Wasser Energie Luft 3/2018 by Schweizerischer Wasserwirtschaftsverband SWV

Die Kander im Gasterntal (BE) wird von einer naturnahen Sediment- und Abflussdynamik geprägt (Foto: Vinzenz Maurer)

3-2018

13. September 2018

· Geschiebe- und Habitatsdynamik

· Dammbruchanalyse

· Anlagetechnik

· Wasserhaushalt 2017

Bestellen Sie unsere Verbandsschriften direkt unter: www.swv.ch Der Verband Aare-Rheinwerke 1915 bis 2015 – Rückblick auf ein Jahrhundert Wasserwirtschaft

Der Rheinverband von 1917 bis 2017 Hundert Jahre Wasserwirtschaft am Alpenrhein

Verbandsschrift 70 Herausgegeben vom Schweizerischen Wasserwirtschaftsverband zum 100-jährigen Bestehen des Rheinverbandes (RhV) «100 Jahre RhV 1917–2017»

Verbandsschrift 69 Herausgegeben vom Schweizerischen Wasserwirtschaftsverband zum 100-jährigen Bestehen des Verbandes Aare-Rheinwerke (VAR) 1

«100 Jahre VAR 1915–2015»

VS 70: Der Rheinverband von 1917

VS 69: Der Verband Aare-Rhein-

VS 68: Swiss Competences in

VS: Nr. 67, Der Schweizerische

bis 2017 – Hundert Jahre Wasser-

werke 1915 bis 2015 – Rückblick

River Engineeringand Restorta-

Wasserwirtschaftsverband 1910–

wirtschaft am Alpenrhein, von

auf ein Jahrhundert Wasserwirt-

tion, von Anton Schleiss, Jürg

2010, ein Portrait, von Walter

Michelangelo

und

schaft, von Hans Bodenmann und

Speerli, Roger Pfammatter, ISBN

Hauenstein, 2010, 156 S. Format

Roger Pfammatter, ISBN 978-3-

978-1-138-02676-6, CHF 50.–.

17 × 24 cm, ISBN 978-3 85545-

033-06777-6, CHF 10.–.

033-05079-2, CHF 10.–.

VS: Nr. 66, Die Engadiner Kraft-

VS: Nr. 65, Wasserkraft – die er-

VS: Nr. 64, Ökologische (Teil A)

VS: Nr. 63, Wasserbauer und Hyd

werke – Natur und Technik in einer

neuerbare Energie. Beiträge des

und technisch/ökonomische Qua-

rauliker der Schweiz. Kurzbio-

aufstrebenden Region, von Robert

internationalen Symposiums vom

litäten der Wasserkraft. ecocon-

graphien ausgewählter Persönlich-

Meier, 2003, 207 S., Format 28.5 ×

18./19. Okt. 2001 in Chur,

cept, Zürich und Schnyder Inge-

keiten, 2001, von Daniel L. Vischer,

20.5 cm, ISBN 3-85545-129-X,

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nieure AG, Ottenbach, CHF 40.–.

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155-5, CHF 40.–.

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VS: Nr. 62, Uferschutz und Raum-

VS: Nr. 60, Externe Effekte der

VS: Nr. 59, Geschiebetransport

VS: Nr. 57, Betrieb und Wartung

bedarf von Fliessgewässern/Pro-

Wasserkraftnutzung / Effets

und Hochwasser/Charriage et

von Wasserkraftwerken, 1998,

tection des rives et espace vital

terne de l’exploitation des forces

crues, Vorträge in Biel, 1998,

Bernard Comte, CHF 120.–.

nécessaire aux cours d’eau, 2001,

hydrauliques, 1999, CHF 50.–.

CHF 50.–.

ex-

Vorträge in Biel, CHF 40.–.

«Wasser Energie Luft» – 110. Jahrgang, 2018, Heft 3, CH-5401 Baden

Editorial Tropfen auf den heissen Stein

Roger Pfammatter Geschäftsführer SWV, Directeur ASAE

er diesjährige Sommer geht als bemerkenswert trocken und heiss in die Schweizer Statistiken ein. Unmittelbare Ursache: die nach früher Schnee- und Gletscherschmelze über Monate andauernde Niederschlagsarmut, kombiniert mit hohen Lufttemperaturen und entsprechend hoher Verdunstung. Unmittelbare Folge: viele der Fliessgewässer führten ausgeprägt unterdurchschnittliche Wassermengen bei teilweise rekordhohen Wassertemperaturen (vgl. die Kurzanalyse im Nachrichtenbeitrag ab Seite 218 in diesem Heft). Was die Anhänger von mediterranem Klima erfreut haben dürfte, hat andere zur Sorge über ein mögliches Austrocknen der Schweiz geführt. Ob und wie Niederschlag fällt, sowie ob und wann Gletscher schmelzen ist eine dem Wandel unterworfene Naturerscheinung. Wieviel vom Menschen beeinflusste Klimaveränderung dahinter steckt, ist kaum schlüssig zu beantworten. Und das menschliche Gedächtnis kein zuverlässiger Gradmesser. Denn zur Erinnerung: die drei verheerendsten Hochwasserereignisse der letz-

ten dreissig Jahre sind ebenfalls allesamt zwischen Juni und August aufgetreten, als Folge der Kombination grosser Sommerabflüsse mit Starkniederschlägen. Aktivismus ist also nicht angezeigt: die Schweiz wird nicht trockenfallen. Aber wir werden uns an eine Zunahme von Extremereignissen gewöhnen und anpassen müssen. Was können unsere Speicherseen beitragen? Lokal-regional einiges. Grossräumig und unterhalb der Alpenrandseen praktisch nichts. Der gesamte Speicherinhalt der Schweizer Stauseen beträgt gerade mal 3 % des Volumens der natürlichen Seen. Und würde man – als vereinfachtes Gedankenexperiment – das in den Bündner Stauseen zwischen April und September für den Winterstrom zurückgehaltene Schmelzwasser in den rund 100 mal grösseren Bodensee durchlassen, würde das die Seetemperatur kaum messbar verändern und den typischen Sommerabfluss im Hochrhein nur um wenige Prozentpunkte steigern. Ein Tropfen auf den heissen Stein, aber zum Preis des später fehlenden Winterstroms.

Une goutte d’eau dans l’océan

et été aura été particulièrement sec et chaud d’après les statistiques suisses. Les causes immédiates sont les faibles précipitations durant plusieurs mois faisant suite à une fonte précoce des neiges et des glaciers, combinées à des températures élevées de l’air et une évaporation élevée correspondante. En conséquence immédiate, la plupart des cours d’eau ont connu des débits nettement inférieurs à la moyenne tandis que la température de l’eau battait des records par endroits (voir la brève analyse dans l’article dès la page 218 de ce numéro). Ce qui aurait dû ravir les adeptes du climat méditerranéen a conduit d’autres à s’inquiéter d’une possible sécheresse de la Suisse. Les précipitations et leurs intensités, ainsi que la fonte des glaciers et leur moment, sont des phénomènes naturels soumis au changement. Le degré d’implication du changement climatique influencé par les humains à ce sujet est difficile à répondre précisément. Et la mémoire humaine n’est pas un indicateur fiable. Ainsi, comme rappel, les trois crues les plus dévastatrices de ces trente derni-

«Wasser Energie Luft» – 110. Jahrgang, 2018, Heft 3, CH-5401 Baden

ères années ont également eu lieu entre juin et août, suite à la combinaison d’importants débits estivaux et de fortes précipitations. L’activisme n’est donc pas de mise: la Suisse ne va pas s’assécher. Mais nous devrons nous habituer et nous adapter à une augmentation des événements extrêmes. Que peuvent apporter nos lacs de barrage? Un petit peu au niveau local ou régional, pratiquement rien à grande échelle et en aval des lacs en bordure des Alpes. La capacité de stockage totale des lacs de barrage suisses ne représente que 3 % du volume des lacs naturels. Et, comme expérience fictive simplifiée, si l’on laissait s’écouler dans le lac de Constance, environ 100 fois plus grand, les eaux de fonte retenues dans les réservoirs grisons d’avril à septembre pour l’électricité hivernale, l’augmentation de la température du lac ne serait à peine mesurable et le débit estival moyen du Haut-Rhin n’augmenterait que de quelques pourcents. Une goutte d’eau dans l’océan, mais au prix d’un manque d’électricité hivernale par la suite.

III

Inhalt

3l2018

173

Dimensionnement des orifices pour étranglement des cheminées d’équilibre Nicolas J. Adam, Giovanni De Cesare, Anton J. Schleiss

179

Probabilistische Dammbruchanalyse Samuel J. Peter, David F. Vetsch, Annunziato Siviglia, Robert Boes 174

187

Ist die Zeit reif für intelligente Anlagenüberwachung? Rudolf Tanner

191

Absenkversuch Limmat – ein hydraulischer Versuch im Massstab 1:1 Benno Zünd, Markus Federer, Matthias Oplatka

187 195

Forschungsprogramm «Wasserbau und Ökologie» Carlo Scapozza, Anna Belser

195

Erkenntnisse aus dem Projekt «Geschiebe- und Habitatsdynamik» David Vetsch, Manuela Di Giulio, Mário J. Franca, Carmelo Juez, Christoph Scheidegger, Christine Weber

201

IAM – Eine Methode zur Bewertung der Habitatvielfalt und -attraktivität von Fliessgewässerabschnitten Pascal Vonlanthen, Guy Périat, Thomas Kreienbühl, Daniel Schlunke, Norbert Morillas †, Jean-Pierre Grandmottet †, François Degiorgi

192

«Wasser Energie Luft» – 110. Jahrgang, 2018, Heft 3, CH-5401 Baden

Inhalt

3l2018

Die BeNI-Rampe – ökologische Längsvernetzung in der Surb Nanina Blank, Marco Kaufmann

209

Wasserhaushalt der Schweiz im Jahr 2017 – Einordnung und Besonderheiten Katharina Liechti, Martin Barben, Massimiliano Zappa

215

Nachrichten Politik Energiewirtschaft Wasserkraftnutzung / Wasserwirtschaft Naturgefahren / Hochwasserschutz Rückblick Veranstaltungen Veranstaltungen Agenda Literatur

217 217 217 218 220 221 223 224 224

Publi-Reportage

229

Branchen-Adressen

231

Impressum

232

199

210

223

«Wasser Energie Luft» – 110. Jahrgang, 2018, Heft 3, CH-5401 Baden

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«Wasser Energie Luft» – 110. Jahrgang, 2018, Heft 3, CH-5401 Baden

Dimensionnement des orifices pour étranglement des cheminées d’équilibre Nicolas J. Adam, Giovanni De Cesare, Anton J. Schleiss

Résumé Les orifices sont utilisés dans divers domaines de l’hydraulique par exemple pour des étranglements au pied de cheminées d’équilibre sans modification constructive de la cheminée d’équilibre. Dans ce cas, un orifice permet d’adapter un aménagement hydroélectrique existant à une augmentation modérée de débit. Une étude systématique a permis d’améliorer la connaissance de ces orifices du point vue de leur comportement asymétrique, vis-à-vis de la cavitation ou de leurs longueurs caractéristiques. Ces différents comportements ont été évalués en détail afin d’en tirer des relations empiriques permettant de caractériser chaque géométrie d’orifice du point de vue de pertes de charge cibles et du risque de cavitation. L’établissement d’un catalogue interactif sur la base des essais physiques et numériques permet aux ingénieurs de trouver une géométrie correspondant aux pertes de charge souhaitées obtenues par l’analyse numérique du comportement transitoire du système d’adduction d’eau de l’aménagement hydroélectrique.

1. Introduction Augmenter la flexibilité des aménagements hydroélectriques à haute chute permet d’améliorer leur compétitivité sur le marché électrique. Un moyen d’améliorer la flexibilité est de concentrer la production d’électricité dans un plus court laps de temps en augmentant le débit installé de l’aménagement. En règle générale, la mise en place d’un étranglement au bas des cheminées d’équilibre suffit à adapter un aménagement pour des augmentations modérées de débits et ainsi de puissance. La perte de charge souhaitée des étranglements par orifice est généralement définie avec des simulations transitoires numériques 1D (De Cesare et al. 2015; Hachem et al. 2013; Nicolet 2007) du système d’adduction d’eau complet de l’aménagement hydroélectrique. Un orifice est un moyen simple de modifier la géométrie au pied des cheminées d’équilibre et permet d’insérer une asymétrie dans le comportement hydraulique locale qui permet d’assurer la stabilité globale du système (Gabl et al. 2011) sans modification de la cheminée d’équilibre elle-même.

Zusammenfassung Drosseln werden in verschiedenen Gebieten der Hydraulik verwendet, beispielsweise beim Einlass in das Wasserschloss ohne konstruktive Veränderung des Wasserschlosses. In diesem Fall ermöglicht eine Drossel die Anpassung einer bestehenden Wasserkraftanlage an eine moderate Zunahme des Abflusses. Eine systematische Untersuchung hat es ermöglicht, die Kenntnis dieser Drossel in Bezug auf ihr asymmetrisches Verhalten bezüglich Kavitation oder ihre charakteristischen Längen zu verbessern. Diese unterschiedlichen Verhaltensweisen wurden im Detail ausgewertet, um empirische Beziehungen zur Charakterisierung jeder Drosselgeometrie unter dem Gesichtspunkt der Zieldruckverluste und des Kavitationsrisikos herzuleiten. Die Erstellung eines interaktiven Katalogs auf der Grundlage physikalischer und numerischer Tests ermöglicht den Ingenieuren, die Drosselgeometrie zu optimieren, sodass diese den gewünschten Druckverlusten aufbaut. Der Zieldruckverlust wird durch die numerische Analyse von instationäre Abflussvorgängen im Druckleitungssystem erniert.

Figure 1. Trois différentes géométries d’orifices testées dans l’étude avec définition des paramètres géométriques.

«Wasser Energie Luft» – 110. Jahrgang, 2018, Heft 3, CH-5401 Baden

173

Le dimensionnement d’un orifice et, principalement, le lien entre l’étude numérique 1D et la géométrie est actuellement réalisé au cas par cas souvent au moyen d’une étude sur modèle physique (Adam et al. 2017; Alligne et al. 2014; De Cesare et al. 2015; Hachem et al. 2013; Kendir and Ozdamar 2013). C’est pourquoi un grand nombre d’orifices avec trois différentes géométries ont été testés dans cette étude. Le but est de créer une base de données avec des essais expérimentaux et numériques reliant les caractéristiques géométriques et des coefficients de perte de charge. 2.

Méthodes

2.1. Types d’orifices Trois différentes géométries d’orifices ont été testées durant cette étude : orifice avec chanfrein, orifice avec bords arrondis ou orifice avec deux chanfreins comme montré à la Figure 1 avec la définition des paramètres géométriques testés. Ces différents orifices permettent d’introduire un

comportement asymétrique entre les deux sens d’écoulement. Au total, 55 différentes géométries d’orifice ont été testées avec différents rapports de contractions β, d’épaisseurs α, d’épaisseurs internes αi et d’angle θ. 2.2.

Modèle expérimental et simulations numériques Lors de cette étude, les orifices ont été étudiés avec une installation expérimentale (Figure 2) et des simulations numériques (Figure 4). D’un côté, l’installation expérimentale est située au Laboratoire de Constructions Hydrauliques à l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne. Comme montré à la Figure 3, la conduite principale, connectée à l’alimentation du laboratoire via deux coudes à 180 degrés, est faite en PVC avec un diamètre de 0.216 m et d’une longueur de 4 m. Afin de limiter le comportement asymétrique induit par les changements de direction des tuyaux d’alimentation du laboratoire, deux types de stabilisateur d’écoulement sont utilisés: un nid d’abeille et une croix en PVC

(d’une longueur d’environ 10DLS). La pression est enregistrée au moyen de capteurs de pression, KELLER-series 25, et le débit au moyen de débitmètre ENDRESS+HAUSER PROMAG 50 W. D’un autre côté, les simulations numériques ont été effectuées au moyen d’ANSYS CFX version 17.1. Le domaine de fluide est défini comme la conduite principale du modèle expérimental (Figure 4). L’orifice est donc placé en partie centrale de la conduite et distant de 10D des conditions de bords: débit à l’amont et pression à l’aval. Un maillage de type «O-Mesh» (ANSYS 2016) a été mis en œuvre au niveau de la section circulaire de la conduite afin d’améliorer sa qualité. Différents raffinements de maillage ou types de modèle de turbulence ont été testés et comparés aux résultats du modèle physique. Finalement, le modèle SST a été choisi avec un maillage de 1.5 millions de cellules. Les résultats (Section 3) ont été déterminés, expérimentalement, au moyen de dix débits et, numériquement, au moyen de trois débits. Même le plus petit débit caractérise un écoulement pleinement turbulent, ReD > 104 (Blevins 1984; Idel’cik 1969). 3.

Dimensionnement d’un orifice

3.1. Perte de charge stationnaire Comme abordé à la Section 1, la première étape est généralement de réaliser une étude transitoire numérique 1D dont le résultat est une paire de coefficients de perte de charge dans les deux sens d’écoulements, i. e. vers et hors de la cheminée d’équilibre. L’étude permet de trouver une ou plusieurs géométries d’orifice produisant cette paire de coefficients de perte de charge donnée. Différentes méthodes ont été développées: 1) Une feuille excel est disponible en ligne (Adam, 2017), voir Section 4. 2) Il est possible de déterminer via les relations empiriques ajustées sur les

Figure 2. Vue générale du modèle expérimental au LCH (EPFL).

Figure 3. Vue schématique en plan du modèle expérimental (LCH-EPFL). 174

«Wasser Energie Luft» – 110. Jahrgang, 2018, Heft 3, CH-5401 Baden

résultats numériques et empiriques et résumées ci-dessous: • Approche à angles vifs: Le coefficient de perte de charge dépend seulement du coefficient de contraction β et de l’épaisseur interne de l’orifice αi. Il est donc possible de déterminer des paires (β,αi) comme montré à la Figure 5 ou par l’équation (1) et le Tableau 1. • Approche chanfreinée : Pour les orifices avec un chanfrein, l’asymétrie est déterminée principalement par l’angle du chanfrein, par son épaisseur caractérisée par le coefficient αθ (Figure 1) mais aussi par le coefficient de l’épaisseur interne de l’orifice αi. Pour les orifices avec deux chanfreins, chaque coefficient de perte de charge peut être défini individuellement comme donné par l’équation (1) et le Tableau 1. • Approche arrondie: Le coefficient de perte de charge dans cette approche d’écoulement dépend très peu de la forme de l’arrondi mais plus de l’épaisseur de celui-ci, αa, comme donné par l’équation (1) et le Tableau 1.

(1)

Figure 4. Géométrie utilisée dans le modèle numérique avec zoom sur une coupe du maillage utilisé.

Figure 5. Variation du coefficient de perte de charge pour l’approche à angle vif pour le coefficient de contraction β variant de 0.4 à 0.6 et du coefficient d’épaisseur interne de l’orifice αi variant de 0 à 0.4.

Avec λk et ϒαi ont été déterminés expérimentalement et sont donnés par le Tableau 1 pour les approches chanfreinée et arrondie. 3.2. Longueurs caractéristiques Comme montré dans la Section 2, tous les orifices ont été placés dans une situation idéale avec des conduites rectilignes. Afin de pouvoir appliquer les différentes relations empiriques définies à la Section 3.1, des longueurs caractéristiques ont été mises en évidence et leur influence sur les coefficients de perte de charge ont été évaluées. D’un côté, la longueur d’influence (Figure 6) caractérise la partie de la conduite à l’aval de l’orifice qui est perturbée par l’orifice. D’un autre côté, la longueur de rattachement caractérise la longueur aval où le jet se rattache à la paroi de la conduite (Figure 6). Les équations (2) et (4) prédisent respectivement les longueurs d’influence et de rattachement.

Figure 6. Champs de pression et de vitesse dans la conduite avec un orifice en position centrale – définition des longueurs d’influence Lj et de rattachement Lr.

(2) avec λj est donné par l’équation (3) pour les orifices avec un chanfrein.

Tableau 1. Coefficients utilisés pour l’évaluation empirique (donnée à l’équation [1]) des pertes de charge en fonction des différentes approches définies à la Figure 1.

«Wasser Energie Luft» – 110. Jahrgang, 2018, Heft 3, CH-5401 Baden

175

(3) avec dI,j = 0.97 · αi + 0.14

(4)

avec

et al,r, bl,r, cl,r sont données par l’équation (5).

(5)

La Figure 7 montre les variations de lr et lj pour différents paramètres géométriques: le coefficient de contraction β, d’épaisseur interne de l’orifice αi et du l’angle de chanfrein θ.

Des essais expérimentaux sur l’influence de la position de l’orifice dans une jonction en Té ont été réalisés et ont montrés que l’influence des conditions avales se limitent à la longueur de rattachement (Adam 2017; Adam and De Cesare 2015). Cependant, la longueur d’influence reste intéressante afin de déterminer la mise en place de différents orifices en série (Zhang and Chai 2001). 3.3. Cavitation Il est possible de trouver différentes géométries d’orifice produisant le même couple de pertes de charge. Cependant, certaines géométries sont plus susceptibles de subir de la cavitation que d’autres. La cavitation peut être acceptée selon certaine occurrence et sévérité si elle n’influence pas les pertes de charge (Ferrarese et al. 2015; Malavasi and Messa 2011) et donc le fonctionnement global du système en charge. Le nombre d’apparition de la cavitation caractérise les conditions d’apparition

des premières bulles de cavitation au bord de l’orifice. Cette faible cavitation influence peu les pertes de charge et peut être trop conservateur pour le design. C’est pourquoi, un nombre d’apparition de la cavitation dans la veine contractée à l’aval de l’orifice a été développé. L’équation permet de prédire le nombre d’apparition de la cavitation tandis que l’équation prédit le nombre d’apparition de la cavitation dans la veine contractée. Pour chaque orifice, σvc est toujours plus petit que σi comme la cavitation dans la veine contractée se produit après. (6) avec λσ = 1 + 4.15 sin2 (2θ)

(7) (approche angle vif) (approche chanfreinée)

Lier à chaque géométrie d’orifice avec un chanfrein et un nombre d’apparition de la cavitation permet de choisir l’orifice le moins sujet à la cavitation. En outre, il est possible de mettre en évidence l’apparition dans à supprimer de la cavitation durant des oscillations de masse dans une chambre d’équilibre (comme montré par la Figure 8).

Figure 7. Evolution des longueurs adimensionnelles de rattachement lr et d’influence lj pour trois coefficients d’épaisseur (αi=0, 0.2 et 0.4) et deux angles vifs (θ=0° et 45°).

Figure 8. Evaluation graphique du risque d’apparition de la cavitation dans une cheminée d’équilibre soumis à une fermeture d’urgence entrant une oscillation de masse convergeante. 176

4. Utilisation de l’ «ExpertSheet» La Figure 9 présente l’ExpertSheet disponible en ligne (Adam 2017). Ce fichier Excel résume tous les résultats expérimentaux et numériques réalisés durant la thèse. Il permet de déterminer les coefficients de pertes de charge voulus dans les deux directions d’écoulement et un intervalle de résultats acceptables. Il est ainsi possible de classer les orifices selon leur éloignement par rapport aux pertes de charge cibles avec les résultats cibles. Dès lors, il est possible de mettre en évidence les angles de chanfrein capables de produire l’asymétrie voulue. 5. Conclusions Trois différentes géométries d’orifice ont été étudiées avec des modèles expérimentaux et numériques. Pour ces trois géométries, il est possible de lier directement non seulement une géométrie à une paire de coefficient de perte de charge mais aussi l’inverse. Ceci est de grande utilité dans la pratique

«Wasser Energie Luft» – 110. Jahrgang, 2018, Heft 3, CH-5401 Baden

Idel’cik, I. (1969). «Mémento des pertes de charges singulières et de pertes de charges par frottement [Handbook of singular and friction head losses].» Eyrolles, Paris. Kendir, T. E., Ozdamar, A. (2013). «Numerical and experimental investigation of optimum surge tank forms in hydroelectric power plants.» Renewable Energy, 60, 323–331. Malavasi, S., Messa, G. V. (2011). «Dissipation and Cavitation Characteristics of Single-Hole Orifices.» Journal of Fluids Engineering, 133(5), 051302. Nicolet, C. (2007). «Hydroacoustic modelling and numerical simulation of unsteady operation of hydroelectric systems,Thesis report 3751.» Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne,

Figure 9. Capture d’écran de l’ «Expertsheet» en ligne sur Adam (2017).

Lausanne (Switzerland). Zhang, Q. Y., Chai, B. Q. (2001). «Hydraulic

en permettant d’estimer rapidement une géométrie avec un catalogue interactif qui est disponible en ligne. Les essais expérimentaux et numériques ayant été réalisés pour des conditions optimales (conduite rectiligne et champ de vitesse symétrique), il est possible d’évaluer les longueurs aval caractéristiques pour lesquelles les résultats sont utilisables. Hors de ces bornes, une analyse plus poussée devrait être réalisée même si le résultat expérimental ou numérique reste une bonne approximation. Une démarche basée sur le nombre d’apparition de la cavitation donne un critère supplémentaire dans le choix de géométries produisant les mêmes paires de coefficients de perte de charge. Plus ce nombre d’apparition de la cavitation est faible, moins l’orifice est susceptible à la cavitation. Il est aussi possible d’utiliser ce nombre afin d’évaluer le risque de cavitation d’un orifice de cheminée d’équilibre lors d’une oscillation de masse.

a Throttled Surge Tank for Refurbishment by

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Adresse des auteurs

Advances in Hydroinformatics, Springer, 325–

Nicolas J. Adam , Giovanni De Cesare, Anton

336.

J. Schleiss

ANSYS. (2016). «ANSYS IDEM CFD user’s ma-

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Auteur de correspondance

Co., 1, 568.

nicolasjean.adam@alumni.epfl.ch

De Cesare, G., Adam, N. J., Nicolet, C., Billeter, P., Angermayr, A., and Valluy, B. (2015). «Surge tank geometry modification for power increase.» The International Journal on Hydropower & Dams, Bordeaux (France). Ferrarese, G., Messa, G. V., Rossi, M. M., Malavasi, S. (2015). «New method for predicting the incipient cavitation index by means of singlephase computational fluid dynamics model.» Advances in Mechanical Engineering, 7(3), 168781401557597.

Remerciements

Gabl, R., Achleitner, S., Neuner, J., Gotsch, H.,

Les auteurs remercient la fondation The Ark

Aufleger, M. (2011). «3D-Numerical Optimisa-

pour l’innovation en Valais et l’Office Fédérale

tion of an Asymmetric Orifice in the Surge Tank

de l’Energie via son programme sur la force hy-

of a High-head Power Plant.» Proceedings of

draulique pour le financement de cette recher-

the 34th World Congress of the International

che.

Association for Hydro-Environment Research and Engineering: 33rd Hydrology and Water

Bibliographie

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The wise find pleasure in water: meandering

gium.

through water science and engineering, Inter-

Adam, N. J., De Cesare, G., Nicolet, C., Billeter,

national Association for Hydraulic Engineering

P., Valluy, B., Schleiss, A. J. (2017). «Design of

and Research, Chengdu (China).

«Wasser Energie Luft» – 110. Jahrgang, 2018, Heft 3, CH-5401 Baden

177

2 017 EKZ

SIG - Jay Louvion

2 016

zVg

2 018 TALSPERREN IN DER SCHWEIZ DIGHE IN SVIZZERA

BARRAGES EN SUISSE DAMS IN SWITZERLAND TA LSP ERR EN IN DE R SC HW EIZ DIG HE IN SV IZZ ERA

BA RR AG ES EN SU ISS E DA MS IN SW ITZ ERL AN D TA LS PE RR EN IN D ER D IG H SC H W E IN SV EI Z IZ ZE RA

BA RR A G ES EN SU ISSE DA M S IN SW IT ZE RL AND

Talsperrenkalender 2019 / Calendrier des barrages 2019 Das Schweizerische Talsperrenkomitee wird auch für 2019 den beliebten Talsperrenkalender herausgeben. Folgende Stauanlagen werden vorgestellt: Lago bianco, Zervreila, Valle di Lei, Montsalvens, Cleuson, Naret, Bannalp, Rempen, Gigerwald, Sufers, Sella, Godey, Carassina und Vieux-Emosson. Auf der Rückseite der Abbildung finden sich Tourismus-Informationen in der Landessprache, in welcher die Stauanlage steht. Alles in allem ein sympatisches Geschenk für Kunden, Freunde und Bekannte, mit welchem Ihre Firma im 2019 stets präsent ist. Le Comité suisse des barrages publiera encore pour 2019 son calendrier tant apprécié. Les barrages suivants seront présentés: Lago bianco, Zervreila, Valle di Lei, Montsalvens, Cleuson, Naret, Bannalp, Rempen, Gigerwald, Sufers, Sella, Godey, Carassina et Vieux-Emosson. Au verso des images vous trouverez des informations d’ordre touristique sur la région du barrage (dans la langue de la région). Il s’agit donc d’un joli cadeau pour vos clients et amis afin de leur rappeler votre entreprise de façon sympathique durant toute l’année. Das Bestellformular ist auf der Homepage: http://www.swissdams.ch unter «News» aufgeschaltet. Bestellungen sind ab sofort bis spätestens am 10.09.2018 möglich per E-Mail: bestellung_swissdams@lombardi.ch oder per Post: Schweizerisches Talsperrenkomitee, P. Lazaro c/o Lombardi AG, Winkelriedstrasse 37, 6003 Luzern Le formulaire de commande est disponible sur le site internet du CSB: http://www.swissdams.ch sous la rubrique «News». Les commandes sont à adresser jusqu’au 10.09.2018 par email: bestellung_swissdams@lombardi.ch ou par poste: Schweizerisches Talsperrenkomitee, P. Lazaro c/o Lombardi AG, Winkelriedstrasse 37, 6003 Luzern

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

«Wasser Energie Luft» – 110. Jahrgang, 2018, Heft 3, CH-5401 Baden

Probabilistische Dammbruchanalyse Samuel J. Peter, David F. Vetsch, Annunziato Siviglia, Robert Boes

Zusammenfassung Das besondere Gefährdungspotenzial gilt in der Schweiz als Unterstellungskriterium für Stauanlagen. Die Beurteilung dieses Gefährdungspotenzials erfolgt mittels sogenannter Dammbruchanalyse, bestehend aus der Modellierung des Stauanlagenbruchs, der Berechnung der Flutwellenausbreitung und der Quantifizierung der entsprechenden Gefährdung. Dabei wird die Gefährdung als «Schadensauswirkung von Flutwellen» verstanden. Im Falle von Erdschüttdämmen kommt dem Bruchszenario grosse Bedeutung zu, weil Kenntnisse über «realistische» oder «Worst-Case»Szenarien grösstenteils fehlen. In diesem Artikel wird eine Vorgehensweise vorgestellt, um Unsicherheiten in der Dammbruchmodellierung gerecht zu werden. Dabei wird der Prozess des Dammbruchs als physikalisch basiertes und deterministisches Modell abgebildet. Das probabilistisch kalibrierte Dammbruchmodell bildet drei verschiedene Bruchregimes ab, welche sich in der Charakteristik des Bruchprozesses unterscheiden. Durch Variation der Inputparameter generiert das Dammbruchmodell einen probabilistischen Hydrographen. Diese stochastische Information kann dank effizienter Flutwellenberechnung mit hoher Genauigkeit ins Gefährdungsgebiet übertragen werden. Schlussendlich wird das Gefährdungspotenzial in Form von probabilistischen Überflutungskarten analysiert. Anhand eines Beispiels wird die Anwendung der vorgestellten Vorgehensweise aufgezeigt und diskutiert.

1. Einleitung Das im Stauanlagengesetz (StaG, 2013) und der revidierten Stauanlagenverordnung (StaV, 2013) festgelegte Ziel der staatlichen Aufsicht von Stauanlagen ist es, die Bevölkerung vor den Konsequenzen eines unkontrollierten Austretens von grösseren Wassermassen aus einer Stauhaltung zu schützen (sogenannte Stauanlagensicherheit). In der Schweiz werden Stauanlagen unterschiedlichen Aufsichtsbehörden zur Überwachung unterstellt. Als Unterstellungskriterien werden die Grösse (Stauhöhe über einer Gelände-Referenzkote und Stauvolumen) und das besondere Gefährdungspotenzial herangezogen (BFE, 2015). Unter dem besonderen Gefährdungspotenzial wird die Schadensauswirkung von Flutwellen verstanden (BFE, 2014) und kann mit dem Risiko eines Stauanlagenbruchs gleichgesetzt werden, definiert über das Produkt der Eintretenswahrscheinlichkeit eines spezifischen Bruchszenarios und des resultierenden Schadens an Mensch und Infrastruktur. Die Quantifizierung des Gefährdungspotenzials erfolgt mittels sogenann-

ter Dammbruchanalyse (siehe Bild 1): Das Modell zur Berechnung des Stauanlagenbruchs resp. das Dammbruchmodell liefert einen Ausflusshydrographen, welcher als Randbedingung für die Berechnung der Flutwellenausbreitung dient. Die Überflutungsgrössen wie Fliesstiefe und Fliessgeschwindigkeiten werden wiederum als Input für die Risikobeurteilung resp. die Quantifizierung des besonderen Gefährdungspotenzials benötigt. Die Auswahl an verfügbaren numerischen Modellen für jede der drei Teilaufgaben ist gross. Die Unterschiede liegen vor allem im Detaillierungsgrad und der räumlich-zeitlichen Auflösung der physikalischen Vorgänge. Oft sind jedoch praktische Gründe für die

Wahl eines spezifischen Modells verantwortlich, so wie die Rechenzeit oder das Wissen / Unwissen über entsprechende Modellparameter. Bei der Analyse von Erdschüttdämmen kommen oft vereinfachte physikalische oder statistische Dammbruchmodelle zum Einsatz, welche lediglich den Spitzenabfluss des Hydrographen oder die finale Grösse der Dammbresche berechnen (ASCE/EWRI, 2011; Vetsch und Boes, 2016). Folglich ist auch kein hoher Detaillierungsgrad bei den rechenintensiven Überflutungsmodellen angemessen. Kenntnisse über «realistische» oder «Worst-Case»-Dammbruchszenarien fehlen grösstenteils (Vonwiller et al., 2015). Die diesbezügliche Unwissenheit beruht auf den hochgradig nichtlinearen und teils schnell ablaufenden Erosionsprozessen von überströmten Schüttdämmen, auf lückenhafter und widersprüchlicher Dokumentation von historischen Dammbruchereignissen und auf der Schwierigkeit von repräsentativen Laborversuchen. Obwohl der Dammbruchprozess in den letzten Jahrzehnten durch verschiedene Forschungsarbeiten untersucht wurde (Wallner, 2014; Frank, 2016; Boes et al., 2017; Rüdisser, 2017; Rüdisser und Teschernutter, 2018), ist das Verständnis nach wie vor beschränkt und nicht allgemein übertragbar (Morris et al., 2008). Die grossen Unsicherheiten in der Dammbruchmodellierung führen zu einer geringen Aussagekraft und Zuverlässigkeit des berechneten Gefährdungspotenzials. Um diesen Unsicherheiten Rechnung zu tra-

Bild 1. Dammbruchanalyse, aufgeteilt in die drei Teilmodelle: (1) Dammbruchmodell, (2) Berechnung der Flutwellenausbreitung und (3) Quantifizierung des Überflutungsrisikos resp. des sog. Gefährdungspotenzials (adaptiert nach Peter [2017]).

