De Cesare, G.

Schleiss, Anton

Zuglian, R.

Infoscience - École polytechnique fédérale de Lausanne

Am Beispiel eines kleinen hundertjähri-gen Speichers wird aufgezeigt, wie einnachhaltiges Sedimentmanagementumgesetzt werden kann. Durch Leitin-seln werden Schwebstoffe von denZuläufen so direkt als möglich zurTriebwasserfassung und somit via Turbinen ins Unterwasser geleitet.Aufgrund dieser auch ökologisch interessanten Massnahme wird einAbsetzen der Feststoffe verhindert.Giovanni De Cesare, Anton Schleissund Reto ZuglianDie Notwendigkeit nachhaltigen Sedimentmana-gements wurde lange Zeit vernachlässigt. DieKenntnisse der massgebenden Erosions-, Trans-port- und Ablagerungsprozesse, welche zu Spei-cherverlandung führen, sind in den Grundzügenseit langem bekannt. Jedoch wurde der Verlan-dung in der letzten Zeit durch Sichtbarwerden unddurch deren Einfluss auf den normalen Betriebvermehrt Aufmerksamkeit geschenkt (Sinnigerund De Cesare, 1997). Gemäss aktuellen Studienzur Verlandung von Speichern weltweit (Palmiereet al. 2001 und Schleiss und Oehy 2002) mussmit einem Verlust von mehr als 50% des Speicher-volumens in den nächsten Jahrzehnten gerechnetwerden. Um dem vorzukommen, sollten bei beste-henden wie auch bei neuen Anlagen konsequentder Thematik gerechte Massnahmen ergriffenwerden, um diese einheimische, saubere Energie-quelle für weitere Generationen zu erhalten. Mass-nahmen sind in allen Bereichen möglich, vom Ero-sionsschutz im Einzugsgebiet über Längenprofil-stabilisierung der Zuflüsse bis hin zum Durchleitender Sedimente durch den Speicher direkt ins Un-terwasser, falls diese gehäuft auftreten und derVorfluter diese ohne Umweltschädigung weiter-transportieren kann. Die vorliegende Studie zieltauf die Reduktion der Verlandung des SpeichersGübsensee der St. Gallisch-Appenzellischen Kraft-werke AG (SAK). Die Grundelemente der Anlageund die Lage der Zuleitungen und der Wasserfas-sung im Bereich des Gübsensees sind in Bild 1und Bild 2 ersichtlich. Das Grundkonzept dieserAnlage mit Wasserfassungen und Entsander, Um-leitung in einen parallelen Speicher und nach Aus-nützen des Gefälles im Maschinenhaus Rückgabean den Fluss, ist in Bezug auf den Sedimenthaus-halt optimal, da die Feststoffe mehrheitlich in denZuflüssen verbleiben. Trotzdem hat der Stausee inden letzten 90 Jahren 25% seines ursprünglichenNutzvolumens von 1,47 Mio. m3 verloren. DieserSpeicherGübsensee20 | wasserbau 6|2006BII_06_(020_027)  22.6.2006  15:06 Uhr  Seite 20Bild 1: Übersichtskarte des Speichers Gübsensee mit den Hauptelementen der Kraftwerksanlage(Speicher, Triebwasserfassung, Zuläufe und Kraftwerk).Verlust beträgt etwa 50% im Ostteil des Sees, wosich die Triebwasserfassung und die beiden Zu-läufe befinden.Beschreibung der AnlageDer Speicher Gübsensee wurde zwischen 1898und 1900 erstellt. Die natürliche Vertiefung im«Gübsenmoos» wurde durch Aufschüttung zweierErddämme sowie einer Gewichtsmauer zu einemTagesspeicher ausgebaut. Der Normalstau wurdebei 682,30 m ü. M. festgelegt. Der Gübsenseewird als Tagesspeicher betrieben, der Seespiegelvariiert um maximal 1,58 m pro Tag zwischen680,70 m ü. M. und 682,28 m ü. M.Der See wird durch zwei Zulaufstollen gespiesen,welche Wasser aus den Flüssen Sitter und Ur-näsch durch einen ca. 6,5 km, respektive 4,6 kmlangen Stollen herbeileiten (Bild 1). Die Zufluss-mengen sind in etwa gleich gross und betragen0,5 