Wasser Energie Luft 3/2020 by Schweizerischer Wasserwirtschaftsverband SWV

3-2020

10. September 2020

Geissenparadies Göscheneralptal (Foto: © www.geissenparadies.ch)

• Fernerkundung • Zukunft Schweizer Wasserkraft • Prévision hydrologique • Murgangversuche

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WEL 2-2020

WEL 1-2020

WEL 4-2019

WEL 3-2019

WEL 2-2019

WEL 1-2019

WEL 4-2018

WEL 3-2018

WEL 2-2018

WEL 1-2018

WEL4-2017

WEL 3-2017

WEL 2-2017

WEL 1-2017

WEL 4-2016

WEL 3-2016

Editorial Und zum Schluss: Danke!

Roger Pfammatter Geschäftsführer SWV, Directeur ASAE

Da ist sie nun, die vierzigste und letzte unter meiner Regie publizierte Ausgabe von «Wasser Energie Luft». Vierzig Ausgaben in zehn Jahren. Eingebettet zwischen den weltbewegenden Ereignissen «Fukushima» und «Corona». Gefüllt mit geballtem Fachwissen rund um den Wasserbau und die Wasserkraft. Geschrieben von ausgewiesenen Experten ihres Faches. Meistens nicht leicht verdauliche Kost. Aber seichte Unterhal tung ist auch nicht der Anspruch dieser Zeitschrift. Sie stemmt sich damit bislang erfolgreich gegen die Tendenz zum postmodernen Gezwitscher. Die Zeitschrift ist einer langen Tradition verpflich tet, gibt es sie doch bereits seit dem Jahr 1908. He rausgegeben zuerst als «Schweizerische Wasserwirt schaft», zwischen 1931 und 1934 für kurze Zeit als «Schweizerische Wasser- und Energiewirtschaft», ab 1935 während vier Jahrzehnten als «Wasser- und Energiewirtschaft» und seit 1975 nun als «Wasser Energie Luft». Verglichen mit diesen insgesamt hun

dertzwölf Jahrgängen, sind zehn Jahre natürlich ein Klacks. Aber für mich ist das nun genug, und ich ziehe weiter. Die tollen Aufgaben rund um die Zeitschrift über gebe ich dem neuen Geschäftsführer des Schweize rischen Wasserwirtschaftsverbandes (vgl. Nachrichten beitrag im WEL 2-2020, Seite 143, verbunden mit den besten Wünschen zum guten Gelingen. Und in der Hoffnung, der Verband möge sich die Zeitschrift als wertvolle Plattform für den fundierten Wissenstransfer zwischen Forschung und Praxis auch weiterhin leisten. Zum Schluss bleibt mir zu danken: allen voran den Autoren und Autorinnen für ihre wertvolle unentgeltliche Arbeit, den Abonnenten und Inserenten für ihre Deckungsbeiträge, dem Verlags- und Redaktions team sowie der Druckerei für die professionelle und zuverlässige Administration und Produktion – und nicht zuletzt natürlich Ihnen allen, geschätzte Leserinnen und Leser, für das Interesse.

Et pour conclure: merci! Le voici, le quarantième et dernier numéro de la revue «Eau énergie air» publié sous ma direction. Quarante numéros en dix ans. Nichés entre les événements touchant le monde entier «Fukushima» et «Corona». Remplis d’un concentré de connaissances spécialisées sur l’ingénierie et l’énergie hydraulique. Rédigés par des experts confirmés dans leur domaine. Avec la plupart du temps une pitance pas facile à digérer. Mais une conversation fade n’est pas le but de cette revue. Jusqu’à présent, elle a résisté avec succès à la tendance au gazouillement post-moderne. La revue est également tenue par une longue tradition, puisqu’elle existe depuis 1908. Elle a été publiée au début sous le nom de «Aménagement suisse des eaux», pendant une courte période entre 1931 et 1934 sous le nom de «Aménagement suisse des eaux et de l’énergie», puis à partir de 1935 et pendant quatre décennies sous le nom de «Aménagement des eaux et de l’énergie» et enfin depuis 1975 sous le nom de

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 3, CH-5401 Baden

«Eau énergie air». Comparé aux cent douze années de publication à ce jour, dix ans représentent bien peu. Mais pour moi, cela suffit et il est temps de passer à autre chose. Je passe le relais des travaux inhérents à la revue au nouveau directeur de l’ASAE (cf. l’article dans WEL 2-2020, page 143), accompagné des meilleurs vœux de succès pour l’avenir. Et dans l’espoir que l’Association continuera à offrir à la revue une plateforme précieuse pour le transfert de connaissances entre la recherche et la pratique. Pour finir, il me reste à remercier: avant tout les auteurs pour leur précieux travail non rémunéré, les abonnés et les annonceurs pour leurs contributions, l’équipe de publication, la rédaction ainsi que l’imprimerie pour l’administration et la production de manières professionnelles et fiables – et enfin, bien sûr, vous tous, chères lectrices et chers lecteurs, pour votre intérêt.

III

Inhalt 3 / 2020

157

Zukunft der Schweizer Wasserkraft: Sicht Wasserkraftwerksbetreiber

Michel Piot

165

Bemessung von klassischen Tosbecken unterhalb von Treppenschussrinnen

Ivan Stojnic, Michael Pfister, Jorge Matos, Giovanni De Cesare, Anton Schleiss

171

Schneekartierung aus dem All – das Potenzial frei verfügbarer Satellitendaten

162

Reik Leiterer, Hendrik Wulf, Gillian Milani, Bernhard Sassik, Yves Bühler, Jan D. Wegner

175

Estimation spatiale des précipitations et assimilation de données de débit pour la prévision hydrologique en milieu alpin

Alain Foehn, Javier García Hernández, Giovanni De Cesare, Andrea Rinaldo, Bettina Schaefli, Anton J. Schleiss

166

173

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 3, CH-5401 Baden

Inhalt 3 / 2020

183

Zukünftige Veränderungen des Wasserangebots im Lötschental

Matthias Nyfeler, Holger Frey, Christian Huggel

191

Quadrokoptervideo-basierte Vermessung von Fliessgewässern

Martin Detert, Andreas Prokoph, Guido Derungs, Volker Weitbrecht

183

199

Erkenntnisse aus physikalischen Murgang versuchen für die Planung von Schutzmass nahmen am Beispiel Fellbach, VS

atherine Berger, Andrea-Kristin Bachmann, C Jürg Speerli, Florian Zimmermann, Walter Clausen

207

La passe à méandres – une alternative à la passe à fentes verticales

Matthias Mende, Werner Dönni, Ulf Helbig, Aurélie Koch, Michael Müller, Vasco Neuhaus, Klaas Rathke

197

219

Nachrichten 219 Politik 220 Energiewirtschaft 220 Wasserkraftnutzung 221 Veranstaltungen 222 Agenda 222 Personen 222 Publikationen 223 Zeitschriften

224 227 227

Publireportage

Impressum

204

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 3, CH-5401 Baden

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«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 3, CH-5401 Baden

Zukunft der Schweizer Wasserkraft: Sicht Wasserkraftwerksbetreiber Michel Piot

Zusammenfassung Die Schweizer Wasserkraft vermag Energie, Kapazität und Flexibilität anzubieten und weist eine herausragende Gesamtenergiebilanz auf. Trotzdem sieht sie sich nebst Chancen auch mit zahlreichen Hürden konfrontiert. Basierend auf Themen feldern und Wirkungszusammenhängen werden im vorliegenden Artikel die aus Sicht eines Wasserkraftwerksbetreibers bestehenden und zu erwartenden Heraus forderungen nach Relevanz und Beeinflussbarkeit dargestellt. Während in der ersten Hälfte des Jahrhunderts nachfrageseitige Themenfelder wie die globale Energieund Klimastrategie im Fokus liegen, werden es in der zweiten Hälfte aufgrund der fortschreitenden Auswirkungen der Klimaänderung vermehrt auch angebotsseitige sein. Wasserkraftwerksbetreiber sind gefordert, um die über hundertjährige Erfolgs geschichte der Schweizer Wasserkraft fortschreiben zu können. Die Voraussetzungen aber sind günstig: Mit dem gewollten Übergang auf ein Netto-null-EmissionenEnergiesystem im Jahr 2050 kommt den Stromdienstleitungen aus erneuerbaren Energien eine Schlüsselrolle zu. Die Schweizer Wasserkraft bleibt somit zukunftsfähig, allerdings ist ihr Sorge zu tragen, indem nicht stets noch höhere und widersprüchliche Erwartungen an sie gestellt werden.

Resumé La force hydraulique suisse, synonyme d’énergie, de capacité et de flexibilité, affiche un bilan énergétique global exceptionnel. Malgré ces atouts, elle est confrontée à de nombreux obstacles. Sur la base de champs thématiques et de rapports de causalité, les défis actuels et futurs sont représentés du point de vue d’un exploitant de centrale en fonction de la pertinence et du potentiel d’influence. Alors que les thèmes liés à la demande tels que la stratégie énergétique et climatique globale domineront pendant la première moitié du siècle, ceux de la deuxième moitié se concentreront plutôt, au vu du processus de changement climatique, sur l’offre. Pour les exploitants de centrales, le défi consiste à pérenniser l’histoire à succès, qui perdure depuis plus de cent ans, de la force hydraulique suisse. Les conditions sont favorables: avec la décision de passer à un système énergétique à zéro émission en 2050, les prestations liées à l’électricité issue d’énergies renouvelables jouent un rôle clé. La force hydraulique reste porteuse d’avenir, et il faut veiller à ne pas lui porter préjudice avec des attentes toujours plus élevées et souvent contradictoires.

1. Ausgangslage Strom aus Schweizer Wasserkraft – ein Wachstumsmarkt Die Wasserkraft hat die Stromproduktion in der Schweiz seit Anbeginn der Elektrifizie rung, die im Jahr 1879 im Badrutt’s Palace Hotel in St. Moritz ihren Anfang nahm, dominiert. Zwar ist ihre relative Bedeutung, gemessen als Anteil an der Gesamtproduk tion, im Verlaufe der Jahrzehnte auf unter dessen rund 56 Prozent zurückgegangen,

ihre absolute Bedeutung, gemessen als jährliche Produktionserwartung, hat aber kontinuierlich zugenommen und liegt heute bei fast 37 TWh. Auch bei der Flexibilität, gemessen an der Pumpenleistung (ohne Zubringerpumpen), liegt die Wasserkraft heute mit 2,7 GW einsam an der Spitze. Gemäss World Energy Outlook 2019 der Internationalen Energieagentur wird die Stromproduktion im Jahr 2040 im Szenario «Current Policies» weltweit gegenüber 2018 um 61 Prozent zunehmen, im Szenario

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 3, CH-5401 Baden

«Sustainable Development» sind es 46 Prozent. Auch innerhalb Europas ist in den beiden Szenarien mit einer erheblichen Zunahme zu rechnen (Tabelle 1). Während im Szenario «Current Policies» Erdgas mit 21 Prozent der wichtigste Primärenergie träger zur Stromproduktion sein wird, ist es im Szenario «Sustainable Development» der Wind mit 35 Prozent, gefolgt von Was serkraft und Kernkraft mit je 16 Prozent. Damit kann die Wasserkraft ihre Bedeutung am Produktionsmix in Europa gegenüber heute noch leicht ausbauen. 2018

2040 Szenario Szenario «Sustainable «Current Develop Policies» ment»

TWh Total

GW TWh

4163 1305 5012 1724 5246 2066

Wasserkraft 624 248 762 273 824 293 Windkraft

417 191 1049 353 1860 590

Tabelle 1: Stromproduktion in Europa in den Jahren 2018 und 2040. Daten quelle: IEA (2019). Die Schweiz ist bestrebt, die wegfallende Produktion von Strom aus Kernkraftwerken auf Jahresbasis durch erneuerbare Energien zu ersetzen, allen voran durch Photovoltaik. Bei der Frage, wie unter dieser Prämisse eine sichere, wirtschaftliche und umweltfreundliche Versorgung erzielt werden kann und ob die Schweiz einen bestimmten Eigenversorgungsgrad anstreben oder ge setzlich verankern soll, gehen die Meinun gen allerdings weit auseinander. Die Betreiber von Wasserkraftwerken können je nach Anlage verschiedene, nach folgend als Stromdienstleistungen bezeich nete, Produkte anbieten: Energie, Kapazi tät und Flexibilität. Die Stromdienstleistung Energie (Einheit Joule J [kg·m2 /s2] bzw. kWh) ist die zur Verfügung gestellte Arbeit, die Kapazität (Einheit Watt W [kg·m2 /s3]) die Leistung, also die erste Ableitung der Energie nach der Zeit, und die Flexibilität 157

(Einheit [kg·m2 /s4]), die Ableitung der Leis tung nach der Zeit bzw. die zweite Ablei tung der Energie nach der Zeit, die in der Literatur auch als Leistungsänderungsge schwindigkeit bezeichnet wird. Mit dem verstärkten weltweiten Fokus auf die Klimapolitik wird der damit zwingend zu erfolgende Substitutionseffekt im Wärme- und Mobilitätsbereich in der Schweiz und in Europa zu einer Zunahme der nachgefragten Stromdienstleistung Energie führen. Um diese zusätzliche Nachfrage – ebenfalls unter dem Aspekt der Klimapolitik – erneuerbar anbieten zu können, muss das Angebot an Strom aus Wind und Photovoltaik massiv ausgebaut werden. Aufgrund der geringen Volllast stunden, insbesondere der Photovoltaik, wird entsprechend auch die installierte Leistung des Kraftwerkparks massiv steigen. Gleich zeitig führt die geringe gesicherte Leistung (dena, 2018) dieser beiden Technologien in Zeiten hoher Nach frage zu einem grossen Bedarf an Reserve kapazität: einerseits, wenn der Wind «geplant» nicht weht und die Sonne «geplant» nicht scheint, in Form von Kapazität über möglicherweise einen längeren Zeitraum und andererseits, bei «ungeplanten» Wind verhältnisänderungen und «ungeplanten» Änderungen in der Einstrahlung, in Form von hohem Flexibilitätsbedarf über einen eher kürzeren Zeit raum. In der Konse quenz bedeutet dies, dass für sämtliche von der Schweizer Wasserkraft angebo tenen Stromdienstleistungen mit einer deutlichen Zu nahme der Nach frage zu rechnen ist. A priori sind dies insgesamt somit optimale Voraussetzungen für eine rosige Zukunft der Wasserkraft. Allerdings gibt es zahlreiche Punkte, die diese rein positive Einschätzung trüben. Im vorlie genden Artikel werden die zukünftigen Her ausforderungen für die Schweizer Wasser kraft im Allgemeinen und für Wasserkraft werksbetreiber im Speziellen aufgezeigt. Strom aus Schweizer Wasserkraft – wo bleiben die Preissignale? Die in den letzten fünfzehn Jahren erzielbaren Strompreise lassen Zweifel aufkommen, ob die Wasserkraft mit der aktuellen Marktausgestaltung in Form eines Energy-only-Marktes langfristig wirtschaft lich betrieben werden kann. So zeigt ein Blick zurück bis ins Jahr 2004 – also seit der Verfügbarkeit von Strompreisdaten an der Börse für das Marktgebiet Schweiz –, dass die Preise ab dem Jahr 2012 unter den auf ein Normproduktionsjahr umge rechneten Gestehungskosten lagen (Bild 1) und sich die Niveaus der Peak-Preise (Mon 158

Bild 1: Spotpreise an der Strombörse Schweiz (Base schwarz, Peak blau) im Vergleich zu den Gestehungskosten (rot). Datenquellen: ENTSO-E Transparency Platform, Piot (2017). tag bis Freitag, 8 – 20 Uhr) und der BasePreise stark angeglichen haben, was das Geschäftsmodell der Pumpspeicherkraft werke verschlechtert. In den vergangenen zehn Jahren konn ten die meist tiefen Preise mit erheblichen europäischen Überkapazitäten erklärt wer den. In Zukunft wird der massive Ausbau der erneuerbaren Energien bei gleichzeitigem Rückgang der konventionell-ther mischen Kraftwerke dazu führen, dass am Energy-only-Markt, der die Grenzkosten der Produktion abbildet, im Normalfall nur erneuerbare Energien mit Grenzkosten null einen Zuschlag erhalten werden, während in Zeiten geringer erneuerbarer Ein speisung, kombiniert mit hoher Nachfrage, hohe Marktpreise resultieren werden. Von diesen hohen Marktpreisen werden aber die meisten Produzenten erneuerbarer Energie gerade nicht profitieren können. Das bedeutet aber, dass die erneuerbaren Energien trotz häufigem Zuschlag am Markt nicht ausreichend Einnahmen generieren können, um die Investitionskosten zu decken. Folglich scheint unter heutiger Aus gestaltung des Marktes eine längerfristige Subventionierung des Ausbaus und des Erhalts der erneuerbaren Energien unausweichlich (siehe dazu Kopp, 2012 und Bode et al., 2013). Obschon also die Aus wirkungen sowohl konventionell-thermi scher Überkapazitäten als auch eines mas siven Ausbaus der erneuerbaren Energien auf die Marktpreise in einem Energy-onlyMarkt vergleichbar sind, haben sie völlig unterschiedliche Ursachen. Handelt es sich bei den konventionell-thermischen Über

kapazitäten um ein temporäres Phänomen, führt der Ausbau der erneuerbaren Energien zu einem systemischen Problem. Diese Beobachtungen bzw. Befürch tungen sind weder neu noch schweizspezifisch, sondern zeigen sich in ganz Europa. Deshalb sind die Diskussionen um die Einführung von Kapazitätsmecha nismen und die Verlängerung von Förder programmen für erneuerbare Energien nicht abgeflacht bzw. wurden in zahlreichen Ländern unter verschiedensten Namen bestehende Instrumente verlän gert oder neue eingeführt. Letztlich geht es um die Frage, ob ein zusätzlicher Markt mechanismus neben dem Energy-onlyMarkt zu etablieren ist, um Investitionen in die Erneuerungen, Erweiterungen und Neu bauten von erneuerbaren Energien zu sichern. Dabei ist festzuhalten, dass mit jedem zusätzlichen länderindividuellen Ein griff in einem europäischen Land die Ge fahr von Verzerrungen steigt und ein einheitliches europäisches Strommarktdesign, das die Bezeichnungen «Markt» und «De sign» verdient, unwahrscheinlicher wird. 2. Schweizer Wasserkraft Themenfelder Um die zukünftigen Herausforderungen der Schweizer Wasserkraft bestimmen zu können, ist eine Übersicht über die die Wasserkraft beeinflussenden Themenfelder und Wirkungszusammenhänge notwendig. Dazu hat der Schweizerische Wasserwirt schaftsverband im vergangenen Jahr durch EBP im Projekt «Zukunft der Schweizer

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 3, CH-5401 Baden

Bild 2: Übersicht über die nachfrageseitigen Themenfelder. Quelle: EBP (2019), leicht bearbeitet.

