Schwall-Sunk Probleme in Fliessgewässern

Schwall-Sunk Probleme in
Fliessgewässern
Armin Peter mit Folienbeiträgen von Emilie Person
Eawag Das Wasserforschungs-Institut des ETH-Bereichs
CH-6047 Kastanienbaum
e-mail:armin.peter@eawag.ch
Binnengewässer: Konzepte und Methoden für ein
nachhaltiges Management
1.12.2014
Eawag: Swiss Federal Institute of Aquatic Science and Technology
Hydropower use and fish ecological problems
60 % of the Swiss surface is mountainous
- water abstraction
- hydropeaking
- hydropower dams
2
Hydrology
• 156 big dams
• > 1‘600 power plants
• every fourth river is affected by
water releases from dams
(hydropeaking)
3
Energy Production in Switzerland
Nuclear powerplants
Other renewable Energy
High head storage powerplants
Thermic powerplant
Run of the river powerplants
4
big dams in Switzerland
5
30 % of the hydropwer plants (> 30 kW)
operate with a hydropeaking regime
Graph BAFU
6
7
Lago Luzzone
Volume: 400 million m3
Height of dam: 285 m
12.12.2014
8
Total capacity of reservoirs in the Rhone River watershed
(from Loizeau & Dominik 2000)
12.12.2014
9
Hydropeaking
Brenno River
Day 1
Day 2
Discharge
Vorderrhein River
(www.hydrodaten.admin.ch, 09.2012)
10
Wassertiefe
Fliessgeschwindigkeit
11
Ein Schwall-Sunk Regime ist als eine
künstliche Störung
einzustufen.
Tägliche Schwankungen in
diesem Ausmass kommen in der Natur
nicht vor.
Flussökosysteme sind an weniger häufige
Störungen angepasst und erholen sich
danach schnell.
12
Unsteady flow conditions
Difference with natural floods:
• More frequent
• Rises faster
• Cannot be sensed by organisms due to the rapidity of
change
Organisms are not adapted
to such discharge changes
http://www.eawag.ch/medien/bulletin/20090309/index
13
Impact on downstream ecosystem
Hydropeaking
1
Morphology
Depth
Width
Length
Wetted profile
Grain distribution
2
3
Discharge
Turbulence
Shear stress
Water quality
Temperature
Turbidity
Biological impact (Phytobenthos, makrozoobenthos, fishes, shore fauna)
Density, biomass, composition, diversity
Reproduction, food intake, drift, stranding, activity
Modified from (Meile, Boillat et al. 2008)
14
14
Auswirkungen von Schwall-Sunk
biotisch
• Wasserwechselzone
• Terrestrische Uferfauna
15
Auswirkungen von Schwall-Sunk
biotisch
• Makrozoobenthos
- Drift
- Artenzahl
- Häufigkeit und Diversität
• Fische
- Dichte und Biomasse
- Artenzahl
- natürliche Reproduktion
- Schwimmverhalten (Energieeffizienz)
16
Makroinvertebraten
Katastrophendrift
Abschwemmung von der Gewässersohle:
massenhaftes Abtreiben von
wirbellosen Tieren, aber auch von
Pflanzen
besonders betroffen sind wenig
strömungsresistente Arten
17
Coreghino et al. 2002 und 2004
Französische Pyrenäen
Schwall-Sunk Verhältnis 11:1
• Nachtdrift verschiebt sich zu Tagesdrift
• bei hohem Peak: Tagesdrift reduziert
die Benthosgemeinschaft drastisch –
Fehlen der Nachtdrift
• hydraulische Störung (Schwall-Sunk)
beeinflusst die strukturelle Zusammensetzung des Benthos erheblich
18
Hinterrhein
Morphologie und
Schwall-Sunk
19
Hasliaare
Fische als Indikatoren
Forellenbilder
©M. Roggo
20
Seeforelle: Laichaktivitäten in der
Schwall-Sunk Strecke
Daten: Caviezel 2006
21
Spawning habitat map
1
Habita
Habitat suitability
in
Suitability Index
22
Picture: R. Haas
Channel
Channelization
www.swisstrails.ch
Study case
Hasliaare
Groynes
2
Gravel bars
23
Spawning habitat
a) Residual flow
Scale
Suitability Index:
Upstream HPP 9 m3/s
0
20
SHR
b) Groynes
Low
4%
Off-peak
9
m3/s
High
100 [m]
Stable Instable Dewatered
100 %
Off-peak
0.6 %
100 %
