Wasser Energie Luft 1/2015

1-2015

Bachforellen vor Leiteinrichtung am VAW-Modell (Foto: David Flügel, EAWAG)

12. März 2015

· Fischabstieg bei Flusskraftwerken · Transitoires hydrauliques · Unwetterschäden 2014 · Zukunft des Wasserbauers

Das Schweizerische Talsperrenkomitee beabsichtigt, auch im Jahr 2016 einen Talsperrenkalender mit je 13 Blättern (Bild und Text, inklusive Titelblatt) herauszugeben.

Dazu werden Bilder der Schweizer Talsperren: Aubonne · Carmena · Châtelot · Ferpècle · Garichte · Gebidem · Gelmer · Göscheneralp · Laufenburg · Lucendro · Mauvoisin · Schräh · Spitallamm · Verbois und Z’Mutt, gesucht.

Um allen Interessierten eine Chance zu geben, sich an diesen Kalendern zu beteiligen, führt das Schweizerische Talsperrenkomitee auch 2015 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 30. Juni 2015 an: Schweizerisches Talsperrenkomitee · z.H. Herr B. Joos c/o Stucky SA · Rue du Lac 33 · CH-1020 Renens Le Comité suisse des barrages envisage de publier en 2016 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: Aubonne · Carmena · Châtelot · Ferpècle · Garichte · Gebidem · Gelmer · Göscheneralp · Laufenburg · Lucendro · Mauvoisin · Schräh · Spitallamm · Verbois et Z’Mutt.

Pour donner une chance à chacun de participer à ce calendrier, 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 13 mois, ainsi que pour la photo de garde du calendrier.

Les photos sont à envoyer jusqu’au 30 juin 2015 à: Comité suisse des barrages · Att. M. B. Joos c/o Stucky SA · Rue du Lac 33 · CH-1020 Renens

II

TALSPERRENKALENDER 2016

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

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

Editorial Freie Wanderung?

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Roger Pfammatter Geschäftsführer SWV, Directeur ASAE

ie Gesetzgebung der Schweiz verlangt die Wiederherstellung der freien Wanderung für die rund 80 Fischarten in unseren Gewässern. Die meisten Hindernisse resultieren zwar aus Schwellen zur Sohlsicherung oder Abstürzen im Gerinne, dennoch betreffen die Forderungen natürlich auch die Wasserkraftwerke. Und sie stellen diese vor grosse und zuweilen (noch) unlösbare Probleme. Ein Wasserkraftwerk führt zwangsläufig zu einem Unterbruch im Fliesskontinuum. Insofern sind Forderungen nach einer «freien» Wanderung im engeren Sinne natürlich nicht erfüllbar. Es kann bestenfalls darum gehen, für Arten, deren Populationserhalt zwingend von Wanderungen über die Kraftwerksstufen abhängt, solche Passagen soweit möglich und verhältnismässig zur Verfügung zu stellen.

Für die Aufwärtswanderung existieren an den meisten Kraftwerken und teilweise seit Jahrzehnten funktionierende technische Anlagen oder Umgehungsgewässer. Die Gewährleistung einer schonenden Abwärtswanderung stellt dagegen eine ungleich grössere Herausforderung dar: Fische orientieren sich an der Hauptströmung und diese führt in der Regel durch die Turbinen oder bei Überfall übers Wehr.

Zwar sind beide Passagen je nach Maschinentyp und Druckverhältnissen durchaus funktionierende Wege.

Aber ob damit den gesetzlichen Vorgaben bei einzelnen Anlagen bereits genüge getan ist, bleibt mangels quantifizierter Vorgaben noch unklar. Es braucht mehr Forschung: zum Wanderverhalten der Fische und zu möglichen technischen Lösungen.

Einen wesentlichen Beitrag liefert dabei das von den Kraftwerksbetreibern vor rund fünf Jahren initiierte Forschungsprojekt zur Untersuchung von Leitrechen bei grossen Flusskraftwerken. Das Projekt ist inzwischen abgeschlossen und hat auf Stufe Labor durchaus interessante Resultate hervorgebracht (vgl. dazu den Fachartikel ab Seite 17 in diesem Heft). Die Arbeiten zeigen aber insbesondere auch, dass wir noch sehr wenig wissen und bei grossen Anlagen meilenweit von einem technischen Standard entfernt sind. Gesucht sind weiterhin verhältnismässige Lösungen, die weder zu relevanten Verlusten von erneuerbarer Produktion noch zu einer Schmälerung von Verfügbarkeit und Einsatzsicherheit der Kraftwerke führen. Angesichts der meist riesigen Investitionen ist dabei der ökologischen Notwendigkeit und Wirksamkeit mehr Aufmerksamkeit zu schenken.

Migration libre?

La législation suisse exige la restauration de la libre migration pour les 80 espèces piscicoles présentes dans nos cours d’eau. Bien que la plupart des obstacles soient constitués de seuils pour la consolidation des lits ou de chutes le long des cours d’eau, les exigences touchent bien sûr aussi les centrales hydroélectriques. Et celles-ci posent des équations difficiles et parfois (encore) insolubles. Une centrale hydroélectrique conduit inévitablement à une rupture dans la continuité du cours d’eau. À cet égard, les revendications pour une migration «libre» au sens strict du terme ne peuvent être satisfaites. Au mieux, des passages peuvent être mis en place pour les espèces dont la population dépend nécessairement de la migration à travers les infrastructures d’une centrale.

Pour la migration vers l’amont, la plupart des centrales disposent d’installations techniques adéquates ou un cours d’eau de contournement. Cependant, la garantie d’une migration en douceur vers l’aval est un défi bien plus conséquent: les poissons suivent le courant principal, qui en règle générale passe à travers les turbines ou au-dessus du barrage en cas de déversement. Ces deux passages sont es-

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

sentiellement des voies opérationnelles définies par le type de machines et les rapports de pression. En raison de l’absence d’objectifs quantifiables, il persiste un flou sur la question si les exigences légales soient remplies. Dans l’intervalle, plus de recherche sur le comportement migratoire des poissons et sur des solutions techniques potentielles sont nécessaires.

A cette fin, un projet de recherche initié il y a cinq ans par les exploitants de centrales fournit un apport significatif. Le projet est désormais terminé et des résultats intéressants expérimentés en laboratoire ont été dévoilés à propos des grilles de direction pour les grandes centrales hydroélectriques (cf. l’article dès la page 17 de ce numéro). Cependant, les travaux montrent notamment que nos connaissances sont encore limitées et que nous sommes loin d’une standardisation technique pour les grandes installations.

Des solutions proportionnées ne causant ni pertes de production ni affaiblissement de la fiabilité opérationnelle des centrales sont toujours recherchées. Enfin, compte tenu des énormes investissements, il s’agit également de prêter une plus grande attention à la nécessité et à l’efficacité écologique.

III

Inhalt

1l2015

1

Störfall vom 30. März 2013 bei der Staumauer Punt dal Gall Giovanni De Cesare, Nora Altenkirch, Anton Schleiss, Michael Roth, Peter Molinari, Marcel Michel

9

Simulation numérique des transitoires hydrauliques pour répondre aux nouvelles exigences des réseaux électriques Christophe Nicolet, Eric Vuignier 5

17

Massnahmen zur Gewährleistung eines schonenden Fischabstiegs an grösseren mitteleuropäischen Flusskraftwerken Carl Robert Kriewitz, Ismail Albayrak, David Flügel, Tamara Bös, Armin Peter, Robert M. Boes

29

Hydroökologie und nachhaltiges Auenmanagement – 2D-Modellierung und räumliche Multikriterienanalyse zur Entscheidungshilfe bei Revitalisierungen Michael Doering, Martina Blaurock, Silvia Oppliger, Steffen Schweizer 10

37

Methode zur Beurteilung des maximalen Breschenabflusses bei progressivem Bruch homogener Erdschüttdämme an kleinen Stauhaltungen Lukas Vonwiller, David Vetsch, Samuel Peter, Robert M. Boes

44

Dynamique des vagues et revitalisation des rives Andreas Huber 23

45

IV

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

Inhalt

1l2015

Unwetterschäden in der Schweiz im Jahre 2014 – Rutschungen, Murgänge, Hochwasser und Sturzereignisse Norina Andres, Alexandre Badoux, Christoph Hegg

47

André Gardel: Ingenieur und Hydrauliker Willi H. Hager

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Zukunft des Schweizer Wasserbauingenieurs Roger Bremen

60

Nachrichten Politik Energiewirtschaft Wasserkraftnutzung Wasserbau/Hochwasserschutz Gewässer/Revitalisierung Mitteilungen der Verbände Rückblick Veranstaltungen Veranstaltungen Agenda Literatur

65 65 65 66 68 69 71 72 77 78 79

Branchen-Adressen

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Impressum

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«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

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«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

Störfall vom 30. März 2013 bei der Staumauer Punt dal Gall Giovanni De Cesare, Nora Altenkirch, Anton Schleiss, Michael Roth, Peter Molinari, Marcel Michel

Zusammenfassung Am Osterwochenende 2013 kam die Restwasserdotierung im Spöl, einem Gebirgsbach im Schweizerischen Nationalpark, unerwartet zum Erliegen. Die daraufhin eingeleitete Öffnung des Grundablasses der Stauanlage Punt dal Gall der Engadiner Kraftwerken AG, (EKW), führte zwar zu einer Wiederbenetzung des Bachbettes, zeitgleich wurden aber auch enorme Mengen an Feinsedimenten in den Spöl eingetragen. Diese beiden Vorfälle im Bereich der Stauanlage führten zu einer massiven Beeinträchtigung der aquatischen Lebensgemeinschaft im Spöl.

Als unmittelbare Massnahmen wurden der Turbinenbetrieb in Ova Spin eingestellt, der ungewöhnlich tiefe Wasserstand des Stausees Livigno angehoben und der Spöl mit erhöhten und variierenden Dotierwassermengen beschickt. Zudem wurde eine Task-Force für die weitere Lagebeurteilung und unmittelbare Zustandserhebung einberufen.

Eine erste Begutachtung des Spöls zeigte, dass der Umweltunfall zu einem starken Eintrag von Feinsedimenten in das Bachbett geführt hatte. Insbesondere im oberen Drittel des betroffenen Gewässerabschnitts wurden die Benthosbesiedlung und der Fischbestand erheblich geschädigt. Ein anfänglich kommunizierter «ökologischer Gau» bzw. Totalausfall beim Fischbestand konnte allerdings nicht festgestellt werden.

Die allmähliche Erholung der Gewässerökologie konnte in den Folgeuntersuchungen vom Herbst 2013 und Frühjahr 2014 bestätigt werden. Die untersuchten Fische waren bei sehr guter Kondition, und hatten wieder die gesamte Länge des oberen Spöl besiedelt. Die Präsenz von natürlich aufkommenden Jungfischen lässt die Hoffnung zu, dass sich der Fischbestand, der derzeit bei rund 50% des Ausgangszustands liegt, in den nächsten Jahren gänzlich erholen wird.

Die EPFL in Lausanne hat die möglichen Ursachen ergründet, welche zum Umweltereignis geführt haben. Die Studie ist zum Schluss gekommen, dass der ausserordentlich tiefe Seestand, der jedoch noch 18 m über dem konzessionierten Absenkziel lag, zur Freilegung grosser Flächen an abgelagerten Sedimenten führte. Durch sogenannte Trübeströme gelangten, auch auf Grund des normalen Weiterbetriebs der Anlage, grosse Sedimentfrachten entlang des Seegrunds innerhalb kürzester Zeit bis zum Grundablass und zur Dotierfassung. Dieser Vorgang führte zu ersten, grösseren Einträgen von Feinsedimenten über die Dotiervorrichtung in den Spöl und zur zeitweisen Verstopfung derselben, ohne dass dies die installierte Abflussmessung registrierte.

Folge war die Trockenlegung des Spöls unterhalb der Staumauer. Die Feststellung dieser unzulässigen Situation führte zum Entscheid, den Grundablass zu öffnen. Aus betriebstechnischer Sicht war dieser Entscheid korrekt und notwendig, um die Sicherheit der Anlage zu garantieren, sowie die Dotiereinrichtung vom blockierenden Material wieder zu befreien.

Der zuvor erwähnte weitere Austritt von Feinsedimenten in

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

Résumé Le weekend de Pâques 2013, le débit résiduel dans le Spöl, le cours d’eau principal du Parc National Suisse s’est tarit soudainement. L’ouverture consécutive de la vidange de fond du barrage de Punt dal Gall des Forces Motrices d’Engadine SA EKW a permis de rétablir l’écoulement dans le lit du cours d’eau, mais a introduit en même temps de grandes quantités de sédiments fins dans le Spöl. Ces deux évènements ont provoqué une atteinte massive à la faune et la flore aquatique du Spöl en aval du barrage.

Comme mesures immédiates, le turbinage à la centrale de l’Ova Spin a été interrompu, le niveau inhabituellement bas du réservoir de Livigno a été rehaussé et le débit résiduel dans le Spöl a été augmenté et modulé. En outre, un groupe de travail a été constitué pour une évaluation plus approfondie de la situation et pour un relevé de l’état de la rivière.

Une première évaluation de l’état du Spöl a montré que l’accident écologique a conduit à un colmatage important du lit de la rivière. La faune benthique ainsi que la population piscicole ont subi des dégâts considérables particulièrement dans le tiers supérieur du tronçon de cours d’eau touché. La mégacatastrophe écologique, respectivement l’anéantissement complète de la population piscicole, initialement communiquée n’a cependant pu être constatée.

La régénération écologique progressive du système aquatique a également été confirmée dans les études ultérieures effectuées à l’automne 2013 et au printemps 2014. Les poissons examinés ont été en très bonnes conditions physiques et leur présence était confirmée sur toute la longueur du Spöl supérieur. La présence de juvéniles, émergents naturellement, permet d’espérer que la population piscicole, qui s’élève actuellement à environ 50% de l’état initial, va récupérer intégralement dans les années à venir.

L’EPFL à Lausanne a examiné les causes potentielles qui ont conduit à l’accident écologique. En conclusion, c’est le niveau d’eau exceptionnellement bas du réservoir de Livigno, toutefois encore 18 m plus haut que le niveau minimal d’exploitation selon la concession, qui a permis d’exposer des grandes surfaces de dépôts de sédiments; cela dans des conditions d’exploitation normale de l’aménagement hydroélectrique. Des courants de turbidité ont pu transporter en très peu de temps des grandes quantités de sédiments fins le long du talweg jusqu’à la vidange de fond et l’entrée de la dotation. Cette dernière déversait dans un premier temps de grandes quantités de matières fines dans le Spöl, pour ensuite s’obstruer temporairement sans que cela ait été détecté par l’instrumentation de mesure du débit en place.

Le résultat était un tarissement du Spöl en aval du barrage. Le constat de cette situation inadmissible a conduit à la décision de l’ouverture de la vidange de fond. Du point de vue technique et d’exploitation, cette décision était correcte et nécessaire afin de garantir la sécurité de l’aménagement et de libérer la

1

den Spöl war jedoch die Konsequenz. Folgende Massnahmen wurden definiert, um zukünftig ähnliche Ereignisse verhindern zu können: • Verzicht auf ein Absenken des Wasserstands im Stausee Livigno unter 1735 m ü.M. • Weiterführung der bisherigen künstlichen Hochwasser • Installation eines redundanten Abflussmesssystems in der Dotiereinrichtung mit kontinuierlicher Trübemessung • Höhersetzung des Einlaufs zum Dotiersystem

1.

Ausgangslage Am Samstag, den 30. März 2013 ist es im Bereich der Stauanlage Punt dal Gall im Schweizerischen Nationalpark (SNP) zu einem Zwischenfall bei der Engadiner Kraftwerke AG (EKW) mit gravierenden ökologischen Folgen gekommen.

Das Dotierwasser war mit grossen Mengen von Feinsedimenten belastet, welche im Spölbett unterhalb der Staumauer abgelagert wurden und schliess-

dotation de son obstruction. Le déversement supplémentaire de grandes quantités de matières fines dans le Spöl a été la conséquence.

Les mesures suivantes ont été définies afin d’éviter de futurs événements similaires : • Renonciation d’abaisser le niveau du réservoir de Livigno en-dessous de 1735 m s.m.

• Poursuite des lâchés de crues artificielles • Installation d’un système redondant de mesure du débit avec évaluation de la turbidité en continu • Surélévation de la prise d’eau de dotation

lich zur Verstopfung der Dotieranlage und zum Erliegen der Restwasserabgabe führten. Die nachfolgende Öffnung des Grundablasses führte auf der Restwasserstrecke zwischen Punt dal Gall und dem Ausgleichsbecken Ova Spin im Schweizerischen Nationalpark zu einem zusätzlichen Eintrag von sehr feinen Sedimenten.

Durch die hohe Sedimentfracht wurde die aquatische Lebensgemeinschaft im Spöl stark in Mitleidenschaft gezogen. Das Er-

eignis schlug hohe Wellen in der Öffentlichkeit.

1.1

Stausee Livigno – Staumauer Punt dal Gall Das imposanteste EKW-Bauwerk ist ohne Zweifel die doppelt gekrümmte 130 m hohe Bogenstaumauer Punt dal Gall mit einer Kronenlänge von 540 m. Die Hälfte der Mauer und der grösste Teil des Stausees Livigno liegen auf italienischem Staatsge-

Bild 1. Mediendarbietung des Störfalles am Beispiel der «Südostschweiz» vom 2. April 2013.

2

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

biet. Der See erstreckt sich beim Stauziel von 1804.7 m ü.M. auf 9 km Länge im Val di Livigno gegen das Dorf Santa Maria di Livigno und auf 4.5 km Länge ins Val del Gallo und verfügt über einen Nutzinhalt von 164 Mio. m3. Die Hauptaufgabe des Stausees ist die Speicherung der im Sommer anfallenden Wassermassen, sodass in den Wintermonaten die gespeicherten Wassermengen für die Stromproduktion genutzt werden können. Ein Dotierkraftwerk mit zwei Francis Turbinen und einer installierten Leistung von 2.4 MW am Fuss der Mauer nutzt das Restwasser vor der Rückgabe in den Unterlauf des Spöl.

Das gespeicherte Wasser des Stausees Livigno wird der Zentrale Ova Spin, die an der Luftseite der gleichnamigen Staumauer liegt, durch einen 7.6 km langen Druckstollen zugeführt. Mit den beiden Maschinengruppen, die als Turbinen wie auch als Pumpen funktionieren, können bis zu 32 m3 Wasser pro Sekunde mit einer Gesamtleistung von rund 50 MW turbiniert bzw. gepumpt werden. Das nutzbare Gefälle beträgt je nach Seestand zwischen 105 und 205 m. Die mittlere Jah-

resenergieproduktion beträgt 100 GWh. Dank dem grossen Nutzvolumen und der Möglichkeit die hohen Sommerzuflüsse des Inn von Ova Spin nach Livigno zu pumpen, trägt EKW wesentlich dazu bei, im Sommer anfallende erneuerbare Energie für das Winterhalbjahr zwischenzuspeichern.

1.2

Der Spöl im Schweizerischen Nationalpark Der Spöl ist das Hauptgewässer des Schweizerischen Nationalparks. Seine Quellbäche liegen grösstenteils auf italienischem Gebiet zwischen der Forcola di Livigno und dem Valle di Fraèle. Bei Livigno speisen der Alto Spöl und die Acqua del Gallo den 4.7 km2 grossen Livigno-Stausee, den sie als «Oberer Spöl» durch die Dotieranlage an der Staumauer Punt dal Gall wieder verlassen. Von hier aus durchfliesst der Bach ein tief eingeschnittenes Tal bis zum EKW-Ausgleichsbecken in Ova Spin. Unterhalb der Staumauer Ova Spin verläuft der «Untere Spöl» nochmals in einer Schluchtstrecke, bevor er in Zernez in den Inn fliesst. Durch die Wasser-

kraftnutzung hatte der Spöl an Dynamik verloren; das gesetzliche Restwasser erlaubte es nicht mehr, Geschiebe bedeutend zu mobilisieren. Die Gewässersohle verdichtete sich durch Abpflästerung. In den 1990er-Jahren kam die Forschungskommission des Nationalparks auf die Idee, mit künstlichen Hochwassern die Ökologie des Spöls, insbesondere die Geschiebedynamik, zu verbessern. Nach einem mehrere Jahre dauernden Prozess der Annäherung zwischen der Elektrizitätswirtschaft und dem Naturschutz wurde schliesslich mit EKW vereinbart, den Spöl ab dem Jahr 2000 zwei- bis dreimal jährlich mit einer grösseren Menge des im Stausee-Livigno gespeicherten Wassers durchzuspülen (Scheurer und Molinari, 2003).

Diese künstlichen Hochwasser beleben inzwischen zwei- bis dreimal pro Jahr den Spöl und gelten gemäss Verfügung der Konzessionsbehörde aus dem Jahr 2011 als Sanierung der Wasserfassung Punt dal Gall gemäss GSchG Art. 80 ff. Seither hat der Fluss wieder die Dynamik eines Gebirgsflusses, auch die für ein alpines Gewässer typischen Lebewesen kehrten wieder zurück (Robinson und Doering, 2013). Das ökologische Vorzeigeprojekt am Spöl galt und gilt weiterhin als Paradebeispiel dafür, dass Ökologie und Wasserkraftnutzung gemeinsam möglich sind.

2.

Bild 2. Übersicht der Anlagen der Engadiner Kraftwerke AG, die Restwasserstrecke des Spöls führt vom Stausee-Livigno bis zum Ausgleichsbecken Ova Spin (rot markiert) durch den Schweizerischen Nationalpark (schraffiert).

Bild 3. Luftbild des unteren Teils des Stausees-Livigno mit der Staumauer Punt dal Gall (Foto: Ruedi Haller, Schweizerischer Nationalpark).

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Zeitliche Abfolge der Vorkommnisse von Ende März 2013 In der Nacht vom 29. zum 30. März kam es zum Ausfall der Dotierwasserabgabe aus dem Stausees-Livigno bei Punt dal Gall in den Spöl. Hohe Konzentrationen von Feinsedimenten führten zur Abgabe von mit hohem Feststoffanteil belastetem Wasser in den Spöl. In Kombination mit

Bild 4. Der Spöl im Schweizerischen Nationalpark, dank künstlichen Hochwassern ein relativ dynamischer Bergbach (Foto: Hans Lozza, Schweizerischer Nationalpark).

3

Geschwemmsel führte dies schliesslich zur zeitweiligen Verstopfung der Dotieranlage. Es konnte folgende zeitliche Abfolge belegt werden: • 30.03.13: Vormittag: Tote Fische im BAusgleichsbecken Ova Spin • 30.03.13: Vormittag: Nationalpark meldet, dass kein Restwasser im Spöl unterhalb Punt dal Gall fliesst • 30.03.13: Mittag: Öffnung des Grundablasses, mit grossem Sedimentaustrag als Folge • 31.03.13: (Ostern): Amt für Jagd und Fischerei, Nationalpark und EKW entscheiden, eine gemeinsame Medienmitteilung auszusenden • 01.04.13: Gemeinsame Medienkonferenz Mit der am 30.03.13 durchgeführten Öffnung des Grundablasses wurde die Anlage freigespült und somit wieder betriebsbereit gemacht. Dabei wurde allerdings zusätzlich zu den bereits über die Restwasserabgabe eingetragenen Sedimenten eine grosse Menge an Feinsedimenten in den Spöl eingebracht, was dort erhebliche Ablagerungen mit einer starken Beeinträchtigung des Gewässerökosystems verursachte. Das Zusammenspiel des Sedimentdurchganges durch die Dotiereinrichtung, deren Ausfallen und die nachfolgende Öffnung des Grundablasses wurde in den Medien als «Öko-Unfall am Stausee Punt dal Gall» bezeichnet.

Die Abflussmessung in der Dotiereinrichtung erfolgte kontinuierlich nach dem Venturi-Prinzip, was dem Stand der Technik entspricht. Diese Messtechnik zeigte nach der Verstopfung der Dotiereinrichtung weiterhin einen «Abfluss» in der vorgegebenen Grössenordnung an, sodass der Ausfall des Dotiersystems in der Leitzentrale nicht ohne Weiteres bemerkt werden konnte.

Die weitere Bewältigung des Ereignisses kann wie folgt zusammengefasst werden (Task-Force Spöl, 2014): • Bildung einer Task-Force Spöl (Behörden, Nationalpark, Forschung und EKW) • Ökologische Schadensaufnahme im Spöl • Spülung des Spöl mit künstlichem Hochwasser am 9. Juli 2013 • Klärung der technischen Ursachen, Auftrag an die EPFL • Verfolgung der Flora- und Fauna-Entwicklung • Eröffnung und spätere Einstellung einer Strafuntersuchung • Zustandsaufnahme nach einem Jahr

4

3.

Ursachenklärung Die Aufarbeitung des Unfalls zeigt die mutmassliche Abfolge von wahrscheinlichen Ereignissen, welche im Stausee Livigno stattgefunden und zu den Problemen am Grundablass und Dotierwassereinlauf geführt haben. Doch zuerst werden im Folgenden die beteiligten Faktoren beschrieben und diskutiert.

3.1 Externe Umstände Die Untersuchung der meteorologischen und betrieblichen Randbedingungen vor und während dem Ereignis zeigte keinen direkten kausalen Zusammenhang mit dem Zwischenfall am Stausee Livigo. Ein einzelnes hydrologisches Ereignis wie ein Hochwasser, starke Temperaturschwankungen, Schneeschmelze oder starker Niederschlag konnten als Auslöser ausgeschlossen werden.

Die Auswertung der Betriebsdaten zeigte ebenfalls kein gleichzeitiges betriebliches Ereignis (Anfahren, respektive Abstellen der Turbinen oder Pumpen, Fehlmanipulation) als Auslöser auf.

Der kalte und lange Winter 2012– 13 ging bis weit in die letzten Märztage.

Diese damals vorherrschenden klimatischen Bedingungen in Zusammenwirkung mit den Normalbetrieb der EKWKraftwerksanlagen führten zu einem ungewöhnlich niedrigen Wasserstand von 1718 m ü.M. im Stausee-Livigno. Dieser Wert lag jedoch immer noch deutlich über dem konzessionierten Absenkziel von 1700 m ü.M. Gemäss der Statistik des Bundesamtes für Energie (BFE) war im langjährigen Vergleich Ende März 2013 der Füllungsgrad der Schweizer Speicherseen

mit knapp 10% auf dem tiefsten je beobachteten Stand.

Insbesondere der geringe natürliche Wasserzufluss, welcher auf den schwachen Niederschlag und die verspätete Tauperiode zurückzuführen ist, beschleunigte das Absinken des Wasserstands im Stausee Livigno, wodurch abgelagerte Sedimente frei gelegt wurden.

Der Zufluss von ca. 1 m3/s je Seearm war gering. Es war insofern nicht möglich, in kurzer Zeit eine grössere Menge an Sedimenten bis zur Staumauer und dem Grundablass zu transportieren, also über eine Distanz von mehr als einem Kilometer im verbleibenden Stausee. Dies jedoch wäre eine Voraussetzung für eine rasche Verstopfung der Dotiereinrichtung gewesen.

Somit wurden im Rahmen der Untersuchung plausible Szenarien ermittelt, welche zu erklären vermochten, wie grössere Sediment- und Wassermengen schubartig in den verbleibenden Stausee eingetragen wurden. Als wahrscheinlichstes Szenario stehen stark konzentrierte Unterwasserlawinen, sogenannte Trübeströme, im Vordergrund, welche entlang des Seegrunds innerhalb kürzester Zeit bis zum Grundablass und zur Dotierfassung gelangten.

3.2 Feststofftransport im Stausee Ein Trübestrom entspricht einem lawinenartigen Unterwasserabfluss von stark sedimenthaltigen Wassermassen. Die in Suspension befindlichen Feinsedimente mit einer maximalen Korngrösse von ca.

100 μm erhöhen dabei die Dichte des Stroms im Vergleich zum umgebenden

Bild 5. Der Ende März 2013 festgestellte tiefe Seestand (rot markiert) im Vergleich zum vorjährigen und mittleren Seestand (grün markiert).

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Bild 6. Trübestrom im Labor (Foto: Giovanni De Cesare, EPFLLCH).

Wasser und beschleunigen diesen so (De Cesare, 1998). Trübeströme sind normalerweise von der Wasseroberfläche her kaum sichtbar.

Dieses natürliche Phänomen der Trübeströme in Stauseen konnte anhand einer numerischen 3D-Simulation nachvollzogen werden. Doch musste zuerst ermittelt werden, wie überhaupt die Sedimente in grossen Mengen eingetragen wurden.

Die Tatsache, dass der Wasserstand am 29. März 2013 auf den niedrigen Stand von 1720 m ü.M. gefallen war, führte zu der Freilegung von feinen abgelagerten Sedimenten oberhalb dieses Stauspiegels. Der geringe Zufluss von ca.

1–2 m3/s aus dem Gallo- und Spölarm zusammen reichte jedoch nicht aus, um die Sedimentablagerungen massiv zu erodieren und weiter zu transportieren. Es bildeten sich tiefe Rinnen in die mit Schnee und Eis bedeckten Sedimentschichten, welche sehr gut in Bild 7 zu sehen sind. Da die Temperaturen zu diesem Zeitpunkt mit einem Minimum von ca. -5° C nicht sehr tief waren, konnten die sehr rasch freigelegten Sedimentablagerungen nicht gefrieren und somit stabile Böschungen bilden.

Aufgrund von Beobachtungen in ähnlichen Fällen ist bekannt, dass die steilen, seitlichen Abhänge dieser Einschnitte einstürzen und lokale Rutschungen verursachen können. Solche Phänomene lassen sich auf Bild 7 ebenfalls erahnen.

Diese Erkenntnisse führten zusammen mit dem vorliegenden Datenmaterial zu der Vermutung, dass eine oder mehrere solcher Rutschungen zu einer lokalen Aufschüttung resp. Dammbildung und in der Folge zu einer Anstauung von Wasser in den natürlich gebildeten Gräben führten. Wenn nun der durch seitliche Einbrüche gebildete Damm bricht und sich das

Bild 7. Freigelegtes Sediment oberhalb 1720 m ü.M. im Gallo Zufluss, das Wasser formte ein schluchtartiges Gerinne durch die Sedimente (Foto: EKW Anfang April 2013.)

dahinter angestaute Wasser schwallartig entlädt, können die angesammelten Sedimente mitgerissen werden. Diese Gräben wiesen eine durch Seegrundaufnahmen (Métrailler, 2013) erfasste, geschätzte Tiefe von ca. 2 bis 4 m auf, mit einer Breite von ca. 5 bis 20 m auf einer Länge von über 1 km im Galloarm, respektive ca. 2 km im Spölarm. Dadurch ergab sich ein geschätztes erodiertes Volumen von ca. 12 000 m3 pro Seearm. Da der Aufwand einer 3D-numerischen Simulation mit Sedimenttransport relativ gross ist, wurden die Modellierungen lediglich für den Galloarm vorgenommen. Die folgenden Ausführungen basieren auf diesen Untersuchungen. Eine Modellierung für den Spölarm würde keine davon abweichenden Erkenntnisse bringen.

Es wurden verschieden Szenarien entworfen, welche eine realistische Abschätzung der sprunghaft mobilisierten Wasser- und Sedimentmenge erlauben.

Die Topographie des Seebodens spielt eine wichtige Rolle für die Auswahl der Szenarien, da sie entscheidenden Einfluss auf die Dimensionen eines potenziellen, durch Rutschungen entstandenen Dammes und das dahinter aufgestaute Volumen hat.

Für jede potenzielle Bruchstelle

wurde das aufgestaute Volumen berechnet. Zusammen mit den Kenngrössen des gebildeten Dammes konnte in Folge eine Ganglinie für jede Sedimentfracht fallweise ermittelt werden. Für die Berechnung wurden die Gleichungen von Froehlich (1995a, b, 2008) und des Bureau of Reclamation (1982) benutzt, welche für den Fall gelten, dass ein Damm an einer Stelle durch Breschenbildung erodiert und es zum Durchbruch kommt. Als Resultat ergibt sich die Bruchformationszeit Tf (time to failure), die Durchschnittsbruchbreite Bave (average breach) sowie der maximale Abfluss Qp (peak discharge) (Xu and Zhang, 2009; Wahl, 2004).

Somit konnte als obere Randbedingung des numerischen Modells eine Reihe von Wasser- und Feststoffganglinien definiert werden. Diejenigen mit dem grössten Sedimentvolumen respektive grössten Abfluss wurden für die numerische Simulation weiterverwendet.

3.3 Numerische Simulation Die numerische Modellierung wurde mit der Strömungssimulationssoftware Flow-3D durchgeführt. Flow-3D basiert auf einem strukturierten Berechnungsgitter (Finite Differenzen) und dem Volume of Fluid-(VOF-)Verfahren und bietet eine

Bild 8. Beispiel eines Zufluss-Szenarios für Wasser (V = 1009 m3) und Sediment (VS = 878 m3).

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5

Bild 9. Bild der Seegrundaufnahmen mittels eines Fächerecholots von Hydro-Exploitation im Bereich der Staumauer (Métrailler, 2013).

a

b Bild 10. Bild der Unterwasseraufnahme (Sonarbild) des Grundablasses und Dotiereinlaufes (a) sowie deren Integration im numerischen Modell (b).

Bild 11. Bild des Trübestroms am Grund des Gallo-Arms, eingefärbt mit der mittleren Fliessgeschwindigkeit.

6

breite Palette an Simulationsmöglichkeiten.

Das numerische Modell des Geländebodens wurde auf Basis der Seegrundaufnahmen vom Mai 2013 (Métrailler, 2013, Bild 9) und denen aus dem Jahr 1971 (Digitalisierter Höhenlinienplan im Massstab 1:2000) erstellt. Der ältere Seeboden wurde während der Simulation als untere, feste Grenze verwendet, während der darüber liegende Seeboden von 2013 die Mächtigkeit der Sedimentschicht definiert. Die Geometrie der Staumauer, des Grundablasses, Dotierablasses und der Seegrundtopographie wurde mithilfe von AutoCad 3D in Flow-3D als Stereolithographie Dateien importiert. Die Geometrie der Bauwerke basiert auf den Ausführungsplänen (Grundriss im Massstab 1:100).

Sie wurden zusätzlich zum Seegrund im Modell einfügt.

2010 wurden Bodenproben vom Seegrund des Stausees entnommen und im Labor analysiert (UniBern, 2010). Eine Probe wurde jeweils im Spölarm, vor der Staumauer und aus dem Galloarm entnommen. Die durchschnittliche Grösse der Sedimentkörner der Ablagerungen im Galloarm beträgt dm = 0.013 mm. Es wurde eine Dichte von 1712 kg/m3 ermittelt. Die Wassertemperatur wurde mit 4° C angenommen und die entsprechenden Eigenschaften wie Viskosität und Dichte ergänzt.

Das Berechnungsraster besteht aus einem Gitterblock (Ausmasse siehe Bild 11) mit 2 Abschnitten, die in verschieden definierte Zellgrössen aufgeteilt sind. Für die numerische Berechnung des Dotierabflusses müssen genügend Zellen zur Verfügung stehen, damit ein Abfluss registriert werden kann (Gabl et al., 2014). Dort befinden sich die Zellen mit der kleinsten Seitenlänge (0.5 m). Sie bilden einen kleinen Block mit den Ausmassen 8 × 14 × 20 m3 (Höhe, Breite, Tiefe). Der Grundablass und die Dotieranlage sowie ein grosser Teil des Halbtrichters liegen innerhalb dieses Blocks und haben somit eine genauere Auflösung. Von diesem inneren Block aus werden die Zellen gleichmässig grösser, bis sie am Rasterrand bei 1000 m in X-Richtung eine Seitenlänge von fast 10 m erreichen. Das Gitter hat insgesamt 2.8 Millionen Zellen, von denen nur 285 000 aktive Zellen für die Berechnung benötigt werden. Die verbleibenden Zellen liegen, aufgrund der rechteckigen Form des Gitters, ausserhalb des Reservoirs.

Die Simulationsdauer beträgt jeweils 3600 und 5000 s.

Um den Sedimenttransport entlang

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des Reservoirs nachverfolgen zu können, wurden 11 freie Durchflussflächen, sogenannte Flux-Baffles, eingefügt. Diese liegen innerhalb des Dotiereinlaufs, um den Halbtrichter beim Grundablass, und alle 100 m im Galloarm, sowie bei der Stauwurzel, wo das Volumen an Wasser und Sedimenten eingeleitet wird. Baffles sind zweidimensionale Flächen, die als durchoder undurchlässig definiert werden können. Sie dienen dazu, an festgelegten Koordinaten, den Durchfluss und weitere Grössen zu «messen».

Der gebildete Trübestrom fliesst mit max. 1 m/s den Talweg entlang zur Mauer.

Die Abflusshöhe in Mauernähe beträgt ca.

5 bis 8 m. Es können sehr hohe Feststoffkonzentrationen beim oberen Rasterrand von über 100 kg/m3 festgestellt werden, bis zur Mauer reduziert sich die Konzentration durch Eintrag und Vermischung mit klarem Seewasser auf ca. 20 kg/m3. Der Trübestrom trifft nach etwa einer halben Stunde auf die Mauer, und dessen Abflussspitze wird etwa nach einer Stunde erreicht. Infolgedessen wird der Grundablasseinlauf durch Ablagerung verfüllt und weitere Sedimente beim Dotiereinlauf abgelagert. Da dieser zum Zeitpunkt noch in Betrieb war, wurde vor dem Verstopfen des Dotiereinlaufes eine grosse Menge Feinsedimente in den Spöl weitergeleitet.

4.

Empfehlungen Die Untersuchungen haben gezeigt, dass ein aussergewöhnlicher Eintrag von Feinsedimenten zuerst in den Stausee, danach durch Trübeströme weiter bis zur Staumauer auftrat. Anschliessend wurden die Feinsedimente durch die Dotiereinrichtung und durch den Grundablass nach dessen Öffnung in den Spöl weitergegeben. Es ist nun das Ziel, alle Aspekte, welche zu diesem Zwischenfall beigetragen haben, in Erwägung zu ziehen, um ein ähnliches Ereignis in Zukunft zu verhindern.

Folgende Empfehlungen wurden bereits umgesetzt: EKW hat aufgrund der Vorkommnisse als Sofortmassnahme das betriebliche Absenkziel von 1700 auf 1735 m.ü.M. erhöht.

Damit kann das Risiko einer erneuten Mobilisierung der bestehenden Ablagerungen minimiert werden, da diese sich immer unter Wasser befinden.

Koordiniert von der Task-Force wurde am 9. Juli 2013 der Spöl mit einem künstlichen Hochwasser gespült. Mit dieser Spülung wurden die restlichen, seit dem Unfall von Ende März 2013 im Spölbett lagernden Feinsedimente weitgehend ausgetragen. Dadurch wurden gute Vor-

aussetzungen für die biologische Erholung des gesamten Spöls geschaffen (Bild 12).

Zudem planen die EKW technische Verbesserungen im Rahmen der im Jahr 2016 vorgesehenen Sanierung der Stauanlage. Dazu gehört die Höherlegung des Dotierwassereinlaufs, um jederzeit in der Lage zu sein, sauberes Wasser in den Spöl abzugeben. Im Weiteren soll eine redundante Restwassermessung installiert werden, um eine Fehleinschätzung der Dotierwassermenge zu vermeiden. Für die Abschätzung der zukünftigen Verlandungshöhe im Bereich der zu erhöhenden Dotierwasserfassung, wurde eine Untersuchung der Verlandung des Stausees Livigno durchgeführt (LCH, 2014). Die

Verlandungsdaten seit 1971 erlauben einerseits die jährlichen Zuwachsraten der Ablagerungen von ca. 0.20 m zu ermitteln, sowie die Tendenz der Verlandungshöhen über die nächsten Jahre im Staumauerbereich abzuschätzen.

Aufgrund der Erkenntnisse aus dem Umweltereignis werden sämtliche Sanierungsarbeiten ohne Stauseeabsenkung durchgeführt, was mit hohen Mehrkosten zu Lasten EKW verbunden ist.

5.

Fazit Mit dem Einverständnis zur Nutzung der Gewässer akzeptiert man Veränderungen im ökologischen Gefüge des betroffenen aquatischen Lebensraums. Trotz der An-

Bild 12. Oberer Spöl, ca. 800 m unterhalb der Staumauer Punt dal Gall vor (oben) sowie nach der Spülung vom 9. Juli 2013 (unten) (Foto: Uta Mürle, HYDRA-Institut für angewandte Hydrobiologie).

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

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strengungen einer möglichst umweltverträglichen Nutzung können einzelne Vorfälle das ökologische Gleichgewicht massiv beeinträchtigen. Es gibt keine Nutzung ohne Restrisiko für die aquatische Fauna und Flora.

Die eigene Regenerationskraft der aquatischen Lebensgemeinschaft wird mitunter selbst von Fachleuten unterschätzt. Es ist erstaunlich, mit welcher Fähigkeit und Geschwindigkeit sich das aquatische Ökosystem im Spöl nach der erheblichen Störung wieder in Richtung seines ursprünglichen Zustandes entwickelt.

Die Ausgangsbedingungen und die umfassenden Ereignisse, welche zum Ausfall der Dotierung und starken Sedimenteintrag in den Spöl beigetragen haben, konnten wissenschaftlich aufgezeigt und nachgebildet werden.

Die eingesetzte Task-Force kam unter anderem zum Schluss, dass in Zukunft weitere Forschungsarbeiten im Bereich der Sedimentbewegungen gemacht werden müssen, um diese Abläufe besser zu verstehen.

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Giovanni De Cesare mit dem Titel «Ursachen

im Stausee Livigno – Auswertung der Verlan-

des Störfalls am Stausee Punt dal Gall und ab-

dungsdaten im Bereich der Staumauer Punt dal

geleitete Erkenntnisse für den Betreiber» prä-

Gall, Bericht LCH 4/2014, Laboratoire de con-

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8

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

Simulation numérique des transitoires hydrauliques pour répondre aux nouvelles exigences des réseaux électriques Christophe Nicolet, Eric Vuignier

Résumé Les aménagements hydroélectriques contribuent de manière importante à la stabilité des réseaux électriques grâce à leur flexibilité d’exploitation et leur capacité à fournir des services systèmes tels que du réglage primaire, secondaire et tertiaire. Ces services impliquent des démarrages et arrêt fréquents ainsi que des variations de charge régulières qui sollicitent les équipements et induisent des transitoires hydrauliques.

Ceci, combiné avec la modernisation des systèmes de contrôles commandes et le pilotage à distance des centrales, rend possibles des cas de charge de transitoires hydrauliques qui étaient peu probables lors de la conception des aménagements.

Cette modification des modes d’exploitation des aménagements hydroélectriques requiert une analyse détaillée des régimes transitoires hydrauliques prenant en compte ces nouveaux cas de charge. Cette démarche est illustrée dans le cas de l’aménagement de Electra-Massa situé en Valais qui a récemment fait l’objet d’une réhabilitation accompagnée d’une étude des transitoires hydrauliques comprenant les phases suivantes: modélisation, validation, calculs transitoires, identification des situation à risques, recherche des solutions et mise en œuvres des solutions retenues.

Parmi les cas de charges normaux, exceptionnels et accidentels, les cas de fermeture des injecteurs de turbine Pelton dans le temps de réflexion d’onde du puits blindé, connu sous le nom de Pic de Michaud, et le cas de variations de charge en phase avec la cheminée d’équilibre sont abordés plus en détail.

1.

Introduction Motivé par une volonté de réduire les émissionsdegazàeffetsdeserreainsiqueles risques associés aux centrales nucléaires, les nouvelles énergies renouvelables connaissent un essor important en Europe depuis plusieurs années avec une contribution prépondérante des énergies éolienne et solaire, [1], [2], [3].

Dans ce nouveau contexte énergétique, combiné à la libéralisation des marchés de l’électricité, la stabilité des réseaux électriques représente un enjeu majeur [4] ayant nécessité l’introduction de normes sur les réseaux de transmission toujours plus strictes, [5], [6]. Avec une grande flexibilité d’exploitation, des plages de fonctionnement étendues, des temps de réponses très courts et dans certains cas des capacités de stockages importantes, les centrales hydroélectriques apportent une contribution indispensable à la stabilité des réseaux électriques en fournissant des services de réglage primaire, secondaire et tertiaire, et permettent ainsi une plus grande pénétration des énergies

renouvelables [2], [3], [4], [7], [8]. Le prix à payer pour ces prestations à hautes valeurs ajoutées est toutefois une sollicitation plus importante des équipements qui sont soumis à des séquences de démarrages et d’arrêt beaucoup plus fréquentes et des variations de charge régulières et parfois importantes qui peuvent induire un vieillissement prématuré des différents composants de la chaine de production hydroélectrique, [9], [10]. De plus, la modernisation des équipements de contrôle commande souvent associée avec un pilotage à distance des installations, rendent possibles des séquences de fonctionnement qui n’étaient pas envisageables par le passé, et sont susceptibles d’induire des régimes transitoires hydrauliques qui n’avaient pas été pris en compte lors de la conception des aménagements et dont les amplitudes pourraient dépasser les limites admissibles des installations. C’est pourquoi, dans le cadre de projets de modernisation et/ou d’augmentation de puissance d’aménagements hydroélectriques, il

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est important de procéder à une étude détaillée des régimes transitoires hydrauliques en utilisant des outils et des modèles modernes permettant de prendre en compte les nouveaux modes d’exploitations des centrales hydroélectriques afin d’en prédire les conséquences sur les équipements. Cette démarche est illustrée dans cet article par l’étude du cas de l’aménagement de Electra-Massa dont la centrale de Bitsch d’une puissance installée de 340 MW est située en Valais et détenue par ALPIQ Suisse SA (23%), BKW AG (16%), IWB (14%), NOK (14%), ATEL (11.5%), FMV (11.5%), Groupe E (10%) et est exploitée par la société Hydro-Exploitation SA. Les 3 groupes de la centrale de Bitsch ont été totalement réhabilités durant les dernières années. Cet article présente la démarche globale qui a été adoptée pour l’étude détaillée des transitoires hydrauliques réalisée dans le cadre de la réhabilitation, et qui comprend la modélisation numérique de l’aménagement, la validation du modèle, et la simulation de cas de charges normaux, exceptionnels et accidentels.

L’identification de dépassements potentiels de limites admissibles s’est ensuite traduite par une recherche de solutions pragmatiques et la mise en œuvre de ces solutions tout en garantissant un maximum de flexibilité d’exploitation.

2.

Démarche générale La modélisation et la simulation numérique des transitoires hydrauliques d’un aménagement existant peut avoir différentes sources de motivations telles que la réhabilitation de groupes, une augmentation de puissance, la modernisation de contrôle commande, ou une modification des modes exploitations de l’aménagement comme par exemple la volonté de fournir des services systèmes (réglage primaire, secondaire et tertiaire) ou l’introduction d’un pilotage à distance. Pour l’ensemble de ces cas, 9

3.

Application au cas de l’aménagement de Electra-Massa, EM

3.1.

