Patentansprüche
1. Verfahren zur Sedimentverfrachtung in Staugewässern, insbesondere von Wasserkraftanlagen, die durch Ablagerung aufgrund fehlender Erosionsprozesse, be- dingt durch fehlende Strömung, entstanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Sedimentablagerungen (12) im Sedimentbereich (1) des Staubeckens (8) aufgenommen werden und in den Erosionsbereich (2) in der Nähe des oder der Abflussorgane (4) des Staubeckens (8) verfrachtet werden, wodurch die Sedimente durch die von der Strömung verursachten Erosionsprozesse des ablaufenden Wassers in fließende Gewässer abtransportiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sedimentablagerungen (12) durch Nassbagger- oder Spülverfahren aufgenommen werden und innerhalb des Gewässers in die Nähe der Abflussorgane (4) verfrachtet werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verfrachtende Sedimentmenge so gewählt wird, dass sich im Bereich der Abflussorgane (4) eine Sedimentkonzentration zwischen 10 mg und 100 g Sediment je Liter Wasser, vorzugsweise zwischen 10 mg und 10 g Sediment je Liter Wasser einstellt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sedimentablagerungen (12) im Sedimentationsbereich (1) des Staubeckens (8) nach einem bestimmten Muster aufgenommen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster regelmäßig verändert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme und Verfrachtung der Sedimentablagerungen (12) automatisiert durchgeführt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme und Verfrachtung der Sedimentablagerungen (12) intermittierend durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme und Verfrachtung der Sedimentablagerungen (12) kontinuierlich durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sedimentverfrachtung während der gesamten Nutzungsdauer des Staubeckens (8) angewendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sedimentverfrachtung nur zeitlich begrenzt zur Sanierung des Staubeckens (8) angewendet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sedimentablagerungen (12) durch einen Saugbagger (5) aufgenommen werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die transportierte Sedimentmenge über die Leistung und/oder die Betriebsdauer des Saugbaggers (5) eingestellt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sedimentablagerungen (12) vor der Aufnahme mit einer Fräse aufgelockert werden. |
Verfahren zur Sedimentverfrachtung in Staugewässern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verfrachtung von Sedimentablagerungen in Staugewässern, insbesondere von Wasserkraftanlagen, in Stau- und Speicherbecken bezie- hungsweise -räumen von Speicherkraftwerken, Pumpspeicherkraftwerken und Laufwasserkraftwerken, Wehranlagen und Schleusen.
Neben dem fließenden Wasser sind Schwebstoffe und Sedimente grundsätzlich wichtige Bestandteile der Morphologie von Fließgewässern. Schwebstoffe und Sedimente finden sich im Wasser praktisch aller Flüsse. In unverbauten Fließgewässern stehen Sedimenta- tions- und Erosionsprozesse zumeist im Gleichgewicht. In diesem Zustand ändert sich ein Gewässerbett nur geringfügig. Wird ein Gewässer jedoch aufgestaut, ändern sich örtlich der Fließquerschnitt und die Strömungsgeschwindigkeit. In Folge setzt sich am Gewässerboden vermehrt Sediment ab. Gleiches gilt für die Staubecken von Wasser- kraftwerken, wie z. B. Pumpspeicherkraftwerke, bei denen zwischen den einzelnen Betriebsvorgängen (Pump-/Turbinenbetrieb) das Wasser in relativer Ruhe verharrt. Das in diesen Fällen abgelagerte Sediment wird anders als in naturbelassenen Fließgewässern nicht mehr im gleichen Umfang erodiert, sondern nimmt im Laufe der Zeit am Gewässerboden an Menge zu und vermindert dadurch das nutzbare Stauvolumen.
Staubecken zum Beispiel von Wasserkraftwerken können in Abhängigkeit der auftretenden Fließgeschwindigkeiten und der damit korrelierenden Sohlschubspannung in zwei Bereiche aufgeteilt werden, nämlich in einen Bereich vorwiegend geringer Fließgeschwindigkeiten, in dem vorwiegend Sedimentationsprozesse stattfinden und einen Be- reich, in dem zumindest teil- oder zeitweise, beispielsweise bei Pumpenbetrieb in Pumpspeicherkraftwerken, höhere Fließgeschwindigkeiten auftreten, die Erosionsprozesse verursachen. Der erste Bereich wird im Sinne der Erfindung nachstehend als Sedimentationsbereich bezeichnet, wohingegen der zweite Bereich nachstehend als Erosionsbereich bezeichnet wird. Die Grenze zwischen den beiden Bereichen wird als Erosions- grenze definiert.
