Organismenwanderhilfe Kraftwerk Jochenstein · In Flow3D wird die Strömung an kartesischen...

Organismenwanderhilfe

Kraftwerk Jochenstein

Planfeststellungsverfahren Technischer Bericht

Ausstiegsbereich in den Oberhafen

Hydraulische Untersuchungen

Erstellt DKJ / RMD Consult D. Mayr, Haselbauer 21.01.2015

Geprüft DKJ D. Mayr 22.01.2015

Freigegeben DKJ D. Mayr 22.01.2015

Unternehmen / Abteilung Vorname Nachname Datum

Fremdfirmen-Nr.: Aufstellungsort: Bl. von Bl.

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SKS

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Ausstiegsbereich, Hydraulische Untersuchungen OWH Antragsunterlagen PFV

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OWH Antragsunterlagen PFV Ausstiegsbereich, Hydraulische Untersuchungen

JES-A001-VHBH3-B30049-00-_FE Seite 3 von 18

Inhaltsverzeichnis

1. Allgemeines .......................................................................................... 4 2. Grundlagen ........................................................................................... 4

2.1. Geländedaten Donau .................................................................... 4 2.2. Ausstieg OWH .............................................................................. 5 2.3. Abfluss OWH ............................................................................... 6 2.4. Randbedingungen Donau .............................................................. 6 2.5. Verwendete Software ................................................................... 7

3. Strömungszustände ohne Schleusungen ................................................... 7 4. Strömungszustände bei Schleusungen.................................................... 12

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Untersuchungsbereich 3D-Modell Stauraum Jochenstein (blaue

Umrandung) .................................................................................................... 4 Abbildung 2: Ausstieg OWH, Einlauf Dotation und Auslauf Dotation in die OWH ........ 5 Abbildung 3: Wasserspiegel Oberwasser Jochenstein und Abfluss OWH in

Abhängigkeit des Abflusses Donau ...................................................................... 6 Abbildung 4: Einlauf Dotation, links Draufsicht, rechts Schnitt A-A .......................... 7 Abbildung 5: Horizontale Fließgeschwindigkeiten bei Q = 800 m³/s. Horizontalschnitt

in 1,0 m Tiefe; Oben: Oberhafen, unten: Detail Ausstieg OWH ............................... 8 Abbildung 6: Horizontale Fließgeschwindigkeiten bei MQ = 1.430 m³/s.

Horizontalschnitt in 1,0 m Tiefe; Oben: Oberhafen, unten: Detail Ausstieg OWH ...... 9 Abbildung 7: Horizontale Fließgeschwindigkeiten bei Qa = 2.200 m³/s.

Horizontalschnitt in 1,0 m Tiefe; Oben: Oberhafen, unten: Detail Ausstieg OWH .... 10 Abbildung 8: Horizontale Fließgeschwindigkeiten bei HSQ = 3.450 m³/s.

Horizontalschnitt in 1,0 m Tiefe; Oben: Oberhafen, unten: Detail Ausstieg OWH .... 11 Abbildung 9: Schleuse Jochenstein, Anzahl der Schleusungen .............................. 12 Abbildung 10: Schleusendurchflüsse = Entnahme aus dem Oberhafen .................. 13 Abbildung 11: Horizontale Fließgeschwindigkeiten bei Q = 800 m³/s.

Horizontalschnitt in 1,0 m Tiefe; Oben: Oberhafen, unten: Detail Ausstieg OWH .... 14 Abbildung 12: Horizontale Fließgeschwindigkeiten bei MQ = 1.430 m³/s.

Horizontalschnitt in 1,0 m Tiefe; Oben: Oberhafen, unten: Detail Ausstieg OWH .... 15 Abbildung 13: Horizontale Fließgeschwindigkeiten bei Qa = 2.200 m³/s.

Horizontalschnitt in 1,0 m Tiefe; Oben: Oberhafen, unten: Detail Ausstieg OWH .... 16 Abbildung 14: Horizontale Fließgeschwindigkeiten bei HSQ = 3.450 m³/s.

Horizontalschnitt in 1,0 m Tiefe; Oben: Oberhafen, unten: Detail Ausstieg OWH .... 17

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Abflüsse und Wasserspiegellagen Donau bei Einmündung OWH ............... 6



1. Allgemeines

In diesem Bericht werden die hydraulischen Verhältnisse im Ausstiegsbereich der

Organismenwanderhilfe (OWH) im Bereich des Oberhafens der Schleusenanlage

Jochenstein dargestellt. Die Aussagen beruhen zu einem Großteil auf Gutachten, die

RMD Consult für das Projekt Energiespeicher Riedl erstellt hat (Hydraulische

Verhältnisse im Oberwasser der Staustufe Jochenstein, Bericht Nr. JES-A001-RMDC1-

B62001-00-_FE).

