1 Einleitung & Bautypenabgrenzung

Die anthropogene Fragmentierung von Fließgewässern führt zu Migrationsbarrieren für Fische und resultiert in negativen Auswirkungen auf die Fischpopulation. Da Fische in Abhängigkeit von Art und Altersstadium mehr oder weniger stark ausgeprägte Wanderungen im Gewässer vornehmen müssen, welche neben der Reproduktion etwa auch als Ausgleichs- oder Kompensationswanderungen oder zu Zwecken der Nahrungsaufnahme wie auch der Wiederbesiedelung der Stammhabitate nach Hochwässern dienen, ist die Fischpassierbarkeit eine wesentliche Anforderung zur Erreichung der EU-Umweltziele gemäß der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL). Um dieser Anforderung Rechnung zu tragen, werden Fischaufstiegshilfen (FAHs) errichtet, welche je nach Fischregion und Gewässergröße unterschiedlichen Planungskriterien unterliegen. So stellt bereits die Wahl des bestgeeigneten FAH-Bautyps eine entscheidende Planungsgrundlage dar. Zur Erleichterung der Projektumsetzung wurde vom Bundesministerium für Landwirtschaft, Regionen und Tourismus (BMLRT) der neue FAH-Leitfaden (BMLRT 2021) publiziert, welcher Planungsempfehlungen für Planer:innen und Behördenvertreter:innen liefert. Dem Leitfaden entsprechend sind FAHs so zu dimensionieren und auszuführen, dass die Funktionsfähigkeit der FAH für einen Großteil der wanderwilligen Individuen (ab 1+) aller Leitfischarten und typischen Begleitfischarten zu erwarten ist (BMLRT 2021). Während für Großfische die Hauptanforderung in der geometrischen Auslegung liegt, sind für Kleinfische die kritischen Fließgeschwindigkeiten und Turbulenzen maßgebend. Dabei steht die Schwimmleistung von Fischen im direkten Zusammenhang mit der Körperlänge, sodass diese mit zunehmender Fischgröße steigt (vgl. Katopodis & Geravis 2012; Clough & Turnpenny 2001; Adam & Lehmann 2011). Aktuell wird der Aufwanderung von Großfischen erhöhte Bedeutung beigemessen, so werden im Begleitbericht zum FAH-Leitfaden pro Bautyp die größten nachgewiesenen Individuen explizit angeführt. Der Nachweis der größenbestimmenden Fischart in Monitorings stellt jedoch ein sehr unwahrscheinliches Ereignis dar, da der Anteil von Großfischen an der Gesamtpopulation sehr gering ist und die Bemessungsfischgröße naturgemäß hoch angesetzt wurde. Dieser Aspekt wiegt umso schwerer, je stärker Populationen durch anthropogene Eingriffe oder steigenden Prädationsdruck degradiert werden. So gelingt der Nachweis der größenbestimmenden Fischart meist nur durch entsprechende, darauf ausgelegte Versuchsanordnungen (Kern 2013; Mitterlehner et al. 2017; Seidl & Parthl 2018).

Für die Herstellung der Fischpassierbarkeit lassen sich die zur Anwendung gelangenden Bautypen nach ihrem Funktionsprinzip in gerinneartige Bautypen, beckenartige Systeme sowie in automatisierte Bautypen und Gegenstrompässe unterscheiden.

Automatisierte Fischaufstiegshilfen, wie Lift‑, Schnecken- oder Schleusensysteme, weisen in der Regel keine hydraulisch kritischen Bereiche auf, da diese durch die Möglichkeit einer kontrollierten Dotation bzw. durch planmäßige Umsetzung zu vermeiden sind. Bei Gegenstrompässen handelt es sich um hochturbulente, hydraulisch intensivierte Systeme, welche auch unter dem Begriff Denil-Fischpässe zusammengefasst werden.

Umgehungsgerinne werden in Anlehnung an die natürliche Gewässercharakteristik gestaltet und verfügen über einen kontinuierlichen Höhenabbau, welcher über das mittlere Sohlgefälle definiert ist. Die Variabilität der Fließgeschwindigkeiten wird dabei durch vertikale und horizontale Kontraktionen des Gerinnebetts bzw. durch gewässertypische Kolk-Furt-Sequenzen und Abfolgen von Einengungen und Aufweitungen der Linienführung erwirkt.

Das Prinzip beckenartiger Fischaufstiegssysteme beruht darauf, die zu überwindende Höhe durch die Anordnung von aneinander gereihten Becken abzubauen. Dabei wird die Gesamthöhe auf die Anzahl der Becken verteilt, wobei die Teilhöhen jeweils an den Beckenübergängen abgebaut werden. Eine derartige Charakteristik weisen sowohl Schlitz- als auch Beckenpässe auf. Durch den Höhenabbau in den Übergangsbereichen bilden sich dort hydraulisch intensivierte Bereiche aus. Neben der Begrenzung maximaler Fließgeschwindigkeiten im Beckenübergang, welche indirekt über die maximal zulässige Wasserspiegeldifferenz erfolgt, wird zusätzlich das hydraulische Kompensationsvolumen über den Wert der Leistungsdichte (Energiedissipation) kontrolliert.

Die hier vorgestellten Untersuchungen beziehen sich ausschließlich auf beckenartige Fischaufstiegsaufstiegshilfen, also Schlitz- und Beckenpässe. Während sich Schlitzpässe im deutschsprachigen Raum bereits früh als funktionale FAH-Typen etablierten, wurden Beckenpässe noch in jüngerer Vergangenheit nur unter Vorbehalt empfohlen (Zitek et al. 2007). Die Kritik an diesen Bautypen war hauptsächlich in der meist überfallartigen Gestaltung der Beckenübergänge begründet, wie sie sowohl bei naturnahen als auch bei technischen Bautypen zur Ausführung kam. Technische Bautypen von Beckenpässen werden auch gegenwärtig noch sehr kritisch diskutiert, so verweisen Schmutz & Vogel (2018) darauf, bei technischen Lösungen dem Schlitzpass den Vorzug zu geben. Die Autoren begründen dies vor allem darin, dass für schwimmschwache benthische Arten Einschränkungen in der Funktionalität zu erwarten sind. In diesem Zusammenhang werden die auftretenden Probleme vor allem durch die häufig glatten Beckenübergänge beschrieben. Auch in der aktuellen Fassung des Leitfadens zum Bau von Fischaufstiegshilfen (BMLRT 2021) werden die bislang gewonnen Erkenntnisse aus der Umsetzung technischer Beckenpässe sehr zurückhaltend beschrieben, sodass trotz vieler realisierter und überprüfter Anlagen nur sehr eingeschränkte Empfehlungen abgeleitet werden können. Mit dem vorliegenden Beitrag sollen die bislang gewonnen Erkenntnisse zu diesem Bautyp technisch und biotisch beleuchtet werden. Hierzu ist es notwendig, eine Bautypenabgrenzung vorzunehmen, um die hydraulischen und konstruktiven Unterschiede von technischen Beckenpässen im Vergleich zu klassischen Vertical-Slot-Pässen darzustellen.

