Einsatz modernster Lasermesstechnik für Untersuchungen an Fischaufstiegsanlagen

Die Wiederherstellung der ökologischen Durchgängigkeit an Fließgewässern ist erklärtes Ziel der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (WRRL). Ein wesentlicher Schritt hierzu sind der Neubau von Fischaufstiegsanlagen sowie die Optimierung bereits vorhandener Anlagen an den Staustufen der Flüsse, um den Fischen trotz dieser Hindernisse Wanderungsbewegungen zu ihren Laich-, Aufzucht- und Nahrungsgebieten zu ermöglichen.

Die Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) hat jetzt ein Forschungs- und Entwicklungsprojekt zur Erarbeitung der hydraulischen Planungsgrundlagen solcher Fischwanderhilfen gestartet und setzt dabei auf modernste Lasermesstechnik.

Bis zum Jahr 2027 müssen gemäß WRRL an den Bundeswasserstraßen rund 250 Fischaufstiegsanlagen neu eingerichtet bzw. optimiert werden. Dabei kommt es darauf an, diese Bauten konstruktiv so zu gestalten, dass sie von Fischen oder Rundmäulern wie dem Flussneunauge mit möglichst geringem Energie- und Zeitaufwand durchwandert werden können.

In dem dafür grundlegenden Forschungs- und Entwicklungsprojekt „Hydraulische Dimensionierung von Fischaufstiegsanlagen“, bei dem die BAW mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) kooperiert, interessieren sich die Wissenschaftler besonders für die Strömung innerhalb der Becken einer Fischaufstiegsanlage und für die Eigenschaften der sich in den Becken ausbildenden, zum Teil starken Turbulenz. Denn es ist bekannt, dass Turbulenz das Verhalten von Fischen beeinflusst.

Zur Untersuchung der in Fischaufstiegsanlagen auftretenden turbulenten Strömung steht den Forschern der BAW ab sofort mit Particle Image Velocimetry (PIV) modernste Messtechnik zur Verfügung.

Particle Image Velocimetry
Bei Untersuchungen mit dem PIV Verfahren werden dem fließenden Wasser in der Versuchseinrichtung feine Streupartikel beigegeben, die mit intensivem Licht angestrahlt und sichtbar gemacht werden. Hierzu wird ein Laserstrahl zunächst so aufgeweitet, dass ein Lichtschnitt entsteht und das ganze Messfeld gleichzeitig beleuchtet wird. Die angestrahlten Partikel innerhalb des Messfeldes werden durch Kameras aufgenommen und anschließend ihre Geschwindigkeiten anhand ihres Versatzes von Bild zu Bild festgestellt. Da sich die Streupartikel mit der Fließgeschwindigkeit bewegen, wird die Fließgeschwindigkeit somit berührungslos gemessen. Der gleichzeitige Einsatz von zwei Kameras macht die dreidimensionale Verfolgung der Partikel möglich und gestattet dreidimensionale hoch aufgelöste Fließgeschwindigkeitsmessungen.

Allerdings stellen die Turbulenzmessungen noch immer eine technische Herausforderung dar. Die Messungen müssen mit hoher Frequenz über einen relativ langen Zeitraum hinweg durchgeführt werden, wobei die Anlage in der Lage sein muss, die dabei entstehenden riesigen Datenmengen zu verarbeiten. Entsprechend den besonderen Anforderungen an Turbulenzmessungen in Fischaufstiegsanlagen gelang es den Forschern der BAW in Kooperation mit dem Institut für Wasser und Gewässerentwicklung des KIT, ein individuell angepasstes Stereo-PIV-System zu entwickeln. Dieses kann 200 Stereobilder pro Sekunde über eine Messdauer von ca. 20 Minuten aufnehmen. Bei einem Messgang entstehen so etwa 600 Gigabytes Daten.