HBR-BS – Hydraulik des Fischabstiegs am Fallstudien-Wasserkraftwerk Schiffmühle

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501759
• Projekttitel Englisch: HBR-BS – Hydraulics of downstream fish migration facility at the case study hydropower plant Schiffmühle

Schlüsselwörter (Englisch)

Downstream fish migration, fish guidance structures, hydraulics, numerical simulation

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Der Fischabstieg durch Turbinen oder Wehrüberläufe von Kraftwerken kann zu erheblichen Verletzungen und Mortalitätsraten führen, was zu einem Rückgang der Fischbestände führt. Horizontalrechen mit Bypass bilden ein effektives Fischleitsystem, um diese Auswirkung zu entschärfen. Ziel des vorliegenden Projekts ist es, anhand von Feldmessungen und 3D Numerik die Effizienz und Hydraulik eines solchen Systems am Kraftwerk Schiffmühle zu untersuchen.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Downstream fish passage through turbines or over spillways of hydropower plants (HPP) may cause significant fish injury or mortality resulting in a decline in fish populations. Horizontal Bar Racks with a Bypass System (HBR-BS) are effective fish guidance technology to mitigate such impacts. This project aims at investigating fish guidance efficiencies and hydraulics of the HBR-BS at HPP Schiffmühle by field monitoring and 3D numerical modelling.

Schlussbericht (Deutsch)

Wasserkraftwerke (WKW) mit Turbinen und Wehrüberfällen können zu erheblichen Verletzungen oder zum Tod von Fischen führen, was sich wiederum in einem Rückgang der Fischbestände auswirken kann. Horizontale Feinrechen mit einem Bypass-System (HBR-BS) sind eine wirksame Fischschutz- und -leittechnik, um solche Auswirkungen zu mindern. Das vorliegende Projekt zielt darauf ab, die Effizienz und Hydraulik der Fischleitung des HBR-BS am Dotierkraftwerk Schiffmühle an der Limmat durch Feldversuche und hydro-numerische 3D-Modellierung zu untersuchen und Lehren für die Verbesserung solcher Fischschutz- und –leitsysteme zu ziehen.

Die erste Feldmesskampagne wurde im Oktober / November 2018 durchgeführt. Es wurden 3D-Strömungsgeschwindigkeiten aufgenommen sowie Bathymetrie­messungen mit dem Ultraschall-Doppler-Profil-Strömungsmessgerät (ADCP) durchgeführt, die entlang von 69 eng verteilten Querprofilen, stromaufwärts des Dotierkraftwerks, am Fischbypass und Turbineneinlauf sowie entlang der Restwasserstrecke und des Oberwasserkanals zum Hauptkraftwerk stattfanden. Die Bathymetrie- und Geschwindigkeitsdaten wurden eingehend analysiert und zum Aufsetzen sowie zur Kalibration und Validation der 3D-Numerik des Dotierkraftwerks verwendet. Am HBR-BS und sowohl bei der technischen als auch der naturnahen Fischaufstiegsanlage wurde ein Fischmonitoring durchgeführt, indem mehr als 3000 Fische aus 13 verschiedenen Fischarten mit einer PIT-Markierung versehen wurden.

Die Resultate zeigen, dass Fische sowohl der Hauptströmung in den Oberwasserkanal folgen als auch zum Restwasserkraftwerk schwimmen. Die Lockströmung für den Fischabstieg via Bypass ist zu schwach, und eine Rezirkulationszone beeinträchtigt das Auffinden des Eingangs in den Bypass, oder in den Bypass bereits eingestiegene Fische sind nicht motiviert abzusteigen. Zwei Individuen von 445 abgestiegenen Fischen stiegen über das Bypassrohr ab, was die Probleme mit dem Strömungsfeld rund um den Bypass veranschaulicht. 178 (40 %) von 445 Fischen stiegen über die Fischaufstiegshilfe ab. Dies zeigt, dass die hydraulischen Bedingungen beim Einstieg in die Fischaufstiegshilfe und beim Absteigen durch diese das Abwandern zulassen. Somit besteht für die Abwanderung ein weiterer Migrationskorridor. Ausserdem benutzten 265 (60 %) der 445 abgewanderten Fische die Turbinen oder den Wehrüberfall beim Restwasserkraftwerk oder das Hauptkraftwerk als Abwanderungskorridor.