Die zur Zeit angewendeten Verfahren zur Sedimentverfrachtung beschränken sich im Wesentlichen auf die manuelle Entnahme, die sehr aufwendig und kostenintensiv ist. Bei der manuellen Entnahme des Sediments geht das entnommene Sediment in den Besitz des Entnehmenden über, der es kostenpflichtig zu entsorgen hat.
Andere aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Sedimentverfrachtung sind unter anderem in den Schriften DE 101 09 039 A1 und DE 41 10 781 C2 offenbart. Beide Verfahren beschreiben ein Verfahren zur Sedimentverfrachtung bei dem die Sedimentablagerungen durch einen Wasserstrahl mit dem umgebenden Wasser zu einer Trübe auf- gewirbelt werden und durch eine natürliche und/oder künstlich erzeugte Strömung abtransportiert werden. In einem Staubecken würden diese Verfahren allerdings nur zu einer gleichmäßigen Verteilung der Sedimente im gesamten Staugewässer führen, wo sie sich erneut absetzen würden.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die bereits bekannten Verfahren zur Verfrachtung von Sedimentablagerungen aus Staugewässern dahingehend zu verbessern, dass der Einsatz des Verfahrens möglichst einfach und energetisch effizient ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Sedimentablagerungen unter Wasser aufgenommen werden und durch Mittel zum Transport in den Erosionsbereich in der Nähe der Abflussorgane des betroffenen Stauraums verfrachtet werden, wo sie durch die von der Strömung verursachten Erosionsprozesse in das nachfolgende Gewässer abtransportiert werden. Günstig ist es, wenn die Sedimentablagerungen auf dem kürzesten Weg von dem Sedimentationsbereich in die Nähe der Abflussorgane transportiert werden. Die Abflussorgane können alternativ auch als Durchflussorgane angesprochen werden. Vorzugsweise werden die Sedimentablagerungen mechanisch oder hydraulisch, aufgenommen und innerhalb des Gewässers in die Nähe der Abflussorgane durch Nassbagger- oder Sprühverfahren, insbesondere des Staubeckens verfrachtet. Dabei wird vorzugsweise der oberwasserseitige Erosionsbereich im Bereich vor den Abflussorganen berücksichtigt, das heißt es kann zum Beispiel eine gleichmäßige Verteilung, gegebenenfalls mit bestimmten Querschnittsprofil der verfrachteten Sedimente, vorgesehen werden.
Der Begriff "in der Nähe" bezogen auf die Abflussorgane des betroffenen Stauraums um- fasst im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere nicht die direkte Einbringung von Sedimentablagerungen in die Abflussorgane oder eine Ablagerung der aufgenommenen Sedimentablagerungen unmittelbar vor, das heißt unbeabstandet, den Abflussorganen. Denn dies wäre mit dem wesentlichen Nachteil verbunden, dass beispielsweise bei Anfahren einer Turbine zur Stromerzeugung unmittelbar erhebliche Mengen der Sediment- ablagerungen angezogen werden, was sich nachteilig auf die Lebensdauer der Turbine auswirkt. Darüber hinaus ist der Ort und/oder Abstand der Ablagerung der aufgenommenen Sedimentablagerungen auch abhängig von dem Durchmesser der vorhandenen Ab-
flussorgane. Dabei gilt, dass je kleiner der Durchmesser der Abflussorgane ist, desto näher die Sedimentablagerungen vor diesen verfrachtet werden müssen. Es hat sich gezeigt, dass eine Verfrachtung der Sedimentablagerungen bis maximal etwa 1 m vor den Abflussorganen eines betroffenen Stauraums sehr gute Ergebnisse auch in Hinblick auf die unterschiedlichen Durchmesser vorhandener Abflussorgane ergibt. Weiter bevorzugt erfolgt die Verfrachtung der Sedimentablagerungen in einem Bereich von mindestens etwa 1 ,5 m, weiter bevorzugt mindestens etwa 2 m, noch weiter bevorzugt mindestens etwa 3 m vor den Abflussorganen des betroffenen Stauraums. Bei großen Staugewässeranlagen wird der Abstand vorzugsweise mindestens etwa 8 m betragen, und bevor- zugt in einem Bereich von etwa 1 m bis etwa 100 m, weiter bevorzugt bis etwa 50m, liegen.