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gen, wird hier die Anwendung von probabilistischen Methoden vorgeschlagen. 2. Monte Carlo Simulation Die konkrete Vorgehensweise bei einer Monte Carlo (MC) Simulation ist in Bild 2 ersichtlich. Die Inputparameter des deterministischen Dammbruchmodells (DBM) werden als Zufallsvariablen modelliert, beschrieben durch Wahrscheinlichkeitsfunktionen, welche das Wissen des Modellierers repräsentieren. Daraus werden N zufällige Parametersätze gezogen, mit welchen das Dammbruchmodell N Abflusshydrographen berechnet, welche dann die Simulation von N Überflutungen ermöglichen. Schlussendlich kann an ausgewählten Punkten im Überflutungsgebiet wieder eine Wahrscheinlichkeitsfunktion (mit N Stichproben) für Fliesstiefe und / oder Fliessgeschwindigkeiten beschrieben werden, welche zur robusten Quantifizierung des Gefährdungspotenzials verwendet werden kann. Die Information der anfänglichen Unsicherheiten des Dammbruchmodells wird somit mittels MC-Simulation durch das System

propagiert und resultiert in probabilistischen Überflutungskarten. Unsicherheiten in Inputparametern für die Flutwellenausbreitung, wie etwa Topographie, Auflösung des Berechnungsgitters oder Reibungswerte, werden hier als vernachlässigbar betrachtet. Alternativ könnten jene Parameter auf konzeptionell gleiche Weise wie die Dammbruchparameter als Wahrscheinlichkeitsfunktion beschrieben werden. Nachfolgend werden die einzelnen Teile der MC-Simulation näher beschrieben und diskutiert. Zusätzlich wird anhand eines Beispiels die konkrete Anwendung illustriert. 3.

Deterministisches Dammbruchmodell BASEbreach Das eine Herzstück der MC-Simulation ist das neu entwickelte, deterministische und auf physikalischen Prozessen basierte Dammbruchmodell, im folgenden BASEbreach genannt. BASEbreach wurde ausschliesslich für homogene Erdschüttdämme entwickelt, was die Modellanwendung klar begrenzt. Die Anfangs-

phase des Dammbruchs, d. h. jegliche Prozesse, welche von der Bruchursache abhängig sind, wird bei der Modellierung nicht berücksichtigt. Diese Abgrenzung ist einerseits durch das Fehlen der Eintretenswahrscheinlichkeiten der einzelnen Bruchursachen und das Unwissen der Zusammenhänge zwischen Bruchursache und dem weiteren Verlauf der Dammerosion motiviert. Andererseits führen verschiedene Bruchursachen (Überströmen, innere Erosion, Böschungskollaps usw.) zu ähnlichen makroskopischen Erosionsprozessen im Falle einer progressiven Erosion (siehe Bild 3) (Singh, 1996; ASCE/EWRI, 2011; Volz, 2013). Die hier betrachteten Erosionsprozesse werden unter dem Begriff der progressiven Oberflächenerosion zusammengefasst und beinhalten • die Eintiefung der initialen Bresche • die Verbreiterung der Bresche • und eine allmähliche Entleerung des Reservoirs. Mathematisch können die Erosionsprozesse in einfacher Form als Massenerhaltung des aus dem Reservoir fliessenden Wassers und des erodierten Dammmaterials abgebildet werden:

(1)

Bild 2. Vorgehensweise bei der Monte Carlo Simulation zur Berechnung der probabilistischen Überflutungsvariablen (adaptiert nach Peter [2017]).

Bild 3. Verschiedene Bruchursachen wie (a) Überströmen, (b) innere Erosion, oder (c) luftseitige Böschungsinstabilität führen zu einer initialen Bresche, welche durch das Auslaufen des aufgestauten Wassers vergrössert wird (Aufleger und López, 2016). 180

Durch Integration dieser Differentialgleichungen kann der Hydrograph Qb (t) berechnet werden. Alle Variablen und Parameter in BASEbreach stellen physikalische Grössen mit entsprechenden Einheiten dar (siehe Bild 4 und Peter [2017] für Details). Die Grundidee von BASEbreach beruht auf verschiedenen Annahmen und Vereinfachungen. Die Breschen- und Hydraulikgrössen beziehen sich auf den Kontrollquerschnitt, in welchem kritischer Fliesszustand auftritt (L-L in Bild 4). Der Breschenausfluss wird durch die Wehrformel berechnet. Die Retentionskurve des Reservoirs wird durch eine Potenzfunktion VR~Hrα angenähert, charakterisiert durch deren Exponenten α. Die Breschenform ist ebenfalls über eine Potenzfunktion S(w)~|w|1/(k–1) definiert, wobei w eine Laufvariable im Breschenquerschnitt ist (siehe Bild 4c). Die Breschenform kann dadurch zwischen einer Dreiecksform (k = 2) und einer Rechteckform (k → 1) variieren. Der Winkel an der Oberkante der Breschenböschung β wird während des ganzen Bruchs als konstant angenommen und repräsentiert den Ruhewinkel des Dammmaterials.

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Bild 4. Parametrisierung des deterministischen Dammbruchmodells BASEbreach, dargestellt in (a) Dammquerschnitt, (b) Dammansicht und (c) Kontrollquerschnitt der Bresche (Peter, 2017): Die verschiedenen Modellparameter und -variablen können in Dammgeometrie (Dammhöhe hd , Kronenbreite wc , Böschungsneigung se , Höhe des nichterodierbaren Untergrunds [z. B. Felsoberkante] über Dammfundation Hb,min ) , Reservoircharakteristiken (Volumen Vr , Wasserspiegel Hr , Oberfläche-Volumen-Relation), Breschengeometrie (Breschenvolumen Vb , Breschenunterkante über Dammfundation Hb [Breschen-UK], Breschenbreite Wb , Breschenböschungswinkel β) und hydraulische Grössen (EnergiehöheΔ H, kritische Abflusstiefe hc , Abfluss von Wasser Qb und Dammmaterial Qs ) unterteilt werden. Die Erosionsmenge wird durch empirische Sedimenttransportformeln qs = γ · v v · rhη quantifiziert, charakterisiert durch die Exponenten ν und η (z. B. Meyer-Peter Müller, kombiniert mit Strickler-Reibungsgesetz: ν = 3 und η = –0.5). Der Vorfaktor γ dient zur Beschleunigung oder Verlangsamung des Erosionsprozesses. 4. Probabilistische Kalibrierung Alle Eingangsgrössen in BASEbreach sind physikalische Grössen, wobei nicht alle Parameter einfach zu bestimmen sind. Geometrische Grössen von Damm und

Reservoir sind anhand von Dokumenten und Feldmessungen definiert, entweder als fixe Grösse (ohne Unsicherheiten) oder als Wahrscheinlichkeitsfunktion (mit Berücksichtigung der Unsicherheiten). Der Sedimenttransport innerhalb der Bresche wird durch nichtgeometrische Parameter quantifiziert und die entsprechenden Werte sind weder im Labor noch im Feld zu messen. Demzufolge bedarf es einer Kalibrierung dieser Werte, im Speziellen des Vorfaktors γ. Die probabilistische Kalibrierung von BASEbreach wurde anhand von Bayesschen Verfahren durchgeführt

(Peter et al., 2018). Die dazu herangezogenen Daten stammen ausschliesslich von dokumentierten Dammbrüchen in natura, bei welchen Informationen über die Abflussspitze und die finale Breschengrösse vorhanden sind (Wahl, 1998). Es wurde davon ausgegangen, dass die verbauten Dammmaterialien und die geometrischen Grössen so gewählt wurden, dass eigentlich kein Dammbruch entstehen sollte. Davon kann bei Dammbruchversuchen im Labor oder im Feld nicht ausgegangen werden, und die Erosionsprozesse und deren Geschwindigkeiten könnten merklich von den nichtantizipierten Brüchen abweichen. Demzufolge wurden für die Kalibrierung keine Versuchsdaten berücksichtigt. Die probabilistische Kalibrierung hat für die Sedimenttransportrate qs =γ · v 4.4 · rh –0.77 ergeben, wobei γ = LN (–8.8,0.75) durch eine Lognormalverteilung beschrieben ist; v und rh sind die Fliessgeschwindigkeit bzw. der hydraulische Radius im betrachteten Fliessquerschnitt. Eine globale Sensitivitätsanalyse mit Berücksichtigung aller Unsicherheiten hat ergeben, dass im Falle eines progressiven Dammbruchs die Unsicherheit in der Skalierungsgrösse γ bestimmend ist. Andere Grössen, welche typischerweise ebenfalls mit Unsicherheiten behaftet sind (z. B. initiale Breschengrösse, Retentionskurve, Böschungswinkel), zeigen eine deutlich kleinere Auswirkung auf den Spitzenabfluss oder die finale Breschengrösse. Zusammen mit den Systemgrössen Dammhöhe hd und Stauvolumen Vr kann die Skalierungsgrösse γ verwendet werden, um dem Gesamtsystem ein sogenanntes «Erosionpotenzial» Ep = f(Vr ,hd ,γ) zuzuordnen: je höher das Erosionspotenzial, desto schneller die Dammerosion und tendenziell höher der Spitzenabfluss

Tabelle 1. Beschreibung der drei Regimes, welche sich in der Charakteristik des Bruchprozesses, der Prozessgeschwindigkeit und der Eigenschaften des resultierenden Hydrographen unterscheiden. «Wasser Energie Luft» – 110. Jahrgang, 2018, Heft 3, CH-5401 Baden

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Bild 5. Untersuchte Dämme und entsprechendes Regime, charakterisiert durch Dammhöhe hd und Reservoirvolumen Vr , wobei das Reservoirvolumen mit hd3 normiert ist. Die gepunkteten Linien sind Isolinien der Systemgrössen hd (horizontal) und Vr (diagonal) (z. B. konstantes Reservoirvolumen von 10 Mio m3 bei zunehmender Dammhöhe, siehe Pfeil). Die drei Regimes (1) unvollständiger Bruch, (2) Übergangsbereich und (3) vollständiger Bruch sind durch verschiedene Graustufen gekennzeichnet (siehe Tabelle 1). Um einen Bezug zu Schweizer Verhältnissen zu schaffen, sind neben den Kalibrierungsdaten auch die im Kanton Zürich untersuchten kleinen Staudämme (Vonwiller et al., 2015) eingetragen.

(a)

(b)

(c) Bild 6. Resultate der probabilistischen Kalibrierung des Dammbruchmodells: (a) Spitzenabfluss Qp , (b) finale Breschenbreite Wf , (c) relativ zum gespeicherten Volumen aus dem Reservoir austretendes Wasservolumen V0 . Die grossen Grafiken stellen den Erwartungswert (...) und die kleinen Grafiken den Variationskoeffizienten sqrt(10^Var - 1) (mit Var als Varianz im logarithmischen Raum) dar. Die schwarzen Linien definieren die verschiedenen Regimes der Bruchcharakteristiken (vergleiche Bild 5 und Tabelle 1). Der eingezeichnete Punkt steht für das Beispiel von hd = 5 m und Vr = 125 000 m3. Qp. Die folgenden Beziehungen scheinen intuitiv und wurden im numerischen 2-DModell bestätigt (Vonwiller et al., 2015): • je grösser das Stauvolumen Vr, desto grösser ist die potenzielle Energie, welche genutzt werden kann, um die Erosion voranzutreiben und • je grösser die Skalierungsgrösse γ, 182

desto schneller ist der Erosionsprozess. Die Tatsache, dass Reservoirs mit hohen Dämmen oftmals ein grosses Stauvolumen haben und dadurch ein hohes Erosionpotenzial aufweisen, wird durch die Definition des Erosionspotenzials in Abhängigkeit des Stauvolumens abge-

deckt. Die alleinige Berücksichtigung der Dammhöhe hd ist zwiespältig. Einerseits bedeutet ein hoher (und damit voluminöser) Damm einen erhöhten Erosionswiderstand, andererseits ist die Lageenergie des Reservoirs ebenfalls erhöht. Bei kleinen Stauvolumen besteht die Möglichkeit, dass ein unvollständiger progressiver Bruch stattfindet, d. h., die Dammerosion kommt zum Stillstand, bevor das Reservoir vollständig entleert ist. Im Gegensatz dazu sind beim vollständigen Bruch die Erosionsprozesse selbstbeschleunigend und das gesamte Stauvolumen fliesst durch die entstandene Bresche aus. Zwischen diesen beiden Regimes befindet sich ein Übergangsbereich. Darin ist die Unsicherheit der Skalierungsgrösse γ entscheidend, ob sich ein vollständiger oder unvollständiger Bruch ausbildet. Demzufolge ist es in diesem Bereich schwierig vorauszusagen, welcher Bruchprozess sich in Wirklichkeit entwickeln würde, und es wird die Existenz eines kritischen Systemzustands vermutet. Die Abgrenzung zwischen diesen drei Regimes, welche in Tabelle 1 und in Bild 5 ersichtlich sind, wurde anhand des kalibrierten Modells BASEbreach quantifiziert (siehe Bild 6). Alle zur

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Kalibrierung herangezogenen Daten fallen in den Bereich des vollständigen Bruchs (einzelne in den Übergangsbereich). Dies wird als erfolgreiche Validierung der Regimegrenzen betrachtet, da mögliche Daten von unvollständigen Brüchen nicht im Katalog von historischen Dammbrüchen enthalten sind. In Bild 6 sind verschiedene Outputgrössen von BASEbreach in Abhängigkeit von Dammhöhe hd und normiertem Reservoirvolumen nv = Vr/ hd3 dargestellt. Jeder Punkt in diesen Abbildungen kann einem Damm-Reservoir-System zugeordnet werden. Die Variabilität der Ausgangsgrössen (quantifiziert durch den Variationskoeffizienten) stammt von den verschiedenen Unsicherheiten in den Eingangsgrössen, im Speziellen im Vorfaktor γ des Sedimenttransports. Zum Beispiel kann in Bild 6a für hd = 5 m und Vr = 125 000 m3 ein mittlerer Spitzenabfluss von ungefähr Q_p = 80 m3/s mit einem Variationskoeffizient von 0.5 (Standardabweichung von 0.3 und einem 95 %-Intervall zwischen Q_p = 20 m3/s und Q_p = 326 m3/s) herausgelesen werden. Anhand von Bild 6b kann eine finale Breschenbreite von Wf = 12 m erwartet werden, was ungefähr der doppelten Dammhöhe entspricht. Dabei wird sich das Reservoir vollständig entleeren. Da sich das System schon sehr nahe beim Übergangsbereich befindet, haben die Unsicherheiten der Eingangsgrössen eine grosse Auswirkung auf die Belastbarkeit des Spitzenabflusses. Im Bereich des vollständigen Bruchs liegen die Variationskoeffizienten zwischen 0.3 und 0.4 (Standardabweichungen von 0.2 und 0.25), was mit Angaben zu Ungenauigkieten von rein statistischen Modellen vergleichbar ist (ASCE/EWRI, 2011). Bild 6 diente als Grundlage zur Bestimmung der Regimegrenzen. Der Vergleich mit der Standardbresche in Bild 7 zeigt, dass für die Regimes des unvollständigen Bruchs und des Übergangsbereichs die Standardbresche den Spitzenabfluss klar überschätzt. Jedoch ist eine Unterschätzung im Regime des vollständigen Bruchs auszumachen. Dies ist insbesondere hervorzuheben, da sich in diesem Bereich die historischen Dammbrüche häufen und demzufolge auch zukünftige Dammbrüche zu erwarten sind. Vor diesem Hintergrund ist die alleinige Anwendung der Standardbresche zur Risikobeurteilung eines Dammbruchs ungenügend.

Bild 7. Vergleich zwischen dem probabilistisch kalibrierten Dammbruchmodell und der Methode der Standardbresche: Die Wahrscheinlichkeit, dass der mit der Methode der Standardbresche berechnete Spitzenabfluss (Qp,SB = 2.58 hd 5/2) erreicht und überschritten wird im Vergleich zu Qp , berechnet mit BASEbreach.

Tabelle 2. Parameter zur Modellierung des exemplarischen Dammbruchs des ICOLDBenchmarks: U steht für eine Gleichverteilung, definiert durch unteren und oberen Randwert, LN steht für eine Lognormalverteilung, definiert über Mittelwert und Standardabweichung der zugehörigen Normalverteilung. 5.

Effiziente Überflutungssimulationen Um die Unsicherheiten des Dammbruchmodells, ausgedrückt als Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Eingangsgrössen von BASEbreach, in die Berechnung des Gefährdungspotenzials mit einzubeziehen, sind mehrere 1000 Ausflusshydrographen als Randbedingung in der Flutwellenberechnung zu berücksichtigen (MC-Simulation, siehe Bild 2). Dazu sind genaue, robuste und vor allem effiziente Simulationen notwendig. Die Simulationssoftware BASEMENT löst die Flachwassergleichungen auf unstrukturierten Gittern zuverlässig und genau. Die verlangte Recheneffizienz wurde durch Vektorisierung des numerischen Kerns von

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BASEMENT erlangt. Die neue Version von BASEMENT kann sowohl auf herkömmlichen Multi-Core Prozessoren, als auch auf Grafikkarten mit GPU (Graphics Processing Unit) verwendet werden. Mit der GPUVersion von BASEMENT ist nicht nur eine je nach Modellgrösse ca. 100-mal schnellere Berechnung der Flutwelle möglich, sondern auch die dafür benötigte Hardware ist deutlich kostengünstiger. 6.

Anwendungsbeispiel Hydrocity Zur Veranschaulichung der Vorgehensweise bei der MC-Simulation für die Dammbruchanalyse (siehe Bild 2) wird der numerische Benchmark, formuliert am ICOLD-Workshop in Graz 2013 (Zenz 183

Bild 8. Resultat des probabilistischen Dammbruchmodells (adaptiert nach Peter [2017]): (a) 5000 mögliche Hydrographen im Qp – Wf Raum, inklusive der Randverteilungen. Es sind sowohl vollständige Brüche als auch unvollständige Brüche zu erwarten; (b) zwei exemplarische Dammbrüche und deren Zeitreihen für ausgewählte Grössen, jeweils für einen vollständigen (oben) und unvollständigen (unten) Bruch.

Bild 9. Probabilistische Überflutungskarte (adaptiert nach Peter, 2017).

Bild 10. Schwellenwerte nach BFE-Richtlinien (BFE, 2014) zur Einschätzung des Gefährdungspotenzials für drei verschiedene Unterschreitungswahrscheinlichkeiten (0.5, 0.75, und 0.95). 184

& Goldgruber, 2013), herangezogen. Die Datengrundlage ist dabei ausgezeichnet: Nebst hochauflösendem Terrainmodell sind auch jegliche Angaben zu Dammgeometrie und Schüttmaterialien vorhanden. Trotz der unüblich guten Datengrundlage unterscheiden sich die berechneten Überflutungsflächen der verschiedenen Teilnehmer des Benchmarks deutlich. Die Resultate aller Teilnehmer zusammen zeigen ein gutes Bild der involvierten Unsicherheiten in der Dammbruchmodellierung, einem einzelnen Teilnehmer bleibt dieses Bild jedoch verwahrt. Die hier vorgestellte Vorgehensweise soll auch einem einzelnen Modellierer das Gesamtbild vermitteln. Die für das Beispiel gewählten Eingangsgrössen des Dammbruchmodells BASEbreach sind in Tabelle 2 ersichtlich. Aus den Wahrscheinlichkeitsverteilungen wurden N = 5000 Samples gezogen, welche die Parametersets für die MCSimulation definieren. Die resultierenden Dammbruchhydrographen sind in Bild 8 dargestellt. Das untersuchte Damm-Reservoir-System liegt mit 50 < Vr / hd3 ≈ 170 < 500 im Regime des Übergangbereichs, und es resultieren neben vollständigen auch unvollständige Brüche. Der mittlere Spitzenabfluss liegt bei ungefähr 6500 m3/s, und die erwartete finale Breschengrösse von ca. 46 m ist deutlich kleiner als die Dammhöhe von 61 m. Die anschliessende Flutwellenberechnung dieser N = 5000 Hydrographen wurde mit der GPU-Version von BASEMENT auf einer Nvidia-Tesla-P100-Grafikkarte gerechnet. Die räumliche Diskretisierung der Überflutungsfläche erfolgte über ein unstrukturiertes Dreiecksgitter mit 200 000 Zellen. Zur Berechnung eines 12 Stunden andauernden Hydrographen wurden durchschnittlich 36 Sekunden Rechenzeit benötigt, was 1200-mal schneller als der Echtzeit entspricht. Innerhalb 24 Stunden konnten somit 2400 mögliche Ausflusshydrographen prozessiert werden. Die resultierenden probabilistischen Überflutungsgrössen sind in den Bildern 9 und 10 dargestellt. Die probabilistische Überflutungskarte in Bild 9 zeigt die Wahrscheinlichkeit, mit welcher an einem bestimmten Ort eine Überflutung stattfindet. Ein Grossteil des unten liegenden Gebiets wird mit hoher Wahrscheinlichkeit überflutet. Nur am Rand des Gebiets und auf einigen Erhöhungen bleibt eine Überflutung eventuell aus. Ebenfalls wird eine Fläche unterhalb eines Beckens nur mit geringer Wahrscheinlichkeit überflutet. In Bild 10 sind die Schwellenwerte

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der Fliessintensität I = max(h,vh) zur Bestimmung des besonderen Gefährdungspotenzials dargestellt (BFE, 2014). Auch diese Schwellenwerte sind nun durch Wahrscheinlichkeitsfunktionen beschrieben. So können für ausgewählte Perzentile (z. B. 50, 75 und 95) die betroffenen Gebiete ausfindig gemacht werden. Die Unterschiede zwischen den Karten für verschiedene Perzentile zeigen einerseits, dass der Wahl eines bestimmten Perzentils zur Evaluierung des Gefährdungspotenzials grosse Bedeutung zukommt. Andererseits können die daraus resultierenden Entscheidungen quantitativ begründet werden; trotz oder gerade wegen den vorherrschenden Unsicherheiten. 7. Schlussfolgerungen Bei der Modellierung von Erddammbrüchen spielen Unsicherheiten verschiedenen Ursprungs eine grosse Rolle. Wie aussagekräftig das gewählte Modell, wie zutreffend die entsprechende Parametrisierung und wie genau die zur Verfügung stehenden Daten sind, ist bei einer Dammbruchanalyse schwierig abzuschätzen. Häufig wird angenommen, dass es sich bei einem betrachteten Szenario um den «Worst Case» handelt, wobei die Genauigkeit der verwendeten Modelle im Sinne einer «Black Box» nicht hinterfragt wird. Wie einst der englische Staatsmann und Philosoph Sir Francis Bacon (1561–1626) meinte: «If a man will begin with certainties, he shall end in doubts; but if he will be content to begin with doubts he shall end in certainties.», motivierte diese Tatsache zur Entwicklung einer probabilistischen Vorgehensweise. Dabei werden die Unsicherheiten in der Dammbruchmodellierung mittels Monte Carlo Simulationen durch die deterministischen und physikalisch basierten Dammbruch- und Flutwellenmodelle propagiert. Die resultierenden probabilistischen Überflutungskarten vermitteln ein ganzheitliches Bild. Dies erfordert jedoch ein Umdenken bei der Interpretation der Resultate. Anstatt konkreter Werte aufgrund eines Ereignisses, wie etwa der Überflutungsintensität bei gegebenem Abfluss, wird die Wahrscheinlichkeit, dass ein gewisses Ereignis eintritt, berechnet. Dies ermöglicht die zuverlässige Berechnung des Risikos im Falle eines Dammbruchs durch Multiplikation der Wahrscheinlichkeit mit dem Schaden, welcher beim Eintreten des Ereignisses entsteht. Zur praktischen Umsetzung des probabilistischen Gefährdungspotenzials kann auch ein oberer Grenzwert definiert werden, z. B. eine Unterschreitungswahr-

scheinlichkeit von 95 %. Mit den heute verfügbaren Computertechnologien steht dieser aussagekräftigen Vorgehensweise nichts mehr im Weg.

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Hönggerbergring 26, CH-8093 Zürich

Peter, S. J., Nagel, J. B., Marelli, S., Boes, R. M.,

http://www.vaw.ethz.ch

Sudret, B., Vetsch, D. F., Siviglia, A. (2018). Development of probabilistic dam breach model using Bayesian inference. Water Resources Research. doi: 10.1029/2017WR021176. Rüdisser, B. (2017). Einfluss der Kornverteilung des Schüttmaterials und einer Oberflächendichtung auf die Breschenentwicklung und die Abflusskurve beim Versagen eines Schüttdammes durch Überströmen. Dissertation, Institut für Wasserbau und Ingenieurhydrologie, Technische Universität Wien. Rüdisser, B., Tschernutter, P. (2018). Failure of embankment dams due to overtopping – experimental study and hydrograph prediction. Proc. ICOLD Symposium Hydro Engineering, Wien, Paper T5-24. Singh, V. P. (1996), Dam breach modeling technology. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Niederlande. Stauanlagengesetz (StAG). Bundesgesetz über die Stauanlagen, Schweizerische Eidgenossenschaft, Stand am 1. Januar 2013.

«Wasser Energie Luft» – 110. Jahrgang, 2018, Heft 3, CH-5401 Baden

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Ist die Zeit reif für intelligente Anlagenüberwachung? Rudolf Tanner

Zusammenfassung Die Schweiz ist ein Land der Wasserkraftwerke. Viele Kleinwasserkraftwerke sind nur mit der Standardüberwachung oder einer Notabschaltung ausgerüstet. Eine zusätzliche oder sogar intelligente Überwachung, der Wälzlager, ist fast nie vorzufinden weil die erwarteten Installationskosten als zu hoch eingeschätzt werden. Aber die Kosten für entsprechende Hardware sind gesunken und Anbieter von Cloud-basierter Überwachungssoftware können die Kostenvorteile an ihre Kunden weiterreichen. So befinden sich heute die Investitionskosten oft nur noch im vierstelligen Bereich. Betreiber, die Erfahrung mit einem Wellenbruch hatten oder keine Fachkräfte mehr finden, sind gegenüber intelligenter Überwachung offener. Als erster Schritt wird die Zustandsüberwachung (Condition Monitoring‚ CM), angesehen, wo, basierend auf historischen Messwerten, Aussagen zum aktuellen Maschinen- oder Komponentenzustand gemacht werden. Erst wenn genügend Daten vorhanden sind, speziell solche, die den Verlauf von Defekten wiedergeben, kann die Königsdisziplin, die Wartungsvorhersage (Predictive Maintenance‚ PM), ins Auge gefasst werden. Der Übergang von CM zu PM ist ein Fokus dieses Fachberichts.

1. Ausgangslage Die Schweiz hat 650 Grosswasserkraftwerke mit >300 kW und über 1000 Kleinwasserkraftwerke mit <10 MW Leistung. Damit werden 63 % des Stromes in den Bergkantonen erzeugt. Grosswasserkraftwerke sind teure Investitionen, und daher werden solche Anlagen immer mit Überwachungstechnik ausgestattet. Bei der Kleinwasserkraft sieht dies anders aus. Dafür gab es Gründe wie die Installationskosten, die Anlagen waren robust dimensioniert und hielten 40 und mehr Jahre und man hatte Fachpersonal zur Verfügung. Neue Technologien und der Einsatz von Wartungssoftware könnten dies ändern.