Vier Varianten eines neuern Bypass-Systems wurden als Alternative zum bestehenden entworfen und mittels 3D-Numerik modelliert. Die Variante 4 mit einer vertikalachsigen Klappe (Stemmtor) mit boden- und wasserspiegelnahen Öffnungen und einer 15° geneigten Rampe zwischen der Klappe und einem Überfallwehr zeigt dabei die besten Strömungseigenschaften im Vergleich zu den drei anderen Varianten sowie dem bestehenden System (Nullvariante). Damit würde die Fischleiteffizienz des HBR-BS vermutlich deutlich verbessert. Dennoch sind weitere und detailliertere numerische Simulationen erforderlich, um den Entwurf weiter zu verbessern. Alternativ wird empfohlen, ein HBR-BS oder ein neuartiges Vertikalrechen Bypass-System mit gekrümmten Rechenstäben (CBR-BS), welches an der VAW entwickelt wurde, am Hauptkraftwerk in Schiffmühle zu installieren, statt mit viel Aufwand das bestehende HBR-BS am Dotierkraftwerk zu verbessern. Dies deshalb, weil die meisten Fische mit der Hauptströmung in den Oberwasserkanal und zum Hauptkraftwerk schwimmen.

Die Ergebnisse zeigen auch, dass sowohl die vertikalen Schlitze als auch die naturnahen Fischpässe am WKW Schiffmühle für stromaufwärts wandernde Fische gut funktionieren und eine hohe Anziehungs-, Einstiegs- und Passiereffizienz aufweisen.

Die vorliegenden Ergebnisse aus der Fallstudie des Dotierkraftwerks Schiffmühle unterstreichen, dass Design, Lage und Betrieb eines Bypass-Systems für eine erfolgreiche Implementierung und eine hohe Effizienz der Fischleitwirkung von HBR-BS von zentraler Bedeutung sind. Darüber hinaus bieten diese Erkenntnisse ein breites Anwendungsspektrum für andere Kraftwerke mit ähnlicher Größe und dienen als Grundlage für ein optimales Design von HBR-BS.

Schlussbericht (Englisch)

Downstream fish passage through turbines or over spillways of hydropower plants (HPPs) may cause fish injury or mortality resulting in a decline in fish populations. Horizontal Bar Racks with a Bypass System (HBR-BS) are an effective fish guidance technology to mitigate such impacts. This project aims at investigating fish guidance efficiencies and hydraulics of the HBR-BS at the residual flow HPP Schiffmühle on the Limmat River by field monitoring and 3D numerical modelling to draw conclusions for the improvement of such fish protection and guidance systems.

A velocity measurement campaign was conducted in October/November 2018. 3D flow velocities were measured, and the bathymetry was mapped using Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) at 69 densely spaced cross-sections upstream of the HPP around the fish bypass and turbine intake as well as along the residual flow reach and headrace channel of the main HPP. The bathymetry and velocity data were analyzed in-depth and used to set-up, calibrate and validate a 3D hydro-numerical flow model. Fish monitoring was conducted at the HBR-BS and both the vertical slot and nature-like fish passes by PIT-tagging more than 3000 fish belonging to 13 different fish species.

The results show that downstream moving fish approach both the headrace channel and the residual flow HPP. The attraction flow to the bypass for downstream passage is inefficient and a re-circulation zone possibly affects fish searching the bypass entrance, or fish entering are finally not motivated to use the bypass. Two fish out of 445 tagged fish that moved downstream were detected in the bypass pipe, confirming the poor velocity field around the bypass. 178 fish out of 445 (40%) were detected in the upstream fish pass, indicating that the hydraulic conditions at the exit and along the upstream fish pass are attractive and favorable enough to guide fish downstream, presenting an alternative downstream passage route for fish. Furthermore, 265 fish out of 445 (60%) used either the weir or turbines of the residual flow or the main HPP powerhouse as alternative passage routes and survived from these passages.

Four variants of a new bypass system as an alternative to the present one were developed and 3D numerically modelled. Variant 4 with a vertical-axis gate with top and bottom openings and a 15° inclined ramp between the gate and weir show the best flow conditions compared to the other three variants and the current bypass (Zero Variant), likely significantly improving the fish guidance efficiency of the HBR. However, more detailed numerical simulations are needed to further improve the design. As an alternative, an effective fish protection and guidance system such as an HBR-BS or a novel Curved-Bar Rack-Bypass System developed at VAW is recommended for the main HPP of Schiffmühle instead of making an effort to improve the current HBR-BS at the residual HPP, because most fish in the river are expected to follow the main flow towards the headrace channel. 

The results also show that both vertical slot and nature-like fish passes at HPP Schiffmühle function well for upstream moving fish with high attraction, entrance and passage efficiencies.

The present findings from the case study HPP Schiffmühle indicate that the design, location and operation of a bypass system are of prime importance for a successful implementation and high fish guidance efficiency of HBR-BS. Furthermore, these findings have a wide range of application for other similarly sized HPPs and will serve as a basis for an optimal design of HBR-BS.

