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Sicherheit vor Naturgefahren
Full text linkLawinenverbauungen, die im Sommer vor Steinschlag schützen, ein Handbuch für zukünftige Revitalisierungen von Fliessgewässern, Murgänge im Modellversuch – im Massstab 1:30 –, die zukünftige Entwicklungen vorwegnehmen sollen. Dies sind Beispiele für Projekte, im Rahmen derer sich Forscher*innen des Instituts für Siedlungsentwicklung und Infrastruktur ISI der Berner Fachhochschulen BFH konkret mit den Themen Sicherheit und Risiko befassen
Sediment Evacuation from Reservoirs through Intakes by Jet Induced Flow
Full text linkReservoir sedimentation is worldwide a significant long term problem and requires in view of the current mitigation measures an alternative and more sustainable solution. This challenge motivated the present study with the purpose to develop an alternative efficient method to release sediment out of a reservoir. The concept is based on the release of sediment through the headrace tunnel and turbines whereby a special focus was set on the fine sediment in the area in front of the power intakes. Specific jet arrangements should provide the energy and generate the optimum circulation needed to maintain the sediment in suspension and enhance its entrainment into the power intakes during turbining sequences. This new idea was experimentally tested in a rectangular laboratory tank with the following dimensions: 2 m wide, 1.5 m high and 4 m long. Two jet configurations were systematically investigated: a configuration of four jets arranged in a circle on a horizontal plane and a linear jet configuration located parallel to the front wall. The influence of the jet characteristics (nozzle diameter dj, jet velocity vj, jet discharge Qj, and jet angle θ) and the geometrical configuration parameters on the sediment release was investigated. As initial condition an almost homogeneous sediment concentration distribution was induced by air bubbles. This condition simulated a muddy layer like in front of the dam by the fading of a turbidity current. The water level during all the experiments was held constant by releasing the same discharge through the water intake as was introduced by the jets (experiments with jets) or through the back wall (experiments without jets), respectively. Turbidity measurements combined with flow velocity measurements gave information about the sediment release efficiency. The sediment release (evacuated sediment ratio, ESR) is defined as the evacuated sediment weight Pout divided by the sediment weight initially supplied Pin and represents the normalized temporal integral of the released sediment amount: ESR = Pout/Pin. Analogously, the settled sediment ratio is the settled sediment divided by the sediment weight initially supplied Pin. Experiments without jets as reference configuration showed an almost linear relation between the sediment release and the discharge within the tested range: the higher the discharge, the higher the evacuated sediment ratio. For a constant discharge the ultimate sediment release as well as the settled sediment ratio was easily estimated by a simple physical approach taking into account the settling velocity and the flow field generated by the discharge through the water intake and the back wall. For the tested discharge range the sediment release was between 0.09 and 0.37 for reference configuration. Jets are effectively mixing: after roughly half an hour the standard deviation of the suspended sediment concentration was approximately 5 %, what in chemistry is considered as homogeneous. Consequently, less sediment was settled and, hence, the sediment release was higher than without jets and reached for the highest tested discharge (ΣQj = 4050 1/h) ESR = 0.73. Moreover, contrary to the experiments without jets, with jets resuspension of settled sediment was observed. Resuspension started once steady state conditions for the circulation were reached. It has been detected for discharges higher than an experimentally determined threshold. The observed evolution of the resuspension rate suggests that for a final stage all of the initially supplied sediment can be evacuated. The circular jet arrangement was identified as the most efficient configuration regarding sediment release. Additionally, the normalized optimal geometrical parameter combination was determined as follows: off-bottom clearance of the jet arrangement C/B = 0.175, water intake height hi/B = 0.25, distance of the jet arrangement to the front wall daxis/B = 0.525, distance between two neighbouring jets lj/B = 0.15, jet angle θ = 0° and water height in the tank h/B = 0.6. Under optimum conditions and with the highest tested jet discharge (ΣQj = 4050 1/h) after four hours a sediment release of ESR = 0.73 was achieved. Without jets and with the same discharge through the water intake the sediment release reached ESR = 0.37. The corresponding flow pattern in the transversal plane was similar to an axial mixer, which in the literature is reported as favourable for suspension. In the longitudinal flow patterns resulting from higher discharges, a single rotor was found between jets and water intake, whereas for smaller discharges the flow pattern was similar to a radial mixer. A variation of a single geometrical parameter within the tested range (i.e. 60 to 200 % of the optimum value) caused a sediment release reduction of up to 40 %, depending on the parameter and the duration. The linear jet arrangement was found to be much less favourable in view of sediment release. Its results were in the same magnitude as for the experiments without jets (ESR between 0.37 and 0.45). This is due to the direction of the induced rotation which is unfavourable regarding sediment suspension: the sediment is drawn to the bottom where it is settled and difficult to be put in suspension again. The efficiency of the jets was established by comparing the sediment release obtained under different conditions: once when jets were employed, once without jets. The predicted efficiency based on time and discharge independent empirical relationships is around 1.7 for the optimum jet configuration. Using the measured data the efficiency depends on discharge and increases with time. At the end of the transient phase and when resuspension started the efficiency was approximately 1.5. With the highest tested discharge the efficiency reached after four hours almost 2 (ΣQj = 4050 1/h). Due to the fine grain size used in the experiments (mean diameter of 60 µm) the application focuses on large reservoirs where the sediment is well sized along the thalweg and only fine particles are expected in front of the dam as it is the case for sediments transported by turbidity currents. In the case study of Mauvoisin with a 520 m long dam crest creating a large reservoir in Switzerland, a first attempt was made to up-scale the research results. Based on the available discharge and head of the existing water transfer tunnel a preliminary optimal circular jet arrangement was suggested. However, the width of the reservoir was estimated at approximately three times as large as optimal experimental conditions. Nevertheless, with a circular jet arrangement could definitely more sediment be evacuated than without jets. Moreover, the region near the outlet devices could be maintained free of sediment and their clogging could be avoided. An economic study revealed that a jet arrangement is a low cost installation which, based on the performed experiments, is essential when aiming for high sediment release and fighting against reservoir sedimentation.PL-LC
Welche Wirkung haben die Baumaterialien Stein und Holz auf die Wassertemperatur?