bis 4,6 m3/s bei der Sitter, resp. bis 4,7 m3/s6|2006 wasserbau | 21Bild 2: Modell mit den Hauptelementen des Speichers Gübsensee.BII_06_(020_027)  22.6.2006  15:06 Uhr  Seite 21bei der Urnäsch und werden hauptsächlich durchNiederschlag und Schneeschmelze bestimmt. Beiden Einläufen der beiden Stollen sind jeweils Ent-sander angeordnet, welche die groben Sedimenteaussondern. Es werden somit keine Partikel grös-ser als ca. 0,5 mm dem Speicher zugeführt, dasFeinmaterial gelangt hingegen in Suspensiondurch die Zuleitstollen in den Speicher, wo es sichabzusetzen vermag.Das 1976 erneuerte Kraftwerk Kubel hat 3 Turbi-nen, je zwei mit einer nutzbaren Durchflusskapazi-tät von 4,0 bis 8,0 m3/s und der Dritten, welchezwischen 0,5 und 2,0 m3/s Wasser zu verarbeitenvermag. Die durchschnittliche Jahresproduktionbeträgt 33 GWh mit einer installierten Kapazitätvon 15 MW, einem maximalen Abfluss von 18 m3/sund einer mittleren Fallhöhe von 70 m. Seegrund-aufnahmen von 1976 und 1997 zeigen einen Vo-lumenverlust von bis zu 50%, verglichen mit demAusgangszustand mit grösseren Auflandungen imBereich der beiden Zulaufstollen (Bild 3). Diesewurden jeweils lokal ausgebaggert, in den Westteiltransferiert und dort wieder eingebracht. Über denganzen See verteilt erreicht der Verlust an Spei-cherkapazität um die 25%.ZieleDas Ziel der Studie war es, das Geschwindigkeits-feld und deren Einfluss auf den Sedimenttransportfür unterschiedliche Betriebszustände zu untersu-chen und den Einfluss von geeigneten betriebli-chen und technischen Massnahmen auszuwerten.Zu diesem Zweck wurde ein nummerisches 3-D-Modell erstellt und mit dem Flow-3-D-Rechen-programm die Fliessbedingungen im See ermittelt.(Flow Science 2004). Das Programm erlaubt, dieTransportgleichungen in komplexer dreidimensio-naler Geometrie mit der Methode der finiten Volu-men zu lösen. Der Ansatz zur Bestimmung derturbulenten Strömungsanteile basiert auf demk-e-Turbulenzmodell. Massnahmen wie Unter-wasserleitwände und Umlenkmauern erlauben es,Sedimentablagerungen im Speicher zu verringernund Feststoffe in Richtung Triebwasserfassung zuführen. Es gilt dabei, für die jeweils massgebendeKorngrösse der Feststoffe die kritische Fliessge-schwindigkeit zwischen Transport und Ablagerungim Speicher nicht zu unterschreiten.22 | wasserbau 6|2006Bild 4: Ermittlung der kritischen Fliessgeschwindigkeiten gemäss Hjulström (1935) für die zugeführtenFeststoffe.Bild 3: Längenprofil des Gübsensees von 1997 und Teilprofil von 1976, verglichen mit demAusgangszustand 1900 und schematische Darstellung der Lage beider Zuläufe.BII_06_(020_027)  22.6.2006  15:06 Uhr  Seite 22Bild 5: Details der vorgeschlagenen Massnahme mit den geometrischen Elementen (künstliche Inseln,versenkte Holzpalisadenwände, Umlenkwände bei den beiden Zulaufbauwerken).GrundlagenEin nummerisches Geländemodel des Seegrundeswurde aufgrund der Seegrundvermessung von1997 erstellt. In die Seetopographie und Dämmewurden die Zulaufstollen und die Triebwasserfas-sung eingebaut. Das Modell wurde in kubischeZellen mit 2 m Seitenlänge unterteilt, wobei lokalbei den Zuläufen und der Triebwasserfassung klei-nere Zellen von jeweils 1m Seitenlänge angewen-det wurden. Es ergeben sich total 299 520 Zellen.Aufgrund erster Rechnungen im Gesamts p e i c h e r,wo keine nennenswerten Zirkulationen im We s t t e i ls t at t f i n d e n , konnte der See auf den für