Forschungsprojekte

Forschungs- und Promotionsprojekte am Fachgebiet Wasserbau

Entwicklung von umweltfreundlichen Methoden zur Erzielung einer Sedimentdurchgängigkeit

Kurztitel: Sedimentdurchgängigkeit

Projektbearbeitung

Kurzfassung

Zahlreiche Stauhaltungen unterbinden den Sedimenttransport in Flüssen erheblich, was das dringend benötigte Speichervolumen reduziert und unterhalb der Speicher zur Erosion der Flusssohle mit gravierenden Folgen für Lebensraum und Umwelt führt. Im Projekt werden die Methoden Stauraumspülung und der in Entwicklung befindliche innovative kontinuierliche Sedimenttransfer des Partners D-Sediment vergleichend eingesetzt. Beide Maßnahmen werden mit aktueller Modellierungstechnik unter der Maßgabe der Erzielung einer ökologischen Sedimentdurchgängigkeit geplant und verglichen. Verallgemeinerungen sollen abgeleitet und diskutiert werden, um eine Umsetzung an weiteren Stauhaltungen zu ermöglichen.

SteinbruckerTeich – © Stadt Darmstadt, Herr Hüber
Sohle des Steinbrücker Teiches nach Entleerung. (Foto: Stadt Darmstadt, Herr Hüber)
Projektpartner und Projektträger
  • D-Sediment
  • Deutsche Bundesstiftung Umwelt

Entwicklung eines mobilen Kleinstwasserkraftwandlers für den Einsatz in Schwellen- und Entwicklungsländern

Promotionsprojekt

Kurzfassung

Für die dezentrale Energieversorgung in Schwellen- und Entwicklungsländern soll ein mobiler Kleinstwasserkraftwandler in Form einer hydrokinetischen Turbine (aus-)entwickelt werden. Dabei sollen möglichst kostengünstige und robuste Bauteile verwendet werden, die im Idealfall vor Ort leicht verfügbar sind, da sie beispielsweise in anderen Technologien zum Einsatz kommen. Beispiele sind Elektrobootsmotoren oder herkömmliche Lichtmaschinen. Ziel ist nicht das Erreichen hoher Energiemengen oder Wirkungsgrade, sondern das Bereitstellen kleiner, dringender ortsnah benötigter Energiemengen.

Förderer
  • Stiftung der Deutschen Wirtschaft

Entwicklung eines 3D-Fischtracking-Systems und ethohydraulische Analyse der Trajektorien mithilfe 3D-HN-Simulationen

Projektbearbeitung

Kurzfassung

Das Fachgebiet Wasserbau und Hydraulik entwickelt zusammen mit dem geodätischen Institut der TU Darmstadt ein 3D-Fischtracking-System, welches Fischtrajektorien als Koordinaten dreidimensional aufzeichnen soll. Entlang der vom Fisch zurückgelegten Wege können dann mithilfe eines 3D-HN-Modells verschiedene Strömungsparameter ausgewertet werden. Somit kann im Sinne ethohydraulischer Analysen eine direkte Gegenüberstellung der Schwimmpfade mit den hydraulischen Signaturen erfolgen. Um das System auch im Freiland einsetzen zu können, werden Technologien verwendet, die auch bei stärkerer Wassertrübung funktionstüchtig sind. Daher wird aktuell eine Infrarot-Kamera mit Structured Light Technologie eingesetzt.

Links: Fischversuche im Wasserbaulichen Forschungslabor der TU Darmstadt; Rechts: Ethohydraulische Analyse der Fischtrajektorien mithilfe von Flow 3D (Flow Science)
Links: Fischversuche im Wasserbaulichen Forschungslabor der TU Darmstadt; Rechts: Ethohydraulische Analyse der Fischtrajektorien mithilfe von Flow 3D (Flow Science)
Projektpartner
  • FG Geodätische Messysteme und Sensorik

Entwicklung eines kombinierten Mess-/Modelliersystems zur Planung, Bewertung und Optimierung von Fischabstiegseinrichtungen an Wasserkraftanlagen

Kurztitel: MeMo Fischabstieg
Projektbearbeitung

Kurzfassung

Im durch die DBU geförderten Projekt entwickelt das Fachgebiet Wasserbau und Hydraulik in Zusammenarbeit mit dem Ingenieurbüro SJE, dem Büro für Gewässerökologie HYDRA sowie dem Centre for Biorobotics der Technischen Universität Tallinn ein kombiniertes Mess- und Modelliersystem für den Fischabstieg. Ziel ist neben der Weiterentwicklung einer fischförmigen Messsonde mit künstlichem Seitenlinienorgan (TalTech) sowie der Erforschung neuer ethohydraulischer Signaturen auch die Implementierung einer Verhaltensmatrix in das Modellsystem CASiMiR (SJE), um die Planung, Bewertung und Optimierung von Fischabstiegseinrichtungen an Wasserkraftanlagen zu verbessern.