Die genannten Abstände zur Verfrachtung der Sedimentablagerungen sind abhängig von den Gegebenheiten des temporären Abflusses. Neben dem Durchmesser des Abfluss- oder Durchflussorgans sind der eigentliche Durchfluss und die Eigenschaften des Wassers (insbesondere die bereits vorhandene Sedimentkonzentration im oberlaufseitigen Wasser) Einfluss bestimmende Faktoren. Sie haben Einfluss auf den oder die Erosionsbereiche im Oberwasser bei geöffnetem Verschluss des Abfluss- bzw. Durchflussorgans
Die Abstände werden bestimmt zwischen der dem Staurauminneren zugewandten öffnungsmündung der betroffenen Abflussorgane und der verfrachteten Sedimentablagerung. Der in der vorliegenden Erfindung verwendete Begriff der "Verfrachtung" umfasst dabei, bezogen auf die Sedimentablagerungen, dass sich diese beabstandet von den Abflussorganen, gleichwohl in deren Nähe, auch ablagern können, jedoch auch, dass diese sogleich durch die Abflussorgane aufgrund der vorhandenen Strömung abfließen können.
Durch die vorliegende Erfindung wird auf Grund der Verfrachtung abgelagerter Sedimente lediglich in die Nähe von Abflussorganen eine unmittelbare Beimischung der aufge- nommenen Sedimente dem durch die Abflussorgane abströmenden Wasser vermieden, und es wird innerhalb des Stauraums wieder ein eher einem natürlichen Zustand angeglichenes Sedimentprofil erzielt. Die Sedimentablagerungen werden dabei aus dem Sedimentbereich des Staugewässers in den Erosionsbereich des Staugewässers transportiert, wobei ein Transport in oder unmittelbar an das Abflussorgan des Staugewässers, was auch zu Verstopfungen desselben führen kann, vermieden wird.
Vorzugsweise weist das mindestens eine Abflussorgan des betroffenen Stauraums eine Vorrichtung zur Energiegewinnung, insbesondere eine Turbine auf. Grundsätzlich kann im Sinne der vorliegenden Erfindung es vorgesehen sein, dass das Staubecken nur ein Abflussorgan aufweist, es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass zwei, drei, vier oder sonst wie mehrere Abflussorgane vorgesehen sind.
Wesentlich bei dem Gedanken der vorliegenden Erfindung ist des Weiteren, dass die in die Nähe von Abflussorganen, gleichwohl beabstandet von diesen, verfrachteten, aus dem Sedimentbereich aufgenommenen Sedimentablagerungen im Erosionsbereich durch Erosionsprozesse, das heißt durch Wasser, abgetragen werden. Hierdurch wird eine weitgehende Annäherung an ein natürliches, ungestautes Gewässersystem erzielt.
Das Verfahren wird in vorteilhafter Weise so ausgeführt, dass sich eine bestimmte Sedimentkonzentration an den Abflussorganen einstellt. In der Praxis hat sich ein Wert zwi- sehen 10 mg und 100 g Sediment pro Liter Wasser, vorzugsweise zwischen 10 mg und 10 g Sediment/Liter als vorteilhaft erwiesen. überraschenderweise ist eine solche Trübung des abfließenden Wassers für eventuell in den Abflussorganen vorgesehene Turbinen verträglich. Rein vorsorglich kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, die Dichtungen der Turbinen mittels Wassers geringerer Trübung zu spülen, um möglichen Turbinen- schaden vorzubeugen. Die Sedimentkonzentration kann je nach Hydrogeomorphologie beziehungsweise der Fließgeometrie des Gewässers auch Werte von deutlich über 100 g Sediment pro Liter Wasser betragen.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Sedimentablagerungen durch Nassbagger- oder Spülverfahren aufgenommen und ggf. durch eine Saugpumpe transportiert werden. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Sedimentablagerungen durch eine Fräse aufgelockert werden, bevor sie aufgenommen werden.