Bild 3: Übersicht über die angebotsseitigen Themenfelder. Quelle: EBP 2019, leicht bearbeitet. Wasserkraft» (EBP, 2019, Zusammenfas sung Ribi et al., 2020) eine Auslegeordnung und eine systematische Darstellung der Wirkungszusammenhänge erarbeiten lassen. Darin wurden zusammenfassend fünf nachfrageseitige (Bild 2, grau) und acht an gebotsseitige Themenfelder (Bild 3, grau)

eruiert, die den Absatz und die Produktion von Stromdienstleistungen der Wasserkraft massgeblich beeinflussen. Abgeleitet aus diesen Arbeiten soll nachfolgend die Frage beantwortet werden, welche Relevanz und Beeinflussbarkeit die einzelnen Themen felder haben.

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 3, CH-5401 Baden

Begrifflichkeiten und Festsetzungen Um ein gemeinsames Verständnis über den Begriff der Herausforderung sowie zur Beurteilung der Relevanz und Beein flussbarkeit der Themenfelder schaffen zu können, werden zuerst einige Begriffe definiert bzw. umschrieben (Tabelle 2). 159

Begriff

Umschreibung

Akteur

Handelnder, an einem bestimmten Geschehen Beteiligter; handelnde Person

Beeinflussbarkeit

Eigenschaft beeinflussbar zu sein

beeinflussbar

so beschaffen, dass man es beeinflussen kann

beeinflussen

• auf jemanden, etwas einen Einfluss (mit bestimmten Wirkungen) ausüben • Einfluss nehmen auf, einwirken auf, (in eine bestimmte Richtung) lenken

Herausforderung

• Anlass, tätig zu werden; Aufgabe, die einen fordert • Aufforderung zum Kampf

Relevanz

Bedeutsamkeit, Wichtigkeit in einem bestimmten Zusammenhang

Stakeholder

• Person, für die es aufgrund ihrer Interessenlage von Belang ist, wie ein bestimmtes Unternehmen sich verhält • Person(engruppe) ausser den Unternehmenseignern, für die ein Unternehmen einen bestimmten Wert besitzt

Zukunft (selten Zukünfte)

Zeit, die noch bevorsteht, die noch nicht da ist; die erst kommende oder künftige Zeit (und das in ihr zu Erwartende)

zukunftsfähig

künftigen Entwicklungen standhaltend, auch in der Zukunft erfolgversprechend

Tabelle 2: Begriffsbeschreibungen. Quellen: Duden (2015), Wahrig (2011). Um eine Einschätzung über die künftige Zeit und das in ihr zu Erwartende – also die Zukunft oder die Zukünfte – abzugeben, sind in einem ersten Schritt zwei Fest setzungen vorzunehmen: • Wer ist das Subjekt, also welcher Akteur bzw. Stakeholder ist von Interesse? In BFE (2017) werden sämtliche Akteure beschrieben, die bei der Gewährleistung der Stromversorgungssicherheit eine Rolle übernehmen, unterteilt nach Akteuren der Strom wirtschaft und behördlichen Akteuren auf Bundesebene. • Welcher Zeithorizont bzw. welche Zeitperioden sind von Interesse? Einerseits ist zu berücksichtigen, dass die Themenfelder für die jeweiligen Akteure über verschiedene Zeitperioden unterschiedliche Relevanz haben und von diesen jeweils in unterschiedlicher Form beeinflusst werden können. Andererseits sollte eine Beurteilung nur dann erfolgen, wenn das in der Zukunft zu Erwartende genügend gut abgeschätzt werden kann bzw. wenn die Unsicherheiten nicht zu gross sind. Mit diesen Festsetzungen ist es anschlies send möglich, sowohl die Relevanz – also die Wichtigkeit in einem bestimmten Zu sammenhang – als auch die Beeinfluss barkeit – also den Einfluss mit bestimmten Wirkungen – zu beurteilen. Die Relevanz und die Beeinflussbarkeit sind somit das Ergebnis einer Funktion, die vom Akteur und von den interessierenden Zeitperioden abhängig ist. Im Weiteren bedingt die Be urteilung der Relevanz – per Definition – die Festsetzung einer Zielgrösse. 160

Beispiel: Akteur Wasserkraftwerksbetreiber: Die zu beurteilenden Zielgrössen können energiebezogene Grössen sein, wie die mengenmässige Maximierung des Energie absatzes, oder ökonomische Grössen, wie die Maximierung des Gewinns. Akteur Staat: Für ihn ist es eher der volkswirtschaftlich kostenoptimale Beitrag der Schweizer Was serkraft an die Gewährleistung der Versor gungssicherheit der Schweiz. Das heisst, für den Staat ist die Maximierung des Ge winns des Betreibers wenig relevant (höchs tens aus steuerlichen Überlegungen oder wenn er Miteigentümer der Anlage ist), während der Wasserkraftwerksbetreiber nicht für die Gewährleistung der Versor gungssicherheit verantwortlich ist und so mit seinerseits diesen Aspekt für sich als nicht relevant einschätzt. Zudem sind beide Zielgrössen zeitperiodenunabhängig. Beispiel: Thema Gletscherrückgang (als Teil des Themenfeldes «Naturbedingte Ein flüsse auf fassbare Wassermengen»), Ak teur Speicherkraftwerksbetreiber einer An lage mit periglazialem Einzugsgebiet, Zeit perioden Kurz- bis Mittelfrist und Mittelbis Langfrist: Die Relevanzbeurteilung soll anhand des betriebswirtschaftlichen Nut zens der Anlage für den Akteur erfolgen. In der Kurz- bis Mittelfrist hat die Gletscher schmelze als Ergebnis des Klimawandels für den Speicherkraftwerksbetreiber eine erhebliche Relevanz im positiven Sinne. So wurde in Schaefli et al. (2019) gezeigt, dass für die Periode 1980 – 2010 dem Massenver lust der Gletscher jährlich rund 1,0 – 1,4 TWh Wasserkraft zuzuschreiben sind. In der Kurz- bis Mittelfrist dürfte sich an diesem Ergebnis wenig ändern. Die Mehrproduk tion führt ceteris paribus zu einem höheren

Umsatz und in der Folge zu einem verbes serten betriebswirtschaftlichen Ergebnis. Die Beeinflussbarkeit durch den Speicher kraftwerksbetreiber ist vernachlässigbar. In der Mittel- bis Langfrist ist ein Rückgang der Produktion aus dem Massenverlust auf 0,4 TWh zu erwarten. Damit wird der Gletscherrückgang gegenüber heute eine geringere Relevanz haben, und dies mit negativem Vorzeichen. Beispiel: Thema Heimfall (als Teil des The menfeldes Eigentümeraspekte), Akteure Wasserkraftwerksbetreiber und Gemein wesen, Zeitperioden Kurz- bis Mittelfrist und Mittel- bis Langfrist. In der Kurz- bis Mittelfrist ist für den Betreiber der mögliche Heimfall, und damit verbunden die Frage, wer künftiger Eigentümer der Wasserkraft anlage sein wird, von erheblicher Relevanz, da er unter der aktuellen Unsicherheit nicht bereit ist, mehr als das sicherheitstechni sche Minimum in die Anlagen zu investie ren. Dies kann unter Umständen zu einer nicht-optimalen Auslastung der Anlage füh ren, was einen negativen Einfluss auf den betriebswirtschaftlichen Nutzen hat. Für das Gemeinwesen hingegen ist die Rele vanz des Heimfalls in der Kurz- bis Mittel frist untergeordnet, da der Betreiber bis zum Ende der Konzession ein Sondernut zungsrecht am Wasser hat. In der Mittel- bis Langfrist, also nach der Neukonzessionie rung, nimmt die Relevanz für das Gemein wesen vor allem dann zu, wenn es den Heimfall ausübt, denn damit wird es selber erhebliche Investitionen tätigen müssen und dem Marktpreisrisiko an den Strommärkten ausgesetzt sein. Hingegen nimmt die Re levanz für den Betreiber nach dem Heim fallentscheid wieder ab, da der dannzuma lige Eigentümer ein Interesse haben wird, die Wasserkraftanlage betriebswirtschaft lich optimal zu betreiben. Die Beeinfluss barkeit des Heimfalls ist für das Gemein wesen hoch und für den Betreiber mittel. Einschätzung zur Relevanz und Beeinflussbarkeit Basierend auf den obigen Überlegungen, werden nun zwei Einschätzungen – und zwar für das Jahr 2030 und das Jahr 2060 – vor genommen. Akteur sei ein Betreiber von Wasserkraftwerken, der in seinem Port feuille auch Anteile an grösseren Speicher kraftwerken hat, deren Konzessionen zwischen 2040 und 2050 enden. Zielgrösse ist die nachhaltige Maximierung des Gewinns durch das Anbieten der Stromdienstleistun gen Energie, Kapazität und Flexibilität aus Schweizer Wasserkraft. Stellvertretend für die Kurz- bis Mittelfrist werde das Jahr 2030

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 3, CH-5401 Baden

gewählt, also vor Konzessionsende und da mit bevor der mögliche Heimfall eintritt, für die Mittel- bis Langfrist das Jahr 2060. Überlegungen und Einschätzungen zum Jahr 2030 Exemplarisch werden einige Themenfelder herausgegriffen und die angestellten Über legungen dargelegt. • Themenfeld Energie- und Klimapolitik: Die internationalen Bestrebungen zu einer Reduktion des CO2 -Ausstosses und einer Begrenzung des Tempera turanstiegs auf unter 2 °C werden die politischen Diskussionen dominieren. Für den Wasserkraftwerksbetreiber hat das Themenfeld somit eine mittelgrosse Relevanz im positiven Sinne, da seine angebotenen Stromdienstleis tungen relativ attraktiver werden.

Allerdings ist die Beeinflussbarkeit der Klimapolitik auf internationaler Ebene vernachlässigbar; auf nationaler Ebene kann er sich in der Energiepolitik einbringen und so die Strategie mitbeein flussen. Trotzdem bleibt die Beein flussbarkeit insgesamt aber eher klein. • Themenfeld Konkurrenzangebote: Ein starker Wettbewerb zwischen den Technologien (darunter sind auch nachfrageseitige Angebote zu verstehen) hat eine grosse Relevanz für den Kraftwerksbetreiber, allerdings ist die Beeinflussbarkeit klein. • Themenfeld Eigentümeraspekte: bis zur Neukonzessionierung einer Wasserkraftanlage bestehen hohe Unsicherheiten und insgesamt eine hohe Relevanz, die für den Wasser kraftwerksbetreiber negativ einzustufen

Bild 4: Einschätzung der Beeinflussbarkeit und Relevanz der Themenfelder für das Jahr 2030.

Bild 5: Einschätzung der Beeinflussbarkeit und Relevanz der Themenfelder für das Jahr 2060. «Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 3, CH-5401 Baden

ist. So wird er sich mit Investitionen zurückhalten, solange nicht klar ist, wie diese Investitionen in einer Restwert vereinbarung ausgeglichen werden oder er die Gewissheit hat, weiterhin Konzessionär der Anlage zu bleiben. Die Beeinflussbarkeit durch ihn ist mittel, da es sich um ein nationales Thema handelt und er sich als aktueller Eigentümer einbringen kann. • Themenfeld Marktdesign: Da unter diesem Begriff sehr viel subsummiert und hineininterpretiert werden kann, ist er schwierig zu handhaben. Je nach Auslegung kann die Relevanz für den Wasserkraftwerksbetreiber von klein bis gross sein, ebenso die Beeinfluss barkeit. In der Wirkung kann Markt design negative, positive oder auch keine Effekte haben, was begründet, dass das Marktdesign an neutraler Stelle in neutraler Farbe erscheint. • Themenfeld Nachfrage nach Strom dienstleistungen der Schweizer Wasserkraft: Dieses Themenfeld hat für den Wasserkraftwerksbetreiber hohe Beeinflussbarkeit und auch hohe Relevanz. Unter Berücksichtigung der aktuellen Klimadebatte bietet dieses Themenfeld vor allem Chancen, wobei einschränkend anzumerken ist, dass eine Erhöhung der Nachfrage nicht zwingend zu einem verbesserten Ergebnis für den Wasserkraftwerksbetreiber führt. Bild 4 zeigt das Ergebnis dieser Überle gungen. Grün umrahmte Themenfelder sind für den Akteur als Chancen zu werten, rote als Herausforderungen und orange eher als neutral bzw. in Summe unbestimmbar. Aus dem Bild kann gefolgert werden, dass die nachfrageseitigen Themenfelder (sandgelb) eine insgesamt höhere Relevanz haben als die angebotsseitigen (hellgrau), bei gleich zeitig geringerer Beeinflussbarkeit. Die an gebotsseitigen Themenfelder, allen voran die naturbedingten Einflüsse, sind zwar als Klimaphänomen nicht zu unterschätzen, in der Relevanz für den Betreiber allerdings eher untergeordnet, da sich erstens die vollen Auswirkungen des Klimawandels ver stärkt erst in der zweiten Jahrhunderthälfte zeigen werden und zweitens der Betreiber aufgrund der laufenden Konzession eingeschränkt ist, was die baulichen Anpas sungen für den Betrieb der Anlagen anbe langt. Überlegungen und Einschätzungen zum Jahr 2060 Bild 5 zeigt die Einschätzung der Beein flussbarkeit und Relevanz für das Jahr 2060, stellvertretend für die Mittel- bis Langfrist. 161

• Themenfeld Energie- und Klimapolitik: Aufgrund der aktuellen Wichtigkeit und Dringlichkeit einer Einigung in der internationalen Klimapolitik dürfte die Relevanz in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts abflauen, da entweder eine Einigung erzielt wurde und in der Umsetzung sein wird oder aber das geopolitische Gefüge ist so, dass sich die Staatengemeinschaft nicht auf die Umsetzung der Ziele des Pariser Klimaabkommens oder eines Nach folgeabkommens einigen konnte und Klimapolitik insgesamt wieder einen geringeren Stellenwert hat als in der Kurz- bis Mittelfrist. Damit steigt die relative Bedeutung der nationalen Energiepolitik gegenüber der internationalen Klimapolitik, was zu einer höheren Beeinflussbarkeit bei gleichzeitig geringerer Relevanz für den Wasserkraftwerksbetreiber führt. • Themenfeld Eigentümeraspekte: Dieses Themenfeld verliert an Relevanz, da mit der Neukonzessionierung in den Jahren 2040 bis 2050 eine Einigung über den Weiterbetrieb erzielt wurde. An der Beeinflussbarkeit ändert sich wenig. Vergleich der Kurz- bis Mittel- und Mittel- bis Langfrist Bild 6 ist eine Überlagerung der Bilder 4 und 5, wobei die Kreise des Jahres 2060 beibehalten wurden. Die Pfeile verdeutlichen die Änderung zwischen 2030 (Start des Pfeils) und 2060 (Ende des Pfeils) für die jeweiligen The men felder, grau bedeutet eine Abnahme der Relevanz, blau eine Zunahme. Insgesamt ist davon auszugehen, dass mit den fortschreitenden Auswirkungen der Klimaänderung die angebotsseitigen Themenfelder eine höhere Relevanz erhalten, insbesondere die natur bedingten Einflüsse. Während bei Lauf wasserkraftwerken der Fokus auf den na turbedingten Einflüssen auf die fassbaren Wassermengen liegen dürfte, kommen bei den Speicherkraftwerken auch noch die naturbedingten Einflüsse auf die Wasser kraftanlagen – zum Beispiel als Gefährdung durch Rutschungen und Steinschläge oder durch die Verlandung der Stauseen – hinzu, die im Vergleich zu 2030 zu einer erhebli chen Herausforderung avancieren werden. Die Beinflussbarkeit bleibt in den meisten Fällen in etwa gleich (vertikale Pfeile), wo bei es auch einige Ausnahmen gibt. Die Energie- und Klimastrategie dürfte vom internationalen Fokus eher auf die nationale Ebene zurückkehren und damit einem 162

