28 WASSERWIRTSCHAFT 5 | 2012

GEWÄSSER

Michael Pötsch

1 ForschungundEntwicklung

In Zusammenarbeit mit der Universität für Bodenkultur Wien (Boku) und der Forschungs- und Entwicklungsabteilung der Kirchdorfer Fertigteilholding wurde der innovative enature® FISHPASS entwi-ckelt [1], [2]. Ziel war es einerseits die Fischaufstiegsanlage (FAA) auf die Be-dürfnisse der Gewässerorganismen zu optimieren und andererseits den Wasser-bedarf auf ein Minimum zu reduzieren.

Im Wasserbaulabor des Institutes für Wasserwirtschaft, Hydrologie und kons-truktiven Wasserbau der Boku wurde dieses System in umfangreichen hydrau-lischen und biologischen Untersuchungen optimiert. Die Grundlage wurde dabei in mehreren Modellversuchen im Maßstab 1:5 geschaffen. Die endgültige Optimie-rung erfolgte in Modellversuchen im Maßstab 1:1. Ergänzend erfolgten die bio-logische Funktionsprüfung und die de-taillierte Ableitung hydraulischer Bemes-sungsparameter.

2 ToolsfürdenPlaner

2.1 Standardisiertes FertigteilsystemEin Ziel war, die gewonnenen Ergebnisse aus der Forschung und Entwicklung in ein standardisiertes Fertigteilsystem zu verpa-

cken. Mit wenigen ausgewählten geome-trischen Beckengrößen sollte das Fertigteil-system das Leitfischartenspektrum von der Forelle bis hin zum Huchen entsprechend den biozönotischen Regionen Epirhithral klein (MQ < 2 m³/s) bis Epipotamal groß (MQ > 20 m³/s) den Vorgaben des österrei-chischen Leitfadens zum Bau von Fisch-aufstiegshilfen, Stand Mai 2010, abdecken [4]. Die Donau wurde bei der Auslegung nicht berücksichtigt, da FAA in dieser Größenordnung fertigteiltechnisch kaum noch wirtschaftlich zu realisieren sind.

Diese Systemgröße ist für die Gestaltung des enature® FISHPASS nicht maßgebend.

Der enature® FISHPASS definiert sich durch drei Hauptsystemgrößen: ■ Beckengröße mit 200  x  145  cm,

300 x 217 cm und 400 x 290 cm; ■ Schlitzweiten von 15 cm, 20 cm, 25 cm,

30 cm, 35 cm und 50 cm und ■ Wasserspiegeldifferenzen zwischen

10  cm, 13  cm, 14  cm, 15  cm, 17  cm, 18 cm und 20 cm.

Gewässertypisches Sohlensubstrat (Bild 1) wird im Betonfertigteil in einer Schicht-

In diesem Beitrag wird das innovative Fertigteilsystem einer Fischaufstiegsanlage vorgestellt, das den Bedürfnissen der Gewässerorganismen in optimierter Weise gerecht wird und gleich-zeitig den Wasserbedarf auf ein Minimum reduziert. Im Vergleich zum Standard- Vertical-Slot-Fischpass weist das System eine verbesserte ökologische Funktion (Fischpassierbarkeit) auf. Die Formgebung ermöglicht eine Reduktion des Betriebsdurchflusses (bis 40 %), der Fließge-schwindigkeit (bis 20 %), der Energiedissipation (bis 30 %) und der Turbulenzen (bis 35 %) im Beckenpass. Dadurch ist ein einfaches Durchwandern der Anlage auch für schwimmschwache Fischarten und Juvenile möglich. Die Reduktion des Durchflusses wirkt sich darüber hinaus positiv auf die Erzeugung der elektrischen Energie im Kraftwerk aus. Am Kraftwerk/Piesting in Österreich wird seit 2009 die erste Pilotanlage des enature® FISHPASS erfolgreich betrieben. Am Gewässer Ager und an der Laming wurden zwei weitere Anlagen im Jahr 2011 verwirklicht.