Zur Aufnahme des Sediments haben sich Saugbagger als geeignet herausgestellt. Die Menge des aufgenommenen Sediments kann hierbei besonders einfach über die Leistung und/oder die Betriebsdauer des Saugbaggers eingestellt werden.
Die Aufnahme der Sedimentablagerungen im Sedimentbereich des Staubeckens kann automatisiert werden. Bei der Verwendung eines Saugbaggers, welcher als Schwimm- bagger ausgebildet sein kann und an Seilen geführt werden kann, ist es vorteilhaft, die Position des Saugbaggers kontinuierlich und automatisch über mit dem Ufer verbundene Steuerseile zu verändern. Werden die Sedimentablagerungen immer nach demselben
Muster aufgenommen, kann es zu einer Grabenbildung am Gewässerboden kommen. Durch eine regel- oder unregelmäßige Veränderung des Musters, nach dem die Sedimentablagerungen aufgenommen werden, wird dies zuverlässig verhindert.
Je nach Stärke der Sedimentablagerungen im Sedimentationsbereich kann das Verfahren intermittierend oder kontinuierlich angewendet werden, bevorzugt wird das Verfahren jedoch kontinuierlich betrieben. Unter kontinuierlich im Sinne der Erfindung ist die fortlaufende Durchführung des Verfahrens während mehrerer Betriebszyklen des Staugewässers, umfassend dessen Befüllung und Entleerung, zu verstehen. Im Gegensatz dazu, ist unter intermittierend im Sinne der Erfindung zu verstehen, dass das Verfahren regelmäßig nur während eines speziellen Betriebszyklus, wie z. B. der Entleerung des Staubeckens, durchgeführt wird. Des Weiteren kann das Verfahren ohne wesentliche Unterbrechungen während der gesamten Nutzungsdauer des Staubeckens, oder nur zeitlich begrenzt, beispielsweise im Sinne einer Sanierung zur Wiederherstellung des ursprüngli- chen Stauvolumen, angewendet werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Staubeckens, mit einer Unterteilung des
Staubeckens in verschiedene Erosionsbereiche;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer möglichen automatisierten Aufnahme der Sedimentablagerungen unter Wasser;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer möglichen Verfrachtung von Sedimentablagerungen in die Nähe eines Abflussorgans unter Wasser.
Zunächst sei vorausgeschickt, dass die Erfindung nicht auf die in den Figuren gezeigten Merkmalskombinationen beschränkt ist. Vielmehr sind die jeweils in der Beschreibung einschließlich der Figurenbeschreibung offenbarten Merkmale mit denjenigen in den Figuren angegebenen Merkmalen kombinierbar. Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass die in den Patentansprüchen aufgenommenen Bezugszeichen in keiner Weise den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung beschränken sollen, sondern lediglich auf die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele verweisen.
In Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Staubeckens 8 von einem Pumpspeicherkraftwerk dargestellt. Ein Pumpspeicherkraftwerk dient zur Speicherung von produzierter aber momentan nicht benötigter Energie. Dazu wird von einem Pumpspeicherkraftwerk 6 Wasser aus einem fließenden Gewässer 7 in ein Staubecken 8 gepumpt, was als Pumpbetrieb bezeichnet wird. Wird die gespeicherte Energie benötigt, so wird das Wasser aus dem Staubecken 8 des Pumpspeicherkraftwerks 6 wieder in das fließende Gewässer 7 abgelassen, wobei gleichzeitig Turbinen angetrieben werden, die Energie erzeugen. Dieser Vorgang wird als Turbinenbetrieb bezeichnet. Während der beiden Betriebszustände, Pump- und Turbinenbetrieb, ist das Wasser im Staubecken 8 in Bewegung. Und in den Pausen zwischen den Betriebszuständen verharrt das Wasser in relativer Ruhe. Während des Pumpbetriebs werden mit dem Wasser auch Sedimente und Schwebstoffe in das Staubecken 8 gepumpt, die sich aufgrund der Strömungsverhältnisse in dem Staubecken 8 unter Umständen am Gewässerboden absetzen können. Anhand der Strö- mungsverhältnisse wird das Staubecken 8 in zwei Bereiche unterteilt. Zum einen in einen Sedimentationsbereich 1 , indem sich immer mehr Sedimente ablagern, und zum anderen in einen Erosionsbereich 2, in der Nähe von Abflussorganen 4, in dem Sedimentablagerungen 12 während Abflussprozessen erodiert und abtransportiert werden. Die Grenze zwischen diesen beiden Bereichen ist als Erosionsgrenze 3 definiert. Um ein stetiges Ansteigen der Sedimentablagerungen 12 im Sedimentationsbereich 1 zu verhindern, werden erfindungsgemäß die Sedimentablagerungen 12 in den Erosionsbereich 2 verfrachtet, von dem aus sie durch nachfolgende Erosionsprozesse abtransportiert werden. Die Sedimentablagerungen 12 werden durch einen Saugbagger 5 aufgenommen und durch eine Förderleitung 9, die beabstandet von den Abflussorganen 4 endet, in die Nähe der Abflussorgane 4 verfrachtet. Das ganze Verfahren kann auch automatisiert durchgeführt werden, wobei der Saugbagger 5 beispielsweise durch Führungsseile 10 gesteuert wird. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Sedimentablagerungen 12 aus dem Sedimentationsbereich 1 ohne Entnahme aus dem Gewässer abtransportiert werden.