Bild 6: Vergleich der Beeinflussbarkeit und Relevanz der Themenfelder zwischen 2030 und 2060. Schweizer Akteur grössere Beeinflussbar keit ermöglichen. Bei den Gestehungs kosten ist davon auszugehen, dass sie in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts von den Kapitalkosten getrieben werden, da die Betriebskosten so weit optimiert sind, dass kaum Handlungsspielraum mehr besteht, und bei den Abgaben entweder marktnahe Modelle zur Verfügung stehen oder die Abgaben im Sinne eines finanzund regionalpolitischen Themas nicht mehr beim Wasserkraftwerksbetreiber anfallen, sondern über andere Finanzierungsmecha nismen durch den Endverbraucher oder den Steuerzahler bezahlt werden. Folglich nimmt die Beeinflussbarkeit ab. Dass die Gestehungskosten insgesamt an Relevanz verlieren, ist darauf zurückzuführen, dass mit dem Rückgang der konventionell-ther mischen Kraftwerksproduktion immer mehr Technologien am Markt sein werden, die sich durch geringe Grenzkosten und hohe Investitionskosten auszeichnen. Damit ist die Differenzierung zwischen den Techno logien kleiner als dies heute der Fall ist, und es muss zum grenzkostenbasierten Energyonly-Markt mindestens ein ergänzender Marktmechanismus gefunden werden. Einordnung der Ergebnisse Die obigen Überlegungen beziehen sich auf einen Betreiber von Wasserkraftwerken. Bei der Beeinflussbarkeit zeigt sich, dass sie bei einigen Themenfeldern mit mittlerer bis grosser Relevanz klein ist und im Zeit verlauf bei den meisten Themenfeldern in etwa gleich bleibt. Die Relevanz der Themenfelder ändert über die Zeit zum Teil erheblich (Länge der Pfeile in der y-Komponente). So werden

im Mittel- bis Langfristbereich die angebotsseitigen Themenfelder an Bedeutung gewinnen, was sich in Bild 6 darin zeigt, dass zahlreiche graue Kreise nun im oberen Teil des Bildes und mit einem blauen Pfeil versehen sind. Insbesondere die natur bedingten Einflüsse, die aufgrund der Klima änderung zu erheblichen neuen Risiken und Adaptationsmassnahmen führen, werden die Wasserkraftwerksbetreiber stark her ausfordern. Die naturbedingten Einflüsse sind zwar Themenfelder, die durch den betrachteten Akteur nicht beeinflussbar sind. Allerdings ist die Entwicklung der Auswirkungen über eine längere Zeitperiode abschätzbar, da es sich um ein System handelt, das physikalischen Gesetzmässigkeiten folgt. Im Gegensatz dazu ist bei nachfrageseitigen Themenfeldern weiterhin wenig Stabilität bzw. Konstanz zu erwarten, was die Un abwägbarkeiten für den Wasserkraftwerks betreiber hochhält. Es ist deshalb wenigstens positiv zu werten, dass die Relevanz dieser Themenfelder insgesamt abnehmen dürfte. In der Kurz- und Mittelfrist ist im regulatorischen Bereich noch mit vielen Inter ventionen zu rechnen, bedenkt man doch, dass mit der Energiestrategie 2050 die Klarheit über die fortzuführende Energie politik in der Schweiz kaum zugenommen hat. Im Weiteren will die Schweiz im Jahr 2050 eine Netto-null-Treibhausgasbilanz aufweisen. Dies ist aktuell ein vom Bun desrat politisch festgesetztes Ziel. Wie dieses Ziel erreicht werden kann und vor allem, welche unmittelbaren Konsequenzen es für die Bevölkerung haben wird, ist aktuell noch unbekannt. Aufschluss darüber

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dürften die Energieperspektiven 2050 + geben, die das BFE zurzeit ausarbeitet. Insgesamt wäre es aber äusserst wün schenswert, wenn die politischen Instanzen ihren Regulierungshorizont im Energiebe reich verstärkt dem Investitionszyklus der Energieinfrastruktur anpassen würden, damit Rahmenbedingungen gesetzt werden, die die Risiken für einen Wasserkraft werksbetreiber beherrschbar machen. Die kommenden Herausforderungen aufgrund naturbedingter Einflüsse sind gross und anspruchsvoll genug. Natürlich ist die oben erfolgte qualitative Beurteilung der Themenfelder nach

Beeinflussbarkeit und Relevanz mit Un sicherheiten und Subjektivität verbunden. Die zusätzliche Definition von Szenarien, also von «Wenn-dann-Aussagen», könnte dazu beitragen, dass die Unsicherheiten in den Wirkungszusammenhängen und Einschätzungen verringert, die Argumen tationslinie geschärft und damit die Beur teilung insbesondere der Relevanz verbessert werden könnte. Ob dabei der Er kenntnisgewinn wesentlich höher und vor allem die konkreten Handlungen des Was serkraftwerksbetreibers substanziell anders ausfallen würden, wird vom Autor aller dings bezweifelt.

3. Handlungsmöglichkeiten und Fazit Handlungsmöglichkeiten Welche Schlüsse können die Wasserkraft werksbetreiber aus dieser Analyse ziehen, und welche Handlungen sollten sie daraus ableiten? Grundsätzlich ist der Fokus auf die The menfelder mit hoher Relevanz zu legen, un abhängig von der Beeinflussbarkeit, denn eine kleine Beeinflussbarkeit bedeutet nicht, dass der Akteur keinen Handlungsbedarf bzw. keine -möglichkeiten hat. Gerade im Bereich der Klimaänderung hat der Akteur

Bild 7: Übersicht über die zu bearbeitenden Themenfelder durch Wasserkraftwerksbetreiber (hellgrau) und Verband (hellblau) im Jahr 2030 (oben) und 2060 (unten). «Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 3, CH-5401 Baden

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zwar nur eine kleine Beeinflussbarkeit auf die physikalischen Auswirkungen, umso mehr Hand lungs bedarf im Sinne einer Adaptationsstrategie besteht aber für ihn. Aber auch der Bereich mit hoher Beein flussbarkeit und mittlerer Relevanz sollte er mitberücksichtigen, da sich unter Um ständen mit einem überschaubaren Auf wand Resultate erzielen lassen, die im merhin von mittlerer Relevanz sind. Bild 7 übernimmt die aus Sicht des Wasserkraftwerksbetreibers weiterzuverfolgenden Themenfelder aus Bild 4. Mit Blick auf den Kurz- und Mittelfristbereich liegen die Herausforderungen bei den folgenden vier Themen: • Konkurrenzangebote • Gestehungskosten der Wasserkraft • Eigentümeraspekte und damit verbunden • Investitionen in Wasserkraftanlagen Sind die Themenfelder von übergeordnetem Interesse, dann liegt es auf der Hand, dass die Wasserkraftwerksbetreiber von der bestehenden Verbandsstruktur profitieren und ihre Anforderungen und Erwartungen dem Verband weitergeben, damit dieser in einem ersten Schritt eine interne Interes senbündelung vornehmen kann, um dann in einem zweiten Schritt diese Interessen in Politik, Wirtschaft und Gesellschaft einzubringen. Handelt es sich um Themenfelder, die individuelle kraftwerksspezifische Mass nahmen erfordern, hat der Wasserkraft werksbetreiber sie selber anzugehen. Hier zu gelten typischerweise zum Beispiel die

Adaptationsmassnahmen an die naturbe dingten Einflüsse auf die Wasserkraftanla gen und die fassbaren Wassermengen. Bild 7 zeigt schematisiert die durch den Wasserkraftwerksbetreiber (hellgrau), den Verband (hellblau) und durch beide (hellgrau-hellblau) zu bearbeitenden Themen felder.

Quellen: Das Literaturverzeichnis enthält auch zahlreiche Einträge, die im Artikel nicht explizit erwähnt werden (kursiv), die aber sowohl wertvolle Hintergrundinformationen liefern können als auch neueren Datums sind. AGAW (2019): Wasserkraft und Flexibilität – Der Beitrag der alpinen Wasserkraft zum Gelingen der Energie wende, Arbeitsgemeinschaft Alpine Wasserkraft. BAFU (2019): Restwassersanierung nach Art. 80ff. GSchG: Stand Ende 2018 und Entwicklung seit Ende 2016. Beer M., R. Kyburz: Mit Speicherwasser gegen die Dunkelflaute, Bulletin 10/2019. BFE (2017): Zuständigkeiten im Bereich der Strom versorgungssicherheit – Bericht zu Handen der UREK-N. BFE (2019a): Energiestrategie 2050 – Monitoring-Bericht 2019. BFE (2019b): Wasserkraftpotenzial der Schweiz – Abschätzung des Ausbaupotenzials der Wasserkraftnutzung im Rahmen der Energiestrategie 2050. BFE (2020): Modellierung der Erzeugungs- und Systemkapazität (System Adequacy) in der Schweiz im Bereiche Strom 2019. Bode S. et al. (2013): Wege in ein wettbewerbliches Strommarktdesign für erneuerbare Energien. dena (2018): dena-Leitstudie Integrierte Energiewende – Teil B: Gutachterbericht.

Duden (2015): Deutsches Universalwörterbuch – Das umfassende Bedeutungswörterbuch der deutschen Gegenwartssprache, 8. Auflage. EBP (2019): Zukunft der Schweizer Wasserkraft – Auslegeordnung der Einflussfaktoren. Ehrbar D. et al. (2019): Wasserkraftpotenzial in Gletscherrückzugsgebieten der Schweiz, Wasser Energie Luft 4/2019. ElCom (2020a): ElCom System Adequacy 2030 – Studie zur Versorgungssicherheit der Schweiz im Jahr 2030. ElCom (2020b): Rahmenbedingungen für die Sicherstellung einer angemessenen Winterproduktion – Einschätzung der ElCom. ElCom (2020c): Stromversorgungssicherheit der Schweiz 2020 – Bericht der ElCom. Felix D. et al. (2020): Ausbaupotenzial der bestehenden Speicherseen der Schweiz, Wasser Energie Luft 1/2020. IEA (2019): World Energy Outlook. Kopp O., A. Esser-Frey, T. Engelhorn (2012): Können sich erneuerbare Energien langfristig auf wettbewerblich organisierten Strommärkten finanzieren? Zeitschrift für Energiewirtschaft 36/2012. Pfammatter M., N. Semadeni Wicki (2018): Energieeinbussen aus Restwasserbestimmungen – Stand und Ausblick, Wasser Energie Luft 3/2018. Piot M. (2017): Wirtschaftlichkeit der Wasserkraft in der Schweiz, WasserWirtschaft 1/2017.

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Fazit Die Wasserkraft in der Schweiz ist eine Erfolgsgeschichte, und sie hat sich in der weit über hundertjährigen Geschichte trotz mehrfacher Krisen bewährt. Dies ist auch nicht überraschend, denn ihre Vor teile gegenüber anderen Technologien sind mannigfaltig: einheimisch, erneuerbar, flexibel, kostengünstig, zuverlässig und mit hohem Erntefaktor. Nebst diesen Eigen schaften trägt sie wesentlich zur Gewähr leistung der Stromversorgungssicherheit bei und brachte/ bringt erheblichen volkswirtschaftlichen Nutzen auch in peripheren Gebieten. In Anbetracht des globalen Ziels der Eindämmung der Klimaerwärmung auf unter 2 °C wird sie unverzichtbar bleiben. Gleichzeitig ist festzustellen, dass die ökologischen Anforderungen an die Wasser kraft stets verschärft und die Abgaben (un abhängig vom energiewirtschaftlichen Um feld) erhöht wurden. Dies führt dazu, dass sich die Wasserkraft mit hohen und widersprüchlichen Erwartungen konfrontiert sieht, die sie gesamthaft nicht erfüllen kann.

Hier wäre eine Klärung zur Rolle der Wasser kraft in Zukunft hilfreich, wobei diese Klä rung nicht durch die Betreiber zu erfolgen hat, sondern durch die Gesellschaft, unter Berücksichtigung sämtlicher Konsequen zen. Die Arbeiten von EBP, insbesondere die Übersicht zu den Wirkungszusammen hängen, bieten eine wichtige Grundlage für eine verantwortungsvolle Klärung. Die Schweizer Wasserkraft ist mit etlichen Herausforderungen konfrontiert, die sich im Verlaufe der Zeit vor allem in ihrer Relevanz ändern werden. Zusätzliche Kon kurrenz durch verbesserte und neue Tech nologien, aber auch naturbedingte Ein flüsse werden eine stete Anpassung der Schweizer Wasserkraft an die ökonomi schen Realitäten und ökologischen und gesellschaftlichen Ansprüche erfordern. Die Wasserkraft kann diese Herausforde rungen aber meistern, denn ihre Vorzüge für die Bereitstellung sämtlicher nachge fragten Stromdienstleistungen von Energie, Kapazität und Flexibilität und ihre gemäss Schweizerischer Akademie der technischen Wissenschaften (SATW) herausragende Gesamtenergiebilanz sind einzigartig und werden der Wasserkraft dazu verhelfen, dass sie im Wachstumsmarkt Strom in der Schweiz weiterhin ihre zentrale Rolle wird behaupten können. In diesem Sinne ist die Wasserkraft zukunftsfähig, was heisst, dass sie künftigen Entwicklun gen standhalten wird und auch in der Zu kunft erfolgversprechend ist.

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Bemessung von klassischen Tosbecken unterhalb von Treppenschussrinnen Ivan Stojnic, Michael Pfister, Jorge Matos, Giovanni De Cesare, Anton Schleiss

1. Einleitung Zusammenfassung Aufgrund des Fortschritts im Talsperrenbau mit Walzbeton (RCC) werden weltweit häufig Treppenschussrinnen erstellt. Nach jeder Schussrinne ist ein hydraulisches Bauwerk zur Energiedissipation vorzusehen, beispielsweise ein Tosbecken. Obwohl die Hydraulik von Treppenschussrinnen in den letzten Jahrzehnten eingehend untersucht wurde, sind aktuell nur wenige Ansätze zur Bemessung von Tosbecken nach einer Treppenschussrinne verfügbar. Die hier vorgestellten umfangreichen Modellversuche sollen diese Lücke für klassische Tosbecken mit ebener Sohle ohne Einbauten schliessen. Die Experimente zeigen, dass solche Tosbecken unterhalb von Treppenschussrinnen nicht mit den gleichen Ansätzen dimensioniert werden können, wie sie nach glatten Schussrinnen verwendet werden. Ziel dieses Artikels ist es, neue Bemessungsansätze für solche Tosbecken bereitzustellen.

Résumé Dimensionnement des bassins amortisseurs classiques à l’aval des coursiers en marches d’escalier Les coursiers en marches d’escalier ont gagné en popularité grâce aux progrès faits dans la construction de barrages en béton compacté au rouleau (BCR). Un ouvrage de dissipation d’énergie tel un bassin amortisseur, doit être considéré à la sortie de chaque coursier. Bien que l’hydraulique des coursiers en marches d’escalier ait été étudiée en détail au cours des dernières décennies, il n’existe actuellement que peu d’approches disponibles pour la conception des bassins amortisseurs à la sortie des coursiers en marches d’escalier. Les nombreux essais détaillés sur modèles physiques présentés visent à combler cette lacune pour les bassins amortisseurs classiques à fond plat sans blocs ou seuils. Les essais montrent que de tels bassins amortisseurs à la sortie des coursiers en marches d’escalier ne peuvent pas être dimensionnés avec les mêmes approches que celles utilisées à l’aval de coursiers lisses. L’objectif de cet article est de fournir de nouveaux critères de dimensionnement pour tels bassins amortisseurs.

Summary Design of classical stilling basins preceded by stepped chutes Advances in dam construction techniques with roller compacted concrete (RCC) significantly increased the number of constructed stepped spillways. Stilling basins are often implemented as an energy dissipator at their end. Although stepped chute hydraulics was extensively investigated in the last decades, only fragmentary design information is currently available for stilling basins preceded by stepped chutes. Therefore, an extensive experimental campaign was performed to study the hydraulic behavior of classical stilling basins downstream of stepped chute. The results of this study indicate that design guidelines for stilling basins developed for smooth chute spillways, and currently used in engineering practice for stepped spillways, are not applicable for stepped chute approach flows. The aim of this paper is thus to present new practical design guidelines for such stilling basins.

