EFIGUS – Electrified Fish Guidance Structures

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502035

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Wasserkraftwerke reduzieren die Längsvernetzung in Flüssen, was u.a. die flussabwärts gerichtete Fischwanderung erschwert und bei der Passage durch Turbinen oder Wehre zu erheblichen Verletzungen führen kann. Neben anderen Faktoren hat dies zu einem Rückgang der Fischbestände geführt. Fischleitrechen mit horizontalen oder vertikalen Stäben und einem Bypass bilden für gewisse Fischarten ein effektives Fischleitsystem, um die abwärts gerichtete Fischwanderung zu ermöglichen. Das Ziel des vorliegenden Projekts ist, die Fischleiteffizienz solcher Fischleitrechen für Fischarten mit bisher schlechter Leiteffizienz wie Aal und Forelle durch die Ausstattung mit einem schwachen elektrischen Feld zu erhöhen. Variable Spannungen und die Anordnung der Elektroden werden mit einem numerischen Modell simuliert und das Fischverhalten im elektrischen Feld in ethohydraulischen Versuchen getestet. Das Fischverhalten wird mittels Videotracking analysiert. Abschließend werden Empfehlungen für den Einsatz von elektrifizierten Rechen gegeben.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Hydropower plants interrupt the longitudinal connectivity in river networks, which hinders fish migration and puts downstream migrating fish passing through turbines or over weirs and spillways at risk to sustain considerable injuries or mortalities. Among other factors, this has led to a decline in fish stocks in recent years. For certain fish species horizontal or vertical bar rack - bypass systems are effective fish guiding structures that mitigate such effects. This project aims at increasing the fish guiding efficiency of such systems for poorly guided fish species like eel and brown trout by adding a low-voltage electric field. To reach this goal, various voltages and arrangements of electrodes will be numerically investigated, and the optimized electrified rack configurations will be tested in etho-hydraulic experiments. Fish behavior under electric fields created by the racks will be quantified using a video fish tracking system. Finally, recommendations will be given for optimal design of electrified racks.

Schlussbericht (Deutsch)