Figure 1 Turbine Pelton de 100MW du groupe 1 de la centrale de Bitsch de l’aménagement de Electra-Massa. la démarche générale recommandée [11] comprend les étapes suivantes, voir Figure 2: (i) une modélisation détaillée des adductions hydrauliques et nécessitant les caractéristiques des retenues, des galeries et conduite forcée, des cheminées d’équilibre, des turbines hydrauliques et de l’ensemble des systèmes de protection (vannes, orifices compensateurs, etc), (ii) une validation du modèle de simulation par comparaison avec des mesures sur site réalisées idéalement pour différentes conditions de fonctionnement, (iii) les calculs transitoires hydrauliques des cas de charges déterminants comprenant les cas normaux, exceptionnels et accidentels, (iv) l’identification des

situation à risques où les grandeurs examinées majorées des marges de sécurité et des marges d’erreur, peuvent conduire à un dépassement des limites admissibles telles que des surpressions ou des dépressions des conduites en charge, des risques de débordement ou de dénoyage des cheminées d’équilibre, des survitesses des groupes, des risques d’entrées d’air (ouverture de soupapes à air), etc, (v) l’élimination des situation à risques par l’optimisation des paramètres de fonctionnement (loi de manœuvres des organes de protection) et des limites d’exploitation, et finalement (vi) la mise en œuvre des solutions préconisées.

Description de l’aménagement de Electra-Massa L’aménagement d’Electra-Massa, qui exploite les eaux de fontes du glacier d’Aletsch a été mis en service en 1969, initialement avec 2 groupes Pelton d’une puissance totale de 200 MW, et a ensuite été doté d’un troisième groupe Pelton d’une puissance de 140 MW mis en service en 1980 et portant la puissance totale de l’aménagement à 340 MW. Les caractéristiques principales de l’aménagement de Electra-Massa sont présentées en Tableau 1. Le groupe 3 d’une puissance de 140 MW était alors le groupe Pelton le puissant installé en Suisse, avant la mise en service de la centrale de Bieudron. La centrale de Bitsch à fait récemment l’objet d’une réhabilitation des 3 groupes qui a conduit à une réflexion sur les limites de fonctionnement de l’aménagement.

La Figure 3 présente une vue en

Tableau 1. Caractéristiques de l’aménagement de Electra-Massa.

Figure 2. Démarche globale pour l’analyse des régimes transitoires hydrauliques d’un aménagement existant.

10

Figure 3. Vue en situation et profil en long de l’aménagement d’Electra-Massa.

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

situation ainsi que le profil en long de l’aménagement de Electra-Massa et la Figure 4 présente l’arrangement particulier des répartiteurs dans la centrale de Bistch pour l’alimentation des 3 groupes Pelton.

L’aménagement comprend le barrage de Gebidem d’un volume de 9.2 Mm3, une galerie d’amenée en charge de 2624.5 m de long, pouvant être alimentée par 2 prises d’eau différentes selon le niveau dans le barrage afin de minimiser le transport de sédiments, une cheminée d’équilibre, une conduite forcée de 1120 m de long, la centrale de Bistch avec les 3 groupes Pelton, et les canaux aval de restitution à la rivière Massa.

3.2. Modélisation La Figure 5 présente le modèle de simulation de l’aménagement de ElectraMassa élaboré au moyen du logiciel de simulation SIMSEN, développé par l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, EPFL, [12], [13], [14], et qui comprend la retenue amont, la galerie d’amenée, la cheminée d’équilibre, la conduite forcée, le répartiteur et les 3 groupes Pelton. Le modèle est établi sur la base des plans de l’aménagement et des caractéristiques hydrauliques des différents composants.

Ainsi, le modèle des conduites prend en compte le comportement élastique des conduites, les effets d’inerties ainsi

que les pertes de charges distribuées; le modèle de la cheminée d’équilibre prend en compte le comportement de stockage ainsi que les effets d’inerties de la colonne d’eau engagée dans la cheminée d’équilibre dont la longueur dépend du niveau d’eau, et les pertes de charges singulières asymétriques associées à la jonction entre la cheminée d’équilibre et la galerie; les vannes modélisées par leurs caractéristiques de débit en fonction de la course de l’obturateur; les injecteurs de turbine Pelton modélisés au travers de leur caractéristiques de débit en fonction de la course des pointeaux; et finalement les temps de manœuvres des injecteurs et

Figure 4. Vue en plan du répartiteur des 3 groupes Pelton de la centrale de Bitsch.

Figure 5. Modèle SIMSEN de l’aménagement de Electra-Massa avec les 3 groupes Pelton d’une puissance totale de 340MW. «Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

11

des vannes définis pour le fonctionnement normal et les cas d’urgence.

3.3. Validation Une phase importante du projet est la validation du modèle de simulation par la comparaison entre les résultats de simulation et des mesures sur site.

Pour ce faire, une campagne d’essais a été organisée en collaboration avec la société Hydro Exploitation qui a réalisé les mesures sur site, afin de confronter mesures et simulation et permettre une éventuelle calibration du modèle. Deux essais ont été réalisés: l’arrêt d’urgence du groupe 3 seul à 140 MW et l’arrêt d’urgence simultané des groupes 2 et 3 à une puissance totale de 240 MW depuis régime permanent. La Figure 6 et la Figure 7 présentent la comparaison entre

mesure et simulation pour le cas d’arrêt d’urgence des deux groupes à 240 MW avec une représentation de l’évolution de la pression au pied du puits blindé qui permet en Figure 6 de vérifier que le modèle reproduit correctement les effets de coup de bélier dans le puits blindé et en Figure 7 de vérifier que les oscillations de masses entre la cheminée d’équilibre et la retenue de Gebidem sont également bien reproduites. La comparaison entre la mesure sur site et les résultats de simulation permettent de calibrer les grandeurs qui présentent des incertitudes comme la vitesse de propagation d’onde dans les conduites, les pertes de charge linéiques des conduites, et les pertes de charges singulières au pied de la cheminée d’équilibre. Cela permet également de valider les temps de manœuvres

Figure 6. Comparaison entre simulation et mesures sur site du comportement transitoire du groupe 3 en cas d’arrêt d’urgence simultané des groupes 2 et 3 à une puissance totale de 240 MW.

Figure 7. Comparaison entre simulation et mesures sur site de la pression au pied du puits blindé sur une longue durée qui reflète le niveau dans la cheminée d’équilibre en cas d’arrêt d’urgence simultané des groupes 2 et 3 à une puissance totale de 240 MW. 12

des différents organes de protection.

Cette validation permet de réduire les incertitudes du modèle, et ainsi de consolider les données d’entrées qui sont souvent issues de documents anciens et parfois difficiles à obtenir ou à confirmer.

4.

Etude des transitoires hydrauliques

4.1. Cas de charges étudiés Une fois le modèle de simulation dûment validé, il est possible de procéder à la simulation des cas de charges normaux, exceptionnels, et accidentels qui peut comprendre notamment les cas suivants: • Cas normaux (fonctionnement normal incluant les démarrages et arrêts normaux ainsi que les cas d’arrêt d’urgence et les enchainements d’événements normaux): · Arrêt d’urgence à pleine charge en régime stabilisé; · Prise de charge suivie d’un arrêt d’urgence au pire moment; · Fermeture des injecteurs dans le · temps réflexion d’onde 2L/a, i.e. le Pic de Michaud; · Prise de charge des groupe (simultané, différé, par palier, etc); · Baisse de charge et reprise de charge au pire moment; · Variation de la charge en phase avec la cheminée d’équilibre; • Cas exceptionnels (survenant en cas de dysfonctionnement d’un composant): · Injecteurs bloqués induisant la fermeture de vanne en eau-vive ; · Fermeture intempestive de vannes (vanne de prise au barrage, vanne de tête de conduite forcée, vanne de groupe); • Cas accidentels (survenant en cas de rupture d’un composant): · Rupture d’une tige d’injecteur induisant une fermeture instantanée de l’injecteur; · Rupture d’injecteur induisant un débit de gueule bée d’injecteur; · Rupture d’une conduite avec fermeture de vanne sous débit de gueule bée.

Dans le cadre de cet article, deux cas de charge normaux qui n’étaient pas systématiquement simulés par le passé et qui sont aujourd’hui devenus importants de par les nouveaux modes d’exploitation des aménagements sont présentés: • Le cas de fermeture des injecteurs dans le temps de réflexion d’onde; connu sous le nom de pic de Michaud;

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•

Le cas de variation de charge en phase avec la cheminée d’équilibre.

4.2.

Fermeture des injecteurs dans le temps de réflexion d’onde: le Pic de Michaud Le pic de Michaud est un phénomène connu depuis longtemps (1878 selon [15]), toutefois son risque d’occurrence dans les aménagements de type turbine Pelton n’a pas toujours été considéré lors de la conception des aménagements. Le pic de Michaud correspond à une fermeture des injecteurs depuis une très faible ouverture des injecteurs avec un temps de fermeture correspond au temps de réflexion d’onde de la conduite forcée:

(1)

Avec: L la longueur totale de la conduite forcée, et a la vitesse de propagation d’onde moyenne dans la conduite forcée.

Avec une conduite forcée de 1120 m, et en considérant une vitesse d’onde de 1100 m/s, ce temps correspond à environ 2 s pour l’aménagement de Electra-Massa.

Dans ce cas, la surpression induite par coup de bélier dans la conduite forcée peut se calculer avec l’équation de Joukowski selon:

Figure 8. Débit total de l’aménagement d’Electra-Massa en fonction de la course des pointeaux et temps de fermeture des injecteurs correspondants.

(2)

Avec: Qo le débit initial dans la conduite forcée, g l’accélération terrestre, et A l’air de la section moyenne de la conduite forcée. Si le temps fermeture est plus important que le temps de réflexion d’onde 2L/a, alors la surpression de coup de bélier peut se calculer en faisant l’hypothèse d’une coupure linéaire du débit selon l’équation suivante:

(3)

Avec: Tfermeture le temps de fermeture des injecteurs. En faisant l’hypothèse d’un temps de fermeture identique des trois groupes de Electra-Massa de 32s, il est possible de calculer selon les équations (2) et (3) la surpression théorique au pied du puits de la conduite forcée de ElectraMassa pour une fermeture depuis un régime permanent établi pour différentes ouvertures initiales des injecteurs. La Figure 8 présente le débit initial de

Figure 9. Surpression due au coup de Bélier survenant en cas d’arrêt d’urgence des 3 groupes en fonction de la course initiale des pointeaux avant l’arrêt d’urgence. l’aménagement pour les différentes ouvertures d’injecteur et le temps de fermeture correspondant, et la Figure 9 présente la surpression induite par coup de bélier en considérant les temps et débits de la Figure 8.

On constate que la pression maximale théorique induite par le coup de bélier n’est pas obtenue pour l’ouverture maximale et le débit maximal de l’aménagement, mais bien pour l’ouverture initiale correspondant au temps de fermeture 2L/a, [16]. Un cas encore plus défavorable [17], est le cas de prise de charge simultanée des groupes suivi d’un

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arrêt d’urgence induisant une fermeture dans le temps de réflexion d’onde, comme illustré dans le résultats de simulation de la Figure 10. En effet dans ce cas, il y a une superposition défavorable des ondes de pression induites par l’ouverture des injecteurs avec celles induites par leur fermeture qui amplifient la pression maximale induite par le coup de bélier.

Ce cas peu probable lorsque les groupes étaient pilotés manuellement et que la charge sur les groupes était augmentée dès que le groupe était connecté au réseau, est fréquent aujourd’hui puisque les groupes sont généralement synchronisés un à un 13

Figure 10. Résultats de simulation de la course des pointeaux, du débit total et de la pression au pied du puits blindé en cas de prise de charge suivie d’un arrêt d’urgence induisant une fermeture des injecteurs dans le temps de réflexion d’onde 2L/a, i.e. le Pic de Michaud.

Figure 11. Enveloppes des pressions minimales et maximales le long de la galerie d’amenée en cas de prise de charge suivie d’un arrêt d’urgence induisant une fermeture des injecteurs dans le temps de réflexion d’onde 2L/a.

puissance définis dans le programme de production qui doivent être réalisés en moins de 10 minutes sous risque de pénalités.

La Figure 11 et la Figure 12 présentent les enveloppes de pressions maximales et minimales obtenues, respectivement le long de la galerie et de la conduite forcée, pour la simulation du cas de la Figure 10 avec les temps de manœuvres originaux et les temps modifiés afin de ramener l’aménagement dans les limites de pression acceptable.

On constate que les temps de manœuvres originaux des injecteurs ne permettaient pas de respecter la pression maximale admissible le long de la conduite forcée, voir Figure 12. Il a donc été nécessaire de prolonger le temps de fermeture des injecteurs ainsi que le temps de prise de charge pour satisfaire les limites admissibles. On peut également relever qu’une part non négligeable du coup de bélier dans la conduite forcée est transmise à la galerie qui présente ici des amplitudes de pression significatives, susceptibles de provoquer des risques de dépression en galerie pour les cotes d’exploitation les plus faibles si il n’y avait pas de limitation de puissance des groupes pour ces cotes.

L’enveloppe des fluctuations de pressions dans la galerie en forme de demi-onde suggèrent que ce cas de charge induit une excitation du premier mode propre de la galerie. La part de coup de bélier transmise à la galerie dépend notamment de l’aire de la section horizontale de la cheminée d’équilibre et de ses pertes de charge singulières [18], mais également des effets d’inerties de la colonne d’eau de la cheminée d’équilibre.

4.3.

Figure 12. Enveloppes des pressions minimales et maximales le long du puits blindé en cas de prise de charge suivie d’un arrêt d’urgence induisant une fermeture des injecteurs dans le temps de réflexion d’onde 2L/a. au réseau, puis fonctionnent pour une courte durée avec les injecteurs fermés ou faiblement ouverts, et la charge est ensuite prise simultanément sur tous 14

les groupes afin de satisfaire les critères du gestionnaire de réseau, Swissgrid en Suisse, concernant les variations de puissance lors des changements de

Variations de charges en phase avec la cheminée d’équilibre L’amélioration de la flexibilité des aménagements hydroélectrique obtenue grâce à la modernisation des systèmes de contrôles commande et la possibilité de piloter les centrales à distance, rend plus difficile la prédiction de toutes les combinaisons de manœuvres possibles susceptibles de poser des problèmes, notamment en relation avec les oscillations de masses entre la retenue et la cheminée d’équilibre et qui sont caractérisées par des périodes d’oscillations élevées. La Figure 13 et la Figure 14 présentent les résultats d’enchainements de prise de charge suivie d’une baisse et une reprise de charge simulée avec les temps de manœuvres originaux. On peut constater, voir Figure 13, que le débit au barrage

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

Figure 13. Résultats de simulation pour l’évolution du débit au pied du puits blindé et à la prise d’eau au barrage en cas de prise de charge et baisse de charge successives avec les temps de manœuvres originaux.

Figure 15. Résultats de simulation pour l’évolution du débit au pied du puits blindé et à la prise d’eau au barrage en cas de prise de charge et baisse de charge successives en phase avec la cheminée d’équilibre avec les temps de manœuvres modifiés.

Figure 14. Résultats de simulation pour l’évolution de la pression en galerie et du niveau d’eau dans la cheminée d’équilibre en cas de prise de charge et baisse de charge successives avec les temps de manœuvres originaux.

Figure 16. Résultats de simulation pour l’évolution de la pression en galerie et du niveau d’eau dans la cheminée d’équilibre en cas de prise de charge et baisse de charge successives en phase avec la cheminée d’équilibre avec les temps de manœuvres modifiés.

obtenu lors de la première prise de charge vaut 65.7 m3/s alors que le débit au pied du puits est de 55 m3/s. Cette différence est accentuée lors de l’enchainement de la baisse de charge avec la reprise de charge où le débit au barrage atteint même 72.2 m3/s. Ce débit important qui est de 31% supérieur au débit d’équipement de l’aménagement est susceptible d’activer la palette de survitesse située à la vanne de prise du barrage et de provoquer un arrêt d’urgence de tout l’aménagement. Un incident similaire s’était produit lors d’un enchainement de baisse de charge suivi d’une reprise de charge et avait conduit à une indisponibilité de tout l’aménagement [19]. Une approche possible pour se prémunir de ce type de désagrément est de simuler des prises et des baisses de charge successives en phase avec la cheminée d’équilibre. Ce cas, bien que peu probable, permet de définir les temps de manœuvre qui sont compatibles avec les valeurs extrêmes de niveau d’eau dans la cheminée d’équilibre, de pression en galerie d’amenée, et de débit au barrage.

Ce cas est illustré en Figure 15 et Figure 16 pour la situation après modification des temps de manœuvres qui montre qu’il

n’y a plus d’amplification des oscillations de masses et que les valeurs de débit au barrage restent proches de celles au pied du puits blindé.

5.

Mise en œuvre Les nouveaux temps de manœuvres définis dans le cadre de l’étude des transitoires hydrauliques réalisée durant la réhabilitation des groupes ont été implémentés sur site afin d’éliminer les risques de surpression et de réduire l’amplitude des débits obtenus à la prise d’eau du barrage. Ces modifications ont pu être réalisées en maintenant la qualification Swissgrid pour le réglage primaire et le réglage secondaire.

6.

Conclusions et recommandations Les aménagements hydroélectriques contribuent de manière importante à la stabilité des réseaux électriques grâce à une grande flexibilité d’exploitation, et permettent ainsi une meilleure intégration des nouvelles énergies renouvelables.

La modernisation des équipements permet d’améliorer encore cette flexibilité mais peut également induire des cas

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

de charge de transitoires hydrauliques qui restaient très peu probables par le passé. L’étude du cas de l’aménagement de 340 MW Electra-Massa a permis d’illustrer cette problématique où des risques de surpression et des problèmes de surdébits à la prise d’eau du barrage ont pu être résolu par la modification des temps de manœuvres des turbines Pelton, tout en préservant des services systèmes compatibles avec les exigences du gestionnaire de réseau Swissgrid.

Chaque aménagement hydraulique étant différent et ayant son propre historique, il est difficile de généraliser les conclusions obtenues ici, mais ce cas d’étude souligne l’importance de procéder à des études de transitoires hydrauliques détaillées en cas de modernisation ou de modification des aménagements afin d’en garantir la sécurité. Ce type de modélisation numérique permet également d’évaluer le potentiel hydraulique d’un aménagement afin de procéder à une éventuelle augmentation de puissance.

Remerciements Les auteurs souhaitent remercier la société Electra-Massa AG, pour l’opportunité donnée

15

de publier ces résultats, ainsi que la société

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«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

Massnahmen zur Gewährleistung eines schonenden Fischabstiegs an grösseren mitteleuropäischen Flusskraftwerken Carl Robert Kriewitz, Ismail Albayrak, David Flügel, Tamara Bös, Armin Peter, Robert M. Boes

Zusammenfassung Querbauwerke wie z.B. Flusskraftwerke können Wanderhindernisse für flussauf- oder -abwärts migrierende Fische darstellen. Aus diesem Grund werden bereits seit Jahrzehnten erfolgreich Anstrengungen unternommen, Wasserkraftwerke für Fische in beide Richtungen passierbar zu machen. Durch den Verband Aare-Rheinwerke (VAR) und die Forschungsinstitute Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW), ETH Zürich, sowie das Wasserforschungsinstitut des ETH-Bereichs (Eawag) wurde 2011 speziell zur Verbesserung der Abstiegsbedingungen ein transdisziplinäres Forschungsprojekt lanciert, das sich der innovativen Weiterentwicklung von Fischschutzeinrichtungen und deren Adaption an die Betriebsverhältnisse typischer Mittellandflusskraftwerke widmete. Gegenstand der Untersuchung waren mechanische Verhaltensbarrieren, sogenannte Fischleitrechen, mit deren Hilfe stromabwärts migrierende Fische über Bypässe um grosse Niederdruck-Wasserkraftanlagen (WKA) geführt werden sollen. Im Rahmen der mittlerweile abgeschlossenen Arbeit wurden auf Grundlage von physikalischen Modellversuchen ein Bemessungsvorschlag zur Ermittlung der durch Leitrechen verursachten Fallhöhenverluste, ihre Auswirkunken auf den Kraftwerksbetrieb und die Effizienz der Leitwirkung für einheimische Fischarten erarbeitet.

1.

Ausgangslage Rund 56% des Strombedarfs können in der Schweiz durch die erneuerbare und nachhaltige Produktion aus Wasserkraft gedeckt werden. Die grossen Niederdruck-WKA an Aare, Reuss, Limmat und Hochrhein steuern dazu wiederum ca.

25% bei. Sie sind damit ein wichtiges Standbein der Stromversorgung und werden auch in Zukunft ihre zentrale Stellung in der Schweizerischen Elektrizitätswirtschaft beibehalten (Pfammatter und Piot 2014). Dabei müssen sie sich aber neuen Herausforderungen im Zusammenhang mit der Weiterentwicklung der Gesetzgebung stellen, die mit dem Inkrafttreten des revidierten Gewässerschutzgesetzes im Januar 2011 einen ambitionierten Plan zur Beseitigung der wesentlichen, durch den Menschen verursachten Gewässerbeeinträchtigungen innert 20 Jahren vorgibt.

Ein wichtiger Teilaspekt der Gewässersanierung umfasst die Wiederherstellung der Längsvernetzung von Fischhabitaten. Der für die Arterhaltung einiger

mitteleuropäischer Fischarten wichtige Fischabstieg ist beim aktuellen Ausbaustandard der Anlagen beeinträchtigt. Fische passieren bei der Abwärtswanderung, der stärksten Lockströmung folgend, Flusskraftwerke via Turbinen, Grundablass oder Wehrüberfall und sind dabei einer Verletzungs- oder Tötungsgefahr ausgesetzt.

Bekannt ist, dass die verschiedenen, heute an der Mehrzahl der Kraftwerksanlagen vorhandenen technischen Fischaufstiegshilfen oder naturnahen Umgehungsgerinnen von Fischen nur in beschränktem Umfang zur Abwärtswanderung genutzt werden (Agostinho et al., 2007; Pelicice und Agostinho, 2012). Insbesondere zum Schutz grosser Langstreckenwanderer besitzt daher die Implementierung von Fischschutzmassnahmen hohe Priorität.

2.

Fischschutzmassnahmen Die Projektierung von Fischschutzeinrichtungen bewegt sich im Spannungsfeld zwischen den Anforderungen, die einerseits durch die Energiestrategie 2050 und

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

andererseits durch das revidierte Gewässerschutzgesetz (GSchG) gestellt werden. Es stehen sich dabei die intensivierte Nutzung des Wasserkraftpotenzials und die geforderte Reduktion der negativen Auswirkungen der Wasserkraftnutzung gegenüber. Aus diesem Grund sollen Fischschutzeinrichtungen für den Einsatz an grossen Mittellandflusskraftwerken im Hinblick auf die schadlose Abwärtswanderung von Fischen eine Anzahl sehr weitreichender Anforderungen erfüllen: • Schutz aller einheimischen Fischarten • Geringe Energieerzeugungsverluste und verhältnismässige Investitionskosten bei hoher Planungssicherheit • Einsatzsicherheit bei Geschiebe-, Schwemmholz- und Eisaufkommen In einem breit angelegten Literaturund Massnahmenstudium erfolgte deshalb in der ersten Projektphase die Evaluation bekannter Fischschutzprinzipien.

Diese wurden durch Forschungsreisen in die USA und den fachlichen Austausch, insbesondere mit nordamerikanischen Experten unterstützt. Ziel des Grundlagenstudiums war die Identifikation von Massnahmentypen, deren Einsatz unter den gegebenen Zielvorgaben für grosse Mittellandflusskraftwerke entweder direkt möglich oder deren Weiterentwicklung vielversprechend ist. Die Ergebnisse der Vorstudie wurden im Rahmen von Projektzwischenberichten veröffentlicht und zeigten auf, dass mit den gegenwärtig verfügbaren Schutzkonzepten nicht alle der oben gesetzten Ziele parallel und gleichgewichtet erfüllt werden können. (Bös et al., 2012; Kriewitz et al., 2012).

Tabelle 1 zeigt im Überblick die im Rahmen der Vorstudie beurteilten, wichtigsten Prinzipien des Fischschutzes und nennt zugehörige Beispielmassnahmen.

Grundsätzlich lassen sich zwei Ansätze unterscheiden.

17

2.1 Abschirmen und Umleiten Für das Abschirmen und Umleiten von Fischen aus den Gefahrenbereichen von hydroelektrischen WKA steht eine Vielzahl von Barrieretypen zur Verfügung.

Diese sind entweder physische Barrieren, die das Einschwimmen in Gefahrenbereiche durch die Wahl kleiner Öffnungsweiten ausschliessen, oder mechanische und sensorische Verhaltensbarrieren, die die Abstossungs- und Fluchtreaktion von Fischen ausnutzen, physisch aber durchgängig sind (EPRI und Dominion Millstone Laboratories, 2001; Dumont, 2011; Ebel, 2013). Bei jeder Art von Barriere ist die Anordnung alternativer Abwanderungskorridore, wie z.B. Bypässen oder geöffneten Wehrfeldern, zwingend notwendig. Ansonsten wird die Abwanderung verzögert oder unterbrochen, und kann von negativen Effekten wie erhöhtem Prädatorendruck, Nahrungsmangel und negativer Energiebilanz der Fische begleitet sein.

2.2 Durchleiten Bei der schonenden Durchleitung von Fischen werden verschiedene Ansätze verfolgt. Der Einsatz fischschonender Turbinen als permanenter Migrationskorridor kann soweit zur Erhöhung der Überlebensraten führen, dass für den Populationserhalt unkritische Schädigungsraten erreicht werden (Hogan et al., 2014). Einen ähnlichen Ansatz verfolgt auch das fischschonende Anlagenmanagement. Allfällig durch Frühwarnsysteme unterstützt, wird zeitweise auf den Teillastbetrieb verzichtet und damit die Überlebensrate an konventionellen Turbinen gesteigert. Alternativ werden durch gezielten Wehrbetrieb Konkurrenzströmungen geschaffen, sodass Fische die Wehrüberfälle zur Abwande-

rung nutzen (Ebel 2013). Schliesslich können Bypass-Systeme auch ohne die Anordnung zusätzlicher Barrieren erfolgreich eingesetzt werden. In Bereichen typischer Fischagglomerationen angeordnet, wird die Präferenz verschiedener Fischarten für spezifische Abwanderungshorizonte oder -korridore genutzt und ein alternativer Abwanderungsweg zur Verfügung gestellt (Arnekleiv et al., 2007; Hassinger und Hübner 2009; Calles et al., 2011).

Während die beschriebenen Fischschutzsysteme sämtlich Ansätze für die Verbesserung der Fischdurchgängigkeit liefern, sind sie teilweise mit erheblichen betrieblichen oder fischbiologischen Nachteilen verbunden. Der Einsatz von physischen Barrieren ist zurzeit aufgrund der ungelösten Reinigungsproblematik in Zeiten hohen Anfalls von Geschwemmsel, Schwemmholz oder Geschiebe an grossen Kraftwerksanlagen nicht umsetzbar. Sensorische Verhaltensbarrieren, fischschonendes Anlagenmanagement und Bypass-Systeme sind stets nur für eine begrenzte Anzahl an Fischspezies geeignet, und fischschonende Turbinen bieten sich aufgrund der hohen Investitionskosten in der Regel nur bei neuen Anlagen oder am Lebensdauerende der Turbinen/ Maschinen an. Vielversprechend hingegen ist der Einsatz mechanischer Verhaltensbarrieren, sogenannter vertikaler, schräg angeordneter Leitrechen. Diese nachfolgend als Leitrechen bezeichneten Systeme besitzen ausreichend grosse Stababstände (≥ 5 cm), um für einen Teil des Geschwemmsels und Geschiebes durchlässig zu sein, und erleichtern damit den Unterhalt. Ferner ist ihre Effizienz für die Ableitung einer Vielzahl von Fischspezies bereits in umfangreichen Studien sowohl

Tabelle 1. Prinzipien des Fischschutzes und ausgesuchte Beispielmassnahmen.

18

experimentell als auch an Pilotanlagen nachgewiesen (Bates und Vinsonhaler, 1957; Harza Engineering Company und RMC Environmental Services Inc., 1993; Kynard und Buerkett 1997; EPRI und Dominion Millstone Laboratories, 2001; Amaral und Taft, 2003). Im Rahmen des hier vorgestellten Forschungsprojektes wurden aus diesen Gründen Leitrechen im Hinblick auf ihre fischbiologischen und hydraulischen Eigenschaften mit dem Fokus des Einsatzes an grossen Mittellandflusskraftwerken untersucht und weiterentwickelt.

3.

Forschungsbedarf und Projektidee Grundlage der fischbiologischen Wirksamkeit von Leitrechen ist die schräge Orientierung von Rechenachse und Rechenstäben zur Anströmung (Bild 1). Diese Anordnung verursacht zum einen Störungen des Abflusses, die von Fischen gemieden werden sollen, und produziert zum anderen eine rechenparallele Leitströmung, die zur aktiven Verdriftung der Fische in einen Bypass führen kann. Bisher unterscheidet man zwei Leitrechensysteme. Louver sind durch die orthogonale Ausrichtung der Rechenstäbe zur Anströmung charakterisiert, während bei Bar-Racks der Winkel zwischen Rechenachse und Stab mit 90° vorgegeben ist. Untersuchungen zeigten, dass die Leiteffizienz der Systeme zunimmt, wenn spitze Einbauwinkel verwendet werden (Amaral, 2003; Amaral et al., 2003). In diesem Fall aber besitzen beide Leitrechensysteme ähnlich ungünstige hydraulische Eigenschaften, da bei Bar-Racks die Schrägstellung der Rechenstäbe mit spitzem Rechenwinkel zunimmt.

Die Forschungsidee des Projektes basiert darauf, durch die unabhängige Variation von Rechen- und Stabausrichtung Leitrechen so weiterzuentwickeln, dass ihr Einsatz an grossen Wasserkraftwerken wegen verbesserter hydraulischer Eigenschaften zu optimalen Ergebnissen führt und dabei zugleich die stromabwärts migrierenden Fische über Bypässe um diese Wasserkraftwerke geführt werden. Solche Systeme werden im Anschluss als modifizierte Bar-Racks bezeichnet. Sie besitzen stets eine geringere Ausrichtung der Rechenstäbe zur Hauptströmungsrichtung als die beiden klassischen Varianten.

Abgesehen von den Aspekten der Weiterentwicklung von Leitrechen fehlten auch für die bekannten Konfigurationen wichtige Bemessungsgrundlagen. So waren die verhaltensbiologische Wirkung im Hinblick auf wichtige potamodrome Schweizer Zielfischarten wie Barbe und

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

bereitzustellen, welche die Planung fischökologisch wirksamer, betriebssicherer und hydraulisch optimierter Fischschutzeinrichtungen ermöglichen.

4.

Modelluntersuchungen Die Erarbeitung aller Forschungsschwerpunkte erforderte Untersuchungen an mehreren physikalischen Modellen, da jede der Problemstellungen andere Anforderungen an die Modellgeometrie und -skalierung, die einzusetzende Messtechnik und die Wasserversorgung stellte. Aus diesem Grund wurden an der VAW drei Versuchsstände betrieben, über die Tabelle 2 einen Überblick inklusive der mit ihnen verbunden Zielstellungen gibt.

Bild 1. Projektidee mit Einsatz vertikaler Leitrechen und Detailansicht von Louver-, Bar-Rack- und modifizierten Bar-Rack-Systemen.

5.

Hydraulik und Energieverluste

5.1

Tabelle 2. Bezeichnung, Funktion und geometrischer Massstab der Versuchsstände.

Bild 2. Prinzipskizze des Detailmodells mit Bezeichnung der wichtigsten Modellkomponenten und Messinstrumente. Äsche, planungsrelevante Berechnungsvorschläge zur Beurteilung der zu erwartenden hydraulischen Verluste und belastbare Informationen zur für den Turbinenwirkungsgrad relevanten Veränderung der Strömungsfelder im Zufluss der Kraftwerkseinläufe nicht erforscht.

Zur Schliessung dieser Wissenslücken wurden im Rahmen physikalischer Modellversuche drei Forschungsschwerpunkte bearbeitet: • Systematische Analyse der hydraulischen Eigenschaften bekannter und durch unabhängige Variation der Re-

chen- und Stabwinkel modifizierter Leitrechen • Feststellung der Verhaltensmuster europäischer Zielfischarten an ausgesuchten bekannten und modifizierten Leitrechen • Bestimmung der betrieblichen Auswirkungen des Leitrecheneinsatzes für eine typische Kraftwerkssituation der Mittellandflüsse Das interdisziplinäre Forscherteam aus Ingenieuren und Biologen verfolgte damit das Ziel, Kraftwerksbetreibern und Behörden erste Bemessungsgrundlagen

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

Versuchsaufbau und -bedingungen Die hydraulischen Modellversuche zur Bestimmung der hydraulischen Energieverluste und der Strömungsfelder im Nahbereich von Leitrechen wurden bei einer geometrischen Skalierung M 1:2 an einem wasserbaulichen Versuchsstand durchgeführt. Er bietet die Möglichkeit, in einem breiten Spektrum von Abflusszuständen eine Vielzahl von Leitrechenkonfigurationen in relativ kurzer Zeit auf ihre hydraulischen Eigenschaften zu untersuchen. Für die Auswertung der Fallhöhenverluste erfolgte die Vermessung der Wasserspiegellagen durch Ultraschallsonden, während die Geschwindigkeitsfelder im Nahbereich der Leitrechen mittels optischer und berührungsfreier Particle Image VelocimetryMessungen (PIV) bestimmt wurden (Bild 2).

In Bild 3 sind die hydraulischen und geometrischen Parameter dargestellt, die massgebend zur Verlustentstehung an Leitrechen beitragen. Diese sind im Hinblick auf die Rechengeometrie der Rechenwinkel a, der Stabwinkel ß zur Hauptströmungsrichtung, der lichte bzw. axiale Stababstand b resp. B, die Stabdicke s, die Stabtiefe l, die Stabeintauchtiefe hs und der Rechenstabformfaktor K. Die hydraulischen Bedingungen werden beschrieben mit den Fliessgeschwindigkeiten oberund unterstrom des Leitrechens Uo resp.

Uu sowie den entsprechenden Abflusstiefen ho und hu und der Abflussbreite W. 5.2 Strömungsfelder an Leitrechen Für die Bildung des Prozessverständnisses, sowohl im Hinblick auf die Entstehung hydraulischer Verluste als auch die fischbiologische Wirksamkeit, ist die experi19

Bild 3. Geometrische und hydraulische Parameter der Leitrechenversuche.

Bild 4. Mittlere, relative Fliesseschwindigkeiten Ober- und Unterstrom eines Louvers mit a = 45°, ß = 90° und B = 6 cm.

mentelle Analyse der Strömungsfelder im Nahbereich von Leitrechen ein sehr hilfreiches Werkzeug. Vor diesem Hintergrund wurden horizontale 2D-Strömungsfelder Ober- und Unterstrom verschiedener Leitrechenkonfigurationen räumlich und zeitlich hoch aufgelöst durch die Anwendung des PIV-Messverfahrens bestimmt.

Bild 4 zeigt am Beispiel eines klassischen Louvers die zeitlich über den Versuchszeitraum gemittelte, resultierende Fliessgeschwindigkeit Ur relativ zur tiefengemittelten Zulaufgeschwindigkeit Uo in der Situation. Die Konturdarstellung von Ur ist zudem mit dem Vektorfeld überlagert.

Im Oberwasser werden zwei wesentliche Aspekte ersichtlich. Erstens ist dies die inhomogene Verteilung der Fliessgeschwindigkeiten im Abflussquerschnitt. Während die Strömung am Rechenkopf verzögert wird, erfolgt eine gegengelagerte, stetige Beschleunigung des Abflusses in den Rechenkeil. Dieser Effekt ist zum Zweiten begleitet durch eine über den Grossteil der Rechenlänge bestehende, rechenparallele Umlenkung der Strömung. Beide Aspekte können grundsätzlich im Hinblick auf die fischleitende Wirkung als positiv eingestuft werden, da sie dem Grundverhalten von Fischen, der Hauptströmung zu folgen, zuträglich sind.

Die Verhältnisse im Unterwasser sind aus fischbiologischer Sicht weniger entscheidend. Sie zeigen aber deutlich auf, weshalb klassische Louver hohe hydraulische Verluste verursachen. Während bereits im Zuge der Abflusseinschnürung im Oberwasser gewisse Energieumwandlungs- und Dissipationsprozesse stattfinden, ist der Massen- und Impulsaustausch im Unterwasser stark erhöht. Prominent ausgebildet treten hier unmittelbar benachbart Zonen hoher und niedriger Fliessgeschwindigkeiten auf, zwischen denen starke Geschwindigkeitsgradienten existieren und es zur Ausbildung ausgeprägter Scherschichten kommt. Auffäl-

lig ist insbesondere der den Rechenfuss orthogonal zur Hauptströmungsrichtung verlassende Abflussstrahl, der erst an der orografisch rechten Kanalwand wieder in die ursprüngliche Orientierung umgelenkt wird. Ihm entgegengestellt ist auf der orografisch linken Kanalseite eine ausgeprägte Rückströmungszone zu erkennen.

In diesem Bereich kommt es nicht nur zu Rückströmungen, sondern aufgrund der insgesamt sehr geringen Fliessgeschwindigkeiten trägt dieser Abflussbereich auch nur marginal zum Volumentransport bei.

Dies bedeutet, dass der effektive Abflussquerschnitt im Unterwasser auf ca. 30– 40% eingeengt sein kann. Ursache dieser als hydraulisch sehr ungünstig zu beurteilenden Situation ist die durch den Leitrechen verursachte, vollständige Umleitung der Strömung; ein Effekt, der an Einlaufrechen mit b/l < 1 bereits durch Spangler (1928) beobachtet wurde.

20

5.3

Berechnungsvorschlag zur Bestimmung der Energieverluste In 316 Versuchsreihen wurden die Energieverluste für eine Vielzahl von Leitrechenkonfigurationen bestimmt und durch anschliessende Regressionsanalyse eine Gesamt-Energieverlustformel entwickelt.

Darin wird der durch den Rechen verursachte, lokale Fallhöhenverlust durch den dimensionslosen Energieverlustbeiwert R = hR / (U2o / 2g) mit hR = lokale Verlusthöhe am Rechen und U2o / 2g = lokale Geschwindigkeitshöhe im Zulauf als Funktion der geometrischen Rechenparameter dargestellt:

R = B · CL · CK · CS

(1)

Die Faktoren zur Berechnung des Energieverlustbeiwerts R sind folgendermassen definiert: • Basisverlustbeiwert B in Abhängigkeit des Rechenwinkels , des Stabwinkels ß und des relativen Stababstandes

 = s/B

(2) •

Stabtiefen-Verlustfaktor CL in Abhängigkeit des Rechenwinkels , des relativen Stababstandes  = s/B und der relativen Stabtiefe  = l/L mit L = 0.1 m (3)

•

Eintauchtiefen-Verlustfaktor C in Abhängigkeit des relativen Stababstandes  = s/B und der relativen Eintauchtiefe  = hs/ho (4)

•

Stabform-Verlustfaktor CS in Abhängigkeit des relativen Stababstandes  = s/B und des Rechenwinkels a, wenn Rechenstäbe mit halbkreisförmig abgerundeten Stabenden verwendet werden (sonst gilt CS = 1) (5)

Mit diesem neuen Berechnungsvorschlag ist es nun möglich, die Fallhöhenverluste an Fischleitrechen bereits in der Planungsphase abzuschätzen und gegebenenfalls durch eine Anpassung der Rechenparameter zu optimieren. Auf die für den projektierenden Ingenieur wichtigen Randbedingungen wird im vorliegenden Artikel nicht näher eingegangen. Es sei darauf verwiesen, dass die das Thema ausführlich behandelnde VAW-Mitteilung 230 auf der Homepage http://www.vaw.ethz.ch zum Download angeboten wird (Kriewitz, 2015).

5.4 Planungsrelevante Aspekte Fallhöhenverluste an Leitrechen variieren abhängig von der gewählten Konfiguration stark und können die Verluste her-

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

kömmlicher Einlaufrechen deutlich übersteigen. Zur Einordnung der Bandbreite sind in Bild 5 die Energieverlustbeiwerte aller Testkonfigurationen dargestellt und einige wichtige Beispiele hervorgehoben.

Ferner vermittelt die Abbildung einen optischen Eindruck von der Genauigkeit des neuen Berechnungsvorschlages. Es sind die berechneten Energieverlustbeiwerte R,K auf der Abszisse und die gemessenen Energieverlustbeiwerte R,M auf der Ordinate vergleichend dargestellt. Je näher die Datenpunkte an der Diagrammdiagonalen liegen, umso genauer werden die Messergebnisse durch den Berechnungsvorschlag widergespiegelt. Im Mittel beträgt die Standardabweichung ca. 15% und kann damit als gering eingestuft werden.

Auffällig ist im Hinblick auf die Energieverluste die starke Diskrepanz zwischen Gruppe (a), die klassische Louver enthält, und Gruppe (b), welche die Ergebnisse für modifizierte Bar-Racks anzeigt.

Louver besitzen danach bis zu 7-fach erhöhte Verlustbeiwerte und verdeutlichen den dominanten Einfluss der Rechenstabausrichtung ß. Allgemein führt eine Verringerung von ß immer zur Verringerung der Verlustbeiwerte.

Weiter wird anhand der Gruppe (a) der Einfluss der Rechenausrichtung  er-

sichtlich. Mit spitzer gewähltem Rechenwinkel kommt es bei den meisten Konfigurationen zur Abnahme der Verluste, da die Rechenfläche zunimmt und damit die mittlere Fliessgeschwindigkeit am Rechen verringert wird.

Im Hinblick auf den axialen Stababstand B gilt der bereits aus anderen Berechnungsvorschlägen bekannte Zusammenhang. Eine Erhöhung von B führt grundsätzlich zur Abnahme der Verluste.

Interessant ist jedoch die Analyse der durch Gruppe (c) angezeigten Ergebnisse.

Diese Gruppe enthält modifizierte BarRacks mit doppeltem und vierfachem Stababstand B für einen spitzen Rechenwinkel von a = 15°. Es wird deutlich, dass an Leitrechen mit kleinem , die vorteilhafte fischbiologische Eigenschaften aufweisen, eine Erhöhung des Stababstandes aus hydraulischer Sicht nicht zielführend ist, da sie nur geringe Auswirkungen auf die Rechenverluste hat.

Eine weitere wichtige Referenz wird durch die an Standardeinlaufrechen hervorgerufenen Energieverluste gegeben. Meussurger (2002) fasste in seiner Arbeit die Ergebnisse von Naturmessungen an Schweizer Flusskraftwerken zusammen und stellte fest, dass auch diese eine erhebliche Bandbreite besitzen. Der

von ihm ermittelte Bereich ist in Bild 5 blau markiert und umfasst Verlustbeiwerte zwischen 0.1 ≤ R ≤ 5.2, wobei die überwiegende Anzahl der Kraftwerksrechen Verlustbeiwerte R < 3.0 besitzen. Aus dem direkten Vergleich der Modellergebnisse mit den Naturmessungen lässt sich ableiten, dass modifizierte Bar-Racks und Einlaufrechen dimensionslose Verlustbeiwerte der gleichen Grössenordnung aufweisen.

Dieser Vergleich bezieht zum jetzigen Zeitpunkt allerdings nicht den Einfluss von Abstandhaltern, Aussteifungsdiagonalen und Rechenträgern ein, die im Modellversuch nicht verbaut waren und an einer Leitrechenprototypanlage zu höheren Verlusten führen würden. Demgegenüber bleibt bei einer direkten Gegenüberstellung der Verlustbeiwerte unberücksichtigt, dass die mittleren Fliessgeschwindigkeiten Ur an Leitrechen deutlich diejenigen an Einlaufrechen unterschreiten. In der Folge treten an Leitrechen geringere resultierende Fallhöhenverluste ΔhR auf.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass klassische Louver für einen Einsatz in direkter Nähe von Laufkraftwerken ungeeignet sind, da sie unvertretbare Produktionseinbussen verursachen würden. Vielversprechender sind aus hydraulischer Sicht modifizierte BarRacks, die im Hinblick auf die hydraulischen Verluste vergleichbare Eigenschaften wie aktuelle Einlaufrechen aufweisen.

6.

Fischleitende Wirkung

6.1

Bild 5. Ergebnisübersicht mit Auswahl wichtiger Leitrechenkonfigurationen: (a) Louver mit a = 15°, 30°, 45° bei B = 6 cm ( = 0.17); (b) modifizierte Bar-Racks analog zu (a); (c) modifizierte Bar-Racks mit a = 15° und B = 12 cm und 24 cm (= 0.08 resp. 0.04); die blaue Zone repräsentiert Verlustbeiwerte von Einlaufrechen Schweizer Kraftwerke nach Meusburger (2002).

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Versuchsaufbau und -bedingungen Ein Highlight der Forschungsarbeit stellten die Untersuchungen mit Lebendfischen am ethohydraulischen Modell dar. Die Ethohydraulik ist ein junges Fachgebiet, das sich der Untersuchung der aquatischen Fauna im Wechselspiel mit wasserbaulichen Anlagen unter Laborbedingungen widmet.

Dabei werden parallel Aspekte der Ethologie (Verhaltensforschung) und der Hydraulik (Strömungslehre) analysiert (Adam und Lehmann, 2011). Ziel ethohydraulischer Forschung ist die Untersuchung der Reaktionen z.B. von Fischen auf wasserbauliche Anlagen und die durch sie erzeugten hydraulischen Situationen unter definierten Laborbedingungen.

Da der ethohydraulische Versuchsstand für die Durchführung von Fischversuchen im geometrischen Massstab 1:1 konzipiert wurde, ergaben sich in Bezug auf die Modellabmessungen und auch die Modellwasserversorgung beachtliche Spezifikationen. Das Modell verfügt über 21

• Bild 6. Prinzipskizze des ethohydraulischen Modells mit Bezeichnung der wichtigsten Modellkomponenten und Messinstrumente. eine Gesamtlänge von 30 m, ist 1.8 m breit und 1.4 m hoch. Bei einem stufenlos bis 1.2 m3/s regulierbaren Abfluss können mittlere Fliessgeschwindigkeiten bis 0.9 m/s erreicht werden. Bild 6 veranschaulicht in einer Prinzipskizze den Aufbau des Modelles mit den wichtigsten Konstruktionselementen und der messtechnischen Instrumentierung.

Bei den getesteten Fischen handelte es sich ausschliesslich um wild lebende Exemplare. Diese wurden mittels Elektrobefischung in regelmässigen Befischungskampagnen den Flüssen Sure, Birs und Thur und dem Mülitalbach entnommen und nach erfolgter Beprobung in das Entnahmegewässer zurückgebracht.

Als Fischarten mit zentraler Bedeutung für die vorliegende Untersuchung wurden zum Projektbeginn Barbe (Barbus barbus), Äsche (Thymallus thymallus) und Schneider (Alburnoides bipunctatus) definiert. Barben und Äschen kennzeichnen durch ihr Auftreten typische Gewässerregionen der Schweizer Mittellandflüsse.