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Die Einführung von Walzbeton (RCC) in den 1980er-Jahren erhöhte die Anzahl der Hochwasserentlastungen mit Treppen schussrinnen (Bild 1a) weltweit. In neuerer Zeit werden Treppenschussrinnen auch an den Flanken von Schüttdämmen im Fels angeordnet (Bild 1b, Baumann et al., 2006). Der Abfluss auf einer Treppenschussrinne erfährt einen grösseren Energieverlust im Vergleich zur glatten Schussrinne. Trotz dem ist nach einer Treppenschussrinne normalerweise ein Tosbecken zur Energie umwandlung notwendig. Obwohl die Hy draulik von Treppenschussrinnen in den letzten Jahrzehnten eingehend untersucht wurde, befassten sich nur wenige Studien mit der Funktionsweise eines Tosbeckens mit Zufluss aus einer Treppenschussrinne (Stojnic, 2020; Stojnic et al., 2020a, b). In der Praxis wurden bis anhin die Bemes sungsrichtlinien für Tosbecken unterhalb von glatten Schussrinnen auch für Treppen schussrinnen verwendet. Da sich die Ab flussstruktur aufgrund einer gestuften Ober fläche – respektive wegen deren Makrorau heit – erheblich verändert, ist eine solche Praxis jedoch fraglich. Aus diesem Grund wurde eine umfassende experimentelle Studie durchgeführt, um die Auswirkung des Treppen schussrinnenzuflusses auf die Funktions weise eines klassischen Tosbeckens zu untersuchen. Um einen direkten Vergleich zu ermöglichen, umfassten die experimentellen Untersuchungen die Strömungs verhältnisse sowohl in Tosbecken unterhalb von glatten als auch von gestuften Schussrinnen. Der vorliegende Beitrag fasst die wichtigsten Ergebnisse zusam men und präsentiert neue Bemessungs ansätze für klassische Tosbecken unterhalb von Treppenschussrinnen. 2. Versuchsanlage Die Experimente wurden im Wasserbau labor (LCH) der Ecole Polytechnique Fé 165

(0,198 m²/s ≤ q ≤ 0,364 m²/s) durchgeführt. Um die Wirkung eines belüfteten Zuflus ses zu beurteilen, wurde die Belüftung an der Strahlbox variiert, um verschiedene Werte C1 zu erzeugen (0,15 < C1 < 0,37). Die Versuchsreihe mit Treppenschussrinnen umfasste relativ kritische Abfluss tiefen hc = (q²/g)¹/ ³ zwischen 2,70 ≤ hc /s ≤ 7,94. Am Fusse der Treppenschussrinne herrschte ein quasi gleichmässiger Zweiphasenab fluss, das heisst Normalabfluss. Für weitere Details zu Versuchsanlage, Instrumentierung und Messprogramm wird auf Stojnic (2020) verwiesen. 3. Ergebnisse

Bild 1: (a) Pedrógão-Staudamm mit Treppenschussrinne, Portugal (I. Stojnic), und (b) Treppenschussrinne mit Tosbecken an der Flanke des Steinschüttdamms des Pumpspeicherwerks Siah Bishe im Iran (M. Katterbach). dérale de Lausanne (EPFL) unter Verwen dung eines physikalischen Modells mit einer glatten oder gestuften Schussrinne durchgeführt. Das physikalische Modell bestand aus folgenden Hauptelementen (Bild 2 und 3): (1) Strahlbox, zur Steuerung der hydraulischen Zuflussbedingungen zur Schussrinne, (2) eine 5,9 m (φ = 30°) oder 4,8 m (φ = 50°) lange und 0,5 m breite und prismatische Schussrinne, entweder mit glatter oder gestufter Sohle, und (3) ein 6,0 m (nach der um φ = 30° geneigten Schussrinne) oder 6,5 m (φ = 50°) langes, 0,5 m breites und prismatisches klassisches Tosbecken mit horizontaler Sohle und einer Klappe zur Regulierung der Unterwassertiefe. Die Messkampagne umfasste die Er mittlung der Strömungsbedingungen am Ende der Schussrinne (Luftkonzentrations profile, Fliessgeschwindigkeitsprofile und -tiefen), Druckschwankungen und Abfluss tiefen entlang der Beckensohle sowie strö mungsinterne Luftkonzentrationsprofile im Tosbecken. Alle Messungen wurden entlang der Achse des Beckens durchgeführt. Im Tosbecken selbst wurde über dessen gesamte Länge gemessen, ab dem Be ginn des Wechselsprungs am Schnittpunkt der Schussrinne mit dem Tosbeckenboden (Bild 3). Die Werte am Ende der Schussrinne, insbesondere die tiefengemittelte Luftkon zentration C1, dienten der Bestimmung 166

der folgenden Parameter: (1) äquivalente Reinwassertiefe h1 = (1 – C1) y90, (2) mittlere Fliessgeschwindigkeit V1 = q/h1, sowie (3) Froude-Zahl F1 = V1/(gh1) 0,5 mit dem spezifischen Abfluss q, der Erdbeschleunigung g, der charakteristischen Fliesstiefe y90 (definiert bis zu y(C = 0,9), Wood et al. 1983), mit: (1) Insgesamt wurden 30 Versuche durchgeführt. Diese wurden mit zwei verschie dene Neigungen der Schussrinne (φ = 30° und 50°), für zwei unterschiedliche Treppen höhen (s = 0,03 und 0,06 m) sowie einer glatte Sohle und verschiedenen Abflüssen

3.1 Länge der Walze und des Wechselsprungs Die Walzenlänge LR ist definiert als Dis tanz zwischen dem Beginn des Wechsel sprungs (x = 0 m, Bild 3) und dem Quer schnitt, bei dem die zeitgemittelte Ab flusstiefe η(x) ein Maximum erreicht. Bild 4 zeigt die gemessenen dimensionslosen Walzenlängen (Index R) LR/h2, aufgetragen gegen F1 (leere Symbole). Die Werte sind mit LR/h2 ≈ 5.0 praktisch unabhängig von den Zuflussbedingungen und vom Schuss rinnentyp (glatt oder gestuft). Die Länge des Wechselsprungs LJ wurde aus den gemessenen Schwankun gen η’ der Abflusstiefe und dem Druck ent lang der Sohle ermittelt (Stojnic, 2020, Stojnic et al., 2020a). Es wurden drei Kri terien zur Bestimmung der Sprunglänge respektive deren Ende berücksichtigt: • die Schwankungen der Abflusstiefe η’ sind um 10 % höher als jene von h2, • die Schwankungen des Sohldrucks p’ sind um 10 % höher sind als jene bei h2 sowie • die Druckverteilung entlang der Sohle folgt einer Gauss’schen Verteilung mit einer Schiefe S und einer Kurtosis K von jeweils null.

Bild 2: Physikalisches Modell im Wasserbaulabor LCH, EPFL. «Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 3, CH-5401 Baden

Bild 3: Definitionsskizze mit verwendeter Nomenklatur. In Bild 4 ist die gemessene dimensionslose Wechselsprunglänge (Index J) LJ/h2 als Funktion der Froude-Zahl F1 des Tosbecken zuflusses aufgetragen (volle Symbole •). Die dimensionslosen Sprunglängen für glatten Zufluss liegen im Bereich 5,4 ≤ LJ /h2 ≤ 6,1, mit einem Mittel von LJ = 5,75h2, ähnlich wie bei Peterka (1958). Wechselsprünge mit einem Zufluss aus einer Trep pen schussrinne haben grössere LJ /h2, nämlich 6,5 ≤ LJ /h2 ≤ 7,1, mit einem Mittel von LJ = 6,70h2. 3.2 Abflusstiefen entlang des Tosbeckens Bild 5 zeigt den Verlauf der dimensions losen mittleren Abflusstiefe Z = (η−h1)/(h2−h1) entlang des Tosbeckens sowie die charak teristische Abflusstiefe Z90 = (z90 −h1)/(h2 −h1) aller Tests. Dabei ist η die zeitgemittelte Abflusstiefe, z90 die charakteristische Ab flusstiefe bis z(C = 0,90) und h2 die mittlere konjugierte Unterwassertiefe (Bild 3).

Die dimensionslosen Abflusstiefen neh men entlang des Wechselsprungs zu und erreichen ein lokales Maximum am Walzen ende, bei x = LR. Danach nimmt die Abfluss tiefe wieder leicht ab und erreicht schliess lich den Wert der Unterwassertiefe h2. Zu flüsse aus Treppenschussrinnen erhöhen die dimensionslosen Abflusstiefen in der ersten Hälfte der Walze geringfügig, verglichen mit jener der glatten Schussrinne. Der Verlauf der dimensionslosen Abfluss tiefen entlang der Walze kann wie folgt beschrieben werden: (2)

(3)

Bild 5: Dimensionslose Abflusstiefen entlang des Tosbeckens versus dimensionslose Koordinate x/LR, (a) mittlere Abflusstiefe Z mit Gl. (2) und (b) charakteristische Abflusstiefe Z90 mit Gl. (3). In Bild 6 werden die gemessenen konjugierten Abflusstiefenverhältnisse h2 /h1 mit der Lösung des Impulssatzes für einen prismatischen und horizontalen Kanal verglichen. Diese Lösung führt zu (Bélanger): (4)

mit a = 0,32 und b = 0,30 für Zufluss aus Treppenschussrinnen sowie mit a = 0,39 und b = 0,36 für glatte Schussrinnen.

Bild 4: Dimensionslose Walzen- LR /h2 und Wechselsprunglänge LJ /h2 in Funktion der Zufluss-Froude-Zahl F1, verglichen mit der Wechselsprunglänge nach Peterka (1958) für glatte Schussrinnen. «Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 3, CH-5401 Baden

Es ist eine gute Übereinstimmung ersichtlich. Demzufolge kann die konjugierte Un terwassertiefe h2, die den Wechselsprung innerhalb des Tosbeckens stabilisiert, mit dem Impulssatz unter Verwendung der äquivalenten Reinwassertiefe h1 am Schuss rinnenende ermittelt werden.

Bild 6: Vergleich der gemessenen konjugierten Abflusstiefen h2 /h1 mit Gl. (4). 167

3.3 Sohlendrücke entlang des Tosbeckens 3.3.1 Parameterdefinition Für die Dimensionierung der Bodenplatten mit ihren Fugen sowie für die Beurteilung des Kavitationspotenzials sind die dynamischen Drücke entlang der Tosbeckensohle massgebend. Daraus kann die hydrody namische Belastung der Tosbeckensohle abgeleitet werden (Fiorotto und Rinaldo, 1992, Lopardo et al., 1982, Toso und Bowers, 1988). Diese umfasst (1) den zeitlich gemittelten Druck pm, (2) den dynamischen Druck als Standardabweichung p’, (3) den maximalen Druck pmax als 99,9-Perzentil p99,9 und (4) den minimalen Druck pmin als 0,1-Perzentil p0,1. Diese Parameter wurden mit den folgenden Koeffizienten beschrie ben: • zeitlich gemittelter Druck Pm = (pm−h1)/(h2 −h1), • dynamische Druckschwankungen CP’ = p’/(αV12 /(2g)), • extremer maximaler Druck CPmax = (pmax−pm)/(αV12 /(2g)) und das 99,9-Perzentil CP99,9 = (p99,9 −pm)/(αV12 /(2g)), und • extremer minimaler Druck CPmin = (pm−pmin)/(αV12 /(2g)) und das 0,1-Perzentil CP0,1 = (pm−p0,1)/(αV12 /(2g)). Darin ist α der Faktor zur Geschwindig keitshöhenkorrektur, berechnet mittels des Luftkonzentrations- und Geschwindigkeits profils. 3.3.2 Zeitlich gemittelter Sohlendruck Der normierte und zeitlich gemittelte Druck Pm ist in Bild 7 als Funktion der normierten Koordinate x/LJ aufgetragen. Es kann zwischen drei Fliessbereichen unterschieden werden (Stojnic, 2020, Stojnic et al., 2020a): 1. Umlenkungsbereich entlang x/LJ ≤0,15 für φ = 30° und x/LJ ≤0,18 für φ =50°. Dieser ist gekennzeichnet durch hohe mittlere Drücke infolge der Umlenkung des Wasserstrahls in die Horizontale. 2. Übergangsbereich entlang 0,15<x/LJ <1 für φ = 30° und 0,18<x/LJ <1 für φ = 50°. Die mittleren Drücke sind von der Abflusstiefe abhängig, aber nicht hydrostatisch. 3. Unterwasserbereich entlang x/LJ ≥1. Der zeitlich gemittelte Druck ist hydrostatisch. Bei Schussrinnen mit einem Gefälle von φ = 30° (glatt oder gestuft) ist die Vertei lung des mittleren Wasserdrucks auf der Tosbeckensohle (x/LJ >0) praktisch unab hängig von den Bedingungen des Zuflus ses und kann wie folgt beschrieben werden (Bild 7a): 168

für φ = 30°, glatt und gestuft,

(5)

Im Bereich der Umlenkung zu Beginn des Wechselsprungs bei x/LJ ≈0 ist Pm für ein Gefälle von φ = 30° nach einer glatten Schussrinne bis zu 2,5 Mal höher als nach einer Treppenschussrinne. Da der mittlere Druck in diesem Bereich hauptsächlich durch die Geschwindigkeit des Zuflusses (Umlenkung des Strahls) bestimmt wird, wurde der Druck zu Beginn des Wechsel sprungs (als Werte pT des ersten Druck transmitters zu Beginn des Wechselsprungs) mit der kinetischen Energie αV12 /(2g) normiert. Dieser normierte mittlere Druck CPT = pT/(αV12 /(2g)) kann der Tabelle 1 ent nommen werden. Wird das Gefälle der Schussrinne (glatt oder gestuft) auf φ = 50° erhöht, vergrössert sich Pm in Bereich der Umlenkung, welche nun ausgedehnter ist (x/LJ ≤0,18 bei φ = 50° im Vergleich zu x/LJ ≤0,15 bei φ = 30°). Diese Veränderung ist ausgeprägter für einen Zufluss aus einer Treppenschuss rinne mit einem Gefälle von φ = 50°. Dabei verschiebt sich auch der Umlenkpunkt stromabwärts (x/LJ ≈0,04 bei φ = 50°, im Vergleich zu x/LJ ≈0 bei φ = 30°). Der mittlere Wasserdruck auf die Sohle am Tosbecken anfang unterhalb von Schussrinnen mit einem Gefälle von φ = 50° kann anhand von folgenden Beziehungen bestimmt werden (Bild 7a):

Bild 7: Druckverteilung entlang der Tosbeckensohle als Funktion der normierten Koordinate x/LJ, (a) mittlerer Wasserdruck Pm und Gleichungen (5), (6) und (7), (b) Druckschwankungen CP’ und Gleichungen (8), (9) und (10). Konfiguration

CPT

CP’ CPmax CP99.9 CPmin CP0,1

φ = 30 °, glatt

0,48 0,050 0,32 0,18 0,31 0,17

φ = 30 °, gestuft 0,34 0,076 0,67 0,39 0,30 0,17

φ = 50 °, glatt

0,58 0,050 0,32 0,18 0,32 0,16

φ = 50 °, gestuft 0,41 0,088 1,03 0,18 0,33 0,18 für φ = 50°, gestuft,

(6)

für φ = 50°, glatt, (7) Weiter stromabwärts, ab x/LJ >0,18, ist Pm unabhängig vom Gefälle φ der Schussrinne und von den Zuflussbedingungen (glatt oder gestuft) und kann mit Gleichung (5) beschrieben werden (Bild 7a). Der Wert Pm zu Beginn des Wechselsprungs (bei x/LJ =0 für φ = 50°) kann aus dem Mittelwert der CPT-Koeffizienten hergeleitet werden, welche in Tabelle 1 aufgelistet sind.

Tabelle 1: Gemessene normierte mittlere Drücke CPT, Druckschwankungen CP’, extreme Maximalwerte CPmax, 99,9-Perzentil (CP99,9), extreme Minimalwerte CPmin und 0,1-Perzentil zu Beginn des Wechselsprungs. 3.3.3 Dynamischer und extremer Sohlendruck Der Verlauf der Druckschwankungen CP’ entlang der Tosbeckensohle ist in Bild 7b ersichtlich. Beim Zufluss aus einer glatten Schuss rinne ergeben sich bedeutende Druck schwankungen zu Beginn des Wechsel sprungs bei x/LJ ≈0 aufgrund der ausgeprägten Strömungsumlenkung. Weiter stromabwärts nehmen die Schwankungen langsam ab und erreichen einen nahezu

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für 30° ≤ φ ≤ 50°, glatt,

(8)

Die Konstanten c, d, e und f sind in Tabelle 2 aufgeführt. Bei einem Zufluss aus einer Treppen schussrinne ist der Druckschwankungs koeffizient am Tosbeckeneingang lokal deutlich höher (Bild 7b), und dies sowohl für ein Gefälle von φ = 30° und φ = 50°. Weiter stromabwärts nehmen die Druck schwankungen für φ = 30° linear ab und entsprechen den Werten des Zuflusses aus einer glatten Schussrinne entlang x/LJ ≥0,1. Wenn das Gefälle der Treppenschussrinne von φ = 30° auf 50° erhöht wird, erhöht sich auch der Druckschwankungs koeffizient CP’ im Bereich von x/LJ ≤0,13. Zudem verschiebt sich der Ort der maximalen Druck schwankungen leicht stromabwärts, zur Umlenkung des Strahls bei x/LJ ≈0,04 hin. Dort ergeben sich bei einem Gefälle von φ = 50° bis doppelte Koeffizienten im Ver gleich zum Gefälle von φ = 30°. Verglichen mit dem Zufluss aus einer glatten Schuss rinne ergeben sich dreifache Werte. Unter halb von x/LJ ≥0,04 nimmt der Koeffizient ab und ist ab bei x/LJ =0,13 unabhängig von den Zuflussbedingungen (glatt oder gestuft) und dem Gefälle (φ = 30° oder 50°, Bild 7b). Bei einem Zufluss aus einer Treppen schussrinne können die ausgeprägten Extremwerte und deren Schwankungen am Tosbeckenanfang mit den folgenden Beziehungen abgeschätzt werden (Bild 7b):

für φ = 30°, gestuft,

(9)

für φ = 50°, gestuft, (10)

Die Konstanten i, j, k, m, n und o sind in Tabelle 2 aufgeführt. Weiter stromabwärts, ab x/LJ >0,1 bei φ = 30° und ab x/LJ >0,13 bei φ = 50°, sind die Extremwertkoeffizienten für Treppen schussrinnen mit denen einer glatten Schuss rinne identisch und können mit Gleichung (8) bestimmt werden. Konstante

Gleichung

konstanten Wert im Unterwasser, was im Einklang mit den Beobachtungen von Toso und Bowers (1988) ist. Der Verlauf des Druckschwankungskoeffizienten ist bei glatten Schussrinnen praktisch unabhän gig von deren Gefälle φ (Bild 7b). Die Koeffizienten der extremen Drücke CPmax, CP99,9, CPmin und CP0,1 haben einen ähnlichen Verlauf wie die Druckschwankun gen CP’. Eine detaillierte Analyse dieser Koeffizienten ist in Stojnic (2020) und Stojnic et al. (2020) zu finden. Die Extremwertkoeffizienten der Drücke entlang der Tosbeckensohle lassen sich nach einer glatten Schussrinne beschreiben als (Bild 7b):

1,006 1,034 1,020 1,020 1,015

Gl. (8)

3,00

3,41

3,31

2,52

2,46

0,31

3,41

1,60

1,80

0,79

0,006 0,060 0,037 0,010 0,010

–0,266 –2,400 –1,650 –0,560 –0,375

0,076 0,604 0,362 0,278 0,175

1,04

m n

Gl. (9) Gl. (10)

CP’

CPmax

CP99.9

CPmin

CP0,1

1,36

1,24

1,19

1,12

154

0,000 0,020 –0,050 0,070 –0,007

deutlich, verglichen mit einer glatten Schussrinne. Die Sohlenluftkonzentration beträgt am Beckenanfang bei x/LJ ≈0,08 ungefähr Cb≈0,18. Weiter strom abwärts nimmt die Sohlenluftkonzentration Cb ab und ist ab x/LJ ≈0,4 identisch mit jener nach dem glatten Zufluss. Wenn das Gefälle der Treppenschussrinne von φ = 30° auf 50° erhöht wird, erhöht sich auch die Luftkonzentration Cb um durchschnittlich 2 % oberhalb von x/LJ <0,4. Eine Luftkonzentration an der Sohle von ungefähr 5 % (oder weniger) wird üblicherweise als Schutz vor Schäden erachtet (Peterka, 1958, Rasmussen, 1956, Russell und Sheehan, 1974). Eine Luft konzentration von 5 % tritt bei Tosbecken mit einem Zufluss aus einer glatten Schuss rinne innerhalb von 0,1≤x/LJ ≤0,5 auf. Der Zufluss aus einer Treppenschussrinne bringt mehr Luft mit und erhöht die Kon zentrationen am Tosbeckeneingang deutlich. Deshalb ist ein grösserer Bereich geschützt, nämlich 0≤x/LJ ≤0,5 (Bild 8). Be reiche x/LJ >0,5 sind auch bei geringen Sohlenluftkonzentrationen wohl kaum mehr durch Kavitation gefährdet (sofern keine Einbauten im Tosbecken vorhanden sind), da die mittleren Sohlendrücke zunehmen und die Druckschwankungen abnehmen (Bild 7).