1.1 Schlitzpässe

Vertical-Slot-Schlitzpässe (VS) sind technische Bautypen, welche die Wasserspiegeldifferenz zwischen den Becken durch verengte, schlitzförmige Beckenübergänge überwinden und dabei ein kontinuierliches Sohlgefälle aufweisen. Die Beckenübergänge werden durch die Kombination eines Umlenkblocks mit einem Hakenelement gestaltet, um eine Strömungsumlenkung zu erwirken. Dabei erfolgt die Anordnung des Schlitzes stets einseitig. Nach der Art der Umlenkung werden dabei aus hydraulischer Sicht strömungsstabile und strömungsdissipierende Strömungsmuster unterschieden (Wu et al. 1999; Abb. 1).

Abb. 1
figure 1

Strömungsmuster VS-Schlitzpass strömungsstabil (a) und strömungsdissipierend (b)

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Der VS-Schlitzpass wird seit Jahrzehnten in zahlreichen Studien hydraulisch, biotisch und numerisch analysiert (z. B. Rajaratnam et al. 1986; Rajaratnam et al. 1992; Wu et al. 1999; Puertas et al. 2004; Thiem et al. 2013; Novak et al. 2019) und stellt somit den wohl am besten untersuchten Bautyp sämtlicher FAH-Typen dar.

1.2 Beckenpässe

Während Schlitzpässe mit einheitlichem Gefälle ausgeführt werden, sind Beckenpässe (auch Tümpelpässe genannt; engl. „pool and weir fishway“) durch Überfälle bzw. Anrampungen in den Übergängen charakterisiert. Beckenpässe zählen zu den ältesten technischen Fischpass-Bautypen und weisen, der langen Historie entsprechend, eine hohe Vielfalt an Ausführungsformen auf. So wurden bzw. werden Beckenpässe sowohl in betonierter Bauweise als auch mit natürlichen Baustoffen wie Steinen und Holzpfählen umgesetzt (Jungwirth 1996) und sind in der Regel durch breitkronige Überfälle mit geringen Wassertiefen charakterisiert. Da viele dieser Bautypen keinen Sohlanschluss im Übergang vorsehen und einige nur springend überwunden werden können, ist die Funktionalität von Beckenpässen, je nach Gestaltungsform, teilweise eingeschränkt. Eine vielerorts errichtete Alternative stellen die z. B. im Merkblatt DWA‑M 509 (DWA 2014) als „konventionelle Beckenpässe“ beschriebenen Bautypen dar, welche zusätzlich zum Überfall ein sohlnahes „Schlupfloch“ vorsehen. Dieser Bautyp ist vor allem durch die erhöhten Fließgeschwindigkeiten, bzw. die eingeschränkte Sichtungs- und Wartungsmöglichkeit der sohlnahen Öffnungen, in seiner Funktionalität limitiert. Aktuelle Bemessungsvorschläge, wie sie beispielsweise im Leitfaden zum Bau von Fischaufstiegshilfen für „naturnahe“ Beckenpässe formuliert sind, sehen eine kontinuierliche, nicht zu steile Anrampung, mit definierten Mindestwassertiefen im Übergang vor, welche auch bodenorientierten Fischarten eine uneingeschränkte Passage ermöglichen soll. Dabei wird eine unregelmäßige und raue Profilgestaltung empfohlen (siehe Abb. 2).

Abb. 2
figure 2

Unterschiedliche Varianten von Beckenpässen der „herkömmlichen“ Bauform: a Bautype mit breitkronigem Überfall und natürlichen Baustoffen, b Alternierende Schlitzanordnung in technischer Bauweise, c breitkroniger Überfall in technischer Bauweise, d Bauweise mit Oberflächen- und Bodenöffnung (Foto: Verbund)

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In der Praxis stellt die unregelmäßige Ausführung des Trapezprofils mit rauer Sohlgestaltung meist eine nicht zu unterschätzende Herausforderung dar. Dieser Anforderung kann, eine intensive fachkundige Begleitung vorausgesetzt, grundsätzlich entsprochen werden. Da entsprechend den Empfehlungen des FAH-Leitfadens auch die Dotation, die Mindesttiefen im Übergang, vor allem aber die vorgeschlagenen Wasserspiegeldifferenzen erfüllt werden müssen, steht die unregelmäßige Geometrie im Widerspruch zu den klar definierten hydraulisch-geometrischen Parametern. Die Einhaltung der maximal zulässigen Wasserspiegeldifferenzen zieht, in Anbetracht der oben beschriebenen unregelmäßigen Ausführung des Beckenübergangs, meist sehr aufwendige Korrekturmaßnahmen mit sich. Dies begründet sich darin, dass der wirksame Abflussquerschnitt im Beckenübergang bei unregelmäßiger Ausformung naturgemäß nicht exakt errichtet werden kann. Zwar werden im ÖWAV-Arbeitsbehelf 46 (ÖWAV 2016) die Bautoleranzen bei entsprechender Rauigkeit erhöht, jedoch bleiben die Herausforderungen bei der Umsetzung weiter bestehen. Da „naturnahe“ Beckenpässe ohne aufwendigen Betonbau und Schalungsaufwand errichtet werden können, wird ihnen bei der Bautypenwahl, aus wirtschaftlichen Gründen, oftmals der Vorzug gegenüber Schlitzpässen gegeben. Die Unregelmäßigkeiten in der Übergangsgestaltung führen, neben den beschriebenen gestaltungstechnischen Herausforderungen, auch zu entsprechenden Unschärfen bei der Bemessung, da die Überfallbeiwerte breit gestreut sind (Seidl 2016, 2018).

Aus den genannten Gründen wurden in den letzten Jahren vermehrt Beckenpässe mit technischen Übergängen und der für den Bautyp charakteristischen Anrampung errichtet, welche sich an den grundsätzlichen Vorgaben des Leitfadens (Tiefen und Breiten im Übergang) anlehnen. Die klar definierte Gestaltung der Übergänge liefert dabei exakte Grundlagen für die Bemessung und vereinfacht die Errichtung der Beckenübergänge. Diese Fischpässe wurden in Metallbauweise, in Betonbauweise, in Kombination von Betonbau mit Steinen, Betonbau mit Beckenübergängen aus Schwarzstahl und mit betonierten Beckenübergängen in natürlicher Uferstruktur errichtet (Abb. 3 und 4).

Abb. 3
figure 3

Gestaltungskriterien der „naturnahen“ Bauform: a Längenschnitt und Grundriss (BMLRT 2021), b Profildarstellung (BMLRT 2021), c naturnaher Beckenpass, d Gestaltung des kontinierulichen Beckenüberganges

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Abb. 4
figure 4

Beckenpässe mit technischen Übergängen in unterschiedlicher Bauform: a Betonbauweise, b Betonbauweise mit Übergängen aus Stahl, c Stahlbauweise, d Ufer mit Steinschlichtung und Übergänge aus Beton, e Naturufer mit Beckenübergängen aus Beton, f Gestaltung des Beckenüberganges mit kontinuierlicher Anrampung

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So ermöglicht dieser Bautyp eine genaue hydraulische Auslegung, wie dies auch beim Schlitzpass der Fall ist, und liefert durch die Anrampung auch den ökologischen Vorteil von Tiefstellen in den Becken. Auch im Störfall, wie etwa bei abrupter Klappenlegung, in dem in der Regel die Dotation der FAH unterbunden wird, ermöglicht diese beckenartige Struktur gegenüber Schlitzpassbautypen, welche mit konstantem Gefälle errichtet werden, auch das schadlose Überdauern von Großfischen über einen längeren Zeitraum.