Die Untersuchungen der Strömungsverhältnisse sowie der Entnahme für die Dotation

aus dem oberen Schleusenvorhafen und der Strömungen in der Donau wurden mit

einem detaillierten numerischen 3D-Modell durchgeführt, dessen Ausdehnung in

Abbildung 1 dargestellt ist.

Diese Untersuchungen wurden im deutschen Gauss-Krüger-Format im 4. Band

durchgeführt, die Höhenangaben beziehen sich auf Normalnull.

Ergänzt werden die Darstellungen um die Angabe der Häufigkeit von

Schleusungsvorgängen und zugeordnete Fließgeschwindigkeitsberechnungen im

Oberhafen.

Abbildung 1: Untersuchungsbereich 3D-Modell Stauraum Jochenstein (blaue Umrandung)

2. Grundlagen

2.1. Geländedaten Donau

Grundlage des 3D-Berechnungsmodells im Oberwasser der Staustufe Jochenstein

sind Daten einer Sohlpeilung vom Juli 2009, die von Donau-km 2205,0 bis zur

Staustufe Jochenstein vorlagen (vgl. Abbildung 1).



2.2. Ausstieg OWH

Der Ausstieg der OWH befindet sich direkt gegenüber dem Trenndammspitz. Das

Wasser für die zusätzliche Dotierung der OWH wird ca. 50 m unterhalb des Ausstiegs

der OWH aus dem oberen Schleusenvorhafen entnommen. Das Wasser wird auf ca.

200 m durch einen Kanal unter der OWH geleitet und weitere ca. 100 m bis zur Stelle

der Zugabe in die OWH parallel daneben geführt. Die Steuerung der Dotationsmenge

erfolgt durch ein Schütz. Eine Übersicht der OWH bis zum Auslauf der Dotation ist in

Abbildung 2 enthalten.

Abbildung 2: Ausstieg OWH, Einlauf Dotation und Auslauf Dotation in die OWH



2.3. Abfluss OWH

Der Abfluss in der OWH ist abhängig vom Abfluss in der Donau. Als Vorgabe wurde

vom Gewässerökologen die in Abbildung 3 dargestellte Abflussbeziehung verwendet.

In das Gerinne der OWH fließen an der Ausleitung stets 2,0 m³/s, der restliche

Abfluss wird durch eine gesteuerte Entnahme etwa 350 m weiter unten am

Dotationsbauwerk zugegeben.

Abbildung 3: Wasserspiegel Oberwasser Jochenstein und Abfluss OWH in Abhängigkeit des Abflusses Donau

2.4. Randbedingungen Donau

Bei Stauzielhaltung liegt der Wasserstand am Kraftwerk Jochenstein auf Höhe 290,00

m ü.NN. Ab einem Abfluss von 4.200 m³/s wird der Wasserspiegel an der Staustufe

Jochenstein abgesenkt. Die Abflüsse in der Donau sind in Tabelle 1

zusammengefasst.

Abfluss Wasserspiegel bei

Ausstieg OWH

NNQ Niederster Abfluss 535 m3/s 290,00 m ü.NN

Q30 Abfluss mit Unterschreitungsdauer

von 30 Tagen (Untere Grenze

Arbeitsbereich OWH)

800 m3/s 290,00 m ü.NN

MQ Mittlerer Abfluss 1.430 m3/s 290,00 m ü.NN

Qa Ausbaudurchfluss KW Jochenstein 2.050 m³/s 290,00 m ü.NN

Q330 Abfluss mit Unterschreitungsdauer

von 330 Tagen (Obere Grenze

Arbeitsbereich OWH)

2.200 m3/s 290,00 m ü.NN

HSQ Höchster schiffbarer Abfluss 3.450 m3/s 290,00 m ü.NN

Tabelle 1: Abflüsse und Wasserspiegellagen Donau bei Einmündung OWH

800; 2.0

1430; 3.83

2200; 7.36

3450; 11.5

Q Donau; Q OWH4200; 11.5

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

14.0

287.00

287.50

288.00

288.50

289.00

289.50

290.00

290.50

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Ab

flu

ss O

WH

in m

3/s

Wa

sse

rsp

ieg

el i

n m

+N

N

Abfluss Donau in m3/s

WSP OW

Q OWH



2.5. Verwendete Software

Die Strömungssituation im oberen Schleusenvorhafen sowie die Ausströmsituation

der OWH in die Donau wurden mit dem 3D-Programm FLOW-3D, Version 9.4.5 (Flow

Science, USA) berechnet. Im Gegensatz zu anderen Strömungslösern wurde das

Programm speziell für die Berechnung von Strömungen mit freien Oberflächen

entwickelt und optimiert.