Tabelle 2: Konstanten der Gleichungen (8) bis (10). 3.4 Luftkonzentration und Kavitationspotenzial Tosbecken sind anfällig für Kavitation und die daraus resultierenden Schäden. Die Kenntnis der Luftkonzentration entlang der Tosbeckensohle ist daher von grösster Bedeutung, da genügend Luft Kavitation dämpft. Bereits geringste Luftkonzen trationen in Sohlennähe können diese vor Schäden schützen (Peterka, 1953). Im Bild 8 ist die gemessene Luftkonzentrationsver teilung Cb entlang des Tosbeckenbodens (entlang x/LJ) aufgetragen. Beim Zufluss aus einer glatten Schuss rinne beobachtet man einen markanten An stieg der Luftkonzentration Cb in Fliessrich tung an der Tosbeckensohle. Ein Höchst wert von Cb≈0,11 wird bei x/LJ ≈0,17 erreicht. Anschliessend verringert sich die Sohlenluftkonzentration gegen das Ende des Wechselsprungs hin (x/LJ ≈0,9) auf einen Wert von null. Die Belüftung des Zu flusses oder das Gefälle der Schussrinne haben keinen signifikanten Einfluss. Bei einem Zufluss aus einer Treppen schussrinne erhöht sich die Belüftung entlang der Tosbeckensohle für x/LJ <0,4

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Bild 8: Luftkonzentration Cb entlang der Tosbeckensohle, aufgetragen gegen die normierte Koordinate x/LJ.

4. Schlussfolgerungen und Empfehlungen Da die Zuflussbedingungen in ein Tos becken nach Treppenschussrinnen im Ver gleich zu jenen nach glatten Schussrinnen unterschiedlich sind, ergeben sich auch andere Strömungszustände und Drücke entlang des Wechselsprungs. Falls für die Bemessung eines Tosbeckens, wie in der Praxis üblich, die Ansätze für Zuflüsse aus glatten Schussrinnen verwendet werden, besteht die Gefahr, dass nach Treppen schussrinnen nicht nur die erforderliche 169

Tosbeckenlänge unterschätzt wird, sondern auch die gefährlichen Druckschwan kungen am Tosbeckenanfang. Diese Praxis hat in der Vergangenheit zu Schadensfäl len an Tosbecken unterhalb von Treppen schussrinnen geführt. Obwohl die Druckschwankungen am Tosbeckenanfang vergleichsweise grösser sind, was bei der Verankerung der Boden platten berücksichtigt werden muss, besteht bei Tosbecken unterhalb von Treppen schussrinnen ein geringeres Kavitations potential, da im Modell in der Nähe der Tos beckensohle höhere Luftkonzentrationen beobachtet wurden. Mit den hier vorgestellten Resultaten konnten neue Bemessungskriterien für Tos becken unterhalb von Treppenschussrinnen erarbeitet werden. Dabei können folgende Empfehlungen bei der Gestaltung von Tos becken unterhalb von Treppenschussrinnen gemacht werden: • Für die Berechnung der konjugierten Tiefen des Wechselsprungs bleibt der traditionelle Impulssatz (Gl. 4) auch für Zufluss aus einer Treppenschussrinne gültig, unter Verwendung der äquivalenten Reinwassertiefen. Damit der Wechselsprung im Tosbecken bleibt, muss die Unterwassertiefe der zum Beckenzufluss konjugierten Abfluss tiefe entsprechen. • Die vorgestellten empirischen Beziehun gen für den Verlauf der Abflusstiefen

entlang des Wechselsprungs (unter Berücksichtigung des Lufteintrags, Gl. (3)) erlauben die erforderliche Höhe der Tosbeckenseitenwände zu bestimmen, und dies sowohl für den Zufluss aus einer glatten als auch aus Treppen schussrinne. Es ist ein angemessenes Freibord sicherzustellen. • Im Gegensatz zum Zufluss aus glatten Schussrinnen beträgt die Länge des Wechselsprunges nach Treppen schussrinnen nicht 5,4 bis 6,1 h2 (Mittelwert 5,75 h2), sondern 6,5 bis 7,1 h2 (Mittelwert 6,7 h2). Die erforderliche Tosbeckenlänge ergibt sich mit einem Sicherheitszuschlag von 20 % zur Wechselsprunglänge. • Für beide Zuflusstypen wurden empirische Beziehungen zur Ermittlung der Wasserdruckkoeffizienten entlang des Tosbeckenbodens entwickelt. Diese ermöglichen es, die zeitlich mittleren Drücke, deren dynamische Schwankungen sowie die extremen minimalen und maximalen Werte abzuschätzen. • Tosbecken unterhalb von Treppen schussrinnen sind wegen des höheren Lufteintrags unter Annahme einer minimal notwendigen Sohlenluft konzentration von 5 % innerhalb von 0≤x/LJ ≤0,5 gegen Kavitationsschäden geschützt. Bei Zufluss aus glatten Schussrinnen ist dieser Bereich kürzer,

nämlich 0,1≤x/LJ ≤0,5. Weiter stromabwärts nimmt das Kavitations potenzial ab, da sich die Auftretens wahrscheinlichkeit von negativen Drücken verringert. • Zu Beginn von Tosbecken unterhalb von Treppenschussrinnen treten vergleichsweise höhere Druck schwankungen auf, welche bei der Dimensionierung und Verankerung der Bodenplatten berücksichtigt werden müssen. Diese Beobachtungen gelten für glatte oder gestufte Schussrinnen mit Neigungen zwi schen φ = 30° und 50° sowie für Abflüsse im Bereich von relativen kritischen Abfluss tiefen von 2,70≤hc/s≤7,94.

Quellen: Baumann A., Arefi F. und Schleiss A.J. (2006). Design of two stepped spillways for a pumped storage scheme in Iran. Hydro 2006, Porto Carras, Greece, CD-ROM. Fiorotto, V. und Rinaldo, A. (1992). Fluctuating uplift and lining design in spillway stilling basins. Journal of Hydraulic Engineering 118(4), 578–596. Lopardo, R.A., De Lio, J.C., und Vernet, G.F. (1982). Physical modelling on cavitation tendency for macroturbulence of hydraulic jump. Hydraulic Modelling of Civil Engineering Structures, (H.S. Stephenson and C.A. Stapleton, eds.), 109–121, Conventry, England. Peterka, A.J. (1953). The effect of entrained air on cavitation pitting. Minnesota International Hydraulic Convention, 507–518, ASCE, New York, Minneapolis. Peterka, A.J. (1958). Hydraulic design of stilling basins and energy dissipators. United States Department of the Interior, Denver, Colorado. Rasmussen, R.E.H. (1956). Some experiments on cavitation erosion in water mixed with air. Symposium on Cavitation in Hydrodynamics, 1–25, National Physical Laboratory, London. Russell, S.O. und Sheehan, G.J. (1974). Effect of entrained air on cavitation damage. Canadian Journal of Civil Engineering 1(1), 97–107.

Stojnic, I. (2020). Stilling basin performance down stream of stepped spillways. Ph.D. thesis No. 7481, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Switzerland, and Instituto Superior Técnico (IST), Portugal. Stojnic, I., Pfister, M., Matos, J. und Schleiss, A.J. (2020a). Influence of smooth and stepped chute approach flow on the performance of a stilling basin. Journal of Hydraulic Engineering, im Druck. Stojnic, I., Pfister, M., Matos, J. und Schleiss, A. J. (2020b). Bottom pressure characteristics in a stilling basin downstream of a stepped spillway for two different chute slopes. In « International Symposium on Hydraulic Structures (ISHS2020)." Proceedings of the 8th IAHR International Symposium on Hydraulic Structures ISHS2020, 12-15 May 2020, Santiago, Chile, R. Janssen and H. Chanson Editors, The University of Queensland, Brisbane, Australia. Toso, J.W. und Bowers, C.E. (1988). Extreme pressures in hydraulic jump stilling basins. Journal of Hydraulic Engineering 114(8), 829–843. Wood, I., Ackers, P. und Loveless, J. (1983). General method for critical point on spillways. Journal of Hydraulic Engineering 109(2), 308–312.

Autoren: Dr. Ivan Stojnic, Plateforme de constructions hydrauliques (PL-LCH), Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne und Instituto Superior Técnico (IST), Universidade de Lisboa, Lissabon, 1049-001, Portugal. Prof. Dr. Michael Pfister, Haute Ecole d’Ingénierie et d’Architecture de Fribourg (HEIA-FR, HES-SO), CH-1705 Fribourg, Schweiz. Prof. Dr. Jorge Matos, CERIS, Instituto Superior Técnico (IST), Universidade de Lisboa, Lissabon, 1049-001, Portugal. Dr. Giovanni De Cesare, Plateforme de constructions hydrauliques (PL-LCH), Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne. Prof. Dr. Anton Schleiss, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne anton.schleiss@epfl.ch.

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Danksagung Das Projekt wurde vom portugiesischen Nationalfonds Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT, PD/BD/113621/2015), dem Wasserbaulabor LCH der EPFL sowie dem Schweizerischen Talsperrenkomitee unterstützt. Christine Schärer (Holinger AG, Bern) hat den Erstautor bezüglich der deutschen Vorübersetzung begleitet.

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Schneekartierung aus dem All – das Potenzial frei verfügbarer Satellitendaten Reik Leiterer, Hendrik Wulf, Gillian Milani, Bernhard Sassik, Yves Bühler, Jan D. Wegner

Zusammenfassung In dieser Studie wird ein neuer Ansatz für eine satellitengestützte Kartierung der Schneebedeckung und der Schneehöhen vorgestellt. Die resultierenden Karten geben die Schneebedeckung und die Schneehöhen für ganze Gebirgsketten auf täglicher Basis mit einer räumlichen Auflösung von 20 m wieder. Die Validierung des entwickelten geostatistischen Modells erfolgte auf der Grundlage von über 60 flugzeuggestützten Messungen in den europäischen Alpen und den Rocky Mountains. Die daraus resultierenden Korrelationskoeffizienten für die Schneehöhenabschätzungen variieren zwischen 0,13 und 0,73 und weisen einen durchschnittlichen RMSE von 0,53 m auf. Die grossen Variationen im Korrelationskoeffizienten sind durch die eingeschränkt verfügbaren Satellitendaten bei starken Neuschneefällen in Kombination mit langanhaltender Wolkenbedeckung bedingt. Das Verfahren zur Kartierung der Schneebedeckung resultierte in einer Overall Accuracy von 94 %. Angesichts der dynamischen und komplexen Natur der Schnee- und Schneehöhenverteilung sind diese Ergebnisse ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu einer verbesserten, flächendeckenden Schneekartierung in alpinen Regionen.

1. Methoden der Schneekartierung Schnee gehört zu den sogenannten essenziellen Klimavariablen (ECV – siehe Info box) und trägt somit entscheidend zur Charakterisierung des Klimas und diesbezüglicher Veränderungen bei. Hierbei wird die Variable Schnee in die Produkte Schnee bedeckung, Schneehöhe und Schneewassergehalt differenziert (GCOS, 2020). Diese Produkte sind nicht nur für die Klimaforschung von besonderem Inte

resse, sondern auch für viele Interessen gruppen in Tourismus, Risikomanagement und Wasserkrafterzeugung (Gonseth, 2013; Cherry et al., 2010). Die präzise Detektion und Charakte risierung der Schneedecke ist aufgrund deren hoher zeitlicher und räumlicher Variabilität eine grosse Herausforderung (Grünewald et al., 2010; Anderton et al., 2004). Diese Variabilität wird mit den be-

stehenden Ansätzen nur bedingt abgebil det – sei es in Bezug auf die räumliche De tailgenauigkeit, die Aktualität der Messun gen oder die Widerspiegelung topografi scher Variationen. Stationsmessungen, wie z. B. durch IMIS (= Interkantonales Messund Informationssystem, betrieben durch das WSL-Institut für Schnee- und Lawinen forschung, SLF) zur Verfügung gestellt, erlauben hoch präzise Messungen und können die zeitliche Variabilität sehr gut abbilden, sind aber nur Messungen an einem Punkt und sind aufgrund der geografi schen Verteilung der Stationen für eine Charakterisierung der kleinräumlichen Variabilität des Schneedecke bzw. der Schneehöhen nur sehr eingeschränkt geeignet (Noetzli et al., 2019; IMIS, 2020). Mit hilfe geostatistischer Methoden und unter Verwendung geeigneter Atmosphären- und Schneeverteilungsmodelle ist eine Inter polation zwischen den jeweiligen Stationen zwar möglich (vgl. Mott et al., 2010), aber die Zuverlässigkeit und Aussagekraft der interpolierten Werte sind insbesondere für kleinräumliche Variationen aufgrund der hohen Komplexität der Wechselwirkungen von Topografie, Vegetationsbedeckung und mikrometeorologischer Prozesse nur

Essential Climate Variables – ECV Eine ECV ist laut dem Global Climate Observing System (GCOS) eine physikalische, chemische oder biologische Variable oder Variablengruppe, die zur Charakterisierung des Erdklimas beiträgt. Eine ECV muss dementsprechend eine Klimarelevanz aufweisen und ope rationell auf globaler Ebene kosteneffi zient erfassbar sein. Die Erfassung der ECVs hilft, aktuelle und zukünftige Ent wicklungen des Klimas zu verstehen, diesbezügliche Risikoanalysen durch zuführen und Anpassungsstrategien zu entwickeln. (GCOS, 2020)

Bild 1: Falschfarben-Darstellung der Schweizer Alpen, basierend auf den frei verfügbaren Daten von Sentinel-2, einer Satellitenmission der Europäischen Raumfahrtsorganisation ESA, die eine wöchentliche Abdeckung mit bis zu 10 m räumlicher Auflösung ermöglicht. Detail: Die Wasserspeicher Grimselsee, Oberaarsee, Gelmersee und Räterichsbodensee in der Region Grimsel.

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2. Daten

2.3 Digitale Gelände- und Oberflächenmodelle Die Grundlage für die topografischen Aus wertungen bilden die verschiedenen frei verfügbaren Gelände- und Oberflächen modelle. Primär fand hierbei das Global Digital Surface Model «ALOS World 3D – 30 m» Verwendung, da bisherige Studien auf die bessere Qualität gegenüber den ebenfalls gebräuchlichen «SRTM GL1 – 30 m» und «ASTER GDEM – 30 m» verweisen (Florinsky et al., 2018). In Regionen mit deutlichen Ano malien in dem ALOS World 3D, wurde ein Modell entwickelt, um ein synergetisches Produkt, basierend auf den SRTM GL1 und dem ASTER GDEM, zu berechnen.