In Abb. 5 sind die Unterschiede von Becken- und Schlitzpass im Längenschnitt illustriert. Das Strömungsmuster in Abb. 6 zeigt die alternierende Anordnung der Beckenübergänge und die daraus resultierende Hauptströmung, welche sich entlang der Uferbegrenzung bzw. entlang des Querelementes etabliert. Dabei kommt es im Beckenübergang zu einer konzentrierten Strömungsumlenkung zur uferzugewandten Seite des Beckenpasses (Abb. 7).

Abb. 5
figure 5

Längenschnitt des VS-Schlitzpasses (a) und des technischen Beckenpasses (b)

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Abb. 6
figure 6

Charakteristisches Strömungsbild des technischen Beckenpasses

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Abb. 7
figure 7

Strömungsumlenkung im Beckenübergang

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Der vermeintliche Verlust an biologischer Qualität des technischen Beckenpasses gegenüber dem „naturnahen“ Beckenpass dürfte in der Regel keinen Einschnitt in der Fisch-Habitatverfügbarkeit mit sich ziehen. Dies begründet sich vor allem darin, dass auch die beim „naturnahen“ Bautyp verwendeten Materialien keine zusätzlichen Lebensräume ableiten lassen. Der Einsatz von Wasserbausteinen, in welcher die Naturnähe dieses Bautyps in der Regel zu begründen ist, bedient in erster Linie ästhetische Gesichtspunkte gegenüber der Verwendung von Betonübergängen und wird sich in der Lebensraumeignung kaum bemerkbar machen. Durch die Einbindung der betonierten Querelemente des technischen Beckenpasses in naturnahe Uferstrukturen (Abb. 4e), ist es auch bei der Verwendung dieses Bautyps möglich, eine Steigerung der Naturnähe zu erwirken.

Viele der im Zuge der Umsetzung der EU-Wasserrahmenrichtlinie errichteten Anlagen wurden nach ihrer Inbetriebnahme abiotisch vermessen und einem biotischen Monitoring unterzogen. In dieser Studie werden die Ergebnisse von Feldmessungen an VS-Schlitzpässen, „naturnahen“ (NB) sowie „technischen“ (TB) Beckenpässen einander gegenübergestellt. Die hydraulischen Parameter der Bautypen VS und TB werden zusätzlich auf Basis von Modellversuchen, welche im Wasserbaulabor der TU Graz durchgeführt wurden, bzw. Ergebnissen von Feldmessungen miteinander verglichen. Anhand der Daten von durchgeführten Monitorings an konventionellen FAHs und technischen Beckenpässen wird die ökologische Leistungsfähigkeit dieses Bautyps diskutiert.

2 Methodik

2.1 Modellaufbau und Messmethode

Im Wasserbaulabor der TU Graz wurden Modelle des VS-Schlitzpasses und des TB-Beckenpasses errichtet. Um die Vergleichbarkeit der Versuchsanordnungen sicherzustellen, wurden beiden Bautypen dieselben geometrischen Beziehungen zugrunde gelegt. So wurden die Parameter Beckenlänge, Beckenbreite, Oberwassertiefe im Übergang, Schlitzweite und Wasserspiegeldifferenz bei beiden Modellen analog ausgeführt (Tab. 1).

Tab. 1 Konstruktive Parameter der FAH-Modelle
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Die Messungen der Fließgeschwindigkeiten erfolgten mittels ADV (Acoustic Doppler Velocimetry). Zum Einsatz kamen dabei Messsonden des Modells Vectrino der Fa. Nortek, wobei die Messungen dreidimensional mit einer Frequenz von bis zu 200 Hertz erfolgten.

Die mittels ADV-Messung ermittelten Rohdaten wurden für jeden individuellen Messpunkt nach der statistischen Verteilung ausgewertet und die relativen Häufigkeiten visualisiert. So konnten fehlerhafte Messdaten durch Sichtkontrolle auf Abweichungen von der Normalverteilung oder nicht korrelierende Mittelwerte erkannt und von der weiteren Datenaufbereitung exkludiert werden. Mittels der Software WinADV (US Department of the Interior) wurden die Messdaten weiter aufbereitet und anhand der Signalqualität (SNR – SignalNoiseRatio) sowie der Korrelationswerte der reflektierten Schallwellen gefiltert und fehlerhafte Ausreißer mittels Ellipsoids im dreidimensionalen Phasenraum (phase-space-treshold-despiking) eliminiert.

2.1.1 Modellversuch VS

Die Messpunkte wurden in 3 Ebenen mit einem Raster von 6 × 6 cm angeordnet, wobei im Beckenübergang eine Verdichtung des Messnetzes auf 3 × 3 cm erfolgte (Abb. 8).

Abb. 8
figure 8

Messraster und Messebenen des VS-Schlitzpasses

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2.1.2 Modellversuch TB

Die Messungen erfolgten analog zum VS-Schlitzpass mit einem Messraster von 6 × 6 cm und einer Verdichtung der Messpunkte auf 3 × 3 cm im Bereich des Beckenübergangs. Um die Vergleichbarkeit zu gewährleisten, wurden auch beim TB die Messebenen im mittleren Gefälle des Fischpasses geneigt. Zusätzlich zu den Messebenen 1–3 wurden bei dieser Bautype eine oberflächennahe Messebene 0 eingezogen sowie ein Messraster im Längenschnitt erstellt (Abb. 9 und 10).

Abb. 9
figure 9

Messraster und Messebenen des technischen Beckenpasses

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Abb. 10
figure 10

Messraster im Längenschnitt durch den Schlitz des technischen Beckenpasses

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2.2 Hydraulische Grundlagen

Für die Darstellung der gemessenen Fließgeschwindigkeiten bzw. zur Analyse des Geschwindigkeitsfelds ist die Bildung von resultierenden Fließgeschwindigkeitsvektoren erforderlich. In der hier vorgestellten Untersuchung wurde die Resultierende VAvg herangezogen, welche sich aus den gemittelten Geschwindigkeitskomponenten (Vx, Vy, Vz) aller Messdatensätze (i = 1, 2, …, n) errechnet (Glg. 1). Durch die Mittelung der einzelnen Komponenten wird eine höhere Genauigkeit erreicht, weshalb diese Variante der Resultierendenbildung bevorzugt zur Anwendung kommt:

$$V_{\mathrm{Avg}}=\sqrt{\begin{array}[]{l}\left(\frac{1}{n}{\sum}_{i=1}^{n}{V_{x}}_{i}\right)^{2}+\left(\frac{1}{n}{\sum}_{i=1}^{n}{V_{y}}_{i}\right)^{2}\\ +\left(\frac{1}{n}{\sum}_{i=1}^{n}{V_{z}}_{i}\right)^{2}\end{array}}$$
(1)

Als Maß für den Energieeintrag in ein Becken wird die Leistungsdichte (Energiedissipation) herangezogen.

$$p_{D}=\rho _{w}\mathrm{*}g\mathrm{*}Q\mathrm{*}\frac{\Updelta \mathrm{h}}{V}=\frac{\rho _{w}\mathrm{*}g\mathrm{*}Q\mathrm{*}\Updelta \mathrm{h}}{l_{b}\mathrm{*}b\mathrm{*}h_{m}}$$
(2)

