulic and morphological parameters between the studied stretches a formula for the HMID could be proposed. Dr. Walter Gostner could show that the coefficients of variation of flow velocity and water depth alone are sufficient to obtain a reliable and predictive HMID. With the development of the HMID Dr. Walter Gostner made available a very useful predicting tool to evaluate the ecological potential of river engineering projects.

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sediment. On the other hand, it will also transfer fine particles from one reservoir to the other bi-directionally according to operation mode (turbine or pumping). In this research project, Dr. Michael Müller studied for the first time the influence of in- and outflow sequences on flow patterns and suspended sediment behavior in reservoirs. Is sedimentation behavior correlated to pumped-storage sequences? To answer this relevant question, Dr. Michael Müller applied an integrated approach combining prototype measurements with systematic laboratory experiments and numerical simulations. In order to investigate the influence of pumped-storage operation on flow patterns in a reservoir, in situ flow velocity measurements were performed in Lake Grimsel in Switzerland, which is the lower reservoir of the Grimsel 2 pumpedstorage power plant. Furthermore turbidity was measured in the pressurized shaft connecting the two reservoirs. Then the jet behavior and flow patterns were studied in a rectangular basin subject to in- and outflow sequences with numerous experiments. The purpose was to understand the influence of these in- and outflow sequences on the sedimentation behavior of suspended sediment. Numerical simulations completed the knowledge by furnishing additional information on the jet behaviour and flow patterns. The results are helpful in selecting the location and type of inlet and outlet structures of pumped-storage schemes with the objective of maintaining high turbulence in the reservoir in order to minimize sedimentation.

Ausgabe: Juli 2012, Hrsg.: Bundesamt für Energie (BFE); Autoren: ESU-Services und Paul Scherrer Institut (PSI), Uster und Villigen; 73 pp., Bezug: als Download auf der Webseite des BFE: www.bfe.ch (BFE)

Massnahmen zur Gewährleistung eines schonenden Fischabstiegs an grösseren mitteleuropäischen Flusskraftwerken – Zwischenberichte

des ETH-Bereichs (EAWAG), Kastanienbaum; 175 pp., Bezug: als Download auf der Webseite des Verbandes Aare-Rheinwerke: www.aare-rheinwerke.ch (Pfa)

Volkswirtschaftliche Bedeutung erneuerbarer Energien in der Schweiz – Schlussbericht

Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich

Massnahmen zur Gewährleistung eines schonenden Fischabstiegs an grösseren, mitteleuropäischen Flusskraftwerken Zwischenbericht zum Literatur- und Massnahmenstudium

Auftraggeber: Mit Unterstützung von: Bundesamt für Energie VAW 0843

Zürich, November 2012

Ausgabe: November 2012; Hrsg.: Versuchsanstalt Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) der ETH Zürich; 72 pp., Bezug: als Download auf der Webseite des Verbandes Aare-Rheinwerke: www.aarerheinwerke.ch Das Wasserforschungsinstitut des ETH-Bereichs Forschungszentrum für Ökologie, Evolution und Biogeochemie Abteilung Fischökologie + Evolution

Umweltauswirkungen der Stromerzeugung in der Schweiz

Massnahmen zur Gewährleistung eines schonenden Fischabstiegs an grösseren, mitteleuropäischen Flusskraftwerken Zwischenbericht zum Literaturstudium

Ausgabe: Januar 2013, Hrsg.: Bundesamt für Energie (BFE); Autoren: Rütter + Partner, Ernst Basler + Partner, Fraunhofer Institut; 142 pp.; Bezug: als Download auf der Webseite des BFE: www.bfe.ch

Die Themen der deutschen «Wasserwirtschaft» 3/4-2013 • Umsetzung der Hochwasserrisikomanagement-Richtlinie in der internationalen Flussgebietseinheit Oder Ryszard Kosierb, Piotr Baranski •

Lenkungswirkung der Erneuerbaren Energien-Gesetze (EEG 2004 und 2009) für die ökologische Modernisierung von Wasserkraftanlagen – Ergebnisse einer Umfrage Pia Anderer, Stephan Naumann

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Ride the Tide – Tidenturbinenforschung an der TU Berlin Angela Bauer , Paul-Uwe Thamsen

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Potenzialstudie für Pumpspeicherkraftwerke in Baden-Württemberg Claudia Berger, Nikolaus Sauer, Robert Achatz