Der entwickelte Ansatz zur grossflächigen Erfassung der Schneebedeckung und zur räumlich hochaufgelösten Kartierung der Schneehöhen verknüpft die verschiedenen Satellitendaten (vgl. Tabelle 1) mit den Infor mationen aus den meteorologischen Netz werken unter Berücksichtigung der topogra fischen Einflüsse auf die Schneeverteilung. In einem ersten Schritt wurde ein Basis modell, basierend auf den digitalen Geländeund Oberflächenmodellen, berechnet, welches den Zusammenhang zwischen den verschiedenen Reliefelementen und der Schneehöhenverteilung widerspiegelt. Zu diesem Zweck wurden die Schneehöhen informationen aus den ASO-Datensätzen (vgl. 2.2) mit verschiedenen topografischen Merkmalen (z. B. Hangneigung, Hangorien tierung und Windexposition) räumlich verschnitten. Dabei fanden 58 verschiedene ASO-Datensätze aus den Jahren 2013 bis 2018 Verwendung. Die resultierenden Re gressionsmodelle verdeutlichen die jeweiligen durchschnittlichen Zusammenhänge. In Bild 2 ist beispielhaft der Zusammen hang zwischen der Hangneigung / Hang exposition und den Schneehöhen wiedergegeben, wobei die Graphen sich aus der mittleren Korrelation der jeweils einzeln durchgeführten Auswertungen der 58 ASODatensätze ergeben. Basierend auf den absoluten Schneehöhen, wurde hierbei der Normalisierungskoeffizient berechnet.

2.1 Netzwerke von Bodenstationen In vielen Ländern, in denen Schnee eine relevante Grösse ist, werden umfangreiche Netzwerke mit stationären Messungen betrieben. In der Schweiz umfasst dies neben IMIS (182 Stationen) auch das von Meteo Schweiz betriebene SwissMetNet mit ca. 160 Stationen (SwissMetNet, 2020). In den Vereinigten Staaten bieten die National Cen ters for Environmental Information (NCEI) freien Zugang zu einem dichten landesweiten Netzwerk an Stationen, und das NRCS National Water and Climate Centre betreibt zusätzlich automatisierte Stationen in den abgelegenen und unzugänglichen Regionen (NRCS, 2020). Obwohl insbe sondere die Schneehöhen hohe räumliche Schwankungen aufweisen können und ins besondere bei den automatisierten Statio nen auch Fehlfunktionen und -messungen nicht auszuschliessen sind, liefern diese Netzwerke wertvolle Informationen über die aktuellen Schneeverhältnisse und deren Veränderung in Raum und Zeit. 2.2 Flugzeuggestützte Messungen Eine hoch präzise Erfassung räumlicher Schneehöhenveränderungen ist auf Grund lage von Airborne-Laserscanning-Flug kampagnen (ALS) oder über fotogramme trische Auswertung von Luftbildern möglich 172

2.4 Satellitendaten Satellitendaten bieten eine einzigartige Datenquelle, um die räumliche und zeitliche Dynamik der Schneebedeckung auch für grossflächige Fragestellungen abbilden zu können. Dabei unterscheiden sich die jewei ligen Aufnahmesysteme hinsichtlich ihrer räumlichen und zeitlichen Auflösung sowie in dem ableitbaren Informationsgehalt der jeweiligen Messungen. Um diese Eigen schaften optimal zu kombinieren, wurde eine Multi-Sensor-Modell mit Methoden des maschinellen Lernens entwickelt. Dies erlaubt nicht nur, Einschränkungen durch in tensive Wolkenbedeckung oder Sensor artefakte auszugleichen, sondern auch eine

Sentinel –1 A/B (C-SAR) 30 m

Zeitliche Auflösung (Aufnahmeintervall am Äquator)

Produktgenerierung mit 20 m räumlicher Auflösung und in Near Real Time (NRT), d. h. mit einer zeitlichen Differenz zwischen Sa tellitenaufnahme und Produktgenerierung von weniger als 1 Tag. Tabelle 1 listet die ver wendeten Satelliten mit den jeweiligen räum lichen und zeitlichen Spezifikationen auf. Räumliche Auflösung (Pixeldimension in m)

(Bühler et al., 2015). Diese Verfahren sind jedoch dadurch limitiert, dass sie nur in unregelmässigen Abständen und nur für begrenzte Flächen umsetzbar sind. Darü ber hinaus ist die Durchführung der Flug kampagnen mit zum Teil hohen Kosten ver bunden. Das am weitesten fortgeschritte nen Projekt für ALS-basierte Schneekartie rungen ist das Airborne Snow Observatory (ASO) der NASA (Painter et al., 2016). Zu den Standardprodukten des ASO gehören regionale Kartierungen von Schneehöhen, Schneewassergehalt und Schneealbedo in einer räumlichen Auflösung von 3 bis 50 m. In der Schweiz hat das SLF regionale Schneehöhenerfassungen mit einer räumlichen Auflösung von 2 m, basierend auf der fotogrammetrischen Auswertung von flug zeuggestützten ADS-80/100-Erhebungen, im Sommer und im Winter erstellt (Marty et al., 2019). Die ASO-Daten wurden in dieser Studie zur Analyse des Zusammenhanges zwischen Schneehöhenverteilung und klein räumlicher Topografie (d. h. Reliefelemente wie Sattel, Kessel oder Ebenen) verwendet, während die ADS-80/100-Kartierungen pri mär als unabhängige Validierungsquelle dienten.

Satellit (Sensor)

bedingt gegeben (Grünewald et al., 2013). In diesem Zusammenhang werden zuneh mend Daten der Erdbeobachtung (EO) integriert, da diese die notwendige hohe räumliche und zeitliche Auflösung für eine flächendeckende Kartierung der Schnee decke aufweisen (Noetzli et al., 2019; Wang et al., 2018; Liu et al., 2013). Während für lokale Auswertungen vor allem flugzeug gestützte Verfahren und Drohnenbeflie gungen Anwendung finden, ermöglicht die aktuelle Generation von Satelliten die Kar tierung der Schneebedeckung für ganze Gebirgsketten (Bild 1). Nachfolgend wird ein innovativer An satz vorgestellt, wie mit der synergetischen Verwendung verschiedener Satellitendaten eine signifikante Verbesserung der Schnee bedeckungs- und Scheehöhenkartierung erzielt werden kann. Der Fokus liegt hierbei vor allem auf der präzisen räumlichen Re präsentation der Variationen in der Schnee decke und auf einer möglichst aktuellen Abbildung der Schneesituation vor Ort. Die erzielten Ergebnisse wurden mit aussagekräftigen Referenzdaten, die mit Flugzeu gen in der Schweiz und in den Vereinigten Staaten erhoben wurden, validiert.

alle 6 Tage

Sentinel –2 A/B (MSI)

10 / 20 m alle 5 Tage

Landsat –7 (ETM+)

30 m

alle 16 Tage

Landsat –8 (OLI)

30 m

alle 16 Tage

Terra / Aqua (MODIS)

500 m

täglich

SUOMI NPP (VIIRS)

500 m

täglich

Tabelle 1: Übersicht über die ver wendeten Satellitendaten und deren raum-zeitlichen Auflösung. 3. Methodik

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Bild 2: Empirisch abgeleiteter Zusammenhang zwischen Schneehöhen und der Hangneigung / Hangexposition. Der darauf basierende Normalisierungskoeffizient (Y-Achse) fungiert als Indikator für die Gewichtung der absoluten Schneehöhen. Dieser gibt an, ob und in welcher Grössen ordnung die Verteilung der Schneehöhen in Hinblick auf den Einfluss der Hangneigung / Hangexposition optimiert werden können. Dieses Vorgehen wurde für alle topo grafischen Merkmale bzw. Reliefelemente durchgeführt. Die resultierenden Informa tionsebenen der Normalisierungskoeffizien ten wurden nachfolgend kombiniert, womit für jeden Bildpunkt (= Pixel) die Information über die mittlere Schneehöhenabweichung in Bezug auf die kleinräumliche Topografie berechnet werden konnte. Dieser Kom binationslayer wurde dann als statische Eingangsgrösse in den Algorithmus zur Schneehöhenbestimmung integriert. In einem weiteren Schritt wurde ein Modell entwickelt, welches die einzelnen Schneehöhenmessungen aus den Boden netzwerken in eine flächendeckende Re präsentation überführt. Dieser Vorgang basierte auf einem generalisierten additiven Modell (GAM) unter Berücksichti gung der digitalen Gelände- und Ober flächenmodelle, des topografischen Kom binationslayers und der klimatischen so wie aktuellen Schneegrenze, basierend auf den Satellitendaten. Um die kleinräumli chen Variationen in der Schneebedeckung abzubilden, wurde in einem letzten Schritt die räumlich hochaufgelöste direkte Kar tierung mittels Satellitendaten integriert. Da mit konnten nicht nur vereinzelte Schnee flächen unterhalb bzw. schneefreie Ge biete oberhalb der Schneegrenze detek tiert werden, sondern auch die Erfassung und Charakterisierung möglicher Schnee bedeckung in Waldgebieten (d. h. unter dem Kronendach) erfolgen. Die Abschätzung der Zuverlässigkeit der so generierten Schneebedeckungsund Schneehöhenprodukte erfolgte über unabhängige Datensätze des ASO sowie die Schneehöhenkarten, basierend auf ADS-80/100-Befliegungen des SLF

(vgl. 2.2). Aufgrund der unterschiedlichen räumlichen Auflösung dieser Referenzdaten wurde der Vergleich mit den ASO-Daten mit einer räumlichen Auflösung von 50 m, und der Vergleich mit den SLF-Daten mit einer räumlichen Auflösung von 2 m durch geführt. Die statistische Auswertung umfasste hierbei die Metriken Root Mean Square Error (RMSE), Standardabweichung (StdDev) und Pearson-Korrelationskoeffi zient (Corr. Coef.). 4. Ergebnisse Der vorgestellte Ansatz ermöglicht die Ge nerierung von Karten, in denen die Schnee

bedeckung und die jeweiligen Schnee höhen ersichtlich sind. Diese Karten werden täglich erstellt, haben eine räumliche Auflösung von 20 x 20 m (Pixeldimension) und können grundsätzlich für jede Region auf der Erde berechnet werden. Die Kar tierung der Schneebedeckung resultierte hierbei in einer Overall Accuracy von 94 %. Die Qualität der Kartierung der Schnee höhen zeigte eine hohe Abhängigkeit von den verfügbaren Stationsdaten, da diese einen signifikanten Einfluss auf die Kali brierung der satellitengestützten Kartie rung der Schneehöhenverteilung haben. In Bild 3 ist ein Ausschnitt der Schneehöhen karte für die Region Aletsch visualisiert. Im Schneehöhenprodukt wird hierbei gut sichtbar, wie die topografischen Ei genschaften sich in der Ausprägung der Schneehöhen widerspiegeln und wie die generelle Verteilung der Schneebedeckung mit dem Echtfarbenbild korreliert. Dabei ist zu berücksichtigen, dass auch bei den Bodenstationen die jeweiligen topografi schen Bedingungen als beschreibende Variablen in Bezug auf die Stationsmes sungen in den Modellansatz übernommen wurden. Um die absoluten Schneehöhen werte zu validieren, erfolgte ein punktueller Vergleich, basierend auf einem stratifizier ten Stichprobenansatz, mit den Schnee höhenwerten der ASO-Datensätze sowie den SLF-Schneehöhenkarten. In Bild 4 sind

Bild 3: Die Region Aletsch in einer Echtfarben-Darstellung, aufgenommen durch den Satelliten Sentinel-2 (links), und die daraus abgeleitete Karte der Schneebe deckung und Schneehöhenverteilung (rechts). Aufnahmezeitpunkt: 3.12.2019.

Bild 4: Beispiele für die berechneten Streudiagramme der Schneehöhen korrelation für das Gebiet der Sierra Nevada (links) und für Davos (rechts).

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exemplarisch zwei Streudiagramme darge stellt, die den Zusammenhang zwischen den absoluten Schneehöhenwerten, berechnet mit der vorgestellten Methodik, und den Schneehöhenwerten, basierend auf den ASO-Daten (für das Gebiet Sierra Nevada) bzw. den SLF-Daten (für das Gebiet Davos), aufzeigen. Im Vergleich zu den hoch genauen ASO- / SLF-Referenzdaten wird deutlich, dass insbesondere in Bereichen mit Schnee höhen > 200 cm der neu entwickelte Ansatz tendenziell die tatsächlichen Schneehöhen unterschätzt. Mit einem mittleren RMSE über alle Datensätze von 52,6 cm zeigt der hier vorgestellte satellitengestützte Ansatz jedoch grundsätzlich eine gute Überein stimmung mit den Referenzdaten. Auch wenn mittels Drohnenbefliegung oder flug zeuggestützten Methoden aktuell RMSEWerte von bis zu 10 cm und über die räumlich höchstauflösenden Daten der kommerziellen Satellitenmissionen ein mittlerer RMSE von 50 cm erreicht werden kann (vgl. Bühler et al., 2020), so sind diese Verfahren jedoch in ihrer räumlichen und zeitlichen Abdeckung limitiert und häufig mit einem vergleichsweise hohen Kostenaufwand verbunden.

formationen über die unterschiedlichen Schichten notwendig. Diese Informationen werden aktuell mit Messungen am Boden erhoben. Erste Verknüpfungen der so erhobenen Daten mit den Informationen aus den Satellitendaten waren vielversprechend, für eine aussagekräftige Auswertung sind bisher aber noch nicht genügend heterogene Flächen erfasst worden. Die Schweizer Erdbeobachtungfirma «ExoLabs» arbeitet diesbezüglich mit den Forschungspartnern ETHZ (EcoVision Lab) und SLF im Inno suisse Projekt «DeepSnow» an Methoden der künstlichen Intelligenz, um die operative Beobachtung der Schneehöhen und des Schneewassergehalts weiter voranzutrei ben. Auch die Integration von physikalischen Schneemodellen und innovativen mobilen Bodensensoren spielt hierbei eine zentrale Rolle und wird in Kooperationen mit Euro päischen Partnern umgesetzt werden.

In der vorliegenden Studie wurde aufge zeigt, wie Ansätze der geostatistischen

Modellierung in Kombination mit direkten, satellitengestützten Messungen vielversprechende Ergebnisse liefern, um die Schneebedeckung und die Schneehöhe über Gebirgsketten in einer hohen räumlichen (20 m) und zeitlichen (täglich) Auf lösung zu gewährleisten. Die so erstellten operativen Produkte erlauben eine bessere Abschätzung der Risiken im Hinblick auf das Wassermanagement, aber auch mit Bezug auf die Infrastrukturplanung oder den Tourismus. Eine räumlich präzise und zeitlich hochaufgelöste Kartierung der Schnee höhenverteilung bleibt aber nach wie vor eine grosse Herausforderung. Um den vor gestellten Ansatz weiter zu verbessern, sind die Integration von lokalen Windmustern und der tages- und jahreszeitlichen Dyna miken der Sonneneinstrahlung logische nächste Schritte. Hierfür werden aber zunächst räumlich hochauflösende Zeitserien der Schneebedeckung und der räumlichen Muster der Schneehöhenverteilung benötigt, welche wir in Zukunft vermehrt mit Drohnen erreichen wollen (Bühler et al. 2016; Noetzli et al., 2019). Um den Schnee wassergehalt zu bestimmen, welcher für die Wasserwirtschaft von besonderem In teresse ist, muss zusätzlich zu den Schnee höhen auch noch die Einbindung der Schneedichte berücksichtigt werden. Für Risikoabschätzungen in Bezug auf die Schneedecke sind zudem detaillierte In

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5. Diskussion / Schlussfolgerungen

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Danksagung Diese Studie wurde vom Swiss Space Center im Rahmen des «Call for Ideas»Programms unterstützt. Die meteorologi schen und Luftbilddaten zur Schnee höhenbestimmung wurden durch die NOAA National Centers for Environmental Infor mation, das NRCS National Water and Climate Center, dem SLF und das ASO zur Verfügung gestellt.

Autoren: Dr. Reik Leiterer, Dr. Hendrik Wulf, Dr. Gillian Milani, Bernhard Sassik, ExoLabs GmbH, Hegibachstrasse 48, CH-8032 Zürich Dr. Yves Bühler, WSL-Institut für Schnee-und Lawinen forschung SLF, Flüelastrasse 11, CH-7260 Davos Dorf Dr. Jan D. Wegner, ETH Zürich, Department D-BAUG, IGP, Stefano-Franscini-Platz 5, CH-8093 Zürich

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Estimation spatiale des précipitations et assimilation de données de débit pour la prévision hydrologique en milieu alpin Alain Foehn, Javier García Hernández, Giovanni De Cesare, Andrea Rinaldo, Bettina Schaefli, Anton J. Schleiss

1. Introduction Résumé L’étude présentée propose des solutions à certains défis rencontrés dans le cadre du système de prévision et de gestion des crues MINERVE du Canton du Valais, opérationnel depuis 2013. Le premier axe de recherche est dédié à l’interpolation spatiale des précipitations en combinant les données radar et celles des pluviomètres à l’aide d’un co-krigeage avec régression. Une correction de la sous-capture des précipitations solides aux pluviomètres est explorée avec des facteurs correcteurs appliqués au niveau des stations avant interpolation. Les estimations quantitatives de précipitations obtenues sont ensuite utilisées dans un modèle de simulation de l’enneigement, en utilisant des données satellitaires pour le calage. La comparaison des équivalents en eau de la neige simulés avec des mesures au sol suggère que la méthodologie explorée de correction des précipitations permet de réduire fortement la sous-estimation de la quantité de neige. Le calage du modèle hydrologique de trois sous-bassins a montré qu’une amélioration des performances était ainsi possible en intégrant les estimations quantitatives de précipitations par rapport à l’utilisation uniquement des données de pluviomètres, mais que cela nécessitait une bonne visibilité du radar. Finalement, l’implémentation d’un filtre de Kalman d’ensemble pour assimiler des données de débit dans le système de prévision est explorée.