Bei der Wartung unterscheidet man zwischen Predictive Maintenance (PM), das Schäden vorhersagt, und Condition Monitoring (CM), was den Anlagezustand überwacht. PM war an der Hannover Messe Industrie (HMI) ein aktuelles Thema, wohingegen das CM, die Zustandsüberwachung, schon etabliert ist. Viele Windkraftanlagenbetreiber setzen CM ein, weil die Versicherungen sie dazu motivieren. Änderungen bei der Einspeisevergütung, schrumpfende Personalbudgets, Erfahrungen mit unerwarteten Produktionsverlusten oder Anlagendefekten, ausgereizte Maschinenkonstruktionen (auch Hydroanlagen werden nicht mehr

Bild 1. Beispiel einer Turbine-Generator-Komposition eines Kleinwasserkraftwerks. «Wasser Energie Luft» – 110. Jahrgang, 2018, Heft 3, CH-5401 Baden

unnötig überdimensiert) oder Fachkräftemangel, wenn die eigenen Schwingungsexperten in Pension gehen, können den Einsatz von CM oder PM notwendig machen. Eine Instandhaltungssoftware kann mittels Resultaten von PM/CM ergänzt werden, um die Effizienz zu steigern. In diesem Bericht wollen wir, ausgehend von CM, auf PM überleiten und die Anforderungen und Grenzen aufzeigen, damit Anlagenbetreiber, speziell Kleinwasserkraftwerke, den Einsatz der Technologie in Betracht ziehen können. 2. Stand der Technik Grosswasserkraftwerke, Dampf- und Gasturbinen, Schiffsdiesel oder Minenanlagen sind schon lange mit CM ausgestattet, welche u. U. eine Notabschaltung auslösen. Zum Einsatz kommen oftmals SCADA («supervisory control and dataacquisitionbasierte») Systeme wie auch bei Windkraftanlagen. Solche Leitsysteme vereinen Datenakquise, Messwertdarstellung und Regelung und stellen die erwartete Anlagenfunktion sicher. PM geht noch einen Schritt weiter und soll aus den Messwerten mögliche Defekte frühzeitig erkennen können und ideallerweise sogar die verbleibende Restlebensdauer von Komponenten/Maschinen vorhersagen. Messwerte, wie RMS-Vibrationswerte, werden teilweise im 10-MinutenIntervall (SCADA) festgehalten. Aus der Summe aller Daten ermitteln CM-Verfahren, ob z. B. die Vibrationen auf einen Wälzlagerdefekt schliessen lassen. Getriebe, Kugelund Wälzlagerdefekte lassen sich durch Frequenzanalysen sicher erkennen, aber es ist fraglich, ob bei den gängigen groben Abtastintervallen solche Aussagen gemacht werden können. Es ist auch unsicher, wie gut sich Erkenntnisse bezüglich Maschinendefekte zwischen Anlagen transferieren lassen. Uns ist keine Publikation bekannt, welche beweist, dass zwischen unterschiedlichen Maschinen eine hohe Korrelation bezüglich Fehlermuster von Wälzlagerdefekten besteht. 187

Moderne CM- oder Überwachungssoftware erlaubt das Setzen von AlarmSchwellwerten, um den personellen Aufwand zu reduzieren. Bild 2 zeigt ein Beispiel, wo die Schwellwerte an den relevanten Lager-Defektfrequenzen gesetzt werden und man keinen breitbandigen Schwellwert (Giesskannenprinzip) mehr hat. Dem Einsatz von CM oder sogar PM steht heute nichts mehr im Wege: günstige und leistungsfähige Prozessoren, CloudSpeicher, breite Funkabdeckung (LTE/5G) und IoT, grosse Fortschritte bei künstlicher Intelligenz (KI) wie das maschinelle Lernen (ML) und Verfügbarkeit von relevanten (open-source) Software-Tools. Der Einsatz von neuartigen statistischen Verfahren, Stichwort KI, steht bei Leitsystemen noch am Anfang, da diese (Blackbox) Methoden sehr schwierig zu validieren sind und man bei Grossanlagen eher konservativ ist. Aber bei CM und vor allem PM finden diese neuartigen Methoden regen Anklang. Viele (akademische) Konzepte sind leider wohl nicht industrietauglich weil sie mit vereinfachten Daten aus dem Messlabor entwickelt wurden. Um Lager- oder Getriebedefekte zu identifizieren, verwenden Schwingungsexperten immer noch Frequenzanalyse-

verfahren, d. h. das Vibrationssignal wird mittels Fourieranalyse in seine Frequenzen zerlegt und visuell interpretiert. Dies nennen wir die etablierte oder traditionelle Methode. Die gängigsten Verfahren sind die Amplituden-Fourieranalyse, Hüllkurvenanalyse, Ordnungsanalyse oder Cepstrum. Je nach Vorliebe wird das Beschleunigungssignal (m/s2) oder die Schwinggeschwindigkeit (mm/s) analysiert. Der Personalaufwand und die ansonst beschränkte Beurteilung an einem Zeitpunkt machen eine kontinuierliche und automatisierte Analyse attraktiv. Die Wirksamkeit ist generell nicht leicht nachzuweisen. Eine konservative Wartung, bei der schon bei Verdacht gewechselt wird, verhindert eine Messung der Falschalarmrate oder auch Sensitivität. Ein grosser zentraler Datenpool, der eine höhere Anzahl an echten Schadensfällen beinhaltet, würde hier Erleichterung schaffen. Um zukünftig vollautomatisierte Systeme einzusetzen braucht es entsprechende Methoden wie das Kurtogramm in Bild 3. Es veranschaulicht in welchem Frequenzbereich welche Kurtosis gemessen wurde. Die Kurtosis charakterisiert die Wölbung einer Verteilung: eine hohe Wölbung hat mehr Extrema, d. h. mehr Ausreisser. Ein Lagerdefekt verursacht überdurchschnittlich gro-

b) Bild 2. Aktuelle CM-Software erlaubt, intelligente Schwellwerte zu definieren. a) Fünf Schwellwerte werden automatisch erstellt; b) Die Alarmmeldung zeigt sogar, welcher Schwellwert den Alarm getriggert hat. 188

sse Signalausschläge, wenn die Kugel über ein Loch rollt. Bei der Sensorik beginnt man langsam, MEMS (micro-electro-mechanicalsystems) einzusetzten, welche es vorzugsweise in mehrdimensionaler Ausführung gibt. MEMS sind klein, leicht und sehr günstig herzustellen und erlauben auch das ökonomische Ausrüsten von kleinen Maschinen. Nachteilig sind deren begrenzte Bandbreite und Empfindlichkeit auf Schläge, was deren Einsatzspektrum heute noch begrenzt. Wir setzen schon erfolgreich 2D-MEMS bei Gleitlagern ein. Wachsende Märkte der Robotik und mobilen Geräte werden in den kommenden Jahren den Sensormarkt massiv ausweiten und viele neue, billige und vor allem kleine Sensoren auch zur Maschinenüberwachung bereitstellen. Davon profitieren speziell CM und PM. 3. Maschinenüberwachung 4.0 Der Einsatz von IT-Technologien ist der Kern von 4.0-Systemen, so auch bei CM und PM. Ein Ziel bei CM und PM ist das Wissen von (Schwingungs-)Experten in Software abzubilden um die relevanten Informationen aus den Daten zu extrahieren damit Aussagen zum Zustand von Lagern oder Getrieben gemacht werden können. Die Qualität und Quantität von Daten ist der Schlüssel zum Erfolg bei KI-basierten Verfahren. Das fängt bei der Wahl von passenden und korrekt platzierten Sensoren an. Diese Sensordaten müssen zuerst digitalisert und dann vorverarbeitet werden. Hier sind die korrekte Wahl der Abtastfrequenz, Bitauflösung und Filterbandbreite wichtig. Informationen welche schon bei der Digitalisierung fehlen, können später nicht mehr rekonstruiert werden und limitieren somit die Performanz. Diese Daten werden dann typischerweise in eine Cloud, intern oder extern, zur Verarbeitung geschickt. Dabei kann jeder Sensor seine Daten direkt via eines Gateways (WLAN) schicken, oder ein sog. EdgeDevice bündelt die Sensordaten und schickt diese in die Cloud. Oftmals werden im EdgeDevice auch schon Voranalysen durchgeführt, aber diese sind im Umfang beschänkt, weil das Gerät ja nur Zugriff auf die zur Verfügung stehenden lokalen Daten hat, und es hierzu auch noch eine Datenbank im EdgeDevice bräuchte. In der Cloud können Informationen aus den Daten aller Maschinen berücksichtigt werden, mittels «cross-fertilization», «transfer learning» oder «fusion», was zu besseren Resultaten führt und allen Nutzern zugute kommt. Der Nutzen von CM oder PM, bei der zur Lager- und Getriebeüberwachung, und somit die Beschaffungs- und Betriebs-

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kosten für ein solches System, wird unterschiedlich beurteilt. Ein 2-MW-Wasserkraftwerk verliert z. B. mindestens CHF 4512.– (48 h × 2000 kW x 4.7 Rp.), wenn es zwei Tage still stünde [1]. Eine Gondelbahn hat einen grösseren Umsatzausfall, wenn sie für vier Wochen während der Wintersaison ausfällt, weil ein Ersatzgetriebe nicht sofort lieferbar ist. Oder ein Rechenzentrum kann beim Ausfall einer Kühlpumpe nicht die volle Rechenkapazität verkaufen. Dagegen stehen die offensichtlichen Alternativen der Wartungsverantwortlichen: 1) Ersatzteile an Lager halten, 2) redundante Anlagen, 3) alle 6 Monate den Vibrationsdoktor den Maschinenzustand überprüfen lassen. Option 1 und 2 sind teuer, und Ersatzteile können Lagerungsschäden entwickeln und sind dann nicht mehr einsatzfähig wenn man sie braucht. Option 3 bietet nur eine Momentaufnahme eines Zustandes. Zur betriebswirtschaftlichen Beurteilung wäre aber noch die Kenntnis der Ausfalldauer- und Ausfallwahrscheinlichkeit hilfreich. Aber bei einer konservativen Wartung kennen Anlagenbetreiber diese Zahlen meistens nicht. Bei Windkraftanlagen (WKA) ist das anders [2,3]. Studien haben gezeigt, dass die Instandhaltung über eine lange Laufzeit zwischen 30 und 160 EUR/kW oder pro Jahr 2 % der Investition [4], kostet und dass Generator oder Getriebe schon nach 5 bis 10 Jahren defekt sind. Gerne würden Anlagenbetreiber aber den Wartungszeitpunkt selbst bestimmen, denn Offshore-WKA sind nicht immer zugänglich und die Hinfahrt teuer. Daher sind PM-Systeme für solche Branchen besonders attraktiv. Die Kosten für ein CM/PMSystem sollten sich also am Ausfallpotenzial und an den Alternativen zur Prävention orientieren. Das US-Electric-Power-ResearchInstitute hat eine Wartungskostenreduktion

durch PM allein von 24 $/PS auf 9 $/PS geschätzt, was hohe Erwartungen weckt. 4.

Maschinelles Lernen (ML) und Künstliche Intelligenz (KI) Aktuell wird im Bereich KI versucht, alle Probleme mit sog. Deep-Neural-Networks (DNN) und deren Variationen zu lösen. Zuerst wird ein neuronales Netz mittels vieler Daten für ein bestimmtes Vorhersageproblem trainiert [5]. Das resultierende Modell kann dann für diese Anwendung wie Sprach- oder Bilderkennung verwendet werden. Die Menge und Qualität der Daten bestimmen die Güte des Modells wie Falschalarmrate und Detektionsrate. Gute Bilderkennungsmodelle, um 1000 Klassen (Hund, Katze, Velo usw.) zu unterscheiden, brauchen typ. 1 Mio und mehr Trainingsbilder. Jedes Bild muss annotiert sein, d. h., sein Inhalt ist separat beschrieben und Klassen zugeordnet. Diese Aufgabe ist langwierig und teuer und wird oftmals an Internetbenutzer (sog. Crowdsourcing) ausgelagert. Dieses Vorgehen ist bei der Maschinenüberwachung nicht anwendbar: man kann weder 19 Jahre warten, oder 19 baugleiche Anlagen ein Jahr lang parallel betreiben, um 1 Mio. Datensätze (10-Min.-Intervall) mit hoffentlich wertvollem Informationsgehalt (Schadensfällen) aufzunehmen, noch Laien im Internet fragen welche Informationen die Daten beinhalten. Also braucht es einen anderen Ansatz. Die Maschinendaten in der Cloud kommen von einer Vielzahl von Messstellen. Diese repräsentieren physikalische Messwerte wie Temperatur, Beschleunigung, Geschwindigkeit, Drehzahl, Position, Feldstärke, Spannung oder Strom, und zum anderen davon abgeleitete (berechnete) Werte wie Mittelwert, Varianz, Kurtosis, Gradient

Bild 3. Das Kurtogramm zeigt an, wo sich Extrema befinden, Wert >3, welche eventuell von einem Defekt stammen. «Wasser Energie Luft» – 110. Jahrgang, 2018, Heft 3, CH-5401 Baden

oder Frequenzamplituden. Diese Daten liegen in einer Datenbank vor, eine Spalte pro Parameter (auch «feature» genannt). Dateneinträge, d. h. Zeilen mit Zeitstempel, können in regelmässigen Intervallen, wie alle zehn Minuten oder täglich, erhoben werden oder sind triggerbasiert. Um aber einen Lagerdefekt identifizieren zu können, wird eine feine Frequenzauflösung gebraucht was lange Messungen bedingt (10 Sekunden für eine Auflösung von 0.1 Hz), und zu hohem Datenvolumen führt. Den Anlagenzustand kann man z. B. mittels der Norm DIN/ISO 10816-3 beurteilen. Diese besagt, dass eine Maschine (>300 kW) auf starrem Fundament für bis zu 2.3 mm/s Schwinggeschwindigkeit für Dauerbetrieb geeignet ist, und ab 4.5 mm/s nicht mehr permanent betrieben werden soll und somit zu reparieren ist. In einem aktuellen CM-System kann man sich aber auch die Signalpegel an Lagerdefektfrequenzen ansehen. Bild 4 zeigt den Verlauf von täglichen Messwerten und wenn die Maschine ruht. Erkennbar ist eine Phase, wo der Pegel innerhalb eines Monats stark ansteigt. Im April wurde dann das Lager präventiv vom Betreiber ersetzt. Der Totpunkt des Lagers, d. h. Referenzpunkt, wann das Lager als Totalschaden gilt uns somit wann die Maschine abzuschalten ist, ist Definitionssache. Eine akademische Untersuchung hat eine Vibrationsbeschleunigung von 20 g als Totpunkt angenommen, während DIN 10816-3 eine Schwinggeschwindigkeit von 7.1 mm/s dafür definiert. Weitverbreitet ist bei CM der Ansatz mittels Klassifizierung, wie z. B. Anomalie-Detektion («outlier-detection»). Wenn man nur Daten von guten Maschinenteilen hat, dann lernt der ML-Algorithmus die Charakteristik der guten Lager. Kommt nun ein ungewöhnlicher Datenwert, wegen eines Defektes, dann meldet der Algorithmus einen Alarm. Die Schwierigkeit generell ist, den realen Defekt von einem (guten) Ausreisser unterscheiden zu können, v. a. wenn man nur mit gemittelten Werten arbeitet. Deshalb ist eine korrekte Defektdetektion komplexer. Man könnte nun noch kinematisches Wissen einbringen, indem man Frequenzspektren nach relevanten Frequenzmustern durchsucht. Dem ML-Algorithmus wird z. B. ein feines Frequenzspektrum zugeführt, was leider die Komplexität eines neuronalen Netzwerkes massiv erhöht. Des Weiteren müssen fachmännisch annotierte Daten (Trainingsdaten) zur Genüge vorhanden sein. CM kann jedoch nur etwas über den aktuellen Zustand einer Anlage aussagen, wenn es eventuell schon zu spät ist. Anla189

Bild 4. Beispiel eines Alterungsverlaufs eines Rollenlagers bei einem 400-kW-Generator.

Bild 5. Prüfbank, die Vibrationsdaten von Industrielagern sammelt. gebetreiber wollen Produktionsunterbrüche und Reparaturen planen können. Daher braucht es PM, auch Prognostik genannt, das zum Ziel hat, Defekte vorherzusagen, und damit die «remaining useful life» (RUL) zu bestimmen. Weil CM die Vergangenheit festhält, kann PM auf diesen Daten aufbauend versuchen, in die Zukunft zu extrapolieren. Bild 4 zeigt exemplarisch eine solche Historie (rote Punkte), von der man durch Regression einen Trend extrahieren kann. Zwei Beispiele, exponenziell (grün) und stückweise linear (blau), sind dargestellt. Für eine Extrapolation ist es dann notwendig vorherzusagen, wie dieser Trend sich weiterentwickelt, was eines der schwierigsten Probleme darstellt. Die oben schon erwähnten CM-Methoden kann man auch als Vorhersager («predictor») einsetzen, indem man sie mit einer temporalen Komponente (eine Art Gedächnis) kombiniert, um den Trend zu extrahieren und weiterzuführen. Solche Algorithmen, wie rekursive neuronale Netzwerke, finden auch in Sprachrobotern (Apple-Siri, Amazon-Alexa) Anwendung. Doch was lässt sich heute konkret vorhersagen? Die Verheissungen von PM-Anbietern an der HMI waren beeindruckend, wie «Lagerausfall in 200 h, defekter Keilriemen in 10Tagen usw.». Konsultierte Schwingungs190

experten sind skeptisch, weil die Datenqualität nicht sichergestellt ist, oder weil aus Kostengründen auf Datenminimierung gesetzt wird, und Voraussagen über drei Monate hinaus seien Humbug. Die erzielbare Qualität von PM hängt allgemein von drei Faktoren ab. Erstens, dass man genügend relevante Daten von (baugleichen) Komponenten mit Defekten hat. Zweitens, dass Metadaten an der Quelle erfasst werden (wie die Schmierung) und auch Annotierungen von Experten vorhanden sind. Drittens, dass die Datenqualität stimmt, d. h. korrekt verbaute Sensoren, keine Störfeldeinstreuung. Generell ist die erzielbare Performanz zurzeit offen, weil man noch zu wenig Daten hat. Wir verfolgen deshalb noch weitere Wege. Seit mehr als 20 Monaten werden Daten von weit über 120 Komponenten bei 17 Kunden gesammelt. Ausserdem generiert eine Prüfbank Daten von Lagern, welche wir durch Überlast langsam kaputt machen. Eine zweite Prüfbank sammelt Daten zur Charakterisierung von defekten Lagern, deren Defekt uns genau bekannt ist. Schliesslich werden aus den Datenund Erkenntnissen synthetische Daten en masse generiert, die von echten Daten nicht zu unterscheiden sind, um das zeitige Trainieren von KI-Algorithmen zu ermöglichen.

Abschliessend lässt sich festhalten, dass PM die logische Weiterentwicklung von CM ist. Dass die Hardwarekosten einen Bereich erreicht haben, der die Nachrüstung bei kleineren, auch abgelegenen Maschinen erschwinglich macht. Dass die wiederkehrenden Ausgaben für den Zugang zur Cloudbasierten Überwachungssoftware auch für KMU oder Gemeinden leicht tragbar sind. Dass die Integration von CM/PM-Resultaten in eine Instandhaltungssoftware realisierbar und empfehlenswert ist, damit u. a. die Metadaten auch ausgewertet werden können. Ausserdem führen Cloud-basierte CM/PMLösungen auch zu Effizienzsteigerungen bei Schwingungsexperten, wenn deren Reisezeiten wegfallen und sie dank kontinuierlicher Maschinenüberwachung Einblick auf die Historie erhalten. Damit der Mehrwert von PM genutzt werden kann, sollten Anlagenbetreiber sich im Klaren sein dass zuerst genügend Daten vorhanden sein müssen, z. B. 3 bis 18 Monate bei täglicher Datenakquise je nach Maschinentyp. Die Arbeit mit fortschrittlichen Softwaretools wie CM oder PM ist dann sicher auch wieder ein Grund, dass man junge Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter für die Wartung begeistern kann. Der Einsatz von CM ist nicht mehr aufzuhalten. PM wird auch bald standardmässig angeboten. Betriebe, welche diese Technologien zukünftig nicht nutzen, eventuell integriert in einer Wartungssoftware, werden weniger effizient arbeiten können als andere. Literatur [1] «Zur Wirtschaftlichkeit der Wasserkraft», https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2016/04/zur-wirtschaftlichkeit-der-wasserkraft.html (14.7.18) [2] «CONDITION-MONITORING

WIND

TURBINES: STATE OF THE ART, USER EXPERIENCE

AND

RECOMMENDATIONS»,

https://www.vgb.org/vgbmultimedia/383_Final+report-p-9786.pdf (14.7.18) [3] «Erodierende Rotoren», http://www.taz. de/!5486175/ (14.7.18) [4] «Betriebs- und Wartungskosten», http:// drømstørre.dk/wp-content/wind/miller/windpower%20web/de/tour/econ/oandm.htm (14.7.18) [5] «Data-Mining – das etwas andere Eldorado», https://www.researchgate.net/publication/283421995_Data_Mining_-_das_etwas_ andere_Eldorado (14.7.18)

Anschrift Dr. Rudolf Tanner, Mechmine GmbH CH-9478 Azmoos, info@mechmine.com

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Absenkversuch Limmat – ein hydraulischer Versuch im Massstab 1:1 Benno Zünd, Markus Federer, Matthias Oplatka

Zusammenfassung Der Zürichsee-Spiegel wird in Zürich rund zwei Kilometer limmatabwärts des SeeEndes durch das Wehr beim Platzspitz reguliert. Bei grösseren Abflussmengen limitiert die dazwischenliegende Rathausbrücke das Abflussvermögen. Im Rahmen des Projekts «Hochwasserschutz Sihl, Zürichsee, Limmat» hat der Kanton Zürich einen Absenkversuch an der Limmat durchgeführt zur Überprüfung der hydraulischen Modelle. Ziel war die Messung der Wasserlinie bei möglichst hohem Gefälle zwischen See und Wehr. Das bedingte eine fast vollständige Absenkung des Platzspitzwehrs. Das Vorhaben hatte beträchtliche Auswirkungen auf viele Stakeholder und erforderte entsprechende Vorbereitungen. Der Absenkversuch im Mai 2016 lieferte wesentlich aussagekräftigere Werte als frühere Messungen.

Résumé Le niveau du lac de Zürich est régulé par le barrage du Platzspitz. Ce dernier est situé en aval sur la Limmat, à environ deux kilomètres de l’extrémité du lac. En cas de débits importants, la capacité du tronçon situé entre le lac et le barrage est limitée par le pont du Rathausbrücke. Dans le cadre du projet cantonal «Hochwasserschutz Sihl, Zürichsee, Limmat», un test d’abaissement du niveau d’eau a été effectué sur ce tronçon afin de vérifier le résultat de modèles hydrauliques. L’objectif de ce test était de mesurer la ligne d’eau au long du tronçon pour un gradient aussi élevé que possible, ce qui a nécessité un abaissement presque complet du barrage aval du Platzspitz. Ce projet a eu des implications importantes pour les riverains et a nécessité des préparatifs appropriés. Ce test d’abaissement, qui s’est déroulé en mai 2016, a fourni des résultats beaucoup plus significatifs que les mesures précédentes.

Auswirkungen eines höheren Zürichsee-Pegels klären Das Projekt «Hochwasserschutz Sihl, Zürichsee, Limmat» des Kantons Zürich hat zum Ziel, die Stadt Zürich vor Hochwasser zu schützen. Langfristig soll ein Entlastungsstollen zwischen Langnau am Albis und Thalwil Hochwasserspitzen der Sihl in den Zürichsee überleiten. Die Pöyry Schweiz AG, die TK Consult AG und die Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft, WSL, untersuchten die Auswirkungen der geplanten Umleitung von Sihl-Hochwasserspitzen in den Zürichsee im Teilprojekt «Massnahmen Zürichsee-Limmat». Die Untersuchungen zeigten, dass eine Überleitung zu einem zusätzlichen Anstieg des Zürichsee-Spiegels von durchschnittlich rund fünf Zentimetern führt. Weiter war abzuklären, ob diese Seespiegelerhöhung durch eine Erhöhung der Abflusskapazität

der Limmat in der Innenstadt kompensiert werden kann.

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Der Zürichsee wird mit dem 1951 in Betrieb genommenen Platzspitzwehr reguliert. Das Platzspitzwehr liegt aber zwei Kilometer unterhalb des Seeausflusses und verliert bei Hochwasser seine Kontrollfunktion. Grund dafür ist der schmale, durch Einbauten zusätzlich verengte Moränendurchbruch in der Zürcher Altstadt (Bild 5). Dieser Engpass bei der Rathausbrücke limitiert die Abflusskapazität der Limmat – selbst bei völlig abgesenktem Platzspitzwehr – und verursacht einen Anstieg des Zürichsees. Will der Kanton Zürich einem Seespiegelanstieg entgegenwirken, so ist eine Erweiterung dieses Limmat-Engpasses unumgänglich. Eine solche Kapazitätserhöhung dient auch bei kleineren Hochwasserereignissen der besseren Regulierung des Zürichsees. Für die Berechnung der Auswirkungen auf der Basis von Niederschlagszenarien und zur Untersuchung baulicher Massnahmen wurde die Limmat zwischen Seeausfluss und Platzspitzwehr numerisch in 1D und 2D modelliert. Wasserspiegelmessungen zur Kalibrierung dieser Modelle waren vorhanden, aber mit diversen Mängeln behaftet. Eine eindeutige und aktuelle Eichbasis bei möglichst abgesenktem Wehr fehlte.

Bild 1. Die abgesenkte Limmat beim Heiristeg mit Resten des alten Holzstegs und den schon seit Längerem dokumentierten Unterspülungen am Heimatwerk (Quelle Andreas Huber). 191

Absenkversuch zur Messung der Wasserlinie bei hohem Gefälle Aus diesem Grund lancierte das Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft (AWEL) des Kantons Zürich im Juni 2013 während eines längeren Seehochstands einen Absenkversuch. Hauptziel war die Überprüfung der numerischen Rechenmodelle (Abstich- und Abflussmessungen). Weitere Ziele waren: schlecht zugängliche Partien der innerstädtischen Ufermauern inspizieren und deren Verhalten bei abgesenktem Wasserspiegel beobachten; Positionen und Verhalten von Wasserfassungen bei abgesenktem Wasserspiegel überprüfen; Strömungsverhalten im Bereich Münster-/ Rathausbrücke mit einer neuen Methode

(Drohne plus Particle Image Velocimetry, PIV) analysieren. Geplant war eine schrittweise Absenkung des Platzspitzwehrs. Schon vorher war aber bekannt, dass im Bereich der Walchebrücke eine systemrelevante (d. h. mit weitreichenden Folgen bei einem allfälligen Versagen) Brauchwasserfassung mit hoch liegendem Ansaugstutzen trockenfallen könnte. Diese Fassung wurde während des Versuchs überwacht. Prompt begann sie schon nach dem ersten Absenkschritt Luft anzusaugen, worauf das AWEL den Versuch abbrach. Zwar konnte wenigstens der Ausgangszustand vor der Absenkung noch gemessen werden; auch der Abfluss war dank der Ultraschall-Doppler-Profil-Strömungsmes-

Bild 2. Das abgelegte und für zwei Stunden beinahe frei durchströmte Platzspitzwehr, 230 m3/s (Quelle AWEL).

sung (Acoustic-Doppler-Current-Profiler, ADCP) eindeutig bekannt, aber die Wasserspiegelgefälle im unteren Teil waren flach und damit wenig aussagekräftig. Im Nachgang wurden alle Wasserrechtsnehmer brieflich aufgefordert, ihre Anlagen auf ihre Funktionalität bei tiefen Limmat-Spiegeln zu überprüfen. Die besagte systemrelevante Fassung wie auch weitere wurden baulich angepasst. Daraufhin beauftragte das AWEL die Pöyry Schweiz mit der Organisation eines neuen Absenkversuchs bei möglichst abgesenktem Platzspitzwehr. 3.

Terminierung des Versuchs für Mai/Juni 2016 Die Laichzeit der Salmoniden beschränkt das Zeitfenster für einen Absenkversuch in der Limmat auf die Monate Juni bis September. Das Zeitfenster kann um wenige Wochen erweitert werden, wenn für den Absenkversuch ein Hochwasser genutzt werden kann. Die Sommerferien fallen ebenfalls weg, weil die Akteure nicht verfügbar sind. Und schliesslich ist auch der Herbst ungeeignet, weil dann ausreichende Zuflüsse zur Verhinderung einer zu starken Seeabsenkung nicht gesichert sind. Für die Durchführung des Absenkversuchs verbleibt somit das Zeitfenster Mai/Juni. Der Versuch wurde schliesslich auf die Nacht vom 27. auf den 28. Juni 2016 terminiert (Fall A). Falls vor Ende Juni ein Hochwasser auftreten sollte, würde der Versuch vorgezogen (Fall B, Seestand über 406.15 m ü. M.). Bei einem Hochwasser sind die Auswirkungen (Absenkung des Zürichsees, Wasserspiegelabsenkungen in Zürich, Abflussänderungen im Unterwasser des Platzspitzwehrs) wesentlich geringer. Im Gegenzug ist die Terminierung kurzfristig, was ausreichende Personalreserven erfordert. Im Fall A wiederum sind die vor wenigen Jahren in Kraft getretenen, fischereilich bedingten Maximalgradienten für die Abflüsse im Unterwasser des Platzspitzwehrs zu beachten. Bei Abflüssen unter 100 m3/s verlängern sie die Versuchsdauer wesentlich und haben daher eine stärkere Absenkung des Zürichsees zur Folge. 4.

Bild 3. Freigelegte Kühlwasserentnahme oberhalb des Platzspitzwehrs, Fliessrichtung von rechts nach links. Rechts die Fassung mit dem Seiher, links die Rückgabe (Quelle AWEL). 192

Planung und Information der Stakeholder Eine erste technisch zu klärende Frage betraf die Uferstabilität oberhalb des Platzspitzwehrs. Dies umso mehr, weil bei der ersten kompletten Ablegung des Wehrs 1953 ein Stück Ufermauer eingestürzt war. Nach der Beschaffung der verfügba-

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ren Pläne bei diversen Amtsstellen wurden die Uferabschnitte beurteilt und priorisiert. Prioritäre Abschnitte wurden auf ihre geotechnische Sicherheit hin untersucht. Zwar resultierte keine signifikante Gefährdung, dennoch wurden zur Erfassung allfälliger Auswirkungen ein Nivellement der Ufermauern sowie Rissprotokolle der flussnahen Liegenschaften erstellt. Für den Fall A wurde zudem eine laufende Vermessung prioritärer Uferabschnitte während des Absenkversuchs vorbereitet. Im Fall B beschränkte man sich auf die Beobachtung der Ufer entlang der Schipfe. Im Staubereich oberhalb des Platzspitzwehrs bestehen neben der bereits genannten Brauchwasserfassung zehn weitere Wasserrechte. Aufgrund der verfügbaren Unterlagen wurden die Fassungen auf mögliche Beeinträchtigungen durch den Absenkversuch, aber auch auf ihre Relevanz hin untersucht. Zwei Fassungen erwiesen sich als systemrelevant. Eine Wehrablegung betrifft im heutigen Umfeld auch eine Reihe von weiteren Stakeholdern, was sehr umfangreiche Abklärungen erforderte. Zu nennen sind der Bund und die Anrainerkantone Schwyz, St. Gallen und Aargau als Genehmigungsinstanz eines Absenkversuchs, die achtzehn Limmattalgemeinden und die zuständigen Ämter der Stadt Zürich, die Zürichsee-Schifffahrtsgesellschaft, die Laufkraftwerke und Baustellen entlang der Limmat bis Turgi sowie die BlaulichtOrganisationen. Ein besonderes Augenmerk galt der Fischerei und den Freizeitaktivitäten: Die Fischer, Flussbäder, Wasserfahrvereine (Pontoniere, Kanuten), Wassertaxis, Bootsplatzinhaber sowie eine Pedalo-Vermietung konnten gut in den Informationsfluss eingebunden werden. Dies ist bei individuellen Erholungssuchenden – Schlauchbootfahrer, Camper – viel schwieriger. Im Fall A wäre der Versuch deshalb nachts durchgeführt worden, mit Kontrollpatrouillen am Vorabend. Die etwa 150 erfassten Stakeholder wurden zunächst telefonisch kontaktiert und informiert. Danach wurden sie in einen E-Mail-Verteiler aufgenommen, welcher der vorbereitenden Information sowie der Avisierung im unmittelbaren Vorfeld des Versuchs diente. 5.

Koordination vieler Beteiligter Die Versuchsleitung bestand aus Vertretern des AWEL und von Pöyry Schweiz, in enger Zusammenarbeit mit dem Elektrizitätswerk der Stadt Zürich (ewz) als Betrei-

Bild 4. ADCP-Messung am Drahtschmidlisteg, 40 m oberhalb des Platzspitzwehrs (Quelle AWEL). berin des Platzspitzwehrs und des daran angeschlossenen Kraftwerks Letten. Folgende Equipen nahmen am Versuch teil: • ein Team des Bundesamtes für Umwelt für die ADCP-Abflussmessung am Drahtschmidlisteg direkt oberhalb des Platzspitzwehrs (Bild 4); • zwei Abstichequipen, zuständig für die eigentliche Wasserspiegelmessung; • ein Beobachter der Brauchwasserfassungen (systemrelevante Fassungen wurden überdies durch die Betreiber überwacht und zum Teil mit Notversorgungen vorsorglich ausgerüstet); • zwei Beobachter an der Schipfe (linkes Ufer zwischen Rathaus- und RudolfBrun-Brücke, Bild 1); • eine Vermessungsequipe für die laufende Vermessung prioritärer Uferabschnitte (nur Fall A); • einer PIV-Equipe der VAW (Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie der ETH Zürich), die mittels Drohne das Strömungsbild aufnahm. Involviert waren die Kommunikationsdienste der kantonalen Baudirektion und des ewz. Auch Anliegen des Neubauprojekts Platzspitzwehr (hydraulische Beobachtungen und Lärmmessungen) sowie des Tiefbauamts der Stadt Zürich (Inspektion der Ufermauern) waren in den Ablauf zu integrieren. Vorgängige Begehungen mit den Mess- und Beobachtungsequipen gehörten zur Vorbereitung. Oberhalb des Platzspitzwehrs wurden die Wasserspiegel mit Abstichmessungen erfasst. Als Abstichpunkte dienten

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die schon früher verwendeten Endpunkte der seit den Fünfzigerjahren erhobenen Limmat-Querprofile. Diese Punkte waren so zu markieren und zu dokumentieren, dass die Messequipen sie auch in der Nacht schnell auffinden konnten. Im unmittelbaren Unterwasser des Wehrs gibt es kaum günstige Abstichpunkte, weshalb zusätzlich zu einem bestehenden Schrägpegel zwei Messlatten installiert wurden. 6. Definierte Abbruchkriterien Folgende Ereignisse oder Beobachtungen hätten zum sofortigen Abbruch des Versuchs geführt: • Im Fluss treibt eine Person auf das Wehr zu. • Die laufende Vermessung der prioritären Uferabschnitte zeigt Auffälligkeiten ausserhalb der Messgenauigkeit (nur im Fall A). • An den überwachten Ufern werden Ausspülungen von Sedimenten beobachtet (innere Erosion). • Eine systemrelevante Brauchwasserfassung fällt aus. Beim Eintreten eines dieser Fälle wäre das Platzspitzwehr so schnell wie möglich gehoben worden. Die Ausnahme bildete eine im Fluss treibende Person: In diesem Fall ist ein genügend schnelles Anheben mit dem gegenwärtigen Dachwehr nicht gesichert. Dieses wäre sofort abgesenkt worden, um die tödliche Wasserwalze zu eliminieren, damit die Person unterhalb des Wehres hätte gerettet werden können.

193

Bild 5. Übersicht Zürcher Innenstadt (Quelle ewz). 7.

Absenkversuch am 18. Mai 2016 Vor Pfingsten 2016 zeichnete sich ein kleines Seehochwasser ab, für welches aber zunächst kein ausreichend hoher Seestand prognostiziert wurde. Kurz vor dem Wochenende wurden die Vorhersagen aber stark nach oben korrigiert, sodass die Versuchsleitung die Durchführung des Falls B für den Mittwoch, 18. Mai 2016, ins Auge fasste. Die wichtigsten Beteiligten und Stakeholder konnten noch am Freitag vor Pfingsten informiert werden. Über das Wochenende wurde der Abfluss aus dem Zürichsee in Absprache mit den betroffenen Kantonen und in enger Zusammenarbeit mit dem BAFU und dem ewz gedrosselt, sodass der See am Messtag noch genügend hoch stand und dennoch keine negativen Auswirkungen am Zürichsee auftraten. In der Nacht vor dem Messtag wurde der Abfluss wieder an das Zürichseereglement angepasst. Am frühen Morgen fand ein Briefing mit allen Beteiligten statt. Diese erhielten ihr in Taschen vorbereitetes Material sowie letzte Anweisungen zum Ablauf, zur Sicherheit, zu Notfällen und zur Kommunikation. Die ADCP-Messungen begannen sofort und wurden bis zum Versuchsende dreimal wiederholt. In einer ersten Messkampagne wurde der Ausgangsspiegel 194

vor Ablegung des Platzspitzwehrs aufgenommen. Um 10.45 Uhr begann die Absenkung des Wehrs. Gegen Mittag pendelte sich der Pegel Platzspitz bei 403.80 m ü. M. ein, was praktisch einem Freilauf entspricht (vgl. Bild 2) Die zweite Wasserspiegelmessung konnte starten und dauerte wie die erste rund 90 Minuten. Ab 13.50 Uhr wurde das Wehr wieder gehoben. Das Wehr ist in tiefen Lagen nur schwer steuerbar. Dies äusserte sich darin, dass das Wehr auf dem letzten Meter plötzlich absackte.