Die räumliche Verteilung von Turbulenzen wird durch die turbulente kinetische Energie (TKE) beschrieben (z. B. Baki et al. 2015). Zur Ermittlung der TKE (Glg. 3) werden die quadratischen Mittelwerte (root-mean-square) aus allen Messdatensätzen (i = 1, 2, …, n) errechnet.

$$\begin{array}[]{l}{V_{x}}_{\mathrm{RMS}}\mathrm{{}^{\prime}}=\sqrt{\frac{1}{n}{\sum}_{i=1}^{n}{{V_{x}}_{i}}^{2}};\quad\\ {V_{y}}_{\mathrm{RMS}}\mathrm{{}^{\prime}}=\sqrt{\frac{1}{n}{\sum}_{i=1}^{n}{{V_{y}}_{i}}^{2}};\quad\\ {V_{z}}_{\mathrm{RMS}}\mathrm{{}^{\prime}}=\sqrt{\frac{1}{n}{\sum}_{i=1}^{n}{{V_{z}}_{i}}^{2}}\end{array}$$
$$\begin{array}[]{l}K\left(TKE\right)=\\ \frac{1}{2}\left[\left({V_{x}}_{\mathrm{RMS}}\mathrm{{}^{\prime}}\right)^{2}+\left({V_{y}}_{\mathrm{RMS}}\mathrm{{}^{\prime}}\right)^{2}+\left({V_{z}}_{\mathrm{RMS}}\mathrm{{}^{\prime}}\right)^{2}\right]\end{array}$$
(3)

2.3 Ermittlung der Abflussbeiwerte unterschiedlicher Bautypen auf Basis von Feld- und Labormessungen

Für die Rückrechnung der Abflussbeiwerte aus Feldmessungen standen Messprotokolle von abiotischen Funktionsüberprüfungen aus zahlreichen FAHs zur Verfügung. Die Messprotokolle wurden gesichtet und auf deren Eignung geprüft. Letztendlich wurden lediglich Protokolle aus einer Quelle verwendet, um aus Gründen der bestmöglichen Vergleichbarkeit der erhobenen Daten eine einheitliche Methodik sicherzustellen und weiters subjektive Messfehler (etwa die Bestimmung der Wasserspiegeldifferenz) konstant zu halten.

Im Zuge der abiotischen Vermessung wurden an den errichteten Anlagen neben den Durchflussmessungen auch die hydraulischen Parameter der maximalen Fließgeschwindigkeiten, der Wassertiefen, Schlitzweiten sowie Wasserspiegeldifferenzen in den Beckenübergängen erhoben. Als Basis für die Auswertung der Feldmessungen dienten Messprotokolle von 75 Übergängen an 6 Vertical-Slot-Schlitzpässen (VS), von 122 Übergängen an 8 leitfadenkonform gestalteten Beckenpässen (NB) sowie von 182 Übergängen an 15 Beckenpässen mit technischen Übergängen (TB). Die Messungen der Durchflüsse erfolgten dabei mittels Salztracer-Methode. Die Fließgeschwindigkeiten wurden mittels magnetisch-induktivem Messgerät (MFpro, Fa. OTT Hydromet) gemessen. Die Ergebnisse der Messprotokolle lieferten die Grundlage zur Rückrechnung der Abflussbeiwerte, welche als hydraulische Parameter die Überfallcharakteristik im Übergang beschreiben.

An den beiden im Wasserbaulabor errichteten Modellen wurden Messreihen durchgeführt, um die Abflussbeiwerte bei unterschiedlichen Dotationen bzw. Wasserspiegeldifferenzen im Übergang zu ermitteln (Abb. 11).

Abb. 11
figure 11

Schemaskizze eines Beckenübergangs zur Bestimmung der hydraulischen Parameter

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Zur Berechnung der Dotation von FAHs wird die Formel nach Poleni-Schmidt herangezogen. Auf die Anwendung dieser Formel wird auch im Leitfaden zum Bau von Fischaufstiegshilfen (BMLRT 2021) verwiesen.

$$Q=\frac{2}{3}\cdot \mu \cdot \sigma \cdot sw\cdot \sqrt{2g}\cdot {h_{o}}^{\frac{3}{2}}$$
(4)
$$\mu \cdot \sigma =\frac{Q}{\frac{2}{3}\cdot sw\cdot \sqrt{2g}\cdot {h_{o}}^{\frac{3}{2}}}$$
(5)

  • µ: Abflussbeiwert [/]

  • σ: Faktor für den Rückstau [/]

  • g: Gravitationskonstante [m/s2]

  • sw: mittl. Schlitzweite [m]

  • ho: ungestörter Oberwasserspiegel [m]

  • Q: Durchfluss [m3/s]

Für Beckenpässe wird im Leitfaden ein Abflussbeiwert von µ = 0,6 empfohlen. Der Rückstau des Unterwasserspiegels wurde in der vorhergehenden Version des Leitfadens (BMLFUW 2012) mit folgender Beziehung berücksichtigt:

$$\sigma =-91,66\cdot \left(\frac{h_{u}}{h_{o}}\right)^{4}+258,33\cdot \left(\frac{h_{u}}{h_{o}}\right)^{3}-274,08\cdot \left(\frac{h_{u}}{h_{o}}\right)^{2}+129,22\cdot \frac{h_{u}}{h_{o}}-21,8$$
(6)

Die Neuauflage des Leitfadens (2021) orientiert sich am Merkblatt DWA‑M 509 (DWA 2014) und beschreibt für den Rückstau folgenden Zusammenhang:

$$\sigma =1-\left(\frac{h_{u}}{h_{o}}\right)^{11}$$
(7)

Für den VS-Schlitzpass errechnete sich gemäß Merkblatt DWA‑M 509 (DWA 2010) der rückstaubeeinflusste Abflussbeiwert wie folgt:

$$\upmu \sigma =0,6\mathrm{*}\left[1-0,8\mathrm{*}\left(\frac{h_{u}}{h_{o}}\right)^{7,5}\right]$$
(8)

In der neueren Auflage des Merkblatts DWA‑M 509 (DWA 2014) wurde bei der Berechnung des Abflussbeiwerts zwischen strömungsstabilen und strömungsdissipierenden Verhältnissen unterschieden.

Strömungsstabile Umlenkung:

$$\upmu \sigma =0,48\mathrm{*}\left[1-\left(\frac{h_{u}}{h_{o}}\right)^{4,5}\right]^{0,6}$$
(9)

Strömungsdissipierende Umlenkung:

$$\upmu \sigma =0,59\mathrm{*}\left[1-\left(\frac{h_{u}}{h_{o}}\right)^{4,5}\right]^{0,48}$$
(10)

In der nachfolgenden Darstellung sind die Kurven der unterschiedlichen Berechnungsansätze zur Ermittlung der Abflussbeiwerte für die Bautypen Becken- und VS-Schlitzpass dargestellt (Abb. 12).

Abb. 12
figure 12

Abflussbeiwertkurven aus der Literatur

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2.4 Biotische Analysen

Für die vorliegende Untersuchung wurden biotische Monitorings von konventionellen Bautypen und technischen Beckenpässen, welche an Anlagen im Epipotamal (Barbenregion) durchgeführt wurden, verglichen. Für die biotischen Analysen wurden ausschließlich Anlagen herangezogen, für welche auf Basis der Monitoringrichtlinie des österreichischen Fischereiverbands (Woschitz et al. 2003) die Funktionalität belegt werden konnte. Für die Analysen standen die Aufstiegsdaten von 15 Fischaufstiegshilfen zur Verfügung. Sämtliche Daten basieren auf Reusenmonitorings, welche mit einer Maschenweite von 1 cm durchgeführt wurden.