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Modellierung der Sickerwasserströmungen an Gewichtsstaumauern am

Auftraggeber: Mit Unterstützung von:

Kastanienbaum, Dezember 2012

Ausgabe: Dezember 2012; Hrsg: Forschungszentrum für Ökologie, Evolution und Biogeochemie des Wasserinstituts 76

«Wasser Energie Luft» – 105. Jahrgang, 2013, Heft 1, CH-5401 Baden

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Landschaftsentwicklung, eine Grundlage für Landesaufnahme und Landesplanung Peter Janetzko

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Wasserbauliches und städtebauliches Modell als Grundlage der Umgestaltung der Sieg in der Siegener Innenstadt Torsten Frank, Jens Bender, Jörg Wieland, Jürgen Jensen, Thomas Griese

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Erfassung hydraulischer Wechselwirkungen bei wasserbaulichen Modellversuchen am Beispiel der Sieg im Bereich der Siegener Innenstadt Jens Bender, Jörg Wieland, Torsten Frank, Jürgen Jensen

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Abflussberechnung an einem kiesgeprägten Tieflandbach in Nordostniedersachsen Olaf Baalhorn

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Zeitliche und räumliche Verteilung der Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktion in den Niederlanden Dimmie Hendriks, Hans Peter Broers, Remco van Ek, Jacco Hoogewoud, Bernhard Becker

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Ökonomische Aspekte im Kontext von Integriertem Wasserressourcenmanagement Markus Bombeck, Karl-Ulrich Rudolph

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Entwicklung der Speicherkapazitäten in Deutschland Klaus D. Aurada

paaren in den Regenraum des Turms, nimmt die Wärme des Kühlwassers auf und verlässt den Kühlturm vertikal an der Krone. Eine Winterringleitung ermöglicht es bei tiefen Umgebungstemperaturen die Luft vor dem Einströmen in den Kühlturm vorzuwärmen um damit eine Vereisung im Innern des Turms zu verhindern. Die Herausforderung Die bestehende Winterringleitung des Kühlturms wies an verschiedenen Stellen Schäden auf. Mit dem Ersatz der Winterringleitung (Gesamtlänge ca. 326 m, max. Durchmesser 616 mm) sollten die Fehler eliminiert werden. Die zentralen Aufgaben waren die Aufnahme der thermischen Dehnung der Leitung und die fachgerechte Abstützung der Rohrleitung mit speziell gefertigten Rohrträgern. Erste Gespräche über die Winterringleitung wurden im Jahre 2010 geführt. Konzeptionelle Fehler von der im 2006 ausführenden Firma hatten zu diversen Mängeln geführt, sodass ein einwandfreier Betrieb der Winterringleitung nicht mehr gewährleistet werden konnte. Damals ging man davon aus, dass nur die teilweise defekten Rohrverbindungen ersetzt werden müssten und so der einwandfreie Betrieb der Winterringleitung wieder sichergestellt sei. Dokumentation der Schäden Eine anschliessende Zustandsaufnahme brachte jedoch Mängel zum Vorschein, welche nicht nur durch den Ersatz der defekten Rohrverbindungen behoben werden konnten. Durch das Vernachlässigen von Rohrlängenänderungen war die Leitung teilweise aus den korrodierten Rohrverbindungen gerutscht. Zudem waren die Rohre deformiert und erfüllten somit ihren Zweck nicht mehr. Eine Linienauflage der Rohre auf den Betonkonsolen und das Eigengewicht der mit Wasser gefüllten

Rohre hatten zu hohen Spannungen geführt. Über die Jahre hinweg hatten sich dadurch Risse und Einbuchtungen an den Rohrenden gebildet. Eine besondere Herausforderung war die Montage der Winterringleitung auf ca. 13 m Höhe. Enge Platzverhältnisse erschwerten zudem die Arbeiten, wobei die Sicherheit an erster Stelle stand. Die Lösung In enger Zusammenarbeit mit dem KKW Gösgen entwickelte STRAUB eine Gesamtlösung, welche die projektspezifischen Vorgaben vollumfänglich erfüllt. Der Auftrag vom KKW Gösgen umfasste die vollständige Planung, Berechnung, Konstruktion, Fertigung, Anlieferung, Montage und Ersatzteilbereitstellung der neuen Winterringleitung (inkl. Rohrkupplungen und Abstützungskonstruktion), sowie die Demontage der bestehenden Leitung. Rohr-Abstützungskonstruktion Durch die neue Abstützungskonstruktion waren die zentralen Mängel behoben. So war gleichzeitig die Aufnahme der ther-

Bild 1. Rohr ausgerutscht.