Das Programm bietet verschiedenste Berechnungsmethoden und

Diskretisierungsmöglichkeiten an, um die physikalischen Randbedingungen zu

beschreiben. In der verwendeten Programmkonfiguration löst Flow3D die

inkompressiblen Navier-Stokes- Gleichungen auf einem kartesischen Gitter mit einem

Finite-Volumen-Verfahren: Die räumliche Approximation der Flüsse erfolgte mit der

Monotonicity-Preserving-Second-Order Methode. Diese stellt eine Kombination aus

einem Zentraldifferenzenverfahren (CDS, zweiter Ordnung) und einem Upwind-

Verfahren (erster Ordnung) dar. Die Zeitintegration wird mit einem expliziten

Verfahren durchgeführt, wobei der Druck implizit durch eine iterative Berechnung

gelöst wird. Die Länge der Zeitschritte wurde automatisch durch das Programm über

eine Betrachtung der Courant-Zahl bestimmt. Für die Berechnung der freien

Oberfläche wird der Algorithmus von Hirt und Nichols benutzt.

In Flow3D wird die Strömung an kartesischen strukturierten Gittern nach dem Finite-

Volumen-Verfahren berechnet. Um Hindernisse in der Strömung zu beschreiben,

bedient sich das Programm der Fractional Area/ Volume Obstacle Representation

Methode (FAVORTM-Methode). Es wird hierbei an jeder Zelle der Anteil bestimmt, der

mit Fluid gefüllt werden kann. Dieser Bereich wird durch Flächen- und Kantenanteile

der Zelle beschrieben. Die im Programm verwendeten Interpolationen werden derart

modifiziert, dass die im Finite-Volumen-Verfahren verwendeten

Erhaltungsgleichungen weiterhin gültig sind.

3. Strömungszustände ohne Schleusungen

Mit dem 3D-Modell wurden die Strömungen im Schleusenvorhafen ohne überlagerte

Schleusungsvorgänge untersucht.

Die Sohle der Donau wurde entsprechend den in Kapitel 2.1 genannten Grundlagen

modelliert. Die Geometrie des Einlaufs wurde entsprechend den Abmessungen in

Abbildung 4 mit Vereinfachungen modelliert. Es wurde die Breite des Einlaufs von

12 m sowie die Schwellenhöhe auf 287,00 m ü.NN berücksichtigt, jedoch nicht die

anschließende Beschleunigung und Umlenkung in den Druckkanal.

Abbildung 4: Einlauf Dotation, links Draufsicht, rechts Schnitt A-A



Die nachfolgenden Abbildungen zeigen die horizontalen Fließgeschwindigkeiten für

den Donauabfluss von 800 m³/s (Abfluss Q30), MQ = 1.430 m³/s, Qa = 2.200 m³/s

und HSQ = 3.450 m³/s.

Abbildung 5: Horizontale Fließgeschwindigkeiten bei Q = 800 m³/s. Horizontalschnitt in 1,0 m Tiefe; Oben: Oberhafen, unten: Detail Ausstieg OWH



Abbildung 6: Horizontale Fließgeschwindigkeiten bei MQ = 1.430 m³/s. Horizontalschnitt in 1,0 m Tiefe; Oben: Oberhafen, unten: Detail Ausstieg OWH



Abbildung 7: Horizontale Fließgeschwindigkeiten bei Qa = 2.200 m³/s. Horizontalschnitt in 1,0 m Tiefe; Oben: Oberhafen, unten: Detail Ausstieg OWH



Abbildung 8: Horizontale Fließgeschwindigkeiten bei HSQ = 3.450 m³/s. Horizontalschnitt in 1,0 m Tiefe; Oben: Oberhafen, unten: Detail Ausstieg OWH



Generell sind für den untersuchten Betriebszustand im Oberhafen keine

Fließgeschwindigkeiten vorhanden. Am Ort des Ausstiegs der OWH stellt sich eine

Strömung ein, die von der Umlenkung der Hauptströmung der Donau um den

Trenndammspitz erzwungen wird und je nach Donauzufluss Werte von bis zu 0,2 –

0,4 m/s annimmt. Geschwindigkeitsbereiche mit höheren Werten grenzen

unmittelbar oberwasserseitig an.

4. Strömungszustände bei Schleusungen

Vom Wasser- und Schifffahrtsamt Regensburg wurden für die Schleuse in Jochenstein

die Anzahl der Schleusungen pro Jahr für die Periode 1993-2013 übermittelt

(Abbildung 9). Pro Tag ergibt sich für diese Periode die Anzahl der Schleusungen

theoretisch im Mittel zu 16 (alle 1,5 Stunden) bis 37 (alle 40 Minuten).