No full textDie Wassertemperatur in Gewässern ist für die darin lebenden Organismen von überlebenswichtiger Bedeutung, da viele von ihnen an bestimmte Temperaturgrenzen und Temperaturoptima gebunden sind. Untersuchungen des Bundesamts für Umwelt zeigen, dass die Wassertemperatur in Schweizer Fliessgewässern stetig ansteigt. Hinzu kommt, dass durch die Klimaveränderung in den nächsten Jahrzehnten mit einer weiteren Zunahme der Wassertemperatur in Fliessgewässern zu rechnen ist [Bundesamt für Umwelt 2021]. Revitalisierungen bieten die Möglichkeit einer ökologischen Aufwertung von Gewässerabschnitten. Wasserbauliche Massnahmen zwecks Revitalisierung können dabei unter anderem dazu beitragen, die Wassertemperatur zu senken.
Die Wassertemperatur in Fliessgewässern wird durch eine Vielzahl von natürlichen und anthropogenen Einflussfaktoren bestimmt. In der vorliegenden Studie wird experimentell untersucht, welche Auswirkungen bauliche Bestandteile wie Totholzstücke oder Steinblöcke, welche ins Gewässer eingebaut wurden, auf die Wassertemperatur haben.
Die stark vereinfachten Experimente bei sommerlichen Lufttemperaturen haben gezeigt, dass sich die Wassertemperaturen in im Erdreich ausgehobenen Becken besetzt mit Steinblöcken massgeblich stärker erwärmt haben als die Wassertemperaturen in gleichen Becken mit Totholz. Unter den Bedingungen des Experiments konnte gezeigt werden, dass das Totholz das Wasser weniger stark erwärmen lässt als Steinblöcke.
Das vorliegende Experiment lässt aufgrund der ähnlichen Wassertemperaturentwicklung in den Becken mit Steinen und in Becken ohne Besatz die Hypothese aufstellen, dass ein Besatz mit Steinen das Wasser nur marginal zusätzlich erwärmen lässt
Was kann der Wasserbau hinsichtlich steigender Wassertemperaturen tun?
No full textDie Wassertemperatur beeinflusst zahlreiche chemische sowie physikalische Vorgänge in Fliessgewässern und ist ein ökologischer Schlüsselfaktor für die kälteliebenden Fischarten Äsche und Bachforelle. Bedingt durch den Klimawandel werden in Zukunft extremere Hitze- sowie Dürreperioden auftreten, was für die genannten Leitarten kritisch ist. In den Gewässern Bünz und Wigger wurden in den Jahren 2019 bis 2021 die Wassertemperaturen an mehreren Gewässerstandorten erfasst und kombiniert mit Wetter- und Abflussdaten ausgewertet. Es konnte hier selbst in aus-geprägten Hitze- und Niedrigwasserperioden keine Temperaturschichtung in Kolken festgestellt werden. Auch eine intensiv besonnte Blockrampe von ca. 60 m Länge zeigte keine messbare Erwärmung des Abflusses. Bestätigt wurde, dass die Wassertemperaturen im Längsverlauf deutlich heterogen verteilt waren und fehlende Beschattung die Erwärmung förderten. Für die wasserbauliche Praxis werden hauptsächlich die Massnahmen Beschattung, Vernetzung und Konzentration der Niedrigwasserrinne empfohlen, um die Wassertemperatur zu senken bzw. die Wassererwärmung abzumindern
Kühleffekt von Biberdamm nachgewiesen
No full textIm Gäbelbach nahe Bern wurden im Frühjahr 2019 14 Temperatur-Logger platziert, um die Wassertemperaturen an verschiedenen Stellen zu überwachen (Graf, 2019). Dadurch erhoffte man sich, ein besseres Verständnis der Entwicklung der Wassertemperatur in einem kleineren Fliessgewässer zu erlangen, sowie die Eignung dieses Zuflusses des Wohlensees während der sommerlichen Temperaturen als Zufluchtsort für Forellen zu prüfen. Im Sommer 2022 wurden die Daten, die über etwas mehr als drei Jahre erhoben wurden, analysiert (Honegger, 2022). Besonders überrascht hat dabei der Einfluss eines beschatteten Biberdamms auf die Wassertemperatur, welche im zugehörigen Biberteich im Sommer deutlich tiefer und konstanter war als in anderen Bachabschnitten. Zudem war der Kühleffekt des Biberteichs dank eines Zufalls auch flussabwärts messbar.Au printemps 2019, 14 enregistreurs de température ont été placés dans le Gäbelbach près de Berne afin de surveiller la température de l’eau à différents endroits (Graf, 2019). On espérait ainsi