Bessere Messwerte und schadenfreie Absenkung Der Absenkversuch lieferte Wasserspiegelmessungen bei praktisch ganz abgelegtem Platzspitzwehr und damit bei durchgehend hohem Wasserspiegelgefälle. Die gewonnenen Messwerte sind weit aussagekräftiger als die bisher verfügbaren Daten. Der Vergleich der ADCPAbflussmessungen mit den Daten aus den relevanten Abflussmessstationen Limmat Unterhard, Sihl, Sihlhölzli und den Angaben des ewz für das Regulierwehr Schanzengraben ergab eine sehr gute Übereinstimmung. So können diesen Wasserspiegelmessungen auch eindeutige Abflüsse zugeordnet werden. Die Uferstabilität wurde nicht beeinträchtigt. Nur die Ankersteine einiger vor der Schipfe stationierter Weidlinge wurden etwas verschoben. Daraus lässt sich schliessen, dass das Platzspitzwehr im Rahmen der für die Zürichsee-Regulierung festgelegten Abläufe ohne schädliche Folgen für die innerstädtischen Ufermauern ganz abgelegt werden kann. Die beobachteten Brauchwasserfassungen hatten auch bei diesen sehr tiefen Wasserspiegellagen keine betrieblichen Probleme – mit Ausnahme einer Kühlwasserfassung, deren Auftauchen erwartet worden war (Bild 3). Mindestens

eine weitere Fassung war nur noch wenig überdeckt. 9.

Gute Vorbereitung als Erfolgsfaktor Der Absenkversuch war dank der guten Zusammenarbeit der Stakeholder und der Beteiligten erfolgreich. Angesichts der vielen kontaktierten Personen und der zu klärenden Fragen war der problemlose Ablauf keine Selbstverständlichkeit. Der Vorbereitungsaufwand war grösser als zu Beginn erwartet. Für den langfristigen Hochwasserschutz will der Kanton Zürich die Abflusskapazität der Limmat erhöhen: durch lokale Ausbaggerungen der Flusssohle bei der Rathaus- und der Münsterbrücke sowie durch eine Änderung der Pfeilerkonstruktion der Rathausbrücke. Die Rathausbrücke muss dadurch neu gebaut werden. Zudem wird das Platzspitzwehr aus Altersgründen erneuert, wobei auch eine bessere Regulierbarkeit des Zürichsees angestrebt wird. Ein allfälliger zukünftiger Absenkversuch, zum Beispiel nach der Erhöhung der Abflusskapazität der Limmat, sollte während eines Hochwassers durchgeführt werden. Dies primär mit Blick auf die in den letzten Jahren rasant angewachsenen Freizeitaktivitäten auf und entlang der Limmat. Dass eine Wasserspiegelabsenkung im innerstädtischen Raum sorgfältig geplant sein muss, illustriert ein Vorkommnis in Glasgow im August 2017: Eine Schütze des Tide-Wehrs im River Clyde havarierte. Danach konnte der Spiegel oberhalb des Wehrs zum ersten Mal nach 65 Jahren nicht mehr gehalten werden. Das Resultat waren beträchtliche Schäden an Strassen und Wegen entlang der Flussufer. http://www.eveningtimes.co.uk/ news/15501848.River_Clyde__at_lowest_level_for_65_years__after_weir_ fails/#gallery3 http://www.bbc.com/news/ukscotland-glasgow-west-41093744

Anschrift der Verfasser Benno Zünd, Pöyry Schweiz AG, benno.zuend@poyry.com Markus Federer, Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft (AWEL), markus.federer@bd.zh.ch Matthias Oplatka, Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft (AWEL), matthias.oplatka@bd.zh.ch

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Forschungsprogramm «Wasserbau und Ökologie» Carlo Scapozza, Anna Belser

Fliessgewässer sind komplexe Systeme, in denen natürliche Funktionen sowie Dynamik und Prozesse ablaufen. Der Mensch hat schon immer eingegriffen und wird auch zukünftig in die Gewässer eingreifen, sei es mit Schutzbauten für den Hochwasserschutz, sei es für die Nutzung der Wasserkraft, für Revitalisierung oder den Unterhalt. Die grösste Herausforderung ist dabei, die Eingriffe so zu gestalten, dass sie die natürlichen Funktionen des Gewässers nicht beeinträchtigen bzw. dass sie eine Verbesserung der natürlichen Funktionen auslösen. Deshalb ist es wichtig zu verstehen, welchen Einfluss diese Eingriffe auf das System Fliessgewässer haben. Um den Zusammenhang zwischen Eingriff und natürlichen Funktionen bzw. Dynamik und um das Verständnis derselben geht es beim Forschungsprogramm Wasserbau und

Ökologie. Dieses Programm verfolgt seit 15 Jahren die Zusammenarbeit von Forschung und Praxis sowie die Zusammenarbeit der Forschungsinstitutionen untereinander im Bereich Wasserbau und Ökologie. Bisher wurden drei Projekte durchgeführt (s. a.: www.rivermanagement.ch): 1. «Rhone-Thur-Projekt (2002–2006)», 2. «Integrales Flussgebietsmanagement (2007–2011)» und 3. «Geschiebe- und Habitatsdynamik (2013–2017)». Das 4. Projekt «Lebensraum Gewässer – Sedimentdynamik und Vernetzung» läuft seit Mitte 2017. Die Projekte leisten ihren Beitrag dazu, Zusammenhänge besser zu verstehen und Massnahmen an Gewässern weiterzuentwickeln. Dies immer unter dem zentralen Aspekt der interdisziplinären Zusammenarbeit.

erarbeitete Wissen aus dem 2017 abgeschlossenen Projekt «Geschiebe- und Habitatsdynamik» in der Fachwelt zu verbreiten. Wir danken allen beteiligten Forschungsinstitutionen und Fachspezialisten aus der Privatwirtschaft und aus der Verwaltung für ihr Engagement in diesem Programm und hoffen, der Fachwelt neue Anregungen bieten zu können. Anschrift der Verfasser: Carlo Scapozza, Sektionschef Hochwasserschutz, carlo.scapozza@bafu.admin.ch Anna Belser, Wissenschaftliche Mitarbeiterin, anna.belser@bafu.admin.ch Eidg. Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation, UVEK Bundesamt für Umwelt (BAFU) Abteilung Gefahrenprävention Worblentalstrasse 68, CH-3003 Bern

Der vorliegende Artikel soll dazu beitragen, das

Erkenntnisse aus dem Projekt «Geschiebeund Habitatsdynamik» David Vetsch, Manuela Di Giulio, Mário J. Franca, Carmelo Juez, Christoph Scheidegger, Christine Weber

Zusammenfassung Das interdisziplinäre Forschungsprojekt «Geschiebe- und Habitatsdynamik» wurde auf Ende 2017 abgeschlossen. Es ist Teil des seit 2002 laufenden Forschungsprogramms «Wasserbau und Ökologie» des Bundesamts für Umwelt (BAFU) und der Forschungsinstitutionen Eawag, LCH, VAW und WSL. Ziel des Projekts war es, auf Fragen zur Geschiebereaktivierung und Revitalisierung von Auenlandschaften einzugehen und einen wissenschaftlichen Beitrag dazu zu leisten. Die Arbeiten wurden in einem interaktiven Prozess im Rahmen von zwölf Teilprojekten durchgeführt. An diesem Prozess beteiligten sich Forschende sowie Fachleute verschiedener Disziplinen aus Verwaltung und Interessensverbänden. Die wichtigsten praxisrelevanten Erkenntnisse des Projekts wurden in Form von Merkblättern zusammengefasst, welche im vorliegenden Beitrag kurz vorgestellt werden.

1. Einleitung Sediment- und Abflussdynamik bestimmen die Morphologie von Fliessgewässern und ihre ökologische Funktionsfähigkeit.

In der Schweiz ist die Sedimentdynamik vieler Fliessgewässer stark beeinträchtigt. Die Reaktivierung der ökologischen Funktionen sowie der naturnahen Abfluss- und

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Sedimentdynamik (Bild 1) ist eine Voraussetzung für die erfolgreiche Aufwertung unserer Gewässer (Revitalisierung und Sanierung Wasserkraft) und ein wichtiges Ziel des revidierten Gewässerschutzgesetzes. Mit Unterstützung des BAFU hat das interdisziplinäre Forschungsprojekt «Geschiebe- und Habitatsdynamik» der vier Institutionen Eawag, WSL, LCH-EPFL und VAW-ETH Zürich den menschlichen Einfluss auf die Sedimentdynamik in Fliessgewässern erforscht sowie Massnahmen untersucht und weiterentwickelt, mit denen sie sich reaktivieren lässt. 2.

Kurzbeschrieb der Merkblätter Die wichtigsten praxisrelevanten Ergeb195

Bild 1. Die Kander im Gasterntal (BE) wird von einer naturnahen Sediment- und Abflussdynamik geprägt (Foto: Vinzenz Maurer).

Bild 2. Lebewesen beeinflussen die Geschiebedynamik. a) Wasserpflanzen halten Feinsedimente zurück. b) Biberdämme führen zur Ablagerung von Feinsedimenten. c) Larven der Köcherfliegenart bauen ihre Köcher aus Sedimentpartikeln (Fotos: Barbara Känel, Christoph Angst, Roland Riederer). nisse des Forschungsprojekts sind in der hier vorgestellten Merkblattsammlung (BAFU 2017) zusammengefasst. Sie ist die Fortsetzung der Merkblattsammlung «Wasserbau und Ökologie», die im Jahr 2012 erschienen ist (BAFU 2012). Wie bei der ersten Ausgabe wurden die Themen und Inhalte in engem Austausch mit Praktikerinnen und Praktikern verschiedener Fachbereiche aus Verwaltung und Interessensverbänden erarbeitet. Die Merkblätter informieren die Leserinnen und Leser 196

über den aktuellen Stand der Forschung zu den Themen Sedimentdynamik und ökologische Bedeutung, Messmethodik, Geschiebesammler, Auendynamik, Sedimentumleitstollen, künstliche Hochwasser, Kiesschüttungen und Ufererosion. Die Merkblattsammlung dient als Wegweiser zur weiterführenden wissenschaftlichen Literatur (Literaturverzeichnis auf www. rivermanagement.ch) und umfasst insgesamt sieben Merkblätter und ein einleitendes Merkblatt mit einer Einführung in

das Thema und einer Inhaltsübersicht. Die Merkblätter sind in Deutsch, Französisch und Italienisch erhältlich. Merkblatt 1: Sedimentdynamik im Gewässernetz Mobilisierung, Transport und Ablagerung von Sedimenten unterliegen grossen räumlich-zeitlichen Schwankungen. Gesteuert wird diese Dynamik durch die Geomorphologie, das Klima, die Hydrologie und Hydraulik sowie durch ökologische

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Bild 3. Geophon zur direkten Messung des Geschiebevolumens im Erlenbach (Foto: WSL).

Bild 4. Ablagerungen von Feinsedimenten in der Kander (BE) bieten Pionierpflanzen der Schwemmufervegetation alpiner Wildbäche einen Lebensraum (Foto: Vinzenz Maurer). Faktoren (z. B. Totholz, Uferbewuchs). Die Fliessgewässerbewohner haben vielfältige Anpassungen entwickelt, um mit der Sedimentdynamik umzugehen (Bild 2). Algen bilden abriebresistente Formen, z. B. durch Verdickung ihrer Zellwände. Bei Flussfischen wurden innerartliche Unterschiede in der Körperform dokumentiert, je nachdem, ob sie vorwiegend Kolke mit feinem Sediment und geringen Fliessgeschwindigkeiten (Pools) bewohnten oder Schnellen mit gröberer Sohle und höherer

Strömung (Riffles). Die Deutsche Tamariske (Myricaria germanica) wurzelt tief, um während eines Hochwassers nicht von der Kiesbank gespült zu werden. Weniger gut untersucht dagegen sind die dynamischen Aspekte, z. B. wie sich Zeitpunkt und Intensität des Sedimenttransports auf Organismen oder Ökosystemprozesse auswirken. In Merkblatt 1 werden dazu Resultate für Uferpflanzen, Insektenlarven, Fische und Stoffumsatz vorgestellt.

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Merkblatt 2: Sedimentdynamik und ihre Auswirkungen messen Weltweit werden verschiedene Methoden verwendet, um die Sedimentdynamik (Bild 3) und ihre Auswirkungen auf Umweltbedingungen, ökologische Prozesse und Lebewesen zu messen. Im Einsatz sind sowohl klassische Methoden wie Linienzahlanalyse oder Schöpfproben zur Bestimmung der Schwebstoffkonzentration als auch neu entwickelte Technologien wie Fernerkundung mittels Drohnen, Messungen des Sauerstoffverbrauchs in der Kiessohle oder genetische Untersuchungen. Die verfügbaren Methoden erlauben eine Abschätzung und teilweise auch eine Vorhersage auf der Ebene eines Habitats bis hin zum Einzugsgebiet. Allerdings können bisher die Effekte unterschiedlicher Steuerfaktoren auf die Geschiebedynamik nur bedingt auseinandergehalten werden (z. B. Hydrologie, Klima, Landnutzung). Auch eine Bewertung der Auswirkungen der Geschiebedynamik auf die Struktur und die Funktion von Ökosystemen ist heute nur eingeschränkt möglich. Diese Informationen sind jedoch notwendig, um die Sedimentdynamik effektiv im Fliessgewässermanagement zu berücksichtigen. Die Entwicklung neuer Methoden schreitet schnell voran, oft in Verbindung mit klassischen Methoden. So lassen sich beispielsweise ökologische Aufnahmen am Boden mit Fernerkundungsmethoden oder mit Modellierungssoftware koppeln, mit dem grossen Potenzial, Fliessgewässer entlang unterschiedlicher Skalen integrativ zu bewerten. Merkblatt 2 gibt einen Überblick über die bestehenden Methoden und zeigt Anwendungen im Rahmen des Forschungsprojekts «Geschiebe- und Habitatsdynamik». Merkblatt 3: Bedeutung und Einflussfaktoren der Feinsedimentdynamik Feinsedimente und ihre Dynamik beeinflussen die Morphologie und die Lebensräume der Fliessgewässer. Feinsedimente entstehen durch Prozesse wie Detersion anstehender Felsflächen durch Gletscher, Korrasion durch Wasser im Fliessgewässer sowie Bodenerosion und tragen zur Bildung von Standorten für Weichholz- und Hartholzauen und anderen Lebensräumen in und an Fliessgewässern bei (Bild 4). Um die verbauten Flüsse ökologisch aufzuwerten, werden neben Buhnen oftmals Uferbuchten als Elemente verwendet, um mehr Struktur in die monotonen Uferlinien der kanalisierten Gewässer zu bringen. Diese Zonen mit geringer Fliessgeschwindigkeit bilden Schutzräume für aquatische 197

•

• Bild 5. Schematische Darstellung eines Geschiebesammlers mit Leitgerinne (A), Rückhalteraum (B) sowie Sperrbauwerk mit doppelter Auslassöffnung für mechanisch (C) und hydraulisch (D) kontrollierten Geschieberückhalt (Illustration: Sebastian Schwindt).

Bild 6. Aue bei Rhäzüns (GR) im Februar 2015. Offene Kiesflächen und Kiesbänke mit Pioniervegetation sowie Weichholzauen bilden gemeinsam mit Flussstellen mit variierender Fliessgeschwindigkeit und Abflusstiefe einen dynamischen Lebensraumverbund (Foto: Christoph Scheidegger). Lebewesen sowie die Ufervegetation. Durch die reduzierte Fliessgeschwindigkeit sinkt jedoch auch die Schleppkraft der Strömung, und Sedimente setzen sich ab. Insbesondere in Gewässern, die von Schwall und Sunk betroffen sind, stellt sich die Frage, wie der Ablagerungsprozess von Feinsedimenten in Uferbuchten verläuft. Werden die Ablagerungen bei Hochwasser- oder Schwallabfluss wieder ausgewaschen oder verlanden die Uferbuchten? Um diese Fragen zu beantwor198

ten wurde der Einfluss der Geometrie von Uferbuchten auf die Feinsedimentdynamik systematisch in Laborexperimenten untersucht. Aus den Resultaten können für die praktische Anwendung drei Erkenntnisse abgeleitet werden: • In Flüssen mit geringer relativer Abflusstiefe (Abflusstiefe h / Breite b < 0.07) können Uferbuchten mit kleinen oder mittleren Seiten- und Expansionsverhältnissen die lokale Ablagerung von Feinsedimenten begünstigen. Wich-

tig ist, dass in den Uferbuchten Zonen mit hohen wie auch mit geringen Fliessgeschwindigkeiten gefördert werden. Weil unterschiedliche Korngrössen abgelagert werden, erhöht sich auch die Vielfalt an Habitaten. In Flüssen mit hoher relativer Abflusstiefe (h / b > 0.10) können Uferbuchten mit grossen Seiten- und Expansionsverhältnissen (SV > 0.6 und EV > 0.8; SV = Buchttiefe / Buchtlänge, EV = Buchttiefe / Buchtabstand) für genügend Turbulenz sorgen. Dadurch lässt sich verhindern, dass Uferbuchten schnell verlanden, oder Ablagerungen werden bei Hochwasser wieder abgetragen Generell löst ein erhöhtes Expansionsverhältnis (EV > 0.6) eine schnelle Verlandung von Uferbuchten bei mittleren relativen Abflusstiefen aus, welche bei Hochwasser (h / b > 0.10) jedoch wieder mobilisiert werden können.

Merkblatt 4: Durchgängige Geschiebesammler in Wildbächen Geschiebesammler sind oft in Wildbächen oberhalb von Schwemmkegeln nötig, um Hochwasserschäden in Siedlungen und an Infrastrukturbauten im Unterlauf infolge gefährlichem Geschiebetransport zu verhindern. Klassisch konzipierte Geschiebesammler halten Geschiebe aber bereits bei kleinen Hochwassern zurück, die eigentlich schadlos abgeführt werden könnten. Damit verursachen sie Geschiebedefizite und ökologische Beeinträchtigungen im Unterlauf. Hingegen leiten Geschiebesammler mit einem trapezförmigen, rauen Leitgerinne im Rückhalteraum (Bild 5) das Geschiebe bis zu einem maximalen Durchgängigkeitsabfluss weiter, welcher typischerweise etwa einem 10-jährigen Hochwasserabfluss entspricht, dessen Geschiebe normalerweise im Unterlauf keine Probleme verursacht. Die Auslassöffnung eines Sperrbauwerks sollte im Einklang mit der Geometrie des Leitgerinnes sein und sollte demnach den Geschiebetransport bis zum maximalen Durchgängigkeitsabfluss nicht oder nur geringfügig beeinflussen. Mit der Kombination einer Auslassöffnung als hydraulische Kontrolle und einem vorgeschalteten Grobrechen als mechanische Kontrolle erhöht sich die Sicherheit des Geschieberückhalts und die selbsttätige Entleerung des Geschiebesammlers wird verhindert. Sicherer Geschieberückhalt mittels einer Kombination von hydraulischer und mechanischer Kontrolle ab dem maximalen Durchgängigkeitsabfluss kann nur durch vertikale Einschnürungen

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der Auslassöffnung erreicht werden. Merkblatt 5: Dynamik und Biodiversität in Auen Auen mit einer grossen Vielfalt an Lebensräumen sind ökologisch widerstandsfähiger als solche mit geringer Lebensraumvielfalt. Voraussetzung für Auen mit hoher Arten- und Lebensraumvielfalt ist ein ausreichend grosser Gewässerraum. Eine naturnahe Abfluss- und Sedimentdynamik ist ein wichtiger Einflussfaktor und erhöht die Lebensraumvielfalt (Bild 6). Für seltene und gefährdete Zielarten der Auen sollten spezifische Massnahmen zur Förderung der Arten getroffen werden. Die Auswahl der Zielarten hängt vom Auenhabitat und der Höhenstufe ab, und diese wiederum bestimmen die Anforderungen an die Sedimentzusammensetzung und -dynamik sowie an die Abflussdynamik. Saisonale und jährlich wiederkehrende Hochwasser und Sedimentumlagerungen tragen zum Erhalt der typischen Pilz-, Pflanzen- und Tiervielfalt von Auen bei und beeinflussen aquatische, amphibische und terrestrische Lebensräume. Mittlere bis sehr seltene und grosse Sedimentumlagerungen durch Hochwasser mit 20- bis 1000-jährlichen Wiederkehrperioden schaffen neue Lebensräume und fördern die Ausbreitung von Zielarten über weite Distanzen. Die Vernetzung fördert die Resilienz von Auen, auch nach grossen Umlagerungen von Geschiebe, und ist ein wichtiger Faktor für das Überleben auentypischer (Ziel) arten. Merkblatt 6: Sedimentumleitstollen und künstliche Hochwasser Eine kontrollierte und ökologisch optimierte Abgabe von Wasser und Sediment beim Betrieb von Sedimentumleitstollen und das Auslösen eines künstlichen Hochwassers können die Sedimentverhältnisse im Unterlauf verbessern. Die optimierte Abgabe trägt zur Umlagerung von Sediment und organischem Material bei und fördert die Entstehung neuer Habitate. Die hydrologischen Charakteristika der beiden Ansätze sollen sich hinsichtlich Zeitpunkt (Saisonalität), Spitze, Dauer, Häufigkeit etc. an den ursprünglichen Verhältnissen des Abflussregimes orientieren (Bild 7). Jede Situation erfordert ein individuelles Bewirtschaftungskonzept. Dieses sollte durch ein Monitoring begleitet werden, um verschiedene Flüsse zu vergleichen und einen Lernprozess zu ermöglichen. Es ist relativ neu, dass das Sedimentregime beim ökologischen Unterhalt von Flüssen berücksichtigt wird. Die Verant-

b Bild 7. Der Spöl bei Restwasser- (a, Abfluss ca. 1.5 m3/s) und bei Hochwasserabfluss (b, Abfluss 43 m3/s) (Fotos: Urs Uehlinger, Eawag).

Bild 8. Durch künstliche Insel induzierte Ufererosion an der Töss (ZH) im Jahr 2013 (Foto: VAW).

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wortlichen für die Planung und Durchführung der Wasser- und Sedimentabgabe sollten deshalb einem angepassten Vorgehen (adaptives Management) folgen, welches kontinuierlich dokumentiert wird und damit eine fortlaufende Optimierung unterstützt. Merkblatt 7: Geschiebeschüttungen und Ufererosion Zahlreiche Schweizer Fliessgewässer sind ökologisch beeinträchtigt, weil sie zu wenig Geschiebe führen. Mit Geschiebeschüttungen lässt sich das Geschiebedefizit in Fliessgewässern vermindern. Verschiedene Aspekte sind dabei zu beachten, z. B. die Zugänglichkeit zum Gewässer oder die Herkunft und Zusammensetzung des Schüttmaterials. Wichtig ist auch der Zeitpunkt der Ausführung, damit Fische und andere Organismen nicht beeinträchtigt werden. Eine Alternative zu den Schüttungen ist die Geschiebeanreicherung durch Förderung der Ufererosion (Bild 8). Dabei sind üblicherweise zuerst Uferschutz und -bewuchs zu entfernen. Die Anreicherung erfolgt dann mit dem anstehenden Ufermaterial. Schutzmassnahmen wie die Festlegung von Interventionslinien oder Schutzbauten in schlafender Bauweise müssen in Erwägung gezogen werden, um eine unerwünschte Ausdehnung der Erosion zu vermeiden. Bei der Wahl des Abschnitts, in dem die Ufererosion gefördert werden soll, ist darauf zu achten, bestehende Habitate nicht zu zerstören oder zu isolieren, sondern bestmöglich einzubinden. Beide Massnahmen eignen sich zur Bildung von natürlichen Strukturen und

tragen zur dynamischen Lebensraumvielfalt der Gewässer bei. Das Ziel ist, aquatische und terrestrische Habitate durch die Wiederherstellung der Geschiebedynamik zu fördern und die Funktionsfähigkeit des Gewässers wiederherzustellen. Systematische Laborversuche sowie ein Feldversuch in der Saane unterhalb der Staumauer Rossens haben gezeigt, dass in relativ steilen Gewässern die Schüttungen mit vier alternierend versetzten Depots am Ufer ausgeführt werden sollten, damit dem Abfluss eine Pendelbewegung aufgezwungen wird. Dadurch werden die Sedimentdepots besser erodiert und die morphologische Vielfalt sowie die Qualität der Lebensräume infolge der Schüttungen erhöht.

BAFU (Hrsg.) 2017: Geschiebe- und Habitatsdynamik. Merkblattsammlung Wasserbau und Ökologie. Bundesamt für Umwelt BAFU, Bern. 84 S. BAFU (Hrsg.) 2012: Erkenntnisse aus dem Projekt Integrales Flussgebietsmanagement. Merkblattsammlung Wasserbau und Ökologie. Bundesamt für Umwelt BAFU, Bern. 60 S. Anschrift der Autoren Dr. Manuela Di Giulio, Natur Umwelt Wissen GmbH, Bergstrasse 162, CH-8032 Zürich, http://www.naturumweltwissen.ch, digiulio@naturumweltwissen.ch Prof. Dr. Mario J. Franca, IHE Delft Institute for Water Education, Westvest 7, 2611 AX Delft, The Netherlands (vormals LCH-EPFL), http://www.un-ihe.org, m.franca@un-ihe.org Dr. Carmelo Juez, Laboratoire de Constructions

Anmerkung

Hydrauliques (LCH), Ecole Polytechnique Fédé-

Die Merkblattsammlung ist in drei Sprachen

rale de Lausanne (EPFL), Station 18, CH-1015

erhältlich: gedruckte und digitale Fassung in

Lausanne, http://lch.epfl.ch, carmelo.juez@

Deutsch und Französisch, Italienisch nur digi-

epfl.ch

tal. Die gedruckte Fassung kann bezogen wer-

Prof. Dr. Christoph Scheidegger, Eidgenössi-

den bei: BBL, Verkauf Bundespublikationen,

sche Forschungsanstalt für Wald, Schnee und

CH-3003 Bern, Art.-Nr.: 810.300.136d, www.

Landschaft, WSL, Zürcherstr. 111, CH-8903

bundespublikationen.admin.ch.

Birmensdorf, http://www.wsl.ch,

Die Merkblattsammlung oder die einzelnen

christoph.scheidegger@wsl.ch

Merkblätter können als PDF heruntergeladen

Dr. David Vetsch, Versuchsanstalt für Wasser-

werden unter:

bau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) ETH

Deutsch: www.bafu.admin.ch/uw-1708-d

Zürich, Hönggerbergring 26, CH-8093 Zürich,

Französisch: www.bafu.admin.ch/uw-1708-f

http://www.vaw.ethz.ch,

Italienisch: www.bafu.admin.ch/uw-1708-i

dvetsch@ethz.ch Dr. Christine Weber, Eawag: Das Wasserfor-

Literatur

schungs-Institut des ETH-Bereichs, Seestrasse

Die ausführliche Literaturliste zu den Merkblät-

79, CH-6047 Kastanienbaum, http://www.

tern befindet sich auf der Programmwebsite:

eawag.ch, christine.weber@eawag.ch

www.rivermanagement.ch > Produkte und Publikationen

Die nächste Ausgabe von «Wasser Energie Luft» erscheint am Donnerstag, 6. Dezember 2018

Foto: MMi

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Zusammenfassung Der Fischbestand eines Fliessgewässers wird massgeblich durch dessen morphologische Strukturen beeinflusst. Vielfältige Habitate sind notwendig, um unterschiedlichen Fischarten und Altersstadien einen geeigneten Lebensraum zu bieten. Nebst der Vielfalt ist auch die Attraktivität der Habitate von Bedeutung. Gut strukturierte Gewässer mit Kolken, Totholz oder unterspülten Ufern beherbergen eine deutlich höhere Fischbiomasse als Gewässer, die weniger strukturgebende Elemente enthalten. Ausserdem gelten Fische aufgrund ihrer unterschiedlichen Ansprüche (je nach Fischart und Altersstadium) als hervorragende Indikatoren für die Qualität der Gewässerstruktur, welcher auch Rückschlüsse zulässt, ob ein Lebensraum für andere Taxa geeignet ist. Der hier vorgestellte IAM (aus dem Französischen: Indice d’attractivité morphodynamique) ist eine Methode, welche die Vielfalt und die Attraktivität der Gewässermorphologie auf der Ebene des Abschnitts beschreibt und bewertet. Damit lässt sich sowohl die Habitat-Vielfalt als auch die Habitat-Attraktivität quantitativ erfassen und zu einem Index, dem IAMAST, verrechnen. Dieser Index korreliert mit der Fischbiomasse, die bei quantitativen Abfischungen gefangen wird. Darüber hinaus konnte in 40 von 45 Vergleichen von Abschnittspaaren, die sich in ihrem morphologischen Lebensraumangebot, aber nicht in anderen möglichen Einflussfaktoren unterscheiden, ein positiver Zusammenhang zwischen IAMAST und dem Fischbestand beobachtet werden. Mit der IAM-Methode steht also ein Werkzeug zur Verfügung, welches den Effekt der Gewässermorphologie auf den Fischbestand isoliert von anderen Einflussfaktoren erfasst. Dies ist entscheidend, wenn beispielsweise Revitalisierungsmassnahmen auf ihre Wirkung überprüft werden sollen.

1. Ausgangslage In der Schweiz wurden im Verlauf der letzten Jahrhunderte zahlreiche Fliessgewässer zwecks Landgewinnung und aus Hochwasserschutzgründen stark verbaut [1]. Deshalb sind heute ca. 15 000 km der Schweizer Fliessgewässer stark beeinträchtigt oder naturfremd [2]. Diese Beeinträchtigungen haben Konsequenzen für die Gewässerorganismen und gelten als einer der Hauptgründe für den Fischrückgang in Schweizer Fliessgewässern [3]. Dank der im Jahre 2011 in Kraft getretenen Gewässerschutzgesetzgebung (GschG) sollen in den nächsten Jahren viele Fliessgewässer revitalisiert werden. Ziel der Revitalisierung ist das Wiederherstellen naturnaher Fliessgewässer mit typspezifischer Eigendynamik (Morphologie, Abfluss- und Geschieberegime), die von standorttypischen Lebensgemeinschaften besiedelt werden, dem Gewässer erlauben, seine ökologischen Funktionen wahr-

zunehmen und prägende Elemente der Landschaft bilden [4]. Die Kantone haben Ende 2014 im Rahmen ihrer strategischen Planung Gewässerstrecken ausgewiesen, deren Revitalisierung im Verhältnis zum Aufwand ein möglichst grosser Nutzen erzielt [4]. Die Umsetzung konkreter Projekte nimmt heute nach Abschluss der strategischen Planungsphase deutlich zu. Dabei profitieren Projekte, die sorgfältig und umfassend geplant wurden [5]. Diese Planung ist im Idealfall in fünf Schritte gegliedert: Zunächst wird der Ausgangszustand erhoben und eine Defizitanalyse durchgeführt (Schritt 1). Dies dient anschliessend der Definition präziser Ziele (Schritt 2). Die Projektausarbeitung geschieht in Schritt 3 und die Realisierung in Schritt 4. Zuletzt wird mit einer Wirkungskontrolle überprüft, ob die Ziele erreicht wurden (Schritt 5). Bei der Wirkungskontrolle sollten geeignete und möglichst standardisierte Indikatoren zum Einsatz kommen [5].

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In der Schweiz fehlen dabei für die Planung und die Erfolgskontrollen standardisierte Methoden, die erlauben, die morphologischen mit den biologischen Indikatoren in Zusammenhang zu bringen. Dadurch fehlen auch quantitative und aussagekräftige Daten, um die Wirkung von Revitalisierungen messen zu können. Nachfolgend wird eine standardisierte Methode für die Erhebung und die Bewertung der Gewässermorphologie von Fliessgewässern (abiotischer Indikator) vorgestellt. Zudem wird für Gewässer der Forellenregion aufgezeigt, wie die morphologischen Indikatoren in Zusammenhang mit der Fischbiomasse (biologischer Indikator) stehen. 2.