Der enature® FISHPASS – eine nachhaltige Lösung mit System und deren Einsatz in der Praxis

Bild 1: enature® FISHPASS mit 180°- und 135°-Kehrelement und eingebautem Sohlensubstrat

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stärke von 10 bis 25 cm inklusive zusätz-licher Störsteine eingebaut. Die minimale Mindestwassertiefe richtet sich nach der gewählten Systemgröße, sie liegt zwischen 50 cm und 120 cm.

Für jede Systemgröße sind Becken mit einem alternierenden Schlitz (rechts/links) vorhanden. Richtungsänderungen werden mit 45°-Kehrbecken ausgeführt. Die Wasserspiegeldifferenz zwischen den einzelnen Becken wird über die Sohlnei-gung hergestellt. Die 45°-Kehrbecken werden horizontal versetzt. Der Übergang von der horizontalen in die schiefe Ebene wird mit einem Neigungsknickelement verwirklicht. (Bild 2).

2.2 Hydraulik-BemessungsprogrammFür die hydraulische Dimensionierung des enature® FISHPASS steht auf der Inter-net-Seite ein Hydraulik- Bemessungspro-gramm kostenlos zur Verfügung [1]. Nach der Auswahl der Systemgröße, der Was-serspiegeldifferenz zwischen den Becken und der Schlitzweite ist zwischen zwei Berechnungsweisen zu wählen. Entweder man gibt den Durchfluss an und berech-net daraus die minimale Wassertiefe oder man gibt die minimale Wassertiefe an und berechnet den dazugehörigen Durchfluss (Bild 3). Zusätzlich wird im Ergebnis der Vergleich zum geometriegleichen her-kömmlichen Vertical-Slot-Fischpass aus-gewiesen. Die Optimierung im Durch-fluss wird in l/s und in % dargestellt. Die Reduktion der Energiedissipation wird in W/m³ und in % ausgewiesen.

2.3 Konstruktives PlanungsprogrammDem Planer stehen sämtliche Systemteile des enature® FISHPASS in einem 2-D- und 3-D-Planungstool auf der Homepage zum kostenlosen Download zur Verfügung. Damit wird der Zeitaufwand für die kon-struktive Planung der FAA wesentlich verringert. Statisch konstruktive Über-sichten geben zugleich Auskunft über die berücksichtigten Lastfälle der inneren Standsicherheit, die erforderliche Lage-rung der Betonfertigteile und über die Auftriebssicherheit der Elemente.

3 enature® FISHPASSamKraftwerkHartanderAger

Die Kraftwerk Glatzing-Rüstorf Genossen-schaft mbH (KWG) bezeichnet sich im Her-zen Oberösterreichs als echter „Nahversor-ger“ für Strom. KWG betreibt an der Ager

fünf Wasserkraftwerke. Die Genossenschaft verteilt den Strom über das eigens betriebene Verteilernetz bis hin zum Endkunden.

Das Ausleitungskraftwerk Hart wurde erstmals 1924 in Betrieb genommen. Fast ein gesamtes Jahrhundert war an dieser

Stelle das Gewässerkontinuum der Ager unterbrochen. Im Juli 2010 erfolgte der Spatenstich für die Anpassung der Anlage an den Stand der Technik und die Umset-zung der WRRL zur Wiederherstellung der ökologischen Durchgängigkeit.