Räumliche Abschätzung von Niederschlägen und die Verwendung von Abflussdaten für die hydrologische Vorhersage in alpinen Gebieten Zusammenfassung: In der vorgestellten Studie wurden verschiedene Lösungen erarbeitet, um die Heraus forderungen des Hochwasservorhersage- und Managementsystems MINERVE zu bewältigen, das seit 2013 für den Kanton Wallis in Betrieb ist. Der erste Forschungs schwerpunkt konzentrierte sich auf die räumliche Verteilung des Niederschlags durch die Kombination von Radar- und Regenmessungen, basierend auf einem CoKriging-Ansatz mit Regression. Für die systematische Unterschätzung der festen (Schnee etc.) Niederschläge an Regenmessern wurde fixen Korrekturfaktoren ermittelt. Die daraus resultierende, quantitative Niederschlagsabschätzung wurde dann in einem Schneemodell verwendet, wobei die Kalibrierung mit Satellitendaten erfolgte. Der Vergleich dieser simulierten Schneewasseräquivalente mit den boden gebundenen Messungen weist darauf hin, dass die untersuchte Niederschlags korrekturmethode die Unterschätzung der Schneemenge deutlich reduzieren kann. Die Kalibrierung des hydrologischen Modells in drei Teileinzugsgebieten zeigte, dass eine deutliche Vorhersageverbesserung durch die Berücksichtigung der quantitativen Niederschlagsschätzung erreicht werden kann, im Gegensatz dazu, wenn nur die Daten von Regenmessstationen berücksichtigt werden. Allerdings ist eine gute Sichtbarkeit des Radars über die Teileinzugsgebiete erforderlich. Schliesslich wurde die Berücksichtigung eines Ensemble-Kalman-Filters zur Ermittlung der Abfluss daten im Prognosesystem untersucht.

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En Suisse, les crues sont responsables de la majorité des dégâts liés aux dangers naturels, avec un coût moyen estimé sur les quatre dernières décennies à CHF 306 millions par année (Andres et Badoux, 2019). Le Canton du Valais est particulièrement exposé de par sa topographie et sa météo rologie. En octobre 2000, d’importantes précipitations ont généré des crues ayant mené à la mort de 16 personnes et des dégâts estimés à CHF 470 millions (OFEG, 2002). Le projet MINERVE (Modélisation des Intempéries de Nature Extrême du Rhône Valaisan et de leurs effets) a été initié en 1999 pour conceptualiser et développer un système de prévision et de gestion des crues pour le Rhône à l’amont du Lac Léman (Jordan, 2007; García Hernández, 2011; Tobin, 2012). Il est basé sur un modèle hydrologique-hydraulique semi-distribué qui permet de modéliser l’écoulement dans les rivières du bassin en tenant compte des aménagements hydroélectriques. L’implémentation et la maintenance du système, ainsi que le suivi de la situation hydro-météorologique sont réalisés depuis 2011 sur mandat du Canton du Valais par le Centre de recherche sur l’environnement alpin (CREALP) à Sion. Le système est opérationnel pour l’ensemble du Canton depuis 2013. En 2015, une thèse de doctorat a débuté à l’EPFL avec, pour objectif, d’améliorer certaines composantes du système opérationnel MINERVE, notamment l’estimation des précipitations, le calage du modèle de neige, ainsi que l’élaboration d’une méthodologie d’assimilation de données de débit en temps réel pour l’amélioration de la qualité des prévisions hydrologiques. Le présent article présente les principaux résultats de ce travail de thèse (Foehn, 2019).

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2. Interpolation spatiale des précipitations Les précipitations constituent un facteur clé dans la génération des crues. Il est important de pouvoir les estimer le plus correctement possible sur l’ensemble du territoire. Cependant, en présence d’une topo graphie complexe comme en Valais, cet exercice n’est pas simple. Heureusement, un nouveau radar météorologique a été installé à l’intérieur du bassin en juin 2014 au sud du glacier de la Plaine Morte (Figure 1), améliorant considérablement la qualité du produit radar en Valais. De plus, le réseau de mesure automatique SwissMetNet (SMN) de l’Office Fédéral de Météorologie et Cli matologie (MétéoSuisse) y est particulièrement dense par rapport aux autres cantons (58 stations à fin 2017). Malgré cela, quantifier la variation spatiale des précipitations dans les régions alpines reste un défi important. Ainsi, afin de reproduire au mieux cette variabilité spatiale, la considération d’un second réseau de mesure, celui de la société privée Meteo Group Switzer land AG (MG), a été explorée pour l’analyse (23 stations supplémentaires). L’intégration de ce second réseau pour l’interpolation spatiale représente l’une des principales différences de cette étude (Foehn et al., 2018) par rapport au produit raster opérationnel de précipitations horaires Combi Precip de MétéoSuisse (Sideris et al., 2014). La seconde différence majeure réside dans l’étendue spatiale de l’analyse, qui ne concerne ici que le Valais, alors que Combi Precip est établi à l’échelle nationale.

Les réseaux SMN et MG sont équipés avec des pluviomètres différents, ce qui implique une disparité dans la qualité de la mesure. Ainsi, lors de l’analyse préliminaire des données, l’écart entre précipitations moyennes entre les deux réseaux pouvait dépasser 20 %, les pluviomètres du réseau MG reportant moins de précipitati ons. Cela est en accord avec les résultats d’une étude de l’Organisation Météoro logique Mondiale (OMM) publiée en 2009 (Vuerich et al., 2009), qui conclut à une qualité «très bonne» et «satisfaisante» pour les équipements utilisés par MétéoSuisse (re spectivement de la marque OTT et Lam brecht) et «insuffisante» pour ceux utilisés par MeteoGroup (de la marque Davis). Dans le but d’analyser le potentiel gain lié à la considération également des données du réseau MG pour l’interpolation spatiale des précipitations au pas de temps horaire, un co-krigeage avec régression est exploré parmi les différentes méthodes étudiées. L’application d’un co-krigeage permet de considérer deux variables en évaluant leur corrélation pour chaque pas de temps et ainsi compenser d’éventuels biais de mesures entre les réseaux. a. Méthodes d’interpolation Cinq différentes méthodes sont comparées. La première consiste à utiliser le produit radar de MétéoSuisse sans correction (résolution spatiale de 1 km). Cela permet d’évaluer la qualité du produit sans modification. La seconde méthode considère uniquement les valeurs des stations en y appliquant une interpolation en fonction

Figure 1: Carte du bassin du Rhône à l’amont du Lac Léman. L’emplacement des stations météorologiques (SwissMetNet et MeteoGroup) ainsi que les sites d’observation du SLF utilisés pour l’étude sont indiqués. 176

de l’inverse de la distance («inverse distance weighting-IDW» en anglais). Les trois autres méthodes considèrent une combinaison de la donnée radar et des données de mesure au sol. Les premières étapes de calcul sont similaires pour les 3 méthodes: 1. La donnée radar (Raw Radar, Figure 2I)) est dans un premier temps multipliée par un coefficient spatialement constant déterminé de manière horaire sur la base d’une régression linéaire entre les valeurs des pixels du radar contenant les stations SMN et les valeurs aux stations. Une tendance (grille) basée sur la donnée radar (Trend, Figure 2II)) est ainsi calculée. 2. La différence entre les valeurs aux stations et la valeur du pixel de tendance contenant chaque station est ensuite calculée, fournissant les résidus aux stations. Ces résidus sont alors interpolés pour donner une grille de correction (Residuals, Figure 2III)), ensuite additionnée à la tendance pour obtenir l’estimation finale des précipitations (Figure 2IV)). 3. La manière d’interpoler les résidus différencie les 3 méthodes. a. Dans la première, une interpolation en fonction de l’inverse de la distance est appliquée, donnant à cette méthode le nom de Regression Inverse distance weighting (RIDW). b. La seconde applique un krigeage sur les résidus, il s’agit d’un krigeage simple considérant uniquement les données SMN, méthode nommée Regression kriging (RK). c. Dans le troisième cas, un co-krigeage sur les résidus est implémenté considérant les données SMN comme variable principale et les données MG comme variable secondaire, donnant à cette méthode le nom de Regression co-kriging (RCK). Pour les deux méthodes appliquant un krigeage pour l’interpolation des résidus, un variogramme (respectivement un modèle linéaire de co-régionalisation constitué de trois variogrammes pour la méthode RCK) doit être calculé automatiquement chaque heure (voir Foehn et al., 2018, pour les détails). Afin de comparer les méthodes entre elles, différents indicateurs de performance sont calculés avec une validation croisée, c’est-à-dire que les valeurs en chaque point de mesure sont estimées à partir de toutes les autres données (en excluant celle de l’emplacement calculé). Ainsi, le Bias permet d’identifier des erreurs systématiques. La

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Figure 2: Différentes étapes dans l’interpolation spatiale des précipitations pour la méthode RIDW: la donnée radar (I) est dans un premier temps multipliée par un coefficient multiplicateur pour obtenir une tendance (II) ; les résidus aux stations (valeur à la station – valeur du pixel) sont ensuite calculés et interpolés spatialement pour obtenir une carte de correction (III); cette carte est additionnée à la tendance pour obtenir le résultat final (IV). Le triangle noir indique l’emplacement du radar de la Pointe de la Plaine Morte. Median absolute deviation (MAD), la RootMean-Square Error (RMSE) et la MeanRoot-Transformed Error (MRTE) quantifient, quant à elles, l’erreur entre observations et estimations. Finalement, le Scatter fournit une mesure de la dispersion du ratio entre valeurs observées et estimées.

Ces indicateurs ont été calculés pour 4 événements de précipitations intenses répartis entre 2014 et 2017. Trois événements supplémentaires, survenus entre 2012 et 2014, ont été également étudiés pour analyser le scénario avant l’installation du radar de la Pointe de la Plaine Morte (PPM).

b. Résultats Les résultats suggèrent que l’utilisation du radar sans correction présente les moins bonnes performances (Figure 3), avec notamment des problèmes de biais importants. Les différences de performances entre les 4 autres méthodes sont moins

Figure 3: Indicateurs de performances pour les différentes méthodes d'interpolation, obtenus pour les 4 événements analysés. «Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 3, CH-5401 Baden

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élevées, avec cependant une tendance de la méthode RCK à présenter les meilleurs résultats. La méthode RCK permet d’ailleurs également d’obtenir de meilleures performances sur les 3 événements sans le nouveau radar (PPM), la rendant intéressante également pour le calcul de séries historiques, nécessaires pour une application hydrologique (résultats non présentés ici, voir Foehn et al., 2018). L’application d’une transformation des données avant l’interpolation permet de réduire le Bias sur les 4 événements étudiés. Pour les autres indicateurs, les différences étaient faibles, voire quasi inexistantes. L’analyse des résultats a également permis de mettre en évidence des zones de faible visibilité du radar. La plus évidente, en direction du sud-est, est bien visible sur la Figure 2. Cette zone d’ombre résulte de la présence du Mont Bonvin, culminant à une altitude de 2994 m s. m., soit 68 m plus haut que l’altitude du radar. Avec un tel obstacle, la visibilité du radar dans cette direction est logiquement réduite. 3. Correction de la sous-capture des précipitations solides et modélisation nivale La méthodologie présentée au Chapitre 2 considère la mesure aux pluviomètres comme valeur de référence. Or, cette mesure souffre d’imprécisions, même lorsqu’il s’agit de pluviomètres de haute qualité. Cela est particulièrement vrai lorsque les précipitations tombent sous forme solide. En effet, lorsqu’il neige, les particules sont beaucoup plus sujettes au transport par le vent, ce qui affecte la mesure. Une étude de l’OMM (Kochendorfer et al., 2017) a évalué à 34 % la sous-capture des pluviomètres («gauge undercatch», en anglais) sur 8 sites à travers le monde en comparaison avec des pluviomètres protégés par un bouclier contre les effets du vent. Ainsi, ce chapitre explore la correction des valeurs aux pluviomètres avant le calcul d’interpolation spatiale pour ensuite utiliser ces valeurs dans un modèle de neige. L’application de la correction au niveau de la mesure de la station permet de modifier uniquement les valeurs des stations où la précipitation est supposée solide (lorsque la température est inférieure à 2° C dans cette étude). Cela permet une correction plus ciblée que l’application d’un facteur correcteur à l’ensemble d’une grille après interpolation. Dans la présente étude, des valeurs de facteur correcteur de 1,2 et 1,3 ont été explorées. Ainsi, en plus des deux produits d’estimation quantitative des précipitations (QPE) CombiPrecip 178

de MétéoSuisse, ci-après nommé QPE1, et le produit RCK, présenté au chapitre 2 et ci-après nommé QPE2, deux autres produits ont été calculés, avec respectivement les valeurs de 1,2 (QPE2-120) et 1,3 (QPE2130). L’analyse se porte sur la période du 1er octobre 2012 au 30 septembre 2018. Afin de disposer de valeurs de température pour la modélisation, un produit spatialisé de température a également été calculé pour l’ensemble du territoire étudié. Une maille 2D de température est calculée (chaque heure) à partir d’un modèle numérique de terrain transformé en température à l’aide d’une relation non-linéaire température-altitude. Un krigeage avec dérive externe utilisant cette maille 2D est ensuite appliqué. a. Modélisation de la neige La modélisation de la quantité de neige est réalisée avec le modèle Snow-SD (ver sion modifiée du modèle de neige proposé par Schaefli et al. 2005), disponible dans le logiciel RS MINERVE (Foehn et al. 2020; García Hernández et al., 2020). Ce modèle permet de simuler l’accumulation de neige ainsi que la fonte au travers d’un coefficient de fonte basé sur la température. Le modèle est calibré en utilisant des données satellitaires de couverture neigeuse, le Normalized Difference Snow Index (NDSI) du radiospectromètre MODIS (Hall et al., 2002). La donnée satellitaire et la quantité de neige modélisée sont converties en séries binaires de présence / absence de neige en appliquant des seuils spécifiques. Ainsi, le coefficient de fonte de neige est calibré pour reproduire au mieux, avec le modèle, la présence de neige définie par l’observation MODIS. L’indicateur d’Overall Accuracy, optimisant le nombre de cas correct de présence et absence de neige, est utilisé à cette fin (Parajka and Blöschl, 2008). Le calage est réalisé pour 11 sites de mesures de l’Institut Suisse pour l’étude de la neige et des avalanches SLF, permettant une validation de l’équivalent en eau de la neige (Snow Water Equivalent, SWE) simulé par le modèle avec des valeurs in situ. b. Pré-traitement des données L’équivalent en eau de la neige simulé avec le modèle, après calage, permet une bonne reproduction des valeurs observées pour la plupart des sites étudiés. Cela n’est cependant pas le cas, par exemple, pour le site de mesure d’Egginer (4EG), et dans une moindre mesure de Saas-Fee (4SF), tous deux dans la vallée de Saas. L’analyse des résultats a démontré, qu’à partir de l’hiver 2014 – 2015, le modèle de neige y

sous-estimait fortement les valeurs observées. Cela correspond au premier hiver après la mise en service du nouveau radar (PPM). Les séries de précipitations du produit radar pour ces deux emplacements, ainsi que pour l’emplacement de la station SMN la plus proche (Saas-Balen) ont ainsi été extraites pour analyse. La Figure 4 présente la différence en termes de pluies cumulées entre les deux pixels contenant les sites SLF et le pixel contenant la station SMN. Un point de rupture y est évident en juin 2014. Avant cette date, le pixel contenant la station Saas-Balen reporte moins de précipitation que les 2 pixels contenant les sites 4 EG et 4 SF. Cette tendance est inversée après juin 2014. Une analyse des données du produit radar pour le pixel contenant la station SMN a révélé un gain important en visibilité du produit radar pour le pixel contenant la station SMN. Cela n’est pas le cas au-dessus des deux sites du SLF. Lors de la combinaison radar-stations, la meilleure visibilité au-dessus de Saas-Balen se traduit localement par une moins forte correction positive, alors que les deux pixels contenant les sites 4EG et 4SF nécessiteraient encore une telle correction. Cet exemple illustre bien les difficultés liées à l’intégration de données radar dans l’interpolation des précipitations, cette donnée apportant une information essentielle sur la variabilité spatiale des précipitations, mais présentant également une variabilité spatiale en termes de qualité de l’information. Ces deux emplacements ont été écartés de l’analyse au-delà de juin 2014, tout comme la station Morgins (sur toute la période d’analyse) en lien avec un problème des températures estimées, lié à la présence, une partie de l’hiver, d’un lac d’air froid dans la partie amont du bassin.

Figure 4: Différence de pluie cumulée (produit radar) entre les pixels contenant les deux sites de mesure du SLF avec les valeurs du pixel contenant la station SMN Saas-Balen. La rupture nette en juin 2014 correspond à la mise en service du radar de la Pointe de la Plaine Morte (PPM).

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c. Résultats Le modèle a été calibré pour les 10 emplacements de mesure du SLF retenus et pour chacun des 4 produits de précipitation. Les valeurs du modèle sont comparées aux observations in situ (Figure 5). Les résultats suggèrent que les valeurs obtenues avec les deux produits QPE1 (CombiPrecip) et QPE2 sous-estiment les valeurs observées (biais négatif), avec des valeurs de régressions linéaires de 0,71 et 0,85. Ces valeurs sont de 1,00 et 1,06 en utilisant respectivement les produits QPE2-120 et QPE2-130, suggérant une forte réduction du problème de biais.