Peak 27 m3/s
Gravel bars
Peak 27 m3/s
Low
12 %
9
m3/s
High
100 %
Off-peak
1.8 %
9 m3/s
100 %
Peak 27 m3/s
Peak 27 m3/s
d) Channel
Low
3%
Off-peak
9 m3/s
Peak
27 m3/s
High
Picture: R. Haas
2
c) Gravel bars
Off-peak
Channel
9 m3/s
100 %
Off-peak
9 m3/s
Peak
27 m3/s
~0 %
Channelization
Groynes
0.9 0.7 0.5 0.3 0.2 0
Dynamic index:
Flow direction
24
Hydropeaking effects on
the abundance of 0+-trout
25
Natural reproduction
0+-trout Vorderrhein River
9.7.2006
26
Reaches with hydropower regime
2006: per 100 m shore length: 2 0+-trout
27
Reaches without hydropeaking
2006: per 100 m shore length : 60 0+-trout
28
Stranden von Fischen und Benthos
• Vor allem Jungfische gefährdet
• Cypriniden starker gefährdet als Salmoniden
• Mögliches Stranden hängt von
verschiedenen Faktoren ab
• langsamer Pegelrückgang ist anzustreben
(10-20 cm pro Stunde: Studien aus Norwegen)
29
Drau River A: hydropeaking
picture: G. Unfer
30
pictures G. Unfer
31
Fischbiomasse in kg/ha
Verhältnis Schwall:Sunk
Jungwirth 1992.
32
Auswirkungen von Schwall-Sunk
196 Telemetrie-Beobachtungen zeigten,
dass Seeforellen am Wochenende
grössere Distanzen zurücklegen
(Wochenende ohne Schwallabfluss)
3’735 m pro Tag am Wochenende
2’494 m pro Tag an Wochentagen
33
Wilcoxon p=0.007
(Mendez 2007)
hydropeaking and fish migration
average weekday
average weekend
Migration of lake resident brown trout
in the Alpine Rhine River
migration (meters/day)
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
1
2
3
N=9 total observation = 196
4
5
6
7
8
9
individual fish
longer migration distances on the weekend (Wilcoxon p=0.007)
data from Mendez 2007
34
Terrestrische Uferfauna
+
+
+
+
Vorderrhein
+
+
Hinterrhein
+
+
- +
+ -
+
-
+
-
-
-
-
entlang von 12 Flussabschnitten (Tockner et al. 2004)
35
12.12.2014
36
12.12.2014
37
Hydropeaking regime in the Rhone River
weekend
Sat
12.12.2014
38
Sun
Mon
Tue
Wed
Thur Fri
Modification of the flow regime
1951-1975
1976-2003
Pardé-coefficient
1905-1950
months
12.12.2014
39
Temperature
Spring/summer: today about 1 ° C cooler
than 1904/1905
Winter: today up to 2 ° C warmer
12.12.2014
40
River bed clogging
(comation)
• a strong river bed clogging is observed
along the course of the Rhone River
• beside river channelization hydropeaking is also responsible for
the clogging of the river bed
• decolmation processes are affected by
a reduction of floods
41
a-diversity
number of Taxa
30
25
20
Coleoptera
Trichoptera
Plecoptera
Ephemeroptera
15
10
5
0
6
Rhone
25
45
65
85
105
125
145
165
distance from the source [km]
Data from Bauer 2002
42
Schwebstoffkonzentration
43
Imhof et al. 2004
Vergleiche der täglichen Schwebstofffrachten des
Winters 2002/03 mit dem Winter 1904/05
Turbidity concentration [mg/l]
Turbidity
Comparison of turbiditiy concentration in December
44
summer
winter today
winter
before 1950
from Berry et al. 2003
45
Possible measures to reduce the impacts
of hydropeaking
• Turbined water is directly released to the Lake
(by a separate river)
• increasing the minimum amount of water
returned from the hydropower plant
• smoothing the transition between
surge and low-water phases
• reduction of hydropeaking by retention
(construction of storage reservoirs)
46
Mitigation of hydropeaking
• Increase residual flow
• Discharge limitations
• Limited drawdown range
• Structural measures
• Compensation basins/caverns
• Diversion of powerhouse outflow
• Morphological measures
Mitigation
• Operational measures
3Effec
• Widening
• Increase instream heterogeneity
• Create flow refugia
47