den Betriebund die Sedimentation massgebenden Ost-teil re-duziert werden, das Wasser kann jedoch frei andieser Modellgrenze zirkulieren.Der See wird durch zwei Zulaufstollen gespiesen,welche im Modell jeweils denselben Zufluss ha-ben. Der Ausfluss durch die Triebwasserfassungwird auf der gegenüberliegenden Seite eingege-ben. Folgende drei Kombinationen wurden im Ist-Zustand und mit den vorgeschlagenen Massnah-men gerechnet:1. Gleichgewichtszustand, Kontinuität zwischenZufluss und A u s fluss (Tu r b i n i e r w a s s e r m e n g e ) , j e-w e i l s 8,0 m3/s, bei Minimal-, mittlerem undMaximalstau.2. Füllszenario, Zufluss (9,3 m3/s) bei minimalerTurbinierwassermenge von 2,0 m3/s bei niedrigs-tem Wasserspiegel (680,70 m ü. M.). Hier ergebensich die grössten Geschwindigkeiten im Bereichder Zuläufe, wobei die Sedimente am weitestentransportiert werden, jedoch nicht in RichtungTriebwasserfassung, sondern gegen den Westteildes Sees.3. Leerungsszenario mit maximaler Turbinierwas-sermenge (18,0 m3/s), Ausfluss grösser als Zu-fluss (8,0 m3/s) bei maximalem Wasserspiegel(682,28 m ü. M.). Hier ergeben sich die kleinstenGeschwindigkeiten im Bereich der Zuläufe, die Se-dimente werden somit kaum weitergeleitet.Es wurden sowohl beim Einlauf in die Stollen alsauch beim Zulauf in den See Sedimentproben ent-nommen und im Labor auf die Korngrössenvertei-lung untersucht. Einzelne Partikel, welche bis zumSee gelangen, haben einen maximalen Durchmes-ser von ca. 2 mm, 90% aller Sedimente sind klei-ner als ca. 0,4 mm.LösungsansätzeWie schon erwähnt, zielen die Massnahmen da-rauf ab, die Sedimente gar nicht erst im See abla-gern zu lassen, sondern weiterzuleiten. Da die reinbetriebliche Variante mit Seespiegelabsenkung auf6|2006 wasserbau | 23BII_06_(020_027)  22.6.2006  15:06 Uhr  Seite 23den Minimalstau (680,70 m ü. M.) und kontinuier-lichem maximalen Turbinenbetrieb von 18,0 m3/sdie Effizienz nicht genügend zu steigern vermag(und auch keine weitreichende Spülwirkung er-gibt), wurde die Idee mit Umlenkung der Zulauf-strömung in Richtung Triebwasserfassung undLeitwänden hier weiterverfolgt und nummerischsimuliert (Awad 2005 und Awad et al. 2005).Bestimmung der kritischenFliessgeschwindigkeitenDa der Transport der eingebrachten Sedimente inden Speicher an die Strömung des Wassers ge-bunden ist, musste eine Beziehung zwischen derFliessgeschwindigkeit und dem Verhalten der Se-dimente (Absetzung, Transport und Erosion) inFunktion der massgebenden Korngrössen ange-wendet werden. Es wurde der Ansatz von Hjul-ström (1935) verwendet. Dieser ergibt für diemassgebenden Korngrössen eine kritische mitt-lere Fliessgeschwindigkeit von ca. 3 cm/s, welcheein Absetzen von mehr als 90% der Feinpartikelverhindern sollte. Die Lösungsansätze wurden aufeine minimale Geschwindigkeit von 4 cm/s ausge-legt, welche den Transit der Sedimente zwischenden Zuläufen und der Triebwasserfassung ins Un-terwasser erlaubt.Lenkung der Zuläufein Richtung TriebwasserfassungDas nummerische Modell im Ist-Zustand wurde mitfolgenden neuen Elementen erweitert (siehe Bild5 ) :• Jeweils zwei Umlenkmauern, vom Seegrund biszur Wa s s e r o b e r fläche reichend, welche direkt andie beiden Stollenausgänge angebaut werden undetwa 6 m weit in den See reichen.