I ndustr ndustriemit ie mit teilungen tei lunge n STRAUB Werke AG – Eine neue Winterringleitung für das Kernkraftwerk Das Kernkraftwerk Gösgen-Däniken AG wurde 1979 in Betrieb genommen. Derzeit beträgt die elektrische Nennleistung jährlich 1030 Megawatt. Die Abwärme des Wasser-Dampf-Prozesses in der Grössenordnung von 2 Gigawatt wird über einen Naturzug-Nasskühlturm an die Atmosphäre abgegeben. Der Kühlturm aus Stahlbeton weist eine Höhe von 150 m und an der Basis einen Durchmesser von 118 m auf. Die Kühlluft strömt horizontal zwischen 50 Stützen-

Bild 2. Ersatz der defekten Rohrverbindungen.

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Beispiel der Schwarza-Talsperre Lars Rupp, Olaf Niekamp, Tobias Gebler

Nachrichten Bild 3. Die neu installierte Winterringleitung mit der Abstützkonstruktion und STRAUBFLEX Rohrverbindungen. mischen Dehnung der Rohrleitung, sowie eine fachgerechte Abstützung der Rohre gewährleistet. Die eine Rohrschelle dient als Fixpunkt, während die andere als Gleitführung konzipiert ist. Um dies gewährleisten zu können, ist die Gleitführung mit einer Kontermutter ausgestattet, damit die Schraubverbindung nicht fest verspannt werden kann (siehe grafische Darstellung). Die Rohrschelle selbst kann um die eigene Achse 360° gedreht werden und passt sich bei der Montage an jede auftretende Auswinkelung an. Zudem ist durch eine 70 mm lange Nut auch eine Verschiebung um +/35 mm bzw. 90° zur Rohrachse möglich. Auch in der Grundplatte, welche an die Betonkonsole verschraubt wird, ist eine Nut vorhanden, damit die Schrauben ohne Anpassungsarbeiten verspannt werden können. Die ausgearbeitete Rohrhalterung ermöglichte eine sehr rasche und einfache Montage. Nachdem jeweils die Rohrhalterungen auf der Betonkonsole verschraubt worden sind, wurden die Rohre in die dafür vorgesehenen Rohrschellen gelegt, ausgerichtet und festgeschraubt. Anschliessend wurde die STRAUB-FLEX 3LS, welche bereits auf einem Rohrende vormontiert war, über den Rohrspalt geschoben und mit dem vorgegebenen Anzugsmoment verspannt. Damit die Dichtmanschette, aufgrund des durch die Auswinkelung von ca. 4° entstehenden Rohrspaltes nicht beschädigt wird, wurden die Kupplungen jeweils mit einer Edelstahlbandeinlage versehen. Die ausgearbeitete Lösung erlaubte ein spannungsfreies Verlegen der Rohre, sie gleicht Gebäudetoleranzen aus und ist unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen. 78

Erfahrene Partner Im Auftrag von STRAUB übernahm die Demontage- und Montagearbeiten die Firma Josef Muff AG aus Sarmenstorf. Bei der Auswahl der Rohre haben wir uns bei diesem Projekt für Qualitätsprodukte aus dem Hause Hobas entschieden. Zum Einsatz kamen speziell auf die Anwendung zugeschnittene HOBAS GF-UP Rohre, welche aus ungesättigten Polyesterharzen (UP), geschnittenen Glasfasern (GF) und mineralischen Verstärkungsstoffen hergestellt werden. Weitere 30 Jahre wollen die Betreiber das Kernkraftwerk Gösgen in Betrieb halten. Mit der Konstruktion und Ausführung der neuen Winterringleitung haben die STRAUB Werke AG wesentlich dazu beigetragen. STRAUB Werke AG Straubstrasse 13, CH-7323 Wangs Tel. +41 81 725 41 39, Fax +41 81 725 41 01 radosevic.sascha@straub.ch www.straub.ch

Sicherheit und Innovation aus den Bündner Bergen für Wasserkraftwerke Seit 1979 produziert das Bündner Unternehmen ADAMS Schweiz AG (vormals AMSAG) Klappenarmaturen für die vielfältigsten Anwendungsbereiche. Der Firmenstandort Serneus bei Klosters im Prättigau ist in den vergangen en Jahrzehnten zu einem Kompetenzzentrum für die Entwicklung und Produktion von Absperrorganen für Wasserkraftwerke geworden. Der renommierte und international bekannte Betrieb gehört zur weltweit tätigen ADAMS Gruppe mit insgesamt über 400 Mitarbeitern und Fertigungsstandorten in der Schweiz, in Deutschland und den USA.