Die IAM-Methode

2.1 Grundlagen Der Fischbestand eines Fliessgewässers wird massgeblich durch dessen Strukturen beeinflusst [6]. Vielfältige Habitate (Fliessgeschwindigkeit, Wassertiefe, Strukturen wie Substrate oder Unterstände) sind notwendig, um den unterschiedlichen Fischarten und Altersstadien geeigneten Lebensraum zu bieten [7]. Nebst der Vielfalt oder Diversität beeinflusst auch die Attraktivität der einzelnen Habitate für die verschiedenen Arten die Fischdichte und die Zusammensetzung der Fischgesellschaft, die in einem Abschnitt vorkommt. Gut strukturierte Gewässer, die reich an Kolken, Totholz oder unterspülten Ufern sind, beherbergen dabei eine höhere Fischbiomasse als Gewässer, die weniger strukturgebende Elemente enthalten [8, 9]. Natürlicherweise weisen die meisten Gewässer sowohl eine hohe Diversität als auch eine hohe Attraktivität auf. Bis anhin wurde die Attraktivität der Fliessgewässerhabitate für Fische von Experten beurteilt. Im Sinne der Vergleichbarkeit von Untersuchungen an verschiedenen Gewässern und der langfristigen Vergleichbarkeit über die Zeit wäre eine standardisierte Methode nützlich. 201

Mit der IAM-Methode werden sowohl die Habitat-Vielfalt als auch die Habitat-Attraktivität für Fische quantitativ erfasst und zu einem Index verrechnet. Die Methode besteht seit 1994 und wurde in Frankreich vom CSP (Conseil Supérieur de la Pêche) vorgeschlagen und anschliessend weiterentwickelt [10]. Die Methode basiert auf der Annahme, dass bei gleichbleibenden Bedingungen bezüglich Wasserqualität und Hydrologie die Kapazität des Gewässers für Fische durch die Vielfalt und die Attraktivität des strukturellen Habitats bestimmt wird. Die Erfassung des Habitats im Feld wird im Sommer oder im Herbst durchgeführt, also zu einem Zeitpunkt, an dem auch die aquatische Vegetation voll entwickelt ist. Des Weiteren sollten die Aufnahmen bei Niederwasser erfolgen, da die Habitat-Verfügbarkeit für die meisten Fischarten bei Niederwasser in der Regel am kleinsten ist. 2.2

Definition des Untersuchungsabschnitts In einem Gewässer mit einem Gefälle von 0.5–2 % bilden sich in der Regel natürlicherweise Furt-Kolk-Sequenzen aus. Dabei wechseln sich Bereiche mit tiefem Wasser und niedrigen Fliessgeschwindigkeiten (Kolk) mit Bereichen mit seichtem und rasch fliessendem Wasser (Furt) ab. Im Mittel erstreckt sich eine einzelne FurtKolk-Sequenz auf eine Länge, die der fünfbis siebenfachen Breite des Gewässers entspricht [11]. Innerhalb einer Sequenz kommen meistens alle im Gewässer vorhandenen und nicht seltenen Mikrohabitate (Kombination aus Wassertiefe, Fliessgeschwindigkeit und Substrat) vor, die für die Charakterisierung des Fischbestands relevant sind. Bei den IAM-Aufnahmen wird daher mindestens eine Furt-KolkSequenz, besser aber werden zwei FurtKolk-Sequenzen einbezogen. Die zu untersuchenden Abschnitte sind also ca. 10 bis 20 Mal so lang wie die mittlere Breite eines Gewässers. Dies gilt für alle zu untersuchenden Gewässertypen. 2.3 Aufnahme von Querprofilen Die Variabilität der Sohlenbreite, der Fliessgeschwindigkeiten und Gewässertiefen spielen eine entscheidende Rolle für die Habitat-Vielfalt und die -Attraktivität eines Gewässers. Diese beiden Kenngrössen werden entlang von Querprofilen aufgenommen. Die Anzahl Profile hängt von der Habitatkomplexität ab und liegt in der Regel zwischen 10 und 15 Profilen pro Abschnitt. Bei der Aufnahme werde folgende Paramater erhoben: 202

Tabelle 1. Substrate/Habitate, die bei den IAM-Aufnahmen aufgenommen werden. • Position im Abschnitt [m] (Gewässerdistanz vom unteren Abschnittsende) • Nummer des Querprofils (T0-TX) • Distanz vom Ufer [cm] • Tiefe [cm] • Fliessgeschwindigkeit [cm/sec] (bei mittlerer Tiefe) Die Positionierung der Querprofile erfolgt nicht zwingend in regelmässigen Abständen vom Startpunkt. Vielmehr sollten sie so positioniert werden, dass markante Änderungen im Strömungsmuster oder in der Wassertiefe erfasst werden. Dies ist für die Erstellung der Strömungsund Tiefenkarten wichtig und hilfreich.

Die Attraktivität wurde anhand von Resultaten von habitatspezifischen Punktbefischungen über ein breites Artenspektrum und die Zuhilfenahme von Expertenwissen bestimmt [10, 12]. Wenn auf einer Fläche mehrere Substrate bzw. Habitate zu finden sind, wird bei der Kartierung das attraktivere Habitat erfasst, sofern dieses mehr als 25 % der Fläche ausmacht. Falls nicht, wird dasjenige Habitat erfasst, welches die grössten Flächenanteile aufweist. Algen werden nicht als separates Substrat erfasst, da ihr Auftreten oft temporär ist. Algenbedecktes Substrat wird aber als kolmatiertes Substrat erfasst.

2.4

2.5 Digitalisierung der Daten Die Daten werden in einem geografischen Informationssystem (GIS), wie z. B. ArcGIS, MapInfo oder QGIS, digitalisiert. Zu diesem Zweck werden vier sogenannte Layer erstellt. Für die weiteren Berechnungen werden jeweils die Flächen aus den vier GIS-Layern separat exportiert.

Kartierung der benetzten Substrate Parallel zu den Aufnahmen der Querprofile kartiert eine Person die Charakteristik der benetzten Gewässersohle (Substrate und Habitate). Wenn das Gewässer aus der Luft gut sichtbar ist, hilft eine Drohnenaufnahme oder ein Luftbild bei der Orientierung und bei der Erkennung der Substratflächen. Folgende Substrate bzw. Habitate werden unterschieden (Tabelle 1).

Layer 1 – Wassertiefe: Die Wassertiefen werden in fünf Klassen eingeteilt und kartiert (Tabelle 2). Zwischen den Querprofilen

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wird die Wassertiefe manuell extrapoliert. Wenn genauere Messungen der Wassertiefe zwischen den Querprofilen vorliegen, können diese ebenfalls verwendet werden. Layer 2 – Fliessgeschwindigkeit: Die Fliessgeschwindigkeiten werden in fünf Klassen eingeteilt und kartiert (Tabelle 2). Zwischen den Querprofilen werden die Werte manuell extrapoliert. Wenn genauere Messungen der Fliessgeschwindigkeit vorliegen, können diese ebenfalls verwendet werden.

Tabelle 2. Angaben der Tiefenbereiche und Fliessgeschwindigkeiten, die für die Erstellung der Layer 1 und 2 verwendet werden.

Layer 3 – Substrat/Habitat: Die Substrate werden vor Ort und mit Zuhilfenahme von Luftbildern kartiert (Bild 1). Der Detailgrad der Kartierung wird der Gewässergrösse angepasst. Bei Gewässern mit einer Breite < 10 m sollte sie mindestens eine Auflösung von ca. 20 × 20 cm betragen. Layer 4 – Verschnitt: Für die Berechnung der Habitat-Vielfalt werden die ersten drei Layer verschnitten. Dabei entstehen Flächen, die aus den Attributen Substrat, Tiefe und Fliessgeschwindigkeit zusammengesetzt sind. Dieser Layer wird für die weiteren Berechnungen der Habitatvielfalt verwendet: Für die Berichterstattung werden in der Regel die übersichtlicheren Layer 1–3 grafisch dargestellt (Bild 2).

Bild 1. Zeichnung der Substrate auf Millimeterpapier für einen Abschnitt der Bünz im Kanton Aargau.

2.6 Berechnungen Schritt 1: Zuerst wird der prozentuale Anteil von jedem vorhandenem Substrat (Layer 3) mit der dazugehörigen Attraktivität (Tabelle 1) multipliziert, danach wird das Ergebnis summiert. Dadurch wird die durchschnittliche Attraktivität der Substrate auf einem Abschnitt berechnet.

(1)

AT: durchschnittliche Attraktivität der Substrate auf einem Abschnitt Si: Fläche des Substrats i in m2 Ai: Attraktivität Substrat i Stot: Gesamtfläche aller Substrate in m2 Schritt 2: Im zweiten Schritt wird die berechnete Attraktivität mit der Anzahl Substrate (Layer 3), der Anzahl Tiefenklassen (Layer 1) und der Anzahl Fliessgeschwindigkeitsklassen (Layer 2), die auf einem Abschnitt erfasst wurden, multipliziert. Identische Substrate, die in unterschiedlichen Attraktivitätsklassen vorkommen (z. B. Kies und kolmatierter Kies oder Steine und kolmatierte Steine), werden nicht doppelt

Bild 2. Beispiel einer Kartierung von Substrat, Strömung und Tiefe auf einem revitalisierten Abschnitt der Surb im Kanton Aargau.

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203

gezählt. Ebenso werden nur zwei statt drei Substrate gezählt, auch wenn Kies (GRA) und Steine (GAL) je einmal grössensortiert und einmal nicht grössensortiert (GGR) vorkommen, also alle drei Kategorien kartiert wurden. (2)

IAMA: Attraktivitätsindex, wie beschrieben in [10] durchschnittliche Attraktivität der A T: Substrate NT: Anzahl Tiefenklassen NV: Anzahl Strömungsklassen NS: Anzahl Substrate Schritt 3: Im dritten Schritt wird der Index standardisiert. Dies ist notwendig, weil tiefe Stellen resp. schnell fliessende Bereiche (Kategorien 4 und 5) in kleineren Gewässern natürlicherweise oftmals fehlen. Deshalb ist der IAMA an kleineren Gewässern normalerweise tiefer als an grösseren Gewässern. Anhand der mittleren Gewässerbreite kann der IAMA-Wert standardisiert werden. (3)

IAMAST: standardisierter Attraktivitätsindex IAMA: Attraktivitätsindex, wie beschrieben in [10] mittlere Breite des untersuchten BM: Abschnitts in m Die bisher in Frankreich und in der Schweiz an mehr als 200 Abschnitten durchgeführten Aufnahmen, die uns zur Verfügung gestellt wurden, ergaben IAMAST-Werte von 0.03 bis 3.43. Der Mittelwert lag bei 1.05. Basierend auf diesen Daten, können die Attraktivitätswerte in Klassen eingeteilt werden, wodurch sich die Interpretation der Resultate vereinheitlichen lässt. Die Grenzen zwischen den Klassen wurden anhand der 20 %, 40 %-, 60 %- und 80 %-Perzentile definiert (Tabelle 3). Bei der Interpretation gilt es zu beachten, dass der natürliche Zustand eines Gewässers in der Regel attraktiv bis sehr attraktiv ist. Es kann aber vorkommen, dass Gewässer im natürlichen Zustand mässig oder gar wenig attraktiv sind, z. B. Bereiche in Schluchten mit viel Fels als Habitat oder «hochenergetische Flüsse», die 204

Tabelle 3. Einteilung der Attraktität anhand des IAMAST-Indexes in fünf Klassen.

Tabelle 4. Einteilung der Diversität anhand des HS-Indexes in fünf Klassen.

wenig unterspülte Ufer und wenig Vegetation aufweisen. Schritt 4: Im vierten Schritt wird die Habitat-Vielfalt mittels Shannon-WienerIndex berechnet [13]. Der Shannon-Wiener-Index ist eine mathematische Grösse, die für die Beschreibung der Diversität eingesetzt wird. Dazu werden die Flächen des Verschnitts aus Substrat, Fliessgeschwindigkeit und Tiefe verwendet (Layer 4).

Substratvielfalt ist gering, und es sind kaum Versteckmöglichkeiten für grössere Fische vorhanden. Daraus resultiert eine sehr geringe Attraktivität und eine geringe Diversität der Habitate [17]. Das dritte Beispiel (Bild 3C) zeigt die revitalisierte Bünz bei Othmarsingen. Für grossräumige Aufweitungen war zu wenig Raum vorhanden. Daher musste man sich hauptsächlich auf InstreamMassnahmen beschränken. Trotzdem ist es gelungen, Furt-Kolk-Sequenzen zu erstellen, und die Strömungs- und Tiefenvariabilität ist im Niederwassergerinne hoch. Als Habitate sind Blöcke, unterspülte Ufer, Totholz und unterspülte Wurzelstöcke vorhanden. Daraus resultieren insgesamt eine hohe Attraktivität und eine hohe Diversität der Habitate [15]. Dieses Beispiel zeigt, dass auch bei schwierigen Platzverhältnissen sowohl attraktive als auch vielfältige Habitate geschaffen werden können, die zumindest für das Niederwassergerinne bezüglich ihrer Attraktivität für Fische den Verhältnissen in einem natürlichen Gewässer nahekommen. Beim vierten Beispiel (Bild 3D) handelt sich um eine Vernetzungsmassnahme der Surb bei Tegerfelden. Dabei wurde ein ehemaliges Wehr zurückgebaut und eine pendelnde, naturnahe Strecke erstellt. Eine gewisse Eigendynamik wurde zugelassen. Heute sind die Tiefen- und Strömungsvariabilität hoch, doch sind tiefe Kolken und andere für Fische besonders attraktive Habitate wie unterspülte Ufer, Totholz oder aquatische Vegetation kaum vertreten. Deshalb fällt der IAM-Attraktivitätsindex nur gering aus, während der Diversitätsindex hoch eingestuft wird [18]. Das nächste Beispiel (Bild 3E) zeigt die Wyna bei Gontenschwil, die im Rahmen von Hochwasserschutzmassnahmen revitalisiert wurde. Es handelt sich um eine lokale Aufweitung. Zudem wurden Findlinge eingebaut. Das Gewässer weist an dieser Stelle, die in einem Anfang des 20. Jahrhunderts trockengelegten Moor liegt, ein geringes Gefälle auf. Durch die Revitalisierung hat sich auch hier die Habitat-Vielfalt deutlich verbessert. Es sind

(4)

HS: Shannon-Wiener-Diversitätsindex Vi: Fläche von Mikrohabitat i (charakterisiert durch Substrat, Tiefe und Fliessgeschwindigkeit) Vtot: Gesamtfläche der Habitate Die bisher beobachteten Diversitätswerte lagen zwischen 0.31 und 1.98. Der Mittelwert lag bei 1.14. Mit diesen Daten wurden wiederum anhand der 20 %-, 40 %-, 60 %- und 80 %-Perzentile Klassen definiert (Tabelle 3). 3. Anwendungsbeispiele In der Schweiz wurde der IAM bisher in den Kantonen Aargau [14–18], Wallis [19], Freiburg [20], Jura [21] und Neuenburg [22] angewendet. Nachfolgend werden die Ergebnisse der IAM-Methode anhand von sechs Beispielen veranschaulicht (Bild 3). Beim ersten Beispiel (Bild 3A) handelt es sich um die Neirigue im Kanton Freiburg. Der naturnahe Abschnitt liegt kurz oberhalb der Mündung in die Glâne. Furte und Kolke wechseln sich regelmässig ab. Die Substrat-, Strömungs- und Tiefenvariabilität ist hoch und Habitate wie Totholz und unterspülte Ufer sind häufig [20]. Aus dieser Kombination ergibt sich eine hohe Attraktivität und Diversität der Habitate. Dieser Zustand wird in natürlichen Gewässern in der Regel angetroffen. Das zweite Beispiel stammt von der kanalisierten Bünz oberhalb von Möriken (Bild 3B). Kanalisierte Gewässer weisen keine Furt-Kolk-Sequenzen auf, die

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auch tiefe Kolke entstanden. Für Fische attraktive Habitate wie Totholz, unterspülte Ufer und Blöcke sind aber etwas untervertreten. Dadurch resultieren insgesamt eine hohe Habitat-Vielfalt und eine mässige Attraktivität. Mit dem Einbau von mehr Totholz oder zusätzlichen Findlingen/Steinblöcken könnte für die Fische eine noch höhere Attraktivität erreicht werden. Als letztes Beispiel wird die Bünz in der Bünzaue bei Möriken herangezogen (Bild 3F). Hier hat ein Jahrhunderthochwasser den Uferverbau aufgerissen, und das Gewässer hat sich eigendynamisch ein neues Niederwassergerinne gestaltet. Dabei sind sowohl Kolke also auch stark fliessende Bereiche entstanden, die Substratvielfalt ist hoch und auch attraktive Habitate kommen vor. So fällt sowohl der IAM-Attraktivitätsindex als auch der Diversitätsindex hoch aus. Alle sechs Beispiele veranschaulichen, wie sich der IAMAST von einem Diversitätsindex unterscheidet. Ist die Strömungs- und Tiefenvariabilität in einem Gewässer hoch, führt dies in der Regel zu hohen Diversitätsindices (z. B. [23]), auch wenn für Fische nur wenige attraktive Habitate vorhanden sind (Bild 3 D+E). In natürlichen Gewässern sind attraktive Habitate in der Regel allerdings vorhanden (Bild 3A resp. 3F). Um den Zusammenhang zwischen den Lebensgemeinschaften und dem Habitatsangebot zu erkennen, ist es daher notwendig, die Habitate umfassend auf der Ebene der Mikrohabitate zu erfassen, also auch Substrate und den Verschnitt der drei Kenngrössen mit einzubeziehen [7]. 4.

Vergleich IAM mit Fischbestand Die IAM-Methode wurde seit 1994 an 94 Gewässerabschnitten der Forellenregion in Frankreich und in der Schweiz angewendet, für die auch Daten aus quantitativen Befischungen vorlagen. Basierend auf diesen Daten, lässt sich der Zusammenhang zwischen IAM und Fischbestand in der Forellenregion untersuchen. 4.1 Attraktivitätsindex Eine lineare Regression zwischen der Gesamtfischbiomasse (kg/ha) und dem Attraktivitätsindex zeigt einen positiven und signifikanten Zusammenhang (N = 94; R2 = 0.12; p < 0.001; Bild 4A). Die Korrelation ist jedoch nicht sehr stark. Werden nur Gewässer mit eher guter Wasserqualität in die Analyse einbezogen (IBGN/IBCH > 14), ist die beobachtete positive Korrelation deutlich stärker (N = 26; R2 = 0.56; p < 0.001;

Bild 3. Beispiele der IAM-Indices für verschiedene Gewässerabschnitte: A) die Neirigue im Kanton Freiburg (46°43’49.95”/7°0’27.00”); B) die Bünz oberhalb der Bünzaue (47°24’21.94”/8°12’18.51”); C) die revitalisierte Bünz bei Othmarsingen (47°23’57.56”/ 8°12’56.51”); D) die revitalisierte Surb bei Tegerfelden (47°33’41.95”/ 8°16’39.38”); E) die Wyna bei Gontenschwil (47°16’39.04”/ 8°9’8.89”); F) die Bünz in der Bünzaue (NAWA Strecke: 47°24’35.18”/ 8°11’10.39”).

Bild 4. Lineare Regression zwischen dem Attraktivitätsindex (IAMAST ) und der bei quantitativen Abfischungen gefangenen Gesamtfischbiomasse für A: alle untersuchten Gewässer der Forellenregion; B: Gewässer der Forellenregion mit IBGN>14. Die Regressionsgerade ist rot eingezeichnet. Bild 4B). Wird statt der Biomasse die in den untersuchten Abschnitten gefangene Anzahl Fische herangezogen, kann keine sig-

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nifikante Korrelation festgestellt werden. Dies ist nicht überraschend, da die Anzahl stark durch das Vorkommen von Jung205

Tiefere Attraktivität

Höhere Attraktivität

Höhere Fischbiomasse

R² = 0.45

2 1 0

Tiefere Fischbiomasse

Relativer Unterschied Biomasse

-1 -2

-3 -4 -4

-3

-2

-1 0 1 Relativer Unterschied IAMAST

Bild 5. Vergleich zwischen dem relativen Unterschied im Attraktivitätsindex (IAMAST ) und dem relativen Unterschied im Fischbestand (kg/ha) an den untersuchten Standortpaaren. Ein grüner Hintergrund entspricht Resultaten, die im Erwartungsbereich liegen (eine höhere Habitat-Attraktivität geht einher mit einem höheren Fischbestand).

Bild 6. Lineare Regression zwischen dem Diversitätsindex (HS) und der bei quantitativen Abfischungen gefangenen Gesamtfischbiomasse für A: Gewässer der Forellenregion; B: Gewässer der Forellenregion mit guter Wasserqualität (IBGN>14). Die Regressionsgerade ist rot eingezeichnet. fischen und Kleinfischarten beeinflusst wird, welches stärker von den jährlich schwankenden Umweltbedingungen abhängig ist als die Gesamtfischbiomasse. Eine Schwierigkeit bei der Interpretation von diesen Regressionsanalysen liegt in der Tatsache, dass der Fischbestand nicht nur durch die morphologische Habitat-Vielfalt und -Attraktivität beeinflusst wird, sondern auch durch andere Faktoren wie Hydrologie, Wasserqualität, Temperatur, Artenspektrum, Nahrungsangebot, Besatz usw. Diese unterscheiden sich von Gewässer zu Gewässer mehr oder weniger stark. Der Einfluss dieser externen Faktoren kann stark vermindert werden, indem Abschnitte miteinander 206

verglichen werden, die morphologisch unterschiedlich, aber sonst möglichst ähnlich sind. Vergleiche zwischen zwei geografisch sehr nah gelegenen Abschnitten desselben Gewässers oder Vorher-Nachher-Vergleiche bei Revitalisierungen sind also besonders interessant. Deshalb wurde für solche Standortpaare der relative Unterschied der Habit-Atattraktivität (IAMAST) und der relative Unterschied im Gesamtfischbestand (kg/ha) berechnet. Ein positiver Zusammenhang zwischen dem Unterschied in der Habitat-Attraktivität (IAMAST) und dem Unterschied im Fischbestand wurde erwartet. Von 45 paarweisen Vergleichen zeigen 40 in die erwartete Richtung. Die

Korrelation der linearen Regression ist dabei positiv und signifikant (N = 45; R2 = 0.453; p < 0.001). Das bedeutet, dass bei Gewässern mit ähnlichen Umweltbedingungen ein Abschnitt mit höherem IAMAST-Wert mit einer höheren Fischbiomasse einhergeht. 4.2 Diversitätsindex Eine lineare Regression zwischen der Gesamtfischbiomasse (kg/ha) und dem Diversitätsindex zeigt keinen signifikanten Zusammenhang (N = 85, R2 = 0.01; p = 0.40; Bild 6A). Werden nur Gewässer mit guter Wasserqualität in die Analyse einbezogen (IBGN/IBCH > 14), ist die beobachtete Korrelation positiv und knapp signifikant (N= 22; R2 = 0.27; p < 0.05; Bild 6B). Der Attraktivitätsindex (IAMAST), der sowohl die Diversität als auch die Attraktivität der Habitate in die Bewertung einbezieht, korreliert somit stärker mit der vorhandenen Fischbiomasse in einem Gewässerabschnitt. Des Weiteren zeigt eine multiple lineare Regression mit beiden Indices, dass die Diversität keinen signifikanten Anteil der residualen Varianz erklären kann: (N = 85; R2 = 0.097; p < 0.05; nur gute Wasserqualität: N =19; R2 = 0.221; p = 0.135). Häufig wird beobachtet, dass die Artenvielfalt mit der Habitat-Vielfalt zunimmt [24, 25]. Das gilt auch für Fische [6]. Dieser Zusammenhang konnte interessanterweise mit diesem Datensatz, das heisst für Gewässer der Forellenregion, nicht beobachtet werden. Möglicherweise liegt das an der Tatsache, dass die Forellenregion im Vergleich zu Gewässern der Äschen- und Barbenregion natürlicherweise artenarm ist. 5. Diskussion der Resultate Die Resultate zeigen, dass eine statistisch signifikante und starke Korrelation zwischen dem Attraktivitätsindex (IAMAST) und der in den untersuchten Gewässern der Forellenregion vorkommenden Gesamtfischbiomasse besteht. Mehr als 50 % der Variabilität bei der in einem Gewässer mit guter Wasserqualität beobachteten Fischbiomasse kann durch die Habitat-Attraktivität erklärt werden. Wenn weitere Einflussfaktoren nach Möglichkeit eliminiert werden, findet man ebenfalls einen deutlich signifikanten und stark positiven Zusammenhang zwischen dem IAMAST und dem Fischbestand. Der Zusammenhang zwischen der Morphologie und dem Fischbestand ist also nicht nur in Gewässern mit guter Wasserqualität klar nachweisbar. Der IAM eignet sich somit gut, um die Vielfalt und die Attraktivität der Gewäs-

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sermorphologie zu beschreiben. Dies ist von grossem Wert, da mit der IAM-Methode ein Werkzeug zur Verfügung steht, das erlaubt, den erwarteten Effekt der Gewässermorphologie auf den Fischbestand zu quantifizieren. Weicht die Reaktion vom Fischbestand bei einer Revitalisierung von der Erwartung ab, dann müssen andere Faktoren wie Wasserqualität, Temperatur oder Hydrologie als mögliche Erklärungen herangezogen werden. Die IAM-Methode eignet sich somit sowohl für eine Anwendung bei Wirkungskontrollen als auch bei Defizitanalysen. Sie kann also sowohl bei der Planung als auch bei Erfolgskontrolle von Revitalisierungen als wichtige Grundlage dienen. Dies ist von zentraler Bedeutung, denn damit können die Effekte von heute durchgeführten Revitalisierungen auf die Fischbestände möglichst genau verstanden werden. Dies wird uns in Zukunft helfen, Revitalisierungsmassnahmen laufend zu optimieren, insbesondere dann, wenn die Eigendynamik nicht zu 100 % wiederhergestellt werden kann. 6. Ausblick Der IAM wurde im französischen Jura an Forellengewässern entwickelt. Bis heute wurden daher hauptsächlich kleinere und mittelgrosse Gewässer untersucht. In grösseren Gewässern der Äschen- und Barbenregion sind andere Habitate natürlicherweise dominant, und das Artenspektrum nimmt deutlich zu. Die IAM-Daten, die derzeit für diese Fischregionen vorliegen, lassen keine eindeutigen Zusammenhänge zwischen dem IAMAST und dem Fischbestand erkennen. Ob dies am Index selbst liegt oder damit zu tun hat, dass bei den bisher untersuchten Gewässern andere Einflussfaktoren die Effekte der morphologischen Habitat-Vielfalt und -Attraktivität auf den Fischbestand überlagern, ist noch unklar. Um genauere Schlüsse ziehen zu können, sind deshalb weitere Vergleiche zwischen Standortpaaren, die sich möglichst nur in ihrem morphologischen Lebensraumangebot unterscheiden, notwendig. Ein Grossteil der Schweizer Gewässer gehört aber zur Forellenregion, und in dieser Region funktioniert die Methode sehr gut. Daher kann sie in diesen Gewässern schon heute sinnvoll und zielführend angewendet werden.

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Les Rangiers 11 E, CH-2883 Montmelon

folgskontrolle der Revitalisierungsmassnahmen

periat@teleos.info

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«Wasser Energie Luft» – 110. Jahrgang, 2018, Heft 3, CH-5401 Baden

Die BeNI-Rampe – ökologische Längsvernetzung in der Surb Nanina Blank, Marco Kaufmann

Zusammenfassung Der Lebensraum in Schweizer Fliessgewässern ist durch Querbauwerke fraktioniert und die Wanderung von Fischen und anderen Wasserlebewesen unterbrochen. Wo Querbauwerke aufgrund einschränkender Rahmenbedingungen nicht zurückgebaut werden können, kann eine Blockrampe die Längsvernetzung wiederherstellen. Um trotz dieses künstlichen Bauwerks im Gewässer den Mehrwert für die Natur zu maximieren, wurde die BeNI-Rampe entwickelt, eine Blockrampe mit Becken-Niederwassergerinne und ingenieurbiologischer Ufersicherung. Sie stellt genügende Abflusstiefen bei Niedrigwasser sicher, verzichtet auf einen harten Uferverbau und bietet in den Becken Deckung und Unterstände für Fische.

1. Einleitung Fische stehen dem modernen Menschen in puncto Mobilität in nichts nach. Sie wandern zwischen Schlaf- und Fressplätzen, zwischen Sommer- und Winterquartier, zwischen Kinderstube und Erwachsenenhabitat bis zum Laichplatz, immer artspezifisch. Sie unternehmen internationale und manche sogar interkontinentale Wanderungen – wenn sie denn können. Die Längsvernetzung von Wanderhindernissen ist ein wichtiger Schritt zur Sicherstellung der Biodiversität in Gewässern. Die Fischwanderung ist in Mittellandbächen durch Wehre und andere künstliche Abstürze unterbunden. Im Kanton Aargau befinden sich auf rund 2900 km Fliessgewässerstrecke noch immer rund 3000 Wanderhindernisse mit einer Höhe von 40 cm und mehr. Die Längsvernetzung ist neben der Revitalisierung Aufgabe der Kantone. In der strategischen Revitalisierungsplanung des Kantons Aargau (BVU,

2014) sind die Gewässer ausgeschieden, deren Längsvernetzung höchste Priorität hat. Erste Wahl für die Vernetzung eines Wanderhindernisses sollte immer die vollständige Entfernung des Querbauwerks sein und die Rückführung des Abschnittes zum natürlichen Zustand. Infrastruktur oder andere Randbedingungen lassen dies oft nicht zu. Als Kompromiss kommt oft eine Blockrampe infrage. Im Kanton Aargau wurden schon viele Erfahrungen mit Rampen gesammelt, viele erfüllen ihre Funktion der Vernetzung gut (Weibel und Peter, 2012). Rampen haben zudem wesentliche Vorteile gegenüber Umgehungsgewässern betreffend Auffindbarkeit, dem Unterhaltsaufwand und der Durchwanderbarkeit bei unterschiedlichen Wasserständen. Blockrampen weisen jedoch auch Nachteile auf. Sie sind als technische Bauwerke ein Fremdkörper im Gewässer. Un-

terhalb von Querbauwerken befinden sich häufig tiefe Kolke, wichtige Lebensräume für Fische, welche beim Bau einer Blockrampe verloren gehen. Der Uferschutz entlang von Blockrampen unterbindet die Quervernetzung von Ufer und Gewässer und bietet kaum Lebensraum für Tiere oder Pflanzen. Wo die lokalen Gegebenheiten eine Blockrampe unumgänglich machen, sollte die Ausführung trotzdem den maximalen Mehrwert für die Natur generieren. Aufgrund dieser Überlegungen wurde die BeNI-Rampe entwickelt, eine Blockrampe mit Becken-Niederwassergerinne und Ingenieurbiologischer Ufersicherung." 2. Ziele und Funktionsweise Die Blockrampe soll von allen potenziell im Gewässer vorkommenden Arten und allen Altersstadien durchwandert werden können. Das betroffene Gewässer weist ausgeprägte Niederwasserperioden auf. Um die Durchwanderbarkeit sicherzustellen, gilt daher ein spezielles Augenmerk der Abflusstiefe auf der Rampe. Zudem soll die Rampe nicht nur als funktionelles Vernetzungsbauwerk dienen, sondern auch Lebensraum bieten. 2.1. Niederwassergerinne Um diese Ansprüche zu erfüllen, besteht das Kernstück der Blockrampe aus einem eng definierten Niederwassergerinne mit einer Riegel-Becken-Struktur (Bild 1).

Bild 1. Normalprofil der BeNI-Rampe. Das Niederwassergerinne in Beckenform wird in den Rampenkörper eingebaut. Die seitlichen Bereiche werden erst bei höheren Abflüssen überströmt. Die Ufer werden ingenieurbiologisch mit Faschinen und Buschlagen gesichert. Wurzelstöcke in den tiefen Becken bieten Unterstände. «Wasser Energie Luft» – 110. Jahrgang, 2018, Heft 3, CH-5401 Baden

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Bild 2. Das alte Wässerungswehr in der Surb mit einer Überfallhöhe von insgesamt 2.3 m.

Dieses konzentriert das Wasser bei geringem Abfluss, sodass durchgehend eine Mindestwassertiefe eingehalten werden kann. Die Wasserspiegeldifferenz wird über Querriegel aus Blocksteinen abgebaut, die die Einhaltung der Wasserstände in den Becken gewährleisten. Die Riegel weisen eine auf den Niederwasserabfluss und die Leitfischart abgestimmte Lücke auf, sodass die Sohlanbindung über die ganze Rampe gewährleistet ist. Die Riegelsteine werden stehend eingebaut (Bild 3). In den Becken zwischen den Riegelreihen werden kleinere Blocksteine als Packlage aneinandergesetzt und kiesiges Sohlmaterial eingebracht. Bei zunehmendem Abfluss werden die seitlichen Bereiche (Bankette) der Rampe überströmt (vgl. Bilder 9 und 10). 2.2.

Bild 3. Im Bau: Das Niederwassergerinne in Beckenform ist gut sichtbar. Die angestrebte Wasserspiegeldifferenz von 14 cm pro Becken konnte durch den Bau ohne Wasserhaltung und entgegen der Fliessrichtung gut eingestellt werden.

Ingenieurbiologische Ufersicherung Auf einen harten Uferverbau wird verzichtet. Stattdessen werden die Ufer ingenieurbiologisch gesichert. Die Böschung wird mit Buschlagen lagenweise aufgebaut (Bild 5). Die Astlagen enthalten diverse Weidenarten und werden auf geneigte Bermen gelegt und mit Aushub überschüttet. Die Böschung ist im Endzustand gänzlich von den vorstehenden Astenden abgedeckt, sodass bei hohem Abfluss keine Angriffsfläche für Wasser besteht (Bild 6). Bis das Astmaterial verrottet, wird die Böschung von den Weiden durchwurzelt und gefestigt. Der Übergang von den Blocksteinen am Rampenrand zu den Buschlagen am Böschungsfuss wird mit mehreren Faschinen gesichert. Inspiration und Angaben zur hydraulischen Belastbarkeit lieferte Wolfgang Schütz (Schütz, 2009 und 2015) – an dieser Stelle herzlichen Dank. 2.3. Lebensraum In den Becken des Niederwassergerinnes werden Wurzelstöcke befestigt. Sie geben Fischen nicht nur Deckung während der Durchwanderung der Rampe, sondern sollen dauerhafte Habitate und Substrat bieten. Die Wurzelstöcke werden aus Stabilitätsgründen nicht direkt in den Rampenkörper eingebaut, sondern mit Stahlseilen an den Beckensteinen befestigt. So können Wurzelstöcke ohne Stammanteil verwendet werden und ein Ersatz ist leichter möglich, wenn die Wurzeln ihre Funktion nicht mehr erfüllen (Bild 4). 3.