Sie gelten als Zielfischarten, an deren Auftretensvielfalt der Gewässerzustand beurteilt werden kann. Bei beiden Fischarten handelt es sich um rheophile, also strömungsliebende Fische. Während die Barbe als vorwiegend sohlennah orientiert eingestuft wird, ist die Präferenz von Äschen in Bezug auf den Gewässerhorizont weitgehend unerforscht. Barben gelten in der Schweiz als potenziell gefährdet, Äschen dagegen sind bereits als gefährdete Fischart eingestuft. Die dritte Fischart, der Schneider, wurde gewählt, um eine ebenfalls rheophile Kleinfischart in die Untersuchung aufzunehmen. Ihr Verhalten interessierte insbesondere vor 22

dem Hintergrund der im Verhältnis zu ihrer Körpergrösse weiten Stababstände. Auch der Schneider besitzt in der Schweiz den Status des gefährdeten Fisches.

Die positiven Ergebnisse der Versuche mit den oben genannten Zielfischarten führten im Projektverlauf zu einer Erweiterung des getesteten Artenspektrums.

Um auch das Potenzial von Leitrechen für den Einsatz an Hochrheinkraftwerken abschätzen zu können, wurden zusätzliche Versuche mit Aalen durchgeführt, da diese auf deutscher Seite hohe Priorität besitzen. Ferner sorgt der stetige Rückgang der Jahresfangzahlen bei Bachforellen in der Schweiz seit einiger Zeit schon für Diskussionen. In der Konsequenz wurden beide Arten für zusätzliche Untersuchungen ausgewählt. Die Bachforelle (Salmo trutta fario) gliedert sich dabei in die Reihe der rheophilen Fischarten ein. Sie gilt als potenziell gefährdet. Der Aal (Anguilla anguilla) ist demgegenüber strömungsindifferent (eurytop), und sein Bestand wird als gefährdet eingestuft.

Die Durchführung ethohydraulischer Versuche ist mit erheblichem Zeitaufwand verbunden. Aus diesem Grund war es notwendig, das Parameterspektrum durch eine Vorauswahl auf den für die praktische Anwendung relevanten Bereich zu beschränken. Ferner wurde das Testprogramm im Projektverlauf parallel dem Erkenntniszuwachs angepasst. Die folgenden geometrischen Grundkonfigurationen sind das Resultat dieses kontinuierlichen Prozesses (vgl. Bild 3).

• Louver (ß = 90°) Louver sind für den Einsatz in direkter Kraftwerksnähe nicht prädestiniert, da sie wie oben beschrieben erhebli-

•

•

che hydraulische Verluste verursachen. Allerdings ist ihre fischleitende Wirkung und Effizienz sowohl im Labor als auch im Prototyp grundlegend erforscht und nachgewiesen (EPRI und Dominion Millstone Laboratories, 2001; Amaral et al., 2003; EPRI, 2006). Für die Zielfischarten dieser Untersuchung existieren hingegen, abgesehen vom Aal (Adam et al. 1999), noch keine Erkenntnisse. Aus diesem Grund wurden trotz ihrer offensichtlichen hydraulischen Nachteile Louver mit axialen Stababständen von B = 6 cm und 2 cm und einem Rechenwinkel von  = 15° in das Testprogramm aufgenommen.

Modifizierte Bar-Racks (ß = 45°) Bar-Racks, insbesondere die modifizierten Varianten dieser Untersuchung, besitzen aufgrund kleinerer Stabwinkel hydraulisch günstigere Eigenschaften. Sie sind deshalb von besonderem Interesse, da sie sowohl ökonomische Interessen als auch die des Fischschutzes bedienen. Modifizierte Bar-Racks wurden deshalb in einem weiteren Parameterspektrum getestet, das die Rechenwinkel  = 15° und 30° und die axialen Stabweiten B = 6 cm und 12 cm beinhaltete.

Kontroll-Konfiguration (ß = 0°) Bei der Kontroll-Konfiguration handelt es sich um einen schräg angeordneten Rechen, dessen Rechenstäbe parallel zur Anströmung ausgerichtet sind, also einen Rechenstabwinkel von ß = 0° besitzen. Dieser Rechen verursacht dementsprechend eine deutlich geringere Störung des Abflusses (Raynal et al., 2014). Ziel dieser Anordnung ist es, zu überprüfen, inwieweit die von Leitrechen verursachten Strömungsbeeinflussungen zur Leitung von Fischen führen, oder ob auch weniger stark ausgeprägte hydraulische Signaturen eine befriedigende Wirkung zeigen. Die getestete Kontrollkonfiguration besass den Rechenwinkel a = 30° und einen axiale Stababstand B = 6 cm (Bild 7a).

Konfigurationen mit Sohlleitwand Die Anordnung einer Sohlleitwand verbessert für eine breite Anzahl an Spezies die Leiteffizienz von Leitrechen (Ebel, 2013). Insbesondere bodennah orientiert abschwimmende Fische profitieren danach von einer solchen Modifikation. Aus diesem Grund wurden zusätzlich modifizierte Bar-Racks mit  = 30° und B = 6 cm nach Installation einer Sohlleitwand

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ausgeprägt investigative Natur. Dahingegend vermieden Individuen der strukturmeidenden Gruppe jederzeit den Kontakt zu den Modellstrukturen und dem Rechen.

Sowohl Schneider als auch Äschen hielten zudem Abstand zu Modellstrukturen, um ihren Aktionsradius nicht einzuschränken.

Bild 7. Leitrechen im ethohydraulischen Modell: (a) Kontrollkonfiguration und (b) modifiziertes Bar-Rack mit Sohlleitwand. getestet. Die Sohlleitwand besass eine Höhe von 0.1 m (1/9 der Abflusstiefe) und wurde direkt vor den Rechenstäben auf der Gerinnesohle positioniert (Bild 7b).

Die Versuche fanden stets unter stationären Abflussbedingungen bei mittleren Fliessgeschwindigkeiten zwischen 0.3 m/s bis 0.8 m/s statt. Mit Versuchsbeginn erhielten die Tiere in einem Startabteil (Bild 6, Position 1–2) eine 10-minütige Eingewöhnungszeit und wurden danach freigelassen. Entlang der Fliessstrecke bis kurz Oberstrom des Leitrechens erfolgte die Führung der Fische entlang einer Leitwand bis zum Rechenkopf (4).

So wurde sichergestellt, dass der Grossteil der getesteten Individuen die gesamte Rechenfläche passierte und nicht bereits im Modelloberwasser eine Ausrichtung in Flucht des Bypass-Einlaufes stattfand.

Der Bypass-Einlauf (5) schloss sich direkt an das Rechenende an, besass eine Breite von 0.2 m und war über die gesamte Abflusstiefe geöffnet. Über einen Versuchszeitraum von 30 min wurde das Fischverhalten durch Fischbiologen der Eawag beobachtet und zeitgleich mittels Videoaufnahmen dokumentiert.

Grundsätzlich ergaben sich nach Ablauf der Versuchsdauer drei mögliche Ergebnisszenarien: i. Erfolgreiches Auffinden des Bypasses ii. Passage des Rechens in das Unterwasser iii. Verbleiben im Oberwasser Während die Abstiegsszenarien (i) und (ii) eindeutig definiert sind, ist im Fall (iii) eine differenzierte Betrachtung notwendig. Versuche, in denen Fische die Kooperation vollständig verweigerten, also das Startabteil und den Leitkanal nicht verliessen, wurden verworfen und mit anderen Individuen oder zu einem anderen Zeitpunkt wiederholt. Als Verweigerung

hingegen wurde interpretiert, wenn Fische grundsätzlich Abwanderungsbereitschaft zeigten, aber auch nach mehrmaliger Annäherung an Rechen und Bypass ungewillt blieben, einen der Abstiegswege einzuschlagen. Dieses Verhalten ist insofern entscheidend, da es belegt, dass auch bei funktionierender Leitung durch den Rechen die Strömungsverhältnisse im Bypass eine abschreckende Wirkung aufweisen können.

6.2 Verhaltensbeobachtungen Die untersuchten Fischarten lassen sich nach ihrer grundlegenden Verhaltensweise in zwei Gruppen gliedern. Barbe, Aal und Bachforelle zeigten ein ausgeprägt strukturliebendes Verhalten (Bild 8), während Schneider und Äsche gegenüber allen Modellstrukturen ein ablehnendes Verhalten aufwiesen (Bild 9).

Entsprechend unterschiedlich verhielten sich beide Gruppen während der Annäherung an und der Abwanderung entlang der Leitrechen. Individuen der strukturliebenden Gruppe suchten erst die Nähe entweder zur Modellsohle oder den seitlichen Modellbegrenzungen und verblieben nach Erreichen des Rechens quasi in permanentem Kontakt mit diesem.

Insbesondere Barben zeigten dabei eine

6.3 Fischleiteffizienz Im Rahmen dieses Artikels können nicht alle Versuchsergebnisse zur Fischleiteffizienz (FLE) im Einzelnen vorgestellt werden.

Eine detaillierte Darstellung ist in Flügel et al. (2015) dokumentiert. Allerdings lassen sich anhand der Analyse für Barben und Schneider allgemein gültige Trends aufzeichnen. Grundlage dafür stellen die in Bild 10 dargestellten Fischleiteffizienzen für unterschiedliche Leitrechenkonfigurationen dar.

Als Schlüsselstelle im Hinblick auf das erfolgreiche Auffinden des Bypasses wurden die Bereiche von Rechenfuss und Bypass-Einlauf identifiziert. Selbst nach erfolgreicher Leitung der Versuchstiere entlang der Rechen kam es hier häufig zur Abstiegsverzögerung oder sogar Flucht in das Oberwasser. Dieses Verhalten wurde entweder auf eine abschreckende Wirkung der starken Transversalströmungen zum Rechen hin oder die mangelnde Attraktivität der verlangsamten Bypass-Strömung zurückgeführt.

Trotz der stark differenzierten Verhaltensmuster konnten für die meisten getesteten Fischarten Rechenkonfigurationen identifiziert werden, die eine hohe bis sehr hohe FLE hervorriefen. Es sind diese modifizierten Bar-Racks mit Rechenwinkeln von  = 15° und 30° sowie Stabwinkeln von ß = 45° und einem axialen Stababstand von B = 6 cm. Sie erreichten die höchsten FLE für alle getesteten Arten. Zwischen 72% und 100% der getesteten Fische konnten, mit Ausnahme der Äschen, bei dieser Konfiguration in den Bypass gelenkt werden. Die Anordnung der Sohlleitwand führte zu einer weiteren

Bild 8. Barben im Versuch mit modifiziertem Bar-Rack (a = 15° und B = 12 cm) und permanentem Kontakt zum Leitrechen bei Uo = 0.6 m/s (Foto: D. Flügel).

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23

Bild 9. Schneider im Versuch mit Kontrollkonfiguration (a = 30°, ß = 30° und B = 6 cm) in zeitlicher Abfolge zwischen Bypass-Annäherung und Bypass-Eintritt (a) bis (d) bei Uo = 0.6 m/s.

Steigerung der FLE auf Werte zwischen 76% und 100% für alle getesteten Arten.

Hervorzuheben sind ferner die Resultate der Versuche mit der Kontrollkonfiguration ohne Neigung der Rechenstäbe ( = 30°, ß = 0°, B = 6 cm), die allein mit Barben und Schneidern durchgeführt wurden. Das grundsätzlich unterschiedliche Verhaltensmuster beider Arten führte zu ebenso divergenten Versuchsresultaten.

Alle Barben, die sich entlang des Rechens dem Bypass näherten, durchschwammen den Kontrollrechen ohne massgebende Leitwirkung. Schneider hingegen zeigten das gleiche Verhaltensmuster vor Kontrollund Leitrechen. Die FLE blieb bei ihnen unverändert.

Die Videodokumentation «Downstream» zu den Versuchen am ethohydraulischen Modell ist unter der WebAdresse www.youtube.com/watch?v= Y8WSRQWA8DY verfügbar.

7.

7.1

Kraftwerksbetrieb

Versuchsaufbau und -bedingungen Der Einsatz von Leitrechensystemen an mitteleuropäischen Flusskraftwerken setzt voraus, dass diese Systeme in die bestehende Anlagenlandschaft integriert 24

Bild 10. Ergebnisübersicht zur Leiteffizienz der Versuchsreihen mit (a) Barben und (b) Schneidern; Angaben in Legende: a [°], ß [°], B [cm], Uo [m/s], SL = Sohlleitwand. werden können. Das heisst, es müssen neben der fischbiologischen Wirksamkeit vor allem auch die Betriebssicherheit, z.B. im Hochwasserfall, und die möglichst geringe Beeinflussung der Energieproduktion nachgewiesen werden. Wie die teils Jahrzehnte andauernden Optimierungsarbeiten an den Pionier-Fischschutzanlagen nordamerikanischer Flüsse aufzeigen, ist die Einhaltung der oben genannten Voraussetzungen bereits für ein einzelnes Kraftwerk schwierig. Ungleich ambitionierter und innerhalb des Projektes nicht umsetzbar war die Aufgabe, solche Nachweise spezifisch für ein breites Spektrum von Kraftwerkstypen zu führen. Grund dafür ist ihre Diversität, sowohl im Hinblick auf die bauliche Ausbildung und die hydromorphologischen Verhältnisse als auch auf die fischbiologischen Schutzziele.

Vor diesem Hintergrund wurden die wichtigsten Kenndaten von 28 VARMitgliedskraftwerken erfasst. Im Rahmen dieser Erhebung erfolgte die Kategorisierung der hydrologischen, hydraulischen und baulichen Spezifikationen und in der Folge die Identifizierung des für die meis-

ten Anlagen stellvertretenden, typischen Kraftwerktyps. Eine für die Mittellandflüsse repräsentative Anlage besteht demnach aus einem in Blockbauweise ausgeführten Kraftwerk, dessen Krafthaus in Verlängerung des Wehres orientiert ist, über Turbinen des Kaplan-Typs verfügt und Fallhöhen ≤ 10 m aufweist. Eine solche Anlage wurde in einem Gesamtmodell im Massstab M 1:35 an der VAW nachgebildet. Der Modellaufbau ist in Bild 11 dargestellt.

Die Versuche beinhalteten vier Leitrechen mit den Rechenwinkeln  = 15° und 30° und den Stabwinkeln ß = 45° (modifizierte Bar-Racks) und 90° (Louver) bei einem einheitlichen axialen Stababstand von B = 6 cm.

Ziel der Untersuchung war die vergleichende Analyse des Einflusses von klassischen und modifizierten Fischleitrechen auf den Kraftwerksbetrieb mit folgenden Schwerpunkten: • Bestimmung der grossräumigen Kraft werks- und Leitrechenanströmung und der Strömungsverhältnisse am Turbineneinlauf • Beschreibung des Verhaltens bei Schwemmholzaufkommen

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Bild 11. Prinzipskizze des Kraftwerksmodells mit Bezeichnung der wichtigsten Modellkomponenten und Messinstrumente.

•

Identifizierung hydraulischer und fischbiologischer Schlüsselstellen Die Testrechen wurden dazu direkt vor den Turbineneinläufen angeordnet und der Trennpfeiler zwischen Krafthaus und Wehr mit einem boden- und einem oberflächennahen Bypass ausgestattet. Ihre Dotierung erfolgte gesamt mit 2% der Ausbauwassermenge, was den Empfehlungen der Fachliteratur entspricht (Amaral, 2003; Ebel, 2013).

7.2

Grossräumige Kraftwerksund Leitrechenanströmung Die Untersuchungen am Kraftwerksmodell besitzen für die Einschätzung einer möglichen Umsetzung von Leitrechensystemen am Prototyp eine zentrale Bedeutung im Projekt. Zwar liefert die experimentelle Ermittlung der hydraulischen und fischbiologischen Grundlagen in den vorhergehend besprochenen Modellen die notwendigen Basisdaten, es bleiben aber wesent-

liche Zusammenhänge unerschlossen.

Insbesondere die Frage nach der Übertragbarkeit der in den Versuchskanälen idealisierten Leitrechenanströmung kann nur an einem Gesamtmodell beantwortet werden. Aus diesem Grund wurde eine im Prototyp ca. 180 m lange Fliessstrecke des Oberwassers der Kraftwerksanlage nachgebildet und vermessen. Als Referenzkonfigurationen dienten klassische Louver-Konfigurationen. Die dabei ermittelten Geschwindigkeitsfelder sind für die Variante mit einem Rechenwinkel von a = 30° in Bild 12 dargestellt. Es werden jeweils die über den Versuchszeitraum zeitlich gemittelten Fliessgeschwindigkeiten in Prototypmassen in longitudinaler und transversaler Richtung U und V als Konturplot und die Resultierenden Ur als Vektorpfeile gezeigt.

Der Vergleich mit Bild 4 verdeutlicht, dass sowohl die An- als auch Abströmungsverhältnisse im Kraftwerksmodell

a)

über weite Teile des Leitrechens identisch sind. Im Oberwasser erfährt der Abfluss eine stetige Beschleunigung hin zum Rechenfuss (Bild 12a), und auch die rechenparallele Umleitung der Strömung ist analog zur Detailuntersuchung ausgeprägt (Bild 12b). Im Unterwasser des Rechens führt die vollständige Umlenkung der Strömung in Richtung der Rechenstäbe zur inhomogenen Anströmung des Kraftwerkseinlaufes. Die Reorientierung des Abflusses ist nicht schnell genug möglich, und somit werden die Turbineneinläufe unterschiedlich beaufschlagt.

Deutliche Abweichungen ergeben sich im Nahbereich des Rechenfusses vor dem Kraftwerkstrennpfeiler. Hier führt das grossräumige Eindrehen der Strömung zur Konzentration des Abflusses und zu deutlich erhöhten Transversalgeschwindigkeiten, die in diesem Bereich zur Rechenachse hin ausgerichtet sind. Dieses Gebiet stellt im Hinblick auf die fischbiologische Funktion eine Schlüsselstelle dar. Gerade hier ist eine ausgeprägte Leitströmung zu den Bypass-Einläufen im Trennpfeiler wünschenswert; sie bricht aber durch die Überlagerung mit der Kraftwerksanströmung vollständig zusammen.

Der Einsatz modifizierter BarRacks führt, wie aus Bild 13 ersichtlich wird, zu einer massgebenden Verbesserung der Situation, sowohl im Ober- als auch Unterwasser. Generell treten geringere Geschwindigkeitsgradienten in der Rechenanströmung auf. Insbesondere aber die Abflussverhältnisse vor dem Kraftwerkseinlauf sind deutlich entschärft.

Ungelöst bleibt allerdings weiter die fischbiologisch ungünstige Orientierung der Strömung unmittelbar vor den BypassEinläufen. Ein Aspekt, der in Zukunft zentraler Bestandteil weiterführender Forschungsarbeiten sein muss.

b)

Bild 12. Grossräumige Kraftwerksanströmung mit klassischem Louver (a = 30°), (a) Longitudinalgeschwindigkeit U, (b) Transversalgeschwindigkeit V mit Darstellung der Resultierenden Ur als Vektorpfeile.

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25

a)

b)

Bild 13. Grossräumige Kraftwerksanströmung mit modifiziertem Bar-Rack (a = 30°), (a) Longitudinalgeschwindigkeit U, (b) Transversalgeschwindigkeit V mit Darstellung der Resultierenden Ur als Vektorpfeile.

7.3

Anströmung der Turbineneinläufe Der Einsatz von Fischleitrechen an bestehenden Anlagen kann zur Beeinflussung der Fallhöhe h durch erhöhte Rechenverluste ΔhR und zudem zur Veränderung des Wirkungsgrades  einer Turbine führen.

Beide Effekte sind aber im Zusammenhang mit der Rentabilität einer Anlage von zentraler Bedeutung und sollten deshalb vor der Umsetzung einer fischschutztechnischen Massnahme überprüft werden.

Auf Grundlage der oben beschriebenen Energieverlustformel ist eine Bestimmung der Fallhöhenbeeinflussung möglich. Eine konkrete Quantifizierung der Wirkungsgradänderungen war demgegenüber im Kraftwerksmodell nicht möglich, da die Turbinen abstrahiert modelliert wurden. Es werden in diesem Fall Kriterien zur Qualität der Zulaufströmung herangezogen, wie sie durch Turbinenhersteller typischerweise formuliert wurden. Bei Erfüllung dieser Kriterien, die in Anforderungskatalogen zusammengestellt sind, werden Garantieversprechen für den Wirkungsgrad abgeben.

Grundsätzlich gilt, je heterogener die Strömungsverteilung in der Turbinenzuströmung ausfällt, umso geringer ist  anzunehmen. Vor dem allgemeinen Hintergrund der Untersuchung wurden die üblichsten Kriterien, namentlich die Beaufschlagung der Einlaufhälften und –quadranten, herangezogen (Godde 1994).

Am Beispiel des Kriteriums zur Einlaufhälftenbeaufschlagung, in dem gefordert wird, dass die Beaufschlagung der rechten und der linken Einlaufhälfte QEH maximal 2.5% vom Gesamtdurchfluss im Messquerschnitt QMQ abweichen darf (Gleichung 6), werden die Einflüsse von Leitrechen besprochen.

47.5% · QMQ < QEH < 52.5% · QMQ 26

(6)

Bild 14 zeigt die Verteilungen der mittleren resultierenden Fliessgeschwindigkeiten Ur in beiden Krafthauseinläufen als Konturplot.

Ferner sind die daraus abgeleiteten Einlaufhälftenbeaufschlagungen in Prozent und die in der Dammbalkenebene gemessenen, korrespondierenden WSL dargestellt.

Bereits im unverbauten Ausgangszustand wird dieser Grenzwert mit 3.6% im linken und 4.7% im rechten Turbineneinlauf leicht überschritten (Bild 14a). In beiden Einläufen konzentriert sich der Abfluss auf der rechten Seite, und es ist ferner eine Tendenz zur Geschwindigkeitszunahme über die Abflusstiefe erkennbar. Zurückzuführen ist dieses Ergebnis auf die beim Modellbau vorgenommenen Vereinfachungen im Hinblick auf die morphologische Gestaltung der Gewässerführung und der Sohlengeometrie. Für vergleichende Betrachtungen zwischen dem unverbauten Zustand mit dem durch Leitrechen beeinflussten, ist dies aber zulässig.

Der Einbau der Louver-Konfiguration mit den Rechenwinkeln a = 30° führt zu einer signifikanten Verschlechterung der Zulaufbedingungen (Bild 14b). In Übereinstimmung mit den in Bild 12 vorgestellten Resultaten wird insbesondere die Anströmung der rechten Turbine negativ beeinflusst. Hier konzentriert sich der Abfluss fast vollständig auf die linke Einlaufhälfte. Im rechten Randbereich kommt es, anhand negativer Ur-Werte erkennbar, sogar zu Rückströmungen aus der Einlaufrechenebene heraus in das Oberwasser. Entsprechend divergent ist hier die Einlaufhälftenbeaufschlagung verteilt.

Fast 90% des Abflusses werden durch den linken Abflussquerschnitt abgeführt.

Grund dafür ist der, der Kurvenströmung aufgezwungene, geringe Radius R, der zur starken Erhöhung der Fliehkräfte Fz führt (Fz ~v2/R) und mit der Konzentration des Ab-

flusses auf der linken Einlaufseite einhergeht. Aus ersichtlichen Gründen besteht zwischen dem Auftreten heterogener, von starken Geschwindigkeitsgradienten gekennzeichneter Abflussverhältnisse und der Höhe der Fallhöhenverluste eine direkte Korrelation. Sie ist am Verlauf der WSL vor den Turbineneinläufen ersichtlich.

Diese verläuft linkseitig noch geradlinig auf Höhe des Referenzpegels von 397.2 m ü.M., weist danach aber einen ausgeprägten Senkenbereich oberhalb des rechten Kraftwerkseinlaufes auf. Dies entspricht maximalen, lokalen Fallhöhenverlusten von ΔhR = 0.4 m (bei  = 30° und ß = 90°).

Bei den getesteten modifizierten Bar-Rack-Konfigurationen (Bild14c) stellen sich in der Recheneinlaufebene deutlich günstigere Strömungsverhältnisse ein.

Die Beaufschlagung beider Turbineneinlaufhälften ist auf vergleichbarem Niveau zum unverbauten Zustand und auch die Geschwindigkeitsgradienten fallen moderat aus. Zudem folgt die WSL im Vergleich zur unverbauten Konfiguration einem quasi identischen Verlauf auf Höhe 397.2 m ü.M., lässt also im Rahmen der Modellmessgenauigkeit keine zusätzlichen Fallhöhenverluste feststellen.

8.

Ergebniszusammenfassung und Ausblick Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein weites Spektrum von Fischleitrechen auf ihre hydraulischen und fischbiologischen Eigenschaften untersucht. Dieses Spektrum beinhaltete sowohl bekannte Konfigurationen als auch solche, deren geometrische Eigenschaften zur Optimierung der Strömungsverhältnisse systematisch variiert wurden. Konkret wurde das Ziel verfolgt, modifizierte Leitrechen zu entwickeln, die bei gleichbleibender oder verbesserter Fischleiteffizienz geringere hydraulische

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a)

b)

c) (a) (b) (c)

Unverbaut  = 30°, ß = 90°  = 30°, ß = 45°

Bild 14. Verteilung von Ur [m/s] und prozentuale Beaufschlagung der Einlaufhälften, gemessen in der Einlaufrechenebene, WSL [m ü.M.] bestimmt vor dem Krafthauseinlauf.

Verluste und Wirkungsgradeinbussen an Flusskraftwerken verursachen.

Nach über drei Jahren interdisziplinärer Forschungsarbeit und unter Mitarbeit und Unterstützung eines breiten Expertenkreises aus Wirtschaft, Ämtern und Kraftwerksbetreibern wurde dieses Ziel erreicht.

Durch die systematische Variation der Rechenparameter wurden neue Rechenkonfigurationen entwickelt, deren hydraulische Verluste im Bereich heutiger Einlaufrechen liegen. Es zeigte sich, dass insbesondere die Verringerung der Rechenstabausrichtung positive Resultate erzielt, da die hydraulischen Verluste verringert werden und die fischleitende Wirkung positiv beeinflusst wird.

Modifizierte Leitrechen zeigen dementsprechend in Laborversuchen mit 76% bis 100% Leiteffizienz sehr vielversprechende Resultate, sowohl für Fischarten, die strukturliebend entlang der Rechenkonstruktion abwandern (Barbe, Bachforelle, Aal) als auch strukturmeidende Arten, bei denen die hydraulische Signatur im Oberwasser der Rechen bereits zu Meidreaktionen führt (Äsche, Schneider).

Schliesslich zeigten die Untersuchungen im Kraftwerksmodell, dass durch die Modifikation der Rechen nicht nur die hydraulischen Verluste verringert werden, sondern parallel eine markante Verbesse-

rung der Qualität der Kraftwerksanströmung und damit des Turbinenwirkungsgrades im Vergleich zu herkömmlichen Leitrechen möglich ist.

Die Arbeit muss dennoch nur als erster Schritt auf dem Weg zur fischbiologischen und ingenieurtechnischen Umsetzung gesehen werden, da die transdisziplinäre Spannweite der Problemstellung den Umfang einer Doktorarbeit weit überschreitet. In der Weiterführung möglicher Forschungsanstrengungen ist deshalb zu empfehlen, neben dem Ausbau des Grundlagenwissens einen weiteren Fokus auf die Problematik der baulichen Umsetzung und auf den betrieblichen Unterhalt, z.B. anhand einer Prototypanlage, zu legen.

Konkret empfehlen die Autoren unter anderem folgende, zukünftige Untersuchungsschwerpunkte: 8.1 Grundlagenforschung Der Rechenstabwinkel ß zeigte sich als dominanter Einflussparameter, sowohl im Hinblick auf die hydraulischen Eigenschaften als auch die Fischleiteffizienz. Der getestete Wertebereich schloss dabei Konfigurationen mit ß = 0° und 45° ≤ ß ≤ 90° ein. Im Resümee der Versuchsergebnisse könnte aber gerade der bisher noch nicht untersuchte Bereich 0° ≤ ß ≤ 45° von besonderem Interesse sein. Eine systematische

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Variation des Rechenstabwinkels in diesem Wertespektrum würde mit hoher Wahrscheinlichkeit zur weiteren Verbesserung der hydraulischen Eigenschaften führen.

Demgegenüber wäre zu analysieren, ob dies grundsätzlich auch für die fischleitende Wirkung gilt und welcher Rechenstabwinkel den Wendepunkt im Hinblick auf die Fischleiteffizienz für bereits untersuchte, aber auch zusätzliche Spezies darstellt.

Des Weiteren sollte ein Fokus der weiteren ethohydraulischen Grundlagenforschung auf die Bypass-Gestaltung und –Geometrie gelegt werden, indem systematische Versuche eine optimierte allmähliche Zunahme der Zuströmungsgeschwindigkeiten zum Ziel haben.

8.2

Kraftwerksspezifische Umsetzung Die Untersuchungen am Beispiel eines Flusskraftwerkes in Blockbauweise verdeutlichten, dass eine Schlüsselstelle bei der Anströmung der Leitrechen, wie auch anderer Rechensysteme, im Bereich des Trennpfeilers zwischen Krafthaus und Wehrfeld auftritt. Hier führt das grossräumige Eindrehen der Gerinneströmung zum Einbruch der rechenparallelen Leitströmung und zusätzlich zur starken lokalen Erhöhung der Fliessgeschwindigkeiten.

Beide Aspekte können Fischen das Auf27

finden der Bypass-Einläufe erschweren oder unmöglich machen. Es existieren in diesem Hinblick bereits einige Lösungsansätze, wie z.B. die lokale Verringerung der Rechenstababstände am Rechenfuss, die zur Verlagerung der Abflusskonzentration in den oberen Rechenbereich beitragen kann. Die Sensibilität solcher Massnahmen erfordert allerdings in jedem Fall eine Überprüfung, entweder anhand numerischer Methoden oder durch physikalische Modellversuche.

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8.3 Betriebliche Aspekte Der Einsatz von Leitrechen unter Prototypbedingungen stellt z.B. im Hochwasserfall Anforderungen an die Rechenkonstruktion, die im Modellversuch vorerst nicht abgedeckt wurden. Dies beinhaltet Aspekte der Rechenreinigung, die anhand von Schwemmholzversuchen bereits grundlegend in diesem Projekt behandelt wurden, aber auch hydrodynamische Aspekte, die zur Schwingungsanregung der Rechenstäbe führen können. Da diese Problemstellungen von hoher Relevanz für die Betriebssicherheit sind, dürfen sie in zukünftigen Untersuchen nicht ausgelassen werden.

28

der

Schweizer

Wasserkraft.

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

Hydroökologie und nachhaltiges Auenmanagement 2D-Modellierung und räumliche Multikriterienanalyse zur Entscheidungshilfe bei Revitalisierungen Michael Doering, Martina Blaurock, Silvia Oppliger, Steffen Schweizer

Zusammenfassung Die Sandey-Aue im Kanton Bern, Schweiz, ist eine Aue von nationaler Bedeutung und aufgrund ihres dynamischen Abflussregimes und ihrer vielfältigen Habitatstrukturen ökologisch von besonderem Interesse. Allerdings ist das naturnahe System durch Wasserkraftnutzung, landwirtschaftliche Nutzung und insbesondere durch Massnahmen zum Hochwasserschutz beeinträchtigt. Damit verbunden ist eine signifikante Reduktion der Auendynamik. Im Rahmen des aktuellen Forschungsprojektes «HyflooS» wurden in der Sandey-Aue mithilfe eines hydraulischen 2D-Modells unterschiedliche Revitalisierungsmassnahmen simuliert, räumlich mittels GIS analysiert und mit einer Multikriterienanalyse ausgewertet. Damit lassen sich die Auswirkungen von verschiedenen Revitalisierungsmassnahmen auf das System, sowohl in ökologischer als auch soziökonomischer Hinsicht, unter Berücksichtigung der Hochwassergefährdung vorhersagen und bewerten. Dieser verknüpfte Ansatz bietet die Möglichkeit, unterschiedliche Interessen in Bezug auf die zu erwartenden Auswirkungen von Revitalisierungsmassnahmen möglichst objektiv zu analysieren, verschiedene Zielsetzungen gegeneinander abzuwägen und geeignete Massnahmen zu priorisieren. Zudem ermöglicht dieses Vorgehen die Lücke zwischen der Bewertung des Ist-Zustandes eines Fliessgewässers und der Erfolgskontrolle nach der Umsetzung von Revitalisierungsmassnahmen zu schliessen.

1.

Einleitung und Zielsetzung Flussrevitalisierungen sind i.d.R. komplexe Vorhaben, bei denen der Hochwasserschutz, die Gewässerdynamik und die Ökologie eine zentrale Rolle spielen. Dabei bewegen sich Revitalisierungsmassnahmen und flussbauliche Massnahmen an Gewässern in einem Spannungsfeld zwischen den Bereichen Gesellschaft, Umwelt und Wirtschaft (BWG 2001; Woolsey et al., 2005). Ökologische Aufwertungen können somit nur dann erfolgreich umgesetzt werden, wenn weiterhin der Hochwasserschutz gewährleistet bleibt und Nutzungskonflikte berücksichtigt werden (Woolsey et al., 2005). Ebenfalls gilt es, im Zuge eines nachhaltigen Gewässermanagements die Massnahmen zu priorisieren, bei denen der Nutzen für die Natur im Verhältnis zum Aufwand gross ist (Göggel 2012). Das hohe Konfliktpotenzial zwischen unterschiedlichen Interessen der Beteiligten und sich widersprechende Zielsetzungen erschweren dabei oft die Planungen. Zudem bestehen häufig relativ grosse Unsicherheiten über die Konse-

quenzen der Massnahmen und deren Nutzen aufgrund der Komplexität der Systeme (Reichert et al. 2007).

In diesem Zusammenhang sind hydraulische Simulationen ein sehr gut geeignetes Werkzeug, um flussbauliche Massnahmen und ihre Folgen zu analysieren. Sie eigenen sich insbesondere zur Hochwasservorsorge (Rousselot et al. 2012). Mit ihrer Hilfe können aber auch hydraulische und morphologische Parameter untersucht werden (Vonwiller et al., 2010; Rousselot et al., 2012), die es ermöglichen, ökologische Potenziale unterschiedlicher Projektvarianten abzuschätzen. Dabei kann die Auswertung der Daten GIS-basiert erfolgen und mit einer Multikriterienanalyse gekoppelt werden. Damit lassen sich die Konsequenzen verschiedener Massnahmen objektiv bewerten und vergleichen.

Die vorliegende Arbeit ist Teil des seit 2011 bestehenden angewandten Forschungsprojektes «Ökohydrologie und nachhaltiges Auenmanagement-Hydroecology and Floodplain Sustainability

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

(HyFlooS)» der Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften – ZHAW und den Kraftwerken Oberhasli AG – KWO in Zusammenarbeit mit weiteren verschiedenen Interessengruppen aus Wissenschaft (Eawag, Epfl, University of Montana, USA, National Institut of Biology, Slovenien), Behörden (Bafu, Abteilung Naturförderung Kanton Bern) und Praxis (Auenberatungsstelle, eQcharta GmbH). Im Rahmen des Projekts werden integrative Methoden ausgearbeitet, um die Veränderungen von komplexen Auensystemen durch potentielle Revitalisierungen auf Landschaftsebene mithilfe der Kombination aus Indikatorenbildung, Modellierung und Monitoring zu bewerten, vorherzusagen, zu beobachten und gegebenenfalls anzupassen. Dabei werden am Fallbeispiel der Sandey-Aue im Berner Oberland Möglichkeiten untersucht, wie sich verschiedene ökologische und sozioökonomische Interessen im Sinne eines integrativen und nachhaltigen Gewässermanagements vereinbaren lassen (siehe Doering et al.

2013).

Das hier beschriebene Teilprojekt beschäftigt sich insbesondere mit der Modellierung als effizientes Werkzeug, um einerseits ökologische Auswirkungen von Revitalisierungen qualitativ und quantitativ vorherzusagen, und anderseits die Konsequenzen auf den Hochwasserschutz abzuschätzen. Dazu wurde ein verknüpfter Ansatz aus hydraulischer 2D-Modellierung, GIS-basierter räumlicher Bewertung und einer Multikriterienanalyse gewählt (Bild 1). Dieser integrative Ansatz soll einen bedeutenden Beitrag zur Entscheidungshilfe im Planungsprozess leisten, und unabhängig von der hier gewählten Fallstudie auch auf andere Revitalisierungsprojekte anwendbar sein.

2.

Methoden Um den hier gewählten Ansatz auf seine Praxistauglichkeit hin zu testen, wurde in 29

2.2

Bild 1. Vorgehensweise für die Entwicklung von Revitalisierungsvarianten aus Einzelmassnahmen mithilfe einer Verknüpfung aus Modellierung, Raum- und Multikriterienanalyse zur Integration von Ökologie, Ökonomie und Hochwasserschutz.

Bild 2. Übersicht über die vorgeschlagenen Revitalisierungen. Zur näheren Erläuterung der einzelnen Massnahmen siehe Tabelle 1. einem ersten Schritt ein konkretes Fallbeispiel ausgewählt (Kap. 2.1).

2.1 Untersuchungsgebiet Aufgrund der guten Datengrundlage und der morphologischen und hydrologischen Beeinträchtigungen eignet sich die Auenlandschaft Sandey (Berner Oberland – Ost) sehr gut als Modellökosystem. Trotz ihres naturnahen Zustandes weist die Aue heute durch Massnahmen zum Hochwasserschutz, landwirtschaftliche Nutzung und 30

Wasserkraftnutzung Beeinträchtigungen auf, was eine Einschränkung der Auendynamik zur Folge hat. Darüber hinaus ist die Sandey-Aue eine Aue von nationaler Bedeutung, die aufgrund ihres dynamischen Abflussregimes und ihren vielfältigen Habitatstrukturen in ökologischer Hinsicht von besonderem Interesse ist (Bild 2). Eine detaillierte Beschreibung der Sandey-Aue findet sich in Blaurock, 2012, Doering et al., 2012 und 2013.

Definition potenzieller Revitalisierungsmassnahmen Basierend auf einer Vorstudie, Feldbegehung, Analysen von historischen Luftbildern und der Topographie (Doering et al., 2012; Pauccaud und Roulier, 2012) wurden verschiedene Revitalisierungsmassnahmen vorgeschlagen. Ziel der Massnahmenvorschläge ist es, dem Gewässer mehr Raum zur eigendynamischen Entwicklung zu geben sowie durch die Reaktivierung von Seitengerinnen die laterale Vernetzung von Gerinne und Aue zu fördern. Bei der Planung der Massnahmen wird der Hochwasserschutz (insbesondere von landwirtschaftlich wertvollen Flächen und Privateigentum) mit berücksichtigt. Die konkreten Massnahmenvorschläge sind in Bild 2 und Tabelle 1 dargestellt bzw. erläutert.

2.3 Hydraulische 2D-Modellierung Als topographische Datengrundlage für die hydraulischen Modellierungen (BASEMENT 2.2; Fäh et al., 2011) dient ein digitales Geländemodell (DGM) der SandeyAue (Auflösung 2 × 2 m; Höhengenauigkeit 5 cm; LiDAR-Flug am 23.03.2011). Aus dem DGM wurde ein Berechnungsgitter mit der Software SMS 10.1 (Aquaveo, 2010) erstellt. Im Bereich um das Hauptgerinne und die Nebengerinne im Auenperimeter wurde eine Knotendistanz von einem Meter gewählt und damit Zellgrössen von 0.5 bis 1 m2 erreicht. Ausserhalb des Perimeters nimmt die Zellgrösse zu, und insgesamt beträgt die mittlere Zellgrösse des Berechnungsgitters 3.4 m2.

Den einzelnen Zellelementen wurden je nach Untergrund verschiedene Rauhigkeitsbeiwerte zugeordnet, die aus Linienzahlanalysen (Fehr, 1987) des Sediments (für Kiesflächen) und aus Literaturangaben (für Auwald und Grasflächen) entnommen wurden. Die Zuordnung der einzelnen Flächen basierte auf dem Orthofoto der Sandey-Aue von 2007 (Doering et al., 2012).

Eine Überprüfung der hydraulischen Modellierung erfolgte in drei Schritten: Visueller Vergleich der Resultate mit Fotoaufnahmen des Hochwassers im Oktober 2011, Vergleich mit den Ergebnissen eines 1DModells (HEC-RAS; US Army Corps of Engineers, 2012) sowie durch eine Analyse des Einflusses von Änderungen des Rauhigkeitsbeiwert für Kiesflächen auf die berechnete Wassertiefe und Geschwindigkeit. Daraus ging hervor, dass das Modell die Überflutung mit ausreichender Genauigkeit darstellt (Oppliger, 2012).

In einem nächsten Schritt wurden die verschiedenen Revitalisierungsmass-

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

nahmen (z.B. Dammentfernung und Gerinneanschluss) im Berechnungsgitter abgebildet. Dafür wurden die Knotenpunkte und damit die modellierte Topographie manuell angepasst. Alle Simulationen wurden unter stationären Bedingungen durchgeführt, d.h. die Abflussmenge am Zufluss ändert sich nicht mit der Zeit und die Simulation wird durchgeführt, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht wird, bei dem sich die hydraulischen Parameter im Modell nicht weiter verändern. Für alle Simulationen wurde das Gewässerbett als statisch und undurchlässig angenommen, d.h. Geschiebetransport und Flussbettumlagerungen sowie Grundwasseraustausch wurden nicht berücksichtigt. Für jede Zelle des Berechnungsgitters wurden die tiefengemittelte Fliessgeschwindigkeit (m/s), Wasserspiegellage (m) und Wassertiefe (m) berechnet. Diese Daten wurden anschliessend in ein Geografisches Informationssystem (ArcGis 10.0; ESRI,2012) importiert. Basierend auf diesen GIS-Daten erfolgten weitere Analysen und Verschneidungsvorgänge mit relevanten ökologischen und sozioökonomischen geografischen Daten (siehe Kapitel 2.5 und 2.6).

2.4 Simulierte Abflussbedingungen Als Eingangsdaten für die Simulationen wurden unterschiedliche Abflussbedingungen (Niedrigwasser bis 100-jähriges Hochwasser) festgelegt (Tabelle 2). Die dafür nötige Dauerlinie wurde anhand von vierjährigen Pegeldaten aufgestellt (vgl.

Blaurock, 2012), die Hochwasserabflüsse wurden anhand mehrerer Methoden (Niederschlagsauswertungen, Hochwasserstatistik und hydrologische Regionalisierung) ermittelt (Schmoker, 2010, Oppliger, 2012).

Tabelle 1. Beschreibung der einzelnen vorgeschlagenen Revitalisierungensmassnahmen (vgl. Bild 2).

Tabelle 2. Ausgewählte Abflüsse für die Simulationen der 2D-Modellierung.

2.5 Ökologische Indikatoren Zur ökologischen Bewertung wurden Indikatoren ausgewählt, die für die strukturelle Charakterisierung von Fliessgewässern und Auen geeignet sind, einen Vergleich der Revitalisierungsmassnahmen zulassen, hydraulisch modelliert und im GIS direkt bestimmt werden können (Tabelle 3).

2.6 Sozioökonomische Aspekte Die sozioökonomische Bewertung basiert in erster Linie auf dem Hochwasserschutz.

Dabei wurden die bei Hochwasserereignissen betroffenen landwirtschaftlichen Nutzflächen nach ihrem futterbaulichen Wert klassifiziert (hoch, mittel, tief; Dietl, 1981). Ausserdem wurden die Eigentumsverhältnisse (Privatparzellen) berücksich-

Tabelle 3. Ausgewählte ökologische Indikatoren und ihre Bedeutung (zusammengestellt nach [Friend und Sinha, 1993; Van der Nat et al., 2002; Woolsey et al., 2005; Gostner und Schleiss, 2011]).

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

31

ren wurden hierfür dem Bereich Ökologie, die betroffenen landwirtschaftlichen Nutzflächen und Privatparzellen dem Bereich Ökonomie/Hochwassergefährdung zugeteilt.

Bild 3. Darstellung der Überflutungsflächen der einzelnen Massnahmen (M1 bis M8) im Vergleich zum lst-Zustand: Simulation bei HQ1 (links) und HQ30 (rechts).

Tabelle 4. Übersicht der verwendeten Indikatoren und deren Gewichtung in der Multikriterienanalyse. schlagenen Massnahmen (M1–M8, Tatigt. Auf Basis der Intensität eines Hoch- belle 1 und Bild 2) einzeln simuliert und wasserereignisses (Überflutungstiefe und beurteilt (Bild 3; Tabelle 1).

Fliessgeschwindigkeit je Gitternetzfläche; Für eine erste ökologische AbBUWAL, 1997; ARE, 2005) sind Gefah- schätzung ist der Fokus auf den Anschluss renkarten erstellt worden, die so eine Ein- von Seitengerinnen sowie auf die Überschätzung der Hochwassergefährdung flutungsflächen im Auenperimeter gelegt erlauben. worden. Als Bezugsgrösse dafür wurde das HQ1 gewählt, d. h. dass mindestens 3.

Revitalisierungsvarianten einmal im Jahr dynamische Prozesse ausIm Folgenden wird der Prozess zur Identi- serhalb des Hauptgerinnes stattfinden. fikation geeigneter Revitalisierungsvarian- Um die sozioökonomischen Auswirkunten kurz beschrieben. Eine detaillierte Be- gen grob abzuschätzen, wurde die Überschreibung findet sich in Blaurock, (2012). flutung (Kap. 2.6) eines HQ30 betrachtet.

Um die ökologischen und sozio3.1 Entwicklung der Varianten ökonomischen Auswirkungen der MassUm eine geeignete Auswahl an Massnah- nahmen objektiv miteinander vergleichen menkombinationen (im folgenden Revi- zu können, wurden die Ergebnisse in einer talisierungsvarianten genannt) zu treffen, Multikriterienanalyse einander gegenwurden in einem ersten Schritt alle vorge- übergestellt. Die ökologischen Indikato32

3.3 Multikriterienanalyse Für die Multikriterienanalyse wurde der Ansatz des Weigthed Product Model (WPM) nach Bridgman, (1922) und Miller und Starr (1969) verwendet. Diese Methode erlaubt es, mehrere Indikatoren mit unterschiedlichen Einheiten zu normalisierten Indexwerten zusammenzufassen und diese als Vergleichsbasis heranzuziehen. Als Referenzwert wurde der Ist-Zustand verwendet und die Indikatorwerte der Massnahmen jeweils am Indikatorwert des Ist-Zustandes normalisiert. Für die Bereiche Ökologie, Ökonomie und Hochwassergefährdung ist jeweils eine Evaluationsmatrix erstellt worden. Bei einer Erhöhung der Indikatorwerte gegenüber dem Ist-Zustand erhöht sich der Indexwert. Anhand der unterschiedlichen Indizes konnten die Massnahmen für jeden Bereich in eine Rangfolge gebracht und objektiv miteinander verglichen werden.