Kooperationspartner und Projektträger
  • SJE – Ecohydraulic Engineering GmbH
  • HYDRA – Büro für Gewässerökologie
  • TalTech – Centre for Biorobotics
  • Deutsche Bundesstiftung Umwelt

Hydrodynamische Untersuchung Sandfang KA Chemnitz

Projektbearbeitung

Kurzfassung

Das Fachgebiet Wasserbau und Hydraulik unterstützt das Fachgebiet Wasserversorgung und Grundwasserschutz unter Mitwirkung vom IWW Zentrum Wasser bei einer Bestandsanalyse der Sandfanganlage in der zentralen Kläranlage Chemnitz. Um die Strömungsverteilung in dem belüfteten Sandfang zu erfassen, werden die Fließgeschwindigkeiten in ausgewählten Bereichen gemessen. Die Messungen dienen als Vergleichsmöglichkeit für ein CFD-Modell des IST-Zustands. Zusätzlich sollen die Messungen zeigen, wo und wie eine Langzeitströmungsmessung durchgeführt werden kann.

Chemnitz
Aufbau der Messapparatur
Kooperationspartner und Projektträger
  • Institut WAR
  • IWW Zentrum Wasser
  • Entsorgungsbetrieb der Stadt Chemnitz

Entwicklung eines modularen Wärmetauschers mit kombinierter Wasserkraftgewinnung für Fließgewässer (WärmeEnergieTauscher)

Kurztitel: WET

Projektbearbeitung

Kurzfassung

Bei der Entwicklung eines innovativen modularen Wärmeübertragers (WärmeEnergieTauscher) arbeitet das Fachgebiet Wasserbau und Hydraulik eng mit dem Kunststoffrohrsystemhersteller FRANK zusammen. Das neuartige System ermöglicht die technische Nutzung der regenerativen Wärme- und Bewegungsenergie aus Fließgewässern. Die Forschungsarbeiten werden vom Förderprogramm „Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand“ des BMWi gefördert.

Quelle: FRANK GmbH
Quelle: FRANK GmbH
Kooperationspartner und Projektträger
  • FRANK
  • AiF
  • BMWI
  • ZIM

Untersuchung der Strömungsverhältnisse an der Wasserkraftanlage bei Mainz-Kostheim

Kurzfassung

An der Staustufe des Mains in Mainz-Kostheim soll die Funktionsfähigkeit der Fischabstiegsanlagen verbessert werden. Die Fließgeschwindigkeiten sind im gesamten Einlaufbereich sehr hoch. Sie übersteigen das Leistungsvermögen (Sprintvermögen) der Fische. Daher sollen die Anlagen zum Fischschutz/Fischabstieg gemäß den heutigen Erkenntnissen neu konzipiert werden.

Für die Planungen von entsprechenden Maßnahmen sollen die Anströmungsverhältnisse in einem mehrdimensionalen hydrodynamisch-numerischen (HN) Strömungsmodell ermittelt werden. Für Bauvarianten soll die Auswirkung der Baumaßnahmen auf die Anströmung des Kraftwerkes sowie die Fischverträglichkeit abgeschätzt werden.

Einlaufkanäle des Kraftwerkes Kostheim mit dem Kraftwerk rechts und der Staustufe des Maines links im Hintergrund.
Einlaufkanäle des Kraftwerkes Kostheim mit dem Kraftwerk rechts und der Staustufe des Maines links im Hintergrund.

Untersuchungen zum Orientierungs- und Suchverhalten abwandernder Fische zur Verbesserung der Dimensionierung und Anordnung von Fischschutzeinrichtungen vor Wasserkraftanlagen

Kurzfassung

Infolge der Novellierung des Wasserhaushaltsgesetzes sind nach § 35 an Wasserkraftanlagen geeignete Maßnahmen zum Schutz der Fischpopulation zu ergreifen. Gegenwärtig stellen vor allem die Planung und Durchführung von Schutzmaßnahmen und Wanderungshilfen beim Fischabstieg eine große Herausforderung dar.

Um bestehende Wissenslücken zum Verhalten von Fischen an Abstiegseinrichtungen - insbesondere Bypass- und Fischschutzeinrichtungen - zu schließen, wurde das Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft (Fachgebiet Wasserbau und Hydraulik) mit der Durchführung von ethohydraulischen Untersuchungen beauftragt. Das Forschungsvorhaben wird vom Bundesamt für Naturschutz (BfN) mit Mitteln des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit gefördert. Das Vorhaben hat eine Laufzeit von August 2013 bis Dezember 2015. Die ethohydraulischen Untersuchungen finden im Wasserbaulichen Forschungslabor der Technischen Universität Darmstadt in Zusammenarbeit mit dem Institut für angewandte Ökologie (Kirtorf-Wahlen) statt.

Kern der ethohydraulischen Untersuchungen sind Verhaltensbeobachtungen von Wildfischen, die im großen Laborgerinne der TUDA mit unterschiedlichen Rechen-Bypass-Anordnungen und diversen eingestellten hydraulischen Randbedingungen (sog. Strömungssignaturen) konfrontiert werden. Dazu arbeiten Wasserbauingenieure, Hydrauliker und Fischökologen eng miteinander vernetzt. Zur Validierung der Laborbefunde werden an einer Pilot-Wasserkraftanlage des Landes Nordrhein-Westfalen Freilandversuche durchgeführt.