Bild 2: enature® FISHPASS-Fertigteilsystem: gerade Elemente mit Neigungsknick und 45°-Kehrbecken

Bild 3: Auszug aus Hydraulik-Werkzeug des enature® FISHPASS

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3.1 Wesentliche MaßnahmenZur Verbesserung der Geschiebeabwehr wurde eine Kragschwelle mit einem darü-ber liegenden Grobrechen errichtet. Die Verbreiterung der Wehranlage erhöht die Kapazität des Hochwasserabflusses. Die Wehrschleusen wurden saniert. Den Grundablass inklusive dem Tosbecken und dem Fischaufstieg als Schlitzpass errichtete man zur Gänze neu. Die Rest-wasserdotation wurde aus ökologischen Gründen in der Höhe von 3,5 m³/s festge-setzt. Entsprechend den Forderungen der Erneuerbare-Energien-Richtlinie mit dem Ausbau der regenerativen Stromerzeugung führte dies zu einem weiteren Schritt, dem Bau eines Restwasserkraftwerkes zur Nut-zung der erhöhten Dotation der Ager.

3.2 Anforderungen an den enature® FISHPASS

Die Ager wird in diesem Abschnitt der Fischregion des Hyporhithrals zugeordnet. Der Huchen mit einer Körperlänge von 100 cm ist gemäß dem österreichischen Leitfaden die maßgebende Fischart, die maximale Wasserspiegeldifferenz je Be-

cken beträgt 15 cm und die Schlitzbreite 35 cm. Aus der zu überwindenden Höhe von 2,70 m bei Niederwasser (Dotations-abf luss) ergeben sich 18  Becken des enature® FISHPASS und 1 Ruhebecken. Die gewählte lichte Beckengeometrie beträgt: Länge 3,0 m, Breite 1,18 m, Höhe 1,60 m.

Das Ruhebecken wurde gleichzeitig als 180°-Kehre genutzt, wobei die vier 45°-Kehrbecken horizontal versetzt wur-den. In diesem Bereich erfolgt somit kein Abbau der Höhendifferenz.

Zur effizienten Situierung des unterwas-serseitigen Einstieges in Abstromrichtung des Triebwassers erfolgte eine weitere Rich-tungsänderung um 135° (Bild 1). Dies ent-spricht den Vorgaben für die kleinräumige Anordnung von FAA am Einstieg, indem diese flussauf betrachtet im spitzen Winkel und unmittelbar am bzw. neben dem Wan-derhindernis angeordnet werden sollen [3].

3.3 Vergleich enature® FISHPASS mit einem geometriegleichen herkömmlichen Vertical- Slot-Fischpass

Das Restwasser wird über das Restwasser-kraftwerk und über die FAA abgegeben.

Im Vergleich zum herkömmlichen, geo-metriegleichen Vertical-Slot-Fischpass er-folgt durch den enature® FISHPASS eine Reduktion der Dotationswassers um 38 %. Die Dotation im enature® FISHPASS be-trägt ca. 333 l/s, die des geometriegleichen herkömmlichen Vertical-Slot-Fischpass ca. 536 l/s. Dieser Gewinn von rund 203 l/s in der FAA führt zur ökonomischen Op-timierung des Restwasserkraftwerkes durch einen höheren Ertrag.

Einer der wesentlichen Vorteile ist die Reduktion der Fließgeschwindigkeit. Di-es führt zu verringerten Turbulenzen und einer verminderten Energiedissipa-tion. Dies ist das Ergebnis der ökolo-gischen Optimierung für den Fisch im enature® FISHPASS. Im Vergleich beträgt die Energiedissipation 72 W/m³ gegenü-ber 113 W/m³, dies entspricht einer Re-duktion um 36 %.

3.4 Versetzen und MontageDie erforderlichen Vorarbeiten sowie das Unterbauplanum errichtete die von der KWG für das gesamte Bauvorhaben be-auftragte Baufirma. Auf dem bestehenden

Bild 4: Feinplanum vor dem Versetzen der Fertigteile am Kraftwerk Hart/Ager

Bild 5: enature® FISHPASS am Kraftwerk Hart/Ager mit Verklausungsschutz

Bild 6: Versetzarbeiten der Fertigteile am Kraftwerk St. Katharein-Untertal

Bild 7: enature® FISHPASS am Kraftwerk St. Katharein-Untertal

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WASSERWIRTSCHAFT 5 | 2012 31