Wasserkraft leistet auch heute noch einen unverzichtbaren Beitrag zur sicheren und umweltschonenden Stromversorgung. Im Zusammenhang mit Wind- und Solarstrom kommt dabei den Speicherkraftwerken eine besondere Rolle zu, da diese zurzeit die effizienteste Möglichkeit sind, Energie zu speichern und diese bei Bedarf kurzfristig und unabhängig von Wind und Wetter zur Verfügung zu stellen. Eine sichere Energieversorgung hängt nach wie vor von zuverlässigen und jederzeit verfügbaren Wasserkraftwerken ab. Die Wasserkraft-Spezialisten der ADAMS Schweiz AG entwickeln und produzieren hierfür seit nunmehr über 30 Jahren ein speziell auf die Kundenbedürfnisse ausgerichtetes Sortiment an Absperrklappen, Kugelschiebern und Kegelstrahlschiebern. Ob Neuarmatur oder Umbau: Je nach Auslegung des Kraftwerks werden individuelle Komplettlösungen, wie zum Beispiel Einlaufrohr, Armatur, Ausbaurohr, Auslaufrohr und Bypass entwickelt, die optimal auf die betrieblichen Anforderungen und Bedürfnisse des jeweiligen Kunden abgestimmt sind. Hergestellt werden diese Ausrüstungen ausschliesslich in unserem Werk im Prättigau oder bei Adams Armaturen GmbH im deutschen Herne. Umfassende Sicherheit für Wasserkraftwerke Das Wasserkraftprogramm von ADAMS umfasst den gesamten Bedarf von Absperrorganen oder Armaturen für Wasserkraftwerke, d.h. von der Rohrbruch- über die Turbinensicherung bis zum umweltgerechten Ablass von Wasser. Die Produkte stehen für höchste Sicherheit und absolute Zuverlässigkeit und garantieren einen dichten Abschluss auch bei äusserst anspruchsvollen Anwendungen. Vollständiges Produktportfolio Die Produktepalette von Adams umfasst alle für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb notwendigen Absperrorgane, deren Betätigung mit Hebel mit Gegengewicht, öl- oder wasserhydraulisch oder auch elektromechanisch erfolgt. • notschlusstaugliche Rohrbruchsicherungsklappen mit strömungsgünstig geformten Klappen in Einzel- oder Doppeldecker-Ausführung • Turbinen-Einlassklappen mit strömungsgünstig geformten Klappen in Einzel- oder Doppeldecker-Ausführung • Kugelschieber für kavitationsfreien Betrieb mit wasserhydraulisch gesteuerten metallischen Betriebs- und Service-Dichtringen. • Kegelstrahlschieber zur Energiever-

«Wasser Energie Luft» – 105. Jahrgang, 2013, Heft 1, CH-5401 Baden

Bild. Einheit Grundablass. nichtung bei Grundablässen von Staudämmen, deren Konzept einen kavitationsfreien Betrieb über einen breiten Regelbereich erlaubt. • wasserhydraulische, ölhydraulische oder elektromechanische Aggregate, Antriebe und Steuerungen • Zubehör wie Staupendel, Be- und Entlüftungsventile, Nadelventile, Ringkolbenschieber, Bypass, Ausbaurohr, Einbau- und Demontageflansche usw. Komplettanbieter für Neubau und Revision ADAMS ist von der Planung über die Produktion, Montage und Inbetriebnahme der fertigen Armatur ein kompetenter Partner, sowohl für kleinere Nennweiten und Druckstufen als auch für Anlagen mit bis zu 300 Tonnen Montagegewicht. Dazu gehört auch ein umfassender Kundendienst durch erfahrene Servicetechniker, sei es für Service-, Reparatur- oder Unterhaltsarbeiten. Ein weiteres Teilgebiet des Schweizer Armaturenspezialisten sind Revisionen und Umbauten von Absperrorganen und deren Steuerungen verschiedener Hersteller. Hierzu werden die Armaturen entweder demontiert und ins Werk überführt, oder die Revision erfolgt vor Ort. Teile und Komponenten werden gereinigt und geprüft, während Rissprüfungen, Ultraschallprüfungen entsprechend den einschlägigen Normen durchgeführt werden. Defekte oder beanstandete Teile und Elemente werden fachkundig ersetzt, repariert oder aufbereitet. Mit Qualität zum Erfolg Die internationale Kundenliste der ADAMS Schweiz AG umfasst mittlerweile mehrere namhafte europäische Energieversorger und Kraftwerksbetreiber. Durch seine übersichtliche Grösse ist der Betrieb in der Lage, rasch und unbürokratisch auch auf kurzfristige Kundenbedürfnisse zu reagieren.