Die Gewichtung der Indikatoren richtet sich nach der Aussagekraft der berücksichtigten Kriterien. So sind die ökologischen Indikatoren Anbindung von Seitengerinnen und überflutete Auwaldfläche bei einem einjährigen Hochwasser (HQ1) entscheidende Faktoren für die Anbindung der Aue und erhalten eine hohe Gewichtung. Da die Indikatoren Uferlänge, Anzahl der Verzweigungen sowie Breiten-, Abflusstiefen- und Fliessgeschwindigkeitsvariabilität bei Mittelwasserstand aussagekräftig sind (Woolsey et al., 2005; Vonwiller et al., 2010), gingen sie mit einer geringeren Gewichtung in die Analyse ein (Tabelle 4).

Im Bereich Ökonomie wurden die Flächen mit einem mittleren futterbaulichen Wert (Fb-Wert «mittel») höher gewichtet als Weideflächen mit einem geringen futterbaulichen Wert (Fb-Wert «tief»).

Für den Bereich Hochwassergefährdung wurde neben der Überflutungsfläche in Bezug auf die betroffenen Privatparzellen auch die Fläche mit mittlerer (Tiefe 0.5–2 m oder Tiefe × Geschwindigkeit 0.5–2 m2/s) bis grosser Intensität (Tiefe > 2 m oder Tiefe × Geschwindigkeit > 2 m2/s) berücksichtigt, um dem erhöhten Gefährdungspotenzial solcher Flächen Rechnung zu tragen (Tabelle 4).

3.4 Auswahl der Varianten Anhand der Ergebnisse der Multikriterien-

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

analyse wurden zwei ökologische Varianten (‹Min› = Fokus auf möglichst geringe Überflutungsfläche und ‹Max› = Fokus auf ökologischen Nutzen unter Berücksichtigung des Hochwasserschutzes) entwickelt. Nach der Auswahl der Revitalisierungsvarianten ‹Max› und ‹Min› wurden zusätzliche Simulationen bei verschiedenen Abflussbedingungen berechnet.

4.

Ergebnisse der Revitalisierungsvarianten Aufgrund der hohen Anzahl an durchgeführten Simulationen werden hier nur die wichtigsten Simulationsergebnisse (Überflutungsflächen und Gefährdung) beispielhaft für bestimmte Abflusssituationen erläutert. Die Überflutungsflächen sind für HQ1, Q10, MQs sowie Q347 für den IstZustand und die Revitalisierungsvarianten (Bild 4) dargestellt. Die simulierten Gefährdungen der untersuchten Varianten sind für HQ1 in Bild 5 veranschaulicht.

Beim Ist-Zustand werden im oberen Bereich der Aue Abflüsse bis einschliesslich einem einjährigen Hochwasser (HQ1) im Hauptgewässerbett abgeführt, da die seitlichen Beschränkungen ein Ausufern des Gewässers verhindern.

Nur im unteren Bereich der Aue bilden sich bei HQ1 Seitengerinne aus. Die Variante ‹Max› zeigt gegenüber dem Ist-Zustand eine deutliche Erhöhung an Überflutungsflächen. Hier werden im oberen Bereich der Aue mehrere Seitengerinne, die den Auwald durchziehen, angeschlossen. Dies geschieht bereits bei mittlerem Sommerwasserabfluss (MQs). Flächen ausserhalb des Auenperimeters werden bei HQ1 nicht von der Überflutung betroffen. Durch die Variante «Min» werden nur einzelne Seitengerinne, die nahe am Hauptgewässerbett liegen, angeschlossen. Ein Anschluss der Gerinne findet überwiegend erst bei HQ1 statt. Die Unterschiede in den Überflutungsflächen der Variante ‹Min› gegenüber dem Ist-Zustand sind daher bei allen Wasserständen gering (Bild 4).

Insgesamt erfolgt die Überflutung bei einem HQ1 bei beiden Varianten in niedriger Intensität ausserhalb des Hauptgerinnes, wodurch die Gefährdung als gering einzustufen ist; private Parzellen werden nicht betroffen (Bild 5).

4.1 Ökologische Indikatoren Die Variante ‹Max› zeigt eine deutliche Erhöhung der Indikatoren Überflutungsfläche, überflutete Auwaldfläche‚ Uferlänge, Braiding-Index und Anzahl der Verzweigungen gegenüber dem Ist-Zustand. Bei den Indikatoren zur Erfassung der hydrau-

Bild 4. Simulierte Überflutungsflächen für unterschiedliche Abflüsse im Vergleich: ‹lstZustand› (links), Variante ‹Min› (mitte), Variante ‹Max› (rechts). Die einzelnen Überflutungsflächen der Abflüsse wurden für diese Darstellung übereinandergelegt.

Bild 5. Simulierte Überflutungsintensitäten bei HQ1 für den Ist-Zustand, für die Varianten «Min» und «Max». lisch-morphologischen Variabilität (Breiten-, Tiefen- und Geschwindigkeitsvariabilität sowie HMID) sind die Unterschiede weniger deutlich. Die Variante «Min» zeigt im Allgemeinen nur geringe Unterschiede in allen erhobenen Indikatoren im Vergleich zum Ist-Zustand (Bild 6; ausgewählte Beispiele, für Details siehe Blaurock, 2012).

4.2 Sozioökonomische Indikatoren Hinsichtlich der betroffenen Weideflächen ergeben sich für die Variante «Max» bei HQ1 und HQ10 signifikante Unterschiede, sowohl zum Ist-Zustand als auch zur Variante «Min» (Bild 7 a, b). So erhöht sich bei Variante ‹Max› die Überflutungsfläche von Gebieten mit einem mittleren futterbaulichen Wert um 0.4 (HQ1) resp. 1.4 ha (HQ10). Mit zunehmender Hochwasserin-

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tensität reduzieren sich die Unterschiede im Überflutungsausmass zwischen den einzelnen Varianten (Bild 7 c, d).

Der Flächenanteil, der in der Gefahrenzone mit erheblicher Gefährdung/ starke Intensität klassifiziert wird, liegt für den Ist-Zustand bei 0.35 ha (bei HQ10) resp. 0.85 ha (bei HQ100) und nimmt auch bei den Varianten «Min» und «Max» nur unwesentlich zu (Bild 8b und c).

4.3 Synthese Die Auswertungen zeigen, dass bei der Variante «Min» die Hochwassergefährdung gegenüber dem Istzustand nur geringfügig zunimmt. Allerdings können damit ökologische Verbesserungen nur in einem gewissen Umfang erwartet werden. Demgegenüber kann mit der Variante «Max» ein 33

deutlich höherer Revitalisierungseffekt erreicht werden. Dies allerdings auf Kosten der Hochwassergefährdung.

Der hier gewählte Ansatz erlaubt, sowohl die ökologischen als auch die sozioökonomischen Belange zu quantifizieren. Grundsätzlich können so Landverhandlungen und Revitalisierungsplanungen effizient und transparent angegangen und letztlich die Akzeptanz bei allen Beteiligten erhöht werden.

Im Fall der Sandey wäre auch die Errichtung neuer Schutzdämme ausserhalb des aktiven Teils der Aue denkbar.

Damit könnte dem Urbachwasser innerhalb des Auenperimeters mehr Raum für eine eigendynamische Entwicklung zur Verfügung gestellt werden und gleichzeitig die Hochwassergefährdung ausserhalb der Aue auf dem heutigen Niveau erhalten bleiben (Bild 9).

Bild 6. Vergleich der erhobenen ökologischen Indikatoren für den Ist-Zustand, Variante ‹Max› und Variante ‹Min›: (a) Uferlänge, (b) benetzte Auwaldfläche, (c) Anzahl der Verzweigungen, (d) Gewässerbreitenvariabilität, (e) Tiefenvariabilität, (f) Geschwindigkeitsvariabilität. SC = Standardisierter Variationskoeffizient.

Bild 7. Betroffene Weideflächen unterschieden nach ihrem futterbaulichen Wert (nicht klassiert, mittel, tief, null) bei Hochwasserereignissen verschiedener Jährlichkeiten: (a) HQ1, (b) HQ10, (c) HQ30, (d) HQ100.

34

4.

Diskussion und Fazit Das hier verwendete 2D-Modell und dessen Auflösung erlauben eine sehr genaue Darstellung der Überflutungssituation in der Aue. Allerdings lassen sich mit diesem Ansatz bisher keine Erosions- und Depositionsvorgänge simulieren. Da allerdings Sedimentmodellierungen mit grossen Unsicherheiten verbunden sind und in einem komplexen Gewässersystem wie der Sandey-Aue ohne Felddaten zu Geschiebeprozessen nicht mit ausreichender Genauigkeit nachstellbar sind, ist eine Annahme eines statischen Gewässerbettes zu rechtfertigen. Auch die Interaktion des Gewässers mit dem Grundwasser konnte durch die Annahme eines statischen Gewässerbetts nicht berücksichtigt werden.

Der Austausch von Grundwasser kann jedoch für das Überschwemmungsmanagement in der Sandey-Aue von gewisser Bedeutung sein, da einige Nebengerinne in der Aue von Grundwasser versorgt werden und Abflüsse unterhalb der Hochwasserschutzbauten fließen können. Allerdings ist davon auszugehen, dass unterirdische Abflüsse geringere Schäden auf den Weideflächen verursachen als Überflutungen, die Sedimente mit sich führen (Pauccaud und Roulier, 2012). Da die ökologischen Indikatoren vor allem für sommerliche Abflüsse betrachtet wurden und in dieser Jahreszeit der Grundwasseraustausch von untergeordneter Bedeutung ist, ist auch diese Vereinfachung gerechtfertigt.

Für die Erstellung von Dauerlinien wird in der Regel ein grosses Kollektiv an Jahren (mindestens 10 Jahre) betrachtet, um abgesicherte Aussagen treffen zu können (Strobel und Zunic, 2006). Die Er-

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

Bild 8. Betroffene private Parzellenflächen unterschieden nach der Intensität (schwach, mittel, stark), mit der sie bei unterschiedlichen Hochwasserereignissen erfasst werden: (a) HQ10, (b) HQ30, (c) HQ100. Die Anzahl der betroffenen Gebäude pro Intensität ist als Zahl in die jeweiligen Säulen eingetragen.

spielt, sollte diese auf Expertenwissen und Literaturangaben gestützt werden (Rohde et al., 2006). In dieser Arbeit orientierte sich daher die Gewichtung der ökologischen Indikatoren nach deren Bedeutung beim simulierten Abfluss (entnommen aus Woolsey et al., 2005). Für die Bereiche Ökonomie und Hochwassergefährdung ergaben Gespräche mit Spezialisten, dass sich der futterbauliche Wert und die potenzielle Gefährdung (Intensität) als Kriterien für die Gewichtung am besten eignen.

Allerdings zeigen insbesondere die Indikatoren zur hydraulisch-morphologischen Variabilität eine eher geringe Sensitivität, da es sich bei der Fallstudie um eine bereits heterogene und naturnahe Aue handelt. Diese Indikatoren müssten somit in ihrer Anwendung in komplexen Auenlandschaften überarbeitet und angepasst werden. Ausserdem beruhen die hier angewendeten Indikatoren auf strukturellen, physikalischen Gegebenheiten und können daher nur indirekt auf Ökosystemprozesse übertragen werden. Sie wurden aber in zahlreichen Studien erfolgreich mit biologischen Parametern in Verbindung gebracht (z. B. in Opperman et al., 2010, Alp et al., 2011, Larned et al., 2007). Diesbezüglich ist aber eine weitere Verknüpfung mit Felddaten wichtig, da eine Wiederherstellung der strukturellen Heterogenität nicht zwingend zu einer Erhöhung der Biodiversität führen muss (Palmer et al., 2010) und um damit die Aussagekraft der Indikatoren in Hinsicht auf Auensysteme wie hier der Sandey verbessern zu können.

Grundsätzlich dürfte sich der hier vorgestellte Ansatz auch für andere Flussrevitalisierungen eignen, insbesondere für Vorstudien und als effizientes Hilfsmittel bei konkreten Planungen sowie in der Entscheidungsfindung.

Danksagung Ein grosser Dank geht an zahlreiche Personen, die aktiv am Projekt mitarbeiten, es fachlich und finanziell unterstützen und/oder das Ma-

Bild 9. Vorschlag für einen neuen Damm (rote Linie), um Flächen ausserhalb des Auenperimeters vor Hochwasser zu schützen.

nuskript kritisch durchgelesen haben. Hier sind

stellung der Dauerlinie aus einer Zeitreihe von nur vier Jahren ist daher mit einigen Unsicherheiten verbunden. Da die Dauerkurve in dieser Arbeit jedoch vor allem dazu diente, das zeitliche Spektrum der gemessenen Jahresabflüsse erfassen zu können, ist dieser Ansatz im Rahmen einer ersten Abschätzung zulässig.

Für die Entwicklung der Revitalisierungsvarianten (Kap. 2.2) wurden die Einzelmassnahmen in Bezug auf ihre öko-

(Eawag), Christian Hossli (eQcharta), Manfred

zu nennen: Jan Baumgartner (KWO), Simone Blaser (Eawag), Yvonne Döring, Tom Gonser

logischen und sozioökonomischen Auswirkungen in einer Multikriterienanalyse mit dem Ansatz des Weighted-ProductModel (WPM) (Bridgman 1922; Miller und Starr, 1969) gegenübergestellt. Der Vorteil des WPM-Ansatzes besteht darin, dass die verwendeten Indikatoren normalisiert werden können und die jeweilige Einheit eines Indikators entfällt. Da bei Multikriterienanalysen die Gewichtung der verwendeten Indikatoren eine bedeutende Rolle

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

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«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

Methode zur Beurteilung des maximalen Breschenabflusses bei progressivem Bruch homogener Erdschüttdämme an kleinen Stauhaltungen Lukas Vonwiller, David Vetsch, Samuel Peter, Robert M. Boes

Zusammenfassung Die Gefahrenbeurteilung von Stauanlagen ist eine wichtige Aufgabe im Risikomanagement. In der Schweiz sieht die Richtlinie über die Sicherheit der Stauanlagen einen plötzlichen und partiellen Bruch mit einer standardisierten Breschenform (Standardbresche) bei Schüttdämmen vor. Zur Berechnung des maximalen Breschenabflusses wird dabei ausschliesslich die Stauhöhe berücksichtigt, und andere Einflussgössen wie z.B. das Stauvolumen werden vernachlässigt. Im Vergleich mit einem progressiven Versagensvorgang wird der maximale Breschenabfluss bei kleinen Stauhaltungen je nach Situation über- oder unterschätzt. Eine Überschätzung erfolgt tendenziell für grosse Stauhöhen und kleine Stauvolumina, während grosse Stauvolumina und kleine Stauhöhen zu einer Unterschätzung führen. Die Gefahrenbeurteilung anhand der Standardbresche liegt somit nicht immer auf der sicheren Seite.

Obwohl die Abschätzung des maximalen Breschenabflusses immer mit grossen Unsicherheiten verbunden ist, gilt es, ein möglichst realitätsnahes Modell zu entwickeln.

In diesem Beitrag wird ein Verfahren vorgestellt, um den maximalen Breschenabfluss für homogene Schüttdämme physikalisch basiert abzuschätzen. Dabei werden verschiedene Einflussgrössen und ein progressiver Versagensvorgang berücksichtigt.

1.

1.1

Einleitung

Hintergrund und rechtliche Grundlagen Die Gefahrenbeurteilung von Stauanlagen ist eine wichtige Aufgabe im Risikomanagement. Im Falle des Versagens eines Sperrenbauwerks und einer daraus resultierenden Flutwelle können Menschen und Infrastruktur zu Schaden kommen. Die Gefahrenbeurteilung wird in drei Schritte eingeteilt (vgl. Tabelle 1).

Die vorliegende Arbeit befasst sich ausschliesslich mit dem ersten Schritt der Gefahrenbeurteilung und stellt ein neues Verfahren vor. Der daraus resultierende

maximale Breschenabfluss kann für Schritt 2 als zentrale Eingangsgrösse für die Abschätzung der Flutwellenausbreitung, z.B. nach BFE, 2014b, c, verwendet werden.

Die gesetzlichen Grundlagen betreffend die Sicherheit der Stauanlagen in der Schweiz sind im Bundesgesetz über die Stauanlagen (StAG, 2013), in der Stauanlagenverordnung (StAV, 2012) und in der Richtlinie über die Sicherheit der Stauanlagen, Teil B (BFE, 2014a) gegeben. Der Geltungsbereich des StAG wird in erster Linie anhand eines Grössenkriteriums für die Stauhöhe und das Stauvolumen (Art 2, Abs. 1, StAG) definiert (durchgezogene Linie in Bild 1). Aufgrund dieser Einteilung

Tabelle 1. Schritte in der Gefahrenbeurteilung von Stauanlagen gemäss Stauanlagenrichtlinie (BFE 2014a) und das entsprechende praxisrelevante Vorgehen.

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

ergibt sich die Vorgehensweise für die Abschätzung des besonderen Gefährdungspotenzials. Dafür spielt die Unterscheidung in ständige Belegung und temporäre Belegung des potenziell gefährdeten Gebiets eine Rolle. Mit diesen Vorgaben kann in einem zweiten Schritt das besondere Gefährdungspotenzial (Art 2, Abs. 2, StAG) abgeschätzt werden. Als Aufsichtsbehörde des Bundes kann das Bundesamt für Energie (BFE) aufgrund des Vorliegens eines besonderen Gefährdungspotenzials eine Stauanlage dem StAG unterstellen oder umgekehrt vom Geltungsbereich des StAG ausnehmen, wenn nachgewiesen werden kann, dass kein besonderes Gefährdungspotenzial vorliegt. Für sehr kleine Stauanlagen (gestrichelte Linie in Bild 1) kann die Abschätzung des besonderen Gefährdungspotenzials rein qualitativ und vor Ort durchgeführt werden. Die Stauanlagenrichtlinie sieht vor, dass eine progressive Breschenbildung angenommen werden kann, sofern dies mit «wissenschaftlich fundierten Methoden» begründbar ist (BFE, 2014a).

1.2

Motivation und allgemeine Prozessbeschreibung von Dammbrüchen Im 19. Jahrhundert wurden im Mittelland sowie im voralpinen Raum viele kleine Stauhaltungen errichtet, welche im Zuge der Industrialisierung für die Stromerzeugung in Kleinwasserkraftwerken genutzt wurden (z.B. Mühlen, Sägereien usw.).

Allein im Kanton Zürich gibt es mehr als hundert solcher Anlagen, die in den allermeisten Fällen als homogene Dämme mit lokal anstehendem Moränenmaterial geschüttet wurden. Heute wird nur noch ein Bruchteil der Anlagen industriell genutzt; vielmehr dienen sie als Naherholungsgebiet und sind derart in die Landschaft eingebunden, dass die meisten Speicher unter Naturschutz stehen. Dennoch geht 37

Bild 1. Übersicht der Vorgehensweise zur Abschätzung des besonderen Gefährdungspotenzials (aus BFE, 2014a).

Bild 2. Trapezförmige Standardbresche mit Basisbreite BB entsprechend der doppelten Stauhöhe hw und seitlichen Böschungen von 1:1 (VAW, 2011). von solchen Anlagen eine Gefährdung aus, da im Versagensfall des Dammes und der daraus resultierenden Flutwelle Menschen und Infrastruktur zu Schaden kommen können. Die Gefahrenbeurteilung solcher Anlagen basiert in der Schweiz auf der Abschätzung des maximalen Breschenabflusses, wobei bisher ein teilweiser und plötzlicher Bruch des Staudammes angenommen wird. Die Stauanlagenrichtlinie sieht für Stauanlagen eine vereinfachte Breschengeometrie (Standardbresche) vor nach BFE, (2014a). Die Standardbresche ist definiert mit einer Basisbreite BB, die der doppelten Stauhöhe entspricht, und weist seitliche Böschungen von 1:1 auf (BFE, 2014a, vgl. Bild 2). Der maximale Breschenabfluss QB,max ist ausschliesslich von der Stauhöhe hw abhängig (vgl. Gleichung 1).

5/2

QB,max = 2.58hw

(1)

Im Vergleich mit einem progressiven Versagensvorgang wird mit diesem Ansatz der maximale Breschenabfluss bei kleinen Stauhaltungen je nach Situation über- oder unterschätzt. Im Falle eines grossen Stauvolumens, welches in Gleichung 1 nicht berücksichtigt wird, sind im Falle einer progressiven Breschenbildung aufgrund 38

des lang andauernden Wasseraustritts durchaus grössere Basisbreiten denkbar.

Für den Fall, dass sich der Wasserspiegel immer noch auf einem hohen Niveau befindet, ergibt sich ein grösserer maximaler Breschenabfluss als mit der Standardbresche. Hingegen kann im Falle von kleinen Stauvolumina und relativ grossen Stauhöhen der maximale Breschenabfluss mit dem Ansatz der Standardbresche überschätzt werden (VAW, 2011).

Dadurch können selbst Anlagen mit relativ kleinen Stauvolumina in den Gültigkeitsbereich des Stauanlagengesetzes (StAG, 2013) fallen. Für eine solche Beurteilung sind jedoch im Anschluss an die Bestimmung des maximalen Breschenabflusses die Abschätzung der Flutwellenausbreitung und die Beurteilung der Gefährdung von Mensch und Infrastruktur erforderlich (siehe Abschnitt 1.1).

Die relevanten Versagensmechanismen von Schüttdämmen sind externe Erosion infolge Überströmens (overtopping) und innere Erosion infolge Durchsickerns (piping) (z.B. Singh, 1996, ASCE/ EWRI Task Committee, 2011). Beim Versagen des Dammes durch Überströmen bildet sich aufgrund eines lokalen Schwachpunkts am Dammkörper eine Initialbresche aus. Durch das ausfliessende

Wasser wird Material erodiert, und die Initialbresche tieft sich in der Folge bis auf die Fundation weiter ein. Anschliessend kommt es zu einer seitlichen Erosion der Bresche, wobei die seitlichen Böschungen stückweise kollabieren und in den Breschenkanal einstürzen können. Das Ausmass der lateralen Erosion und somit die Basisbreite im Endzustand hängen stark vom Stauvolumen ab. Im Endzustand resultiert in den meisten Fällen eine trapezförmige Breschenform (Singh, 1996). Im Falle eines Versagens durch innere Erosion bildet sich zuerst aufgrund einer lokalen Schwachstelle eine konzentrierte Sickerströmung aus. Kommt es dabei zu einer Auswaschung des Feinmaterials, kann sich eine Stromröhre ausbilden, deren Durchmesser kontinuierlich zunimmt. Die Abflüsse sind im Vergleich zum maximalen Breschenabfluss deutlich kleiner, und der Volumenverlust an Stauraum ist vernachlässigbar klein (De Lorenzo & Macchione, 2014). Ab einer gewissen Grösse der Stromröhre wird der Dammbereich instabil, und die Stromröhre stürzt in sich zusammen. Durch die plötzliche Setzung der Dammkrone bildet sich eine Initialbresche aus, und es kommt zu einer Überströmung des Dammkörpers. Der weitere Prozess ist mit dem Prozess der externen Erosion infolge Überströmung identisch, wobei jedoch die Stauhöhe zu Beginn der Überströmung nicht zwingend der maximalen Stauhöhe entsprechen muss.

1.3 Vorgehensweise Die Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) der ETH Zürich hat im Auftrag des Amtes für Abfall, Wasser, Energie und Luft (AWEL) für den Kanton Zürich eine wissenschaftlich fundierte Methode erarbeitet, um den maximalen Breschenabfluss bei progressivem Bruch homogener Erdschüttdämme an kleinen Stauhaltungen abzuschätzen (Schritt 1 der Gefahrenbeurteilung nach Tab. 1, VAW, 2011).

In einem ersten Schritt wird die Sensitivität der verschiedenen Einflussgrössen mit dem numerischen 2D-Modell der Software BASEMENT (2014) aufgezeigt. Dieses wurde vorab an experimentellen Daten von Laborversuchen kalibriert und validiert (Volz et al., 2010, Volz, 2013). Anhand der Sensitivitätsanalyse mit dem 2D-Modell werden die massgebenden Einflussgrössen identifiziert (z.B. das Stauvolumen). In einem zweiten Schritt wird mithilfe der Resultate der Sensitivitätsanalyse das vereinfachte und vom Rechenaufwand reduzierte Parametermodell

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

Standardbresche kann der Einfluss des Stauvolumens nicht ausreichend berücksichtigt werden. Dadurch wird bei kleinen Stauvolumina der Abfluss QB,max tendenziell überschätzt. Hingegen wird der maximale Breschenabfluss bei grösseren Stauvolumina unterschätzt, und somit auch das Gefährdungspotenzial unterbewertet.

Wallner (2014) konnte anhand von experimentellen Laborversuchen ebenfalls einen grossen Einfluss des Stauvolumens auf den maximalen Breschenabfluss beobachten. Bei einer Verdopplung des Stauvolumens resultierten um 50 bis 76% erhöhte maximale Breschenabflüsse.

Bild 3. Definition der relevanten geometrischen Einflussgrössen.

BASEbreach kalibriert. Die Validierung erfolgt anhand von Prototypversuchen aus Norwegen (IMPACT, 2004).

Zum Schluss wird auf die Anwendungsgrenzen und die Erweiterungsmöglichkeiten des bestehenden Modells BASEbreach eingegangen. Zudem werden der aktuelle Forschungsbedarf und alternative Ansätze erwähnt.

2.

Sensitivitätsanalyse mit 2D-Modell BASEMENT Um die Sensitivität der für den Breschenbildungsprozess relevanten Parameter zu bestimmen, werden systematische Untersuchungen mit dem numerischen 2D-Modell BASEMENT (Index BM) durchgeführt (VAW, 2011). Folgende neun Parameter werden variiert (jeweils mit Angaben der Bandbreiten): Dammhöhe HD (2 bis 8 m), Stauvolumen Vw (2000 bis 150 000 m3), Dammkronenbreite BK (1 bis 10 m), Damm-

böschungsneigung mD (1.5 bis 4), Zufluss Qin (0 bis 9 m3/s), mittlerer Korndurchmesser dm (1 bis 20 mm), Breschenböschungswinkel ßu (60 bis 80°), Grundrissform der Stauhaltung LD : LV (1:5 bis 5:1), Neigung der Uferböschungen der Stauhaltung mU (0 (senkrecht) bis 2, vgl. Bild 3 und Bild 5). Der mit dem numerischen 2D-Modell BASEMENT berechnete maximale Breschenabfluss QB,max,BM wird mit demjenigen einer Standardbresche (Index SB, QB,max,SB gem.

Gleichung 1) verglichen.

2.1 Einfluss des Stauvolumens Der signifikante Einfluss des Stauvolumens Vw auf den maximalen Breschenabfluss QB,max ist deutlich in Bild 4 auszumachen.

Für Vw = 150 000 m3 resultiert ein rund 1.8 mal grösseres QB,max als mit der Standardbresche, während QB,max für kleine Stauvolumina mit der Standardbresche um mehr als einen Faktor 8 überschätzt wird. Mit der

2.2 Einfluss der Dammgeometrie Die Dammgeometrie (Dammhöhe HD, Dammkronenbreite BK, Dammböschungsneigung mD, vgl. Bild 3) bestimmt das Dammvolumen. Je grösser das Dammvolumen, desto mehr Material muss während des Erosionsprozesses abgetragen werden. Ein grösseres Dammvolumen hat in der Regel einen kleineren maximalen Breschenabfluss zur Folge. Der Einfluss der Dammhöhe HD auf QB,max ist bei einem progressiven Bruch mit dem numerischen Modell deutlich kleiner als bei Annahme einer Standardbresche (Bild 4).

Bei einer Verdoppelung der Dammhöhe ist das Dammvolumen, welches bei der Breschenbildung im numerischen Modell erodiert werden muss, rund 3.5-mal grösser.

Während der Ausbildung der Bresche sinkt die Stauhöhe hw, was den maximalen Breschenabfluss QB,max limitiert. Die Standardbresche geht von einem plötzlichen Bruch aus und berücksichtigt solche Einflüsse nicht.

2.2 Einfluss des Zuflusses Die Simulation von Lastfällen mit und ohne

Bild 4. Einfluss des Stauvolumens Vw (links) und der Dammhöhe HD (rechts) auf den maximalen Breschenabfluss QB,max in der numerischen Untersuchung mit BASEMENT im Vergleich zum Ansatz mit Standardbresche.

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

39

Zufluss Qin zeigt, dass der maximale Breschenabfluss QB,max um rund die Hälfte des Zuflusses zunimmt. Die Retentionswirkung dämpft somit bei den hier betrachteten kleinen Stauanlagen nicht den ganzen Zufluss. Der Zufluss Qin in einen Speicher beeinflusst das vorhandene Volumen.

Während eines Dammbruchereignisses kann sich das Absenken des Wasserspiegels dadurch deutlich verlangsamen. Der maximale Breschenabfluss wird in einem solchen Fall grösser ausfallen im Vergleich zum Fall ohne Zufluss.

2.4 Einfluss der Speicherform Die Variation der Uferböschungen der Stauhaltung von mU = 0 (senkrecht) auf eine Neigung von mU = 2 (vgl. Bild 3) bewirkt einen leichten Anstieg von QB,max für die mittleren und grossen betrachteten Stauvolumina. Für kleine Stauvolumina beträgt der prozentuale Anstieg von QB,max rund 30%. Für die weiteren numerischen Untersuchungen wurden die Uferböschungen im Reservoir mit mU = 2 angesetzt. Wallner (2014) beobachtete in seinen Laborversuchen einen grossen Einfluss der Speicherform auf den maximalen Breschenabfluss mit Unterschieden von 40 bis 60%.

Das Verhältnis der Länge des Dammkörpers (an der Krone) zur Länge der Stauhaltung LD : LV (vgl. Bild 3) wirkt sich nur schwach auf den maximalen Breschenabfluss QB,max aus. Für den langen Damm mit kurzer Reservoirlänge (LD : LV = 5:1) resultiert ein um nur rund 0.5 m3/s (ca. 1%) grösseres QB,max als für LD : LV = 1:5. In der numerischen Untersuchung der kleinen Anlagen des Kantons Zürich wurde deshalb nicht weiter auf die Grundrissform eingegangen und LD : LV = 1:1.5 verwendet.

Zusammenfassung Sensitivitätsanalyse In Tabelle 2 sind die variierten Parameter und deren Sensitivität als Verhältnis der berechneten maximalen Breschenabflüsse dargestellt. Dabei wird deutlich, dass unter Annahme einer Standardbresche ausschliesslich die Dammhöhe eine Rolle spielt, was aufgrund der Formulierung (vgl. Gleichung 1) verständlich ist. Hingegen sind beim numerischen Modell drei Parametergruppen zu erkennen. Für die untersuchten Szenarien hat das Stauvolumen den grössten Einfluss (Gruppe 1, rot in Tabelle 2). Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich bei grossen Stauvolumina der Wasserspiegel nur langsam absenkt und sich je nach Dammgeometrie eine Bresche ausbildet, die deutlich grösser als

die Standardbreche ist. In der Terminologie der Standardbresche bedeutet dies BB >> 2 hw. Den zweitgrössten Einfluss hat die Dammgeometrie (Gruppe 2, orange in Tabelle 2), welche durch die Dammhöhe, die Dammkronenbreite und die Dammböschungsneigung bestimmt wird. Die weiteren Parameter haben nur einen vergleichsweise geringen Einfluss (Gruppe 3).

3.

Parametermodell BASEbreach

3.1 Modellgrundlagen Als Grundlage für das in BASEbreach (Index BB) implementierte Parametermodell wird der Ansatz nach Macchione (2008) und Macchione & Rino (2008) verwendet. Dieser geht davon aus, dass sich in einer ersten Phase die Bresche bis zum Erreichen des natürlichen Untergrunds dreiecksförmig ausbreitet. In einer zwei-

ten Phase schreitet die seitliche Ausbreitung trapezförmig fort (Bild 5). Dabei wird das Dreieck unter dem natürlichen Untergrund nicht mehr berücksichtigt, da von nichterodierbarer Fundation ausgegangen wird. Der dynamische Vorgang wird durch Differenzialgleichungen für den Wasserpegel zw und die Breschenkote zb (Details siehe Macchione, 2008) beschrieben. Um die Berechnung zu vereinfachen, wurde dieser Ansatz in der Software BASEbreach umgesetzt und um die Möglichkeit zur Berücksichtigung des Zuflusses in das Reservoir erweitert. Die Speicherinhaltslinie (Beziehung von Stauvolumen zu Stauhöhe) wird nach Gleichung 2 berücksichtigt. Entsprechend wird das Stauvolumen Vw ausgedrückt als

Vw = b0 zwα0

(2)

Tabelle 2. Sensitivität der Parameter im Vergleich zwischen dem numerischen 2DModell und bei Annahme einer Standardbresche. Grosser Einfluss: Gruppe 1 (rot), mittlerer Einfluss: Gruppe 2 (orange), geringer Einfluss: Gruppe 3 (weiss).

2.5

40

Bild 5. Breschenentwicklung im Parametermodel BASEbreach, adaptiert nach Macchione (2008).

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

wobei zw die aktuelle Stauhöhe über dem Taltiefsten, Vw das dazugehörige Stauvolumensowie 0 und b0 Parameter darstellen. Die Form des Speicherbeckens wird mit dem Exponenten 0 charakterisiert (1 ≤ 0 ≤ 4; Kühne, 1978). Für quaderförmige Speicherbecken gilt 0 = 1, für V-förmige Speicherbecken liegt der Exponent 0 im oberen Wertebereich. Speicherbecken mit grösseren Exponenten 0 weisen im unteren Bereich des Speicherbeckens näher beieinanderliegende Höhenkurven auf. Die entsprechenden Werte für b0 sind immer im Zusammenhang mit dem Exponenten 0 zu betrachten und können je nach Speicherbecken stark variieren (1 ≤ b0 ≤ 106; Kühne, 1978). Bei Speicherbecken mit gleichem Exponent 0 und unterschiedlichen Werten für b0 kann auf die Seeoberflächenausdehnung geschlossen werden. Speicherbecken mit grösseren b0-Werten weisen bei gleicher Stauhöhe zw eine grössere Seeoberfläche auf.

Die Neigung der Breschenböschung wird über den Breschenböschungswinkel ßo = 90° - ßu vorgegeben.

In der Bresche wird von der kritischen Abflusstiefe hc ausgegangen. Haupteingabegrössen sind das Stauvolumen Vw, die Dammhöhe HD, die Dammkronenbreite BK, die Dammböschungsneigung mD und der Zufluss Qin. Mit dem Kalibrierungsparameter ve als Mass für die Erosionsgeschwindigkeit wird das Parametermodell anhand der numerischen Resultate der BASEMENT-Berechnungen kalibriert.

Dabei wird der Parameter ve so gewählt, dass sich die gleichen maximalen Breschenabflüsse QB,max einstellen wie sie mit dem numerischen 2D-Modell erhalten wurden. Die Talform wird hierbei entsprechend Gleichung 2 berücksichtigt und so gewählt, dass die Speicherinhaltslinie der Topographie im numerischen 2D-Modell entspricht (wasserseitige Dammböschung mD = 2 und Uferböschungen im Reservoir mU = 2 in Bild 3). Daraus ergeben sich Werte für 0 zwischen 1 und 2.

Die Validierung von Dammbruchmodellen ist generell schwierig, da oft die Datengrundlage dazu lückenhaft oder ungenügend ist. Prototypversuche aus Norwegen (IMPACT, 2004) sind aufgrund der Dammhöhen, Stauvolumina, Dammkronenbreiten und Dammböschungsneigungen vergleichbar mit den kleinen Stauhaltungen im Kanton Zürich. Ein grosser Nachteil für diesen Vergleich ist jedoch, dass in den Prototypversuchen grosse und stark instationäre Zuflüsse zugegeben wurden. Damit sollte ein schnelles Absinken des Wasserspiegels verhindert

Bild 6. Veränderungsfaktor (QB,max,BB / QB,max,SB) des maximalen Breschenabflusses nach BASEbreach (QB,max,BB) im Vergleich zum maximalen Breschenabfluss nach der Standardbresche (QB,max,SB). werden. Die Versuche sind aufgrund der grossen Zuflüsse nur bedingt geeignet für eine Validierung des Parametermodells. Die grossen Zuflüsse können beim Parametermodell zu einer physikalisch, nicht plausiblen Speicherung von Wasser und einem miteinhergehenden Anstieg des Wasserspiegels über die Dammkote kommen, ohne dass eine Entlastung über den Damm stattfindet. Trotz den erwähnten Vorbehalten zeigte eine Validierung anhand der Prototypversuche aus Norwegen (IMPACT, 2004), dass mit dem Parametermodell BASEbreach die PrototypVerhältnisse besser abgebildet werden als mit der Annahme einer Standardbresche (VAW, 2011).

3.2

Resultate und Anwendungsbereich Das Parametermodell BASEbreach wurde für die Beurteilung des Breschenabflusses bei progressivem Bruch von homogenen Schüttdämmen erstellt und für die Verhältnisse im Kanton Zürich kalibriert. Dabei wurden die Werte für den Kalibrierungsparameter ve anhand des Vergleichs mit den numerischen 2D-Modellberechnungen ermittelt. Mit dem kalibrierten Parametermodell wurden 89 relevante Stauanlagen im Kanton Zürich untersucht (vgl. Bild 6).

Einerseits fällt auf, dass bei rund 40% der Stauanlagen der maximale Breschenabfluss im Vergleich zur Standardbresche deutlich geringer ausfällt (Veränderungsfaktor QB,max,BB/QB,max,SB < 0.5) und im Extremfall nur ein Zehntel beträgt. Anderseits zeigt sich für rund 10% der Stauanlagen ein im Vergleich zur Standardbresche deutlich erhöhter maximaler Breschenabfluss (Ver-

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

änderungsfaktor QB,max,BB/QB,max,SB > 2.0), der im Extremfall bis zum Vierfachen beträgt. Bei rund 50% der Stauanlagen ergeben beide Ansätze Resultate in der gleichen Grössenordnung (Veränderungsfaktor 0.5 ≤ QB,max,BB/QB,max,SB ≤ 2.0).

Charakteristisch für die resultierende Endbresche ist das Verhältnis der Breschenbreite an der Basis BB zur Dammhöhe HD (BB/HD, vgl. Bild 5). Wahl (1998) gibt dafür einen zu erwartenden Wertebereich von 2 bis 5 an, zeigt aber einen Streubereich von 1 bis 18 auf. In den verwendeten Validierungsfällen der Parametermodelle von Macchione (2008) und Wu (2013) liegt das Verhältnis BB/HD in einem Bereich von 0.2 bis 19.2. Bei den numerischen Simulationen mit BASEMENT bzw.

BASEbreach liegt das Verhältnis zwischen 1 und 15 bzw. 0.5 und 16. Die grösseren Werte resultieren in den Fällen mit grossen Stauvolumina und kleinen Dammhöhen.

In diesen Fällen wird der natürliche Untergrund durch die vertikale Erosion schnell erreicht. Die weitere Erosion findet in lateraler Richtung statt. Für die modellierten homogenen Dämme ist dieses Verhalten grundsätzlich plausibel. Solange der Wasserspiegel im See hoch ist, schreitet die laterale Erosion voran. Ein anderes Abbruchkriterium für die laterale Aufweitung existiert derzeit nicht.

Der Anwendungsbereich des für die kleinen Dämme im Kanton Zürich erstellten und kalibrierten Parametermodells BASEbreach ist in Tabelle 3 zusammengefasst. Ausserhalb dieser Anwendungsgrenzen meldet die Software BASEbreach eine Warnung. Für solche Fälle empfehlen sich weitere Untersuchungen, wie z.B. mit 41

Tabelle 3. Anwendungsgrenzen des Parametermodells BASEbreach für 89 untersuchte homogene Schüttdämme im Kanton Zürich. * Bei unterschiedlichen Neigungen der Wasser- und Luftseite ist der Mittelwert zu wählen.

einem numerischen 2D-Modell. Zudem sind Sensitivitätsanalysen und Vergleiche mit anderen Ansätzen zur Abschätzung des maximalen Breschenabflusses sinnvoll, um die Plausibilität der Resultate beurteilen zu können. Die Software BASEbreach ist unter www.basement.ethz.ch/ services/Tools frei erhältlich.

4.

Schlussfolgerungen Die hier vorgestellte Vorgehensweise zur Berechnung des maximalen Breschenabflusses bei homogenen Schüttdämmen ist eine Alternative zum Ansatz mit Standardbresche. Dabei ist das vorrangige Ziel, den Dammbruchprozess progressiv und dadurch realitätsgetreuer abzubilden.

Dazu wurden mit einem numerischen 2DModell die Sensitivität der verschiedenen Parameter ermittelt sowie die maximalen Breschenabflüsse für unterschiedliche Dammgeometrien und Speichervolumen berechnet. Die Untersuchungen zeigen, dass der massgebende Parameter für den maximalen Breschenabfluss bei einem progressiven Versagensvorgang das Stauvolumen ist und nicht wie bis anhin, bei der Standardbresche, die Dammhöhe.

Diejenigen Parameter, welche die Dammgeometrie beschreiben, sind ebenfalls bedeutsam, wenngleich in geringerem Masse (vgl. Tabelle 1).

Beim Parametermodell BASEbreach wird der Breschenabfluss vereinfacht berechnet, wobei die Speicherinhaltslinie und die Erosionsrate die wichtigsten Grössen sind. Letztere ist die massgebende Kalibrierungsgrösse, die anhand der Berechnungen mit dem numerischen 2D-Modell für die Verhältnisse bei kleinen Dämmen im Kanton Zürich bestimmt wurde. Das kalibrierte Modell konnte erfolgreich mit Prototypversuchen validiert werden. Unter Einhaltung des vorgesehenen Anwendungsbereichs können plausible Abschätzungen für den maximalen Breschenabfluss gemacht werden. Für eine allgemeinere Anwendung sind jedoch weitere Abklärungen notwendig. Insbesondere die Erweiterung des Anwendungsbereichs für den Hochwasserzufluss und die Talform 42

bedarf einer weiteren, vertieften Untersuchung (siehe Abschnitt 5).

Die Unsicherheiten bei der Dammbruchmodellierung und damit bei der Prognose des maximalen Breschenabflusses sind im Allgemeinen gross und unterschiedlicher Natur. Der Ursprung der bestehenden Unsicherheiten liegt einerseits in dem nach wie vor lückenhaften Verständnis der bei einem Dammbruch stattfindenden Vorgänge. Grosse Unsicherheiten bestehen zum Beispiel bei der Erosionsrate, insbesondere im Falle kohäsiver Dammmaterialien. Anderseits gibt es Modellunsicherheiten aufgrund von Annahmen und Vereinfachungen bezüglich der Modellgleichungen. Hinzu kommen Unsicherheiten bei den Eingangsgrössen aufgrund von teilweise fehlenden Informationen. Im Falle von kleinen Stauhaltungen sind dies z.B. der Dammaufbau oder die Speicherinhaltslinie.

5.

Weiterentwicklung von BASEbreach Im Hinblick auf eine allgemeine Anwendung des Parametermodells ist die Möglichkeit zur Variation aller relevanten Parameter ein wichtiger Aspekt. Dabei geht es vor allem um die Speicherinhaltslinie (angenähert durch Gleichung 2 mit den Parametern 0 und b0) in Abhängigkeit der Talform und den Kalibrierungsparameter ve, die aufgrund der Kalibrierung für den Kanton Zürich in der derzeitigen Version der Software BASEbreach vorgegeben werden.

5.1 Tal-/Speicherform Der Einfluss der Tal- bzw. Speicherform wurde auf kleine Stauanlagen im Kanton Zürich abgestimmt, d.h. a0 ≤ 2 nach Gleichung 2. Im Hinblick auf eine Erweiterung des Anwendungsbereichs des Parametermodells und unter Berücksichtigung der neuesten Erkenntnisse von Wallner (2014) sind auch Talformen mit Werten a0 > 2, wie etwa für V-Täler, näher zu untersuchen.

5.2 Erosionsrate Die Erosionsrate spielt sowohl für numeri-

sche Modelle als auch für Parametermodelle eine wichtige Rolle. In den meisten Fällen ist dies eine wichtige Kalibrierungsgrösse. Beim verwendeten Parametermodell nach Macchione, (2008) ist die Erosionsrate eine Funktion des Parameters ve (Einheit: [m/s]). Für eine allgemeine Anwendung des Parametermodells erscheint eine vertiefte Untersuchung der Sensitivität des Parameters ve sinnvoll. Dabei sollen Abhängigkeiten von anderen Einflussgrössen genauer untersucht werden, z.B. von der kritischen Breschenabflusstiefe oder der Dammgeometrie. Zudem soll die seitliche Breschenentwicklung bei Erreichen der Widerlager abgebrochen werden.

5.3 Hochwasserzufluss In der aktuellen Version des Parametermodells BASEbreach resultiert infolge eines Hochwasserzuflusses eine Zunahme des Stauvolumens und der Staukote. Bei grossen Zuflüssen zusammen mit einem bereits vollen Stauraum kann es vorkommen, dass die Staukote über der Dammkote zu liegen kommt. Bei einer deutlichen Überschreitung der Dammkote resultiert ein unrealistisches Modellverhalten. Aus diesem Grund können in der aktuellen Version des Parametermodells BASEbreach keine beliebig grossen Zuflüsse berücksichtigt werden. Eine sinnvolle Modellerweiterung besteht darin, Annahmen darüber zu treffen, was mit dem überschüssigen Wasser passiert. Soll es z.B. über eine Hochwasserentlastung abfliessen oder dem Breschenabfluss teilweise oder ganz dazugeschlagen werden? Für eine Erweiterung des Anwendungsbereichs ist der Einfluss von Hochwasserzuflüssen noch genauer zu untersuchen.

5.4 Versagensmechanismus Das Versagen durch innere Erosion unterscheidet sich vom Versagen durch Überströmung vor allem in der Anfangsphase.

Nach dem Kollabieren der Stromröhre und der Ausbildung einer lokal abgesenkten Dammkrone, die daraufhin überströmt wird, sind die beiden Prozesse nahezu identisch. Das Versagen durch innere Erosion kann durch Annahme einer grösseren Initialbresche berücksichtigt werden. Im Falle des Parametermodells nach Macchione (2008) schlagen De Lorenzo & Macchione (2014) als Initialbresche eine maximal grosse Dreiecksbresche bis auf den Untergrund vor, d.h. BB = zb = 0 nach Bild 5. Im Fall eines Versagens durch innere Erosion kann das Reservoir auch nur teilgefüllt sein. Um den Vergleich mit ande-

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

ren Modellen zu ermöglichen, sollen auch andere Ansätze berücksichtigt werden, wie z.B. derjenige von Wu, (2013). Letzterer berücksichtigt die innere Erosion mit einem vereinfachten Ansatz für die Rohrströmung, für die Erosion in der Stromröhre, für den Kollaps der Stromröhre und für den Übergang zum Prozess des Versagens infolge Überströmung.

5.5 Dammmaterial Hinsichtlich des Versagensvorgangs sind ebenfalls der Dammaufbau und die Eigenschaften des Schüttmaterials von Bedeutung. Der Erosionsprozess kann sich für kohäsionslose Schüttdämme, kohäsive Schüttdämme und Dämme mit Dichtung stark unterscheiden (ASCE/EWRI Task Committee, 2011). Bei nichtkohäsiven Schüttdämmen kommt es eher zu einer progressiven Oberflächenerosion von der Dammkrone in Richtung Dammfuss.