Untergrund wurde eine Sauberkeitsschicht in einer Stärke von ca. 10,0 cm betoniert. Über der Sauberkeitsschicht folgte eine Splittlage mit Kantkorn 4/8 mm in einer Stärke von ca. 5,0 cm. Mit diesem Feinpla-num wurde die exakte Neigung der schie-fen Ebene und der horizontalen Bereiche in den Kehren hergestellt. Der Splitt wurde aufgebracht, die Formrohre wurden seitlich eingelegt und mit der Waaglatte abgezogen. (Bild 4). Die Abdichtung der Fuge zwischen den Einzel elementen erfolgte mit einem Dichtungsband. Untereinander wurden die Teile mit Spannschlössern verbunden.

Auf dem fertiggestellten Feinplanum versetzte die MABA Fertigteilindustrie GmbH mit einem 120-t-Mobilkran mit ei-ner Reichweite bis zu 45 m die Fertigteile (größtes Einzelstückgewicht 4 700 kg) in weniger als drei Tagen.

Da im Hochwasserfall die gesamte FAA überströmt wird, verhindert ein nachträg-lich montierter Gitterrost die Verklausung der Becken während des Hochwasser-ereignisses (Bild 5).

4 enature®FISHPASSamKraftwerk StKatharein-Untertal

Die Altanlage, die Illmayer Säge, an der Laming diente ursprünglich dem Antrieb eines Sägegatters. Im Laufe der Zeit wurde die Anlage erweitert und der Überschuss-strom ins Netz eingespeist. Die Leistung der Kleinwasserkraftanlage war mit einem Ausbaudurchfluss von 1,3 m³/s und einer Ausbauleistung von 35 kW begrenzt. Im bestehenden Wasserrecht war keine Pflichtwasserabgabe eingetragen.

2011 erhielt die Anlage den neuen Na-men Kraftwerk St. Katharein-Untertal, und der neue Betreiber Dr. Gapp E-Werk Rastal GmbH revitalisierte und sanierte die Altanlage nach dem Stand der Technik.

4.1 Wesentliche MaßnahmenDer Bestand der Wehranlage blieb erhal-ten, die Schützenantriebe wurden automa-tisiert. Das Einlaufbauwerk wurde vergrö-ßert und mit einem Feinrechen mit auto-matischer Rechenreinigungsmaschine ausgestattet. Das Krafthaus mit einer ver-tikalachsigen Kaplanspiralturbine und der erforderlichen Druckrohrleitung wurden neu errichtete. Weiters wurde das Stauziel an der Wehranlage geringfügig erhöht und das Unterwasser zur Vergrößerung der Fallhöhe eingetieft. Das Ergebnis der Sanierung ist eine Vervierfachung der

Ausbauleistung. Für die WRRL-Umset-zung der Wiederherstellung der ökolo-gischen Durchgängigkeit sollte ursprüng-lich ein FAA in Form eines Vertical-Slot-Fischpasses gebaut werden.

4.2 Anforderungen an den enature® FISHPASS

Die Laming wird in diesem Abschnitt der Fischregion des Epirhithrals mit einem MQ > 2,0 m³/s zugeordnet. Die Forelle ist die maßgebende Leitfischart, die Koppe ist die typische Begleitart.

Aus dem österreichischen Leitfaden zum Bau von Fischaufstiegshilfen [4] ergeben sich folgende Dimensionierungsparameter für den enature® FISHPASS: Die maximale Wasserspiegeldifferenz zwischen den Becken beträgt 20 cm. Die Schlitzweite ist mit mindestens 15 cm und die hydraulische Mindesttiefe unterhalb der Trennwand ist mit mindestens 70 cm auszuführen. Aus der zu überwindenden Höhe von 5,60 m ergeben sich daraus 28 Fertigteilbecken und 2 Ruhebecken. Die gewählte lichte Beckengeometrie beträgt: Länge 2,0 m, Breite 1,45 m, Höhe 1,25 m.