Bild 4. Die Wurzelstöcke werden als Unterstand nachträglich im Niederwassergerinne befestigt. 210

Beispiel Längsvernetzung Wehr «Grosswise» Ein ehemaliges Wässerungswehr, welches

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früher zur Ausleitung von Wasser auf die Wiesen benutzt wurde, verhinderte in der Surb die Aufwärtswanderung von aquatischen Tieren (Bild 2). Das alte Wehr mit einer Überfallhöhe von insgesamt 2.30 m bestand aus zwei Betonschwellen mit Tosbecken und Seitenmauern. Im Oberwasser ergab sich eine künstliche Staustrecke von rund 120 m Länge (Bild 7). 3.1. Hydrologie Die Surb ist ein rund 20 km langer typischer Talbach des Mittellandes mit einem Einzugsgebiet von rund 67 km2. Sie entspringt nördlich der Lägern im Wehntal (Zürich) und mündet in Döttingen (Aargau) in die Aare. Da es im Einzugsgebiet der Surb keine Seen hat, welche sich ausgleichend auf das Abflussregime auswirken, weist sie grosse, schnell ansteigende Hochwasserspitzen auf. Demgegenüber sind die Niederwasserabflüsse relativ tief. Zwei Hochwasserrückhaltebecken auf Aargauer Boden drosseln die Abflussspitzen. In der Tabelle 1 sind charakteristische Abflusswerte der Surb in der Periode von 1981–2015 bei der Messstation Döttingen aufgeführt. 3.2. Massnahmen Ziel des Längsvernetzungsprojekts war ein kompletter Rückbau des ehemaligen Wässerungswehrs mit Ausgleich des Längsgefälles und Revitalisierung des Abschnitts. Eine Absenkung der Sohle im Oberwasser um die vollen 2.3 m hätte jedoch zu einem stark eingeschnittenen Gewässer geführt. Zusätzlich wäre eine Gashochdruckleitung an der Stauwurzel betroffen gewesen. Eine Anhebung der Sohle im Unterwasser hätte einen wertvollen natürlichen Abschnitt zerstört. Die Sohle wurde deshalb beim Wehrstandort um 1.0 m abgesenkt. Damit konnte der gesamte Staubereich aufgehoben und die Strecke revitalisiert werden (Bild 8). Der Uferverbau wurde entfernt und die neuen Böschungen mit Faschinen und Buschlagen gesichert. Mittels Stamm-, Faschinen- und Steinbuhnen wurde ein Niederwassergerinne strukturiert mit FurtKolk-Sequenzen. Dabei wurde ein besonderes Augenmerk auf die Erhaltung bereits vorhandener Naturwerte gelegt, wie die rechte Uferbestockung mit Schwarzerlen, deren Wurzelgeflecht bis ins Wasser ragt. Die restliche Höhendifferenz wurde mit einer BeNI-Blockrampe überwunden. 3.3. Erfolgskontrolle Die Attraktivität des Lebensraums für Fische und deren Vorkommen wird mittels Wirkungskontrolle überprüft. Vor

Bild 5. Die Ufer werden mit Faschinen und Buschlagen gesichert.

Bild 6. Die Böschung wird durch die vorstehenden Enden der Buschlagen lückenlos geschützt. Bis die Äste verrottet sind, hat die Durchwurzelung der Weiden die Festigung der Böschung übernommen.

Tabelle 1. Dimensionierung Blockrampe.

Tabelle 2. Dimensionierung Niederwassergerinne.

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Tabelle 3. Charakteristische Abflüsse der Surb (Quelle: Hydrologisches Jahrbuch, BVU).

Bild 7. Der Staubereich im Oberwasser war für das Gewässer völlig unnatürlich. Es lagerten sich Schlamm und Laub ab.

Bild 8. Der revitalisierte Bereich oberhalb des ehemaligen Wehrs weist nun natürliche Fliessgeschwindigkeiten auf und ein Niederwassergerinne mit Totholzstrukturen. der Realisierung des Projekts wurde der Abschnitt elektrisch abgefischt und der Indice d’attractivité morphodynamique (IAM, Aquabios 2015) wurde erhoben. Der Indikator berechnet sich aus einer Kombination von Wassertiefen- und Fliessgeschwindigkeitsvariabilität, den verschiedenen Substraten und der Attraktivität von Mikrohabitaten. Die Aufnahmen werden fünf und zehn Jahre nach Ausführung wiederholt. Zudem wird die Durchgängigkeit für Fische im Rahmen eines Monitorings über die ganze Surb überprüft. 4.

Ausführung

4.1. Ufersicherung Beim Erstellen der ingenieurbiologischen Ufersicherung müssen einige Punkte be212

achtet werden. Die Faschinen am Böschungsfuss werden direkt hinter den Blocksteinen am Rampenrand verlegt, sodass sie tiefer liegen als die Oberkante der Blocksteine, und werden mit einem Pfahl pro Laufmeter verankert. Darauf aufbauend, werden die Bermen für die Astlagen erstellt mit 10° Neigung Richtung Ufer (Bild 5). Die Astlagen enthalten 50 % ausschlagfähiges Material (hier im Beispiel Silber-, Bruch- und Salweiden) und dürfen vor dem Einbau nicht austrocknen. Die ideale Einbauphase liegt in der Vegetationsruhe. An der Surb überschneidet sich diese jedoch mit der Fischschonzeit, was Arbeiten im Wasser verunmöglicht. Die Ufersicherung wurde deshalb zwischen August und Oktober erstellt. Die Weiden wurden direkt bei Bedarf geschnitten und nur möglichst kurz zwischengelagert. Die Weidenäste

müssen in Wuchsrichtung eingebaut werden, sodass rund zwei Meter Länge in der Böschung zu liegen kommen und rund ein halber Meter vorsteht. Das Material zur Überschüttung der Astlagen sollte grobe Kiesanteile sowie bindige Anteile enthalten, gut eingeschwemmt und verdichtet werden. Es werden ca. zwei Lagen pro Meter Böschungshöhe eingebaut. 4.2. Blockrampe Wichtig für die Stabilität der Rampe ist unter anderem die korrekte Körnung der Filterschicht (Hunziker, Zarn & Partner, 2008), um Senkungen im Rampenkörper und Hinterspülungen zu verhindern. Die Blocksteine müssen über die gesamte Rampe inklusiv Niederwassergerinne gut verkeilt sein. Für die Riegel der Becken muss eine geeignete Auswahl an Steinen zur Verfügung stehen, um dem hohen Anspruch an Genauigkeit gerecht werden zu können. Der Bau ohne Wasserhaltung ermöglicht es, die angestrebte Wasserspiegeldifferenz zwischen den Becken direkt einstellen zu können, bewirkt jedoch Trübungen bachabwärts der Baustelle. Eine Wasserhaltung schont Wasserlebewesen und erleichtert das Arbeiten, zieht jedoch meist Korrekturen an den Beckenriegeln nach sich aufgrund der natürlichen Unregelmässigkeiten der Blocksteine. Nachbesserungen (Abspitzen von Hand oder mithilfe eines Baggers) sind bedingt möglich und sollten von unten nach oben ausgeführt werden. Die seitlichen Bereiche der Blockrampe sollten eine möglichst raue Oberfläche bilden und zum Ufer hin leicht ansteigen. 4.3. Unterhalt Im Unterhalt kann diese Bauweise je nach örtlichen Bedingungen etwas aufwendiger sein. Da das Niederwassergerinne nur einen einzigen Wanderkorridor aufweist, können Fische bei Verklausung nicht ausweichen. Daher ist je nach anfallender

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Bild 9. Bei tiefem Abfluss kanalisiert das Niederwassergerinne das Wasser und sorgt für genügende Fliesstiefen. Geschwemmselmenge zu kontrollieren, dass die Lücken der Beckenriegel nicht blockiert werden. Die Rampe «Grosswise» zeigte bisher keine Verklausungen. Die ingenieurbiologische Ufersicherung muss auf eine flächendeckende Entwicklung hin kontrolliert und nötigenfalls ergänzt werden. Die aufkommende Ufervegetation muss den Entwicklungszielen entsprechend gepflegt werden. 5. Ausblick Die BeNI-Rampe hat sich seit dem Bau 2015 bewährt, sowohl was die Entwicklung der ingenieurbiologischen Ufersicherung betrifft als auch die Stabilität. Sie hat seither mehrmals Abflüsse über 10 m3/s und einmalig über 20 m3/s (ca. HQ5) schadlos überstanden. Mittlerweile hat die Ab-

Bild 10. Bei höheren Abflüssen werden auch die seitlichen Bereiche überströmt.

teilung Landschaft und Gewässer drei weitere Rampen in ähnlicher Bauweise realisiert.

Erfahrungen zur Schubspannungsverträglichkeit von ingenieurbiologischen Bauweisen. Unveröffentlichte Mitteilung. Weibel, D., A. Peter (2012). Effectiveness of dif-

Literatur

ferent types of block ramps for fish upstream

Aquabios 2015. Erfolgskontrolle der Revita-

movement. Aquatic Sciences 75(2).

lisierung von zwei Wanderhindernissen in der Surb. Aquabios GmbH, Auftraggeber: Kanton Aargau, Abteilungen Landschaft und Gewässer

Anschrift

und Wald, Sektion Jagd und Fischerei.

Nanina Blank, Abteilung Landschaft und Ge-

Departement Bau, Verkehr und Umwelt des

wässer, Entfelderstr. 22, CH-5001 Aarau

Kantons Aargau (2014): Revitalisierung Fliess-

nanina.blank@ag.ch

gewässer – Strategische Planung.

Marco Kaufmann, Hunziker, Zarn & Partner AG,

Hunziker, Zarn & Partner (2008): Blockrampen

Schachenallee 29, CH-5000 Aarau

Normalien, Manual zur Sanierung von Abstür-

marco.kaufmann@hzp.ch

zen. Schütz, W. (2009): Biogene maschinelle Ufersicherung (BMU). Ingenieurbiologie 03/09. Schütz, W. (2015): Kurzexpertise: Vorhandene

Mit einem Inserat auf der Seite «Stellenangebot» findet man ausgewiesene Fachleute!

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14. September 2017

· Künstliche Hochwasser · Ersatzinvestitionen in die Wasserkraft · Mehrzweckspeicher · SWV-Jahresbericht 2017

WEL 2-2018

· Schwemmholzrechen für den Hochwasserschutz · Murgangsimulationen · Unwetterschäden 2017

WEL 1-2018

· Wasserkraft im Alpenraum · Hochwasser bei Talsperren · Gefahrenbeurteilung bei Schwemmholz · 106. Hauptversammlung SWV

WEL 4-2017

· Fischgängigkeit und -schutz bei Wasserkraftwerken · eDNA im Wasserbau · Gestaltung Gewässerräume · Wasserhaushalt Schweiz

WEL 3-2017

15. September 2016

· Marktmodelle Wasserkraft · Contraintes aux soudures des blindages · Schwall/Sunk-Deﬁzitanalyse · SWV-Jahresbericht 2016

· Flexibilisierung Wasserzinse – eine Chance für alle · Ausbau Wasserkraft seit 2006 · Aufgelöste Blockrampen · Antike Hydrotechnik

WEL 1-2017

· Rentabilität Wasserkraft · Optimierte Instandhaltung und Einsatzplanung · Stellenwert Gewässerräume · 105. Hauptversammlung SWV

WEL 4-2016

Räterichsbodensee der Kraftwerke Oberhasli (Foto: Roger Pfammatter, SWV)

3-2016

8. Dezember 2016

Zuleitstollen des neuen Wasserkraftwerks «Gletsch-Oberwald» (Foto: MMi, SWV)

4-2016

9. März 2017

Seeforellenzaun in der Hasliaare (Foto: Andreas Funk)

1-2017

8. Juni 2017

2-2017

WEL 2-2017

· Wasserzins – Reformbedarf im neuen Marktumfeld · Aufwertung KW Oberhasli · Mehrzweckspeicher · Schwemmholztransport

WEL 3-2016

17. September 2015

· SWV-Jahresbericht 2015

· Hydroabrasiver Verschleiss · Geschiebebewirtschaftung · Unwetterschäden 2015

WEL 1-2016

12. März 2015

WEL 2-2015

· Jubiläum VAR – Rückblick auf 100 Jahre Wasserwirtschaft · Rôle et tâches des barragistes · Gewässerpreis an KW Aarberg · SWV-Jahresbericht 2015

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

1-2015

11. Juni 2015

Fundationsarbeiten am Stauwehr beim KW Laufenburg im Jahre 1912 (Bild: Sammlung KW Laufenburg)

2-2015

WEL 1-2015

· Ökologie beim KW Hagneck · Interkantonale Aareplanung · KOHS-Empfehlungen Hochwasserschutz/Ufererosion · 104. Hauptversammlung SWV

WEL 4-2015

4-2014

· Optimierung Turbinenanströmung · Aufgaben Talsperrenwärter · Hochwasserschutz Melchaa

3-2014

4. Dezember 2014

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

· Projekt Linthal 2015

WEL 3-2015

18. September 2014

· Bedeutung der Speicher für die Energiestrategie · Hydraulik PSW Lagobianco · Brutvögel an Fliessgewässern · 103. Hauptversammlung SWV

Der Gebirgsﬂuss Brenno unterhalb der Mündung des Riale Riascio, Foto: Martin Böckli, WSL

· Hochwasserschutz Zürich

· Hochwasserschutzprojekt «Urner Talboden»

Zwischen Limmernsee und neuem Muttsee, Foto: Roger Pfammatter

· Solutions au problème d’ensablement Lac du Vernex · Bemessung Abschlussorgane

3-2015

3. Dezember 2015

Umgehungsgewässer beim KW Hagneck (Bild: Drohne, Geoplan Team, Nidau)

4-2015

10. März 2016

Überlastkorridor Reuss im Urner Talboden (Bild: Joe Müller)

1-2016

9. Juni 2016

Vue vers l’aval du barrage de Rossinière (Bild: Groupe E)

2-2016

WEL 2-2016

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· Courants de turbidité

Seeforellen-Laichtiere auf der Laichgrube 1 im Wychelbächli (Bild: KWO, Matthias Meyer)

3-2017

7. Dezember 2017

Wasserspiegelsensor bei der Fassung des Kraftwerk Bristen (Bild: SWV/Pfa)

4-2017

15. März 2018

Schwemmholzrechen für den Hochwasserschutz Sihltal/Zürich (Bild: zVg.)

1-2018

14. Juni 2018

Künstliches Hochwasser an der Saane, Damm Rossens (Bild: Forschungsgruppe Ökohydrologie - ZHAW)

2-2018

· Geschiebetransport in alpinen Einzugsgebieten · Flexibilisierung Wasserkraft · Murgangsimulationen · Methoden der Hydrologie

WEL 4-2014 WEL 3-2014 «Wasser Energie Luft» – 110. Jahrgang, 2018, Heft 3, CH-5401 Baden

Wasserhaushalt der Schweiz im Jahr 2017 Einordnung und Besonderheiten Katharina Liechti, Martin Barben, Massimiliano Zappa

Wasserhaushalt der Schweiz Der Jahresniederschlag und der Zufluss aus dem Ausland entsprachen 2017 in etwa den Normwerten (1981–2010). Als Folge des ausgesprochen trockenen und schneearmen Winters 2016/17 lag der Jahresabfluss 2017 deutlich unter dem langjährigen Mittel. Auch die sehr grosse positive Änderung des gespeicherten Wassers im Jahr 2017 gegenüber 2016 ist darauf zurückzuführen, dass die Schneedecke Ende 2016 nicht vorhanden, dagegen Ende 2017 nach ergiebigen Niederschlägen im Dezember sehr mächtig war (Bild 1). Regionale Unterschiede Das schweizweite Abflussdefizit ist in den Regionen unterschiedlich stark ausgeprägt, was vor allem auf die räumliche und zeitliche Niederschlagsverteilung zurückzuführen ist. So führte der leichte Niederschlagsüberschuss in der Zentral- und Ostschweiz dazu, dass das Abflussdefizit in den Einzugsgebieten der Reuss, der Limmat und des Rheins vergleichsweise gering ausfiel (Bild 2, Tabelle 1). Im Wallis, Tessin und Jura fiel dagegen etwas weniger Niederschlag als normal (Bild 2). Im Wallis führte dies aufgrund der dünnen Schneedecke und des warmen Frühlings und des Sommers zu einer sehr hohen Gletscherschmelze, welche sich einerseits im erneuten Speicherverlust zeigt, und andererseits dazu beitrug, dass das Abflussdefizit nicht noch grösser ausfiel (Bild 2). Im Tessin, wo die Gletscher nur einen sehr geringen Einfluss auf den Wasserhaushalt haben, hatte der warme Frühling und der Sommer einen viel geringeren Einfluss auf die Wasserspeicher. Sie konnten sich dank der grossen Schneemengen im Dezember 2017 erholen. Im Jura, wo weder Gletscher noch Schnee eine grosse Rolle spielen, führte das Niederschlagsdefizit in Kombination mit tiefen Grundwasserpegeln zu einem starken Abflussdefizit (Bild 2).

Bild 1. Kennzahlen (mm pro Jahr) für den Wasserhaushalt der Schweiz für das Kalenderjahr 2017 und (kursiv in Klammern) für die Normperiode 1981–2010. Abgebildet sind die politische (grau) und die hydrologische Schweiz (hellgrau).

Tabelle 1. Natürlicher Wasserhaushalt der ganzen Schweiz und bedeutender Grosseinzugsgebiete für 2017 und die Normperiode 1981–2010 (mm pro Jahr). P: Niederschlag; R: Abfluss; E: Verdunstung; dS: Speicheränderungen. Siehe auch Zappa et al. (2017). Besonderheiten 2017 Die fehlende Schneedecke in weiten Teilen des Landes zu Beginn des Jahres 2017 (Bild 3, unten links) und die dadurch erfolgte verfrühte Ausaperung des Schnees

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auf allen Höhenstufen hatte eine erhöhte Verdunstung zur Folge. Diese war durch den sonnigen und warmen Frühling und den Sommer auch im weiteren Verlauf des Jahres überdurchschnittlich (Bild 3, oben 215

Bild 2. Wasserbilanzkomponenten der Grosseinzugsgebiete. Prozentuale Abweichungen 2017 gegenüber der Normperiode 1981–2010 für den mittleren Niederschlag (oben links), die mittlere Verdunstung (oben rechts) und den mittleren Abfluss (unten links) sowie die absolute Speicheränderung 2017 gegenüber 2016 in mm (unten rechts). rechts). Folglich widerspiegeln sich diese Witterungsbedingungen auch in der Bodenfeuchte, welche während des ganzen Jahres unterdurchschnittlich war (Bild 3, unten rechts). Der gesamtschweizerische Abfluss war vor allem im Frühling und im Sommer verhältnismässig tief, was einen moderaten Jahresgang zur Folge hatte (Bild 3, oben links). Literatur Zappa, M., Liechti, K., Barben, M. (2017): Wasserhaushalt der Schweiz 2.0 – Eine validierte, modellgestützte Methode für die Bilanzierung der Wasserressourcen der Schweiz. «Wasser Energie Luft», 109(3), 203–212.

Anschrift der Verfasser Dr. Katharina Liechti, Dr. Massimiliano Zappa Eidg. Forschungsanstalt WSL

Bild 3. Monatswerte für den Abfluss (oben links), die Verdunstung (oben rechts), den Schneespeicher (unten links) und die Bodenfeuchte (unten rechts). Die Boxplots fassen die Daten der Jahre 1981 bis 2017 zusammen. Die grauen Boxen umfassen die mittleren 50 % der Datenwerte, die horizontale schwarze Linie markiert den Median. Die blaue und die rote Linie repräsentieren die Werte für die Jahre 2016 und 2017.

216

Zürcherstrasse 111, CH-8903 Birmensdorf kaethi.liechti@wsl.ch Dr. Martin Barben Bundesamt für Umwelt, Abteilung Hydrologie CH-3003 Bern-Ittigen

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Nachrichten Informationen aus der Wasser- und Energiewirtschaft

P ol iti k Politi UREK-S: StromVG soll Produktion aus Wasserkraft sicherstellen Die Kommission für Umwelt, RaumplanungundEnergiedesStänderats(UREK-S) erwartet vom Bundesrat Rahmenbedingungen, welche die Produktionskapazität der Wasserkraft auch künftig sicherstellen. Die Kommission hat einstimmig entschieden, der parlamentarischen Initiative 16.448 «Sicherung der Selbstversorgung mit Strom aus Wasserkraft zur Überbrückung der aktuellen Preisbaisse» Folge zu geben. Die Schwesterkommission der UREK-S, jene des Nationalrats (UREK-N), hatte dem Begehren bereits im August 2017 zugestimmt. Die Initiative war von Nationalrat Albert Rösti bereits im Juli 2016 eingereicht worden und fordert gemäss Initiativtext ein befristetes Massnahmenpaket sowie ein neues Marktmodell zur Stützung der Schweizer Wasserkraft. Die UREK-S geht in Anbetracht der bevorstehenden Revision des Stromversorgungsgesetzes (Strom-VG) davon aus, dass die Schwesterkommission des Nationalrates die laufenden Arbeiten des Bundesrates beim weiteren Vorgehen berücksichtigt. Hingegen hat die Kommission mit 8 zu 4 Stimmen beschlossen, der Standesinitiative 15.313 «Schweizer Stauanlagen und Wasserenergie retten» keine Folge zu geben. Die Forderung des Kantons Genf, eine Energiesteuer einzuführen, erachtet die Kommission als nicht vereinbar mit internationalem Recht. Eine Minderheit unterstützt die Standesinitiative. Die Kommission hat am 13. August 2018 unter dem Vorsitz von Ständerat Roland Eberle (V/TG) und teilweise in Anwesenheit von Bundesrätin Doris Leuthard in Bern getagt. (UREK-S, Energate)

UREK-N: Elektrifizierung der Mobilität soll vorangetrieben werden Die Kommission für Umwelt, Raumplanung und Energie des Nationalrates (UREK-N) hat die Detailberatung zur Totalrevision des CO2-Gesetzes fortgesetzt. Im Rahmen der Detailberatung zur Totalrevision des CO2-Gesetzes (17.071) beschäftigte sich die Kommission mit der Frage, wie CO2-Emissionen von Fahrzeugen reduziert werden können. Bei den entsprechenden Artikeln (10 bis 17) folgt die Kommission in den grossen Linien der Vorlage des Bundesrats. Sie zeigt sich überzeugt, dass im Verkehrsbereich noch ein grosses Reduktionspotenzial besteht. So bestätigt sie die Regelung, dass die neu in Verkehr gesetzten Personenwagen ab 2021 im Durchschnitt höchstens 95 Gramm CO2 pro Kilometer ausstossen dürfen. Weiter soll der Bundesrat die Kompetenz haben, Zwischenziele, Erleichterungen und Ausnahmebestimmungen festzulegen. Dabei hält die Kommission fest, dass Erleichterungen nur so lange weitergeführt werden dürfen, wie sie auch in der Europäischen Union gelten. Eine wesentliche Neuerung gegenüber der Vorlage des Bundesrats hat die Kommission mit 13 zu 12 Stimmen bei den Elektrofahrzeugen beschlossen: Den Autoimporteuren soll erlaubt werden, ihre Elektrofahrzeuge von der Personenwagenflotte auszunehmen. Damit profitiert der Durchschnitt der gesamten Flotte nicht mehr zwingend vom Kauf eines Elektrofahrzeugs. Das heisst, die Käuferinnen und Käufer eines solchen Autos erleichtern es den Importeuren nicht mehr automatisch, emissionsstarke Autos mit Verbrennungsmotoren einzuführen. Mit dieser Neuregelung will die Kommission die Elektrifizierung der Mobilität vorantreiben. Sie ebnet insbesondere den Weg für Kompensationsprojekte im Inland im Bereich Elektromobilität. Eine Minderheit lehnt die Bestimmung ab, weil sie diese als unvorteilhaft für die Autobranche bewertet. Zusätzliche Minderheiten fordern entweder weitergehende Massnahmen wie ein Zielwert von 20 Gramm CO2 pro Kilometer für Personenwagen ab 2030 oder im Gegenteil weniger strenge Vorgaben.

«Wasser Energie Luft» – 110. Jahrgang, 2018, Heft 3, CH-5401 Baden

Die Kommission hat am 20. und 21. August 2018 unter dem Vorsitz von Nationalrat Roger Nordmann (S, VD) und teilweise in Anwesenheit von Bundesrätin Doris Leuthard in Bern getagt. (UREK-N)

Ene E ne r g iewi i ewi r ts t s c haf t SATW-Studie zur Gesamtenergiebilanz: Wasserkraft herausragend Die ETH Zürich hat die Gesamtenergiebilanz der wichtigsten Formen der Stromproduktion in der Schweiz nach einer einheitlichen Methodik analysiert. Dabei zeigt vor allem die Wasserkraft eine herausragende Bilanz. Fachleute der Professur für Energiepolitik an der ETH Zürich haben im Auftrag der Schweizerischen Akademie der Technischen Wissenschaften, SATW, eine Studie verfasst, welche die Gesamtenergiebilanz für Erdgas, Erdwärme, Kernkraft, Photovoltaik, Steinkohle sowie Wasser- und Windkraft ermittelt. Dazu wurde der kumulierte nicht erneuerbare Gesamtenergiebedarf (englisch: «Non-renewable Cumulative Energy Demand») berechnet, der für Bau und Entsorgung einer Anlage nötig ist sowie für die Stromproduktion. Bei fossilen Produktionsverfahren sowie Kernenergie ist dies in erster Linie die Energie im jeweiligen Brennstoff (Gas, Kohle, Uran). Anderseits wurde der Erntefaktor (englisch «Energy Return on Energy Investment», EROI) ermittelt, der das Verhältnis des produzierten Stroms zur investierten («grauen») Energie über die gesamte Lebensdauer einer Anlage beschreibt. Anhand dieser Kennzahlen lassen sich Aussagen zur Gesamtenergiebilanz machen. Wasserkraft ist herausragend – Photovoltaik und Wind schneiden gut ab Die Gesamtenergiebilanz der Wasserkraft ist herausragend. Beeindruckend ist, wie deutlich sie die anderen Formen der Stromerzeugung beim Erntefaktor überflügelt. Die Analyse bekräftigt das Argument, die Wasserkraft als wichtigsten Pfeiler der schweizerischen Stromversorgung unbedingt zu erhalten. Die Effizienz von 217

Nachrichten Die Gesamtenergiebilanz, ermittelt aus den Kennzahlen «Gesamtenergiebdarf (nicht erneuerbar)» und «Erntefaktor (EROI)», zeigt ein deutliches Bild. Die Wasserkraft schlägt alle übrigen Arten der Stromversorgung um Längen. Doch auch Photovoltaik und Windkraft schneiden gut ab. Photovoltaik und Windkraft ist in den vergangenen Jahren deutlich gestiegen. Aufgrund der technologischen Lernkurve hat sich der Erntefaktor neuer erneuerbarer Energien in den letzten zehn Jahren stark erhöht und dürfte auch künftig weiter steigen. Öffentliche Förderprogramme tragen massgeblich zur positiven Entwicklung der neuen erneuerbaren Energien (und anderer Technologien) bei, auch punkto Gesamtenergiebilanz. Wasserspeicher sind Top-Speichertechnologie Der Umbau des Schweizer Energieversorgungsystems führt dazu, dass der Anteil stochastischer – also schwankender – Stromproduktion aus Photovoltaik und Windkraft steigen wird. Die Speichertechnologie wird somit eine immer wichtigere Rolle als Regelenergie einnehmen. Wasserspeicherkraftwerke sind dabei gegenüber Power-to-Gas-to-Power-Verfahren und Batterien klar im Vorteil. Trotz der aktuell schwierigen ökonomischen Situation der Wasserkraft sollte die Schweiz also aus Sicht der Gesamtenergiebilanz auch künftig an ihr als wichtigste Stütze der Stromversorgung festhalten. Studie stützt Energiestrategie 2050 Die Erkenntnisse der Studie in Bezug auf die Gesamtenergiebilanz stützen den von Bundesrat und Parlament mit der Energiestrategie 2050 eingeschlagenen Weg, der einen starken Zubau neuer erneuerbarer Energien vorsieht. Somit dürfte sich die Gesamtenergiebilanz der Schweizer Stromproduktion künftig weiter verbessern und nicht etwa verschlechtern, wie bisweilen postuliert wird. Die Studie kann auf der Webseite der 218

SATW heruntergeladen werden (vgl. auch Hinweis unter Literatur in diesem Heft). (SATW)

W as s se e r kr eis ei s lauf / Was s e r wi r ts c ha haff t Niedrigwasser und hohe Wassertemperaturen im Sommer 2018 Anhaltende Niederschlagsarmut und Wärme haben im Sommer 2018 zu einer ausgeprägten Niedrigwassersituation in den Schweizer Gewässern geführt. Zudem sind die Wassertemperaturen Anfang August vielerorts stärker angestiegen als in den Jahren 2003 und 2015.

Der Bodensee beim Steg von Landschlacht am 30. Juli 2018. Die Schweiz erlebte gemäss Angaben von MeteoSchweiz den niederschlagsärmsten Frühling und Sommer seit fast 100 Jahren. Dazu kam eine Rekordwärme, welche die überdurchschnittlichen Schneemengen,

die im Winter 2017/2018 in den Alpen gefallen waren, schon früh abschmelzen liessen. Die Niederschlagsarmut kombiniert mit den hohen Temperaturen seit April und der dadurch verstärkten Verdunstung sind die Ursache für die aktuell herrschende Trockenheit. Ausgeprägte Niedrigwassersituation in den Flüssen In der Folge sind die Abflüsse der Fliessgewässer in fast der ganzen Schweiz ausgeprägt unterdurchschnittlich: Viele kleinere und mittlere Flüsse im Jura, Mittelland und in den Voralpen führen Niedrigwasser. Insbesondere im zentralen und östlichen Mittelland sind die Wasserstände einiger Flüsse extrem tief. Teilweise werden tiefere Werte gemessen als im Hitzesommer 2003. Sehr niedrige Abflüsse werden nicht nur an kleineren und mittleren Flüssen registriert, sondern auch an vielen grösseren Fliessgewässern der Deutschschweiz (Limmat, Reuss, Aare und Rhein). Hier liegen die Abflussmengen nahe oder teils auch unterhalb der langjährigen saisonalen Tiefststände. Auch im Tessin haben die Flüsse sehr tiefe Wasserstände. Reiht man die bis Ende Juli beobachteten Messwerte in die Niedrigwasserstatistik ein, so werden an vielen Flüssen Abflussmengen gemessen, wie sie nur alle zwei bis zehn Jahre auftreten. An zahlreichen Flüssen liegt die Jährlichkeit des Niedrigwassers auch deutlich höher. So zum Beispiel an der Lorze bei Zug, an der Kleinen Emme bei Emmen oder an der Glatt bei Rheinsfelden, aber auch an der Wigger bei Zofingen. Ganz anders präsentiert sich die Lage aktuell in den hochalpinen, vergletscherten Einzugsgebieten. Hier führte die Hitzewelle von Ende Juli und Anfang August zu einer markanten Gletscherschmelze und entsprechend zu normalen bis deutlich überdurchschnittlichen Abflüssen. So erreichten die Abflüsse der Massa bei Blatten im Wallis Anfang August 2018 mehrmals Werte im Bereich der Gefahrenstufe 3 (erhebliche Gefahr). Die Simme bei Oberried/Lenk führte am 27. Juli 2018 kurzzeitig Hochwasser nach dem Ausbruch des Lac de Faverges auf dem Plaine Morte-Gletscher. Sehr tiefe Seewasserstände An einigen regulierten Seen (z. B. Thunersee und Bielersee) werden zum Teil noch durchschnittliche Wasserstände gemessen. Ausserordentlich tiefe Wasserstände werden aber am Vierwaldstätter-, Zugerund Zürichsee verzeichnet. So hat der Zürichsee einen neuen Tiefststand für August erreicht (Vergleichsperiode seit 1951). Und

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Nachrichten Station Rhein – Basel: Vergleich der Abflusswerte 2018 mit den Jahren 2003 und 2015. der Pegel des Zugersees lag in der zweiten Augustwoche nur wenige Zentimeter über dem absoluten Minimum seit Messbeginn 1930 (413.12 m ü. M. im Oktober 1947). Diese Seestände sind damit auch deutlich tiefer als jene in den Sommermonaten der Jahre 2003 und 2015. Nicht reguliert sind der Boden- und der Walensee. An beiden Seen sind die Wasserstände für August extrem tief. Grundwasserstände: Verbreitet tief mit sinkender Tendenz Auch die Grundwasserstände und Quellabflüsse sind in den letzten Monaten stetig zurückgegangen. Anfang August 2018 sind sie wie die Oberflächengewässer in fast der ganzen Schweiz ausgeprägt unterdurchschnittlich. Vor allem die Grundwasserstände in Lockergesteins-Grundwasserleitern, die an Flüsse mit Einzugsgebiet im Mittelland bzw. auf der Alpensüdseite gebunden sind, und solche ohne Flussanbindung und mit geringem Flurabstand, liegen zunehmend tief. Dagegen weisen Grundwasserstände in Talschotterebenen entlang der grossen Alpenflüsse infolge der ausgeprägten Schneeschmelze teilweise noch normale, wenn auch zunehmend sinkende Grundwasserstände auf. Kurzfristige Starkniederschläge infolge von Gewittern haben bei Grundwasserständen in oberflächennahen Lockergesteins-Grundwasserleitern jeweils einen vorübergehenden Anstieg zur Folge. Im Grundwasser sind 2018 für den Monat Juli noch keine neuen Monatsminima aufgetreten. Auffallend ist, dass im Vergleich zu 2003 und 2015 die Grundwasserstände im Frühling 2018 in den Talebenen entlang der grossen Alpenflüsse früh anstiegen. Dies ist bedingt durch die hohen Lufttemperaturen seit April 2018 und die dadurch

Station Rhein – Rheinfelden: Vergleich der Wassertemperaturen 2018 mit den Jahren 2003 und 2015.

früh einsetzenden Schnee- und Gletscherschmelze. Im Sommer sanken die Grundwasserstände infolge der raschen Ausaperung wieder früh ab, wie z. B. im Rheintal in Maienfeld (GR). Karstquellen im Jura weisen infolge der überdurchschnittlichen Niederschlagsmengen von Anfang Jahr sowie im Zuge der wiederholten Gewitterniederschläge im Lauf des Frühlings und Sommers derzeit leicht höhere Quellabflüsse als 2003 und 2015 auf, wie z. B. die Areusequelle in St-Sulpice (NE). Wassertemperatur: Neue Rekorde Die geringe Wasserführung in Kombination mit der starken Sonneneinstrahlung und den hohen Lufttemperaturen führte an vielen Flüssen im Mittelland bis Anfang August zu aussergewöhnlich hohen Wassertemperaturen. An 25 von 83 Temperaturmessstellen des BAFU wurden neue Höchstwerte seit Messbeginn verzeichnet. An weiteren Stationen wurden neue Maxima für den Monat August registriert. Die Temperatur zahlreicher Flüsse lag somit höher als in den Hitzesommern 2003 und 2015 (Beispiele: Aare bei Bern 23.8 °C am 6. August oder Rhein bei Rekingen 26.6 °C am 5. August). Deutlich über der 25-°C-Marke lag die Wassertemperatur an allen Rhein-Stationen unterhalb des Bodensees. Auch andere Fliessgewässer überschritten diese kritische Marke, u. a. die Limmat bei Baden (27.0 °C) und die Thur bei Andelfingen (27.5 °C). Aber auch die Rhone beim Ausfluss aus dem Genfersee erreichte 27.6 °C. Bei den Gewässern mit einem hohen Anteil an Gletscherwasser, wie z. B. bei der Messstation Massa-Blatten unterhalb des Aletschgletschers, waren bisher keine aussergewöhnlichen Abkühlungen wie im Jahre 2003 zu beobachten.