Zugehörige Dokumente

• Final report [PDF] 4'998 kB

Schlussbericht (Französisch)

La dévalaison des poissons par des turbines ou des déversoirs des centrales hydroélectriques (HPP) peut causer des blessures ou la mortalité des poissons, ce qui entraîne un déclin des populations de poissons. Les grilles orientées avec barreaux horizontaux avec un système de dérivation (Horizontal Bar Rack – Bypass System (HBR-BS)) sont une technologie efficace de guidage des poissons qui atténue ces impacts. Ce projet vise à étudier l'efficacité du guidage des poissons et l'hydraulique du HBR-BS à la HPP Schiffmühle sur la rivière Limmat par une surveillance sur le terrain et une modélisation numérique 3D afin de tirer des conclusions pour l'amélioration de tels systèmes de protection et de guidage des poissons.

Une campagne de mesure de la vitesse a été menée en octobre 2018. Les vitesses d'écoulement 3D ont été mesurées et la bathymétrie a été cartographiée à l'aide d'un profileur de courant Doppler acoustique (ADCP) sur 69 sections transversales densément espacées en amont de la HPP autour de la dérivation des poissons et de la prise d'eau de la turbine, ainsi que le long de la portée d'écoulement résiduel et du canal d'amenée de la HPP principale. Les données de bathymétrie et de vitesse d'écoulement ont été analysées en profondeur et utilisées pour mettre en place, calibrer et valider un modèle d'écoulement hydro-numérique 3D. Un suivi des poissons a été effectué à la HBR-BS, à la passe à poissons à fentes verticales et à la passe à poissons de type naturel en posant des étiquettes PIT sur plus de 3000 poissons appartenant à 13 espèces différentes.

Les résultats montrent que les poissons se déplaçant vers l'aval s'approchent à la fois du canal d'amenée et de la HPP à débit résiduel. Le débit d'attraction vers la dérivation pour le passage vers l'aval est inefficace et une zone de recirculation affecte peut-être les poissons qui cherchent l'entrée de la dérivation, ou les poissons qui entrent ne sont finalement pas motivés pour utiliser la dérivation. Deux poissons sur les 445 poissons marqués qui se sont déplacés vers l'aval ont été détectés dans le tuyau de dérivation, confirmant le mauvais champ de vitesse autour de la dérivation. 178 poissons sur 445 (40%) ont été détectés dans les passes à poissons amont, indiquant que les conditions hydrauliques à la sortie et le long de la passe à poissons amont sont suffisamment attractives et favorables pour guider les poissons vers l'aval, présentant ainsi une voie de passage alternative pour les poissons. De plus, 265 poissons sur 445 (60 %) ont utilisé soit le déversoir soit les turbines de la HPP à débit résiduel, soit les turbines de la HPP principale de Schiffmühle comme voies de passage alternatives et ont survécu grâce à ces passages.

Quatre variantes d'un nouveau système de dérivation comme alternative au système actuel ont été développées et modélisées numériquement en 3D. La variante 4, avec une porte à axe vertical avec des ouvertures supérieures et inférieures et une rampe inclinée à 15° entre la porte et le déversoir, présente les meilleures conditions d'écoulement par rapport aux trois autres variantes et à la dérivation actuelle (variante zéro), améliorant probablement de manière significative l'efficacité du guidage des poissons de la HBR. Cependant, des simulations numériques plus détaillées sont nécessaires pour améliorer encore la conception. Comme alternative, un système efficace de protection et de guidage des poissons tel qu'un HBR-BS ou le gril avec barres courbes et un système de dérivation (Curved-Bar Rack – Bypass System) développé à VAW est recommandé pour la HPP principale de Schiffmühle au lieu de faire un effort pour améliorer le HBR-BS actuel à la HPP résiduelle, car la plupart des poissons dans la rivière sont censés suivre le flux principal vers le canal d'amenée.  Les résultats montrent également que la passe à poissons à fentes verticales et la passe à poissons de type naturel de la HPP Schiffmühle fonctionnent bien pour les poissons se déplaçant vers l'amont avec des efficacités d'attraction, d'entrée et de passage élevées.

Les résultats actuels de l'étude de cas de la HPP Schiffmühle indiquent que la conception, l'emplacement et le fonctionnement d'un système de dérivation sont d'une importance primordiale pour une mise en œuvre réussie et une efficacité élevée de guidage des poissons de la HBR-BS. En outre, ces résultats ont un large champ d'application pour d'autres HPP de taille similaire et serviront de base pour une conception optimale de HBR-BS.