• Drei Unterwasserleitwände (106 m, 65 m und61 m lang), welche in regelmässigen A b s t ä n d e n24 | wasserbau 6|2006Bild 6: Modell des Speichers mit den vorgeschlagenen Unterwasserleitwänden und den fünf künstlichenInseln, sichtbar gemacht dank abgesenktem Seespiegel ein Meter unter der Oberkante der Holzpalisa-denwände.Bild 7: Fliessgeschwindigkeiten im heutigen Zustand (links) und mit den vorgeschlagenen Massnahmen(rechts). Geschwindigkeitsskala von 0,00 bis 0,40 m/s, minimaler Wasserspiegel 680,70 m ü. M.,Zufluss = Ausfluss = 8,0 m3/s.BII_06_(020_027)  22.6.2006  15:06 Uhr  Seite 24bis über die Wa s s e r o b e r fläche gebaut, lokal ver-breitert und aufgefüllt werden, um kleine ge-schützte Vogelinseln zu gestalten.Die Unterwasserleitwände (ohne verbreiterte Vo g e l-inseln) wurden im nummerischen Modell mittelsaneinander gereihter Zylinder ausgeführt (Bilder 5und 6). Die Oberkante der Leitwände befindet sichzwei Meter unterhalb des Minimalstaus, diese sindmit Ausnahme der Inseln somit nicht sichtbar.Validierung durch nummerische SimulationDie Fliessgeschwindigkeiten im heutigen Zustand,verglichen mit den vorgeschlagenen Massnahmen,sind in Bild 7 für gleiche Zufluss- wie Turbinier-wassermenge bei Minimalstau ersichtlich. Im Ist-Zustand weist das Geschwindigkeitsfeld im Prinzipgenügend hohe Geschwindigkeiten (> 4 cm/s)auf. Hingegen hat es eine schlechte Orientierungmit einer klaren Tendenz hin zum Westteil desSees. Die hohen Geschwindigkeiten im Bereichder seichten, den Zuläufen gegenüberliegendenUfer sind bedingt durch Randeffekte des numme-rischen Modells. Die Lenkungswirkung der vorge-schlagenen Massnahmen ist gut ersichtlich unddie Abdrift in den Westteil des Sees kann beinahevollständig unterbunden werden.Zur Visualisierung der bevorzugten Fliesswegewurden analog zu Feldversuchen nummerischeTr a c e rversuche durchgeführt. Diese erlauben es,das Fliessverhalten von Schwebstoffen im Speicherq u a l i t ativ darzustellen und die Effizienz der Mass-nahme zu prüfen. Die Auswertung über denselbenReferenzzeitraum der Menge an durchgeleitetemTracer lässt eine Verbesserung des Schwebstoff-transits für alle Betriebszustände erkennen. Tab e l l e1 fasst die Menge an Tracer (resp. F e i n s e d i m e n-t e n ) , welche in die Triebwasserfassung gelangt, i nProzent des Zuflusses zusammen.Wie zu erwarten, gelangen während des Füllensdes Speichers am wenigsten Sedimente in dieWasserfassung, doch genau hier kann dieser An-teil von 19 auf 32% gesteigert werden.Im heutigen Zustand (Bild 8) ist klar ersichtlich,dass ein Grossteil der Feststoffe nicht bis zur Was-serfassung gelangt, sondern sich gegen Westenhin entfernt und dort ablagert. Bild 8 auf der rech-ten Seite zeigt ein besser konzentriertes Bild derSchwebstoffe, welche in grösserem Umfang zurTriebwasserfassung geleitet werden.6|2006 wasserbau | 25Bild 8: Zur Charakterisierung bevorzugter Fliesswege angewandte nummerische Tracerversuche, welchedas Fliessverhalten von Schwebstoffen im Speicher qualitativ darstellen, im heutigen Zustand (links) undmit den vorgeschlagenen Massnahmen (rechts). Tracerindikatorskala von 0,00 bis 1,00 (0 bis 100%),minimaler Wasserspiegel 680,70 m ü. M., Zufluss = Ausfluss = 8,0 m3/s.Tabelle 1: Auswertung der Menge an durchgeleitetem Tracer (resp. Feinsedimenten) für die verschiede-nen Betriebsszenarien im Ist-Zustand und mit den vorgeschlagenen Massnahmen.Abflusskontinuität Füllszenario LeerungsszenarioIst-Zustand 23% 19% 27%Mit Massnahmen 35% (+52%) 32% (+68%) 