Als Indikator für die ökologische Leistungsfähigkeit wird die mittlere tägliche Aufstiegsrate herangezogen. Diese lässt eine starke Abhängigkeit von der Gewässergröße und dem vorhandenen Fischbestand im Unterwasser erwarten. Zur Prüfung dieser Annahme wurden Produkt-Moment-Korrelationen nach Pearson mit der Software RStudio durchgeführt.

Für die weitere Analyse erfolgte eine Differenzierung zwischen Monitoringdaten aus dem Epipotamal groß (MQ > 110 m3/s) und Daten aus dem Epipotamal mittel (MQ 5–10 m3/s), wobei die Mittelwasserführungen an den jeweiligen Standorten auf 0,5 m3/s gerundet wurden. Die Individuendichten wurden aus den Monitoringberichten entnommen, wobei in diesen oftmals auf Daten der nächstgelegenen GZÜV-Befischungsstrecken flussab der Anlagen zurückgegriffen wurde. Daraus resultieren räumliche und zeitliche Abweichungen zu den Daten der Reusenmonitorings.

Von den 15 Monitorings waren für 8 Anlagen konventioneller Bautypen sowie für 3 technische Beckenpässe digitale Fangzahlen der Reusenmonitorings verfügbar, welche für den Vergleich der Größenselektivität herangezogen wurden. Im Zuge dieser 11 Monitorings wurden insgesamt 31.513 Fische gezählt und protokolliert, wobei 18.701 Individuen konventionellen FAHs und 12.812 Individuen technischen Beckenpässen zuzuordnen waren. Diese Datengrundlage ermöglichte eine Gegenüberstellung der Monitoringergebnisse auf Basis einer Größenklassenverteilung. Ebenso konnten fischgrößenbezogene Kumulationskurven, getrennt nach technischem Beckenpass und konventionellen FAH-Typen, erstellt werden.

Um das Fischverhalten im Übergangsbereich des technischen Beckenpasses zu analysieren, wurden im Jahr 2021 am Fischpass des Murkraftwerks in Graz, an drei Terminen Kameras im Bereich des Beckenübergangs exponiert und Videoanalysen durchgeführt. Der für die Untersuchungen gewählte Übergangsschlitz war orographisch links verortet, sodass es gemäß der oben erläuterten Darstellung (Abb. 7) zu einer Strömungsumlenkung zum linken Ufer kommt. Auf Basis der Videoanalysen sollte geprüft werden, ob Fische bei der Schlitz-Passage den strömungsintensivierten orographisch linken Bereich meiden und bevorzugt im hydraulisch moderaten rechten Korridor des Beckenüberganges einwandern.

Für das Videomonitoring wurden Kameras vom Typ GoPro Hero3 und Hero7 sowie LED-Scheinwerfer für die Aufzeichnung während der Nachtstunden, verwendet. Die Kameras wurden vor bzw. nach dem gewählten Beckenübergang fixiert (Abb. 13).

Abb. 13
figure 13

Kamera-Setup mit LED-Scheinwerfern

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Zur Analyse des Videomaterials wurde die Fischerkennungssoftware FishPro (Haslwanter 2021, unveröffentlicht) auf Basis der Programmiersprache Python angewandt. Das Prinzip der Software beruht darauf, dass jedes 100. Frame zur Bildung des mittleren Farbwerts herangezogen wird. Folgend wird dieser Prozess für jedes 10. Frame wiederholt und mit den mittleren Farbwerten des entsprechenden Zeitfensters verglichen. Dies geschieht Pixel für Pixel. Übersteigt die Änderung des Farbwerts eines Pixels einen festgelegten Schwellenwert und ist die zusammenhängende Fläche der von der Farbwertänderung betroffenen Pixel größer als 10.000 Pixel, so wirft die Software dieses Frame aus und markiert dabei den Bereich der Farbwertabweichung. Jedes ausgeworfene Frame wurde anschließend einer analogen Analyse unterzogen.

3 Ergebnisse

3.1 Rückgerechnete Abflussbeiwerte der untersuchten Bautypen

Auf Basis der vorliegenden Feldmessungsprotokolle wurden die Abflussbeiwerte der untersuchten Bautypen rückgerechnet. In der Abb. 14 sind die Ergebnisse der Rückrechnungen für die einzelnen Bautypen im Vergleich mit den Kurven aus den Berechnungsformeln aufgetragen. Dabei wird deutlich, dass die rückgerechneten Beiwerte aus dem Feld, verglichen mit den Werten aus dem Labor, eine sehr breite Streuung zeigen. Die größte Streuung zeigt dabei der naturnahe Beckenpass (NB), die geringste der TB.

Abb. 14
figure 14

Abflussbeiwerte aus Labor (MV) und Feld im Abgleich mit Kurven aus der Literatur

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Während die Formeln für die Beckenpässe (3 & 4) die Abflussbeiwerte der Feldbeobachtungen im Mittel überschätzen, führt die Anwendung der Formeln (5–7) für den VS-Schlitzpass zu einer tendenziellen Unterschätzung der im Feld bzw. Labor ermittelten Werte. Aus den Feldmessungen lässt sich kein klares Bild für die Abflussbeiwerte von strömungsstabilen und strömungsdissipierenden Zuständen im VS-Schlitzpass ableiten.

Die aus den Modellversuchen abgeleiteten Abflussziffern ergeben für den technischen Beckenpass deutlich geringere Werte als für den Schlitzpass. Diese liegen signifikant unter den aus den Gln. 4 bis 7 errechneten Kurven für Beckenpässe (Bp), und decken sich gut mit der Kurve der strömungsstabilen Variante des VS-Schlitzpasses (VS_stab). Weiters kann festgestellt werden, dass die für das Schlitzpassmodell, unter strömungsstabilen Bedingungen, ermittelten Werte gut mit den Kurven der Beckenpässe übereinstimmen und deutlich über der Kurve des strömungsstabilen Schlitzpasses (VS_stab) aus der Literatur zu liegen kommen.

Die aus den Messungen in Feld und Labor abgeleiteten Abflussziffern bilden jedenfalls klar ab, dass Beckenpässe deutlich geringere Werte aufweisen als Schlitzpässe. Besonders deutlich ersichtlich ist dies bei Betrachtung der Ergebnisse aus dem Wasserbaulabor (MV).

3.2 Räumliche Verteilung der Fließgeschwindigkeiten im Modellversuch

Die Versuche wurden für beide Bautypen bei einer Oberwassertiefe (ho) von 35 cm, einer Wasserspiegeldifferenz von 7 cm und einer Schlitzweite von 12,7 cm durchgeführt. Um diese Bedingungen zu erfüllen, wurde der VS mit 44 l/s dotiert, während der TB diese Werte bereits bei einer Dotation von 33 l/s erreichte.