Dagegen kann sich im Falle von kohäsivem Material auf der luftseitigen Dammböschung ein annähernd vertikaler Knickpunkt bilden, welcher kontinuierlich vom Dammfuss nach oben wandert (headcut erosion). In einer weiterführenden Untersuchung sollten diese Aspekte berücksichtigt werden.

5.6 Unsicherheiten Das vorgestellte Vorgehen basiert auf deterministischen Modellansätzen. Sowohl die Modell- als auch die Parameterunsicherheiten wurden identifiziert, jedoch nicht quantifiziert. Die Bestimmung der Resultatgüte, d.h. die Beurteilung der in den Resultaten enthaltenen Unsicherheit, ist demnach nicht möglich. Eine wichtige Ergänzung der deterministischen Ansätze ist daher der Einsatz von probabilistischen Dammbruchmodellen. Darin werden alle Unsicherheiten quantifiziert und die resultierenden Breschendurchflüsse werden mit Auftretenswahrscheinlichkeiten charakterisiert. Aktuell werden an der VAW im Rahmen einer Forschungsarbeit die verschiedenen Unsicherheiten bei der Gefahrenbeurteilung infolge von Dammbrüchen mit einem probabilistischen Ansatz untersucht (Peter et al., 2014). Daraus sollen probabilistische Überflutungskarten resultieren, mit welchem das besondere Schadenspotenzial bei Dammbrüchen abgeschätzt werden kann.

Danksagung

Macchione, F., Rino, A. (2008). Model for pre-

Das Projekt wurde im Auftrag des Amtes für

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Software BASEMENT wird durch das Bundes-

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ist frei erhältlich unter www.basement.ethz.ch.

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«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

43

Dynamique des vagues et revitalisation des rives Andreas Huber

Zusammenfassung Bei der Revitalisierung der Seeufer durch Schüttungen stellt sich die Frage nach der Uferneigung und nach der Kornverteilung des Schüttmaterials. Soll das Ufer dem Angriff der Wellen Stand halten, so muss einerseits das Material genügend grobe Komponenten enthalten. Andrerseits sollte die Böschungsneigung einen gewissen Grenzwert nicht überschreiten. Ins Spiel kommt als dritter Parameter die Wellenhöhe. Im vorliegenden Beitrag wird ein Diagramm dargestellt, nach welchen bei gegebener Höhe der Bemessungswelle und Uferneigung der charakteristische Korndurchmesser D50 des Schüttmaterials bestimmt werden kann. Grundlage dazu ist die Arbeit von K.W. Pilarczyk.

Résumé En revitalisant la rive d’un lac par des remblais, il se pose la question de la granulométrie du matériel. Une rive stable contre l’attaque des lames suppose d’une part, un matériel assez grossier. D’autre part, l’inclinaison du talus ne devrait pas dépasser une certaine limite. Le troisième paramètre en jeu est la hauteur de la lame. Dans la publication qui suit, un diagramme montre le diamètre caractéristique D50 du matériel de remblais en fonction de l’inclinaison de la rive et de la hauteur de la lame. La base de cette contribution est un travail de K.W. Pilarczyk.

Selon la loi fédérale sur la protection des eaux (LEaux) révisée du 1er janvier 2011 les cantons sont obligés de revitaliser, non seulement les rives des eaux courantes, mais aussi celles des lacs. Voilà le texte: Art. 2: Champ d’application: La présente loi’s applique aux eaux superficielles et aux eaux souterraines.

Art. 38a: Revitalisation des eaux: Les cantons veillent à revitaliser les eaux. Ils tiennent compte des bénéfices de ces interventions pour la nature et le paysage, ainsi que de leurs répercussions économiques.

La réalisation suppose des données de base facilement applicables.

Lorsque les conditions locales peuvent changer fortement, chaque site est à considérer individuellement. Les paramètres importants sont d’abord (figure 1): • topographie de la rive, c’est à dire l’inclinaison, 

granulométrie du remblai Kornverteilung der Schüttung

Figure 1. Profil de la rive et la définition des paramètres: 1. Inclinaison du talus. 2.

Granulometrie (diamètre caractéristique, pour que le remblai soit stable contre l’attaque des lames. Ces deux paramètres dépendent du clima local de la houle.

44

Figure 2. Les types de déferlement et la dissipation d’énergie.

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

•

granulométrie du fond (diamètre caractéristique D50), pour que le remblai soit stable contre l’attaque des lames.

• climat local de la houle Le dernier est à définir à l’aide d’une carte de vague comme le présente LATLAS [1] ou d’un diagramme, qui montre la hauteur significative de la houle en fonction de la vitesse et de la durée du vent ainsi que de la longueur du fetch sur la surface de l’eau.

Le but de la revitalisation des rives est de passer de nouveau d’un état artificiel à un état aussi naturel que possible. La grande majorité des projets sont situés au bord de l’eau peu profonde où le fond s’incline modérément. Souvent, la solution consiste d’abord dans le démolissage d’un mur ou d’un enrochement et ensuite, dans la construction d’un remblai sablograveleux.

Une plage peu inclinée, dotée d’un matériel fin est souhaitable. Mais des limites physiques existent. Il est plausible qu’on ne peut pas réaliser une plage sablonneuse durable sur une rive tombant à pic vers le fond du lac.

Deux conditions sont à considérer: • La rive revitalisée doit être relativement stable contre l’érosion par l’attaque des vagues.

• D’autre part, une certaine dynamique est souhaitable. Cela veut dire que pendant les heures de hautes vagues, le mouvement partiel du fonds de l’eau est admissible.

Il faut trouver un compromis à cette contradiction: la granulométrie du remblai devrait ètre aussi fine que possible, mais aussi grossière que nécessaire, pour éviter des déplacements importants du matériel.

Par analogie aux rivières, nous pensons au charriage. La dynamique des courants est caractérisée, entre autres, par le transport des matières solides.

Un autre aspect est la dissipation de l’énergie en forme de déferlement des vagues. Plus les vagues perdent d’énergie avant d’atteindre la rive, plus celle-ci est protégée contre l’érosion. Les roseaux sont moins menacés par les courants de la houle.

La figure montre le phénomène du déferlement des vagues sur les différents types de rive. Nous distinguons entre le déferlement glissant, le déferlement plongeant et le déferlement frontal [2].

Le premier cas du déferlement glissant nous intéresse le plus concernant les rives revitalisées. Les vagues perdent relativement le plus d’énergie cinétique.

Figure 3. déferlement glissant sur la plage de Henday en France, côte atlantique, près de la frontière éspagnole. Le sable est très fin et l’inclinaison est petite.

Figure 4. déferlement plongeant sur la rive de Renvyl en Irlande.

Les forces tractives suffisent à mouvoir le gravier. Un déplacement important des sédiments détermine la morphologie de la rive.

Figure 5. déferlement frontal des vagues contre la «Cliff of Moher» (une falaise), en Irlande. Le degré de dissipation d’énergie est petit.

Figure 6. Spectre de la houle.

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diamètre caractéristique de D50 = 0.15 m.

Le diagramme donne la limite supérieure des composants pour un talus stable contre l action des vagues. Il n’y a nulle dynamique, rien ne bouge.

Une rive revitalisée se montre par une morphologie dynamique, par certains changements. Pour atteindre ce but, les dimensions des composants grossiers peuvent être réduits modérément.

Cet article correspond au discours qui a été présenté le 1er octobre 2014 à Lausanne dans le cadre de la conférence LATLAS sur le sujet «Détermination des hauteurs des vagues pour la gestion des rives lacustres».

Figure 7. Diamètre caractéristique D50 du remblai en fonction de l’inclinaison du talus et de la hauteur de la vague de dimensionnement.

Référence

Pour’s imaginer les différents types de déferlement et le processus proche de la rive, les photos suivantes illustrent la réalité (figures 3, 4 et 5).

Conclusion: Plus la rive est plate, plus la dissipation de l’énergie des vagues est efficace. Les rives à revitaliser devraient correspondre autant que possible à cette condition. On tâche de remblayer un profil de rive peu incliné. Ce qui est faisable dépend des conditions topographique locales. L’inclinaison de la rive est le premier paramètre qui influence la composition du remblai.

Le deuxième paramètre est la hauteur de la lame. Puisque la houle consiste en un spectre de lames, il est usuel de se baser sur la lame significative de celui-ci. A ce sujet, il s’ agit d’une définition statistique: La hauteur significative de la lame correspond à la hauteur de celle-ci, surpassée d’un tiers des hauteurs des lames du spectre (figure 6).

46

Dans ce contexte, nous intéresse aussi la période de retour des événements de hautes vagues. En pratique, il et convenable d’admettre une periode de retour entre 20 et 50 années. Dans le cas d’un événement extrême des changements morphologiques de la rive doivent être acceptés.

Aux Pays Bas Krystian Pilarczyk [3] a éxécuté de nombreux essais en modèle reduit. Le sujet de son travail était la stabilité des digues et des berges. Les résultats sont résumés dans une formule qui montre la dépendance des trois paramètres: linclinaison de la rive, la hauteur de la vague significative et la granulométrie du remblai.

De cette formule fut déduit un diagramme [4], qui est pensé comme base pour les projets de revitalisation (figure 7).

Par exemple l’inclinaison, soit: 1:8, et la hauteur significative de la houle soit 1.2 m. Quel est le D50 nécessaire du remblai? Du diagramme résulte le

[1] latlas@e-dric.ch (2014); analyse des vagues liées aux vents, Lac Léman, Lac de Neuchâtel, Lac de Bienne, Lac de Morat.

[2] Büsching, F. (2002); Küsteningenieurwesen, KW 15.1 Wellenbrechen, Internet.

[3] Pilarczyk, W. Krystian (1990); Coastal Protection; Design of seawalls and dikes – Including overview of revetmernts. A. A. Balkema Rotterdam, ISBN 90 6191 127 3 [4] Huber Andreas (2014); Wellendynamik und Seeuferrevitalisierung; Ingenieurbiologie/Génie Biologique; Heft 4/2014.

Adresse de l auteur Andreas Huber, Beratender Ingenieur Dr. sc. Techn. dipl. Bauing. ETHZ Im Baumgarten 12 CH-8606 Greifensee huber.andreas@ggaweb.ch

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Unwetterschäden in der Schweiz im Jahre 2014 Rutschungen, Murgänge, Hochwasser und Sturzereignisse

Norina Andres, Alexandre Badoux, Christoph Hegg

Zusammenfassung Die Eidgenössische Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft registrierte für das Jahr 2014 Gesamtschäden durch Hochwasser, Rutschungen, Murgänge und Sturzprozesse von rund 100 Mio. CHF. Der Wert liegt deutlich unter dem teuerungsbereinigten Durchschnitt der Jahre 1972–2013 von 324 Mio. CHF. Der Anteil der durch Gewitter und intensive Niederschläge verursachten Schäden war mit 75% deutlich höher als das langjährige Mittel (45%). Den Grossteil der Schäden verursachten Hochwasser (90 Mio. CHF). Rund 80% der Gesamtschäden entstanden im regenreichen Juli. Hohe Schadenskosten entstanden am 12. Juli in der Region Köniz BE, am 24. Juli in Schangnau, BE und am 28. Juli in Altstätten, SG. Insgesamt sechs Todesfälle waren 2014 zu beklagen. Eine Frau starb am 12. Juli in Köniz, BE bei einem Hochwasser und ein Mann infolge des von einer Hangmure verursachten Zugunglücks vom 13. August in Tiefencastel, GR. Starke, andauernde Niederschläge lösten im November im Tessin diverse Erdrutsche aus. Dabei starben insgesamt vier Menschen.

1.

Einleitung Medien berichten regelmässig von Schäden, welche durch Naturgefahrenprozesse verursacht werden. An der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft, WSL, werden diese Schadensinformationen seit 1972 in einer Datenbank systematisch erfasst und analysiert. Zusätzlich zur Dokumentation ermöglicht diese lange Zeitreihe einen Vergleich der Schäden in den letzten 43 Jahren.

Im nachfolgenden Bericht werden die Ergebnisse der Auswertung der Ereignisse aus dem Jahr 2014 dargelegt und in einem chronologischen Jahresrückblick die schadenreichsten Ereignisse kurz beschrieben.

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. Im letzten Abschnitt werden einige dieser Schadensereignisse aus dem Jahr 2014 dennoch kurz beschrieben.

2.1 Schadenskosten Für jedes in der Datenbank aufgenommene Schadensereignis werden die verursachten Sachschäden und Interventionskosten abgeschätzt. 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 Versicherungen, Krisenstäben und (halb-) amtlichen Stellen von Gemeinden, Kantonen und dem Bund beigezogen. In den Schadenskosten werden sowohl versicherte Sach- und Personenschäden (Gebäude- und Privatversicherungen) als auch nicht versicherte und nicht versicherbare Schäden berücksichtigt.

Indirekte Schäden, spätere Sanierungsmassnahmen, Betriebsausfallkosten und ideelle Schäden (z.B. irreparable Schäden an Natur und Umwelt) werden hingegen nicht aufgenommen.

Im Jahr 2014 wurden insgesamt Schäden von rund 100 Mio. CHF in der Da-

2.

Bild 1. Jährliche (Balken) und kumulierte (Linie) Schadenskosten der verschiedenen Prozesse für die Periode 1972–2014 (teuerungsbereinigt, Basis 2014).

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Bild 2. Anteile der verschiedenen Schadensursachen an den Gesamtkosten für die Periode 1972–2013 und für 2014.

tenbank erfasst. Dieser Wert liegt über dem Median von 89 Mio. CHF, jedoch deutlich unter dem teuerungsbereinigten Durchschnitt der Jahre 1972–2013 von 324 Mio. CHF. Es handelte sich somit um ein Jahr mit eher geringen bis mässigen Unwetterschäden, welches durch einen regenreichen Juli geprägt war, in dem über 80% der Gesamtschäden auftraten. 2014 entstanden etwas geringere Schäden als 2013 und 2011 (125 bzw. 119 Mio. CHF), jedoch höhere als 2012 (39 Mio. CHF, siehe Bild 1).

Das weitaus schadenreichste Jahr seit Erfassungsbeginn war 2005 mit rund 3 Mrd. CHF Schäden (Hilker et al., 2007).

2.2 Ursachen der Schäden Die Ursachen für die jeweiligen Schadensprozesse werden gemäss den vorherrschenden Witterungsverhältnissen in vier verschiedene Gruppen aufgeteilt (Bild 2): Gewitter und intensive Regen: Gewitter verursachten 2014 knapp 75% aller finanziellen Schäden. Der Anteil der bei Gewitter entstandenen Schäden war im Vergleich zur Periode 1972–2013 (45%) deutlich höher (75% in 2014). Die grössten Schadenskosten entstanden am 24.

Juli in Schangnau, BE und am 28. Juli in Altstätten, SG. Dauerregen: Lang anhaltende, ausgiebige Niederschläge verursachten im Jahr 2014 rund 23 Mio. CHF Schäden, mehr als die Hälfte davon im Juli.

Schneeschmelze und Regen: Schneeschmelze (teils kombiniert mit Regen) machte 2014 einen verschwindend kleinen Anteil der erfassten Gesamtschäden aus.

Unbekannte oder andere Ursachen: Bei rund 2% der Gesamtschäden war die Ursache unklar oder nicht auf die oben erwähnten Auslöser zurückzuführen.

48

Bild 3. Anteile der verschiedenen Schadensprozesse an den Gesamtkosten für die Periode 2002–2013 und für 2014 (bis 2001 wurden Sturzprozesse in der Datenbank nicht aufgenommen).

2.3 Schadensprozesse Die erfassten Schadensprozesse wurden in drei Kategorien eingeteilt, wobei die Grenzen zwischen diesen Kategorien jedoch fliessend sind (Bild 3).

Hochwasser/Murgänge: Diese Gruppe umfasst finanzielle Schäden, die im weitesten Sinne durch stehendes oder fliessendes Wasser, mit oder ohne Geschiebe und Schwemmholz, verursacht werden. Dazu zählen Hochwasser und Murgänge mit ihren möglichen Auswirkungen in Form von Überschwemmungen, Übersarungen und Übermurungen.

Schadenskosten im Umfang von mehr als 90 Mio. CHF waren 2014 auf Hochwasser und Murgänge zurückzuführen, wobei Murgangereignisse nur knapp 1 Mio. CHF Kosten verursachten. Der entsprechende Anteil dieser Kategorie an den Gesamtschäden beträgt 90% und liegt im Bereich des langjährigen Mittels der Periode 2002– 2013 (92%).

Rutschungen: Diese Gruppe umfasst vorwiegend durch Lockermaterial verursachte Schäden, wobei sämtliche Arten von Rutschungsprozessen ausserhalb des unmittelbaren Gewässerbereichs dazugehören. Rund 8% der Gesamtschäden wurden durch Rutschungen ausgelöst. Dies entspricht in etwa dem Wert für die Periode 2002–2013 (7%).

Sturzprozesse: Dieser Kategorie werden Schäden zugeordnet, die durch Steinschlag, Fels- oder Bergsturz entstanden sind. Sturzprozesse verursachten 2014 etwas mehr als 2 Mio. CHF Schäden.

2.4

Räumliche Verteilung und Ausmass der Schäden Bei einem Unwetterereignis, welches mehrere Gemeinden betrifft, wird jeweils für jede Gemeinde ein Datensatz erstellt.

Für den Schadensschwerpunkt, bezie-

hungsweise den Ort des am besten lokalisierbaren Schadens jeder betroffenen Gemeinde, werden die Koordinaten ermittelt.

In Bild 4 sind die Schadensorte, –prozesse und –ausmasse gemäss der in Tabelle 1 beschriebenen Kategorien dargestellt.

Die Schadensorte konzentrierten sich 2014 auf das Mittelland, die Voralpen und das Tessin. Insgesamt über 60% aller Schäden wurden in den Kantonen Bern und St. Gallen registriert. Im Kanton Bern entstanden hohe Schäden am 24. Juli in Schangnau, Eggiwil und Brienz und am 28. Juli in Sumiswald. Am 12. Juli starb eine Frau bei einem Hochwasser in Köniz, BE. Ebenfalls hohe Schäden gab es am 28. Juli in Altstätten und Berneck, SG. Die Ereignisse in Tiefencastel, GR, als am 13.

August ein Zug aufgrund einer Hangmure entgleiste, forderten ein weiteres Todesopfer. Starke, andauernde Niederschläge lösten im November im Tessin diverse Erdrutsche aus, so z.B. in Bombinasco im Malcantone und in Davesco-Soragno bei Lugano. Dabei starben insgesamt vier Menschen.

2.5

Jahreszeitliche Verteilung der Schäden Mit über 80% der Gesamtkosten entstanden 2014 die weitaus grössten Schäden im Monat Juli. Dieser Wert liegt deutlich über dem langjährigen Durchschnitt von ca. 15% (Bild 5). Letztmals entstanden 1990 mehr als 80 Mio. CHF Schadenskosten im Monat Juli. Damals zogen schwere Sommergewitter über die Alpennordseite und verursachten vor allem in der Gürbeund Senseregion sowie im Greyerzerland (Kantone Bern und Freiburg) beträchtliche Hochwasserschäden. Der hohe Anteil an den Gesamtschadenskosten im Monat August für die Periode 1972–2013 ist unter anderem auf die enormen Schäden

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Bild 4. Ort, Ausmass und Prozesstyp der Schadensereignisse 2014 (Kartengrundlage: BFS GEOSTAT / Bundesamt für Landestopographie).

Strasse auf einer Länge von ca. zehn Metern. In Alpnachstad, OW, rutschten gegen Mittag rund 100 m3 Erde und Steine unmittelbar neben der Talstation der PilatusZahnradbahn auf einen Parkplatz. Dabei wurden zwei Fahrzeuge beschädigt und ein Teil eines Wanderweges weggerissen.

Tabelle 1. Ereigniskategorien und deren geschätzte Schadenskosten pro Gemeinde (vgl. Bild 4).

während des Ereignisses im August 2005 zurückzuführen (Bild 5; vgl. Hilker et al., 2007).

3.

Chronologischer Jahresrückblick über die Ereignisse Witterung des Jahres 2014: Gemäss Klimabulletin (MeteoSchweiz, 2014a) war das Jahr 2014 zusammen mit 2011 das wärmste seit Messbeginn 1864. Der Jahresbeginn war geprägt durch Rekordschnee im Süden, während die erste Jahreshälfte landesweit ungewöhnlich mild war. Der Hochsommer verlief dann regnerisch, kühl und extrem sonnenarm. Im Juli fielen auf der Alpennordseite ausserordentlich hohe Niederschlagssummen, welche lokal zu Hochwasserschäden führ-

ten. Der Herbst war landesweit warm und im Süden ereigneten sich Rekordniederschläge, die Hochwasser im Lago Maggiore und Lago di Lugano verursachten.

Die Beschreibungen des monatlichen Wettergeschehens (jeweils zu Beginn der folgenden Abschnitte) basieren auf den monatlichen Klimabulletins von MeteoSchweiz (MeteoSchweiz, 2014b).

3.1 Januar Die Schweiz erlebte den neunt wärmsten Januar seit Messbeginn vor 150 Jahren.

Zudem war der Monat vor allem auf der Alpensüdseite und im Engadin sehr niederschlagsreich.

In der Nacht auf den 24. zerstörte ein Felssturz in Amden, SG, bei Betlis die

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3.2 Februar Der Februar war in der gesamten Schweiz im Vergleich zur Normwertperiode 1981– 2010 zwischen 2 und 3 °C zu mild. Die Alpensüdseite war erneut extrem niederschlagsreich, was in den Bergen zu grossen Schneehöhen führte.

Zwischen Melide und Paradiso TI beschädigte am 4. ein Erdrutsch einen Lastwagen, woraufhin dieser umkippte und Kerosin aus einer aufgeladenen Zisterne lief. Am 25. wurde die Kantonsstrasse von Schiers nach Schuders, GR, auf 15 m verschüttet und teilweise sogar weggerissen.

3.3 März Der März war wiederum zu mild und auf der Alpennordseite und im Wallis deutlich zu trocken.

Am Wochenende des 15. und 16.

49

Bild 5. Monatliche Anteile der Schadenskosten für das Jahr 2014 (Gesamtkosten ca. 100 Mio. CHF). Die Kreuze geben die monatlichen Anteile der Schäden (alle Prozesse) für die Periode 1972–2013 an.

löste sich zwischen Riedern bei Glarus und dem Klöntalersee ein grosser Felsblock und stürzte auf die Klöntalerstrasse. Die Böschung musste gesichert werden.

3.4 April Auch der April war in der ganzen Schweiz deutlich zu mild und vor allem im Mittelland und im Tessin überdurchschnittlich sonnig.

Im Verlauf eines Gewitters kam es am 25. im Kanton Freiburg zu diversen Überschwemmungen, so z.B. in Marly, wo die Gérine ausuferte und Keller überflutete. In Wädenswil, ZH, traten am selben Abend der Töbelibach und der Schlossbach über die Ufer und überfluteten diverse Gebäude.

3.5 Mai Bei einer sehr wechselhaften Witterung war der Mai im Vergleich zur Normwertperiode 1981–2010 zu kühl.

Am 2. entstand Sachschaden an mehreren Autos und einem Lieferwagen, nachdem diese bei Meiringen, BE, über Geröllablagerungen eines Steinschlags fuhren. Am 22. wurden zwei Holzbrücken in Bagnes, VS, weggerissen, als ein Bach über die Ufer trat. In der Region Bischofszell, TG, führten in der Nacht auf den 27. lokale Regenschauer zu überschwemmten Kellern.

50

3.6 Juni Der Juni war überdurchschnittlich warm und vor allem im Wallis und in der Nordschweiz ausgesprochen trocken.

Trotzdem führten einige Gewitter zu Schäden, so wurden z.B. am 10. in der Gemeinde Wartau, SG, Keller, Büroräume und Strassen überflutet. Am 12. waren dann weite Teile der Schweiz von Starkniederschlägen betroffen. Bei der Kantonspolizei Bern gingen 40 Schadensmeldungen ein, mehrheitlich aus dem Emmental und dem Oberaargau. So wurden z.B. in Hindelbank, Burgdorf und Oberburg, BE, mehrere Keller unter Wasser gesetzt. In der Region Olten, SO, erhielt die Polizei rund 25 Meldungen zu Wassereinbrüchen in Liegenschaften. In der Stadt Luzern gingen bei der Feuerwehr über 70 Schadensmeldungen ein, v.a. aufgrund überfluteter Strassen, Keller, Liftschächte und Wohnungen. Im Kanton St. Gallen musste die Notrufzentrale der Polizei rund 50 Einsätze disponieren, so z.B. in den Regionen Uznach, Fürstenland und Rorschach. In der Gemeinde Mels wurde die Strasse ins Weisstannental an fünf Stellen verschüttet. Schlamm und Steine verstopften die Durchlässe unter der Strasse. Bäche führten in Vilters-Wangs Geröll und Baumstrünke mit, was zur Zerstörung von drei kleinen Brücken führte. Im Kanton Schwyz führten Gewitterniederschläge zu vereinzelten Unwetterschäden, so z.B. in Küssnacht am Rigi und in Oberiberg. In Uster und Dürnten, ZH, kam es zu Feuerwehreinsätzen wegen überfluteter Keller.

Am 13. musste die Feuerwehr von Altdorf, UR, aufgeboten werden um Wasser aus Keller abzupumpen.

Am 23. gingen bei der Polizei des Kantons Bern 15 Meldungen ein, die meisten aus dem Seeland. In Chur und Domat/ Ems, GR, meldeten mehrere Bewohner überschwemmte Untergeschosse. Autoinsassen mussten in Chur aus unter Wasser stehenden Unterführungen gerettet werden. Am 29. stürzte am Roggenstock in der Gemeinde Oberiberg, SZ, zwischen 1000 und 2000 m3 Fels ins Tal und verschüttete Alpweiden und einen Landwirtschaftsweg.

3.7 Juli Die Niederschlagssummen im Juli erreichten in der Westschweiz, im Wallis, am westlichen und zentralen Alpennordhang sowie im Südtessin meist zwischen 200 und 300% des Mittels der Normwertperiode 1981–2010. In den übrigen Gebieten lagen die Werte zwischen 100 und 200% der Norm, lokal in den von Gewitterzügen

betroffenen Regionen auch darüber.

Ein erster Gewittersturm zog am 4. über die Regionen Bern, Solothurn, Freiburg, Neuenburg und Waadt, woraufhin die entsprechenden Feuerwehren Einsätze aufgrund diverser Überschwemmungen leisteten. Am 6. kam es zu Überschwemmungen in La Chaux-de-Fonds, NE. Weitere ausgiebige Regenfälle zogen am Nachmittag des 7. über den Kanton Freiburg, v.a. über den Saanebezirk. Die Polizei verzeichnete 27 Anrufe, hauptsächlich wegen überschwemmter Keller in Treyvaux, Ependes, Le Mouret, Marly, Givisiez, Giffers und Kerzers. In Villarssur-Glâne rutschte Erde eines Hangs auf eine Strasse. Im Kanton Luzern standen in Escholzmatt zwölf Keller unter Wasser, zudem waren die Geleise Richtung Trubschachen überspült. Auch im Tessin wüteten heftige Gewitter. Die Feuerwehr Lugano rückte wegen überschwemmter Keller und wegen einer durch einen Erdrutsch zerstörten Fussgängerbrücke aus.

Anhaltende Regenfälle führten zwischen dem 11. und 13. Juli an verschiedenen Orten zu Überschwemmungen und Erdrutschen. Im Kanton Bern war die Gemeinde Köniz am schwersten betroffen. Keller standen unter Wasser, Hänge kamen ins Rutschen, Wanderwege wurden beschädigt und ein Strommast umgerissen. Zudem ertrank in Thörishaus eine 82-jährige Frau in einem Hochwasser führenden Bach. Des Weiteren wurde entlang des Scherligrabens eine Strasse über weite Strecken unter- oder weggespült und in Mittelhäusern wurde das Trassee der S-Bahn auf 50 m unterspült, was den Ersatz der Geleise nötig machte. In den Gemeinden Laupen und Neuenegg entstanden ebenfalls Gebäudeschäden. In Oberdiessbach rutschte im Gebiet Weiggelen Erdreich in einen Bach ab, woraufhin das Material murgangartig weiterfloss und im Bereich Schlupf die Kantonsstrasse übermurte. Im Kanton Freiburg waren die Bezirke Sense, Greyerz und Vivisbach stark betroffen. So trat z.B. in Charmey ein Bach über die Ufer und lagerte Geschiebe auf der Jaunpassstrasse ab. In der Stadt Freiburg lösten sich an einem Felshang rund 30 Bäume mit Erdreich und verschütteten eine Strasse. Zu weiteren Hangrutschen kam es in Cerniat. In St. Antoni uferte ein Bach aus und richtete Schäden an. Zudem wurde eine Gemeindestrasse durch einen grösseren Erdrutsch beschädigt. Ein Hangrutsch zwischen Thörishaus und Flamatt unterbrach die hochfrequentierte Bahnlinie Freiburg-Bern für längere Zeit. Bei Montreux, VD, verschüttete ein

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Bild 6. Am 24. Juli wurden in Bumbach (Gemeinde Schangnau BE) Wiesen mit teilweise murgangartig transportiertem Geröll aus dem Sädelgraben bedeckt (Foto: newspictures.ch). Am Landwirtschaftsbetrieb entstand beträchtlicher Schaden.

Erdrutsch die Bahnlinie der MOB eingangs Les Avants. Im Kanton Luzern kam es zu Hangrutschen, z.B. auf die Kantonsstrasse zwischen Wolhusen und Entlebuch. In Dietwil, AG, trat der Dorfbach über die Ufer, woraufhin die Gebäudeversicherung von rund 30 Gebäudeschäden ausging. Im Kanton Zürich mussten die Feuerwehren mehr als 100-mal ausrücken. Die Regionen von Winterthur und Uster waren am meisten betroffen. Besonders in der Gegend um Wiesendangen und Rickenbach musste die Feuerwehr Garagen, Keller und Unterführungen leer pumpen. In Neuheim, ZG, uferte der Mülibach aus und überflutete Land, Strassen und Keller in zwei Häusern. In Schänis, SG, traten Bäche über die Ufer und richteten Schäden an.

Zudem lagerten sich rund 100 m3 Material eines Rutsches hinter einem Gebäude ab.

Die Bewohner wurden sicherheitshalber evakuiert.

Im Kanton Luzern standen am 14. elf Feuerwehren im Einsatz. In Obernau in der Gemeinde Kriens traten Bäche mit viel Geschiebe und Schlamm über die Ufer.

Betroffen waren zahlreiche Wohnhäuser sowie das Schulhaus. Die Verbindung ins Eigental musste gesperrt werden, weil die Strasse an fünf Stellen verschüttet wurde.

In Escholzmatt uferten Bäche aus; Kulturland und Keller wurden überschwemmt und Wanderwege in Mitleidenschaft gezogen.

Gegen zehn Keller mussten schliesslich in Schwarzenberg leer gepumpt werden.

Vom 20. bis 22. wurde die Schweiz aus Westen von einem Tiefdruckgebiet überquert. Auf der Alpennordseite führte der erneut ergiebige Niederschlag lokal

zu Überschwemmungen von Bächen und kleineren Flüssen. Am 20. gingen bei der Alarmzentrale der Kantonspolizei Solothurn 150 Meldungen ein. In Gunzgen rückte die Feuerwehr 50-mal aus. Auch z.B. in Olten, Trimbach, HauensteinIfenthal, Wisen, Wangen bei Olten, Hägendorf, Härkingen, Fulenbach, und Bellach pumpten die Einsatzkräfte Keller aus. Im Kanton Bern waren v.a. das Seeland und das Emmental von den Starkniederschlägen betroffen. Im Grossraum Biel-Worben-Lyss wurden rund 40 Wassereinbrüche in Gebäude gemeldet. Auch in Büren an der Aare und Herzogenbuchsee rückte die Feuerwehr mehrmals aus. Aus dem Raum Sumiswald gingen rund 20 Meldungen zu Wasserschäden ein. Der Gebäudeversicherung des Kantons Aargau wurden rund 85 Schadensfälle gemeldet, so z.B. aus Buchs, Aarburg, Lenzburg, Rheinfelden, Rothrist und Staufen. Im Kanton Basel-Landschaft gab es 40 Schadensmeldungen. Ein Gewitter zog via Laufental und unteres Birstal nordwärts, wobei Keller in Mitleidenschaft gezogen wurden. In Riehen, BS, trat der Aubach über die Ufer und verwandelte die Oberdorfstrasse in einen reissenden Fluss. In Bettingen, BS, wurden Liegenschaften von Oberflächenwasser in Mitleidenschaft gezogen und Waldwege ausgespült.

In Kandergrund und Frutigen, BE, trat die Kander am 22. stellenweise über die Ufer und beschädigte Landwirtschaftsland. Das Guggigässli im Ortsteil Kanderbrück der Gemeinde Frutigen stand unter Wasser, und im Gasterental und Kiental, BE, entstanden einige Strassenschäden.

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In Eschenbach, SG, gab es einige kleine Rutsche, und der Dorfbach trat über die Ufer und suchte sich einen neuen Weg über Wiesen, Gärten und Sitzplätze.

Fünf Keller mussten ausgepumpt werden. Auch z.B. in Gaiserwald, Goldingen, Altstätten und Jona, SG, mussten Keller ausgepumpt werden. In Bischofszell, TG, verzeichneten sechs Neubauten Wassereinbrüche. In Wiler (Lötschen), VS, uferten der Milibach und der Tennbach aus. Die Kantonsstrasse wurde mit Steinen, Geschiebe und Schlamm bedeckt. Auch die Strasse zur Lauchernalp wurde unterbrochen und eine Brücke zerstört. Schutz und Rettung Zürich verzeichnete bis am Abend über 180 Einsätze. Strassen, Wege und Keller wurden überflutet. Besonders stark betroffen waren das Tösstal sowie die Gemeinden rund um den Bachtel. Am 23. traten in Conthey und Vétroz, VS, Bäche über die Ufer und beschädigten Reben.

Heftige Niederschläge gingen am 24. über dem oberen Emmental in der Region Bumbach-Schangnau-Marbach nieder. In Schangau, BE, wo die Emme und ihre Zubringer Hochwasser führten, waren die Schäden mit über 15 Mio. CHF besonders hoch. Brücken und Strassen wurden weggerissen, Seitenbäche traten über die Ufer und lagerten meterhoch Geschiebe auf Kulturland und Strassen ab (Bild 6).

Die Wassermassen der Emme wälzten sich zeitweise quer durch das Dorf Bumbach, wo Häuser und die Turnhalle überflutet, Maschinen und Autos beschädigt und Wasserleitungen zerstört wurden. Zudem wurden mehrere Bauernbetriebe in Mitleidenschaft gezogen und Hangrutsche ausgelöst. In der Gemeinde Eggiwil, BE, riss der Sorbach zwei Fussgängerstege weg, und zahlreiche Liegenschaften und viel Kulturland wurden überschwemmt.

Stark in Mitleidenschaft gezogen wurde auch das Emmeufer mit zahlreichen Verbauungen. Auch in Lauperswil und Signau, BE, verliess die Emme ihr Bett und verursachte Schäden. In Brienz BE trat der Mühlebach über die Ufer, woraufhin das Wasser in Häuser und Gärten lief und die Strasse entlang des Baches stark beschädigte. Im Gebiet der Planalp ereignete sich zudem eine Hangmure, die die Geleise der Brienzer Rothorn-Bahn auf 80 m verschüttete und beschädigte. In den Gemeinden Flühli und Marbach, LU, rückten insgesamt 80 Feuerwehrleute aus, zu einzelnen überfluteten Kellern, verschütteten Seitenstrassen und Alpweiden. Flussläufe, Kulturland, Liegenschaften und Schutzwälder wurden in Flühli durch Hochwasser, Murgänge und Rutsche beschädigt. Rund 51

3000 m3 Schadholz musste entfernt werden. Grosse Schäden entstanden auch an Strassen in der Gemeinde. Bei der Alp Gärtlen in Marbach verschüttete Geröll ca.

40 ha Land und zerstörte Zäune und Wasserleitungen. In Tafers und Châtel-SaintDenis, FR, führten die starken Regenfälle zu verstopften Abflussschächten und überschwemmten Strassen. Zudem wurden in den Regionen Lausanne und Prilly VD Keller überflutet, ebenso im Wallis, z.B. in Ardon, Conthey und Vétroz.

Weitere Regenfälle am 26. führten zu Feuerwehreinsätzen in Beggingen, SH, oder Weggis und Vitznau, LU. Ein Steinschlag beschädigte am Morgen des 27. in der Gemeinde Amden, SG, die 300 m lange Druckleitung des Wasserkraftwerks Muslen, die vom Stausee Muslenweiher hinunter zum Walenseeufer führt.

Am 28. entwickelten sich nach einer vormittäglichen, sonnigen Aufheizphase und unter Zufuhr feuchter Luftmassen aus Südwesten gegen Abend vielerorts kräftige Gewitter, besonders entlang des Alpennordhangs. Die mit ungefähr 10–15 Mio. CHF weitaus grössten Schäden entstanden am 28. in Altstätten, SG. Namentlich aufgrund von viel Geschiebe und Holz im Gerinne uferte der Stadtbach aus und überschwemmte Häuser und Strassen (Bild 7). Autos wurden aufeinander geschoben, Brücken und Wasserleitungen beschädigt. Keller mussten ausgepumpt sowie Geröll und Schlamm von Strassen und Plätzen entfernt und teilweise aus Bächen geschaufelt werden.

Auch in Berneck, SG, waren die Schäden hoch. Der Littenbach schwemmte viel Geröll und Baumstämme an, trat über die

Ufer, überschwemmte Strassen und drang in Privat- und Geschäftshäuser ein. Auch in Gams und Sennwald, SG, mussten Keller und Tiefgaragen ausgepumpt werden.

Im Kanton Bern registrierte die Polizei rund 140 Schadensmeldungen.

In Sumiswald fielen innert einer Stunde knapp 100 Liter Regen pro Quadratmeter.

Der Hornbach trat vor Wasen i.E. über die Ufer. Brücken wurden zerstört, Autos mitgeschwemmt, Strassen und Schutzbauten beschädigt sowie einige Keller unter Wasser gesetzt. Stark in Mitleidenschaft gezogen wurde zudem eine Sägerei. Im oberen Einzugsgebiet des Hornbachs beschädigten Rutschungen und Hangmuren Wiesen und Strassen bei Riedbad. In Eriswil trat der Schwendibach über die Ufer, schwemmte Strassenstücke weg und schnitt dadurch zwei Bauernhöfe von der Umwelt ab. In der Gemeinde Trub richtete v.a. der Bach Trueb Schäden in Frankhus an, als er sein Gerinnebett verliess. Einige Strassen wurden mit Geröll und Schlamm überschüttet und beschädigt. Das Unwetter traf auch die Region Zäziwil. Der Zäzibach trat über die Ufer, überschwemmte Strassen und zahlreiche Keller und schwemmte Holz ins Dorf. In Rünkhofen (Gemeinde Bowil) uferte der Schwändigraben aus und überschwemmte ebenfalls Strassen und Keller. Schwellen wurden im Schwändigraben mitgerissen. Der Glütschbach trat in Uttigen über die Ufer und setzte im Dorfzentrum eine Wiese, eine Gasse und auch Gärten unter Wasser.

Wegen des hohen Grundwasserstandes standen zudem einige Keller unter Wasser. Bei Forst-Längenbühl lief das Wasser sturzbachartig vom Riedhubel ins Tal

Bild 7. In Altstätten, SG, trat am 28. Juli der Stadtbach über die Ufer und überflutete das Dorf (Foto: newspictures.ch).

52

und zerstörte dabei eine Zufahrtsstrasse.

Auch in Gurzelen und Konolfingen standen einige Keller unter Wasser. Wegen eines Erdrutsches musste der Talwanderweg zwischen Oey und Horboden in der Gemeinde Diemtigen gesperrt werden. In der Region Frutigen verzeichnete man vorwiegend Kulturlandschäden und vereinzelte Murgänge. Im Dorf selber waren mehrere Wohnbauten von den Wassermassen der Kander betroffen. Der Tütschbach führte in Oberschrot, FR, grosse Wassermengen und trat an einigen Stellen über die Ufer.

Im Bereich Plötscha drang das Wasser in etliche Untergeschosse ein. Auch in den Gemeinden Alterswil, Zumholz, Plaffeien und Brünisried, FR, richteten die starken Niederschläge am Abend grossen Schaden an.

Insgesamt waren im Kanton Luzern 22 Feuerwehren im Einsatz. Betroffen waren vor allem das Entlebuch und Gebiete im Luzerner Hinterland. In Schüpfheim traten Bäche über die Ufer und überfluteten Keller und Tiefgaragen.

Unmengen Treibgut wurde vom Roorbach und Manebach in das Dorf geschwemmt.

Einzelne Landwirtschaftsbetriebe waren von Hangrutschen, Übersarungen, weggespülten Bachborden und Wegen betroffen. In Luthern uferten verschiedene Seitenbäche aus. Zwei Sägereien und mehrere Keller erlitten Wasserschäden.

In Menznau trat der Rüdelbach über die Ufer. Rund zehn Keller standen unter Wasser. In der Gemeinde Gettnau uferte die Luthern bei einer Brücke aus, woraufhin das Wasser bis ins Dorf floss, Keller unter Wasser setzte, Wasserleitungen wegriss und Wiesen mit Schlamm und Schwemmholz bedeckte. Auch in Zell und Schötz trat die Luthern über die Ufer und verursachte Schäden an Häusern. In Nottwil trat der Dorfbach über die Ufer, überschwemmte 15 Keller und bedeckte eine Strasse mit Schlamm und Schwemmholz. In Eggerswil (Gemeinde Nottwil) verstopfte ein eingedolter Bach, woraufhin ganze Strassenabschnitte aufgerissen wurden und Wasser in Liegenschaften floss. In einer Scheune kamen 30 Schweine ums Leben. Auf der Bahnstrecke Luzern-Olten war der Abschnitt zwischen Neuenkirch und Nottwil stundenlang unterbrochen, da die Geleise von Sand und Geröll befreit werden mussten.

Zwischen dem 28. abends und 29. morgens leisteten die Feuerwehren im Zürcher Oberland und am linken Zürichseeufer insgesamt rund 80 Einsätze. Viele Keller von Wohnhäusern und Gewerbegebäuden waren in Samstagern (Gemeinde

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Richterswil) vollgelaufen. Zudem wurden Strassen und Wege überflutet. Zwischen Hütten und Samstagern gerieten gleich mehrere Steilhänge ins Rutschen.

Die Seelistrasse, die den Hüttnersee mit Hütten verbindet, wurde verschüttet. In Wädenswil musste die örtliche Feuerwehr ebenfalls mehrfach ausrücken. Aus den Gemeinden Gais, Wald, Heiden und Reute, AR, registrierten die Einsatzkräfte rund 70 Notrufe. Die Bäche in Gais führten Hochwasser und uferten aus. Dabei wurden Keller, Garagen, Strassen, Wiesland und Gärten überschwemmt. Die Geleise der Bahnlinie zwischen Gais und dem Hebrig wurden von den Wassermassen ebenfalls überflutet. In Oberegg AI pumpte die Feuerwehr 40 Keller aus, die infolge Oberflächenwasser oder Bachausuferungen unter Wasser gesetzt wurden. Zudem traten im Gebiet Oberegg und Reute, AR, ein Dutzend Erdrutsche auf.

In der Nacht auf den 29. ereigneten sich in Stans, Oberdorf, Ennetbürgen und Buochs, NW, Wassereinbrüche in Keller.

In Düdingen, FR, unterbrach ein Erdrutsch die Bahnlinie zwischen Guin und Freiburg.

Im Tessin trat der Laveggio an mehreren Orten über die Ufer, z.B in Mendrisio, wo er Dämme zerstörte und zahlreiche Gebäude überschwemmte. In Rancate drang Wasser des Laveggio in Fabrikhallen. Weiter waren Arogno, Balerna, Chiasso, Vacallo, Stabio und Ligornetto von Überschwemmungen betroffen.

3.8 August Der August war verbreitet eher kalt und sonnenarm. Vor allem in der ersten Augusthälfte wurde die Schweiz zeitweise alle ein bis zwei Tage von einer Störung überquert.

Starkniederschläge brachten lokal grosse Regenmengen in kurzer Zeit.

Ein Gewitter richtete am 2. erneut Schäden in Schangnau, BE, an. Hangrutsche wurden ausgelöst und Keller wurden überflutet. Im nahe gelegenen Marbach, LU, mussten ebenfalls Keller ausgepumpt und etliche Bachdurchlässe von Schwemmholz und Geröll befreit werden.

Nach einem Gewitter gingen zwischen dem 10. am Abend und dem 11. morgens rund 100 Meldungen bei der Kantonspolizei Bern ein. Stark betroffen war das Gürbetal. In Toffen trat die Gürbe über die Ufer und überflutete Strassen und Gebäude. Zudem führten Murgänge in Seitenbächen zu Strassensperrungen.

Die Bäche vom Längenberg brachten viel Wasser nach Kaufdorf. Es ereigneten sich Hangrutsche in der Gemeinde. Nach Erdrutschen oder Überschwemmungen

mussten die Strassenverbindungen Kirchenthurnen-Mühledorf, Kirchdorf-Mühlethurnen, Burgistein-Wattenwil und Riggisberg-Schwarzenburg gesperrt werden.

Die Feuerwehr hatte zudem Einsätze auf dem Belpberg. Weiter östlich trat der Hünigenbach über die Ufer und überflutete Niederhünigen und Sportplätze in Konolfingen. Zudem war die Strasse Konolfingen-Zäziwil infolge Überflutung gesperrt.

Die SBB-Strecke Bern-Luzern war bei Tägertschi kurz unterbrochen, weil ein Bach ausuferte. Ebenfalls in der Nacht auf den 11. erodierte die Sense im Gebiet Plaffeien, FR, eine Böschung so stark, dass ein daran angrenzendes Blockhaus abgerissen werden musste. In der Gemeinde kam es zudem zu Hangrutschen, überschwemmten Kellern und beschädigten Strassen.

Die Ilfis trat in Wiggen (Gemeinde Escholzmatt, LU) an mehreren Stellen über die Ufer und lagerte dabei Geröll, Schwemmholz und Sand auf der Hauptstrasse ab.

Zwischen Tiefencastel und Thusis, GR, brachte am 13. eine Hangmure die ersten drei Waggons eines RhB-Zuges zum Entgleisen (Bild 8). Der vorderste Wagen stürzte dabei einige Meter den Hang hinab.

Fünf Personen wurden schwer und sechs leicht verletzt. Ein 85-jähriger Mann erlag einige Tage später im Spital seinen Verletzungen. Der Sachschaden war hoch, denn neben den Eisenbahnwagen waren auch die Fahrleitung, Geleise und das Trassee beschädigt.

Am 29. gingen nach erneut heftigen Regenfällen im Raum Burgistein und Mühlethurnen bei der Berner Kantonspolizei 35 Meldungen ein, wobei überwiegend Wasserschäden an oder in Gebäuden sowie überschwemmte Strasse gemeldet wurden.