Ethohydraulischen Untersuchungen im Wasserbaulichen Forschungslabor
Ethohydraulischen Untersuchungen im Wasserbaulichen Forschungslabor

Wissenschaftliche Begleitung der Planung einer Pilot-Fischaufstiegsanlage an der Mainstaustufe Wallstadt

Kurzfassung

Gemeinsam im Konsortium mit den Planungsbüros Fichtner Water & Transportation (Stuttgart) und Arcadis (Köln) wirkt das Fachgebiet Wasserbau und Hydraulik beratend bei der Planung einer Pilot-Fischaufstiegsanlage am Main mit. Am Standort der Wehranlage Wallstadt soll unmittelbar neben dem dortigen Wasserkraftwerk eine Fischaufstiegsanlage errichtet werden die durch zahlreiche Modifikationsmöglichkeiten für gezielte Untersuchungen zur Auffindbarkeit von unterschiedlichen Einstiegskorridoren genutzt werden soll. Das Pflichtenheft resultiert aus einem Forschungsplan der Bundes-behörden BAW (Bundesanstalt für Wasserbau) und BfG (Bundesanstalt für Gewässerkunde), die nach Fertigstellung der Anlage dort im Rahmen mehrjähriger Untersuchungen mit dem Ziel aktiv werden, grundsätzlich übertragbare Aussagen zur Gestaltung optimal auffindbarer Einstiege in Fischaufstiegsanlagen zu erarbeiten.

Die Planungen zur Pilotanlage stützen sich auf ein breites Portfolio von Planungsmethoden: von der klassischen hydraulischen Bemessung „per Hand“ über hydrodynamisch-numerische Strömungsmodelle bis hin zum Einsatz physikalischer Modelle erfolgt eine Detailoptimierung relevanter Anlagenkomponenten und Betriebsaspekte. Seitens des Fachgebietes werden die beiden Planungsbüros durch grundsätzliche Beratungen zum Methodeneinsatz als auch durch die Dialogführung mit der BAW und BfG unterstützt.

Ethohydraulische Untersuchungen zum Funktionsnachweis eines neu entwickelten Fischliftsystems für die Ruhr-Staustufe am Baldeneysee

Kurzfassung

Diese umfangreiche Untersuchung mit zahlreichen Fischarten wird in enger Kooperation mit dem Institut für Wasser und Gewässerentwicklung (IWG) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) im Auftrag des Ruhrverbandes durchgeführt. In einem großmaßstäblichen ethohydraulischen Modell wurde der untersuchungsrelevante Teil des von der Firma Hydroenergie Roth GmbH (Karlsruhe-Durlach) entwickelten Fischliftsystems realmaßstäblich nachgebaut (vgl. Abb).

Kernkomponente des Liftsystems ist ein Zylinder, der mittels eines ausgeklügelten Systems geflutet oder entleert werden kann. Im Zylinder befindet sich ein beweglicher Schwimmkolben, in dem die Fische aufwärts transportiert werden können. Das Ein- und Ausschwimmen der Fische wird durch Leitströmungen initiiert, welche mittels diverser Regelorgane eingestellt werden können. Aufgrund der Forderung der Genehmigungsbehörden muss vor Einbau der Anlage am Standort Baldeney ein belastbarer Funktionsnachweis erbracht werden. Gemeinsam mit den Kollegen vom KIT hat das Fachgebiet Wasserbau und Hydraulik dazu ein ethohydraulisches Untersuchungskonzept erarbeitet, mit dem Planer und den Fachbehörden abgestimmt und im Wasserbaulabor des KIT in der dortigen großen Versuchsrinne umgesetzt. Für Voruntersuchungen wurden zudem zwei 3D-HN-Computermodelle als auch zwei klassische physikalische Modelle errichtet und betrieben, um grundlegende Erkenntnisse zur hydraulischen Funktionalität, den sich ergebenden Strömungssignaturen und der Betriebsabstimmung der Steuer- und Regelkomponenten zu erarbeiten. Die dabei gewonnenen Daten wurden vom Planer für Optimierungen einzelner Komponenten genutzt und zudem zur Kalibrierung des großen ethohydraulischen Ausschnittsmodells verwendet. Die eigentlichen ethohydraulischen Tests mit den Fischen wurden durch die Ökologen des Büros für Umweltplanung, Ge-wässermanagement und Fischerei (BUGEFI Bielefeld) durchgeführt. Hierbei hat sich bislang eine gute Funktionalität der Anlage gezeigt.

Computermodell der Ruhr-Staustufe am Baldeneysee (Quelle: Hydroenergie Roth GmbH)
Computermodell der Ruhr-Staustufe am Baldeneysee (Quelle: Hydroenergie Roth GmbH)