Die maximalen Fließgeschwindigkeiten treten bei beiden Varianten kurz nach dem Beckenübergang auf. Dabei lagen die Maximalwerte in beiden Bautypen nahe beieinander, beim VS bei 1,39 m/s und beim TB bei 1,43 m/s. In den Ebenen 1 und 2 konnten beim TB etwas höhere Maximalwerte gemessen werden, während in der sohlnahen Ebene 3 der Maximalwert im VS geringfügig höher war als im TB. Die Areale mit Fließgeschwindigkeiten > 1 m/s sind beim VS deutlich stärker ausgeprägt als beim TB. Das Strömungsbild des VS entspricht dem strömungsstabilen Charakter ohne deutlichen Umlenkungseffekt mit ausgeprägter, von Schlitz zu Schlitz etablierter, Strömungsfahne der fließgeschwindigkeitsintensivierten Bereiche. Beim TB bilden sich die strömungsintensivierten Bereiche entlang der dem Schlitz zugewandten Beckenwand bzw. der Trennwand aus. Die Fließgeschwindigkeiten in der Strömungsfahne liegen dabei deutlich unter jenen des VS (Abb. 15).

Abb. 15
figure 15

Gegenüberstellung der vavg in den Messebenen 1–3 (von a–c) im VS-Schlitzpass (links) und technischen Beckenpass (rechts)

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Für den technischen Beckenpass wurde zusätzlich zu den im Einheitsgefälle geneigten Messebenen ein Messraster im Längenschnitt durch den Schlitz aufgenommen. Die Visualisierung der Ergebnisse in Abb. 16 zeigt, dass der Maximalwert der Fließgeschwindigkeiten (1,29 m/s) knapp unterhalb des Schlitzes liegt und sich qualitativ und quantitativ mit den zuvor beschriebenen Ergebnissen aus der Messebene 3 deckt.

Abb. 16
figure 16

vavg im Längenschnitt durch den Schlitz des technischen Beckenpasses

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3.3 Räumliche Verteilung der Turbulenzen im Modellversuch

Die turbulente kinetische Energie zeigt eine ähnliche räumliche Verteilung wie die in Abb. 15 illustrierten Fließgeschwindigkeiten. Die maximalen Werte erreichen beim VS 0,249 m2/s2 und liegen dabei deutlich über jenen des technischen Beckenpasses, welcher Werte von 0,127 m2/s2 erreicht. Flächenareale mit hoher turbulenter kinetischer Energie (> 0,100 m2/s2) sind beim TB gegenüber dem VS deutlich reduziert (Abb. 17).

Abb. 17
figure 17

Gegenüberstellung der TKE in den Messebenen 1–3 (von a–c) im VS-Schlitzpass (links) und technischen Beckenpass (rechts)

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Die Auswertung der Messungen im Längenschnitt durch den technischen Beckenpass in Abb. 18 bestätigt sowohl die qualitative Lage der auftretenden Turbulenzen, wie auch quantitativ die Maximalwerte der turbulenten kinetischen Energie im Bereich von 0,125 m2/s2, wie sie auch in den Messebenen ermittelt wurden.

Abb. 18
figure 18

TKE im Längenschnitt durch den Schlitz des technischen Beckenpasses

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3.4 Aufstiegsraten und Größenklassenverteilung

Die mittleren täglichen Aufstiegsraten der untersuchten FAHs lagen zwischen 11 und 328 Individuen, wobei die technischen Beckenpässe in beiden Fischregionen (EP mittel und EP groß) die höchsten Aufstiegsraten, sowohl im Mittel als auch im Maximum aufwiesen. Die durchgeführten Korrelationen konnten für die mittleren täglichen Aufstiegsraten weder einen starken Zusammenhang mit der Mittelwasserführung (cor = 0,4429274, t = 1,8485, df = 14, p-value = 0,08576), noch mit der Individuendichte im Unterwasser (cor = −0,4537655, t = −1,9053, df = 14, p-value = 0,07749) abbilden (Tab. 2).

Tab. 2 Tägliche Aufstiegsraten untersuchter Anlagen im Potamal, unterteilt nach Fischregion, Bautyp, Gewässer, Mittelwasserführung und Individuendichte im Gewässerabschnitt
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Wenngleich das Histogramm der Fischlängenverteilung (Abb. 19) sowohl für konventionelle FAH-Typen als auch für technische Beckenpässe eine Klassenhäufigkeit von Fischlängen zwischen 0 bis 200 mm mit rund 95 % illustriert bzw. für jene größer 201 mm rund 5 % aufzeigt, verfügt der technische Beckenpass über signifikant höhere Anteile kleiner Fische. So wiesen 47 % der vermessenen Individuen in TBs Fischlängen < 100 mm auf, bei den konventionellen FAH-Typen betrug dieser Anteil lediglich 20 %.

Abb. 19
figure 19

Fischlängenverteilung aus den Monitorings

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Die kumulierte Darstellung (Abb. 20) der Fischlängen bildet für konventionelle FAHs und technische Beckenpässe ein sehr ähnliches Bild ab. Aus beiden Kurven kann abgeleitet werden, dass Fischlängen > 400 mm bzw. < 70 mm kaum in den Monitorings protokolliert wurden. So wiesen lediglich 1 % der protokollierten Individuen Fischlängen > 350 mm bei konventionellen Bautypen bzw. > 330 mm bei den technischen Beckenpässen auf. In beiden Kategorien waren 99 % der Fische größer als 65 mm (Tab. 3).

Abb. 20
figure 20

Kumulative Kurven der Fischlängen aus den Monitorings

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Tab. 3 Anzahl und Anteil von Großfischen in den Monitorings unterteilt nach Bautyp und Fischregion
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Der Anteil an Großfischen (> 400 mm) lag bei konventionellen FAHs (0,71 %) höher als bei technischen Beckenpässen (0,33 %). In beiden Kategorien wurden Großfische häufiger in großen Gewässern (EP gr) nachgewiesen. So lag der Anteil an Großfischen im Epipotamal groß bei konventionellen Bautypen rund sechsmal höher als im Epipotamal mittel, bei den technischen Beckenpässen war er rund dreimal so hoch.

3.5 Analyse des Fischverhaltens bei der Passage des Beckenüberganges

In Summe wurden über die gesamten Aufzeichnungskampagnen in 29,5 Stunden 86 Aktivitäten von einzelnen Fischen sowie Fischschwärmen detektiert. Von diesen Detektionen bildeten 45 % stationäres Verhalten von Fischen im Bereich des Beckenübergangs (keine Passage) ab, 41 % beobachteten die aufwärtsgerichtete Wanderung und 14 % der Videosequenzen zeigten Fische bei der flussab gerichteten Wanderung. Zur Klassifizierung des Fischverhaltens beim Auf- bzw. Abstieg erfolgt eine Einteilung in die Wanderkorridore orographisch links, Mitte und orographisch rechts innerhalb des Beckenüberganges (Abb. 21).

Abb. 21
figure 21

Einteilung der Wanderkorridore orographisch links (li), mitte (mi) und rechts (re)

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Von den beobachteten Aufstiegen passierten 77 % der Fische den Beckenübergang im orographisch rechten Korridor (Abb. 22), 17 % wanderten in der Mitte ein und lediglich 6 % wählten den fließgeschwindigkeitsintensivierten orographisch linken Bereich. Für den Fischabstieg wurde zu 42 % der Korridor im orographisch linken Bereich genutzt, die Mitte des Beckenübergangs wurde in 58 % der Videosequenzen gewählt, während im rechten Bereich kein Abstieg beobachtet wurde (Tab. 4).