Ouverture du Certificate of Advanced Studies CAS en revitalisation de cours d’eau. Une nouvelle formation continue de l’Ecole d’ingénieurs et d’architectes de Fribourg (EIA-FR) Elément clé des milieux naturels, le réseau des cours d’eau des régions urbanisées se distingue par une forte artificialisation. Face aux déséquilibres qui en résultent, la politique suisse en matière de protection des eaux vise à leur restauration dans un état aussi naturel que possible. Pour atteindre cet objectif, un renforcement des compétences professionnelles requises est nécessaire. Dans le cadre de la Haute Ecole Supérieure de Suisse Occidentale (HES-SO), l’Ecole d’ingénieurs et d’architectes de Fribourg (EIA-Fr) se propose d’y contribuer en organisant une formation continue dans le domaine de la revitalisation de cours d’eau.

Contexte de la revitalisation de cours d’eau Le réseau naturel des cours d’eau s’est développé à l’échelle géologique du temps (Fig. 1). Sa présence structure notre paysage et fait partie intégrante de l’histoire de l’humanité par les influences à la fois vitales et destructrices qu’elle exerce sur l’environnement. De tous temps, l’homme a essayé de tirer le meilleur parti du cycle de l’eau en intervenant parfois à grande échelle pour maîtriser sa force et sa disponibilité. Que ce soit par rétention, par dérivation, par endiguement ou autres actions, les générations successives ont fait preuve d’ingéniosité et d’audace pour relever ce défi. Durant les derniers siècles, les cours d’eau ont ainsi fait l’objet d’interventions diverses. Tantôt destinés à sécuriser le territoire contre les crues, tantôt à exploiter l’énergie hydraulique, les aménagements réalisés ont souvent introduit des perturbations profondes sur l’écosystème. Dans une perspective de remédiation, d’importantes mesures de revitalisation sont aujourd’hui prescrites par la loi fédérale sur la protection des eaux. Leur planification et leur réalisation requièrent des compétences spécifiques, à la hauteur de la complexité et de l’étendue de la tâche. La maîtrise des différents processus liés à la génération et au cheminement des flux ainsi qu’à leur impact environnemental est actuellement possible grâce aux progrès scientifiques et techniques récents. Les enseignements du passé peuvent aussi être mis à profit pour éviter la répétition d’erreurs avérées. La cohérence et l’équilibre d’un projet de revitalisation ne se révèlent pourtant qu’après plusieurs décennies, imposant un suivi actif pour garantir son réel succès. Objectifs et contenu de la formation La problématique de revitalisation des cours d’eau est pluridisciplinaire. Son approche nécessite de réunir les connaissances scientifiques et techniques de plusieurs domaines de compétences, avec pour noyau la biologie et l’hydrodynamique. L’objectif fondamental de

Figure 1. Confluence de la Sarine et de la Gérine dans le canton de Fribourg.

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Dazu gehört auch eine eigene Abteilung für die Konzipierung von hydraulischen Aggregaten, Steuerungen und Antrieben. Dadurch ist eine genaue Abstimmung auf die Armatur sichergestellt, aber auch, dass diese den spezifischen Erfordernissen des Kraftwerksbetreibers für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb entspricht. Der Erfolg von ADAMS Schweiz AG beruht auf bewährt schweizerischen Werten – Qualität, Innovation, Flexibilität und ein hervorragender Service. Verkaufsbüro: ADAMS Schweiz AG Austrasse 49, CH-8045 Zürich Tel. +41 44 461 54 15, Fax +41 44 461 50 20 Sitz und Werk: ADAMS Schweiz AG Badstrasse 11, CH-7249 Serneus www.adams-armaturen.ch

Nachrichten Figure 2. Revitalisation de la Gérine à Marly dans le canton de Fribourg.