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Wie lange braucht es für eine Normalisierung der Lage? Wann sich die Lage wieder normalisieren wird, hängt von der Wetterentwicklung ab. Generell braucht es eine längere Phase mit regelmässigen, ergiebigen Niederschlägen, um ein Wasserdefizit in den Böden und im Grundwasser wieder auszugleichen und damit sich die Abflussmengen in den Fliessgewässern wieder normalisieren. Kaltfronten können die Wassertemperaturen relativ rasch abkühlen. (BAFU)

Natur gefahr e n / H o c hwas s e r s c hut z Lücke im Hochwasserschutz geschlossen: Neue Karte zum Oberflächenabfluss Die Schweiz verfügt neu über eine gesamtschweizerische Karte zum Oberflächenabfluss und damit über ein zusätzliches wichtiges Instrument für die Hochwasserprävention. Denn diese Gefahr verursacht bis zu 50 Prozent der Schäden durch Hochwasser. Die Karte wurde gemeinsam von öffentlicher und privater Hand erarbeitet. Die Schweiz ist damit besser für die Folgen der Klimaerwärmung mit heftigeren und häufigeren starken Regenfällen gerüstet. In Bern haben das Bundesamt für Umwelt (BAFU), der Schweizerische Versicherungsverband (SVV) und die Vereinigung Kantonaler Gebäudeversicherungen (VKG) am 3. Juli 2018 gemeinsam die neue Gefährdungskarte zum Oberflächenabfluss vorgestellt. Hochwasser gibt es nicht nur, weil Bäche, Flüsse oder Seen über die Ufer treten. Auch Regen, der nicht im Boden versickern kann und über das 219

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offene Gelände abfliesst, kann zu Überschwemmungen führen. Dieses Oberflächenwasser verursacht bis zu 50 Prozent der Schäden durch Hochwasser und ist in den letzten Jahren vermehrt aufgetreten. Beispiele dafür gab es in den vergangenen Monaten verschiedene, etwa in Lausanne im Juni dieses Jahres oder in Zofingen im Juli 2017 (siehe Kasten 2). Mit dem wärmeren Klima ist mit heftigeren und häufigeren Niederschlägen und somit auch mit mehr Oberflächenabfluss zu rechnen. Die neue Karte hilft der Schweiz, sich an den Klimawandel und diese Phänomene anzupassen. Oberflächenabfluss kann hohe Schäden verursachen Die landesweite Karte zeigt, welche Gebiete gefährdet sind und wie tief sie unter Wasser stehen können (siehe Kasten 1). Rund zwei Drittel der Gebäude in der Schweiz sind potenziell von Oberflächenabfluss betroffen. Die Karte dient Architekten und Architektinnen, Bauherren, Planern und Planerinnen, Behörden oder Interventionskräften bei der Planung von Schutzmassnahmen. An Gebäuden können relativ einfache Massnahmen das Wasser abhalten und so Schäden vermeiden: zum Beispiel, indem man Lichtschächte erhöht oder bei Tiefgarageneinfahrten Sperren oder kleine Geländekuppen anbringt. Die Gefährdungskarte Oberflächenabfluss deckt auch das nicht besiedelte Gebiet ab und kann darum der Landwirtschaft für Bodenschutzmassnahmen dienen. Der Kanton Luzern verwendet die Karte seit zwei Jahren und zieht eine positive Bilanz. Wird der Schutz vor Oberflächenabfluss bei einem Bauprojekt bereits in der Planungsphase berücksichtigt, entstehen keine oder nur geringe Mehrkosten. Die Gefährdungskarte Oberflächenabfluss Schweiz steht nun allen Kantonen, Versicherungen, Bauherren und allen weiteren interessierten Kreisen online unter www. map.geo.admin.ch frei zur Verfügung. Sie hat keine Rechtsverbindlichkeit, sondern informativen Charakter und ergänzt die bereits vorhandenen Gefahrenkarten der Kantone. Die Schweiz ist eines der ersten Länder, das eine Karte zum Oberflächenabfluss realisiert hat, und nimmt damit auf diesem Gebiet international eine führende Rolle ein. Für die Karte wurde für die ganze Fläche der Schweiz ein Computermodell entwickelt. Wichtig für die Berechnung sind neben der Niederschlagsmenge, der Bodenbedeckung und -beschaffenheit sowie der Speicherkapazität des Bodens auch ein hochaufgelöstes digitales Geländemo220

dell. Die daraus resultierende Karte zeigt, wo Oberflächenwasser abfliesst, welche Flächen betroffen sind und wie hoch das Wasser stehen kann. Kasten 1: Innovatives Computermodell für die ganze Schweiz Für die Karte wurde für die ganze Fläche der Schweiz ein Computermodell entwickelt. Wichtig für die Berechnung sind neben der Niederschlagsmenge, der Bodenbedeckung und -beschaffenheit sowie der Speicherkapazität des Bodens auch ein hochaufgelöstes digitales Geländemodell. Die daraus resultierende Karte zeigt, wo Oberflächenwasser abfliesst, welche Flächen betroffen sind und wie hoch das Wasser stehen kann.

Kasten 2: Die Überschwemmungen von Zofingen im Juli 2017 Am 8. Juli 2017 zog über die Region Zofingen im Kanton Aargau ein schweres Unwetter, wie es nur alle 100 Jahre vorkommt. Der Fluss Wigger trat zwar nicht über die Ufer, es kam aber dennoch zu Überschwemmungen, Hangrutschen und Stromunterbrüchen. Betriebe, Keller, Tiefgaragen, Unterführungen und das Bahnhofparking standen wegen des Oberflächenabflusses unter Wasser. Die Trinkwasserversorgung war teilweise unterbrochen. Feuerwehren und Zivilschutz standen mehrere Tage im Einsatz. Glücklicherweise wurden keine Personen verletzt. Die Sachschäden waren aber immens und betrugen mehr als 90 Millionen Franken. (BAFU)

PLANAT aktualisiert Strategie Naturgefahren Der Bundesrat hat die von der nationalen Plattform Naturgefahren, PLANAT, aktualisierte Strategie zur Kenntnis genommen. Die Strategie 2018 «Umgang mit Risiken aus Naturgefahren» berücksichtigt aktuelle Rahmenbedingungen wie etwa die Zunahme extremer Wetterereignisse und die stärkere Nutzung unseres Lebensraums. Sie trägt damit zur langfristigen Sicherung des Lebens- und Wirtschaftsraums Schweiz bei. Ein sicherer Lebens- und Wirtschaftsraum ist Voraussetzung für Lebensqualität und Wohlfahrt. Absolute Sicherheit gibt es jedoch nicht. Naturereignisse können Menschen und Sachwerte sowie die wirt-

schaftliche Leistungsfähigkeit eines Landes gefährden. Das zeigen Schadenereignisse wie zum Beispiel die Hochwasser im Jahr 2005. Mit der Umsetzung der Strategie 2018 sichert die Schweiz langfristig ihren Lebens- und Wirtschaftsraum. Bewährtes erhalten, Neues integrieren Die Strategie 2018 «Umgang mit Risiken aus Naturgefahren» löst die Strategie von 2004 «Sicherheit vor Naturgefahren» ab. Bewährte Elemente aus der Strategie von 2004 werden dabei weiterverfolgt und weiterentwickelt, so zum Beispiel der Ansatz des integralen Risikomanagements. Die PLANAT definiert in der aktualisierten Strategie die Ziele im Umgang mit Risiken aus Naturgefahren und erläutert, nach welchen Grundsätzen diese Ziele erreicht werden können. Für einen angemessenen Schutz vor Naturgefahren wie Hochwasser, Hagel, Sturm oder Erdbeben muss die Schweiz nicht nur ihre Widerstandsfähigkeit erhöhen, um Schäden auf ein tragbares Mass zu reduzieren. Wichtig ist auch, dass das Land nach einem Ereignis schnell wieder handlungsfähig wird. Schliesslich muss die Schweiz bereit und fähig sein, sich veränderten Rahmenbedingungen anzupassen. Dazu gehören zum Beispiel Hitzewellen oder zunehmende Starkniederschläge. Die aktualisierte Strategie ist auf andere nationale und internationale Strategien abgestimmt – so etwa auf die «Nachhaltige Entwicklung 2016–2019» des Bundesamts für Raumentwicklung, die «Anpassung an den Klimawandel 2012/2014» des Bundesamts für Umwelt oder auf das «Sendai Framework for Disaster Risk Reduction» der UNO. An wen sich die Strategie richtet Die Strategie Naturgefahren 2018 richtet sich an alle, die mit ihrer Tätigkeit und ihren Entscheiden den Umgang mit den Risiken aus Naturgefahren beeinflussen. Dazu gehören etwa Politikerinnen und Politiker sowie Behörden auf allen Stufen, Planer und Planerinnen, Gebäudeeigentümer und auch Versicherungen. Jede Person, jede Institution trägt Risiken aus Naturgefahren – für sich selber wie auch für die Gemeinschaft. Gleichzeitig beeinflussen alle durch ihr Handeln und Verhalten die Risiken. Um die angestrebten Ziele zu erreichen, ist daher das gemeinsame und solidarische Handeln aller wichtig. Die PLANAT Die Nationale Plattform Naturgefahren, PLANAT, ist eine ausserparlamentarische Kommission, die 1997 vom Bundesrat eingesetzt wurde. Sie beschäftigt sich auf strategischer Ebene mit dem Schutz vor Naturgefahren in der Schweiz und berät

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R üc kbl kblic ic k Ve r anstaltunge n Rückblick auf die dritte FIThydro Generalversammlung in Zürich Im Rahmen des FIThydro (Fishfriendly Innovative Technologies for Hydropower) Horizon-2020-Projekts trafen sich an der ETH Zürich vom 25. bis 28. Juni insgesamt 58 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von 26 Partnerorganisationen aus verschiedenen Teilen Europas (Bild 1) zur dritten Generalversammlung. Unter der Koordination durch Prof. Dr. Peter Rutschmann, TU München, zielt in diesem Projekt ein Konsortium aus Universitäten, Forschungsinstituten, Kraftwerksbetreibern und Beratungsfirmen darauf ab, die Ökologie der Fliessgewässer zu verbessern und durch eine Weiterentwicklung bestehender Wasserkrafttechnologien für nachhaltige Fischpopulationen an Wasserkraftwerken (WKW) zu sorgen. Dabei sollen kosteneffiziente Massnahmen und

ein Hilfswerkzeug für Entscheidungsträger/innen und die Politik erarbeitet werden. In den ersten beiden Tagen stand der Wissensaustausch mit Präsentationen im Fokus. Bei einer solch grossen Anzahl an Projektpartnern kommt der Aufgabe, den Partnern den jeweiligen aktuellen Projektfortschritt näherzubringen, eine besondere Bedeutung zu. Der erste Abend wurde dann genutzt, um das Labor der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) vorzustellen. Zudem konnte man beim anschliessenden Grillieren im ungezwungenen Rahmen die Diskussionen des laufenden Tages vertiefen. Mit einer Exkursion stand der dritte Tag ganz im Zeichen der beiden Schweizer Fallstudien WKW Bannwil der BKW AG und WKW Schiffmühle der Limmatkraftwerke AG (Bild 2). An diesen beiden von insgesamt 13 europäischen FallstudienWKW werden effiziente Lösungen zur Fisch- und Geschiebedurchgängigkeit – speziell für die Anforderungen im (Vor-) Alpenraum – gesucht. Die beiden Kraftwerke stehen exemplarisch für grössere (450 m3/s Ausbaudurchfluss am WKW Bannwil) bzw. kleinere (14 m3/s Ausbaudurchfluss am Dotierkraftwerk des WKW Schiffmühle) Kraftwerke. Am WKW Bannwil werden durch den Schweizer Partner Peter Fishconsulting 300 Fische mit akustischen Tags ausgestattet und ihre Bewegungsmuster im Bereich des Kraftwerks während rund zwei Jahren beobachtet.

Bild 1. Gruppenfoto während der Exkursion am WKW Bannwil.

Zudem wird das Fischverhalten mit einem ARIS-Sonar lokal beobachtet, z. B. vor den Einlaufrechen. Ausserdem werden betriebliche Massnahmen für einen schonenden Fischabstieg geprüft. Dazu werden durch die VAW Feldmessungen des Geschwindigkeitsfeldes mittels ADCP durchgeführt und ein numerisches 3-DModell erstellt, um verschiedene Varianten vergleichend mittels numerischer Simulation zu untersuchen. Zusätzlich wird die Installation eines vertikalen Fischleitrechens mit anschliessendem Bypass geprüft. Auch am Dotierkraftwerk des WKW Schiffmühle wird das Geschwindigkeitsfeld mit ADCP-Messungen durch die VAW aufgenommen. Zusätzlich werden sowohl die Abflussbedingungen als auch die aquatischen Lebensräume numerisch modelliert (durch die AF-Consult Switzerland AG bzw. die Ecohydraulic Engineering GmbH aus Stuttgart). Für die Erfolgskontrolle der Fischwanderhilfen wurden sowohl die Auf- als auch die Abstiegskorridore mit RFID-Antennen ausgestattet. Über den Zeitraum 2017 bis 2019 wird die Wanderung von ca. 3000 mit Tags markierten Fischen durch Peter Fishconsulting verfolgt. Schliesslich wird der Geschiebetransport durch eine Wirbelabzugsröhre im Triebwasserkanal des Hauptkraftwerks Schiffmühle mittels Geophon, Mikrophon und Beschleunigungsaufnehmer durch die VAW bestimmt. Als letzter Schritt legten in einem «Review Meeting» am Donnerstag im kleineren Rahmen die Leiter der Arbeitspakete und Verantwortlichen der Fallstudien-Regionen den aktuellen Bearbeitungsstand einer EU-Beauftragten sowie einem externen Gutachter dar. Diese Berichterstattung ist ein integraler Bestandteil EU-finanzierter Projekte, damit weitere Teilfinanzierungen ausgelöst werden können. Abschliessend bedanken wir uns nochmal bei allen Beteiligten für das gelungene Treffen. Wir freuen uns auf die weiterhin gute Zusammenarbeit und die nächste Generalversammlung 2019 in Trondheim, Norwegen. Das Projekt FIThydro wird finanziert durch das Horizon-2020-Forschungs- und Innovationprogramm der Europäischen Union mit der Vertragsnummer 727830. Weitere Informationen sind auf www.fithydro.eu zu finden. Dr. Helge Fuchs und Prof. Dr. Robert Boes ETH Zürich, Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW), fuchs@vaw.baug.ethz.ch, boes@vaw.baug.ethz.ch

Bild 2. Schweizer Fallstudien-WKW (a) Bannwil und (b) Schiffmühle. «Wasser Energie Luft» – 110. Jahrgang, 2018, Heft 3, CH-5401 Baden

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den Bundesrat in Fachfragen. Die Kommission besteht aus 18 Fachleuten, die der Bundesrat jeweils für die Dauer von vier Jahren ernennt. Fachstellen des Bundes und der Kantone sind in der PLANAT ebenso vertreten wie Forschung, Berufsverbände, Wirtschaft und Versicherungen. Die Geschäftsstelle der PLANAT ist organisatorisch dem Bundesamt für Umwelt (BAFU) angegliedert. (PLANAT)

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Powertage 2018 – Stelldichein der Energiebranche Zum achten Mal fanden vom 5. bis 7. Juni die Powertage in der Messe Zürich statt. Der Mix aus hochstehenden Fachvorträgen, Meinungsaustausch und Firmenpräsentationen kam sehr gut an – bei Publikum und Referenten. Besonders beliebt waren das attraktive Forumsprogramm und die Verleihung der Awards für innovative Start-ups der Branche. Die Energiewelt wird immer elektrischer, effizienter, dezentraler und digitaler. Dies stellt sowohl Produzenten als auch Konsumenten vor grosse Herausforderungen. 168 Aussteller präsentierten an den Powertagen 2018 ihre Produkte, Technologien und Dienstleistungen aus diversen Bereichen der Stromwirtschaft. 2278 Besucherinnen und Besucher nutzten die Gelegenheit, sich über Trends und Innovationen zu informieren und ihr Netzwerk zu pflegen und auszubauen. Dies zeigt, dass die Powertage die wichtigste Informations- und Networking-Plattform der Energieszene Schweiz sind. Denn trotz – oder gerade wegen – des stetigen digitalen Fortschritts ist der persönliche Dialog umso wichtiger. Die Powertage mit

ihrer Mischung aus wegweisenden Vorträgen und für das Networking idealen Begegnungszonen bieten das optimale Umfeld dafür. Eine geballte Ladung Wissen Ein wichtiger Teil der Powertage waren die Fachforen mit qualitativ hochstehenden Vorträgen. Jeweils am Vormittag referierten Spezialisten aus der Energiewirtschaft, den Bundesbehörden und der Politik vor vollen Rängen zum aktuellen Programmpunkt. Auf dem Programm standen zum Beispiel die Relevanz von Big Data für die Energiebranche, die Bedeutung der Wasserkraft für die Schweiz und ein Blick in die Energie-Zukunft unseres Landes. Zu Letzterem referierte unter anderen Dr. Pascal Previdoli. «Die Powertage sind sehr wertvoll», sagte der stellvertretende Direktor des Bundesamtes für Energie. «Nicht nur, um sich über Neuerungen und Trends zu informieren, sondern vor allem auch zum Meinungsaustausch. Er ist in der Energiebranche essenziell.» Auszeichnung Start-ups Auf grosses Interesse stiess auch das Start-up-Village xplor, wo Schweizer Energie-Startups Produktneuheiten, Vorzeigeprojekte und innovative Technolo-

An der Powertagen 2018 nahmen 168 Aussteller teil – 27 Aussteller mehr, als an den Powertagen 2016.

Die Anwendung von Big Data bei den SBB und mehr Züge bei geringerem Stromverbrauch dank Big Data und Analytics wurde von Jochen Decker, Leiter Digitalisierung und Architektur, thematisiert. 222

gien zeigen konnten. Bei den Live-Pitches konnten die «jungen Wilden» der Branche die Fachjury sowie die anwesenden Fachpersonen aus der Industrie von neuen Geschäfts- und Marktmodellen überzeugen. Am 5. Juni wurden unter den teilnehmenden Startups drei Awards verliehen. • smart-me ag (Rotkreuz) Entwicklung von intelligenten Energiemessgeräten sowie den dazu passenden Cloud-Funktionen. Gewinner des Publikumspreis • Clemap AG (Zürich) Intelligente Lösungen zum Stromverbrauch wie der CLEMAP One Sensor und die dazugehörende App. • Virtual Global Systems (Aarau) Engineering und Produktion von Embedded-Geräten zur Auslesung, Steuerung und Regelung von dezentralen Einheiten. Die Freude bei den Siegern war gross. «Der Award ist eine Indiz dafür, dass wir uns mit unseren Produkten auf dem Markt etablieren können», so Pascal Kienast von Clemap. Auch die Messeleitung der Powertage freut sich über den erfolgreichen Verlauf der Powertage. «Die Feedbacks von Ausstellern, Referenten und Publikum

Am 2. Forumstag sprach unter anderen Pascal Previdoli, stellvertretender Direktor des Bundesamtes für Energie, zum Tagesthema «Neue Märkte – neue Chancen».

«Sanity Check – für die Schweizer Grosswasserkraft/Relevanz eines Marktzuganges zum EU-Strommarkt» war das Thema des Vortrages von Prof. Dr. Karl Frauendorfer, Universität St. Gallen.

Zum ersten Mal wurde der xplor-start-up-Award verliehen. Ausgewählte Start-ups mussten eine Fachjury sowie das Publikum mit Pitches überzeugen.

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Fachtagung Wasserkraft 2018 / Journée Technique Force hydraulique 2018 Bau, Betrieb und Instandhaltung von Wasserkraftwerken VII / Construction, exploitation et entretien des centrales hydroélectriques VII Freitag, 13. November 2018, Olten

Ve r anstaltunge n Ein Fluss verbindet: Die Thur und ihr Einzugsgebiet – Eine Zwischenbilanz zur «Säntis-Charta». Im Jahre 2001 haben sich die Thur-Kantone auf dem Säntis auf gemeinsame Ziele für den Wasserbau geeinigt. Diese sog. «Säntis-Charta» ist Grundlage für ein gemeinsames, koordiniertes Handeln aller fünf beteiligten Kantone und des Bundes im Hinblick auf eine lebendige Zukunft der Thur für Mensch, Natur und Landschaft. An der Veranstaltung werden in einem Rück- sowie Ausblick die Entwicklungen im Thurtal vor dem Hintergrund der SäntisCharta vorgestellt. In einer Podiumsdiskussion diskutieren Fachleute, Verbände und Politiker zum Thema und entwickeln erste Lösungsansätze für die Herausforderungen der Zukunft. Die Tagung richtet sich an unterschiedliche Interessenvertreter, insbesondere aus dem Einzugsgebiet der Thur, aber auch aus der ganzen Schweiz, an lokale Entscheidungsträger, Wasserbau- und Revitalisierungsfachleute, Stakeholder aus Wasserwirtschaft, Land- und Forstwirtschaft, Fischerei, Naturschutz usw. sowie die interessierte Bevölkerung. Datum: 8. November 2018 Ort: Rathaus Weinfelden, Weinfelden (TG) Veranstalter: Die Thurtagung findet unter dem Patronat des Bundesamts für Umwelt, BAFU, in Zusammenarbeit mit den Kantonen Appenzell Ausserrhoden, Appenzell Innerrhoden, St. Gallen, Thurgau und Zürich statt. Ansprechperson: Anna Belser, Bundesamt für Umwelt, BAFU, Abt. Gefahrenprävention, Sektion Hochwasserschutz; anna.belser@bafu.admin.ch

Die von der Kommission Hydrosuisse des SWV durchgeführte Tagung bezweckt den Austausch aktueller technischer Entwicklungen rund um die Wasserkraftnutzung und ist immer auch ein ausgezeichneter Treffpunkt der Fachwelt. / Sur l’initiative de la commission Hydrosuisse de l‘ASAE, le symposium a pour objectif de faciliter les échanges en matière de développements techniques actuels liés à l’utilisation de l’énergie hydraulique. Zielpublikum / Publique cible Angesprochen werden insbesondere Ingenieure und technische Fachleute von Wasserkraftbetreibern, Beratungsbüros und der Zulieferindustrie. / Le symposium est destiné en particulier aux ingénieurs et aux spécialistes des exploitations hydrauliques, des bureaux de conseil et des activités induites. Zielsetzung, Inhalt / But, contenu Die Fachtagung bezweckt den Austausch zu aktuellen Entwicklungen aus Forschung und Praxis in den Bereichen Wasserbau, Stahlwasserbau, Maschinenbau, Elektrotechnik sowie Projektvorbereitung und -abwicklung. Das detaillierte Tagungsprogramm ist diesem Heft als Flyer beigelegt bzw. kann der Webseite entnommen werden. Tagungssprachen sind Deutsch und Französisch. / Le symposium a pour objectif de faciliter les échanges en matière de développements techniques actuels liés à l’utilisation de l’énergie hydraulique. Pour les détails voir le programme adjoint dans la présente revue ou sur le site web. Kosten / Frais Für Einzelmitglieder und Vertreter von Kollektivmitgliedern des SWV gelten vergünstigte Tarife / Membres de l’ASAE profitent des tarifs préférentiels: Mitglieder / Membres CHF 150.– Nichtmitglieder / Nonmembres CHF 230.–

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Studierende / Etudiants CHF 75.– Inkl. Mittagessen und Pausenkaffee; zzgl. MwSt. / Sont inclus le repas de midi et les pauses, hors TVA. Anmeldung / Inscription Einschreibung über unsere Webseite: / Inscriptions par le site web de l’ASAE s.v.p: www.swv.ch/Tagung-Wasserkraft-2018 Die Anmeldungen werden nach Eingang berücksichtigt. Als Anmeldebestätigung gilt die automatisch generierte AntwortMail auf die Online-Anmeldung. / Les inscriptions seront considerées par ordre d’arrivée. Après l’inscription en ligne une confirmation est envoyée automatiquement par courrier électronique.

KOHS-Tagung 2019 / Symposium CIPC 2019 Bau und Bewirtschaftung von Geschieberückhaltebecken / Construction et gestion des dépotoirs de charriage Dienstag, 22. Januar 2019, Olten / Mardi, 22 janvier 2019, Olten

Die jährlich von der Kommission Hochwasserschutz (KOHS) des SWV organisierte Tagung ist 2019 dem Thema «Bau und Bewirtschaftung von Geschieberückhaltebecken» gewidmet. Diese Bauwerke sind ein wichtiges Element im Hochwasserschutz, sollen aber gleichzeitig den Geschiebehaushalt im Gewässer möglichst unbeeinflusst belassen. / Le symposium annuel de la Commission pour la protection contre les crues (CIPC) de l’ASAE a pour sujet la «Construction et gestion des dépotoirs de charriage». Ces ouvrages sont des éléments importants pour la protection contre les crues et ne doivent en même temps pas trop affecter le régime de charriage. Zielpublikum / Publique cible Angesprochen werden wie üblich Wasserbauer und weitere mit Hochwasserschutz beschäftigte Fachleute aus Privatwirtschaft, Verwaltung und Forschung. Die Ta223

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sind positiv, das freut uns sehr», so Messeleiter Armin Kirchhofer. «Und es zeigt uns, dass es einen Branchentreffpunkt wie die Powertage braucht und er geschätzt wird. Wir freuen uns schon auf die Powertage 2020, welche vom 16. bis 18. Juni stattfinden werden.» Weitere Informationen: MCH Messe Schweiz (Basel) AG Powertagen 4005 Basel info@powertage.ch www.powertage.ch

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gung ist immer auch ein ausgezeichneter Treffpunkt der Fachwelt. / Le symposium est destiné comme d’habitude aux ingénieurs et aux spécialistes des aménagements des cours d’eau. La journée est d’ailleurs toujours une excellente opportunité d’échange entre les professionnels. Inhalt, Sprache / Contenu, Langues Das detaillierte Tagungsprogramm ist diesem Heft als Flyer beigelegt bzw. kann der Webseite entnommen werden. Die Vorträge werden in Deutsch und Französisch gehalten mit Parallelprojektion der Folien in beiden Sprachen. / Pour les détails voir le programme adjoint dans la présente revue ou sur le site web. Les conférences seront présentées en allemand ou fran-çais avec projection simultané des slides dans les deux langues. Kosten / Frais Für Einzelmitglieder und Vertreter von Kollektivmitgliedern des SWV gelten vergünstigte Tarife / Membres de l’ASAE profitent des tarifs préférentiels: Mitglieder / Membres CHF 250.– Nichtmitglieder / Nonmembres CHF 330.– Studierende / Etudiants CHF 100.– Inkl. Mittagessen und Pausenkaffee; zzgl. 7.7 % MwSt. / Sont inclus le repas de midi, les pauses café. 7.7 % TVA exclue. et les pauses, hors TVA. Anmeldung / Inscription Anmeldungen bitte bis spätestens 31. Dezember 2018 über die Webseite des SWV / Inscriptions s.v.p. jusqu’au 31 décembre 2018 par le site web de l’ASAE: www.swv.ch Als Anmeldebestätigung gilt die automatisch generierte Antwort-Mail auf die Online-Anmeldung. / Après l’inscription en ligne une confirmation est envoyée automatiquement par courrier électronique.