3.9 September In weiten Teilen der Schweiz blieb der Monat ausgesprochen niederschlagsarm.

In der Nacht auf den 21. kam es im Kanton Bern jedoch zu lokalen und teils heftigen Niederschlägen, was zu Überschwemmungen und Stromausfällen führte. Besonders betroffen war das Gürbetal und Schwarzenburgerland. Grösstenteils wurden Wasserschäden an oder in Gebäuden sowie überschwemmte Strassen gemeldet, z.B. aus Burgistein und Wahlern.

3.10 Oktober Die Temperatur lag verbreitet 2–3 °C über der Norm, und die Schweiz erlebte den viertwärmsten Oktober seit Messbeginn vor 150 Jahren. Die Niederschlagsmengen waren im Wallis deutlich unterdurch-

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Bild 8. Zwischen Tiefencastel und Thusis GR brachte am 13. August eine Hangmure drei Waggons der RhB zum Entgleisen (Foto: newspictures.ch). schnittlich und im Tessin überdurchschnittlich.

Starke Regenfälle ereigneten sich am 5. im Laufental und aus Birslach, Laufen, Lupsingen und weiteren Gemeinden im Kanton Basel-Landschaft gingen v.a Meldungen zu überfluteten Kellern ein. In Zug, ZG, stand die Feuerwehr dann am Abend und in der folgenden Nacht im Einsatz, da Keller, Garagen, Liftschächte, Lagerräume, Unterführungen und Strassen unter Wasser standen.

Intensive Niederschläge führten am 11. im Tessin zu etlichen Überflutungen von Kellern und zu kleineren Erdrutschen.

Besonders betroffen war die Region Sottoceneri. In Mendrisio standen Strassen und Plätze unter Wasser und es gingen 80 Anfragen bei der Feuerwehr ein. In Balerna trat der Bach Raggio über die Ufer und richtete beträchtlichen Schaden bei den angrenzenden Häusern an. Die Strasse nach Brusino Arsizio musste wegen eines Erdrutsches gesperrt werden. Ungefähr 30 Anrufe betrafen Lugano, Caslano und Melide, wo Wasser, Rutschungen und durch Geschiebe verstopfte Schächte Probleme verursachten.

Am 13. verursachten Niederschläge weiter nördlich im Tessin ebenfalls Unwetterschäden. Ein Erdrutsch stürzte auf die Hauptstrasse in der Nähe von Arbedo. In Bellinzona musste die Feuerwehr wegen fünf überschwemmter Keller und Garagen ausrücken. Auch in Locarno war die Feuerwehr wegen Überflutungen und wegen eines Steinschlags auf der Strasse nach 53

4.

Bild 9. Der Lago Maggiore trat Mitte November in Locarno, TI, über die Ufer (Foto: Stefano Zanini, MeteoSchweiz).

Monte Brè im Einsatz. Bei Sant’Abbondio trat ein Bach über die Ufer, überflutete zwei Häuser und bedeckte die Bahn und die Kantonsstrasse mit Material.

Starke Regenfälle führten am 21. zu Schäden im Kanton Freiburg. Feuerwehr und Polizei intervenierten in den Bezirken Saane, Glâne und Greyerz. In der Nacht vom 21. auf den 22. verursachte im Wallis ein Ausläufer des Hurrikans «Gonzalo» Überschwemmungen, Steinschläge und umgestürzte Bäume. Die Einsatzzentrale der Kantonspolizei verzeichnete gegen 15 Interventionen, wobei vor allem die Regionen von Vouvry, Martigny, Verbier und Crans-Montana betroffen waren.

3.11 November Im November waren die Niederschlagsmengen insbesondere auf der Alpensüdseite und im Engadin stark überdurchschnittlich. In Lugano fielen vom 2. bis 17. insgesamt 538 mm Niederschlag.

Ein isoliert und ungefähr 150 m von der Waldgrenze entfernt stehendes Rustico zwischen Nerocco und Bombinasco in der Gemeinde Curio, TI, wurde am 5. nach heftigen Regenfällen von herabstürzendem Erdreich einer Hangmure verschüttet.

Eine Frau und ihre Tochter kamen dabei ums Leben.

Gegen Monatsmitte traten der Lago Maggiore und der Lago di Lugano über die Ufer. Die Pegel lagen während zehn Tagen über der Hochwassergrenze.

Der Lago Maggiore erreichte eine Höchstmarke von 196.42 m ü.M. (absolutes Maximum von 197.57 m ü.M. im Oktober 2000) und beim Lago di Lugano wurde ein Höchststand von 271.88 m ü.M. registriert (absolutes Maximum von 272.08 m ü.M. im November 2002) (Seepegeldaten: 54

Bundesamt für Umwelt BAFU). Infolge der anhaltenden Niederschläge gab es vom 10. bis 16. diverse Schäden in verschiedenen Gemeinden des Kantons Tessin.

In Locarno standen ab dem 11. verschiedene Uferwege und seenahe Strassen aufgrund des hohen Seepegels unter Wasser (Bild 9). Der Pegel erhöhte sich in den folgenden Tagen weiter und der See überflutete beim Quartier Nuovo einige Häuserreihen. Stege wurden gebaut. Die Uferpromenade in Ascona stand ebenfalls unter Wasser. Felder bei Magadino wurden überschwemmt und in Gordola rückte die Feuerwehr wegen überfluteter Wohnungen und Geschäftsräume aus.

Bei Brissago führten Überschwemmungen und Rutsche zu Unterbrechungen der Strassen. Auch bei Lugano überflutete der Lago di Lugano die Promenade.

Ein Erdrutsch verschüttete zudem die Kantonsstrasse zwischen Novaggio und Miglieglia. In Davesco verschüttete ein Erdrutsch ein 3-stöckiges Wohngebäude.

Dabei wurden vier Personen verletzt und zwei kamen ums Leben. In Chiasso kam es zu Überschwemmungen von Strassenabschnitten und die Kantonsstrasse nach Seseglio wurde durch einen Erdrutsch unterbrochen. In Mendrisio führten Überschwemmungen und Erdrutsche zu ca. 40 Einsätzen der Feuerwehr.

Schäden durch weitere Naturgefahrenprozesse Wie auch in den vergangenen Jahren verursachten Hagel und Sturm einige Schäden in der Schweiz. Ohne Anspruch auf Vollständigkeit werden nachfolgend einige Ereignisse erwähnt.

Ein Sturm zog am 13. und in der Nacht auf den 14. Februar über die Schweiz. Hausdächer wurden abgedeckt und im Kanton Bern waren bis zu 3000 Haushalte zweitweise ohne Strom. Hohe Schäden verursachte das Hagelunwetter am 12. Juni. Vor allem die Landwirtschaft und Autos in den Kantonen Bern, Luzern, Aargau, Schwyz und Zürich waren betroffen. Am 4. und 6. Juli führten in den Kantonen Waadt, Freiburg, Bern, Jura, Basel, Basel-Landschaft und Aargau Hagelunwetter zu Schäden in der Landwirtschaft.

Bei der Versicherung «Schweizer Hagel» rechnete man kurz nach dem Ereignis mit 700 Schadensmeldungen. Die Ausläufer des Hurrikans Gonzalo haben am 21. Oktober auch in der Schweiz für stürmischen Wind und Niederschlag gesorgt. Aus den Kantonen Basel, Bern, Aargau, Zürich, Schwyz, Uri, Graubünden und Wallis gingen Schadensmeldungen bei der Polizei ein.

Danksagung Wir danken dem Bundesamt für Umwelt BAFU für die langjährige und massgebliche Unterstützung bei der Erfassung der Unwetterschäden und Christian Rickli und Käthi Liechti für die wertvollen Kommentare zum Manuskript.

Literatur Hilker, N., Jeisy, M., Badoux, A., Hegg, C. (2007): Unwetterschäden in der Schweiz im Jahre 2005.

«Wasser Energie Luft», 99. Jg., Heft 1: 31–41.

MeteoSchweiz (2014a): Klimabulletin Jahr 2014, Zürich.

MeteoSchweiz (2014b): Das monatliche Klimabulletin der MeteoSchweiz (Monate Januar bis Dezember), Zürich.

Anschrift der Verfasser Norina Andres, Dr. Alexandre Badoux, Dr. Christoph Hegg, Eidg. Forschungsanstalt WSL Zürcherstrasse 111, CH-8903 Birmensdorf norina.andres@wsl.ch

3.12 Dezember Der Dezember 2014 gehört landesweit zu den zehn wärmsten Dezembermonaten seit Messbeginn. Er war ausgesprochen trocken mit verbreitet nur etwas mehr als der Hälfte der normalen Niederschlagsmengen. Im Dezember wurden keine nennenswerte Schadensereignisse registriert.

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

André Gardel: Ingenieur und Hydrauliker Willi H. Hager

Zusammenfassung André Gardel zählte zu den grossen schweizerischen Ingenieuren seiner Zeit, da er sowohl fachlich als auch menschlich eine grosse Ausstrahlungskraft besass und wesentliche Forschungen in der Hydraulik und der Energietechnik durchführte. Nachfolgend sollen seine Beiträge insbesondere in der Hydraulik von Kraftwerken betrachtet werden, neben einer Würdigung seiner weiteren wichtigen Verdienste als Professor an der EPUL und später an der EPFL, seiner Aktivitäten als Patron eines der grossen schweizerischen Ingenieurbüros und seiner menschlichen Qualitäten.

Summary André Gardel counts to the great Swiss engineers of his era, given his professional and human contributions, and his fundamental researches in hydraulics and energy techniques. The following describes in particular his works in hydraulic engineering, next to highlight his merits as professor at EPUL first, and later at EPFL, his activities as head of a large Swiss engineering office, and his human qualities.

Geburtstag gefeiert. Wer war dieser André Gardel? Weshalb zählt man ihn zu den bekannten Hydraulikern der Schweiz? Und was ist sein Vermächtnis? Nachfolgend werden diese und weitere Fragen beantwortet, um die Erinnerung an einen namhaften Schweizer Hydrauliker aufrecht zu erhalten.

2.

Publikationen Gardel (1949) hat bereits kurz nach seinem Studienabschluss eine Arbeit über den damals erst kurz bekannten Schachtüberfall (Morning Glory Spillway) verfasst. Anstelle eines frontalen Entlastungsbauwerks wird etwa bei Erddämmen das Wasser turmartigen Bauwerken zugeführt, um dieses dann unter der Sperre ins Unterwasser zu leiten. Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit dem Ingenieurbüro Stucky, Lausanne, wo Gardel zu dieser Zeit arbeitete, für ein Projekt in Algerien verfasst. Das Bauwerk besitzt eine kreisrunde Überfallkrone vom Radius r und dem Durchmesser D (Bild 2a). Bei kleinen Überfallhöhen stellt sich sogenannt freier Abfluss ein, während bei grossen Überfallhöhen im Vergleich zu D der Überfall eingestaut wird. Daraus folgt die typische Durchfluss-Überfallhöhen-Relation Q(h) mit einem starken Durchflussanstieg bei freiem, jedoch nur kleinem Anstieg bei eingestautem Regime (Bild 2b). Gardel hat eine Vielzahl von Aspekten untersucht, insbesondere die Einflüsse der Kronenausbildung, des

Bild 1. André Gardel in den 1950er-Jahren (Michel Gardel, 2015).

1.

Einleitung Im Jahr 1954 haben die beiden Waadtländer Daniel Bonnard und André Gardel ein Ingenieurbüro in Lausanne gegründet, welches heute zu den grossen Institutionen der Schweiz zählt. Im Gegensatz zu vielen anderen Büros ist die BG Ingénieurs Conseils von Anfang an mit multidisziplinären Projekten beschäftigt gewesen. Es hat deshalb Projekte in den Bereichen Bau, Mechanik, Chemie, Physik und Elektrizität bearbeitet. Ab den 1980er-Jahren kamen Projekte im Bereich Umwelt mit spezifischen Fragen betreffend Luft, Wasser und Boden hinzu. Dies war im Vergleich zu vielen anderen Ingenieurbüros gewagt, spezialisierte man sich doch in den Nachkriegsjahren normalerweise auf ein Fachgebiet.

Das Büro BG ist mit seiner Strategie jedoch gut gefahren und hat erst letzthin den 60.

Bild 2. Schachtüberfall (a) Bezeichnungen, (b) Durchfluss-Überfallhöhen-Beziehung (Gardel, 1949).

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

55

Schachtdurchmessers, des Krümmers am Übergang vom Vertikalschacht zum fast horizontalen Stollen, die notwendige Belüftung des Stollenabflusses oder die Einstauverhältnisse. Es wird festgehalten, dass der radiale Zufluss zum Bauwerk durch Pfeileraufbauten auf der Überfallkrone verbessert wird, um insbesondere die Wirbelbildung im Einlaufbereich zu verkleinern. Aus den Untersuchungen folgt, dass das eingestaute Abflussregime zu vermeiden ist, da dann insbesondere die Abflussstabilität nicht gewährleistet wird.

Cuénod und Gardel (1950) beschäftigten sich mit der Stabilisierung von Wasserspiegelschwankungen in Wasserschlössern. Diese Arbeit wurde durch die drei Herren Alfred Stucky (1892–1969), Daniel Bonnard (1907–1979) und Daniel Gaden (1893–1966) angeregt, alle Professoren an der École Polytechnique de l’Université de Lausanne (EPUL). Vorerst wird auf die Wichtigkeit eines Wasserschlosses zwischen einem Stausee und der Turbine hingewiesen, um allfällige Durchfluss-Variationen und die dabei entstehenden Druckschwankungen im Verbindungsstollen aufzunehmen (Bild 3). Um dieses Wasserschloss kostengünstig zu erstellen, ist dessen Durchmesser minimal zu halten. Wie bereits von Thoma (1910) erkannt, darf dieser Durchmesser, resp. der Wasserschlossquerschnitt, einen Minimalwert jedoch nicht unterschreiten, da sonst Luft über das Wasserschloss in das

Drucksystem gelangt und dabei ein komplettes Versagen des Bauwerks auslöst.

Durch den Einbau von Regulierorganen, mit denen auch nachträglich ein System erweitert werden kann, lässt sich die Stabilisierung dieser Schwingungen relativ einfach erzielen. Weitere Publikationen zu diesem Problemkreis verfassten Cuénod und Gardel, (1952a, 1953, 1954, 1958), in welchen die Stabilisierungskriterien verallgemeinert werden, und deren Anwendung auf reale Fälle durch Beispiele erläutert wird.

Eine weitere Untersuchung von Cuénod und Gardel (1952b) beschäftigt sich mit Translationswellen in Zuflusskanälen zu Kraftwerken. Basis der Untersuchung bilden die Gleichungen von De Saint-Venant; es werden lediglich kleine Abweichungen vom Normalabflusszustand mathematisch untersucht, womit ein lineares Gleichungssystem resultiert.

Für die beiden Unbekannten Wassertiefe und Fliessgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Lage und der Zeit ergeben sich dann Exponentialausdrücke, die unter entsprechenden Randbedingungen gelöst werden. Die resultierenden Ausdrücke sind kompliziert, werden jedoch grafisch einfach dargestellt. Damit lassen sich wiederum Stabilitätsfragen infolge instationärer Vorgänge an einem Kraftwerk beurteilen. Der in Frankreich geborene Michel Cuénod (1918–1987) hat in verschiedenen Grossbüros der Welt gearbeitet, er galt als

Bild 3. Definitionsskizze zum Wasserschloss (Cuénod und Gardel, 1950).

Bild 4. Untersuchte Anordnungen von Rohr-Vereinigungen und -Trennungen (Gardel, 1957b).

56

Experte von Kraftwerken und thermischen Anlagen. Er hat über Jahrzehnte mit Gardel zusammengearbeitet (Hager, 2009).

Gardel hat neben diesen Arbeiten zu zeitlich abhängigen Strömungsproblemen auch rein hydraulische Probleme bearbeitet, etwa zum Wassersprung (Gardel, 1948), um die sogenannten konjugierten Wassertiefen im Ober- und Unterwasser mittels des Impulssatzes für verschiedene Querschnittsformen zu ermitteln. Eine weitere Arbeit bezieht sich auf die vereinfachte Berechnung von Wasserschlössern (Gardel, 1956, 1957a). Um die Wasserspiegelschwingungen in den verschiedensten Wasserschlosstypen unter unterschiedlichen Rand- und Anfangsbedingungen verallgemeinert zu erfassen, wird ein Ersatzwasserschloss betrachtet. Die Resultate lassen sich bei Vorprojekten hilfreich anwenden.

Gardel (1957b) begann eine ausserordentliche Versuchsreihe zur Ermittlung der Verluste in Wasserschlössern. Hydraulisch lässt sich das System bestehend aus Zuleitung-Wasserschloss-Druckstollen je nach den Fliessrichtungen beschreiben als Vereinigung resp. Stromtrennung.

Bild 4 zeigt die untersuchten Rohrgeometrien: Der durchgehende Ast besteht aus einer Leitung vom Durchmesser D = 150 mm, während die Zu- oder Ableitung auch Durchmesser von 100 resp. 60 mm annehmen können. Der seitliche Winkel  wurde variiert von 45° bis 135° mit 15° Variation.

Es entstanden damit insgesamt 11 Grundanordnungen. Weiter wird mit , ,  das Zufluss-, das Abzweig- und das Ausflussrohr bezeichnet. Jede Anordnung wird entsprechend mit dem Flächenverhältnis = (Fläche )/(Fläche ), dem Winkel  zwischen den Strängen  und  und dem relativen Ausrundungsradius = r/D mit 0.02  0.12 gekennzeichnet.

Es wurden die Druckverluste bei Stromvereinigung und bei Stromtrennung + unter Berücksichtigung der zwischen den Messprofilen entstehenden Reibungsverluste experimentell ermittelt. Versteht man unter q= Q/Q das Verhältnis von seitlichem Ausfluss zu Zufluss, und unter q= Q/Q jenes von seitlichem Zufluss zu Ausfluss, sowie unter h und hdie auf die Zufluss- resp. Ausflussgeschwindigkeitshöhe bezogene Druckdifferenz mit h= h– h, so lassen sich alle Resultate einfach darstellen. Bild 5 zeigt ein typisches Beispiel mit h=(H– H)/ (V2/2g), h= (H– H)/(V2/2g) und h= (H – H)/(V2/2g), sowie g als Erdbeschleunigung, aus welchem die drei Verlustbeiwerte über den Bereich –1 q+1 stark

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

variieren im Bereich von nahezu –1 bis +1, dass also entweder bis zur vollen Geschwindigkeitshöhe Energie dissipiert resp. gewonnen wird. Für alle anderen untersuchten Anordnungen entstehen ähnliche Resultate. Es ist demnach wichtig, sich in der hydraulischen Praxis einen Überblick über die entstehenden Verluste zu verschaffen. Die Fortsetzung dieser Versuche beschreiben Gardel und Rechsteiner, (1970); es wurden zusätzliche Ausrundungsradien analysiert und deren Einfluss auf die hydraulischen Verluste beschrieben. Es wird festgehalten, dass mit diesen Versuchen auch noch heute die umfassendsten Resultate in diesem Sektor der Rohrhydraulik vorliegen. Gardel hat sich damit ein Denkmal als Hydrauliker gesetzt, sein Name wird mit diesem Gebiet der Hydraulik deshalb verbunden bleiben.

Die Anwendung dieser Resultate folgte durch Gardel, (1969).

Eine ähnlich umfassende experimentelle Studie beschreibt Gardel (1962).

Bild 6 zeigt die untersuchte Anordnung mit D1 und D2 als Zufluss- und Unterwasserdurchmesser, D0 als Ausflussdurchmesser und B als Zentralwinkel. Daraus entstehen die drei Basisparameter a = (D0/D1)2, b = B/360° und c =(D0/D2)2. Die Versuchsresultate werden verglichen mit klassischen Daten, woraus im Allgemeinen eine gute Übereinstimmung folgt. Schliesslich werden alle Messresultate der EPUL mathematisch durch eine komplizierte Formel erfasst, welche lediglich die drei oben erwähnten Parameter sowie einen fiktiven Unterwasserquerschnitt umfasst. Die Anwendung dieser Beziehung ist jedoch explizit und sie deckt wichtige Spezialfälle wie etwa a = c = 0 oder a = 1 ab.

Gardel und Dysli, (1965) beschäftigten sich mit Abrasionsversuchen, etwa an Schussrinnen oder Umleitstollen. Vorerst werden die bis dahin spärlichen Unterlagen einer kritischen Analyse unterzogen. Dann folgt die Beschreibung der an der EPUL durchgeführten Versuche. Mittels einer grossen Trommel, deren Boden aus einem abrasiven Material besteht, wird durch Beigabe von Geschiebe Wasser in Rotation versetzt. Der Trommelinnendurchmesser beträgt 3 m, der Aussendurchmesser 4 m. Ein Rotor im dadurch entstandenen 1 m breiten Kanal mit bis an den Boden reichenden Tafeln versetzt das Wasser in Bewegung. Die Rotorengeschwindigkeit liess sich bis auf 4 m/s steigern (Bild 6). Typische Versuche mit Sedimentdurchmessern von etwa 40 mm dauerten rund 240 Stunden, wobei das Material alle 24 Stunden ersetzt wurde, da

Bild 5. Typische Verlustbeiwerte bei Rohrvereinigungen und -Trennungen (Gardel, 1957b).

Bild 6. Definitionsskizze vom Versuchsaufbau (Gardel, 1962).

Bild 7. Definitionsskizze vom Versuchsaufbau  Versuchskanal,  Rotor,  Schaufel,  Motorenantrieb,  Drossel,  Kupplung,  Sohlenproben,  Wasser und Sediment,  Messachsen,  raue Decke (Gardel und Dysli, 1965). es sich durch Abrasion verkleinerte. Die abrasive Oberfläche wurde zu den Zeiten 0, 120, und 240 Stunden vermessen. Durch den Abrasionsprozess wurden Feinstoffe gebildet, die sich als Suspension verhielten. Deren Einfluss wurde jedoch als ge-

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

ring auf den Gesamtprozess angesehen.

Die Schlussfolgerungen dieser Versuche besagen: • Traditionelle Materialien wie Granit zeigen exzellentes Widerstandsverhalten gegenüber Abrasion 57

Dagegen haben Materialien wie Bitumenbeton oder Beton die Anforderungen nicht erfüllt • Oberflächen mit dünnem Überzug aus harten Materialien sind oft zu teuer, und deren Einbringung ist kompliziert • Normaler Beton hat sich ausgezeichnet bewährt, jedoch lassen sich Schäden an der Oberfläche nur schwierig reparieren.

Mit dieser Arbeit wurde also bereits vor 50 Jahren ein wichtiges Thema des Wasserbaus angesprochen. Bis heute sind noch keine allgemeinen Erkenntnisse etwa auf dem Sektor Umleitstollen vorhanden, trotz intensiver Forschungsanstrengungen.

Weitere Publikationen von Gardel beschäftigen sich nicht mehr mit hydraulischen Untersuchungen, weshalb sie hier nicht besprochen werden. Einzig wird sein Buch Energy (Gardel, 1979) erwähnt, da es sich mit modernen Energiefragen beschäftigt. Darin werden also die mutmassliche Entwicklung des Energiebedarfs, die weltweiten Energiequellen, die Energieverteilung, die Energietransformation, der Energietransport und die Energiespeicherung, Elektrizität und Kohlenwasserstoff, die Energiekosten, Umwelteinflüsse sowie Energieevolution und Perspektiven diskutiert, also alles Themen, die aus dem heutigen Energieumfeld nicht wegzudenken sind.

Er hat die Karrieren seiner Mitarbeiter in verschiedensten Fachgebieten gefördert.

Schliesslich verstand es Gardel, die Aktivitäten seines Büros und die der Hochschule geschickt zu koordinieren, sodass beide Institutionen voneinander profitierten. Anlässlich seines 70. Geburtstags verfasste BG, (1992) eine Festschrift, welche die wichtigsten beruflichen Etappen Revue passieren lässt, nämlich Gardel, der Hydrauliker, der Pionier des Schweizerischen Nuklearprogramms, der Experte im Energiebereich, und der Chef eines Ingenieurbüros. Er ist am 20. Dezember 2008 in Pully, VD, im Alter von 86 Jahren verstorben.

•

3.

Biografie André Gardel wurde am 8. Mai 1922 in Chateau d’Oex, VD, als Bürger von SainteCroix, VD, geboren. Er hat an der EPUL 1944 das Bauingenieur-Diplom erworben und war dann bis 1954 als Assistent am Hydraulischen Labor tätig. Gleichzeitig war er von 1949 bis 1954 Ingenieur beim Ingenieurbüro Alfred Stucky, Lausanne. Er hat 1954 mit Bonnard die BG Ingénieurs Conseils in Lausanne gegründet, zudem aber auch im Labor weitergearbeitet. Er hat 1956 mit einer Arbeit über Wasserschlösser promoviert, wurde 1959 Privatdozent an der EPUL, um ab 1963 dort als Professor für Wasserbau und Fundationstechnik zu wirken. 1971 wurde er Direktor des Instituts für Energie-Entwicklungen.

Die in dieser Zeit bearbeiteten Untersuchungen umfassten die numerische Modellierung von massiven Kraftwerksstrukturen, den Windeinfluss auf grosse Bauwerke oder die energetische Ökonomie und deren Auswirkungen auf die Klimatologie. Nach der Erdölkrise von 1973 war Gardel ein Verfechter der Nuklearenergie in der Schweiz. Gardel war Mitglied einer 58

Bild 9. André Gardel um 1990 (BG, 1992).

Vielzahl von beruflichen Vereinigungen, so des Schweizerischen Ingenieur- und Architektenverein SIA, der American Society of Civil Engineers, ASCE, der American Nuclear Society, des Swiss National Committee of Energy World Conference und des Comité National Suisse des Grands Barrages SwissCOLD. Gardel war bis in die 1960er-Jahre hinein stark im hydraulischen Sektor beschäftigt, sowohl als Forscher als auch als Ingenieur im Büro BG. Von da an hat er sich aber mehrheitlich mit energetischen Fragen auseinandergesetzt und dabei namhafte Beiträge zur Energieversorgung der Schweiz geleistet. Anlässlich seiner Abschiedsvorlesung 1988 an der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), seit 1969 die Nachfolgerin der EPUL, hat er die Vor- und Nachteile der Nuklearenergie dargelegt (Gardel, 1988). In dieser Zeit beschäftigte BG rund 140 Mitarbeiter, das Büro war für die Verhältnisse in der Schweiz also wichtig. Dabei sind Projekte sowohl in der Schweiz wie auch im Ausland bearbeitet worden. Das Geschäftsmodell von BG basiert auf dem Partizipationsprinzip, an dem also alle Mitarbeiter beteiligt sind.

Dadurch wurden die Transparenz der Aufträge und deren Durchführung gestärkt.

Heute beschäftigt BG über 300 Mitarbeiter, für die André Gardel als wahrer Patron in bester Erinnerung bleiben wird.

Es lässt sich demnach festhalten, dass Gardel sowohl ein brillanter Professor als auch ein passionierter Ingenieur war, welcher es verstand sowohl die Hochschulaktivitäten wie auch die Aktivtäten als Patron eines grossen Ingenieurbüros erfolgreich unter einen Hut zu bringen.

4.

Schlussfolgerungen Das Leben und Werk von André Gardel wird vorgestellt. Nach brillanten Studien an der damaligen EPUL hat er sich während rund 20 Jahren hauptsächlich hydraulischen Untersuchungen angenommen und sich dabei eine Namen in der Rohrhydraulik und in der Stabilisierung von instationären Fliessvorgängen bei Kraftwerken verschafft. Nachdem er doktoriert und sich habilitiert hatte, wurde er zum EPUL-Professor ernannt und hat sich in der Folge hauptsächlich energetischen Untersuchungen gewidmet. Parallel dazu hat er mit seinem Kollegen Bonnard ein multidisziplinäres Ingenieurbüro in Lausanne aufgebaut, welches weit über die Landesgrenzen bekannt ist. In diesem Artikel werden einerseits die hydraulischen Untersuchungen beschrieben, andererseits Gardels geschicktes Wirken als Lehrer an der EPUL und als Patron seines Unternehmens BG vorgestellt. Sein Name zählt zu den wichtigen unter den Ingenieuren der Schweiz, weshalb sein Andenken in Würde gehalten werden soll.

Verdankung Ich möchte mich bei Herrn Michel Gardel, dem Sohn von André Gardel, sowie seiner Familie für die Überlassung verschiedener Dokumente bestens bedanken.

Literaturverzeichnis Abkürzungen: BTSR = Bulletin Technique de la Suisse Romande; SBZ = Schweizerische Bauzeitung.

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59

Zukunft des Schweizer Wasserbauingenieurs Roger Bremen

Zusammenfassung Junge Bauingenieure müssen im heutigen Umfeld eine ausgeprägte Faszination für Wasser beweisen, um ihre Zukunft im konstruktiven Wasserbau zu finden. Eine nüchterne Betrachtung der Marktentwicklung der letzten 30 Jahre soll Ihnen helfen, sich nicht allzu sehr von der derzeitigen schlechten Konjunktur des Schweizer und europäischen Wasserbaus beeindrucken zu lassen. Weltweit wurde noch nie so viel in Wasserbau investiert wie heute, so dass der Markt Ingenieurleistungen benötigt. Das wesentliche Problem für Schweizer Wasserbauingenieure ist der Marktzugang unter den heutigen Randbedingungen. Unternehmerisches Denken und nicht nur technisches Wissen sind somit gefragt, um die Schweizer Wasserbautradition auch weiterhin zu exportieren.

1.

Einleitung Wie die meisten Kinder, war auch ich schon sehr früh vom Wasser fasziniert.

Sein fast immer unberechenbares Verhalten und der in manchen Fällen so überwältigende Kraftausdruck haben mich seit jeher zutiefst beeindruckt. Meine bis heute unveränderte Faszination für Wasser hat so die Wahl zum Wasserbauingenieur zur Selbstverständlichkeit gemacht.

Als junger Wasserbauingenieur wollte ich dann auch gleich bauen, im Glauben mein erlerntes Wissen sofort anwenden zu können. Dieser Drang musste sich dann aber rasch der Realität und dem wirtschaftlichen Umfeld beugen.

Bild 1. Cerro del Aguila, Peru.

60

Résumé Pour trouver son propre avenir dans le domaine des constructions hydrauliques, le jeune ingénieur Suisse d’aujourd’hui, doit faire preuve une réelle passion pour l’eau. L’analyse de l’évolution des conditions du marché des prestations d’ingénieurs pendant les derniers 30 ans doit lui permettre de mieux apprécier les difficultés actuelles dans le domaine hydraulique en Suisse et en Europe en général. Jamais par le passé les investissements pour des infrastructures hydrauliques ont été aussi importantes au niveau mondial, ce qui comporte un indéniable besoin en prestations d’ingénieurs. Le principal problème des ingénieurs Suisses est posé par l’accès à ce marché tenu compte des conditions cadre à respecter. Les connaissances techniques doivent donc aujourd’hui être accompagnés d’un esprit d’entrepreneur afin d’assurer un futur à la tradition Suisse dans le domaine de l’hydraulique.

Dies war anfangs der 90er-Jahre, und damals wie heute sah es für die Wasserkraft in der Schweiz nicht gerade rosig aus. Nach der Fertigstellung einiger Staumauererhöhungen gab es so gut wie keine Investitionen mehr, und einige auf dem Markt stehenden Kraftwerksanlagen wurden zu niedrigen Preisen abgestossen.

Mitte der 90er-Jahre zeigte sich dann allerdings in vielen Regionen allmählich wieder ein erneutes Interesse für die Wasserkraft, bevor schliesslich auch in der Schweiz eine regelrechte «Wasserbauhysterie» ausbrach. Nach einer etwa 10 Jahre andauernden Gunstperiode der Wasserkraft in der Schweiz stellen sich die Zukunftsaussich-

ten für einen jungen Wasserbauingenieur heute jedoch wieder sehr düster dar. Abgesehen von der mangelnden Investitionslust in der Schweiz selber und in Europa im allgemeinen, fördert der Schweizer Franken natürlich auch nicht gerade die stetig rückläufige Auslandstätigkeit der in der Schweiz tätigen Ingenieurbüros.

Nur durch grosse Hingabe, Ausdauer und viel Glück gelang es mir, meine Faszination für den Wasserbau auch in Projekte und in die Wirklichkeit umzusetzen. Dank dem Vertrauen vieler Kollegen und trotz vieler Enttäuschungen ist die heutige Bilanz aber durchaus positiv. Ich fühle mich somit heute verpflichtet, alles

Bild 2. Ojo de Agua, Honduras.

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zu unternehmen, um vom Wasserbau faszinierten Ingenieuren eine Möglichkeit zu bieten, ihre Faszination unter den bestmöglichen Bedingungen umzusetzen und langfristig weiterführen zu können.

2.

Das heutige Marktumfeld In der Schweiz ist das Umfeld in der Ingenieurbranche im allgemeinen und mit wenigen Ausnahmen eher getrübt, sodass auch im Wasserbau die Ingenieurleistungen aufgrund der Konkurrenzsituation immer billiger eingekauft werden können.

Was kurzfristig für den Bauherren ein guter Anfang zu sein scheint, erweist sich dann mittelfristig oft als bittere Enttäuschung mit bedeutenden Kosten und Terminfolgen. Allerdings ist es dann jedoch oft zu spät, und der Schaden ist unwiederruflich vorhanden.

Aufgrund dieser Marktsituation, welche sich wahrscheinlich in Zukunft eher noch verschlechtern wird, sowie der sehr bescheidenen Investitionslust muss ein junger Wasserbauingenieur fast schon vom Glück gesegnet werden, um seine Bauambitionen in der Schweiz in die Wirklichkeit umsetzten zu können.

Wendet man sich dem Ausland zu, so wird alles noch viel komplexer denn in jedem Land und in jeder Region herrschen spezifische Bedingungen. Wird alles sehr allgemein gehalten, so ist zu erwähnen, dass wahrscheinlich weltweit nie so viel in die Wasserkraft und in den Wasser-

Bild 3. Toachi, Ecuador.

bau investiert wurde wie heute. Zwar tut sich relativ wenig in Europa und den USA, aber in den meisten anderen Regionen der Welt werden für Wasserbauten sehr bedeutende Mittel zur Verfügung gestellt.

Im Allgemeinen fehlt es somit nicht an Herausforderungen und an interessanten Projekten. Das Problem liegt hier eindeutig bei den Kosten, denn auch die beste Schweizer Fachkompetenz überzeugt heute immer seltener bei Beratungsaufträgen und ist fast aussichtslos bei Planungsaufträgen, ausser man ist gewillt Verluste zu verbuchen. Die immer seltener werdenden Beratungsaufträge und die raren Planungsaktivitäten sind natürlich nicht das ideale Umfeld, um als junger Wasserbauingenieur die notwendige Erfahrung zu sammeln. Der Wasserbau ist zwar sicherlich die schönste Branche des Bauingenieurwesens, damit zu leben ist aber wie so oft in den letzten 30 Jahren nur sehr bedingt möglich.

3.

Wie kam es zur heutigen Situation?

Man kann sich somit fragen, weshalb es den Schweizer Ingenieurunternehmungen im Allgemeinen nicht gelungen ist, sich am internationalen Markt zu behaupten und die so vorteilhafte Ausgangsposition, welche bis etwa in den 80er-Jahren noch ausgeprägt zu spüren war, zu verteidigen.

Als Ende der 80er- und während der 90erJahre weltweit der Bau von neuen Was-

Bild 4. Anlage Illisu, Türkei.

Bild 5. Cambambe, Angola.

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serkraftwerken drastisch reduziert wurde, haben sich die Schweizer Ingenieurunternehmungen aus den meisten internationalen Märkten rasch zurückgezogen. Auch die Beteiligung der Schweiz und deren Bankinstitute an der Finanzierung von Wasserbauprojekten hat sich ab Ende der 80er-Jahre immer stärker reduziert und ist mittlerweile praktisch ganz verschwunden. Die ganze Wasserbautradition von der Maschinenindustrie über den Stahlwasserbau bis hin zu den Ingenieurunternehmungen wurde wegen unbefriedigender Renditen zum grössten Teil veräussert.

Von dieser schwierigen Situation in den 90er-Jahren haben sich die Schweizer Wasserbauer im Allgemeinen nicht wieder erholen können, und konnten somit auch nicht vom weltweiten Investitionsanstieg der Wasserkraft Ende der 90er-Jahre profitieren. Nur ein kleiner Bruchteil des internationalen Marktes wird somit heute von Schweizer Ingenieurbüros wahrgenommen. Das führte dazu, dass kein einziges Ingenieurbüro in der Schweiz vom reinen Wasserbau überleben konnte, was zu den strukturellen Anpassungen der letzten 15 Jahre geführt hat.

Weiter ist leider zu erwähnen, dass immer mehr Schweizer Wasserbauexperten ihre Beratungstätigkeit auf einer unabhängigen Basis ausüben, ohne somit in einer strukturierten Ingenieurunternehmung eingegliedert zu sein. Dies ist zwar verständlich, führt aber mittel- und langfristig zwangsläufig zum Abbau der Beratungskapazitäten, denn diese «One-Man» Beratungsunternehmungen sind bei weitem nicht in der Lage, die zukünftige Expertengeneration auszubilden. Nur eine langjährige Teilnahme an der Projektierung und Ausführung von Bauwerken erlaubt es, die notwendigen praktischen Kenntnisse zu erwerben, um als glaubwürdiger Experte international auftreten zu können.

Der Mangel an namhaften Experten bei den historischen Ingenieurunternehmungen erschwert nochmals die Ausbildung unseres Nachwuchses in der Schweiz.

Auch wenn die technischen Probleme unter vielen Aspekten die gleichen sind wie vor 30 oder 40 Jahren, hat sich das Umfeld für die Ingenieurleistungen hingegen somit drastisch geändert. Dank des ausgezeichneten Niveaus der Schweizer Hochschulen verfügen die hier ausgebildeten Ingenieure auch im Wasserbau nach wie vor über eine ausgezeichnete Grundausbildung. Der Zugang zum internationalen Markt des konstruktiven Wasserbaus ist damit jedoch nur bedingt möglich, weil die Präsenz der Schweizer Ingenieurbüros 61

Bild 6. Muttsee, Schweiz.

Bild 7. Cumbidanovu, Italien.

in den letzten Jahrzehnten trotz allgemein blühenden Investitionen immer weiter geschrumpft ist. Es hat somit nicht an technischer Kapazität gemangelt, sondern vielmehr an organisatorischer Weitsicht. Ausgezeichnete Wasserbauingenieure haben leider die organisatorische Wende im Wesentlichen versäumt, auch weil sogar innerhalb der Schweiz meistens der Konkurrenzkampf und nicht der Zusammengang Priorität hatte.

Schweiz zu behalten, während die «Fabriken» dort produzieren müssen, wo die Nachfrage und der Markt bestehen. Damit die Qualität des «Produktes» gewährleistet ist, braucht es effiziente Leistungs- und Kontrollsysteme sowie moderne EDV-Infrastrukturen. Zukünftig können somit nur noch die hochqualifizierten Leistungen innerhalb der Schweiz erbracht werden.

Weiter bedeutet dies, dass die Planungsleistungen vor Ort unter der Leitung von hocherfahrenen Ingenieuren zu erfolgen haben, um so die Qualität und den notwendigen Erfahrungsaustausch zu gewährleisten. Zur praktischen Umsetzung dieser Vision braucht es eine effiziente und komplexe Struktur, bei welcher die Abläufe überwacht und alle Kompetenzen möglichst effizient eingesetzt werden. Zur langfristigen Entwicklung sind «freie Mitarbeiter» sowie Unterakkordanten in der Kernkompetenz nur ausnahmsweise einzusetzen, damit die gesammelte Erfahrung möglichst innerhalb der Unternehmung bleibt. Alle Kernkompetenzen müssen unbedingt intern vorhanden sein und sind geografisch dort aufzubauen, wo dafür die besten Bedingungen herrschen.

Die Anforderungen an die interne Organisation sowie an die Mitarbeiter sind bedeutend, aber auch eine willkommene Herausforderung. Heute ist der Organisationsbedarf bestimmt grösser als früher, und eine Gruppe von ausgezeichneten Wasserbauingenieuren ist bei Weitem noch keine Erfolgsgarantie. So wie es die Schweizer schaffen andere Dienstleistungen weltweit zu exportieren, gibt es grundsätzlich auch keinen Grund, dass sich der so traditionsreiche Wasserbau der Schweiz nicht auch in der Zukunft international behaupten kann.

4.

Wie weiter?

Dies mag zwar alles sehr pessimistisch klingen, stellt aber meiner Meinung nach die Grundlage dar, welche wir für einen Aufschwung der Schweizer Wasserbauer berücksichtigen müssen. Es ist wichtig, dass wir bereit sind, uns den heutigen Marktbedingungen offen zu stellen und nicht weiterhin auf Sonderbedingungen oder allfällige Privilegien zu hoffen. Diese Zeit ist definitiv vorüber.

Trotz kurzfristigen konjunkturellen Schwankungen bin ich zutiefst davon überzeugt, dass Wasserbauprojekte noch eine sehr lange Zukunft vor sich haben. Die Wasserbedürfnisse werden weiter steigen, und zudem ist und bleibt Wasserkraft die beste und umweltfreundlichste Energiequelle. Nur Energie sparen ist umweltfreundlicher, und dies wird sich in naher Zukunft auch nicht ändern. Wir müssen uns somit überlegen wie wir unter den heutigen Marktbedingungen den Schweizer Wasserbauingenieuren auch international eine Chance bieten können.

Es gibt natürlich keine allgemeingültigen Rezepte und jede Realität hat ihre spezifischen Bedingungen. Im Allgemeinen scheint mir aber langfristig der einzig mögliche Weg, die «Ideen» selber in der 62

5.

Schlussbemerkungen Seitdem ich im «Laboratoire de Constructions Hydrauliques» meiner Faszination für Wasser freien Lauf geben konnte, ist zweifellos vieles anders gerworden. Hierbei hat sich der Wasserbau selber zwar nur wenig geändert, aber das heutige Umfeld verlangt drastische organisatorische Anpassungen und ein generelles Umdenken, damit wir in der Lage sind die aktuellen Chancen auf dem internationalen Markt warzunehmen. In erster Linie braucht man dafür, wie bereits in der Vergangenheit, etwas spezielle Menschen, die den Einsatz unter den schwierigsten Bedingungen nicht scheuen, die bereit sind kulturelles Neuland zu erforschen und die immer versuchen, sich den Problemen mit entsprechenden Lösungen zu stellen. Aber es braucht auch ein ausgeprägtes unternehmerisches Denken, permanente Kostendisziplin und eine effiziente internationale Organisation.

Dieser Geist hat zum damaligen Erfolg der Schweizer Wasserbauer geführt.

Trotz geänderten Bedingungen bin ich überzeugt, dass er zusammen mit einer ausgezeichneten Ausbildung auch in Zukunft unser Erfolgsrezept darstellt und uns mit seiner Hilfe ein neuer Aufschwung gelingen kann.

Ich werde mich daher auch weiterhin dafür einsetzen, dass die so herausragende Schweizer Wasserbautradition zukünftig nicht nur in Geschichtsbüchern oder an den Hochschulen zu finden sein wird.

Anschrift des Verfassers Dr. Roger Bremen, Präsident des STK roger.bremen@lombardi.ch

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Nachrichten Informationen aus der Wasser- und Energiewirtschaft

P ol iti k Politi Ständeratskommission beginnt Diskussion des 1. Massnahmenpakets zur Energiestrategie 2050 Die Kommission für Umwelt, Raumplanung und Energie des Ständerates ist mit grosser Mehrheit auf die Vorlage zum ersten Massnahmenpaket der Energiestrategie 2050 eingetreten. Sie ist überzeugt vom Handlungsbedarf, hat aber noch viele offene Fragen, was die konkrete Ausgestaltung betrifft.

Die Kommission beschloss mit 11 zu 1 Stimmen, auf die Vorlage einzutreten (13.074).

Die Mehrheit stellt Handlungsbedarf fest und ist der Überzeugung, die Vorlage zur Energiewende sei nötig. So müsse in erster Linie nachhaltig Ersatz für die wegfallende Produktion der Kernkraftwerke geschaffen werden. Die Kommissionsmehrheit beurteilt die Vorlage als gute Grundlage für die kommende Detailberatung, hält aber fest, dass noch viele Fragen offen seien, die einer gründlichen Prüfung bedürften. Bei der Ausgestaltung der Vorlage müsse die Versorgungssicherheit an erster Stelle stehen, ist die Mehrheit der Meinung, und eine grössere Energieunabhängigkeit der Schweiz sei dringend gewünscht. Die Investitionen, die im Rahmen der Energiestrategie getätigt würden, kämen vor allem der Schweiz zugute, stellt die Kommissionsmehrheit fest. Sie begrüsst denn auch ausdrücklich die Unterstützung für die Schweizer Wasserkraft, wie sie vom Nationalrat in die Vorlage eingebracht wurde, äusserte aber auch ihre Bedenken, dass die Herausforderungen für eine rentable einheimische Stromproduktion mit dem starken Franken nochmals grösser wurden. Auch die wirtschaftlichen Auswirkungen, die mit der Umsetzung der Massnahmen des ersten Pakets der Energiestrategie 2050 entstünden, müssten genau betrachtet werden, hält die Mehrheit fest. Schliesslich will sie soweit möglich auch die Massnahmen der Vorlage mit der geplanten, vollständigen Öffnung des Strommarktes koordinieren.

Eine Minderheit ist der Auffassung, die Vorlage käme einem energiepolitischen

Blindflug gleich, die Bedingungen im zukünftigen Energiemarkt seien zum Zeitpunkt ungewisser denn je. Zudem müsste der Weg hin zum Lenkungssystem, das mit dem zweiten Massnahmenpaket geplant ist, genauer aufgezeigt werden, damit die Wirkung und Eignung der Massnahmen im vorliegenden Entwurf besser abgeschätzt werden könnten. Mit der massiven Förderung der erneuerbaren Energien, insbesondere der Photovoltaik, würde vor allem die Schweizer Wasserkraft geschädigt.

Die Kommission hat am 12. Februar 2015 unter dem Vorsitz von Ständerat Ivo Bischofberger (CVP) und teilweise in Anwesenheit von Bundesrätin Doris Leuthard in Bern zum ersten Mal getagt.

(UREK-S)

Grosser Rat des Kantons Bern verzichtet auf Erhöhung der Wasserzinsen Der Berner Grosse Rat hat am 21. Januar 2015 entschieden, auf eine Erhöhung der Wasserzinsen zu verzichten. Mit diesem freiwilligen Verzicht bewahrt er die wirtschaftlich angeschlagene Wasserkraft vor zusätzlichen Belastungen und unterstreicht gleichzeitig die grosse Bedeutung dieser erneuerbaren Produktionsart für die Stromversorgung unseres Landes.

Gestützt auf das eidgenössische Wasserrechtsgesetz können die Kantone per 1.1.2015 den maximalen Wasserzins von bisher 100 Franken pro Kilowatt Bruttoleistung um 10 Prozent auf 110 Franken erhöhen. Die gesetzliche Regelung mit dem Maximalzins hat noch bis 2019 Geltung.