Figure 3. Truites fario juvéniles (Photo K. Steffen) la formation proposée est de donner l’occasion aux spécialistes d’une discipline de s’initier et de se perfectionner aux domaines connexes, tout en intégrant les processus indispensables de dialogue et de communication. Le contenu du cours est subdivisé en 10 thèmes traités sur 2 journées chacun, euxmêmes répartis en trois volets : 1. Connaissances fondamentales : • Contexte global de la revitalisation • Mécanismes fluviaux • Ecologie et modélisation de l’hydrosystème • Modélisation hydrologique et hydraulique 2. Projet de revitalisation, gestion de pro jet et monitoring : • Projet de revitalisation de cours d’eau • Valorisation des potentiels dans les rivières • Gestion de grands projets • Monitoring de revitalisation 3. Etudes de cas, travaux pratiques en rivière : • Hydrométrie et alluvions de la Gérine • Ecologie de l’hydrosystème de la Singine Structure et organisation des cours Sous l’égide du Service de la formation continue de l’Ecole d’ingénieurs et d’architectes de Fribourg (EIA-Fr), la formation est organisée par le Conseil de di80

rection du CAS, constitué des 4 auteurs de cet article. L’enseignement se déroule sur 20 jours répartis de novembre 2012 à mai 2013. Donnés majoritairement en français, les cours ont généralement lieu à Fribourg (EIA-Fr). Profitant d’opportunités, certains thèmes sont délocalisés. Ainsi la biologie des poissons (Fig. 3) est traitée à Kastanienbaum, à l’Institut fédéral pour l’aménagement, l’épuration et la protection des eaux (EAWAG), la gestion de grands projet est donnée en Valais en lien direct avec la 3ème correction du Rhône et le génie biologique est enseigné à Genève avec une visite des travaux en cours pour la renaturation de l’Aire. La formation est ouverte aux personnes détentrices d’un Bachelor ou Master EPF, HES ou d’un titre universitaire équivalent dans le domaine d’étude. Elle est créditée de 10 unités ECTS (European Credit Transfert and accumulation System). Pour les obtenir, chaque participant-e consent un investissement de 300 heures de travail, dont 120 heures pour l’accomplissement d’un projet personnel en fin de cursus. Ce projet personnel s’inscrit en application des thématiques du cours. Il est proposé par l’étudiant-e, de sorte qu’il soit valorisable dans son activité professionnelle. Il est destiné à concrétiser, quelques étapes significatives de la gestion d’un projet de revitalisation de cours d’eau. Etudiants-es et enseignants-es La proposition de cette formation a reçu un accueil très favorable avec 32 personnes inscrites (Fig. 4). L’effectif en provenance de toute la Suisse occidentale, est caractérisé par une pyramide des âges bien établie et une diversité professionnelle qui couvre bien les disciplines du domaine : biologie, environnement, ingénierie. L’auditoire est composé de collaboratrices et collaborateurs des administrations communales, cantonales et fédérales concernées, de bureaux d’études spécialisés ainsi que de représentant-es d’organisations de protection de la nature. L’enseignement est donné sous forme de conférences, de cours ex cathedra et d’études de cas. Pas moins d’une trentaine de contributions sont apportées par des spécialistes renommés: Tony Arborino, Régine Bernard, Anne-Laure Besson, Jean-Louis Boillat, Hervé Capra, Olivier Ejderyan, Khalid Essyad, Rémi Estoppey, Roland Fäh, Pierre-André Frossard, Walter Gostner, Stéphane Goyette, Philippe Heller, Daniel Hersberger, Martin Jaeggi, Constance Jaillet, Fred Jordan, Jean-Pierre Jordan, Tobias Meile, Nicolas Mettan, Olivier Overney, Romaine Perrau-