Die ökologische Nachhaltigkeit der Wasserkraftnutzung wird zunehmend kritisch hinterfragt, insbesondere aufgrund ihrer nachteiligen Auswirkungen auf aquatische Ökosysteme. Zur Verbesserung der Längsvernetzung untersucht die vorliegende Arbeit elektrifizierte Fischleit- und Einlaufrechen als Massnahme zu Verbesserung des Fischschutzes an Wasserkraftanlagen. Ziel ist es, die Schutzwirkung für verschiedene Fischarten zu maximieren und gleichzeitig hydraulische Verluste sowie betriebliche Einschränkungen zu minimieren. Es wurden drei Rechentypen analysiert: 1) die Elektrifizierung bestehender frontal angeströmter vertikaler Einlaufrechen mit grossem Stababstand (s_b = 90 mm) als potentielle Nachrüstlösung für Grossanlagen, 2) Elektrifizierung von schräg in der Strömung angeordneten Leitrechen mit gebogenen Rechenstäben (s_b = 50 mm) mit angrenzendem Bypass-System (curved bar rack, CBR-BS/f-CBR-BS) sowie 3) elektrifizierte, schräg in der Strömung angeordnete Horizontalrechen (s_b = 50 mm) mit angrenzendem Bypass-System (HBR-BS). Die Wirksamkeit elektrifizierter Rechen hängt von der Rechengeometrie, der Intensität des elektrischen Feldes, der Leitfähigkeit des Wassers, der Fischart sowie von Parametern des gepulsten Gleichstroms wie Pulslänge und Frequenz ab. Zur Bestimmung geeigneter Gleichstrom-Pulsparameter wurden Verhaltensversuche mit Bachforellen (Salmo trutta), Alet (Squalius cephalus), Barben (Barbus barbus) und Europäischen Aalen (Anguilla anguilla) in einem homogenen elektrischen Feld durchgeführt. Auf der Grundlage dieser Versuche wurde ein Pulsmuster mit einer Pulslänge von 2 ms und einer Frequenz von 10 Hz bei den nachfolgenden Lebendfischversuchen mit elektrifizierten Rechen verwendet. Es wurden vier Elektrodenkonfigurationen evaluiert: (i) Verwendung des Rechens als Elektrode mit einer zusätzlichen Elektrodenreihe stromabwärts, (ii) vertikale Stabelektroden, die an der Vorderseite der Rechenstäbe angebracht sind oder unabhängig davon verwendet werden, (iii) alternierende Verwendung der Rechenstäbe als Anode und Kathode, und (iv) Verwendung des Rechens als Elektrode kombiniert mit einer Elektrode, die entlang des Gerinnebodens und der Wasseroberfläche angebracht ist. Die Experimente wurden mit wild gefangenen Bachforellen, Alet und Aalen bei Anströmgeschwindigkeiten von 0.15, 0.3 und 0.6 m/s durchgeführt. Es wurden inkrementell erhöhte elektrische Spannungen getestet, um minimal notwendige Feldstärken zu bestimmen, bei welchen eine Rechenpassage zuverlässig verhindert wird. Damit soll das Verletzungsrisiko für Fische minimiert werden. Die Ergebnisse zeigen artspezifische Unterschiede im Vermeidungsverhalten: Während Alet und Aal eine hohe Sensitivität gegenüber elektrischen Feldern aufwiesen, war die Schutzwirkung für Bachforellen geringer. Für einen elektrifizierten Einlaufrechen mit s_b = 90 mm wurde die höchste Fischschutzwirkung (FPE) mit einer stromabwärts des Rechens platzierten Elektrodenreihe erzielt, welche bei Aalen 76-92% sowie bei Alet 78-95% in Abhängigkeit der Anströmgeschwindigkeit betrug. Ohne Elektrifizierung hatte dieser Rechen keinen Fischschutzeffekt. Für Bachforellen hingegen konnte für diesen Rechen keine zufriedenstellende Schutzwirkung erzielt werden. Im Gegensatz dazu wurden für den nicht-elektrifizierten f-CBR-BS/ CBR-BS beträchtliche FPE von 92% für Alet und 63-88% für Aale in Abhängigkeit der Anströmgeschwindigkeit beobachtet. Die Schutzwirkung des f-CHR für Bachforellen war ohne Strom gering (FPE = 43%). Durch die Elektrifizierung mit einer Elektrode unterstrom konnten diese FPE-Werte auf bis zu 100% für Aal und 68% für Bachforellen verbessert werden. Aufgrund der hohen Schutzwirkung ohne Strom wurde der Rechen für Alet nicht elektrifiziert getestet. Versuche mit elektrifizierten HBR-BS wurden mit alternierend als Anode und Kathode elektrifizierten Rechenstäben durchgeführt. Obwohl hohe FPE beobachtet wurden, hat sich diese Art der Elektrifizierung als sehr sensitiv auf kleine Spannungsänderungen erwiesen, wodurch die Rechenpassage einer Bachforelle zu tödlichen Verletzungen führte. Diese Art der Elektrifizierung wird daher für die Praxis nicht empfohlen. Die Ergebnisse unterstreichen das Potenzial elektrifizierter Rechensysteme als Nachrüstlösung bzw. Fischschutzlösung für bestehende Wasserkraftwerke und als Beitrag zur ökologischen Sanierung. Der Bedarf an weiterführender Forschung sowie Vor- und Nachteile unterschiedlicher Elektrifizierungen wird diskutiert. Insbesondere hinsichtlich artspezifischer Reaktionen auf räumlich begrenzte elektrische Felder, der Optimierung von Pulsmustern sowie der Evaluierung des potenziellen Verletzungsrisikos sind weitere Untersuchungen notwendig.