Sie wurde allerdings zu einem Zeitpunkt beschlossen, als die schweizerischen Wasserkraftkraftwerke noch wirtschaftlich betrieben werden konnten.

Gegen den Willen der Regierung hat die Mehrheit des Parlaments im Kanton Bern nun ein Zeichen zugunsten der grossen Wasserkraftwerke gesetzt. Der Grosse Rat hiess eine Motion mit 99 Ja zu 46 Nein bei 5 Enthaltungen gut. Damit verzichtet der Kanton auf 10% zusätzliche Wasserzinseinnahmen entsprechend knapp 4.5 Mio. Franken pro Jahr.

(SDA/SWV)

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Ene E ne r g iiewi ewi r ts t s c haf t Strombranche für die Strommarktöffnung mit Anpassungen beim Bundesbeschluss Der Verband Schweizerischer Elektrizitätsunternehmen, VSE, spricht sich dafür aus, den Strommarkt vollständig zu öffnen. In seiner Stellungnahme zum Bundesbeschluss über die zweite Etappe der Strommarktöffnung fordert der Branchendachverband aber einige Anpassungen. Der VSE insistiert auf ausreichend Zeit für die Vorbereitungsarbeiten, den Verzicht auf die Preisregulierung im Wahlmodell der abgesicherten Stromversorgung (WAS-Modell) sowie die Fristenkongruenz zwischen Festpreisen und Verbleib im WAS-Modell. Ausserdem regt der VSE an, die vollständige Marktöffnung in einen Gesamtzusammenhang zu stellen und sie insbesondere zur Energiestrategie 2050 kompatibel auszugestalten.

Wie bereits beim Start der Vernehmlassung zur vollständigen Marktöffnung im Oktober 2014 bekennt sich der Verband Schweizerischer Elektrizitätsunternehmen, VSE, zum offenen Wettbewerb in der Stromversorgung. Er unterstützt deshalb auch mehrheitlich die Absicht des Bundesrates, den Strommarkt vollständig zu öffnen.

Branche fordert 24 Monate Zeit für die Umstellung In seiner Stellungnahme zum Bundesbeschluss über die volle Marktöffnung fordert der Branchendachverband einige wesentlichen Anpassungen, damit die vollständige Marktöffnung gelingen kann.

Mit Blick auf die Referendumsfrist, die bis Ende September 2016 läuft, insistiert der VSE darauf, dass der Branche eine Frist von mindestens 24 Monaten für die Umstellung einzuräumen ist – und zwar ab dem Zeitpunkt, in welchem regulatorische und politische Sicherheit besteht. Deshalb beantragt der VSE, die geänderten Artikel 7 und 13 im Strom VG frühestens auf 1. Januar 2018 in Kraft zu setzen, womit Kleinkunden erstmals per 1. Januar 2019 ihren 65

Nachrichten

Stromlieferanten wechseln können. Sollte das UVEK am Inkrafttreten per 1. Januar 2017 (erstmaliger Wechsel per 1. Januar 2018) festhalten, fordert der VSE eine sofortige verbindliche Anrechenbarkeit der Kosten, welche die notwendigen Vorarbeiten zur Umsetzung der vollständigen Marktöffnung verursachen.

Verzicht auf Preisregulierung im WASModell und Beachtung der Fristenkongruenz Ein weiterer Kritikpunkt des VSE am Bundesbeschluss ist das Festhalten des Bundesrats an der Preisregulierung im Wahlmodell der abgesicherten Stromversorgung (WAS-Modell). «Der Grundgedanke der vollen Marktöffnung besteht darin, im Bereich der Stromlieferung den Markt spielen zu lassen», sagt Michael Frank und fügt hinzu: «Also ist der Verzicht auf die Preisregulierung im Wahlmodell der abgesicherten Stromversorgung konsequent. Wir sind ohnehin davon überzeugt, dass sie unnötig ist, da die Kunden stets die Möglichkeit haben, in den freien Markt zu wechseln, falls sie die Preise als zu hoch erachten.» Denn in der Schweiz ist die Auswahl an Alternativen zum lokalen Versorger gross. Vergleichsportale werden in Zukunft Preisvergleiche einfach machen.

Damit erübrigt sich für den Gesetzgeber oder den Regulator die aufwendige Festlegung eines angemessenen Preises.

Bezug zur Energiestrategie 2050 Der VSE weist noch einmal darauf hin, dass die vollständige Marktöffnung und die Energiestrategie 2050 kompatibel zueinander gestaltet werden müssen. Nicht vereinbar sind etwa die Stromabnahmeund Vergütungspflicht für Netzbetreiber gemäss Energiegesetz (Art. 17 E-EnG) mit einem in Folge der vollständigen Marktöffnung ungesicherten Stromabsatz. Für einen funktionierenden Strommarkt sind zudem die Verzerrungen durch die Förderung von erneuerbaren Energien zu minimieren oder zumindest für alle Produktionsformen von erneuerbaren Energien gleich lange Spiesse zu schaffen.

(VSE)

Mehr Transparenz: ein Schritt Richtung europäischer Energiebinnenmarkt Auf Anfang des Jahres 2015 wurde die neue «ENTSO-E Transparency Plattform» ins Leben gerufen. Dadurch soll die Etablierung eines europäischen Energiebinnenmarktes vorangetrieben und der Verordnung über die Veröffentlichung von Daten im Elektrizitätsmarkt Rechnung getragen werden.

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Die Errichtung eines offenen und wettbewerbsfähigen Binnenmarktes für Gas und Elektrizität ist ein lang erklärtes Ziel der EU. Dafür ist der freie Zugang zu fundamentalen Daten und Informationen über den Handel, die Übertragung und den Konsum von Energie eine zentrale Voraussetzung.

Dieser Zugang soll nun durch die Plattform des ENTSO-E sichergestellt werden.

Die bereits seit drei Wochen verfügbare Plattform wird täglich mit ungefähr drei Millionen Datenwerten versorgt. Es bestehen jedoch noch Lücken für bestimmte Datenbereiche sowie für bestimmte Länder. Das ENTSO-E wird in den kommenden Wochen und Monaten versuchen, diese Lücken zu schliessen.

Transparenz auf dem Elektrizitätsmarkt führt aufgrund vollständigeren Informationen zu geringeren Transaktionskosten und zu geringeren Kosten bei der Versorgung von Konsumenten.

(Energienachrichten)

Swissgrid übernimmt weitere Teile des Übertragungsnetzes Mit dem Eintrag ins Handelsregister am 5. Januar 2015 hat Swissgrid weitere zum Übertragungsnetz zählende Anlagen, darunter auch die Übertragungsnetzgesellschaft der Stadt Zürich, übernommen.

Swissgrid hat von 17 Gesellschaften Übertragungsnetzanlagen übernommen, wobei die bisherigen Eigentümer mit 30% Swissgrid-Aktien im Wert von CHF 88.4 Mio. und 70% Darlehen im Wert von CHF 205.3 Mio entschädigt wurden. Hierfür wurden mit Wirkung per 5. Januar 2015 im Rahmen einer Kapitalerhöhung Aktien im Nominalwert von CHF 35.7 Mio. neu geschaffen. Auch bei diesen Netzübernahmen sind zwei Bewertungsanpassungen vorgesehen. Die erste findet voraussichtlich Ende 2015 statt und die zweite und letzte nachdem Wert und Umfang des gesamten Übertragungsnetzes rechtskräftig verfügt wurden.

Die ewz UTN AG, die Übertragungsnetzgesellschaft der Stadt Zürich, konnte nach der Einigung zwischen ElCom und der ewz in Bezug auf den Wert nun auch überführt werden. Bei den restlichen Transaktionen handelt es sich um Installationen, bei denen zum Zeitpunkt der bisherigen Netzübernahmen nicht geklärt war, ob sie zum Übertragungsnetz gehören. Mit diesen Netzübernahmen hat Swissgrid nun 30 Aktionäre, wovon die Axpo Gruppe auch aufgrund der per 5. Januar 2015 erfolgten Bewertungsanpassung mit 33.4% neu der grösste Aktionär ist. Die genaue Aktienver-

teilung steht auf der Swissgrid-Website zur Verfügung: www.swissgrid.ch.

Swissgrid hatte Anfang 2013 im Rahmen der Strommarktöffnung das 6700 km lange Schweizer Übertragungsnetz von den grossen Stromunternehmen übernommen. Aus verschiedenen juristischen Gründen konnte Swissgrid per 5. Januar 2015 noch nicht alle Teile des Übertragungsnetzes übernehmen, womit es voraussichtlich im Januar 2016 weitere, allerdings von Wert und Umfang her wesentlich kleinere, Überführungen geben wird (Swissgrid)

Was s e r kr af tnut zung Wasserkraftwerke am Hochrhein: Flexibilisierung der Betriebsweise Die gültigen Konzessionen verpflichten die Wasserkraftwerke am Hochrhein, sämtliches zufliessendes Wasser zu nutzen. In den letzten Jahren hat sich jedoch der europäische Strommarkt stark gewandelt: Der starke Zubau von erneuerbaren Energien – insbesondere Wind und Photovoltaik – mit unregelmässiger Stromeinspeisung ins Übertragungsnetz stellt hohe Anforderungen an die Netzregulierung. Stundenweise treten sogar negative Strompreise auf. Diese Entwicklungen konnten zu der Zeit, als die Konzessionen für die Wasserkraftwerke am Hochrhein erteilt oder erneuert wurden, nicht vorausgesehen und deshalb in den Konzessionsbestimmungen nicht berücksichtigt werden. Auf Ersuchen verschiedener Betreiber duldet das Bundesamt für Energie (BFE) nun eine eingeschränkte Flexibilisierung der Betriebsweise der betroffenen Kraftwerke.

Das BFE stellte nach Prüfung der Situation fest, dass die Bereitstellung negativer Tertiär-Regelenergie (vgl. Kasten) durch die betroffenen Kraftwerke dem sicheren und stabilen Netzbetrieb dient. Weiter ist die den Kraftwerkbetreibern in den geltenden Konzessionen auferlegte Pflicht zur Stromproduktion auch in Stunden mit negativen Strompreisen nicht mit einem wirtschaftlichen Betrieb der Kraftwerke vereinbar. Das BFE duldet deshalb bei den betroffenen Wasserkraftwerken Leistungsreduktionen für die Teilnahme am Regelenergiemarkt sowie in den Stunden mit negativen Spotpreisen. Diese Leistungsreduktion wird jedoch in Bezug auf die Energieverluste sehr beschränkt.

Die Duldung gilt bisher für die Kraftwerke Laufenburg, Rheinfelden und Wyhlen.

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Bild. Kraftwerk Laufenburg (Foto: Energiedienst).

Weitere Kraftwerke werden voraussichtlich eine ähnliche Erlaubnis erhalten.

Das nicht genutzte Wasser wird über die Wehrfelder abgeleitet, Wehrüberfall kann daher zu bisher unüblichen Zeiten vorkommen. Die Kraftwerke müssen kurzfristige Abflussschwankungen (Schwall- und Sunk-Erscheinungen) verhindern. Für die Schifffahrt ergeben sich ebenfalls keine Einschränkungen.

Systemdienstleistungen Als Systemdienstleistungen werden die für den sicheren Betrieb der Elektrizitätsübertragungsnetze notwendigen Hilfsdienste bezeichnet. Eine zentrale Systemdienstleistung ist die Bereitstellung von Regelreserve zur Sicherstellung der Netzfrequenz von 50 Hz. Das konstante Gleichgewicht zwischen Produktion und Verbrauch ist die Voraussetzung für ein stabiles Stromnetz und gewährleistet die sichere Versorgung. Dies bedeutet, dass Produktion und Verbrauch permanent aufeinander abgestimmt werden müssen. Wenn der Leistungsbedarf nicht dem Leistungsangebot (z.B. durch unerwartete Kraftwerksausfälle) entspricht, muss zur Gewährleistung der Soll-Frequenz (50 Hz) Regelenergie eingesetzt werden. Technisch wird dies durch einen dreistufigen Regelungsvorgang erreicht: Mit der Primär-Regelleistung wird bei Schwankungen der Frequenz das Gleichgewicht innerhalb von Sekunden hergestellt. Die Aktivierung erfolgt automatisch direkt in den Kraftwerken.

Nach wenigen Sekunden wird automatisch Sekundär-Regelleistung bei bestimmten Kraftwerken abgerufen.

Diese Kraftwerke müssen in Betrieb stehen, dürfen aber nicht ihre maximale oder minimale Leistung erzeugen, um

(BFE)

Wasserkraftwerkprojekt im Lauterbrunnental EWL und BKW haben als gleichberechtigte Partner ein Konsortium gegründet.

Dessen Zweck ist es, das Bauprojekt für ein Wasserkraftwerk am Sousbach bei Lauterbrunnen gemeinsam voranzutreiben.

Das von der EWL Genossenschaft Lauterbrunnen und der BKW gegründete Konsortium wird das Kraftwerksprojekt gemeinsam vorantreiben. In einem ersten Schritt haben beide Partner das von der BKW im Jahr 2010 beim Kanton eingereichte Konzessionsgesuch präzisiert.

In diesem Rahmen werden in den nächsten Monaten auch Gespräche mit Anwohnern, den kommunalen und kantonalen Behörden sowie anderen Anspruchsgruppen aufgenommen.

EWL und BKW planen, das Projekt in den kommenden Monaten soweit vorzubereiten, dass die kantonale Leitbehörde das Bewilligungsverfahren starten kann. Vor dem Investitionsentscheid soll, basierend auf dem Konsortium, die Kraftwerk Sousbach AG gegründet werden. Diese Gesellschaft wird durch EWL und BKW als gleichberechtigte Partner getragen.

Das Projekt sieht die Nutzung des Sousbach für die Stromproduktion vor. Das geplante Wasserkraftwerk weist eine installierte Leistung von gut 9 Megawatt auf und wird jährlich rund 25 Gigawattstunden erneuerbaren Strom produzieren. Dies entspricht dem jährlichen Bedarf von rund 5500 Haushalten. Der Strom wird ins Netz der EWL eingespeist.

Ursprünglich haben zwei Parteien am Sousbach jeweils ein Wasserkraftwerksprojekt geplant und beim Kanton um

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eine Konzession ersucht. Der Grosse Rat des Kantons Bern hat im März 2012 beschlossen, das von der BKW eingereichte Konzessionsgesuch für die Nutzung des Sousbachs für die Weiterbearbeitung zu berücksichtigen.

(BKW)

SBB erhöht Bahnstromproduktion mit Kraftwerk Wassen Die SBB übernimmt von der Centralschweizerischen Kraftwerke AG (CKW) am 1. Januar 2015 40 Prozent der Aktien der Kraftwerk Wassen AG. Mit der im Jahr 1987 vertraglich vereinbarten Aktienübernahme wird das Wasserkraftwerk in eine 90-prozentige Tochtergesellschaft der SBB überführt. 10 Prozent des Aktienkapitals verbleiben beim Kanton Uri. Ab 2015 wird die SBB Mehrheitsaktionärin eines zweiten Kraftwerks in der Reusskaskade. Die SBB übernimmt gemäss Vertrag aus dem Jahr 1987 am 1. Januar einen Aktienanteil von 40 Prozent, der heute im Besitz der aktuellen Betreiberin CKW ist.

Damit hält die SBB ab 2015 90 Prozent der Aktien der Kraftwerk Wassen AG. Die Mitarbeitenden und die Betriebsführung werden von der SBB übernommen. Der Kanton Uri behält seinen bisherigen Anteil von 10 Prozent. Die SBB ist bereits Mehrheitsaktionärin der Kraftwerk Amsteg AG. An der Kraftwerk Göschenen AG, der dritten Kraftwerksgesellschaft in der Reusskaskade, ist sie mit 40% beteiligt.

Bild. Die Zentrale des Kraftwerks Wassen beim Pfaffensprung (Foto: zvg).

SBB: Mehr Bahnstrom aus Wasserkraft Die Übernahme erlaubt der SBB, die Bahnstromproduktion in der Reusskaskade zu erhöhen. Die gesamte Bahnstromproduktion der SBB aus den drei Werken der Reusskaskade (Göschenen, Wassen, Amsteg) macht künftig knapp 50 Prozent der SBB-eigenen Jahresproduktion aus.

Das Kraftwerk Wassen produziert jährlich durchschnittlich 282 Gigawattstunden, was dem Verbrauch von etwa 65 000 Vierpersonenhaushalten entspricht. Mit 67

Nachrichten

diese im Bedarfsfall jederzeit erhöhen oder reduzieren zu können.

Tertiär-Regelleistung ist notwendig, um grössere, länger andauernde Regelabweichungen, insbesondere nach Kraftwerksausfällen oder unvorhergesehenen lang anhaltenden Laständerungen, auszugleichen.

Regelleistung kann in Positiv- (Erhöhung der Kraftwerksleistung) als auch in Negativrichtung (Absenkung der Kraftwerksleistung) angeboten und abgerufen werden.

Die Systemdienstleistungen werden in der Schweiz vom Netzbetreiber am Markt beschafft.

Nachrichten

dem zusätzlichen Bahnstrom aus dem Kraftwerk Wassen steigt der Stromanteil aus Wasserkraft (Eigen- und Fremdproduktion) bei der SBB ab 2015 um 4 auf 86 Prozent. Dies ist ein weiterer Schritt für die SBB, um ab 2025 mit Bahnstrom aus 100 Prozent erneuerbarer Energie unterwegs zu sein.

CKW: Wasserstrom aus anderen Kraftwerken 96 Prozent der Haushaltskunden von CKW erhalten ihren Strom auch weiterhin aus Wasserkraftwerken. Den wegfallenden Strombezug kompensiert CKW über andere Kraftwerke. Weiterhin Betriebsführerin bleibt CKW zum Beispiel im Partnerwerk Göschenen, das im Besitze von CKW, SBB und dem Kanton Uri ist. Rund 85 Prozent der Wertschöpfung des Kraftwerks Wassen werden auch weiterhin im Kanton Uri bleiben.

Bild 1. Erhöhter und verstärkter Hochwasserdamm am Hagneckkanal (Foto: zvg).

Daten und Fakten des Wasserkraftwerks Wassen (Geschäftsjahr 2012/13) Stromproduktion

282 Gigawattstunden Ø

Leistung Mitarbeitende

54 MW 8.5 Vollzeitstellen

Sachinvestitionen

0.93 Mio. CHF

Abgaben an die öffentliche Hand (Wasserzinsen und Abgaben)

4.1. Mio. CHF

Steuern

1.1 Mio. CHF

Wertschöpfung im Kanton Uri 2.1 Rp./kWh (=85%)

Weitere Informationen unter www.kw-wassen.ch.

(SBB/CKW)

Was s e r bau/ H o c hwas s e r s c hut z Sanierung des Hagneckkanals vor dem Abschluss Die Sanierung des Hagneckkanals ist auf der Zielgeraden angelangt. Dank der Verstärkung der Dämme bietet das Bauwerk bereits seit Ende 2013 ausreichend Schutz vor Hochwasser. In diesem Jahr wurden die Überlastsicherung vollendet und der Seitenarm im Epsenmoos geöffnet. Eingeweiht wird das fertige Bauwerk am 22. August 2015 mit einem «Tag des offenen Bauwerks».

Seit 2011 laufen die Bauarbeiten am Hagneckkanal. Die Massnahmen haben zum Ziel, das mehr als 130 Jahre alte Bauwerk wieder hochwassersicher zu machen.

Ende 2013 wurde die Verstärkung der Kanaldämme abgeschlossen. Seither bietet das Bauwerk wieder ausreichend Schutz vor Hochwasser.

Im laufenden Jahr wurden die letzten Rück68

Bild 2. Einbau der erodierbaren Dammkrone als Überlastsicherung (Foto: zvg). bau- und Gestaltungsarbeiten im Hagneckeinschnitt abgeschlossen. Im Weidmoos wurde die Überlastsicherung fertig erstellt. Bei einem extremen Hochwasser (grösser als jedes bisherige Hochwasser) wird hier der oberste Teil der Dammkrone weggeschwemmt, damit das Wasser kontrolliert abfliessen kann und der Kanal entlastet wird.

Weiter haben die Bauleute die Wege am Fuss der neuen Dämme erstellt. Mit Erde aus dem Aushub und Sand aus den Vorländern des Kanals wurde der landwirtschaftlich genutzte Boden seitlich der Dämme aufgewertet. Diese Arbeiten sind zu 95 Prozent abgeschlossen. Ein Höhepunkt war die Öffnung des neuen Seitenarms des Kanals im Epsenmoos, dem ökologischen Kernbereich des Projekts. Nach mehr als einem halben Jahr Aushub der Mündungsbereiche und Gestaltung der

Ufer fliesst nun das Kanalwasser seit einigen Wochen durch das 25 Meter breite und 500 Meter lange Gewässer.

Im kommenden Jahr werden die Bauarbeiten grösstenteils abgeschlossen. Insbesondere werden die Bauleute die letzten Meter Dammerhöhungen vollenden, die ökologische Aufwertungsfläche im Epsenmoos fertig gestalten sowie verschiedene Abschluss- und Instandstellungsarbeiten ausführen. Die Instandstellung von Wegen und Strassen kann temporäre Sperrungen zur Folge haben. Am Samstag, dem 22.

August 2015 wird das fertige Bauwerk mit einem für alle zugänglichen «Tag des offenen Bauwerks» eingeweiht.

(AWA Kanton Bern)

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Rückbau alter Wasserfassungen unter erschwerten Bedingungen Oder: Wie der Moosbach wieder zu einem natürlichen Bett gekommen ist.

Der Moosbach an der Engstlenalp (Berner Oberland) fliesst seit Kurzem wieder in einem natürlichen Bachbett talwärts.

Mit einem aufwendigen Verfahren wurden mehrere alte Wasserfassungen zurückgebaut. Die Bauarbeiten waren besonders anspruchsvoll, weil sie sich in einem hoch gelegenen Naturschutzgebiet abspielten.

Text + Bilder: Kraftwerke Oberhasli AG Bauliche Massnahmen in abschüssigem Bergwald sind kein Zuckerschlecken. Das gilt erst recht, wenn die Arbeiten in einem Naturschutzgebiet ausgeführt werden müssen. Dann ist nicht bloss Maschinenkraft gefragt, sondern es braucht auch viel Augenmass und Fingerspitzengefühl. «Der Rückbau am Moosbach war deshalb für die beteiligten Arbeitskräfte ein aussergewöhnliches Vorhaben», stellt Matthias Stähli fest. Der Bauzeichner ist bei den Kraftwerken Oberhasli AG (KWO) tätig und hat den Rückbau auf der Engstlenalp geplant und begleitet. Ökologische Aufwertung Das Projekt ist Teil eines umfassenden Pakets von Massnahmen, mit denen die Gewässer im Grimsel- und Sustengebiet ökologisch aufgewertet werden. Die Region gilt als Wasserschloss der Schweiz.

Aus Regen- und Schmelzwasser eines 440 km2 grossen Einzugsgebiets produzieren die KWO hier Strom für rund 1.2 Millionen Haushalte. Zu diesem Zweck wird das Wasser von zahlreichen Bergbächen in mehreren Stauseen gesammelt und mittels Druckrohren auf Turbinen geleitet.

Einer dieser Bäche ist der Moosbach. Er entspringt auf der Engstlenalp, unweit des idyllischen Engstlensees. Hier fliesst er anfänglich über Alpweiden, danach hauptsächlich durch Bergwald. Nach rund zwei Kilometern mündet er ins Gentalwasser.

Etwa in der Hälfte seines Laufs wurde in den 1960er-Jahren eine Wasserfassung gebaut. In einer grossen Betonwanne mitten im Wald ist seither ein grosser Teil des Wassers aufgefangen, in einen Stollen geleitet und zu einem in der Nähe liegenden Ausgleichsbecken geführt worden. Von dort ist es mit dem Wasser weiterer Bergbäche durch eine Druckleitung zum Kraftwerk Fuhren im Gadmental geflossen.

Nachrichten

G ewäs s e r/ Revital i s ie rung Revitalisierung

Bild 1. Die Wasserfassung am Moosbach im Herbst 2012.

Bild 2. Der Moosbach im November 2013, nach dem Abbruch der Wasserfassung.

Neben dem Moosbach wurden auch vier Quellen im umliegenden Wald mit Wasserfassungen genutzt.

Grosse logistische Herausforderung Als Ausgleichsmassnahme in Zusammenhang mit anderen Bauvorhaben haben die KWO beschlossen, die Wasserfassungen im Moosbach-Gebiet zurückzubauen und den Moosbach künftig nicht mehr für die Stromproduktion zu nutzen. Das Projekt bedeutete laut Matthias Stähli eine beachtliche logistische Herausforderung: «Der Standort liegt in steilem Bergwald und ist schlecht zugänglich, weil er nicht mit einer Strasse erschlossen ist.»

Weil der Moosbach zudem mitten im Naturschutzgebiet Engstlensee-JungibächeAchtelsass fliesst, kam ein konventionel-

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les Vorgehen mit Helikopterunterstützung nicht in Frage. Lediglich einige wenige, absolut unumgängliche Heliflüge konnten ausgeführt werden. Zum Schutz der Wildtiere standen dafür nur begrenzte saisonale Zeitfenster sowie klar definierte Flugrouten zur Verfügung.

Als Glücksfall erwies sich eine Materialseilbahn, die 2012 für Forstarbeiten in der Nähe installiert worden war. Die Anlage konnte umgerüstet werden und liess sich für den Abtransport eines grossen Teils des Abbruchmaterials verwenden. «Das hat die Abläufe deutlich erleichtert», erklärt Matthias Stähli.

Schreitbagger mit Hydraulikhammer Die Rückbauarbeiten führten die KWO selber aus. Die Unternehmung verfügt über 69

Nachrichten Bild 3. Abbrucharbeiten an einer der Quellfassungen Anfang November 2013.

Bild 5. Eine der Quellfassungen im Moosbach-Gebiet im September 2013.

Bild 4. Abbrucharbeiten an der Wasserfassung des Moosbachs im September 2013.

Bild 6. Der gleiche Standort im Juli 2013, nach dem Abbruch der Quellfassung.

eine eigene Bauequipe. Zusätzlich wurde von einer lokalen Bauunternehmung ein Schreitbagger zugemietet und ein spezialisierter Maschinenführer beigezogen. Das ausgesprochen geländegängige Fahrzeug war optimal geeignet für den Einsatz im unwegsamen Gelände. Mit Hilfe seines Hydraulikhammers konnten sowohl die Moosbach-Fassung als auch drei der vier umliegenden Quellfassungen zerlegt werden.

Eine der Quellfassungen lag in dermassen steilem Gelände, dass selbst der Schreitbagger nicht mehr eingesetzt werden konnte. Hier blieb nichts anderes übrig, als den Rückbau manuell mit dem Kompressorabbauhammer vorzunehmen. Ebenfalls von Hand mussten die Bruchstücke danach in eine Mulde geschleppt werden.

Wenn diese voll war, wurde sie jeweils mit dem Helikopter abtransportiert.

Das Verbindungsrohr von den Quellfassungen zum Moosbach bleibt im Boden.

Ein Rückbau hätte einen unverhältnismässigen Eingriff in den Waldboden bedeutet.

Die Betonröhre wurde jedoch versiegelt.

Damit ist sichergestellt, dass nicht etwa 70

eine unerwünschte Drainagewirkung eintreten kann.

Aufwendiger Abtransport der Bruchstücke Besonders aufwendig gestaltete sich der Abtransport des Abbruchmaterials. Beim Rückbau fielen 95 m3 Betonteile sowie 25 m3 Material aus der Natursteinschale an.

Die Trümmer mussten zuerst mit Raupendumpern über eine temporäre Baupiste zur Talstation der Materialseilbahn gefahren werden. Von dort gelangten sie mit der Bahn hinauf Richtung Engstlensee, wo sie auf Lastwagen umgeladen wurden. Der Abtransport zur Inertstoffdeponie erfolgte schliesslich über eine Schotterstrasse zur Engstlenalp und danach auf der Privatstrasse nach Innertkirchen hinunter.

Nach dem Rückbau der alten Wasserfassungen richtete die Bauequipe das Terrain möglichst naturnah wieder her. Zu diesem Zweck verlegte sie im Gerinne des Moosbachs einen Steinteppich und stabilisierte besonders exponiertes Terrain mit Holzschwellen, die anschliessend mit Erde überdeckt wurden.

Idyllischer Tümpel Die Rückbau- und Wiederherstellungsarbeiten wurden hauptsächlich im Sommer und Herbst 2013 ausgeführt. Der Gesamtaufwand belief sich auf 290 000 Franken.

Die Arbeiten spielten sich teilweise unter ausgesprochen widrigen Bedingungen ab.

So war die Bauequipe im September mit intensiven Niederschlägen (bis zu 40 mm innert 12 Stunden) konfrontiert. Während der Arbeiten entwurzelte zudem ein Sturmwind drei grosse Tannen in der unmittelbaren Umgebung.

Im Sommer 2014 erfolgten abschliessende Fertigstellungsarbeiten. Zu dieser Zeit zeigten sich die ehemaligen Baustellen bereits in üppig grünem Kleid. «Die Natur hat den Moosbach und seine Nebenquellen wieder zurückerobert», freut sich Matthias Stähli. Besonders angetan hat es dem Bauleiter ein Tümpel, der im Bereich einer der früheren Quellfassungen entstanden ist. Das Wasser bildet dort einen kleinen Wasserfall, der in ein reizvolles Felsbecken mündet.

(Kraftwerke Oberhasli AG)

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Forschungsfonds des Schweizerischen Talsperrenkomitee STK Das Schweizerische Talsperrenkomitee, STK, erinnert die Hochschulen daran, dass es über einen Fonds verfügt, der es erlaubt, die Forschung im Bereich der Talsperren zu fördern. Insbesondere bezweckt dieser Fonds, Forschern beim Verfassen einer Doktorarbeit – im Ausnahmefall auch einer Masterarbeit – im Bereich der Talsperrentechnik mit Bezug und Bedeutung für das Schweizerische Talsperrenwesen eine finanzielle Unterstützung zu gewähren. Die Nutzniesser der finanziellen Unterstützung sind Ingenieurinnen und Inginieure mit einem ETH/EPF-Master oder einem gleichwertigen Abschluss, oder Akademiker mit einem Master-Abschluss einer gebietsnahen Fakultät (z. B. Geologie, Hydrologie usw.).

Anträge (formlos) sind mit dem Vermerk «Forschungsfonds/Fonds de recherche» zu richten an: swissdams@stucky.ch. Die Fristen für die Einreichung der Bewerbungen laufen jeweils am 31.03. und 30.09. ab.

Das Fonds-Reglement kann unter derselben E-Mail-Adresse bestellt werden.

(Andreas Siegfried, Präsident Forschungsfonds)

Bild. Staumauer Serra (Foto: STK-Talsperrenkalender 2014).

Fonds de recherche du Comité Suisse des Barrages CSB Le Comité suisse des barrages rappelle aux écoles supérieures qu’il dispose d’un fonds permettant de promouvoir la recherche dans le domaine des barrages. Ce fonds a notamment pour but d’accorder une aide financière aux chercheurs effectuant une thèse de docto-rat – exceptionnellement un travail de master – dans le domaine de la technique des barrages

ayant un rapport et une importance pour les barrages en Suisse. Les bénéficiaires de l’aide financière doivent être ingénieurs titulaires d’un master EPF ou d’un diplôme jugé équivalent, ou universitaires titulaires d'un master d’une faculté apparentée (par exemple: géologie, hydrologie, etc.).

Les demandes (sous forme libre) doivent être adressées avec la mention «fonds de recherche» à: swissdams@stucky.ch. Les délais pour la remise des candidatures échoient le 31.03. et le 30.09. de chaque année. Le règlement du fonds peut être commandé à la même adresse.

(Andreas Siegfried, président du fonds de recherche)

ATEA: 100 anni di gestione sostenibile delle nostre acque Autore: Laurent Filippini* Il 2015 è l’anno del centenario di fondazione di ATEA, l’Associazione Ticinese di Economia delle Acque. I festeggiamenti avranno luogo il 21 maggio prossimo in zona foce del Cassarate a Lugano, in occasione dell’Assemblea generale dei soci.

STORIA E SCOPI Fin dall’anno della sua indipendenza, il 1803, il Canton Ticino si è dovuto confrontare con tematiche e argomenti relativi all’acqua; dapprima per necessità e sussistenza, quale risorsa primaria e fonte di energia. In seguito, per la tutela del suolo e dell’ambiente, nonché per la sicurezza e il benessere dei cittadini.

La morfologia alpina del nostro territorio caratterizza e conferisce valore al nostro paesaggio, ma ci espone a eventi atmosferici e a pericoli naturali. L’acqua, elemento indispensabile per la vita, è stata e rimane di fondamentale importanza per lo sviluppo delle attività economiche e industriali del nostro Cantone; essa è anche ciclicamente associata a piene, alluvioni e ad altri eventi naturali con i quali il nostro Cantone si è confrontato in passato. È in questo contesto che, il 27 novembre del 1915, a Bellinzona vengono gettate le basi per la costituzione di un’associazione regionale, con suggerimenti e studi, per affiancare i poteri dello Stato e assumere un compito tanto importante quanto complesso qual è quello dell’economia delle acque.

L’ATEA promuove l’informazione e il dialogo a favore di tutte le cerchie attive in Ticino nell’ambito dell’economia e della gestione delle acque. Essa costituisce

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un gruppo autonomo dell’Associazione Svizzera di Economia delle Acque, ASEA, in cui è rappresentata nel comitato direttivo. Raggruppa soci individuali e collettivi, comuni, consorzi, enti di diritti pubblico cantonali e federali, associazioni, studi d’ingegneria e aziende di produzione e distribuzione di energia elettrica.

I temi di riferimento sono la protezione, lo smaltimento e la depurazione delle acque; la loro utilizzazione a scopo energetico, potabile e industriale; la sistemazione dei corsi d’acqua per la prevenzione dei pericoli naturali e la valorizzazione ambientale.

Al passo con i tempi e con le esigenze del momento, ATEA annovera fra i suoi temifaro le correzioni idrauliche e le bonifiche, con i grandi progetti di vie di navigazione interna nella prima metà del 20° secolo.

Negli anni ‘50 e ’60 vengono realizzati i principali impianti idroelettrici nelle valli alpine; strutture che saranno oggetto di grande attenzione.

Dalla fine degli anni ’80, la sensibilità per la sicurezza, la qualità e la tutela dell’ambiente e del territorio cresce ulteriormente. Attualmente l’interesse della popolazione e della politica in materia di prevenzione dei pericoli naturali e per la valorizzazione dell’ambiente con misure di sistemazione di corsi d’acqua e rive lacustri è particolarmente marcata.

Tramite conferenze, visite e altre occasioni d’incontro e di dialogo tra gli addetti ai lavori, l’ATEA fornisce tuttora il proprio contributo a favore di una gestione razionale e rispettosa delle acque in Ticino, nel rispetto dei principi dello sviluppo sostenibile.

Le Attività di ATEA Nel corso dell’anno, l’ATEA propone attività e manifestazioni in Ticino e nelle regioni limitrofe, allo scopo di sostenere la collaborazione tra gli addetti ai lavori. Oltre all’assemblea generale, che si svolge di regola entro la fine del mese di maggio, il programma annuale contempla due eventi tematici, conferenze o visite in seno a progetti di interesse e attualità. Inoltre, l’associazione informa i propri soci su attività, conoscenze e servizi offerti sul piano nazionale dall’ASEA e da altre associazioni di categoria nei rispettivi settori di competenza. In passato l’ATEA ha finanziato studi di base e premiato lavori di dottorato in relazione alla gestione delle acque in Ticino. In questo contesto, dal 2012 è stato istituito il premio ATEA destinato a sostenere studi e progetti meritevoli nell’ambito della gestione sostenibile delle acque nel nostro Cantone.

In ottobre 2012, si è svolta l’escursione 71

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M it tei lunge n d e r Ve rbände der r bänd e

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Festa per il Giubileo dei 100 Anni In occasione del giubileo dei 100 anni, il 21 maggio 2015, a partire dal pomeriggio si svolgeranno a Lugano, zona foce del Cassarate, i festeggiamenti dell’ATEA. Il programma prevede l’Assemblea dei soci e una seconda parte aperta al pubblico, con interventi ufficiali, divertimenti e giochi.

Alla giornata parteciperanno anche alcune classi delle scuole elementari e diversi artisti di fama locale. In seguito, in serata, allo Studio Foce avrà luogo la parte riservata ai soci.

di due giorni a Linthal, Rapperswil e Thurauen, con visita al cantiere AXPO Linthal 2015 (foto 1), alla Scuola universitaria professionale di Rapperswil (foto 2) e al progetto di rivitalizzazione della Thur a Flaach (foto 3).

Foto 1. Escursione al cantiere AXPO Linthal 2015.

Foto 2. Visita al Laboratorio di sperimentazione idraulica della SUP di Rapperswil.

Foto 3. Escursione sulla Thur a Flaach.

Ad aprile 2014, a Cavigliano, la conferenza sullo svaso del bacino di Palagnedra svoltosi nella primavera 2013 è stata seguita da un largo pubblico (foto 4).

Foto 4. Spurgo del bacino di Palagnedra A novembre 2014, la visita di cantiere per la sistemazione e la rivitalizzazione del torrente Roncaglia a Novazzano si è svolta sotto la pioggia (foto 5).

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Foto 5. Visita al cantiere per la sistemazione e la rivitalizzazione del torrente Roncaglia.

Comitato, presidenti e segretari dell’ATEA Comitato in carica 2012–2016 Laurent Filippini (Amministrazione cantonale, DT) Presidente Carmelo Rossini (Studio Mauri e Associati) Vice-presidente Giovanni Ferretti (AIL SA) Membro del consiglio direttivo Paola Spagnolatti (Amministrazione cantonale, DT), Segretaria Andrea Baumer (OFIMA), Membro Sandro Pitozzi (Amministrazione cantonale, DFE), Membro Luca Pohl (Consorzio depurazione acque Verbano), Membro Roger Pfammatter (ASEA), Membro Fabrizio Bazzuri (Consorzio manutenzione arginature Pian Scairolo), Membro Michele Tadè (AGE SA), Membro I presidenti e i segretari dell’ATEA Presidenti: 1915–1918 ing. Giovanni Rusca 1919–1922 avv. Evaristo Garbani-Nerini 1923–1929 ing. Carlo Bonzanigo 1930–1943 ing. Giovanni Casella 1944–1964 ing. Luigi Rusca 1964–1965 arch. Raoul Casella 1966–1972 ing. Fabio Nizzola 1973–1984 dott. ing. Alessandro Rima 1984–2004 ing. Aldo Conca Dal 2004 ing. Laurent Filippini Segretari: Prof. Giovanni Anastasi Prof. Mario Jäggli Ing. Aldo Canova Prof. Roberto Geissler Ing. Giangiacomo Righetti Ing. Andrea Baumer Sig.ra Paola Spagnolatti *) Autore: Laurent Filippini, ing. Dipl. ETH, Presidente dell’ATEA

Rüc kbl ic k Ve r anstaltunge n Rückblick auf den 9. Schweizerischen Stromkongress: Skepsis an deutscher Energiewende Viele kritische Voten zur deutschen Energiewende standen dieses Jahr im Zentrum des Stromkongresses der Schweizer Elektrizitätsbranche. Und: Elektrizität aus Wasserkraft soll die gleiche Unterstützung erfahren wie andere erneuerbare Produktionstechnologien.

Kurt Rohrbach warnte als Präsident des Verbandes der Schweizerischen Elektrizitätswerke (VSE) in seinem Referat: «Mit Planwirtschaft löse man keine Probleme.

Planbar seien nur Massnahmen, aber nicht Resultate. Auch prognostizierte Resultate könnten sich sehr schnell ändern. Das Beispiel Deutschland zeige, dass es sich seine Energiewende weg von der Kernkraft nur dank der Kohlkraftwerke leisten könne – mit dadurch steigenden CO2-Emissionen.

Ein gleichzeitiger Ausstieg aus Kohle und Kernkraft sei aus Sicht des deutschen Bundeswirtschaftsministers Sigmar Gabriel nicht zu stemmen.»

Es wird kein Stromabkommen geben, zu-

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ob es hier um ein volkswirtschaftliches Problem (Marktversagen) oder doch eher um ein betriebswirtschaftliches Problem (mangelnde Rendite) gehe. Für Letzteres brauche es kein neues Strommarktdesign.

Der Energy-only-Markt sei heute wie künftig die effizienteste Lösung.

(Schweiz. Energierat)

Rückblick auf die Tagung: Fischwanderung in genutzten Gewässern – Herausforderungen und Lösungen Von Christine Weber, Ruedi Bösiger, Armin Peter, Stefan Vollenweider Nicht nur der Lachs und der Aal sind Wanderfische. Alle Fischarten in unseren Gewässern unternehmen im Laufe ihres Lebens kleinere oder grössere Wanderungen. Wehre und Dämme, aber auch Sohlschwellen und Verrohrungen machen diese Wanderungen oft unmöglich.

Die internationale Fachtagung in Biel, CH, vom November 2014 zeigte, dass zahlreiche Lösungsansätze zur Wiederherstellung der Durchgängigkeit verfügbar sind und dass ein grosser Bedarf an transdisziplinärem Erfahrungsaustausch besteht.

Flüsse und Bäche gehören zu den am stärksten genutzten Ökosystemen weltweit. Die jahrhundertelange Nutzung hat ihre Spuren hinterlassen, in Form von Begradigung, Ausleitung, Verschmutzung, Verrohrung und Fragmentierung. Letztere lässt sich in Zahlen fassen, z.B. für die Schweiz: Hier zerstückeln über 101 000 künstliche Abstürze von mehr als 50 cm Höhe das Fliessgewässernetz. Dies entspricht gut 1.6 Abstürzen pro Kilometer Fliessgewässer (Zeh Weissmann et al., 2009).

Die Gesetzgebung verschiedener Länder

verlangt die Wiederherstellung der freien Fischwanderung. Beispielsweise soll in der Schweiz die Durchgängigkeit für Fische an Kraftwerksanlagen bis ins Jahr 2030 sichergestellt werden, und zwar flussauf- wie abwärts.

Eine dreitägige, internationale Fachtagung bot Ende Oktober 2014 in Biel, CH, die Gelegenheit für einen Informations- und Erfahrungsaustausch zwischen Wissenschaft, Verwaltung, Wasserkraftbranche, Privatwirtschaft und NGOs. Nachfolgend fassen wir wichtige Informationen zusammen. Weiterführende Angaben finden sich in Box 1.

Box 1 Organisiert wurde die Fachtagung von der Wasser-Agenda 21, dem Akteurnetzwerk der Schweizer Wasserwirtschaft. Im Netzwerk sind Bundesämter, kantonale Behördenorganisationen, wissenschaftliche Institutionen sowie Fach-, Branchen- und Interessenverbände zusammengeschlossen. Für das Tagungsprogramm zeichneten sich die Autoren dieses Artikels verantwortlich.

Tagungsband, Vorträge und Kurzzusammenfassungen finden sich auf der Website der Wasser-Agenda 21 unter: www.wa21.ch/Biel-Bienne2014.

Die Vorträge sind als Podcast in drei Sprachen (dt/fr/en) unter folgendem Link zugänglich: https://www.youtube.com/user/WasserAgenda21; Zur Thematik «Fischabstieg an grossen Kraftwerksanlagen» existiert eine Video zum vorgestellten Projekt von VAW und Eawag unter: https://www.youtube.com/channel/UC4VvIqIG9gwMQAH2M3a9m8A.

Bild 1. Aufwandernde Seeforelle an der Areuse, Kanton Neuenburg, CH (Foto: A. Peter).

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Nachrichten

mindest mittelfristig. Bundesrätin Doris Leuthard bestätigte bei ihrem Auftritt, dass die Verhandlungen aus politischen Gründen blockiert sind. Die Schweiz wird im liberalisierten europäischen Strombinnenmarkt zukünftig als Drittstaat behandelt.

Die Bundesrätin bestätigte ebenfalls, dass die jährlichen Kosten der Kostendeckenden Einspeisevergütung nun 640 Millionen betragen, dies sei gemessen am Schweizer BIP verkraftbar.

Alpiq-CEO Jasmin Staiblin stellte die Wasserkraft ins Zentrum ihres Referates. Es sei unverständlich, warum Wasser nicht die gleiche Unterstützung erfahre wie Sonne oder Wind, es sei schliesslich genauso grün. Ausserdem fielen 40 Prozent des Preises für Wasserstrom für Zinsen und Abgaben an. Dies sei nicht mehr zeitgemäss. Ausgerechnet in Deutschland erlebe die Braunkohle als Stromlieferant eine Renaissance, mit einem Verbrauch, der das Niveau von 1990 erreicht hat. Die Klimaziele werden so, trotz massivem Zubau bei Sonne und Wind, verpasst.

Carlo Schmid, der Präsident der Eidgenössischen Elektrizitätskommission (Elcom), äusserte sich kritisch zum bundesrätlichen Fahrplan für die zweite Etappe der Strommarktliberalisierung, dieser sei zu sportlich und regulatorisch problematisch. Weiter sieht die Elcom den Ausschluss vom europäischen Stromhandelssystem, dem Market-Coupling, als erste von nun mehreren absehbaren Benachteiligungen von Seiten der EU. Er stellte denn auch die Frage in den Raum, ob es zukünftig nicht sinnvoller sei, beim Netzausbau die inländischen Bedürfnisse den Anforderungen des Stromtransits vorzuziehen. Insbesondere, da die anfallenden Netzkosten durch die EU-Länder nur ungenügend abgegolten werden.

In Deutschland seien seit Fukushima die Schlagworte «Markt» und «Wettbewerb» durch «Regulierung» abgelöst worden, stellte Andreas Mundt, der Präsident des deutschen Bundeskartellamtes, fest. Das deutsche Modell stuft er als wettbewerbsfeindliches «Produce-and-forget-Modell» ein. Dass es von anderen Ländern nicht kopiert werde, sei denn auch nicht weiter verwunderlich. Dem angestrebten Energiebinnenmarkt komme man so nicht näher, im Gegenteil, man entferne sich wieder von der angestrebten Marktintegration: Die Stunden der Preisgleichheit zwischen Deutschland und seinen Nachbarn nehmen wieder ab. Auch die Korrektur des Eneuerbare-Energien-Gesetzes kann den Mangel an Harmonisierung mit Europa nicht beheben. Zur Frage der Kapazitätsmärkte stellte Mundt die Frage,

Nachrichten

Herausforderungen für wandernde Fische Wanderfische wurden in der Vergangenheit gleichgesetzt mit bekannten Langdistanzwanderern wie Lachs, Aal oder Stör.