din, Rudolf Pesch, Armin Peter, Alexandre Repetti, Jean-Marc Ribi, Christian Roulier, Anton Schleiss, Didier Tille, Zsolt Vecsernyés, Alexandre Vogel, Alexandre Wisard. De plus 4 jours de travaux pratiques en rivière sont organisés au printemps 2013. Ils sont destinés à se familiariser avec les méthodes et techniques d’acquisition de données concernant aussi bien l’écologie que la morphologie du milieu. Titre délivré et valorisation des travaux Le «Certificate of Advanced Studies HESSO en revitalisation de cours d’eau» est un titre officiel décerné par l’Ecole d’ingénieurs et d’architectes de Fribourg, reconnu par la Haute Ecole Spécialisée Occidentale (HESSO). Il est délivré aux candidat-es qui ont réussi les contrôles de connaissances ainsi que le travail personnel. Cette formation est soutenue par l’Office Fédéral de l’Environnement (OFEV) et par les associations professionnelles concernées: l’Association Romande pour le Protection des Eaux et de l’Air (ARPEA), l’Association Suisse pour l’Aménagement des Eaux (ASAE), l’Association pour le génie biologique et l’Association suisse des professionnels de la protection des eaux (VSA). Afin de garder une trace pérenne de cet enseignement, une contribution écrite est demandée à chaque intervenant-e. Les textes seront rassemblés dans un recueil qui comprendra une section réservée aux travaux personnels des étudiant-es. Ce livre sera présenté lors d’une journée de conférences qui se tiendra à l’EIA-Fr, sur le thème de la revitalisation de cours d’eau. Durant cette journée, qui se terminera par la remise des certificats, les travaux personnels des étudiant-es seront présentés. Conclusions S’agissant de la 1ère édition du CAS en revitalisation de cours d’eau, le Conseil de direction s’accordera un délai d’évaluation pour tirer le meilleur profit de cette expérience, en vue de la mise sur pied d’une 2ème édition, prévue à l’automne 2014. Auteurs : Dr. Jean-Louis Boillat, Expert en aménagements hydrauliques, Etoy Dr. Philippe Heller, e-dric.ch ingénieurs conseil, Le Mont-sur -Lausanne Dr. Jean-Marc Ribi*, Professeur EIA-Fr, Fribourg Dr. Zsolt Vecsernyés, Professeur hepia, Genève *Coordinateur du CAS en revitalisation de cours d’eau, pour adresse: jeanmarc.ribi@hefr.ch, Ecole d’ingénieurs et d’architectes de Fribourg, Pérolles 80, CH-1700 Fribourg, Suisse.

«Wasser Energie Luft» – 105. Jahrgang, 2013, Heft 1, CH-5401 Baden

Nachrichten

Neuer Ansprechpartner in der Schweiz für Wasserkraftwerksbau aus einer Hand Nachhaltiges Wirtschaften, der Tradition verpflichtet und die Zukunft stets im Blick: seit 2009 beliefert die Troyer AG den Schweizer Markt mit individuellen Konzepten und massgeschneiderten Gesamtlösungen. Nun findet sich mit der Tochterfirma des Sterzinger Familienunternehmens ein Ansprechpartner in Winterthur: die Troyer Suisse AG. Seit einigen Jahren sind die Sterzinger Turbinen- und Wasserkraftwerksbauer der Troyer AG auch in der Schweiz tätig und haben sich mit zwölf realisierten Anlagen und einer Gesamtleistung von 20 installierten Megawatt einen Namen gemacht. Der guten Zusammenarbeit mit Kunden und Behörden wurde nun Rechnung getragen, um die Prinzipien der Nachhaltigkeit und Voraussicht zu wahren, auf welche die Firma seit 80 Jahren grossen Wert legt: mit einem Firmensitz in Winterthur. Die Troyer Suisse AG ist eine eigenständige Tochtergesellschaft des Südtiroler Traditionsunternehmens und kümmert sich wie dieses um die komplette Planung und Errichtung von Turbinen und Wasserkraftwerken, von der Wasserfassung bis zum Netzanschluss. Mit dem Back Office im Zentrum von Winterthur setzt der Betrieb seit Juni 2012 verstärkt auf Kundenbetreuung und Service. Geschäftsführer ist Norbert Troyer, Verkaufsleiter der Firma Troyer AG Sterzing und Enkel des Firmengründers. Die Verkaufsleitung für die Schweiz übernimmt Dipl.-Ing. Michael Stumpf. Diplomiert in Maschinenbau und Fertigungstechnik, hat der gebürtige Belgier mit deutschem Pass und Wahlheimat Schweiz über 20 Jahre Erfahrung im Vertrieb von Maschinenanlagen vorzuweisen, und zwar auf dem europäischen, amerikanischen und afrikanischen Markt. Zum Jahresanfang 2013 kann sich das Unternehmen über zahlreiche unlängst erfolgreich verwirklichte Projekte freuen. Darunter sticht das Kraftwerk in Obermatt hervor, eine logistische Herausforderung, in welche das Unternehmen viel Herzblut gesteckt hat – was sich in einem hervorragenden Projektablauf und einem optimalen Ergebnis der thermodynamischen Wirkungsgradmessung niederschlug. Bei der Errichtung der fünf Turbinensätze in Flims wurde den individuellen Kundenwünschen sowie den Anforderungen der Bauleitung bis ins letzte Detail Rechnung getragen. Die baulichen Herausforderun-

