Verknüpfung von Strömungsfeld, Sohlengeometrie und Fischtrajektorien auf unstrukturierten Sohlengleiten
Naturnahe unstrukturierte Sohlengleiten kommen als naturbasierte Wasserbauwerke bei der Herstellung der ökologischen Durchgängigkeit und Revitalisierung von Fließgewässern zum Einsatz. Da eine universelle Beschreibung des Strömungsfeldes über rauen Sohlen bisher nicht möglich ist, muss auf empirische Berechnungsansätze zurückgegriffen werden, so dass bei der hydraulischen Dimensionierung lediglich Mittelwerte der für den Fischaufstieg relevanten Größen Wassertiefe und Fließgeschwindigkeit angesetzt werden können. Dies bedeutet wiederum, dass ein Nachweis passierbarer Wanderkorridore für aufsteigende Fische nicht möglich ist. Um grundsätzliche Aussagen über die Fischbewegungen auf naturnahen unstrukturierten Sohlengleiten zu erhalten, wurden im Rahmen dieser Arbeit erstmals kombinierte fischökologische und hydraulische Untersuchungen an einer geeigneten Sohlengleite im Feld sowie an einem unskalierten Modell des Bauwerks in Laborexperimenten durchgeführt. Ziel der Untersuchungen war es, die Schwimmpfade von Fischen mit dem lokalen Strömungsfeld und der Sohlengeometrie zu verknüpfen. Eine bestehende Sohlengleite in der Ilme in Südniedersachsen wurde dafür als best-practice-Beispiel ausgewählt und detailliert vermessen. Der daraus erhaltene digitale Zwilling diente als Basis für die Herstellung des unskalierten Labormodells der für den Fischaufstieg relevanten Bereiche der Sohlengleite. Umfangreiche Laboruntersuchungen fanden unter kontrollierten Bedingungen im Laxeleratorn im Vattenfall-Wasserbaulabor in Älvkarleby, Schweden, statt. Kamerabasierte Fischbeobachtungen sowie hydraulische Messungen wurden unter verschiedenen Randbedingungen durchgeführt. Auf Grundlage der Erfahrungen in den Laboruntersuchungen konnte das Versuchsprogramm schließlich in Felduntersuchungen an der Ilme wiederholt und der Datensatz vervollständigt werden. Sowohl Fischtrajektorien verschiedener Arten und Größen- bzw. Leistungsklassen als auch lokale und globale Strömungsbedingungen wurden im Labor wie in der Natur in Abhängigkeit des Abflusses und der Sohlentopgraphie dokumentiert, was wiederum die Identifizierung und Quantifizierung von Wanderkorridoren von aufsteigenden Fischen ermöglichte. Die Arbeit erlaubt erstmals einen direkten Vergleich von Labor- und Naturuntersuchungen auf einer naturnahen Sohlengleite. Die Ergebnisse zeigen, dass es grundsätzlich möglich ist, großskalige Strukturen wie die hier betrachtete Sohlengleite in ethohydraulischen Experimenten einzusetzen, da die Schwimmpfade bei beiden Umgebungen in ähnlichen Bereichen verlaufen, was wiederum die Qualität der Laborergebnisse bestätigt. Ebenso wird deutlich, dass insbesondere die Fließgeschwindigkeiten sowie die Turbulenz der Strömung bei der Bewertung der Passierbarkeit eine größere Rolle spielen als die Wassertiefen. Die reine Berücksichtigung von integraler bzw. mittlerer Geschwindigkeiten im Prozess der Dimensionierung ist zumindest kritisch zu sehen.
Nature-like unstructured block ramps are used as nature-based hydraulic structures to establish the ecological continuity and revitalization of river systems. As a universal description of the flow field over rough beds is not yet possible, empirical approaches must be used, so that only mean values of the water depth and flow velocity relevant for fish migration can be used for hydraulic design. This in turn means that it is not possible to provide evidence of passable migration corridors for ascending fish. In order to obtain basic information on fish movements on nature-like unstructured block ramps, this work was the first to carry out combined fish ecological and hydraulic investigations on a suitable ramp structure in the field and on a full-scale model of the structure in laboratory experiments. The aim of the investigations was to link the swimming paths of different fish species and performance classes with the local flow field and the bed geometry. An existing block ramp in the river Ilme in southern Lower Saxony (Germany) was chosen as a best-practice example and measured by a detailed survey . The resulting digital twin served as the basis for the production of a full-scale laboratory model of the ramp areas relevant for fish migration. Extensive laboratory tests were carried out under controlled conditions in the Laxeleratorn at the Vattenfall hydraulic engineering laboratory in Älvkarleby, Sweden. Camera-based fish observations and hydraulic measurements were performed under various boundary conditions. Based on the experience gained in the laboratory studies, the experimental program was repeated in field observations and measurements on the Ilme. Both fish trajectories of different species and size classes as well as local and global flow conditions were documented in the laboratory and in the field as a function of discharge and bed topography, which in turn enabled the identification and quantification of migration corridors of ascending fish. For the first time, this work allows a direct comparison of laboratory and field investigations on a nature-like unstructured block ramp. The results show that it is fundamentally possible to use large-scale structures such as the block ramp considered here in ethohydraulic experiments, as the swimming paths in both environments run in similar ranges, which in turn confirms the quality of the laboratory results. It is also clear that the flow velocities and the turbulence of the current play a greater role in the assessment of passability than the water depths. The mere consideration of integral or mean velocities in the dimensioning process must be viewed critically.
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