In Fig. 2 ist beispielhaft die Verfrachtung der Sedimentablagerungen 12 vom Gewässerboden 11 mittels einer Saugbaggeranordnung, bestehend aus einer Pumpeneinheit 15, einem Spülkopf 13 und Förderleitungen 14 und 9, schematisch dargestellt. Um die Sedimentablagerungen 12 vom Gewässerboden 11 zu lösen wird der Spülkopf 13 verwendet, wobei es zweckmäßig ist wenn der Spülkopf 13 eine Fräse zur Auflockerung der Sedimentablagerungen 12 umfasst. Die gelösten Sedimente werden mittels der Pumpeneinheit 15 durch die Aufnahmeleitung 14 aufgenommen. Die Pumpeneinheit 15 sorgt gleich-
zeitig für die Verfrachtung der Sedimente durch die Förderleitung 9 zum Erosionsbereich 2. Damit das erfindungsgemäße Verfahren automatisiert durchgeführt werden kann, ist in diesem Beispiel die Pumpeneinheit 15 der Saugbaggeranordnung an einen Ponton 16 montiert. Dieser Ponton 16 wird durch Steuerseile 10 über den gesamten Sedi- mentationsbereich 1 des Staubeckens 8 gelenkt, wodurch automatisch die Saugbaggeranordnung die Sedimentablagerungen 12 im gesamten Sedimentbereich 1 verfrachten kann. Werden die Sedimentablagerungen 12 immer nach einem bestimmten Muster aufgenommen, führt dies zu Grabenbildung am Gewässerboden. Dies wird durch eine regelmäßige änderung des Musters verhindert.
Fig. 3 zeigt den Erosionsbereich 2 des Staubeckens 8 mit einer Stauanlage 20 und einem in dieser angeordneten Abflussorgan 4, wobei über die Förderleitung 9, gehalten über Schwimmer 17 an der Wasseroberfläche, beabstandet von dem Abflussorgan 4 verfrachtete Sedimentablagerungen 18 angeordnet werden. Diese werden in Richtung der Pfeile 19 durch Erosionsprozesse durch das Abflussorgan 4 abgetragen. Die Verfrachtung der Sedimentablagerungen 18 auf dem Gewässerboden 11 erfolgt dabei beispielsweise in einem Abstand von etwa 10 m zu einer öffnungsmündung 21 des Abflussorgans 4. Das Ende der Förderleitung kann mit einem Gewicht beschwert sein.
Bezugszeichenliste:
1 Sedimentationsbereich
2 Erosionsbereich
3 Erosionsgrenze
4 Abflussorgane
5 Saugbagger
6 Pumpspeicherkraftwerk
7 Fließgewässer
8 Stau- bzw. Speicherraum
9 Förderleitung
10 Steuerseile
1 1 Gewässerboden
12 Sedimentablagerungen
13 Spülkopf
14 Aufnahmeleitung
15 Pumpeneinheit
16 Ponton
17 Schwimmer
18 verfrachtete Sedimentablagerung
19 Pfeile
20 Stauanlage
21 öffnungsmündung des Abflussorgans 4