Zugehörige Dokumente

• Schlussbericht [PDF] 11'829 kB

Schlussbericht (Englisch)

The ecological sustainability of hydropower is increasingly scrutinized, particularly due to its detrimental effects on aquatic ecosystems. To address these concerns, this study investigates electrified racks as a fish protection measure at run-of-river hydropower plants (HPP). The objectives of the study are twofold: to maximize the protection efficiency of the racks for a range of fish species and to minimize hydraulic losses and operational restrictions. Three types of bar racks were systematically and experimentally investigated: 1) electrification of existing vertical intake trash racks with frontal approach flow and a large bar spacing (s_b = 90 mm) as a potential retrofit solution for large HPP, 2) electrification of (foil shaped) angled curved bar racks (s_b = 50 mm) with an adjacent bypass system (f-CBR-BS) and 3) electrification of angled horizontal bar racks (s_b = 50 mm) with an adjacent bypass system (HBR-BS). The effectiveness of electrified bar racks depends on their geometry, electric field intensity, water conductivity, fish species and parameters of the pulsed direct current (pDC) such as pulse length and frequency. To determine optimal pDC parameters, a series of behavioural tests were performed with brown trout (Salmo trutta), chub (Squalius cephalus), barbel (Barbus barbus) and European eel (Anguilla anguilla) in a homogeneous electric field. Based on these findings, a pulse pattern with a pulse width of 2 ms and a frequency of 10 Hz was selected for subsequent live-fish tests with electrified bar rack in a large ethohydraulic flume. Four electrode configurations were evaluated: (i) use of the rack as an electrode with an additional row of electrodes downstream, (ii) vertical rod electrodes attached to the front of the rack bars or used independently, (iii) alternate use of the rack bars as anode and cathode, and (iv) use of the rack as an electrode combined with an electrode along the channel bed and water surface. The experiments were carried out with wild caught brown trout, chub and European eel at approach flow velocities of 0.15, 0.3 and 0.6 m/s. Incrementally increasing applied voltages were tested to determine the minimum field strengths required to reliably prevent rack passage while minimising the risk of fish injury. Our results revealed species-specific differences in avoidance behaviour. Chub and eel showed a high sensitivity to electric fields, whereas the protective effect for brown trout was lower. For an electrified bar rack with s_b = 90 mm, the highest fish protection efficiency (FPE) was achieved with a downstream row of electrodes, reaching 76-92% for eels and 78-95% for chub, depending on the approach flow velocity. In contrast, no satisfactory protective effect could be achieved for this bar spacing for brown trout. Without electrification, this frontally approached bar rack had no fish protection effect. The non-electrified f-CBR-BS and CBR-BS, however, showed considerable FPEs of 92% for chub and 63-88% for eel, varying with the approach flow velocity. Without electrification, FPE’s for brown trout were low (43%). Electrification of f-CBR-BS with a downstream row of electrodes improved these values to up to 100% FPE for eel and 68% for brown trout. Tests with the electrified HBR-BS were carried out with rack bars electrified alternately as anode and cathode. Although high FPEs were observed, this type of electrification proved to be very sensitive to small changes in voltage, which resulted in the lethal injury of a brown trout during a rack passage. This type of electrification is therefore not recommended for prototype application. The findings underscore the potential of electrified rack systems as a promising measure to improve fish protection at existing HPP and contribute to ecological restoration. Furthermore, advantages and disadvantages of the tested racks are discussed. Further research is needed to understand species-specific reactions to spatially limited electric fields, to optimize the pulse patterns and to evaluate the potential risk of injury associated with these systems.

Schlussbericht (Französisch)