Diese legen auf ihrem Weg zu geeigneten Laichplätzen bis zu mehrere tausend Kilometer zurück, oft in grossen, auffälligen Schwärmen. Den Langdistanzwanderern galt lange die Hauptaufmerksamkeit in Management und Forschung. Wie Armin Peter von der Eawag, CH, ausführte, haben jüngere Studien nun aber zwei Dinge eindrücklich gezeigt: • Die meisten Fischarten wandern. Beispielsweise legen auch Kleinfische wie die Groppe Distanzen von mehreren Hundert Metern zurück. Zudem setzen sich Fischpopulationen häufig aus wandernden und residenten Individuen zusammen. Diese unterscheiden sich z.B. aufgrund ihrer Körpergrösse.

• Wanderungen finden längst nicht nur zur Laichzeit statt (Bild 1), sondern u.a. auch zur Suche von Nahrung oder Refugien während Hochwasser.

Diese beiden Tatsachen haben grossen Einfluss auf die Struktur und Funktion von Fischgemeinschaften und sind in Monitoringaktivitäten zur Fischwanderung, z.B. an Kraftwerksanlagen, gezielt zu berücksichtigen.

In der Schweiz haben Untersuchungen zur Fischgängigkeit von Kraftwerksanlagen einen grossen Sanierungsbedarf aufgezeigt. Franziska Schwarz und Andreas Knutti vom Bundesamt für Umwelt informierten, dass von den 1852 überprüften Kraftwerksanlagen je 600 sanierungsbedürftig sind bezüglich Auf- resp. Abstieg.

Dabei besteht auch Handlungsbedarf bei Anlagen, die bereits mit Fischaufstiegshilfen ausgerüstet sind: Die grosse Mehrheit dieser Fischaufstiegshilfen (64%) ist nur begrenzt oder gar nicht funktionstüchtig.

Oft liegt dies am fehlenden Unterhalt oder an baulichen Mängeln.

Lösungen für nichtkraftwerksbedingte Hindernisse Die Mehrheit der Wanderhindernisse stellen nichtkraftwerksbedingte Abstürze dar, wie z.B. Schwellen zur Sohlsicherung oder Verrohrungen, auf welche hier nicht weiter eingegangen wird. Sohlschwellen können Absturzhöhen von wenigen Zentimetern bis zu mehreren Metern bewirken. Blockrampen bieten sich als fischgängige Alternativen bei engen Platzverhältnissen an.

Sie werden entweder klassisch gesetzt, geschüttet oder in aufgelöster Form gebaut. Bei Funktionskontrollen in Labor und Feld haben sich die aufgelöst unstrukturierten Rampen (Bild 2) besonders bewährt, wie Simona Tamagni von der beffa tognacca gmbh, CH (früher VAW-ETHZ), ausführte.

Einerseits zeigten sie sich beständig unter Hochwasserabfluss, anderseits erwiesen sie sich als passierbar auch für wenig schwimmstarke Fischarten wie die Groppe. In den Feldexperimenten mit markierten Fischen unterschiedlicher Arten wurden maximale Gefälle von < 3% in der Äschen- und < 2.5% in der Barbenregion identifiziert. Eine Praxisanleitung zum Bau von aufgelöst unstrukturierten Rampen ist zur Zeit in der Schweiz in Erarbeitung.

Zuflüsse münden häufig über künstliche Abstürze in eingetiefte, begradigte Talgewässer. Haupt – und Seitengewässer sind

Bild 2. Die aufgelöst strukturierte Rampe an der Wyna bei Suhr Kanton Aargau, CH, wurde auf der Tagungsexkursion besucht (Foto: A. Peter).

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dadurch oft nicht mehr miteinander vernetzt, und den Fischen ist der Zugang in die ökologisch wichtigen Kleingewässer verunmöglicht. Zudem wird der Lebensraum Mündung stark monotonisiert. In naturnahen Gewässern stellen Mündungen äusserst vielfältige, dynamische Lebensräume im Flussverlauf dar. Im Fliessgewässermanagement wird ihre Bedeutung aber oft noch unterschätzt, wie Marcelo Leite, Stucky SA, CH (früher LCH-EPFL), und Sandro Peduzzi, Kanton Tessin, CH, aufzeigten. An ausgewählten Projekten illustrierten die beiden, dass See- und Flussmündungen ein hohes Potenzial zur Wiederherstellung der Fischwanderung sowie zahlreiche Synergien bieten, beispielsweise für die Aufwertung der Naherholung.

Fischaufstiegsanlagen Das Wehr bei Geesthacht im Unterlauf der Elbe ist mit Europas grösster Fischaufstiegsanlage ausgerüstet. Henrik Hufgard vom Institut für angewandte Ökologie, D, zeigte eindrücklich, wieviel aus einem kontinuierlichen Monitoring sowie aus der Kombination verschiedener Monitoringmethoden (z.B. tägliche Erfassung Aufsteiger, PIT-tagging) bezüglich Aufstiegszeitpunkt und Wanderdistanz der Fische gelernt werden kann. 1.2 Millionen Individuen stiegen im neuen Doppelschlitzpass im Verlauf der vergangenen drei Jahre auf, zeitweise bis zu 30 000 Individuen einzelner Arten pro Tag. Diese Zahlen übertreffen die bisherigen Beobachtungen im älteren Umgehungsgerinne um Faktor 10. Eine Hauptaufstiegszeit war bei den potamodromen Arten nicht erkennbar.

Stefan Heimerl, Fichtner Water & Transportation, D, informierte über das neue Merkblatt der DWA (DWA 2014). Er fasste die Herausforderung, bestehendes und kontinuierlich auch neues Wissen umzusetzen, prägnant zusammen mit dem Ausspruch «Nach dem Merkblatt ist vor dem Merkblatt». In der aktuellen Ausgabe des DWA-Merkblatts wird der Bautyp der Fischpässe nicht mehr nach naturnah und naturfern unterschieden – nicht das äussere Erscheinungsbild steht im Vordergrund, sondern v.a. die Funktionalität.

Der Überprüfung dieser Funktionalität widmete sich der Beitrag von Ted CastroSantos vom Andromous Fish Research Center, USA. Er identifizierte drei Schlüsselelemente, die die Zeitdauer für den Aufstieg und damit die Funktionalität der Anlage bestimmen: Auffindbarkeit, Einstieg, Durchquerung. Alle drei Elemente gilt es in der Funktionskontrolle zu berücksichtigen. Eine ausschliessliche Zählung der

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stellung des Fischabstiegs investiert, beispielsweise mit Studien zu Leitsystemen, Turbinenpassage oder zu kumulativen Effekten von Kraftwerksketten. Eine Untersuchung an der 2011 neugebauten Zentrale Kostheim offenbarte je nach Fischart Mortalitätsraten von bis zu 50%. Insbesondere kleinere Individuen und Arten (<30 cm Körperlänge) sowie Aale passierten den 20 mm-Vertikalrechen oder endeten in der Rechenreinigungsmaschine. Stababstände von 10–12 mm haben sich als effizienter erwiesen, beispielsweise in den (deutlich kleineren) Kraftwerken Auer Koppel oder Unkelmühle (Bild 3). Gravierende kumulative Effekte zeigte eine Studie an der Mosel: Absteigende Aale konnten nur mit einer Wahrscheinlichkeit von drei Prozent sämtliche Kraftwerke des Flusses unverletzt passieren.

Einen Überblick über den Schutz absteigender Fische mittels Leitrechen und Bypass-Systemen gab Christof Bauerfeind vom Ingenieurbüro Floecksmühle, D. Er betonte, dass sich für kleine und mittlere Wasserkraftanlagen in der Regel ein mechanischer Fischschutz am besten bewährt, während Verhaltensbarrieren, beispielsweise mit Licht, kaum funktionstüchtig sind. Die Wahl der Massnahme muss abhängig von den Zielarten im Gewässer getroffen werden. Konkrete Empfehlungen dazu finden sich in einer Studie im Auftrag des Umweltbundesamts (Keuneke & Dumont 2011). Vertikalrechen mit einem Stababstand von 10 mm werden zur Zeit bis ca. 30 m3/s Durchfluss pro Turbine installiert, entsprechende Horizontalrechen bis zu ca. 50 m3/s Durchfluss pro Turbine. Alle Anlageteile sind mit glatter Oberfläche auszugestalten, zudem ist ein ausreichendes Wasserpolster zu schaffen, das den Fisch umgibt. Rechenreiniger und Bypass sollen leicht und auf das Verhal-

Bild 3. Wasserkraftwerk Unkelmühle an der Sieg NRW, Blick vom Oberwasser. Pilotanlage für den Fischschutz (Fischabstieg) mit drei Rechenfelder mit einem 10 mm Vertikalrechen und Rechenreiniger (Foto: A. Peter).

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ten der Fische abgestimmt steuerbar sein.

Allenfalls ist grobes Geschwemmsel früh abzutrennen.

Gemäss gesetzlicher Anforderungen müssen in Frankreich bis 2017/18 gegen 1000 Zentralen mit Abstiegshilfen ausgerüstet werden, wie Dominique Courret von der ONEMA, F, berichtete. Verschiedene Massnahmen werden zurzeit diskutiert und v.a. in kleineren Zentralen bereits umgesetzt, mit dem Hauptaugenmerk auf Lachs, Meerforelle und Aal. Auch betriebliche Massnahmen kommen zum Zug: An der Dordogne wird die Turbinierung während der Aal-Wanderung für ca. 40 Nächte eingestellt. Eine Hauptschwierigkeit und Gegenstand laufender Forschung ist es, das benötigte Zeitfenster zu wählen resp. vorherzusagen (z.B. Zeitpunkt und Dauer).

Man stützt sich dabei auf kontinuierlichen Messungen von Abwanderungsaktivität oder Umweltbedingungen. Diese Massnahme kann u.U. mit einem grösseren Produktionsausfall verbunden sein. Auch fischfreundliche Turbinen kommen zum Einsatz, wie z.B. die VLH-Turbine oder Wasserschnecke (Archimedesschraube).

Für beide Turbinentypen bestehen noch Fragezeichen bezgl. der Passierbarkeit durch adulte Lachse und Meerforellen.

Schliesslich werden mechanische Barrieren wie Louver eingebaut.

Lösungen für die Turbinenpassage und den Fischabstieg an grösseren Kraftwerksanlagen Bei der Passage von Kraftwerksturbinen können Fische unterschiedliche Verletzungen erleiden, so z.B. mechanisch durch Schläge durch die Turbinenschaufeln oder durch Zerdrücken, durch schnellen Druckabfall oder durch Scherkräfte. Die Schädigungen reichen vom Abrieb der Schuppen über innere Verletzungen bis hin zum Tod, der sofort oder verzögert auftreten kann.

Bild 4. Modell der fischfreundlichen Alden-Turbine. Das Modell wird von Voith Hydro für hydraulische und betriebliche Tests verwendet (Foto: Alden Research Lab).

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passierenden Fische ist unzureichend, da dadurch die Zahl der aufstiegswilligen, aber blockierten Fische nicht einbezogen wird. Auch die Umwelt- und Betriebsbedingungen im Fischpass sind festzuhalten (z.B. Temperatur, Trübung, usw.), handelt es sich dabei nicht um konstante Fixgrössen, sondern um zeitlich dynamische Faktoren, die den Fischaufstieg begünstigen oder behindern können. Ein kontinuierliches Monitoring eines Fischpasses ermöglicht es, Lehren zu ziehen, Änderungen vorzunehmen und dadurch Verbesserungen zu erzielen (adaptives Management). Softwarelösungen können Betrieb und Auswertung der Monitoringaktivitäten unterstützen.

In Österreich liegt der Schwerpunkt der Revitalisierungstätigkeit auf der Wiederherstellung der Durchgängigkeit wie Stefan Schmutz von der BOKU Wien ausführte.

Ein Leitfaden unterstützt die Planung (BMLFUW 2012). Zur Wiederherstellung des Fischabstiegs werden auch neue Ansätze getestet, wie z.B. Seilrechen, die zusätzlich eine Geschiebepassage erlauben.

Roger Pfammatter vom Schweizerischen Wasserwirtschaftsverband betonte, dass von Kraftwerksseite her der grundsätzliche Handlungsbedarf nicht in Frage gestellt wird, dass jedoch auch die Nutzungsansprüche, insbesondere hinsichtlich Betriebssicherheit und Stromproduktion, bei der Entwicklung von Lösungen einbezogen werden sollten.

Lösungen für den Fischabstieg an kleinen bis mittleren Kraftwerksanlagen Insgesamt wurden im Rheineinzugsgebiet zwischen 2000 und 2013 gegen 500 Stauwehre durchgängig gestaltet, dies aber fast ausschliesslich hinsichtlich Aufstieg, wie Marc de Rooy von der Expertengruppe Fisch der IKSR berichtete. Seit 2013 wird seitens IKSR vermehrt in die Wiederher-

Nachrichten Bild 5. Aal vor der Leiteinrichtung im Modell an der VAW-ETHZ (Foto: David Flügel).

Laut Steve Amaral vom Alden Research Lab, USA, sterben je nach Turbinentyp und -betrieb 5–30% der Fische bei der Turbinenpassage. Der Verlauf einer Turbinenpassage lässt sich im Feld anhand verschiedener Markierungs- und Erhebungsmethoden untersuchen, so z.B. mittels Netzen (Hamen), Ballontags oder Telemetrie. Die Haupttodesursachen sind zumeist mechanischer Art, wobei die Mortalitätsrate abhängt von der Form der Turbinenschaufeln und dem Abstand zwischen diesen, der Umdrehungszahl, der Fischgrösse und der Geschwindigkeit des Fisches. Fischfreundliche Turbinen wie z.B. der Minimum-Gap-Runner zeichnen sich entsprechend durch eine geringe Anzahl Schaufeln aus. Sie haben einen grossen Durchmesser, eine relativ geringe Umdrehungszahl, geringe Fallhöhen sowie nur einen geringen Unterdruck. Damit lassen sich Mortalitäten deutlich verringern (< 3%) wie auch mit der in Entwicklung begriffenen Alden-Turbine (Bild 4), welche in Tests Mortalitäten von 0–2% bei 20 cm langen Individuen verschiedener Fischarten hervorrief.

Louvers und Bar-Racks dienen dazu, Fische von den Turbinen grosser Kraftwerksanlagen fernzuhalten. In einem umfangreichen Forschungsprojekt von VAW und Eawag (Bild 5) wurden 34 Konfigurationen von Louvers und Bar-Racks getestet (Winkel des Leitrechens, Stababstand, Fliessgeschwindigkeit, mit oder ohne Bodenblech).

Die Projektleiter Robert Boes von der VAW, CH, und Armin Peter von der Eawag, CH, präsentierten folgende Resultate aus den Versuchen mit Wildfängen von fünf Fischarten (Aal, Äsche, Bachforelle, Barbe, Schneider): Der Leitrechen zeigte eine gute Leiteffizienz, die hydraulischen Verluste variierten jedoch stark. Generell schnit76

ten die Bar-Racks besser ab als die Louver. Der Leitrechen mit Bodenblech zeigte eine höhere Leiteffizienz. Weitere Experimente sind nötig, um die Konfiguration des Bypasses zu testen. Die Übertragbarkeit der Resultate auf eine reale Situation ist an einer Pilotanlage abzuklären. Die Tagung rundete ein Fazit von vier Interessensvertretern ab.

Schlussfolgerungen Die Fachtagung machte folgende Punkte deutlich: • Alle Fischarten sind auf eine gute Durchwanderbarkeit der Gewässer angewiesen, auch Arten, die nur kürzere Distanzen zurücklegen.

• Blockrampen als Ersatz von Sohlschwellen haben ein hohes Potenzial für die Wiederherstellung der Durchgängigkeit.

• Die Einmündungen kleinerer Gewässer ins Hauptgewässer sind Schlüsselstellen für die Durchgängigkeit, die es prioritär zu revitalisieren gilt.

• Die rasche Auffindbarkeit, der Einstieg und die Durchquerung des Fischpasses sind Schlüsselelemente, die die Zeitdauer für den Aufstieg bestimmen.

Sie sind bei der Funktionskontrolle von Fischaufstiegsanlagen spezifisch zu beurteilen.

• Fische treten in Fischpässen auch ausserhalb ihrer Laichwanderungen gehäuft auf.

• Die Sicherstellung der freien Fischwanderung stellt eine grosse Herausforderung dar. Die transdisziplinäre Zusammenarbeit, insbesondere mit den Kraftwerken sowie Umwelt- und Fischereiverbänden ist wichtig. Adaptives Management ermöglicht es, die Funktionalität der Anlagen nachträglich zu verbessern.

• Erfahrungen aus Deutschland und

Frankreich zeigen, dass für kleinere Kraftwerke erfolgreiche Konzepte für den schonenden Fischabstieg bestehen.

• Turbinenmortalitäten sind problematisch und müssen künftig mit fischfreundlichen Turbinen drastisch reduziert werden. Diese Turbinen zeichnen sich unter anderem durch grosse Durchmesser, eine langsame Umdrehungszahl und eine geringe Anzahl von Turbinenschaufeln aus. Die Überlebensraten müssen 97% und mehr betragen.

• Für den Fischabstieg an grossen Kraftwerksanlagen liefern mechanische Verhaltensbarrieren (Bar-Racks) vielversprechende Resultate. Es sind jedoch weitere Untersuchungen und Pilotprojekte an Anlagen nötig.

Literatur BMLFUW (2012). Leitfaden zum Bau von Fischaufstiegshilfen. Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft, Wien.

DWA (2014). Fischaufstiegsanlagen und fischpassierbare Bauwerke – Gestaltung, Bemessung, Qualitätssicherung. Merkblatt DWA-M 509. Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall, Hennef.

Keuneke, R., Dumont, U. (2011). Erarbeitung und Praxiserprobung eines Massnahmenplans zur ökologisch verträglichen Wasserkraftnutzung. UBA-Texte 72. Umweltbundesamt, Dessau-Rosslau.

Zeh Weissman, H., Könitzer, C., Bertiller, A. (2009). Strukturen der Fliessgewässer in der Schweiz. Zustand von Sohle, Ufer und Umland (Ökomorphologie). Ergebnisse der ökomorphologischen Kartierung. Bundesamt für Umwelt, Bern.

Autoren Christine Weber, Armin Peter, Eawag, Ruedi Bösiger, WWF Schweiz, Stefan Vollenweider, Wasser-Agenda 21 Die Folien und die Kurzfassung der Keynote des SWV zur Eröffnung des zweiten Tages zum Thema «Fischwanderung aus Sicht der Wasserkraft» können weiterhin auf der Webseite www. swv.ch/Publikationen > Referate und > Fachartikel heruntergeladen werden.

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

KOHS-Tagung 2015 10 Jahre nach dem Ereignis 2005: Veränderungen im Umgang mit Hochwasser Interlaken, 5./6. Mai 2015

Die jährlich von der Kommission Hochwasserschutz (KOHS) des SWV organisierte Tagung wird 2015 in Interlaken durchgeführt und ist als 1 ½-tägige Veranstaltung mit Exkursion konzipiert.

Zielpublikum Angesprochen werden wie üblich Wasserbauer und weitere mit Hochwasserschutz und Revitalisierungen beschäftigte Fachleute aus der Privatwirtschaft und der Verwaltung. Die Tagung ist immer auch ein ausgezeichneter Treffpunkt der Fachwelt.

Zielsetzung, Inhalt Im Fokus stehen die Veränderungen im Umgang mit Hochwasser seit dem Unwetterereignis 2005. Die damaligen verheerenden Hochwasserschäden haben zu einem Umdenken und zu neuen Ansätzen beim Hochwassermanagement geführt.

An der Tagung wurden die neuen Erkenntnisse von ausgewiesenen Fachleuten anhand konkreter Fallbeispiele vermittelt und diskutiert. Aus dem Inhalt: • Strategiewandel des Bundes • Verbesserung Prognose und Warnung • Umsetzung Notfall- und Alarmierungskonzepte • Anforderungen an Szenarienbildung • Überarbeitung Gefahrengrundlagen • Beurteilung von Gerinneprozessen und Ufererosion • Lösungsansätze für komplexe Projektarbeit An der Exkursion vom zweiten Tag werden wichtige Aspekte zusätzlich im Feld verdeutlicht.

Tagungssprachen Die Vorträge werden in Deutsch gehalten, mit Simultanübersetzung in die französische Sprache.

Kosten Tagung vom 5. Mai 2015, inkl. Abendessen: Mitglieder SWV CHF 300.– Nichtmitglieder CHF 390.– Studierende CHF 150.– Exkursion vom 6. Mai 2015: Mitglieder SWV CHF 200.– Nichtmitglieder CHF 260.– Studierende CHF 100.– Inkl. Mittagessen, Pausenkaffee, exkl. 8% MWSt. Programm Das detaillierte Tagungsprogramm ist diesem Heft als Flyer beigelegt bzw. kann der Webseite unter www.swv.ch/Weiterbildung entnommen werden.

Anmeldung Anmeldungen sind ab sofort möglich. Bitte ausschliesslich einfach und bequem über die Webseite des SWV: www.swv.ch/KOHS-Tagung-2015 Die Anmeldungen werden nach Eingang berücksichtigt. Teilnahmebestätigung und Rechnungsstellung erfolgen rechtzeitig vor der Veranstaltung.

Preisverleihung mit Exkursion Gewässerpreis Schweiz 2015 Aarberg, 21. Mai 2015

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

Der seit 2001 zweijährlich verliehene «Gewässerpreis Schweiz» ist kein Preis wie jeder andere: Der Bogen der Trägerschaft spannt sich von den Interessen der Wasserkraftnutzung über die Ingenieurbiologie und das Wasserfach bis zum Gewässerund Naturschutz. «Gemeinsam für Schutz und nachhaltige Nutzung unserer Gewässer», lautet die Devise.

Preisträgerin 2015 Im Jahr 2015 wird wieder ein Gewässerpreis vergeben. Und zum ersten Mal in der Geschichte des Preises wird ein Unternehmen der Wasserkraftproduktion ausgezeichnet. Preisträgerin 2015 wird die «BKW Energie AG» für gelungene Kompromisse zwischen Nutzung und Schutz der Gewässer beim Wasserkraftwerk Aarberg.

Programm Die Preisverleihung findet im Rahmen einer kleinen Vortragsveranstaltung und mit Laudatio von Nationalrätin Christa Markwalder im Kronensaal in Aarberg statt. Nach anschliessendem Apéro und Stehlunch beim Kraftwerk Aarberg, werden das ausgezeichnete Kraftwerk und die erfolgten Gewässeraufwertungen bei einer Exkursion besichtigt. Der Ablauf im Detail: 09:30 Uhr Eintreffen im Kronensaal in Aarberg 10:00 Uhr 4 kurze Referate 11:00 Uhr Laudatio und Preisannahme 11:30 Uhr Kurzer Fussmarsch zum Kraftwerk Aarberg 12:00 Uhr Enthüllung der Skulptur 12:15 Uhr Apéro und Stehlunch 13:30 Uhr Besichtigung Kraftwerk Aarberg und Aufwertungsprojekte 16:00 Uhr Schluss der Veranstaltung Die Teilnehmenden erhalten rechtzeitig vor der Veranstaltung ein Detailprogramm mit genauen Angaben zu Treffpunkt und Ablauf.

Kosten Pauschal CHF 50.– inkl. 8% MWSt. sowie Vorträge, Sonderheft zum Gewässerpreis, Mittagslunch und Exkursion. Annullierung bis 1 Woche vor der Veranstaltung gratis, danach wird der Gesamtbetrag geschuldet.

Anmeldung Anmeldungen bitte bis spätestens 8. Mai 2015 über die Webseite des Gewässerpreises: www.gewaesserpreis.ch Die Anzahl der Plätze ist beschränkt. Anmeldungen werden nach ihrem Eingang berücksichtigt und sind verbindlich.

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Ve r anstaltunge n

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KOHS-Weiterbilungskurs 4. Serie, 4. Kurs «Revitalisierung von kleinen und mittleren Gewässern» Ittigen, 11./12. Juni 2015

Die Kommission Hochwasserschutz (KOHS) des SWV führt zusammen mit dem Bundesamt für Umwelt (BAFU) und dem Verein für Ingenieurbiologie (VIB) diese 4.

Serie der erfolgreichen wasserbaulichen Weiterbildungskurse durch.

Zielpublikum Der Kurs richtet sich an Fachleute von Ingenieur- und Beratungsunternehmen sowie von kantonalen Verwaltungen. Die Teilnehmerzahl ist auf maximal 28 Personen beschränkt; Berücksichtigung nach Eingang der Online-Anmeldung.

Zielsetzung, Inhalt Der praxisorientierte, zweitägige Kurs soll den planenden Ingenieuren und weiteren mit Revitalisierungen beschäftigten Fachpersonen zentrale Aspekte mit Schwerpunkt auf Unterhalt und Wasserbau aufzeigen.

Donnerstag • Motivation und Ziele der Revitalisierung • Revitalisierungsprojekte aus Sicht der Landwirtschaft • Bachtypisierung als Basis für Gestaltung und Unterhalt • Workshop: Erarbeitung eines Unterhaltplans Freitag • Gewässerraum für Revitalisierungen • Bauliche und hydraulische Grundlagen und Massnahmen • Erwünschte und nicht erwünschte Arten • Exkursion zu konkreter Revitalisierung Für die Details siehe das Kursprogramm auf der Webseite: www.swv.ch.

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Sprache Der Kurs wird auf Deutsch durchgeführt.

Kursunterlagen Die Kursunterlagen bestehend aus Skript und Handout der Folien, werden zu Beginn des Kurses allen Teilnehmenden abgegeben.

Kosten Für Mitglieder des SWV und des VIB gelten vergünstigte Tarife (bitte im Formular anwählen): 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 Exkursionen; exkl. 8% MWSt. und allfällige Übernachtungskosten.

Anmeldung Anmeldungen sind ab sofort möglich; bitte ausschliesslich bequem und einfach über die Webseite des SWV: www.swv.ch/KOHS-Kurs-Ittigen-2015 (bzw. direkter Link auf der Startseite: www.swv.ch).

Die Zahl der Teilnehmenden ist auf 28 Personen limitiert. Berücksichtigung nach Eingang der Anmeldungen.

Interlaken 5./6.5.2015 KOHS-Tagung 2015 mit Exkursion: 10 Jahre seit dem Ereignis 2005 – neuer Umgang mit Hochwasser (d/f) Kommission Hochwasserschutz (KOHS) des SWV. Weitere Informationen und Anmeldung: www.swv.ch Aarberg 21.5.2015 Verleihung des Schweizer Gewässerpreises 2015: Vortragsveranstaltung mit Exkursion (d) Trägerschaft Gewässerpreis Schweiz.

Bitte Termin reservieren; weitere Informationen und Anmeldung: www.swv.ch Lugano 21.5.2015 Festeggiamento dei 100 anni ATEA (1915–2015): Assamblea e festeggiamento publico (i) Associazione Ticinese di Economia delle Acque (ATEA). Weitere Informationen: www.atea-ti.ch

Age nda

Rupperswil 28.5.2015 Jubiläumsanlass 100 Jahre VAR (1915– 2015): Generalversammlung und internes Jubliäumsfest (d) Verband Aare-Rheinwerke (VAR). Nur für Verteter der Mitgliederwerke sowie eingeladene Gäste: www.aare-rheinwerke.ch

Horw 23.–25.3.2015 Hydro-Weiterbildung: Hydraulische Maschinen (d) Hochschule Luzern in Zusammenarbeit mit den Fachhochschulen Sion und Rapperswil: www.swv.ch

Ittigen 11./12.6.2015 KOHS-Weiterbildungskurs, 4. Kurs der 4. Serie: Revitalisierung von kleinen und mittleren Gewässern (d) Kommission Hochwasserschutz (KOHS) des SWV und BAFU. Weitere Informationen: www.swv.ch

Sion 24.–26.3.2015 Hydro-Weiterbildung: Elektrische Maschinen (d) Hochschule Sion in Zusammenarbeit mit den Fachhochschulen Luzern und Rapperswil: www.swv.ch

Innsbruck 24.–26.6.2015 Internationales Symposium AGAW 2015: Wasserkraft im Wettbewerb (d) Arbeitsgemeinschaft Alpine Wasserkraft (AGAW). Weitere Informationen: www.alpine-wasserkraft.com

Wädenswil ab 17.4.2015 Zertifikatslehrgang Makrozoobenthos: Artenkenntnis und Bioindikationsmethoden (d) ZHAW mit HES-SO. CAS-Lehrgang mit 22 Kurstagen plus Selbststudium. Weitere Informationen: www.weiterbildung.zhaw.ch

Pontresina 2./3.7.2015 STK-Talsperrentagung 2015: Vortragsveranstaltung mit Exkursion (d/f) Schweiz. Talsperrenkomitee STK. Bitte Termin reservieren. Weitere Informationen auf der Webseite: www.swissdams.ch

Zürich 27.–29.4.2015 VAW-Workshop Sedimentumleitstollen (e) VAW-ETHZ mit Unterstützung SWV. Weitere Informationen auf der Webseite: www. vaw.ethz.ch

Wettingen 3./4.9.2015 Wasserwirtschaftstagung 2015 mit 104. Hauptversammlung SWV: Vortragsveranstaltung mit Exkursion (d) SWV. Bitte Termin reservieren; weitere Informationen folgen: www.swv.ch

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

L ite i te r atur

Landschaft und Energiewende – Der Einfluss erneuerbarer Energien auf die Landschaft

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Sion 7.–11.9.2015 Hydro-Weiterbildung: Einführung in hydroelektrische Anlagen, mit Besichtigungen (d/f) Hochschule Sion in Zusammenarbeit mit den Fachhochschulen Luzern und Rapperswil: www.swv.ch Lausanne 9.–11.9.2015 13th International Benchmark on the Numerical Analysis of Dams (e) ICOLD Committee on Computational Aspects of Analysis and Design of Dams; weitere Informationen: www.icold-cigb.org Horw 21.–23.9.2015 Hydro-Weiterbildung: Hydromechanik (d) Hochschule Luzern in Zusammenarbeit mit den Fachhochschulen Sion und Rapperswil: www.swv.ch Horw 30.9.2015 Fachtagung Hydroabrasion: Schwebstoffe, Verschleiss und Wirkungsgradänderungen an Pelton-Turbinen (d) VAW-ETHZ und HSLU mit Unterstüztung des SWV. Weitere Informationen und Anmeldung: www.swv.ch Ort noch offen 5./6.11.2015 KOHS-Weiterbildungskurs, 5. Kurs der 4. Serie: Revitalisierung von kleinen und mittleren Gewässern (d) Kommission Hochwasserschutz (KOHS) des SWV und BAFU. Bitte Termin reservieren; weitere Informationen folgen: www.swv.ch Olten 27.11.2015 4. Hydrosuisse-Fachtagung Wasserkraft: Bau, Betrieb und Instandhaltung von Wasserkraftanlagen (d/f) Kommission Hydrosuisse des SWV. Bitte Termin reservieren; weitere Informationen folgen: www.swv.ch

Publikation: November 2014; Hrsg: WSL als Tagungsband zur Veranstaltung «Forum für Wissen», 75 Seiten, Format A4, gebunden, durchgehend farbig, ISSN 22963448; kostenloser Bezug oder Download: www.wsl.ch Beschrieb: In der Reihe «Forum für Wissen» werden aktuelle Themen aus den Forschungsgebieten der WSL vorgestellt und diskutiert. Der vorliegende Tagungsband enthält die Vorträge, im Rahmen des Forums zum Thema. In den Beiträgen werden zuerst ausgewählte Aspekte der politischen und technologischen Rahmenbedingungen der Energiewende diskutiert.

Anschliessend werden die möglichen Auswirkungen auf die Landschaft dargelegt und Lösungsansätze zum gesellschaftlichen Umgang mit den Landschaftsauswirkungen der erneuerbaren Energien vorgestellt.

(WSL)

Anpassung an den Klimawandel in der Schweiz – Aktionsplan 2014–2019 Publikation: Dezember 2014; Hrsg: Bundesamt für Umwelt BAFU, Reihe: «Umwelt-Diverses», Nummer: UD-1081-D, 100 Seiten, Format A4, gebunden, durchgehend farbig, Bezug oder kostensloser Download: www.bafu.admin.ch «Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

Beschrieb: Der Klimawandel wirkt sich auch in der Schweiz auf Umwelt, Wirtschaft und Gesellschaft aus. Massnahmen zur Anpassung an diese Auswirkungen sind bereits heute nötig und werden in Zukunft immer wichtiger. Der Bundesrat hat am 9. April 2014 als zweiten Teil seiner Anpassungsstrategie einen Aktionsplan für die Jahre 2014 bis 2019 verabschiedet. Darin sind 63 Anpassungsmassnahmen der Bundesämter zusammengefasst, mit denen die Chancen des Klimawandels genutzt, die Risiken minimiert und die Anpassungsfähigkeit von Gesellschaft, Wirtschaft und Umwelt gesteigert werden sollen.

(BAFU)

Flow Characteristics, Particle motion and Invert Abrasion in Sediment Bypass Tunnels

Versuchsanstalt für Wasserbau Hydrologie und Glaziologie der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich

Mitteilungen

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Flow Characteristics, Particle motion and Invert Abrasion in Sediment Bypass Tunnels

Christian Auel

Zürich, 2014

Herausgeber: Prof. Dr. Robert Boes

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Publikation: Oktober 2014, Autor: Christian Auel, Hrsg: Prof. Dr. R. M. Boes, Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie, ETH Zürich, VAW-Mitteilung 229, A5-Format, 320 Seiten, kostenloser Download unter www.vaw.ethz.ch/publications/ vaw_reports Beschrieb: Sedimentumleitstollen, eine effektive Massnahme gegen die Verlandung von Stauseen, leiten die mit dem Fluss transportierten Sedimente in schiessendem Freispiegelabfluss in das Unterwasser der Talsperre. Der Nachteil dieser Stollen ist, neben den hohen Konstruktionskosten, die starke Abrasion der Stollensohle, die zu hohen Unterhaltskosten führt.

Das Ziel dieser Forschungsarbeit war die Untersuchung der grundlegenden physikalischen Prozesse, um Bemessungskriterien zu entwickeln, die diese negativen Effekte verhindern bzw. signifikant minimieren. Aus diesem Grund wurden Versuche in einem massstäblich skalierten Modell im Labor durchgeführt. Die Arbeit war in drei Versuchsteile gegliedert, in denen neue Erkenntnisse über die Turbulenzcharakteristik (Phase A), Sedimentbewegung (Phase B) und Sohlenabrasion (Phase C) in schiessendem Abfluss gewonnen wurden.

Versuchsphase A zeigte, dass Sekundärströmungen das Strömungsfeld beeinflussen und zu erhöhten Sohlschubspannungen im Nahbereich der Berandung führen.

In Phase B wurde erkannt, dass sich die Sedimentpartikel hauptsächlich springend fortbewegen. Die spezifische Aufprallenergie eines Partikels wurde bestimmt als Produkt von Aufprallgeschwindigkeit, Anzahl der Aufpralle und Menge an transportiertem Material. In Phase C zeigte sich, dass die Sohlenabrasion sowohl mit der Zeit als auch im Ausmass fortschreitet. Zwei laterale Abrasionsrinnen bildeten sich bei engen Fliessquerschnitten, während bei weiten Querschnitten eher zufällig verteilte Kolklöcher zu beobachten waren. Diese Abrasionsmuster korrelierten gut mit der Verteilung der Sohlschubspannung aus Versuchsphase A. Des Weiteren wurde ein linear steigender Zusammenhang zwischen der abradierten Sohl- und transportierten Sedimentmasse gefunden. Weitere Resultate zeigten, dass die Abrasion mit der Fliessintensität und der Sedimenttransportrate steigt, wobei die höchsten Werte bei Versuchen mit dem mittleren Partikeldurchmesser beobachtet wurden, während die Abrasionsrate bei steigender Festigkeit des Sohlmaterials sinkt.

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Leitrechen an Fischabstiegsanlagen: Hydraulik und fischbiologische Effizienz

Versuchsanstalt für Wasserbau Hydrologie und Glaziologie der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich

Mitteilungen

230

Leitrechen an Fischabstiegsanlagen: Hydraulik und fischbiologische Effizienz

Carl Robert Kriewitz-Byun

Zürich, 2015

Herausgeber: Prof. Dr. Robert Boes

Publikation: März 2015, Autor: Carl-Robert Kriewitz, Hrsg: Herausgeber: Prof. Dr. R. M. Boes, Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie, ETH Zürich, VAW-Mitteilung 230, A5-Format, 350 Seiten, kostenloser Download unter www. vaw.ethz.ch/publications/vaw_reports.

Beschrieb: Die Wiederherstellung der Längsvernetzung der Schweizer Flusslandschaften ist in dem seit Januar 2011 geltenden revidierten Gewässerschutzgesetz als eine der Massnahmen zur Renaturierung der Gewässer festgelegt. Ein Teilaspekt dieser Massnahmen beinhaltet die Sicherstellung der schonenden Fischgängigkeit an Querbauwerken wie Flusskraftwerken. Diese Dissertation widmet sich der innovativen Weiterentwicklung vertikaler, schräg angeordneter Leitrechen, mit deren Hilfe stromabwärts migrierende Fische über Bypässe um grosse Wasserkraftwerke geführt werden sollen. Grundlage der fischbiologischen Wirksamkeit von Leitrechen ist die schräge Orientierung von Rechenachse und Rechenstäben zur Anströmung. Aktuelle Leitrechen-Systeme wie Louver und Bar-Racks zeigen hohes fischbiologisches Potential, verursachen aber hydraulische Verluste, die keinen wirtschaftlich vertretbaren Einsatz ermöglichen. Das Forschungsprojekt basiert auf der Idee, durch die unabhängige Variation von Rechen- und Stabausrichtung Leitrechen so zu optimieren, dass ihr Einsatz an grossen Wasserkraftwerken aufgrund verbesserter hydraulischer Eigenschaften zu geringen Energieverlusten führt und dabei zugleich eine breite Anzahl stromabwärts migrierenden Fischspezies effizient ge-

schützt werden. Carl Robert Kriewitz entwickelte in diesem Zusammenhang einen Berechnungsvorschlag zur Abschätzung der hydraulischen Verluste an Leitrechen. Dieser basiert auf der Auswertung breit angelegter Versuchsserien, in denen Parameter wie Rechenwinkel, Stabwinkel, -abstand, -tiefe und -form sowie die Eintauchtiefe des Rechens selbst im physikalischen Detailmodell in umfangreicher Variation getestet wurden. Ferner wurde in Zusammenarbeit mit der Eawag die fischbiologische Effizienz verschiedener Leitrechenkonfigurationen in einem ethohydraulischen Modell mit den Fischarten Barbe, Äsche, Schneider, Bachforelle und Aal ermittelt. Es konnte eine Schnittmenge von Leitrechenkonfigurationen bestimmt werden, die unter Laborbedingungen sowohl hydraulisch günstige als auch fischbiologisch wirksame Eigenschaften besitzen. Schliesslich bestimmte Carl Robert Kriewitz am Gesamtmodell einer Kraftwerksanlage die Auswirkungen von Leitrechen auf betriebliche Aspekte, z.B. bei Schwemmholzanfall, und auf den Wirkungsgrad von Turbinen.

Ethohydraulische Untersuchung zum Fischabstieg entlang vertikaler Fischleitrechen

Publikation: Februar 2015, Hrsg: Eawag, Autoren: D. Flügel, T. Bös und A. Peter, 106 Seiten, Format A4; kostenloser Download: www.aare-rheinwerke.ch/fischabstieg Beschrieb: Der Bericht fasst die im Rahmen des vom Verband Aare-Rheinwerke (VAR) initiierten Forschungsprojektes Fischabstieg durchgeführten Ethohydraulischen Versuche zusammen.

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

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Publikation: Januar 2015; Prof. Dr.-Ing. Detlef Aigner, Dr. Gerhard Bollrich; 1. Auflage, 514 Seiten, mit Grafiken und Tabellen, 24 × 17 cm, Gebunden. Beuth Verlag. ISBN 978-3-410-21341-3.

Beschrieb: Das Handbuch ist ein Nachschlagewerk für Ingenieure und behandelt das gesamte Spektrum der Hydraulik im Wasserbau und in der Wasserwirtschaft.

Aus dem Inhalt: Mathematische Grundlagen; wichtige geometrische Werte; Physikalische Grössen und Einheiten; Hydrostatik; Hydrodynamische Grundgleichungen; Druckrohrströmung; Freispiegelströmung; Überfälle und Hochwasserentlastungsanlagen; Wasserstrahlen; Sicker- und Grundwasserströmungen.

(Beuth Verlag)

Technische Hydromechanik 4: Hydraulische und numerische Modelle Publikation: Januar 2015; Prof. Dr.-Ing. Helmut Martin, Prof. Dr.-Ing. Reinhard Pohl; 3., überarbeitete Auflage, 408 Seiten, A5, Gebunden. Beuth Verlag. ISBN 978-3410-24172-0 Beschrieb: Der Band stellt unersetzliche hydraulische und numerische Modelle für die Lösung komplexer Aufgaben und Probleme in den Bereichen Wasserbau, Was-serversorgung, Abwasserbehandlung sowie im Umweltschutz vor. Die aufgeführten Ansätze und Lösungen werden durch zahlreiche Berechnungsbeispiele veranschaulicht und ergänzen den ersten Band der vierteiligen Reihe «Technische Hydromechanik – Grundlagen». Aus dem

Inhalt: Hydraulisches Versuchswesen; Gerinneströmung; Numerische Modellierung ober- und unterirdischer Strömungs- und Transportprozesse; Hydraulik der Wasserbehandlungsanlagen und industrieller Prozesse; Probabilistische Aspekte der hydraulischen Bemessung; Hydraulische Probleme, Rohrnetze, Druckstoss in Rohrleitungen.

(Beuth Verlag)

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• Die Themen der deutschen «Wasserwirtschaft» 1–4-2015 • Planung und Bau der 5. Turbine im Rheinkraftwerk Iffezheim Gerald Ittel • Modelluntersuchungen für den Zubau der 5. Turbine im Rheinkraftwerk Iffezheim Gerald Ittel, Jochen Eckhardt • Entwurfs- und Tragwerksplanung für die 5. Turbine im Rheinkraftwerk Iffezheim – 1. und 2. Planungsphase Michael Molck, Christian Göhl, Franz Zimmermann • Planung der Iffezheimer Baugruben für den Zubau der 5. Maschine Marc Raithel , Andreas Kirchner • Herausforderungen bei der Herstellung der Baugruben für Maschine 5 in Iffezheim Ingo Kamuf, Karl Kronberger • Besonderheiten beim Ausbau des Kraftwerks Iffezheim für die Maschine 5 Ingo Kamuf, Karl Kronberger • Die elektromechanische Ausrüstung für den Zubau der 5. Turbine im Rheinkraftwerk Iffezheim Josef Moosmann

«Wasser Energie Luft» – 107. Jahrgang, 2015, Heft 1, CH-5401 Baden

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Sonderlösungen des Stahlwasserbaus und der Krananlagen beim Bau der 5. Turbine im Rheinkraftwerk Iffezheim Karlheinz Rusch, Gerald Ittel Elektro- und leittechnisches Konzeption für den Zubau der 5. Turbine im Rheinkraftwerk Iffezheim Wolfgang Beutel, Wolfgang Wunsch Umweltbegleitende Massnahmen beim ZUbau der 5. Maschine im Rheinkraftwerk Iffezheim Gerald Ittel, Frank Hartmann Das Juni-Hochwasser 2013 in Sachsen-Anhalt Hermann Onko Aeikens Arbeit des Krisenstabes der Landesregierung Sachsen-Anhalts Lutz-Georg Berkling Die Arbeit des Landeshochwasserzentrums Sachsen im Juni 2013 Uwe Müller Das Technische Hilfswerk im JuniHochwasser 2013 in Sachsen-Anhalt Falk Lepie Die Arbeit des Technischen Hilfswerks in Sachsen André Scholz Was wäre wenn ein Extremereignis die Oberrheinregion treffen würde?

Stefan Hill Juni-Hochwasser 2013 an der Elbe – neue Fragestellungen Robert Jüpner Die Versuchsanstalt für Wasserbau und Schiffbau in Berlin Willi H. Hager Wirtschaftlichkeits- und Schadenspotenzialuntersuchungen als Voraussetzung für ein effektives Küstenschutzmanagement in MecklenburgVorpommern Gesa Kutschera, Knut Sommermeier Flexibles Hochwasserschutzsystem für Gebäude Armin Hansmann Grundwassermanagementkonzept gegen Vernässungen in urbanen Gebieten Stefanie Kramer, Bertram Monninkhoff, Sven Seifert, Thomas Koch, Bernd Pfützner , Frido Reinstorf Vorsorge fürs Land – Landentwicklung unterstützt die Hochwasservor sorge Julia Gruber Erosionsschutz und Wasserrückhalt mit Hilfe von bewirtschaftungsintegrierten Verwallungen Nicole Seidel, Silke Peschke, Stefan Schütze

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Handbuch der Hydraulik – in Wasserbau und Wasserwirtschaft

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Impressum «Wasser Energie Luft» Schweizerische Fachzeitschrift für Wasserrecht, Wasserbau, Wasserkraftnutzung, Gewässerschutz, Wasserversorgung, Bewässerung und Entwässerung, Seenregulierung, Hochwasserschutz, Binnenschifffahrt, Energiewirtschaft, Lufthygiene. / Revue suisse spécialisée traitant de la législation sur l’utilisation des eaux, des constructions hydrauliques, de la mise en valeur des forces hydrauliques, de la protection des eaux, de l’irrigation et du drainage, de la régularisation de lacs, des corrections de cours d’eau et des endiguements de torrents, de la navigation intérieure, de l’économie énergétique et de l’hygiène de l’air.

Gegründet 1908. Vor 1976 «Wasser- und Energiewirtschaft». / Fondée 1908. Avant 1976 «Cours d’eau et énergie».

Redaktion Roger Pfammatter (Pfa) Direktor des Schweizerischen Wasserwirtschaftsverbandes (SWV) Layout, Redaktionssekretariat und Anzeigenberatung Manuel Minder (Mmi) ISSN 0377-905X

Alte Strasse 28A 3713 Reichenbach i.K. Tel. +41 (0)33 671 32 48 Fax +41 (0)33 671 22 48 info@cabletrans.com www.cabletrans.com

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Preis Jahresabonnement CHF 120.– (zuzüglich 2,5% MWST), für das Ausland CHF 140.–, Erscheinungsweise 4 × pro Jahr im März, Juni, September und Dezember; Einzelpreis Heft, CHF 30.–, zuzüglich Porto und 2,5% MWST «Wasser Energie Luft» ist offizielles Organ des Schweizerischen Wasserwirtschaftsverbandes (SWV) und seiner Gruppen: Associazione Ticinese di Economia delle Acque, Verband Aare-Rheinwerke, Rheinverband und des Schweizerischen Talsperrenkomitees. Die publizierten Beiträge geben die Meinung der jeweiligen Autoren wieder. Diese muss sich nicht mit derjenigen der Redaktion oder der Verbände decken.

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Nachhaltigen Strom erzeugen – mit Alstom STROMERZEUGUNG Alstom stellt sich zusammen mit seinen Partnern den Herausforderungen unserer Gesellschaft. Wir verringern den ökologischen Fussabdruck unserer Kunden, optimieren die Flexibilität und die Zuverlässigkeit ihrer Kraftwerke und senken die Kosten der Stromerzeugung.

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