Age nda Graz (A) 18.–20.9.2018 19. Internationales Wasserbausymposium: Wasserwirtschaft – Innovation aus Tradition (d) Technische Universität Graz, in Zusammenarbeit mit AGAW. Weitere Informationen: http://lampz.tugraz.at/~hydro2018/ Solothurn 20./21.9.2018 KOHS-Weiterbildungskurs Wasserbau 5.2: Vorausschauende Entwicklung von Wasserbauprojekten (d) Kommission Hochwasserschutz (KOHS) des SWV zusammen mit dem BAFU. *ausgebucht* 224

Montreux 26./27.9.2018 STK-Talsperrentagung 2018: Stauraum und Umgebung (d/f) Schweizerisches Talsperrenkomitee (STK). Programm und Anmeldung: www.swissdams.ch Mals (Südtirol/Italien) 25./26.10.2018 IBI – interalpines Kompetenzzentrum und SEV – Südtiroler Energieverband Interalpine Energie- und Umwelttage – Chancen und Risiken der erneuerbaren Energien Internationale Tagung zu erneuerbaren Energien und ihrer Rolle im Rahmen der Energiewende. Weitere Informationen: www.ibi-kompetenz.eu/energieumwelt Olten 13.11.2018 Hydrosuisse-Fachtagung Wasserkraft 2018: Bau, Betrieb und Instandhaltung von Wasserkraftwerken (d/f) Programm und Anmeldung: www.swv.ch Yverdon ab Nov. 2018 CAS-Cours Revitalisation 2018/2019: Revitalisation des cours d’eau (f) Haute Ecole d’Ingénierie du Canton de Vaud (HEIG-VD). CAS-Cours d’une année. Plus d’information:https://heig-vd.ch Olten 22.01.2019 KOHS-Wasserbautagung 2019: Bau und Betrieb von Geschieberückhaltebecken (d/f) Programm und Anmeldung: www.swv.ch

L ite i te r atur Hydro-morphological processes through permeable sediment traps at mountain rivers S. Schwindt Communication du Laboratoire de constructions hydrauliques – LCH N° 71, EPFL, 2017, 261 Seiten, 20.5 × 14.5 cm. Herausgeber: Prof. A. Schleiss, ISSN 1661-1179, doi: 10.5075/epfl-lchcomm-71. In alpine regions villages are often situated near alluvial fans which are fed by mountain rivers transporting high sediment load during floods. In the past, these mountain rivers on the alluvial fans have often been channelized near urbanized areas, where the bed and banks were lined with large sawed granite or gneiss blocks laid into concrete layer. Some of these channels have still a mobile bed which is fixed with

transversal sills against erosion. These channels have a high discharge and sediment transport capacity as long as no sediment deposits occur. The latter may be triggered by constrictions as they occur at bridges or by backwater effect when the channel enters the main river in the plain. In order to avoid sediment deposits in the channel, which can create dangerous overtopping with catastrophic consequences in the nearby urbanized areas, sediment traps have been installed upstream of the alluvial fans with the purpose to retain bed load during such critical floods. Practical experience with most of these sediment traps have shown that they retain already sediments for quite low and not yet dangerous floods. Thus, for such conditions the morphology of the river downstream becomes impoverished since traveling bed load creating gravel bars during frequent floods is missing. Furthermore, it has been observed in many cases that unwanted flushing of sediment traps occurred during the flood where they should safely retain sediments. In his research Dr. Sebastian Schwindt developed a new concept of sediment traps which are permeable for bed load transport up to floods which are frequent and not yet dangerous for the downstream reach, but which retain safely sediment for hazardous floods. With systematic laboratory experiments it could be revealed that a guiding channel implemented across the deposition area upstream of the barrier, having a combination of mechanical and hydraulic control structures, provides a reliably working concept for permeable sediment traps. Combined mechanicalhydraulic control is achieved by an appropriate orifice or slot in the barrier which is

«Wasser Energie Luft» – 110. Jahrgang, 2018, Heft 3, CH-5401 Baden

Hydraulics of Spatial Dike Breaches (Hydraulik von räumlichen Deichbrüchen) Publikation: 2016; Autor: Pierre-Jacques Frank; Herausgeber: Prof. Dr. Robert Boes, VAW – ETH Zürich, VAW-Mitteilung 236, A5-Format, 199 Seiten, kostenloser Download unter: www.vaw.ethz.ch/das-institut/ vaw-mitteilungen.html

Die Dissertation von Herrn Dr. Frank untersucht die Phänomene von räumlichen Deichbrüchen anhand einer experimentellen Analyse, welche sowohl als Grundlage der Deichhydraulik als auch zur Validierung numerischer Modelle Anwendung im Hochwasserschutz findet. Um die Modellgesetze nicht zu verletzen, sind aus-

schliesslich nichtkohäsive Sedimente zum Einsatz gekommen, welche ein Hochrechnen vom Modell- zum Prototyp-Massstab anhand der Froude-Ähnlichkeit gewährleisten. Mittels eines photogrammetrischen Verfahrens liess sich die zeitlich entwickelnde Sedimentoberfläche unter strömendem Wasser abbilden; zudem wurden Wasseroberflächen während des Bruchvorgangs ermittelt. Die daraus erzielten Resultate wurden weiterentwickelt, sodass schliesslich die dimensionslose Darstellung der wichtigsten Vorgänge beschrieben wird. Weiterhin von Relevanz für dieses hydraulische Problem sind die Ermittlung des maximalen Durchflusses, die entsprechende Zeit, der maximale Oberwasserspiegel und die Entwicklung der maximalen Deichhöhe mit fortschreitender Deicherosion, das erodierte Sedimentvolumen, die Breschenform sowie Längs-und Querprofile des Deichs bis zum Versuchsende. Mit diesen Informationen lassen sich die wichtigsten physikalischen Fragestellungen dieses komplexen, instationären Zweiphasen-Problems beantworten. (VAW-ETHZ)

Dealing with hydro-abrasive erosion at high-head hydropower plants Publikation: 2017; Diverse Autoren; Herausgeber: Prof. Dr. Robert Boes, VAW – ETH Zürich, VAW-Mitteilung 237, A5Format, 123 Seiten, kostenloser Download unter: www.vaw.ethz.ch/das-institut/ vaw-mitteilungen.html

Im Rahmen des «28th IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems» führte die VAW am 6. Juli 2016 in Grenoble den

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Workshop «Dealing with hydro-abrasive erosion at high-head hydropower plants» durch. Im Workshop wurden die Hydroabrasion an Peltonturbinen und Druckleitungen einerseits anhand der Methoden und Ergebnisse der seit 2012 laufenden Studie am Kraftwerk Fieschertal und andererseits anhand internationaler Beiträge behandelt. Die Mitteilung beinhaltet zwölf Vorträge des Workshops, die in vier Sessionen im Rahmen der nachfolgend aufgeführten Themenbereiche von den teilnehmenden Ingenieuren und Wissenschaftlern diskutiert wurden: • Einführung zur Turbinenabrasion • Quantifizierung des Schwebstoffaufkommens • Turbinenabrasion und Wirkungsgradänderungen an Peltonturbinen • Abrasionsmodellierung • Feinsediment-Management an Wasserkraftanlagen Insbesondere die praxisnahen Methoden des Schwebstoffmonitorings, die Möglichkeit der Betriebsoptimierung durch vorübergehende Kraftwerksabstellungen während aussergewöhnlich hohem Schwebstoffaufkommen sowie die gesamthafte Betrachtung des FeinsedimentManagements ist von besonderem Interesse für Planer und Betreiber von Wasserkraftanlagen in bzgl. Hydroabrasion kritischen Verhältnissen. (VAW-ETHZ)

Experimental investigation on suspended sediment, hydro-abrasive erosion and efficiency reductions of coated Pelton turbines Publikation: 2017; Autor: David Felix; Herausgeber: Prof. Dr. Robert Boes, VAW – ETH Zürich, VAW-Mitteilung 238, A5-Format, 273 Seiten, kostenloser Download unter: www.vaw.ethz.ch/das-institut/vawmitteilungen.html Bei Mittel- und Hochdruckwasserkraftanlagen können feine Sedimentpartikel, die im Wasser enthalten sind, Abrasion an Turbinenbauteilen verursachen. Dadurch sinken einerseits der Wirkungsgrad und die Elektriziätsproduktion und andererseits nehmen die Kosten für Reparaturen und Ersatzteile zu. Um den Entwurf und Betrieb solcher Kraftwerke zu optimieren, besteht Bedarf an praxistauglichen Messmethoden, vollständigen Datensätzen und verlässlichen Prognosemodellen. Deshalb wurden an einer Fallstudie am Kraftwerk Fieschertal das Schwebstoffaufkommen, die Abrasion an den Peltonturbinen und deren Wirkungsgradveränderungen 225

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equipped with an especially designed bar screen in front of it. Smaller bed loadladen discharges, which correspond to the bank-full discharge of the guiding channel, can pass unhindered through such combined barriers. For higher discharges, the hydraulic control at the orifice or slot provokes a backwater which reduces flow velocities in the upstream guiding channel, causing of the channel banks followed by bedload deposition. The latter, especially in the presence of large boulders, lead to a mechanical blocking of the bar screen which can then prevent unwanted sediment flushing with increasing filling of the deposition area. As a basis for the new sediment trap concept, Dr. Schwindt could give design recommendations about the required bottom clearance of the bar screen and the spacing between the vertical bars, as well as the size of the orifice or slot in the barrier and the function of the guiding channel capacity.

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seit 2012 gemessen. Basierend auf den Messdaten, wurde die Formel gemäss IEC 62364 (2013) für die Abschätzung der Erosionstiefen weiterentwickelt und für beschichtete Becher von Peltonlaufrädern kalibriert. Die Messungen zeigten, dass die jährlichen Schwebstofffrachten und die entsprechenden Schäden stark von einzelnen Starkregenereignissen abhängen. Daher wurde die Schwebstoffkonzentration abgeschätzt, über welcher der Betrieb der Wasserkraftanlage unwirtschaftlich wird, weil die Abrasionsschäden und ihre Folgen den Erlös aus der Elektrizitätsproduktion übersteigen. Mit den in dieser Arbeit getesteten Messgeräten kann die Schwebstoffkonzentration im Triebwasser in Echtzeit überwacht werden. So können systematisch Alarme für vorübergehende Ausserbetriebnahmen solcher Wasserkraftanlagen ausgelöst werden. (VAW-ETHZ)

Hydrometrie – Theorie und Praxis der Durchflussmessung in offenen Gerinnen Autor: Gerd Morgenschweis, Springer-Verlag, VDI-Buch, 2018, 2. vollständig überarbeitete Auflage, ISBN 978-3-662-55313-8 (Hardcover) CHF 134.– / ISBN 978-3-66255314-5 (eBook) CHF 107.–. Die Hydrometrie ist das Rückgrat aller gewässerkundlichen Planungen und Steuerungen. Auch Computermodelle und Klimaforschung sind zwingend auf zuverlässige hydrologische Messdaten angewiesen. Das Fachbuch «Hydrometrie – Theorie und Praxis der Durchflussmessung in offenen Gerinnen» von Gerd Morgenschweis gibt den aktuellen Stand der Technik in der Wasserstands- und Durchflussmessung 226

wieder, einschliesslich verwandter Themen wie Messnetze und Datenfernübertragung. In deutscher Sprache gibt es kein vergleichbares Werk, das diese Thematik annähernd so vollständig behandelt und präzise beschreibt. Die erste Auflage erschien 2010. Dieses Fachbuch hat sich seither in Fachkreisen im deutschsprachigen Raum als Standardwerk der Hydrometrie etabliert. Um den neuen Entwicklungen Rechnung zu tragen, wurde nun die zweite vollständig überarbeitete Auflage herausgegeben. Der Autor arbeitete während 28 Jahren als Hydrologe beim Ruhrverband für die Steuerung des grössten deutschen Talsperrensystems und lehrt seit 1992 an der Bergischen Universität Wuppertal. Diese langjährige Erfahrung in Lehre und Praxis ist das profunde Fundament seines immensen und umfangreichen Wissens auf dem Gebiet der Hydrometrie. Liest man in diesem Buch, merkt man schnell, dass der Autor genau weiss, wovon er schreibt. Die grossen Fortschritte der Mikroelektronik haben auch im Bereich der Hydrometrie viele neue Geräte und Verfahren hervorgebracht. Um bei Aufbau und Betrieb von hydrometrischen Messstationen eine gute Wahl zu treffen, bedarf es sowohl theoretischer Grundkenntnisse (physikalische Prinzipien der Geräte) als auch praktischer Erfahrungen bei ihrem Einsatz. Beides, Theorie und Praxis, wird von Gerd Morgenschweis in seinem übersichtlich strukturierten Fachbuch auf mehr als 600 Seiten klar formuliert und gut verständlich beschrieben. Das Fachbuch ist in die folgenden neun umfangreichen Abschnitte unterteilt: • Aufgaben und Bedeutung der Hydrometrie • Grundbegriffe

Messung des Wasserstandes Messung des Durchflusses Kontinuierliche Erfassung des Durchflusses • Datenerfassung und -fernübertragung • Auswertung von Wasserstands- und Durchflussdaten • Messnetze zur Durchflusserfassung • Organisation von hydrologischen Messdiensten So vielfältig wie die Messbedingungen in der Natur sind auch die jeweils geeigneten Messtechniken zur Erfassung von Wasserstand und Durchfluss. Morgenschweis beschreibt sie alle – alte und neueste Technik, Standard- und Spezialverfahren. Bei der Wasserstandsmessung reicht die Palette von der Pegellatte bis zur geführten Mikrowelle, bei der Durchflussermittlung von der Gefässmessung bis zu Ultraschall- und Radarverfahren. In der aktualisierten Auflage wurden folgende Innovationen aufgenommen: • Wasserstandsmessung mit optischen Verfahren • Durchflussmessung über die Messung der Oberflächenfliessgeschwindigkeit • Messung der Oberflächengeschwindigkeit mit kamerabasierten Systemen • Hybride Durchflussmessung Damit der Leser bei der Vielzahl an Möglichkeiten nicht den Überblick verliert, gibt es zur Wasserstands- und Durchflussmessung jeweils ein Kapitel mit einer zusammenfassenden Wertung und Kriterien zur Auswahl geeigneter Methoden. Viele praktische Anwendungsbeispiele helfen dem Leser, für eigene Messaufgaben passende Lösungen zu finden. Jedes der Hauptkapitel wird, neben den üblichen Literaturangaben, durch eine umfangreiche Liste zu Firmen und Produkten abgerundet. Hilfreich sind auch Hinweise auf etablierte Softwareprodukte. Im Abschnitt Datenfernübertragung wird ein Überblick über verschiedene Generationen von Techniken gegeben, angefangen vom Drehmelder bis All-IP. Auch Themen, die in den letzten Jahren verstärkte Beachtung gefunden haben, wie Mess-Unsicherheit und Verfügbarkeit von Daten, Redundanztechniken wie auch Messnetzoptimierung, werden angesprochen. Es ist Gerd Morgenschweis zu danken, dass er sich der Mühe unterzogen hat, sein im deutschsprachigen Raum einzigartiges Standardwerk für Studenten, Ingenieure und Messtechniker auf den neuesten Stand zu bringen. Hanspeter Hodel

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Fachleute der Professur für Energiepolitik an der ETH Zürich haben im Auftrag der SATW erstmals die Gesamtenergiebilanz der wichtigsten Formen der Stromproduktion in der Schweiz nach einer einheitlichen Methodik analysiert. Für die Studie wurde für Erdgas, Erdwärme, Kernkraft, Photovoltaik, Steinkohle, Wasserkraft sowie Wind einerseits der kumulierte nicht erneuerbare Gesamtenergiebedarf (englisch: «Non-Renewable Cumulative Energy Demand») berechnet, der für Bau und Entsorgung einer Anlage nötig ist sowie für die Stromproduktion. Anderseits wurde der Erntefaktor (englisch «Energy Return on Energy Investment» EROI) ermittelt, der das Verhältnis des produzierten Stroms zur investierten («grauen») Energie über die gesamte Lebensdauer einer Anlage beschreibt. Anhand dieser Kennzahlen lassen sich Aussagen zur Gesamtenergiebilanz machen. (SATW)

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• Die Themen der «Wasserwirtschaft» 7–10/2018 • Ein Vierteljahrhundert Landestalsperrenverwaltung Heinz Gräfe • Klima und Wasserwirtschaft – Wetter

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und Klimaentwicklung für die nächsten Jahrzehnte Paul Becker Demografie und Wasserverbrauch: Wie sich Dresden auf eine wachsende Bevölkerung einstellt Rüdiger Opitz Anpassung der Talsperren für eine stabile Rohwasserversorgung nach Menge und Güte Christian Zschammer Wasserwirtschaft trifft Naturschutz Daniel Küchler, Sebastian Fritze Flüsse brauchen Raum – Gewässerprofile im Zeichen der Zeit Andreas Berkner Aufgaben der LTV bei der Gewässerunterhaltung und Steuerung des Gewässerknotens Leipzig Axel Bobbe Wasserbauer – von der Schaufel zum Tablet – Wandel eines Berufsbildes Markus Gilak Hochwasserschutz gestern und heute – Vergleich der Anforderungen an Hochwasserschutzanlagen Eckehard Bielitz 2-Kammern-Organismenwanderhilfe – eine innovative Fischschleuse Bernhard Mayrhofer, Patrick Holzapfel, Alkisti Stergiopoulou, Christoph Hauer, Bernhard Pelikan Kombiniertes Fischliftsystem – Entwicklung, Auslegung und Monitoring eines Fischliftes in der Barbenregion Georg Seidl, Günter Parthl Hydraulische Optimierung einer Fischabstiegsanlage mittels wasserbaulicher Modellversuche Mario Oertel, Jessica Klein Zum Fischschutz und Fischabstieg an geneigten und horizontalen Rechen Mathilde Cuchet, Franz Geiger, Peter Rutschmann Fortschritte beim Fischschutz und Fischabstieg: Inbetriebnahme der Pilot-Wasserkraftanlagen Freyburg und Öblitz Guntram Ebel, Martin Kehl, Arne Gluch Einbau und Pflege von Kieslaichplätzen in naturnah gebauten Fischaufstiegsanlagen Tobias Epple Das System Vaki-Riverwatcher als Möglichkeit für ein Langzeitmonitoring von Fischmigration in Fischaufstiegsanlagen Christian Haas, Philipp Thumser, Bernd Mockenhaupt, Martin Schletterer Didson-Based Object Tracking (DBOT) – Fischdetektion in Echtzeit als

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Massnahmen- und Schutzinstrument an Wasserkraftanlagen Marc Schmidt, Andreas Hoffmann, Jennifer Heermann, Manuel Langkau , Marc Zeyer Modernisierung der geodätischen Messtechnik der Urfttalsperre Joachim Klubert, Hartmut Malecha, Peter Sparla Überwachung der vertikalen Stabilität der Stauanlage Schräh im Wägital Marita Scheller, Michael Möser, Gunnar Lelle-Neumann Ankerüberwachung an der Talsperre Muldenberg und der Vorsperre Thossfell Sven Fleischhauer Plausibilitätsprüfung und dynamische Alarmierung automatischer Messdaten in der GeODin-Datenbank Gabriele Demisch IoT- und Sensor-Web-Technologien für das Echtzeitmonitoring von Wasserbauwerken Stefan Herle, Ralf Becker, Jörg Blankenbach Behördliche Talsperrenaufsicht – ist sie erforderlich? Thomas Dodt Stauanlagenüberwachung mittels EnBW-Messdaten-App und Sensoren Jörg Franke, Hendrik Kötting BIM-Anwendung zur Talsperrenüberwachung Stefan Hoppe, René Schumann Beitrag der Bauwerksüberwachung zur vertieften Überprüfung aller Stauanlagen der Saalekaskade Holger Rosenkranz, Marcus Goldhahn Autonomie und Integration – Anbindung externer Partner an die Datenhaltung der Bauwerksüberwachung der Vattenfall Wasserkraft GmbH Thomas Stolp, Marcus Goldhahn Digitalisierung der Messdatenerfassung bei der Talsperrenüberwachung mit FieldVisits Juliana Zapata, Matthias Egeling, Dirk Schwanenberg

Die Themen der «ÖWAW» 1–6/2018 • Erzielte Verbesserungen und verbleibender Handlungsbedarf im Integrierten Hochwasserrisikomanagement in Österreich – FloodRisk_E(valuierung) Habersack H., Bürgel J., Kanonier A., Neuhold C., Stiefelmeyer H., Schober B. • Die Umsetzung der EU-Hochwasser227

Nachrichten

Current and future energy performance of power generation technologies in Switzerland Publikation: 2018; Hrsg.: Swiss Academy of Engineering Sciences (SATW); Autorenschaft: Energy Politics Group, Department of Humanities, Social and Political Sciences, ETH Zurich (Swiss Federal Institute of Technology); Seiten: 135; Sprache: Englisch; Download: www.satw.ch/energie

Nachrichten

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richtlinie (RL 2007/60/EG) in Österreich Neuhold C. Integriertes Hochwasserrisikomanagement in den Bundesländern am Beispiel Steiermark und Oberösterreich Hornich R., Schlacher C., Weingraber F. Gewässerentwicklungs- und Risikomanagementkonzepte als Planungsinstrument für ein integratives Flussraummanagement Mühlmann H., Pleschko D., Michor K. Floodplain Evaluation Matrix (FEM) – Eine umfassende Methode zur Bewertung von Überflutungsräumen im Rahmen eines integrierten Hochwasserrisikomanagements Schober B., Hauer C., Habersack H. Herausforderungen durch pluviale Überflutungen – Grundlagen, Schäden und Lösungsansätze Zahnt N., Eder M., Habersack H. Hochwasser und Feststoffe: vom Sedimenttransport zum flussmorphologischen Raumbedarf Haimann M., Aigner J., Gmeiner P., Lalk P., Habersack H. Rolle der Vegetation im Hochwasserabfluss – Interaktion mit Hydrodynamik und Sedimenttransport Klösch M., Tritthart M., Waygand M., Gmeiner P., Sindelar C., Pfemeter M., Egger G., Glas M., Busch E., Baur P., Haimann M., Buchinger M., Habersack H. Wasserkraft im Alpenraum: Daten und Fakten Römer N., Harreiter H., Akpinar O., Konrad G. Bewertung von Abfallströmen aus Gebäudeabbrüchen in Wien auf Grundlage von Bildmatching-basierter Veränderungsdetektion Kleemann F., Lehner H., Szczypińska A., Lederer J., Fellner J. Rohstoffpotenzial von MVA-Rostaschen für Metallrückgewinnung und Karbonatisierung Pfandl K., Stockinger G., Höllen D., Pomberger R. Elektroaltgeräte als bedeutende Quelle von sekundären Metallen – Entwicklung eines neuen analytischen Verfahrens zur Bestimmung des Metallgehalts Jandric A., Salhofer St., Beigl P., Huber-Humer M.

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Energetische Nutzung von Fettabscheiderinhalten – Potenzial zur Erzeugung von Biodiesel und Biogas Lichtmannegger T., Kinzel C., Müller W., Bockreis A. Klimarelevanz von Ersatzbrennstoffen – Anwendung und Vergleich verschiedener Bestimmungsmethoden Schwarzböck T., Rechberger H., Aschenbrenner Ph., Spacek St., Szidat S., Fellner J. Praktische Erfahrungen bei der Erfassung von organischen Abfällen aus Supermärkten mit Tanksystemen Wehner M., Müller W., Bockreis A. Grundwassermodell Aichfeld Vasvári V., Molnár T., Kriegl Ch. Kornverkleinerung durch Abrieb und Sortierung im Kontext eines Geschiebemanagements in der Donau östlich von Wien Klasz G., Küblbäck G., Gmeiner Ph., Liedermann M., Habersack H., Gutknecht D. Neue gesellschaftliche Herausforderungen im Naturgefahrenmanagement: Welche Entwicklungen kommen auf uns zu? Thaler Th., Attems M., Fuchs S. LIFE+ Traisen: Der lange Weg zum neuen Fluss Kaufmann T., Frik G., Schmalfuss R., Haidvogl G., Eberstaller J., Wimmer H., Jungwirth M. LIFE+ Traisen: Der neue Fluss – die Umsetzung Eberstaller J., Schmalfuss R., Eberstaller-Fleischanderl D., Gabriel H., Kaufmann T., Wimmer H., Jungwirth M. Ökologische Sukzession der Fischfauna im neuen Traisen-Lauf in den Jahren 2014 bis 2017 Friedrich T., Erhard F., Pinter K., Reckendorfer W., Schmutz S., Unfer G. Vegetationsentwicklung in revitalisierten Flusslandschaften am Beispiel des LIFE+-Traisen-Projekts Egger G., Mayer K., Kreuzberger M., Aigner S. Historische Landnutzung und Siedlungsentwicklung in Flussauen und Hochwasserschutz: Das Beispiel der Traisen und St. Pöltens 1870–2000 Haidvogl G., Eberstaller J., EberstallerFleischanderl D., Fraiss B., Gabriel H., Hohensinner S.

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Hochwasserschutzverbände als Instrument der interkommunalen Kooperation im Hochwasserrisikomanagement Nordbeck R., Löschner L., Scherhaufer P., Hogl K., Seher W. Zielgruppenspezifische Darstellung von Hochwassergefahren und -risiko Wenk M., Neuhold C., Fuchs S.

Die Themen der «Kleinwasserkraft / Petite Hydro Nr. 93 • Hochdruck-Anlage Fully in Kaskaden-Kraftwerk mit fast 1600 m Gefälle umgewandelt Übersetzung Französisch: Jean-Marie Rouiller • Kleinwasserkraftwerk Willy Sand am Untertorer Mühlebach in Chur Fabio Guidi • Wasserkraft: Auf der Suche nach dem optimalen Rechen Benedikt Vogel, publiziert in «Wasser Energie Luft» 4/2017 • Was tun wenn der «Miner» anruft? Kleinwasserkraft Österreich • Leitfaden/Handbuch Eigenverbrauch von EnergieSchweiz und dem VSE Martin Bölli • Zahlreiche grosse Herausforderungen für die Schweizer Kleinwasserkraft Martin Bölli • Rückblick auf Jahrestagung 2018 von Swiss Small Hydro in Linthal (GL) Edi Huber, Jürg Breitenstein • Ausflugtipp: Das Historische Kleinkraftwerk Ottenbach, Kanton Zürich Heinz Geiger

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Repower: Dienstleistungen vom EVU fürs EVU Die Anforderungen der Energiestrategie 2050, sich stets ändernde gesetzliche Vorschriften und neue technologische Entwicklungen stellen für Energieversorgungsunternehmen (EVU) und Infrastrukturbetreiber grosse Herausforderungen dar. Produktions- und Netzanlagen wollen sinnvoll erneuert, erweitert oder gar neu gebaut werden. Der Betrieb und die Bewirtschaftung von Anlagen muss möglichst effizient und kostengünstig, aber auch sicher und zuverlässig sein. Seien es technologische, finanzielle oder rechtliche Aspekte – es gilt, unzählige Lösungen zu finden und Hürden zu überwinden. Aufgrund dieser Ausgangslage beschäftigt sich Repower intensiv mit der Frage, wie sie ihre eigene Arbeit effizient gestalten

und die Assets optimal bewirtschaften kann. Das hat zu einer Reihe von Lösungen geführt, die sie als Service Provider auch Dritten – ganz nach dem Prinzip «vom EVU fürs EVU» – anbietet. Auch Infrastrukturbetreiber und Hersteller profitieren von diesen Dienstleistungen. Die Grundidee dahinter: Was wir für uns machen, stellen wir auch anderen Unternehmen sehr gerne zur Verfügung. Mehr als 100 Jahre Erfahrung Repower hat dank ihrer über 100-jährigen Tätigkeit in der Energiebranche die nötige Erfahrung und ein fundiertes Fachwissen zur Erbringung von Dienstleistungen für EVU und Infrastrukturbetreiber. Sie baut und betreibt Kraftwerke und Netze in der

Südostschweiz, sie hat Erfahrungen in offenen Märkten und im internationalen Grosshandel und sie bedient Endkundinnen und -kunden mit Strom und anderen Produkten. Als EVU kennt sie die Herausforderungen der Energiestrategie 2050 und hält sich stets auf dem neusten technischen und gesetzgeberischen Stand. Dank dieser Expertise und kompetenten Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern in allen Fachbereichen ist sie eine verlässliche Partnerin beim Um-, Aus- oder Neubau von Anlagen sowie bei deren Betrieb und Bewirtschaftung. Repower ist in der Lage, entlang dem Auftragsfluss Planung – Ausführung – Betrieb – Bewirtschaftung alles aus einer Hand anzubieten. Alternativ können die

Hand in Hand arbeiten. Repower strebt bei der Erbringung von Dienstleistungen Partnerschaften auf Augenhöhe an. «Wasser Energie Luft» – 110. Jahrgang, 2018, Heft 3, CH-5401 Baden

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Publireportage

timierungen an und gibt den Kunden 100 Prozent der Verschachtelung weiter. Repower legt bei der Erbringung von Dienstleistungen viel Wert darauf, im Hintergrund zu bleiben, sodass der Kunde jederzeit die Kontrolle behält. Diese Vorgehensweise ermöglicht es auch, auf spezifische Bedürfnisse einzugehen und gemeinsam mit dem Kunden massgeschneiderte Lösungen zu finden. Dank der Unterstützung von Repower können sich die Kunden zudem voll und ganz auf ihr Kerngeschäft fokussieren. Detaillierte Informationen zum Dienstleistungsangebot von Repower sind auf repower.com/energieversorger zu finden.

Ob Bau, Betrieb oder Bewirtschaftung: Repower bietet Dienstleistungen gemäss den Bedürfnissen der Kunden an. Kunden punktuelle Dienstleistungen ganz nach ihrem Bedarf beziehen, sodass sie keine eigenen grossen Investitionen in Personal, Maschinen oder Software tätigen müssen.

management, Materiallagerung und -entsorgung, Baustellenlogistik, Flottenmanagement). Auch hier gilt: Das EVU entscheidet, was es an Repower abgibt und was es selbst in die Hand nimmt.

Planung Repower erstellt im Auftrag Vor-, Auflageund Bauprojekte für Produktionsanlagen, Unterwerke, Trafostationen, Kabelanlagen und Hausanschlüsse. Dabei kann sie auf ihr Know-how in den Bereichen Bautechnik, Hochspannungs-, Mittelspannungsund Niederspannungstechnik, Elektromechanik, Mechanik, Schutz- und Leittechnik sowie Kommunikationstechnik zurückgreifen. Repower plant sowohl Gesamtanlagen als auch Einzelkomponenten für Neuanlagen, aber auch Erweiterungen, Anpassungen und Anlagenoptimierungen. Die Planung einer Anlage beinhaltet auch die Begleitung des Auftraggebers im Bewilligungsverfahren, bei Ausschreibungen und Submissionen. Weiter gehören dazu die Erfassung von Daten, das Erstellen von Netz- und Schutzkonzepten, Kostenschätzungen, Umweltschutzbelange sowie die Sicherheit und Zertifizierungen.

Betrieb Die Unterstützung von Repower beim Betrieb von Anlagen reicht von der Betriebsplanung (Erstellen von Abstellplänen und Schaltprogrammen) über die Steuerung und die Überwachung bis hin zum Störungsmanagement. Das Betriebsdatenmanagement (Verwalten von Betriebsdaten, Erstellen von Statistiken, Berechnung von Lastflüssen und Kurzschlussströmen) ist ebenfalls Bestandteil des RepowerAngebots. Bei Bedarf integriert Repower die Anlage in bestehende Leitsysteme, wodurch zentrale Infrastruktur eingespart wird.

Ausführung Nach der Planung geht es an die konkrete Umsetzung des Projekts. Repower führt Bauarbeiten aus, übernimmt die Bauleitung, pflegt Kontakte mit den Behörden, überwacht, inspiziert und wartet Anlagen gemäss den Anforderungen des Auftraggebers. Weiter führt Repower auch das Pikettmanagement in ihrem Dienstleistungsangebot und kümmert sich, wenn erwünscht, um die Logistik (Lieferanten230

Bewirtschaftung Wer das Maximum aus einer Anlage und/ oder einem Portfolio herausholen will, muss sie möglichst effizient und gewinnbringend bewirtschaften. Repower bietet dazu Hand: Sie stellt mit ENERGYSPACE eine Plattform für das Portfoliomanagement zur Verfügung. Ausserdem schafft sie für ihre EVU- und Infrastruktur-Kunden einen Grosshandels-Marktzugang, bewirtschaftet Konzessionsenergie und Flexibilitäten, kümmert sich um die Direktvermarktung, Grenzkapazitäten und die REMIT-Meldung. Wenn erwünscht, können die Kunden auch am Repower-Bilanzgruppenmodell teilnehmen. Das Energieunternehmen bietet die strukturierte Vollversorgung und Post-Scheduling-Op-

Über Repower Repower ist ein Vertriebs- und Dienstleistungsunternehmen im Energiebereich mit über 100-jähriger Erfahrung. Die Schlüsselmärkte sind die Schweiz (inkl. Originationgeschäft in Deutschland) und Italien. Der Hauptsitz befindet sich in Poschiavo (Graubünden), zudem hat Repower weitere Niederlassungen in der Schweiz und in Italien. Die Gruppe ist von der Produktion über den Handel bis zur Verteilung und zum Vertrieb auf der ganzen Strom-Wertschöpfungskette sowie zusätzlich im Gasgeschäft tätig. Ihre Expertise bietet sie in Form von Dienstleistungen auch EVU und Infrastrukturbetreibern an. Die Repower-Gruppe beschäftigt knapp 600 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Dazu kommen rund 30 Lernende in der Schweiz sowie etwa 600 Vertriebsberater in Italien.

Repower AG Via da Clalt 307 7742 Poschiavo T +41 81 839 71 11 www.repower.com

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Gewässervermessung

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Revitalisierung

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Ingenieurdienstleistungen

Impressum «Wasser Energie Luft» Schweizerische Fachzeitschrift für Wasserrecht, Wasserbau, Wasserkraftnutzung, Gewässerschutz, 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». Redaktionsleitung Roger Pfammatter (Pfa) Direktor des Schweizerischen Wasserwirtschaftsverbandes (SWV) roger.pfammatter@swv.ch

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ISSN 0377-905X

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Verlag und Administration SWV · Rütistrasse 3a · CH-5401 Baden Tel. +41 56 222 50 69 www.swv.ch · info@swv.ch Postcheckkonto Zürich: 80-1846-5 Mehrwertsteuer-Nr.: CHE-115.506.846

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Inseratenverwaltung Manuel Minder SWV · Rütistrasse 3a · 5401 Baden Tel. +41 56 222 50 69 manuel.minder@swv.ch Preis Jahresabonnement CHF 120.–, zzgl. 2.5% MWST), für das Ausland CHF 140.–, Erscheinungsweise 4 × pro Jahr im März, Juni, September und Dezember; Einzelpreis Heft, CHF 30.–, zzgl. Porto und 2.5% MWST

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Stahleinbau GmbH, CH-3922 Stalden www.stahleinbau.ch

Stahlwasserbau

Taucharbeiten

«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. Druck/Lektorat Binkert Buag AG Baslerstrasse 15 · CH-5080 Laufenburg Tel. +41 62 869 74 74 · Fax +41 62 869 74 80

«Wasser Energie Luft» wird mit Strom aus 100% Schweizer Wasserkraft produziert und auf FSC-Papier gedruckt.

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«Wasser Energie Luft» – 110. Jahrgang, 2018, Heft 3, CH-5401 Baden

Wasserbau

Hafenbau und Taucharbeiten

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Taucharbeiten

Marti Travaux Spéciaux Neuchâtel SA A Bugeon, CH - 2087 Cornaux 00 / Fax. 032 758 00 50 / www.mts-neuchatel.ch

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wsb AG Abt. Wasserbau Im Hard 8, 8197 Rafz 043 433 30 03 info@wsbag.ch • wsbag.ch

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Werkstofftechnik

SCHWEIZERISCHER VEREIN FÜR SCHWEISSTECHNIK • St. Alban-Rheinweg 222, CH-4052 Basel Tel. 061 317 84 84 Fax 061 317 84 80 info@svs.ch, www.svs.ch • Niederlassung Oberhasli Rütisbergstrasse 12, CH-8156 Oberhasli Tel. 044 820 40 34/35 Fax 044 820 40 36 • Niederlassung Tessin Viale Officina 18, CH-6500 Bellinzona Tel. 091 730 92 30 Fax 091 730 92 31 • Niederlassung Yverdon rue Galilée 15, CH-1400 Yverdon-les-Bains Tel. 021 425 77 40/41/42 Fax 021 425 77 43

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Sichere Versorgung dank Schweizer Wasserkraft

Wasserkraft als Rückgrat unserer Stromversorgung: Schweizer Wasserkraft trägt rund 60 % zur einheimischen Stromproduktion bei und spielt somit für die Umsetzbarkeit der Energiestrategie 2050 eine zentrale Rolle. Wasserkraft als regionaler Wirtschaftsmotor: Die Wertschöpfung erfolgt in der Schweiz. Sie wirkt der Abwanderung in Bergregionen entgegen und sichert lokal Arbeitsplätze. Wasserkraft als Tourismusattraktion: Stauseen und Wasserkraftwerke bieten Erholungsgebiete in einmaligen Gebirgs- und Flusslandschaften. Wasserkraft als Energie der Schweiz: Wasserkraft ist unser wichtigster einheimischer Rohstoff – er ist erneuerbar, klimaschonend, ﬂexibel einsetzbar und auch zukünftig verfügbar.

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«Wasser Energie Luft» – 110. 109.Jahrgang, Jahrgang,2018, 2017, Heft 3, 1, CH-5401 Baden