34% (+26%)BII_06_(020_027)  22.6.2006  15:06 Uhr  Seite 25SchlussfolgerungenDie Beeinträchtigung des Betriebes sowie der Vo-lumenverlust durch Sedimentablagerungen gehö-ren zu den Hauptproblemen in Wasserkraftwerkenmit Speichern. Beim Tagesspeicher Gübsensee imKanton St. Gallen gingen in rund 90 Jahren Betriebim wichtigen Ostteil des Sees 50% des Volumensverloren. Die vorliegende Studie präsentiert tech-nische Massnahmen, um Sedimentablagerungenim Speicher Gübsensee zu reduzieren und denSpeicher nachhaltig zu bewirtschaften. Durch ge-eignete Massnahmen wie Unterwasserleitwändeund Umlenkmauern werden Schwebstoffe so di-rekt wie möglich durch die Triebwasserfassungund die Turbinen ins Unterwasser abgeleitet undkönnen sich gar nicht erst im See ablagern. Dankden vorgeschlagenen Massnahmen konnte einestark verbesserte Durchleitung von Schwebstoffenund somit weniger Sedimentablagerungen imSpeicher für alle Betriebzustände erreicht werden.Ausserdem bietet der Bau von kleinen Vogelinseln,welche teilweise aus den Unterwasserpalisaden-wänden herauswachsen, für Zugvögel und Amphi-26 | wasserbau 6|2006Der abgesenkte Seespiegel.BII_06_(020_027)  22.6.2006  15:06 Uhr  Seite 26bien Brut- und Zufluchtsstätten. Die spezifischenökologischen Verhältnisse und das Fehlen direktermenschlicher Störungen solcher isolierter Plätzesind ideal. Diese ökologische Massnahme istüberdies gut in das bereits sehr attraktive Nah-erholungsgebiet der Stadt St. Gallen integrierbar.Es ergibt sich somit eine Synergiesituation, vonwelcher alle Beteiligten profitieren.Dr. Giovanni De Cesare, dipl. Bau-Ing. EPF, Prof.Dr. Anton Schleiss, dipl. Bau-Ing. ETH, Laboratoirede constructions hydrauliques (LCH), EcolePolytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL),und Reto Zuglian, Leiter der Kraftwerke,St. Gallisch-Appenzellische Kraftwerke AG (SAK), St. Gallen6|2006 wasserbau | 27Bibliografie1) Sinniger, R., De Cesare, G. (1997): Kraftwerkstechnik – Verlandung von Stauseen. In: SchweizerischeTechnische Zeitung, STZ 4/97, S. 30–33.2) Palmiere, A., Shah, F. and Dinar, A. (2001): Economics of reservoir sedimentation and sustainablemanagement of dams. Journal of Environmental Management, Vol. 61, No. 2, S. 149–163.3) Schleiss, A.; Oehy, Ch. (2002): Verlandung von Stauseen und Nachhaltigkeit. wasser, energie, luft –eau, énergie, air, 94. Jahrgang 2002, Heft 7/8, S. 227–234.4) Flow Science (2004): FLOW-3D® User Manual, Flow Science Inc., Santa Fe, NM, USA.5) Awad, I. (2005): Sedimentation in the Gübsensee – Numerical modelisation and optimization of technical measures to reduce sedimentation inside the lake. In: Mitteilung des LCH Nr. 23, Master ofAdvanced Studies (MAS) in hydraulic schemes, Edition 2003–2005, Collection of papers of the diplomatheses, ISSN 1661-1179, Lausanne, EPFL, S. 13–21.6) Awad, I., De Cesare, G., Schleiss, A., Zuglian, R. (2005): Potential of sediment transfer in a shallowstorage lake, numerical modeling to assess the efficiency of technical solutions and their optimization,Proceeding of Hydro 2005. Policy into Pratice (auf CD-ROM), 17–20 October 2005, Villach, Austria,N°15.11, S. 1–8.7) Hjulström, F. (1935): The Morphological Activity of Rivers as illustrated by River Fyris. Bull. Geol. Inst.,Uppsala, No. 25, S. 89–122.BII_06_(020_027)  22.6.2006  15:06 Uhr  Seite 27

Speicher Gübsensee

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