Der unterwasserseitige Einstieg der FAA mündet gemeinsam mit dem Unter-wasser der Turbine wieder in die Laming ein. Durch die Anordnung des Einstieges im Unterwasserbereich unmittelbar pa-rallel zum Turbinenauslass erfolgt die optimale Anbindung der Anlage an den Migrationskorridor.

4.3 Vergleich des enature® FISHPASS mit einem geometriegleichen her-kömmlichen Vertical-Slot-Fischpass

Das gesamte Mindestwasser wird direkt über die FAA abgegeben. Aus dem Hyd-raulik-Werkzeug des enature® FISHPASS errechnen sich mit den oben genannten Vorgaben der Durchfluss mit ca. 119 l/s und eine Energiedissipation von ca. 107 W/m³. Diese Werte liegen deutlich unter den rund 190  l/s und den rund 180 W/m³, die in einem Standard-Vertical-Slot-Fischpass mit gleicher Geometrie erreicht werden.

Der Grenzwert der Energiedissipati-on ist für Österreich im Epirhithral mit 140  W/m³ [4] angegeben. Im Fall des Standard-Vertical-Slot-Fischpass wird dieser wesentlich überschritten. Die Berechnung der Energiedissipation er-folgt anhand des DVWK-Merkblattes 232/1996 [5]. In diesem Ansatz ist unter anderem die Beckengeometrie ein maß-gebender Einf lussfaktor für die Höhe

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der Energiedichte. Damit der Grenzwert eingehalten werden kann, müsste der herkömmliche Vertical-Slot-Fischpass mit einer größeren Beckengeometrie als der enature® FISHPASS rea lisiert wer-den. Größer bedeutet wesentlich längere Becken, mehr Platzbedarf und daraus resultieren höhere Baukosten, die jeder Bauherr tunlichst vermeiden will. Das Einsparungspotenzial von rund 38 % bei der Dotation der FAA kann wiederum zu 100 % in der vertikalachsigen Kaplan-turbine in erneuerbare Energie umge-setzt werden.

4.4 Versetzen und Montage Die erforderlichen Vorarbeiten und das Unterbauplanum errichtete wiederum das für das Gesamtbauvorhaben verantwort-liche Tiefbauunternehmen. In dem frisch geschütteten und verdichteten Damm

wurde ein Einschnitt für die Trasse der FAA hergestellt (Bild 6). Auf dem neuer-lich verdichteten Planum wurde eine Splittlage mit Kantkorn 4/8 mm in einer Stärke von ca. 5 cm als Ausgleichsschicht aufgebracht. Auf diesem Feinplanum ver-setzte MABA Fertigteilindustrie GmbH mit einem 100-t-Mobilkran die Fertigteile (größtes Einzelstückgewicht 4 050 kg) in nur drei Arbeitstagen (Bild 7).

5Resümee

Der bereits mehrfach im Praxiseinsatz er-folgreich verwirklichte enature® FISHPASS ist eine optimale Lösung zur Wiederher-stellung des Gewässerkontinuums an Wasserkraftwerken. Durch die innovative Struktur ist es gelungen, die Fließge-schwindigkeit und die Turbulenzen zu

minimieren. Dies bewirkt, dass auch Ju-venile und schwimmschwache Fischarten ein einfaches Durchwandern der Anlage ermöglicht wird. Voraussetzung dafür ist die entsprechende Auswahl der Becken-größe, der Schlitzbreite und der Höhen-differenz je Becken. Damit die optimale Anbindung des enature® FISHPASS an den Migrationskorridor gegeben ist, muss bei der planungstechnischen Anforderung ein wichtiges Augenmerk auf das Detail am Einstieg in die FAA gelegt werden.