Tab. 4 Anzahl und Anteil von beobachteten Auf- bzw. Abstiegen in den Wanderkorridoren (li/mi/re)
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Abb. 22
figure 22

Einschwimmen eines Schneiderschwarms im fließgeschwindigkeitsreduzierten, orographisch rechten Bereich des Beckenüberganges

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4 Diskussion und Schlussfolgerungen

4.1 Fließgeschwindigkeiten und Turbulenzen in VS und TB

Die Ergebnisse der räumlichen Verteilung der Fließgeschwindigkeiten bzw. der turbulenten kinetischen Energie im Schlitzpass stimmen gut mit den Werten anderer Autoren überein (vgl. Umeda et al. 2017). Das Strömungsbild des untersuchten Schlitzpasses weist einen strömungsstabilen Charakter auf, die aus den Untersuchungen im Labor rückgerechneten Abflussziffern des Schlitzpasses liegen, wie in Abb. 14 dargestellt, jedoch deutlich über der Kurve der Bemessungsformel für den strömungsstabilen Systemzustand bzw. übertreffen auch die Kurve des strömungsdissipierenden Systemzustands. Auch die Abflussziffern, welche aus den Feldmessungen ermittelt wurden, liegen über dem strömungsstabilen bzw. überschreiten zum Teil auch den strömungsdisspierenden Kurvenverlauf. Dabei lässt sich aus den vorliegenden Feldmessungen kein klarer Unterschied in den Abflussziffern von strömungsstabilen und strömungsdissipierenden Schlitzpässen ableiten.

Die Kurvenverläufe der Bemessungsformeln für den Beckenpass, für welchen die Gleichungen der DWA bzw. des FAH-Leitfadens sehr ähnliche Geometrien aufweisen, liegen deutlich über den ermittelten Abflussziffern des technischen Beckenpasses aus Feld und Labor. Die Gültigkeit dieser Gleichungen für den naturnahen Beckenpass lässt sich aufgrund der breiten Streuung und dem ausschließlichen Vorliegen von Feldmessungen nur sehr schwer analysieren. Jedenfalls lässt sich erkennen, dass die Variabilität der Abflussbeiwerte „naturnaher“ Beckenübergänge sowohl in den auftretenden Messschwierigkeiten (z. B. Bestimmung von ho), vor allem aber auch in der uneinheitlichen Übergangsgeometrie zu begründen ist. Daraus kann abgeleitet werden, dass aufgrund der uneinheitlichen Gestaltung des Übergangsprofils fließgeschwindigkeitsintensivierende (hohe Abflussziffern) und fließgeschwindigkeitsreduzierende (niedrige Abflussziffern) Geometrien zu erwarten sind, wenngleich der Großteil der Abflussbeiwerte unter jenen des Schlitzpasses liegt.

Für die rückgerechneten Abflussziffern des technischen Beckenpasses kann festgestellt werden, dass die Werte sowohl aus dem Feld als auch aus dem Wasserbaulabor deutlich unter jenen des Schlitzpasses zu liegen kommen. Diese Erkenntnis wird auch durch die im Modellversuch beobachtete, um 25 % verringerte Dotation des technischen Beckenpasses, die deutlich geringere turbulente kinetische Energie (Abb. 17), wie auch durch die stark reduzierten strömungsintensivierten Bereiche (v < 1 m/s) (Abb. 15) bestätigt. Die Visualisierung der Ergebnisse im Längenschnitt durch den TB-Schlitz in Abb. 16 zeigt dabei, dass die Maximalwerte der Fließgeschwindigkeiten knapp unterhalb des Schlitzes auftreten, wie es auch im Merkblatt DWA‑M 509 (DWA 2014) angenommen wird. Durch die Auswertung der turbulenten kinetischen Energie im Längenschnitt (des technischen Beckenpasses Abb. 18) kann weiters festgestellt werden, dass sich die auftretenden Turbulenzen über die Wassertiefe gleichbleibend etablieren und fast ausschließlich auf den Bereich unmittelbar unterhalb des Schlitzes beschränken. Das verbleibende Beckenvolumen weist nur sehr geringe oder keine Turbulenzen auf und bietet somit ideale Ruhezonen für wandernde Fische.

Durch die Geometrie der Beckenübergänge bietet sich im technischen Beckenpass für flussaufwärts wandernde Fische die Möglichkeit, den fließgeschwindigkeitsintensivierten Bereich durch seitliches Einschwimmen in den Schlitz zu umgehen, während Fische im VS-Schlitzpass die geschwindigkeitsintensivierte Strömungsfahne mit erhöhtem Energieaufwand aktiv durchschwimmen müssen.

So kann aus rein hydraulischer Sicht festgestellt werden, dass der technische Beckenpass sowohl in der räumlichen Ausdehnung der Strömungsfahne, vor allem aber auch im Vergleich der auftretenden Turbulenzen deutlich bessere Ergebnisse lieferte als der VS-Schlitzpass. Auch die Tatsache, dass sich die aufsteigenden Fische beim technischen Beckenpass unmittelbar nach der Passage des Beckenüberganges in einem strömungs- und turbulenzberuhigten Bereich befinden, lässt rein theoretisch einen Vorteil dieses Bautyps ableiten. Praktisch stellt sich die Frage, ob die Fließgeschwindigkeitsreduktion im Becken sowie die daraus resultierende Reduktion der turbulenten kinetischen Energie, bei einem derart moderaten Ausgangsniveau, überhaupt einen Einfluss auf die Fischpassage hat. So kommt der hydraulische Stress bei den untersuchten Bautypen in der Regel nur bei der unmittelbaren Passage des Schlitzes zum Tragen. Alle anderen strömungsintensivierten Zonen müssen von Fischen nicht zwingend durchschwommen werden. Dass die Passage von Schlitzpässen entsprechend energieschonend erfolgt, wurde von Bousmar et al. (2018) und Calluaud et al. (2015) bei Verhaltensanalysen aufgezeigt. Auch die Videoanalysen der vorliegenden Arbeit bestätigen, dass Fische gezielt fließgeschwindigkeitsreduzierte Areale für die Passage wählen. Durch die Strömungsumlenkung im Übergangsbereich dürfte der TB diesbezüglich Vorteile gegenüber anderen beckenartigen Bautypen aufweisen.

4.2 Aufstiegsraten und Größenklassenverteilung

Eine Zusammenschau der Monitorings bildete die höchsten täglichen Aufstiegsraten für technische Beckenpässe ab. Dies weist auf eine potenziell hohe ökologische Leistungsfähigkeit dieses Bautyps hin. Für eine belastbare Analyse der Aufstiegsraten in Abhängigkeit von den Bautypen wären Daten zu den Individuendichten im Unterwasser der FAHs zum unmittelbaren Monitoringzeitpunkt notwendig. Die in der vorliegenden Arbeit eingeflossenen Daten aus den Monitoringberichten weichen oftmals räumlich und zeitlich ab, sodass sie nur einen Orientierungswert der Individuendichten im Gewässerabschnitt liefern. Auch müsste eine derartige Analyse andere Parameter, wie etwa die Situierung des Einstiegs, berücksichtigen. Auf Basis der durchgeführten Untersuchungen lässt sich jedenfalls ableiten, dass der technische Beckenpass keine erkennbaren Defizite hinsichtlich der Aufstiegszahlen gegenüber konventionellen, wissenschaftlich erprobten Bautypen aufweist.