La durabilité écologique de l'énergie hydraulique est de plus en plus remise en question, notamment en raison de son impact négatif sur les écosystèmes aquatiques. Pour améliorer la connectivité longitudinale, le présent travail étudie les grilles d'entrée et grilles de guidage électrifiées comme une mesure pour améliorer la protection des poissons migratoires dans les centrales hydroélectriques. L'objectif est de maximiser l'effet protecteur pour différentes espèces de poissons tout en minimisant les pertes hydrauliques et les restrictions d'exploitation. Trois types de grilles ont été analysés: 1) l'électrification de grilles d'entrée verticales existantes avec un grand espacement entre les barreaux (s_b = 90 mm), 2) l'électrification de grilles de guidage à barreaux courbes (s_b = 50 mm) avec un système de dérivation (bypass) adjacent (curved bar rack, f-CBR-BS/CBR-BS) et 3) des grilles horizontales électrifiées (s_b = 50 mm) avec un système de dérivation adjacent (HBR-BS). L'efficacité des grilles électrifiées dépend de la géométrie de la grille, de l'intensité du champ électrique, de la conductivité de l'eau, de l'espèce de poisson ainsi que des paramètres du courant continu pulsé tels que la longueur et la fréquence de l'impulsion. Afin de déterminer les paramètres d'impulsion de courant continu appropriés, des tests de comportement ont été réalisés sur des truites de rivière (Salmo trutta), des chevesnes (Squalius cephalus), des barbeaux (Barbus barbus) et des anguilles européennes (Anguilla anguilla) dans un champ électrique homogène. Sur la base de ces essais, un modèle d'impulsion d'une longueur de 2 ms et d'une fréquence de 10 Hz a été défini et utilisé pour les essais ultérieurs sur les poissons vivants avec des grilles électrifiées. Quatre configurations d'électrodes ont été évaluées : (i) l'utilisation de la grille comme électrode avec une rangée d'électrodes supplémentaires en aval, (ii) des électrodes verticales en forme de tige fixées à l'avant des barres de la grille ou utilisées indépendamment, (iii) l'utilisation alternée des barres de la grille comme anode et cathode, et (iv) l'utilisation de la grille comme électrode combinée avec une électrode fixée le long du fond du canal et de la surface de l'eau. Les expériences ont été menées avec des truites de rivière, des chevesnes et des anguilles européennes capturés dans la nature, à des vitesses d'approche de 0,15, 0,3 et 0,6 m/s. Des tensions électriques augmentées d’une manière incrémentielle ont été testées afin de déterminer les intensités de champ minimales nécessaires pour empêcher de manière fiable le passage de la grille. Le risque de blessure doit ainsi être minimisé. Les résultats montrent des différences spécifiques aux espèces dans le comportement d'évitement: Alors que les chevesnes et l'anguille présentaient une sensibilité élevée aux champs électriques, l'effet protecteur était moindre pour la truite. Pour une grille d'entrée électrifié avec s_b = 90 mm, l'effet de protection des poissons (FPE) le plus élevé a été obtenu avec une rangée d'électrodes placée en aval du dégrilleur et a atteint 76-92% pour les anguilles et 78-95% pour les chevesnes en fonction de la vitesse d'écoulement. Sans électrification, cette grille n'a aucun d'effet de protection des poissons. Pour les truites, aucun effet protecteur satisfaisant n'a pu être obtenu pour cette grille. En revanche, des FPE considérables de 92% pour la chevesne, de 43% pour la truite de rivière et de 63-88% pour l'anguille ont été observés pour le f-CBR-BS et CBR-BS non électrifié en fonction de la vitesse d'écoulement. L'électrification avec une électrode en aval a permis d'améliorer ces valeurs jusqu'à 100% de FPE pour l'anguille et 68% pour la truite de rivière. Des essais avec des HBR-BS électrifiés ont été réalisés avec des barres de la grille électrifiés alternativement comme anode et cathode. Bien que des FPE élevés aient été observés, ce type d'électrification s'est avéré très sensible aux petites variations de tension, ce qui a entraîné des blessures mortelles pour une truite lors du passage de la grille. Ce type d'électrification n'est donc pas recommandé. Les résultats soulignent le potentiel des systèmes de grilles électrifiées comme mesure prometteuse pour améliorer la protection des poissons dans les centrales hydroélectriques existantes et contribuer à la restauration écologique. En outre, les avantages et les inconvénients des grilles testées sont discutés. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour comprendre les réactions spécifiques des espèces aux champs électriques limités dans l'espace, optimiser les modèles d'impulsions et évaluer le risque potentiel de blessures associé à ces systèmes.