Im standardisierten Fertigteilsystem sind Bausätze für alle Fischregionen vom Epir-hithral bis zum Hypopotamal verfügbar. Durch die bautechnische Errichtung mit Fertigteilen erfolgt eine Minimierung der Bauzeit und daraus resultierend eine Mini-mierung der Eingriffe in das Fließ gewässer.

Die ökonomische Optimierung v.  a. durch eine Verringerung der Dotation wirkt sich positiv auf die Erzeugung der erneuerbaren Energie aus. Speziell an Laufkraftwerken und Ausleitungskraft-werken mit Restwassernutzung wird diese Optimierung voll ausgeschöpft, womit der Forderung der Erneuerbare-Energien-Richtlinie der EU entsprochen wird.

Durch die Errichtung des enature® FISHPASS wird für den Teilbereich des WRRL-Qualitätskriteriums „Durchgän-gigkeit für aquatische Organismen“ i. d. R. der „gute“ bis „sehr gute ökologische Zu-stand“ erreicht.

AutorDipl.-Ing.MichaelPötschMABA Fertigteilindustrie GmbHFeuerwerksanstalt2752 WöllersdorfÖsterreichmichael.poetsch@maba.at

Literatur[1] MABA Fertigteilindustrie GmbH (Hrsg.):

enature® FISHPASS. Wiener Neustadt (www.maba-fishpass.com, Aufruf: 01.03.2012).

[2] Mader, H.; Tauber, M.-M.: Der neue Multi-Struktur-Slot-Fischpass. In: WasserWirtschaft 100 (2010), Heft 7-8, S. 28-32.

[3] Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und ländlichen Raum NRW (Hrsg.): Handbuch der Querbauwerke. Düssel-dorf, 2005.

[4] Bundesministerium für Land- und Forstwirt-schaft, Umwelt und Wasserwirtschaft (Hrsg.): Grundlagen für einen österreichischen Leit-faden zum Bau von Fischaufstiegshilfen (FAHs). Wien, 2011.

[5] DVWK (Hrsg.): Fischaufstiegsanlagen – Bemessung, Gestaltung, Funktionskontrolle. In: DVWK-Merkblätter (1996), Nr. 232.

Михаэль Пёч

Система enature® FISHPASS – долгосрочное решение и применение на практике

В с татье предс тавлена инновационная сис тема готовых блоков рыбоподъемного устройства, которая оптимальным образом соответствует потребностям представителей водной фауны и одновременно сокращает объем необходимой воды до минимума. По сравнению со стандартными рыбоподъемниками с вертикальным проходом типа Vertical-Slot система обладает улучшенной экологической функцией (проходимость рыбы). Форма конструкции позволяет сократить рабочий проточный расход (до 40 %), снизить скорость потока (до 20 %), уменьшить потери энергии (до 30 %) и редуцировать турбулентность (до 35 %) в проточном бассейна. Благодаря этому прохождение рыбоподъемника становится простым и возможным также для слабоплавающих видом рыб и молодняка. Кроме того, сокращение проточного расхода, идущего через рыбоподъемник, положительно воздействует на производство электроэнергии. На гидроэлектростанции Пистинг (Piesting) в Австрии первая пилотная установка с системой enature® FISHPASS успешно реализуется с 2009. В 2011 году на Агере (Ager) и Ламинге (Laming) были построены еще две установки.

Michael Pötsch

enature FISHPASS – a Sustainable Solution and their Adoption in Practice

The newly developed enature® FISHPASS shows a clear maintenance or even enhan-cements of the biological migration acceptance by aquatic organisms, keeping in par-allel a significant reduction necessary flow in order to reduce production losses for environmental measures claimed by the EU. The hydraulic optimized system shows a significant reduction of the necessary flow (-40 %), of the flow velocities (-20 %), of the energy dissipation rate (-30 %) and of the turbulences (-35 %). The system was already realized on some hydro-electric plants in Austria.