Die biologischen Daten zeigten größere Häufigkeiten von Kleinfischen bei der Passage von technischen Beckenpässen. Dieses Ergebnis muss jedoch in Relation zu den beobachteten Wanderzahlen interpretiert werden. Besonders hohe Aufstiegsraten von Kleinfischschwärmen bei Anlagen mit überdurchschnittlich hoher mittlerer täglicher Aufstiegsrate, wie dies bei den technischen Beckenpässen KW Sappi und KW Rennmühle der Fall war, verzerren das Ergebnis möglicherweise zu Gunsten kleiner Individuen. Dies lässt sich in umgekehrter Weise auch auf den Großfischanteil übertragen. Wenngleich sich dieser lediglich im Promillebereich bewegt, war der Anteil von Fischen > 400 mm in konventionellen Bautypen doppelt so hoch als jener in technischen Beckenpässen. Die Tatsache, dass die Fischwanderung bei der FAH Sappi zu beinahe 100 % von kleinwüchsigen Arten dominiert war, liefert daher einen vergleichsweise geringen Großfischanteil. Dies wird durch den Umstand, dass lediglich von 3 technischen Beckenpässen digitale Monitoringdaten zur Verfügung standen, und dass die FAH Sappi mehr als 50 % der Fangzahlen verzeichnete, zusätzlich verstärkt. Im Abgleich mit den hydraulischen Analysen, welche für den technischen Beckenpass geringere Fließgeschwindigkeiten und einen geringeren Turbulenzgrad belegten, erscheint die höhere Funktionalität für Kleinfische schlüssig, wenngleich die für diese Studie vorliegende geringe Anzahl von lediglich 3 Monitorings technischer Beckenpässe keine belastbare Bestätigung dieser Hypothese liefern kann.

Die Abbildung der Längenverteilungen (Abb. 19) untermauert die These, dass große Fische in Monitorings einen zahlenmäßig untergeordneten Anteil haben. Bereits Fischlängen > 200 mm verzeichneten mit 5,7 % (konv. FAHs) bzw. 5 % (TB) einen geringen Anteil am Gesamtaufstieg. Von insgesamt 31.513 vermessenen Fischen wiesen lediglich 168 Individuen, davon 41 in technischen Beckenpässen und 127 in konventionellen FAHs, Fischlängen > 400 mm auf. Die Fischlänge der größenbestimmenden Fischart liegt im „Epipotamal groß“ bei 1000 mm (Huchen) und im „Epipotamal mittel“ bei 900 mm (Hecht). Lediglich ein vermessenes Individuum verfügte über eine Köperlänge > 900 mm (Huchen mit 930 mm im EP gr). Die größenbestimmende Fischart blieb somit in allen Monitorings unbeobachtet.

Mit adulten Topprädatoren wie etwa dem Huchen ist grundsätzlich nur in vergleichsweise geringer Anzahl zu rechnen. Die Tatsache, dass Individuen mit Körperlängen > 330 mm (TB) bzw. > 350 mm (konv. FAHs) weniger als 1 % des Gesamtaufstieges repräsentieren, macht deutlich, dass auch die Passage von laichreifen Mittelstreckenwanderern bzw. ausgeprägte Laichzüge dieser Arten in den vorliegenden Monitorings weitgehend unbeobachtet blieben. Die oftmals kritische Auseinandersetzung mit fehlenden Nachweisen der größenbestimmenden Fischart oder etwa der Passage von Nasenschwärmen beim Monitoring von alternativen Bautypen ist nachvollziehbar und aus ökologischer Sicht jedenfalls berechtigt und notwendig. Aus der Praxis lässt sich jedoch ableiten, dass dieser Umstand weniger in der unzureichenden Funktionalität der errichteten Bautypen, als vielmehr in den schwachen Populationen zahlreicher Fließgewässer begründet sein könnte. Ein Beispiel dafür liefert wohl auch die vorliegende Analyse der Fischgrößenverteilung auf Basis von Monitorings konventioneller Bautypen in Potamalgewässern.

5 Zusammenfassung

Der technische Beckenpass und der Vertical-Slot-Schlitzpass wurden im Zuge eines Modellversuchs an der TU Graz hydraulisch untersucht. Das Ergebnis dieser Untersuchungen zeigt, dass sich die Dotation im technischen Beckenpass bei gleicher Wassertiefe, Schlitzweite bzw. Wasserspiegeldifferenz im Übergang um 25 % gegenüber dem Schlitzpass reduziert. Daraus resultiert auch eine entsprechende Reduktion der hydraulischen Parameter (Fließgeschwindigkeiten, TKE, Leistungsdichte). Eine vergleichende Gegenüberstellung der Strömungsbilder im Grundriss veranschaulicht, dass die strömungsintensivierten Zonen beim TB ausschließlich auf Randbereiche reduziert werden, während der VS einen ausgeprägten Stromstrich durch das Becken etabliert. So konnte durch die vorliegenden Ergebnisse aus dem Wasserbaulabor klar aufgezeigt werden, dass der technische Beckenpass auf Basis der hydraulischen Ergebnisse deutlich bessere Bedingungen für die Fischpassage erwarten lässt als der klassische Schlitzpass. Dieses Ergebnis wurde auch durch Auswertungen von Feldmessungen, welche auch naturnahe Beckenpässe berücksichtigten, bestätigt.

Um die biotische Leistungsfähigkeit dieses Bautyps zu evaluieren, wurden die Ergebnisse aus Fischaufstiegsmonitorings technischer Beckenpässe mit jenen von unterschiedlichen konventionellen Bautypen verglichen, wobei die Darstellung des kumulativen Fischgrößenanteils sehr ähnliche Ergebnisse lieferte. Wenngleich TBs einen höheren Anteil von Kleinfischen aufwiesen und konventionelle Bautypen geringfügig höhere Anteile von Großfischen (> 400 mm) verzeichneten, konnte keine Größenselektivität abgeleitet werden. Die mittleren und maximalen täglichen Aufstiegsraten der untersuchten technischen Beckenpässe lagen meist, und teilweise eklatant, über jenen der untersuchten konventionellen Bautypen. Aufgrund bestehender ökologischer Datenlücken ist jedoch kein belastbarer Rückschluss auf die etwaig bessere Funktionalität dieses Bautyps möglich, ein diesbezügliches Defizit technischer Beckenpässe kann jedoch auf Basis der vorliegenden Arbeit mit hoher Wahrscheinlichkeit ausgeschlossen werden. Somit kann festgehalten werden, dass der technische Beckenpass eine gute Alternative zu konventionellen beckenartigen Bautypen darstellt. Gegenüber „naturnahen“ Beckenpässen generiert dieser Bautyp den Vorteil, dass eine exakte Übergangsgestaltung möglich ist und dadurch die bauliche Umsetzung der FAH deutlich erleichtert wird. Im Vergleich zum Schlitzpass generiert die Anrampung im Übergang den Vorteil, dass Kolke ausgebildet werden, welche bei Unterbindung der Dotation auch größeren Fischen ein Überdauern im Fischpass ermöglichen. Zudem führt die verringerte Beaufschlagung zu moderateren hydraulischen Kennwerten und reduziert den Erzeugungsverlust der Wasserkraftanlagen.