Die Geschäftsleitung und ihre kompetente Rückendeckung: Das Verkaufsteam der Troyer AG/Troyer Suisse AG (4. v. r.: Norbert Troyer, rechts aussen: Dipl.-Ing. Michael Stumpf).

Der Firmensitz der Troyer Suisse AG, Tochtergesellschaft des Südtiroler Traditionsunternehmens Troyer AG, in Winterthur. gen bei der Turbinendimensionierung des Kraftwerks Wannebode wurden elegant gelöst, wie in unserer Dezemberausgabe 2012 nachzulesen war. Dies brachte dem Betrieb zu Recht viel Lob für das angewandte Know-how und die Erfahrung des Teams beim zügigen Arbeitsfortschritt während eines harten Winters ein. Für 2013 stehen nun bereits Projekte mit einer Gesamtleistung von über acht Megawatt in der Schweiz an. Voller Zuversicht blickt die Troyer Suisse AG in die Zukunft. Damit steht den Schwei-

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zer Planern und Wasserkraftinteressierten ein verlässlicher, kompetenter Partner mit langjähriger Erfahrung zur Seite. Troyer Suisse AG Bahnhofplatz 17, CH-8400 Winterthur www.troyer-suisse.ch info@troyer-suisse.ch

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Stellenangebot

Die Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW umfasst neun Hochschulen. An der Hochschule für Architektur, Bau und Geomatik, Institut Bauingenieurwesen, ist per 01.09.2013 folgende Stelle mit Arbeitsort Muttenz zu besetzen:

Professor/in Wasserbau Ihre Aufgaben: Leitung des Fachbereichs Wasserbau; eigenständige Erfüllung von Aufgaben in Lehre, Forschung, Dienstleistung und Weiterbildung; Lehre in den Themenbereichen Hydrologie, Hydraulik und konstruktiver Wasserbau; Betreuung von Projekt-, Bachelor- und Masterarbeiten; Akquisition und Leitung von Projekten in Forschung und Dienstleistung; Ausbau und Pﬂege des Beziehungsnetzes der interregionalen Bauwirtschaft; Mitgestaltung der Zukunft des Instituts; Führung von Mitarbeitenden des Mittelbaus Ihr Proﬁl: Studienabschluss als Bauingenieur/in (ETH, FH, TU) mit entsprechend technisch-wissenschaftlichem Nachweis der Befähigung zur Forschung; mehrjährige Berufspraxis in der Projektierung und Ausführung von Projekten im Wasserbau; Fachkompetenz und didaktisches Geschick für eine praxisbezogene Lehre; Initiative und ein Flair für angewandte Forschung und Entwicklung sowie Dienstleistung; Bereitschaft zur strategischen Weiterentwicklung des Instituts; Loyalität und Teamfähigkeit; Befähigung, zu einem späteren Zeitpunkt auch Führungsaufgaben am Institut zu übernehmen Ihre Bewerbung lassen Sie uns bitte vorzugsweise online über die gewünschte Ausschreibung unter www.fhnw.ch/offene-stellen zukommen. Alternativ können Sie Ihre Unterlagen auch direkt an Andreas Flück, HR-Verantwortlicher, Hochschule für Architektur, Bau und Geomatik FHNW, Gründenstrasse 40, 4132 Muttenz, senden. Nähere Auskünfte erteilt Ihnen gern Prof. Dr. Peter Gonsowski, Institutsleiter, T +41 61 467 4473. www.fhnw.ch

Die nächste Ausgabe von «Wasser Energie Luft» erscheint am Donnerstag, 13. Juni 2013

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«Wasser Energie Luft» – 105. Jahrgang, 2013, Heft 1, CH-5401 Baden

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«Wasser Energie Luft» – 105. Jahrgang, 2013, Heft 1, CH-5401 Baden

Nachrichten

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