Abbildung 9: Schleuse Jochenstein, Anzahl der Schleusungen

In Abbildung 10 sind die Entnahmemengen aus dem Stauraum Jochenstein bei

Schleusungen dargestellt. Zur Ermittlung der Werte wurden folgende Grundlagen

verwendet:

Modellversuche für die Schleusenverschlüsse, TH Karlsruhe, März 1956

Modellversuche, Modellbericht , Oberhaupt Südschleuse / Oberhaupt

Nordschleuse, TH Karlsruhe, Oktober 1951

90

54

10

51

2

10

93

8

10

51

0

10

18

8 111

48

10

69

5 11

74

1

11

89

2

12

29

7 13

32

1

13

76

0

13

75

5

12

47

1

12

50

5

11

99

4

12

24

6

12

01

9

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42

8

10

36

7

0

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6000

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10000

12000

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0

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0

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1

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2

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3

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4

SC

HL

EU

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Abbildung 10: Schleusendurchflüsse = Entnahme aus dem Oberhafen

Die Befüllung der Nordschleuse dauert 950 s, die maximale Entnahmemenge beträgt

140 m³/s nach 660 s. Die Befüllung der Südschleuse dauert 850 s, die maximale

Entnahmemenge beträgt 132 m³/s nach 480 s. Bei zeitgleicher Überlagerung tritt die

maximale Gesamtentnahmemenge in die Schleusen von 252,69 m³/s nach genau

600 s auf (seltenes Ereignis).

In den numerischen Berechnungen wurde eine Entnahme von Wasser aus dem

Oberhafen für die Füllung der Südschleuse mit einer Entnahmemenge von max.

132 m³/s angesetzt. Dies entspricht wegen dem geringeren Entnahmemaximum

gegenüber der Nordschleuse einem ungünstigeren Zustand im Hinblick auf eine

gewässerökologische Bewertung. Die Berechnungen wurden stationär für diesen

Spitzenabfluss durchgeführt.

Die nachfolgenden Abbildungen zeigen die horizontalen Fließgeschwindigkeiten für

den Donauabfluss von 800 m³/s (Abfluss Q30), MQ = 1.430 m³/s, Qa = 2.200 m³/s

und HSQ = 3.450 m³/s.

0

50

100

150

200

250

300

350

0 200 400 600 800 1000

Entn

ahm

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Sta

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Jo

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nst

ein

[m

³/s]

Zeit [sec]

Entnahme Nordschleuse [m³/s]

Entnahme Südschleuse[m³/s]

Summe Entnahme Nord- undSüdschleuse [m³/s]



Abbildung 11: Horizontale Fließgeschwindigkeiten bei Q = 800 m³/s. Horizontalschnitt in 1,0 m Tiefe; Oben: Oberhafen, unten: Detail Ausstieg OWH



Abbildung 12: Horizontale Fließgeschwindigkeiten bei MQ = 1.430 m³/s. Horizontalschnitt in 1,0 m Tiefe; Oben: Oberhafen, unten: Detail Ausstieg OWH



Abbildung 13: Horizontale Fließgeschwindigkeiten bei Qa = 2.200 m³/s. Horizontalschnitt in 1,0 m Tiefe; Oben: Oberhafen, unten: Detail Ausstieg OWH



Abbildung 14: Horizontale Fließgeschwindigkeiten bei HSQ = 3.450 m³/s. Horizontalschnitt in 1,0 m Tiefe; Oben: Oberhafen, unten: Detail Ausstieg OWH



Für die untersuchte Füllung der Südschleuse zeigt sich, dass die Strömung zum

Südufer tendiert, und zwar ist dieser Effekt umso ausgeprägter beobachtbar, je höher

der Donauabfluss ist. Ein ähnlicher „spiegelbildlicher“ Effekt ist für eine Entnahme

von Wasser aus dem Oberhafen für die Füllung der Nordschleuse zu erwarten. Es

wird sich die Strömung entlang des Nordufers des Oberhafens konzentrieren.

Geschwindigkeitsbereiche mit höheren Werten grenzen unmittelbar oberwasserseitig

an.

Während der Schleusungen werden im Schleusenkanal abhängig von der betriebenen

Schleuse Strömungen mit Geschwindigkeiten von 0,20 – 0,40 m/s ein. Am Ort des

Ausstiegs der OWH wird diese Strömung mit der Hauptströmung überlagert, die von

der Umlenkung der Donau um den Trenndammspitz erzwungen wird.

Unabhängig vom Standort im aquatischer Lebewesen im Oberhafen werden diese

wegen des alternierenden Betriebs der beiden Schleusen ausreichend hohe

Geschwindigkeiten für eine rheotaktische Reaktion finden.

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