avoir une meilleure compréhension de l’évolution de la température de l’eau dans un petit cours d’eau et vérifier si cet affluent du Wohlensee pouvait servir de refuge aux truites pendant les températures estivales. En été 2022, les données collectées depuis un peu plus de trois ans ont été analysées (Honegger, 2022). L’influence d’un barrage de castor ombragé sur la température de l’eau a été particulièrement surprenante, celle-ci étant nettement plus basse et plus constante en été sur le plan d’eau associé au castor que dans d’autres tronçons de cours d’eau. De plus, grâce à un hasard, l’effet de refroidissement du plan d’eau du castor a également pu être mesuré en aval
Experiments on water jet induced cyclonic circulation - measurement of flow pattern and sediment concentration at reservoir outlet works
Full text linkPL-LCH[709
Entlandung von Stauseen über Triebwasserfassungen durch Aufwirbeln der Feinsedimente mit Fass
No full textDie Stauraumverlandung gefährdet weltweit die nachhaltige Nutzung der für die Wasser- und Energieversorgung wichtigen Stausseen. Im Rahmen einer Forschungsarbeit wurde eine neue effiziente Methode zur kontinuierlichen Austragung von Feinsedimenten aus dem Stausee über die iebwasserfassungen entwickelt. Das Schwergewicht liegt dabei auf dem Austrag der Feinsedimente im Bereich der Auslassorgane bei der Talsperre wo die Sedimente regelmässig in bedeutenden Schichten durch Trübeströme abgelagert werden. Um die Sedimente in die Wasserfassung einziehen zu können, müssen diese vor dem Einlauf dauernd in Suspension gehalten werden. Dazu wird eine Aufwärtsströmung resp. eine entsprechende Turbulenz im Bereich der Fassung benötigt welche die von Trübeströmen antransportierten Feinsedimente am Absetzen hindert. Eine Aufwärtsströmung kann erfolgreich durch Wasserstrahlen mit einer bestimmten Düsenkonfiguration erzeugt werden. Die Strahlen können falls vorhanden mit Wasser von Überleitstollen betrieben werden, welches in vielen Fällen als Wasserfall ungenutzt in den Stausee fällt. Dieses neue Konzept wurde systematisch mit hydraulischen Modellversuchen in einem rechteckförmigen Reservoir überprüft und optimiert. Eine kreisförmige Wasserstrahlanordnung erwies sich dabei als sehr effizient hinsichtlich des Sedimentaustrags. Mit einer optimalen Anordnung der Düsen liess sich auf die Versuchsdauer im Vergleich ohne diese Etlandungsmassnahme die doppelte Sedimentmenge durch die Fassung austragen. Dabei konnte ein Strömungsfeld wie bei einem axialen Mixer generiert werden, welches in der Literatur als sehr vorteilhaft für Suspension angegeben wird. Mit numerischen Simulationen konnte gezeigt werden, wie die Rotationszellen des axialen Strömungsbilds in einem verlängerten Reservoir unabhängig von dessen Rückwand begrenzt werden. Für praktische Anwendungen ist dieses Resultat sehr rfolgversprechend, da damit erhebliche Feinsedimentvolumen kontinuierlich über die Triebwasserfassung ausgetragen werden könnten. Eine erste Anwendungsskizze für den Stausee Mauvoisin zeigt, dass nur 7% der jährlich in den Totraum des Stausees transportierten Sedimente mittels Wasserstrahlen ausgetragen werden müssten, damit eine solche Wasserstrahlanlage wirtschaftlich wäre. Selbst mit diesem relativ geringen Austrag könnte der Bereich vor der Wasserfassung nachhaltig freigehalten werden. Die maximalen Konzentrationen bleiben in der Grösse derjenigen der Trübeströme, das heisst etwa 5 g/l. Die Wasserstrahlen werden durch die Vermischung die Konzentration eher noch verringern, so dass die Abrasion an den Turbinen sowie Probleme der Ökologie im Unterwasser beherrschbar sein sollten. Bei einer jährlichen Turbinierwassermenge von 100 Mio. m3 könnten beispielsweise jährlich 100 000 t Feinsedimente aus einem Stausee abgeführt werden, falls mit einer kreisförmigen Wasserstrahlanordnung dauernd in der Nähe der Fassung eine Konzentration von 1 g/l aufrecht erhalten werden kann.PL-LCH[1242
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