Il est intéressant de noter la différence entre les valeurs obtenues avec les produits QPE1 et QPE2, alors que la donnée d’entrée diffère peu entre les deux cas et que la méthode de calcul est, à priori, également relativement semblable. La Figure 6 présente le même nuage de points que la partie QPE1 de la Figure 5, avec un code de couleur permettant de regrouper les valeurs en fonction de l’existence ou non du radar PPM au moment de la mesure. Cette distinction permet d’illustrer une nette sous-estimation, notamment des valeurs élevées d’équivalent en eau de la neige, avant l’installation du nouveau radar. Une telle différence n’existe pas avec le produit QPE2. Cela s’explique par le fait que le produit QPE1 est calculé pour l’ensemble du territoire national, alors que le produit QPE2 ne l’est qu’au niveau du Valais. Avant l’installation du nouveau radar, le produit radar tendait globalement à fortement sous-estimer la précipitation en Valais. Avec une correction appliquée au niveau Suisse, cette sous-estimation n’est pas véritablement compensée. Avec le produit cantonal QPE2, la correction peut tenir compte du biais négatif sur l’ensemble du bassin étudié, éliminant ce problème de sous-estimation. Cet exemple illustre bien comment un produit non-biaisé sur l’ensemble d’un territoire, car issu d’un krigeage qui est un estimateur nonbiaisé, peut présenter localement des biais non négligeables.

Figure 6: Valeurs d’équivalent en eau de la neige (EEN) observées et simulées avec le produit QPE1 (CombiPrecip). Le code de couleur distingue les points en fonction du moment de la mesure par rapport à l’installation du radar de la Pointe de la Plaine Morte (PPM). Figure 5: Valeurs d’équivalent en eau de la neige (EEN) simulées par le modèle versus valeurs observées in situ; chaque sous-graphique correspond à un produit de précipitation.

Finalement, l’erreur moyenne absolue a été calculée pour chacun des quatre produits de précipitation. La plus faible erreur ayant été obtenue avec le produit QPE2-120, ce

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produit a été retenu pour la suite de l’étude comme variante avec correction des précipitations solides. L’intégration de coefficients correcteurs a permis de réduire la sous-estimation par un modèle de neige des valeurs mesurées in situ. Cependant, l’approche proposée considère des coefficients fixes et uniques pour toutes les stations. De futurs développements de la méthodologie devraient considérer la vitesse du vent au moment de la mesure au travers de «fonctions de transfert» (Kochendorfer et al., 2017) pour obtenir une correction plus adéquate et plus performante. 4. Modélisation hydrologique Dans une perspective de prévision de crues pour l’ensemble du bassin, l’approche du calage basé sur MODIS a été appliquée sur trois bassins équipés de stations hydrométriques de l’Office Fédéral de l’Environnement (la Grande-Eau à l’amont d’Aigle, la Lonza à l’amont de Ferden et la Saltina à l’amont de Brig). Les modèles hydrologiques SOCONT et GSM (Schaefli et al., 2005; Hamdi et al., 2005) sont utilisés respectivement pour la modélisation des parties non-glaciaires et glaciaires. Le calage est réalisé en deux phases: dans un premier temps, les coefficients degré-jour de fonte nivale sont déterminés pour tous les pixels avant d’être agrégés sur les entités spatiales du modèle semi-distribué (bandes d’altitude d’environ 400 mètres d’altitude); dans un second temps, les autres paramètres du modèle hydrologique sont calibrés sur la base de données de débit. En parallèle, le modèle est également calibré avec une approche conventionnelle basée uniquement sur les données de débit. De plus, les performances hydrologiques sont comparées en calant le modèle avec différents produits de précipitation. D’une part, deux jeux de données sont constitués de valeurs aux pluviomètres: (I) le réseau SMN et (II) le réseau SMN couplé au réseau MG (sans distinction). D’autre part, trois produits spatialisés sont considérés: (I) le produit CombiPrecip de Météo Suisse (QPE1); (II) le produit QPE2 calculé avec la méthode RCK présentée au Chapitre 2; (III) le produit QPE2-120 présenté dans le Chapitre 3. Le calage est réalisé sur la période 2014 – 2018 et la validation sur la période 2012 – 2014. Cette division tient compte de l’installation du radar PPM en juin 2014. Le calage hydrologique est réalisé avec l’indicateur de performance Kling-Gupta Efficiency (Kling et al., 2012). 179

a. Différence de cumul de précipitation Avant intégration dans le modèle hydrologique des différents produits de précipitation, les cumuls par produit sur chaque bassin ont été comparés. Considérant le jeu de données avec le réseau SMN comme référence (100 %), l’intégration des stations MeteoGroup (jeu de données SMN + MG) confirme l’introduction d’un biais négatif avec des valeurs de cumuls variant entre 92,1 % et 97,1 % de SMN (en considérant indépendamment les 3 bassins et les périodes de calage et de validation). Pour les produits spatialisés, il est à nouveau intéressant de comparer les valeurs entre QPE1 (CombiPrecip) et QPE2. Sur la période de calage (correspondant à la période après l’installation du radar PPM), les cumuls diffèrent peu entre les deux produits avec 103 et 107 % respectivement pour QPE1 et QPE2 sur le bassin de Saltina, 92 et 90 % pour Lonza et 89 et 89 % pour Grande-Eau. Il en est autrement sur la période de validation, avec respectivement 100 et 126 % pour Saltina, 97 et 120 % pour Lonza et 84 et 105 % pour Grande-Eau. Les valeurs bien supérieures de QPE2 par rapport à QPE1 s’expliquent de la même manière que pour l’observation réalisée sur la Figure 6, avec une correction de la sous-estimation du radar sur le bassin plus importante lors d’une correction locale (QPE2) par rapport à une correction réalisée sur l’ensemble de la Suisse (QPE1). b. Résultats Le modèle hydrologique des trois bassins a été calibré considérant les différents

jeux de données d’entrée et les deux approches de calage (conventionnelle et en 2 phases). Du point de vue du calage du modèle de neige, la Figure 7 illustre les valeurs obtenues par pixel sur le bassin de la GrandeEau. Il est observable que les pentes orientées sud tendent à présenter des valeurs légèrement supérieures aux pentes orientées nord. Les valeurs aux pixels sont ensuite agrégées par bande d’altitude pour fournir les valeurs utilisées dans le modèle. D’un point de vue hydrologique, le calage en deux phases n’a pas permis de véritablement améliorer les performances par rapport au calage conventionnel, du moins pour la période de calage. Sur la période de validation, certains des indicateurs de performance ont obtenu leur meilleure valeur pour des configurations considérant le calage en deux phases. Pour le bassin de la Saltina, avec la meilleure visibilité radar parmi les trois bassins étudiés, les meilleures performances sont obtenues avec le produit QPE2-120. Dans le cas de la Lonza, avec une visibilité légèrement moins bonne, le produit QPE2-120 est égalé par le jeu de données des valeurs SMN. Pour le moins bon scénario de visibilité étudié (Grande-Eau), les meilleures performances sont obtenues avec le jeu de données des valeurs SMN. L’intérêt d’un produit spatialisé basé sur l’image radar semble donc dépendre de la qualité du produit radar avant correction. De futures améliorations du produit radar semblent donc encore nécessaires avant de pouvoir obtenir un produit spatialisé de

précipitation de haute qualité pour l’ensemble du territoire. L’analyse réalisée dans ce chapitre n’a pas permis d’identifier un produit de précipitation menant aux meilleures performances pour l’ensemble des trois bassins étudiés, celle-ci dépendant de la qualité du produit radar sur chaque bassin. En outre, le calage en deux phases n’a pas permis de surpasser en performance un calage conventionnel. L’utilisation d’un indicateur de performance plus complexe, ainsi qu’un meilleur filtrage selon la performance des pixels retenus pour l’agrégation ont été identifiés comme développement futurs. 5. Assimilation de données La dernière partie du projet avait pour objectif d’élaborer et d’implémenter une méthodologie d’assimilation de données de débit afin d’améliorer la qualité des prévisions hydrologiques. Le but est d’améliorer les conditions initiales utilisées pour la prévision afin qu’elles soient le plus adéquates possibles. Le système MINERVE dispose déjà d’une routine adaptant la saturation en eau du sol du modèle sur la base d’une comparaison entre volume simulé et volume observé sur les 24 heures précédant la prévision (Jordan, 2007). L’objectif est de proposer une méthode plus élaborée en adaptant, non seulement la saturation du sol, mais plus largement les variables d’état les plus pertinentes. Pour ce faire, le choix s’est porté sur l’implémentation d’un filtre de Kalman d’ensemble (Evensen, 1994). La méthode est

Figure 7: Valeur du coefficient degré-jour Sr obtenues pour le bassin de la Grande-Eau. Seules les valeurs de pixels ayant obtenu une valeur d’Overall Accuracy supérieure à un seuil dépendant de l’enneigement annuel du pixel sont affichées. Image d’arrière-plan: map tiles by Stamen Design, under CC BY 3.0. Data by OpenStreetMap, under ODbL. 180

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basée sur une approche ensembliste, c’est-à-dire qu’un certain nombre d’itérations du modèle sont simulées en parallèle, ce qui permet d’obtenir un échantillon des valeurs possibles des variables d’état. Une analyse de covariance permet ensuite de corriger les membres sur la base d’une pondération des erreurs du modèle et des erreurs associées aux observations. Pour assurer une certaine divergence entre les membres, les données d’entrée sont perturbées. Pour les précipitations, cette perturbation est multiplicative et suit une distribution log-normale avec une médiane à 1, alors que pour les températures, elle est additive et suit une distribution normale centrée en 0. En outre, les observations de débit sont également perturbées, ce qui permet de considérer l’incertitude dans la donnée d’observation. Finalement, les conditions initiales lors de la première itération sont distribuées selon une distribution normale, afin de générer une distribution initiale des membres. La méthodologie a été implémentée dans le langage et environnement R (R Core team, 2018) pour interagir avec le logiciel RS MINERVE (Foehn et al., 2020; García Hernández et al., 2020). La méthodologie a été appliquée sur deux événements récents de fortes précipitations, l’un en juin 2019 sur le bassin du Rhône à l’amont de la station hydrométrique de Reckingen, l’autre en mai 2015 sur le bassin de la Grande-Eau à l’amont d’Aigle. Dans les résultats, trois scénarios sont présentés: Control correspond au scénario de référence sans aucune mise à jour du modèle; VBU (Volume Based Update) correspond à la mise à jour opérationnelle basée sur le volume des 24 dernières heures; EnKF (Ensemble Kalman Filter) correspond à la nouvelle méthode implémentée. Pour l’évaluation de l’erreur, la RootMean-Square Error (RMSE) pour chaque heure de prévision, moyennée sur toutes les prévisions, est calculée. a. Résultats La Figure 8 présente un exemple de prévision hydrologique pour 72 heures selon les différentes approches de mise à jour. La correction par la méthode EnKF y est relativement importante, avec un décrochement marqué de la courbe entre la phase d’assimilation et celle de prévision. Du point de vue des performances globales sur l’événement, EnKF-median fournit la valeur de RMSE la plus faible sur tout l’horizon de prévision (Figure 9). Cela est particulièrement vrai pour les premières heures de prévision, la correction

Figure 8: Prévisions hydrologiques pour le Rhône à la station de Reckingen selon les trois différentes approches. Le traitillé vertical correspond au 10-06-2019T14:00+01:00. Les traits roses (légers) correspondent aux 100 membres. La zone grise autour du débit observé correspond à l’intervalle de confiance de 95 % selon l’incertitude attribuée aux données de débit.

Figure 9: Valeurs de RMSE obtenues pour les trois approches sur l’ensemble de l’événement de juin 2019 sur le Rhône à Reckingen (moyenne sur 36 prévisions). étant réalisée sur la base de la dernière observation disponible et celle-ci modifiant par exemple également le débit dans les tronçons de rivières du modèle (effet limité dans le temps). Afin d’évaluer la performance également sur le débit de base (sans crue), la même analyse a été réalisée sur les 4 jours précédant la crue. Dans ce cas, l’EnKF fournit toujours les meilleures performances sur la première journée de prévision. Pour des horizons de prévision supérieurs, l’erreur tend cependant à être plus élevée qu’avec les deux autres approches. Avec des cycles de débit journaliers marqués et une analyse de l’EnKF basé uniquement sur la dernière valeur de débit disponible, des décalages temporels, même faibles, du débit simulé peuvent se traduire par des adaptations des variables d’état inadaptées. Par conséquent, l’application d’une méthode d’assimilation de données tel qu’un filtre de Kalman d'en-

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semble requiert un bon calage du modèle autant pour les faibles que les hauts débits. Dans le cas de la crue de mai 2015 sur la Grande-Eau, un autre problème a pu être mis en évidence. En effet, la GrandeEau reçoit les eaux d’un réservoir situé à l’extérieur du bassin hydrologique, dont les données ne sont pas disponibles pour la modélisation. Cette contribution, qui peut dépasser 50 % du débit de base naturel, impacte directement les performances des deux méthodes d’assimilation de données (VBU et EnKF) en menant à une forte surestimation de la crue à cause d’une hausse artificielle de la saturation en eau du sol. Cet exemple illustre l’importance de disposer des valeurs des apports et des prélèvements au cours d’eau avant de pouvoir implémenter une méthode tel qu’un filtre de Kalman d’ensemble dans des bassins perturbés par des activités hydroélectriques. 181

La prévision hydrologique en milieu alpin reste un défi important malgré l’amélioration continue des données à disposition. Le projet de doctorat présenté ci-dessus a notamment permis l’élaboration d’une méthodologie de spatialisation des précipitations incluant une correction pour les précipitations solides avant interpolation. Cela constitue une première étape vers un développement futur intégrant également des vitesses du vent pour une correction plus fine des précipitations solides. Les résultats présentés suggèrent que d’un point de vue hydrologique, l’intégration de données radar dans la donnée de précipitation apporte une plus-value à condition que la visibilité du radar sur le bassin étudié

soit suffisamment bonne. Les estimations radar doivent encore être améliorées avant que les produits spatialisés de précipitation combinant radar et valeurs de stations ne puissent être considérés comme une alternative sur l’ensemble du territoire à l’interpolation uniquement des valeurs aux stations. De plus, avec un nombre croissant de sources de données disponibles, le choix de la meilleure combinaison implique une analyse comparative approfondie. En outre, le calage en deux phases avec estimation des paramètres de fonte de neige à l’aide de données satellitaires a permis d’améliorer le calcul de la couverture de neige, mais, pour ce qui concerne le calcul du débit, n’a pas permis de surpasser en performance un calage conventionnel basé uniquement sur des données de débit.

L’implémentation d’un filtre de Kalman d’ensemble fournissant des résultats prometteurs a également montré l’importance d’un bon calage pour les débits, à la fois faibles et élevés, ainsi que celle de l’accès aux données de turbinage pour un système de prévision des crues, sans quoi, des méthodes avancées, telle que filtre de Kalman d’ensemble, ne semblent pas être des solutions adaptées.

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6. Conclusions

182

Remerciements Les présents résultats sont issus d’un projet de recherche financé par le Centre de recherche sur l’environnement alpin (CREALP) et l’Office Fédéral de l’Energie, Programme de recherche Force hydraulique.

Auteurs: Alain Foehn1 2 , Javier García Hernández2 , Giovanni De Cesare1, Andrea Rinaldo3 , Bettina Schaefli4, Anton J. Schleiss1 1 Plateforme de Constructions Hydrauliques (PL-LCH), Faculté ENAC, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) 2 Centre de recherche sur l’environnement alpin (CREALP) 3 Laboratoire d’écohydrologie (ECHO), Faculté ENAC, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne 4 Institut des dynamiques de la surface terrestre (IDYST), Université de Lausanne (UNIL). Maintenant à l’Institut de Géographie, Université de Berne. Contact : Alain Foehn, EPFL; alain.foehn@alumni.epfl.ch

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Zukünftige Veränderungen des Wasserangebots im Lötschental Matthias Nyfeler, Holger Frey, Christian Huggel

Zusammenfassung Aufgrund der Empfindlichkeit der Gebirgsregionen sind Alpentäler stark von der Klimaveränderung betroffen. Während die Temperaturen steigen und sich das Niederschlagsbild verändert, beeinflussen auch die abschmelzenden Gletscher die Wasserversorgung der alpinen Regionen. Basierend auf zwei Einzugsgebieten des Hauptflusses Lonza, wird die Wasserverfügbarkeit im Lötschental in monatlicher Auflösung modelliert und durch die Parameter Regen, Schneeschmelze, Gletscher schmelze und Evapotranspiration definiert. Das Modell basiert auf der vorhandenen Gletscherfläche und auf stündlichen Messwerten von Temperatur und Niederschlag. Die Zukunftsprognosen bis Ende des 21. Jahrhunderts werden anhand der RCPSzenarien 2.6, 4.5 und 8.5 berechnet. Verglichen mit dem Wasserverbrauch, kann anschliessend eine Aussage über eine mögliche Wasserverknappung gemacht werden. Die Resultate zeigen dabei eine starke Abhängigkeit von den Eismassen. Sie sind heute für 46 % des gesamten Abflusses des Lötschentals verantwortlich, wobei das pessimistische RCP8.5-Szenario Abflusseinbrüche von etwa –45% für die Lonza und bis zu –75% für die Nebenflüsse erwarten lässt. Eine spezifische zukünftige Wasserknappheit konnte, basierend auf der monatlichen Auflösung des Modells, nicht direkt erkannt, jedoch interpretiert werden.

1. Einführung Basierend auf den Analysen von Meteo Schweiz, war das Jahr 2018 in klimatologi scher Hinsicht überdurchschnittlich warm und trocken (MeteoSchweiz, 2019). Ein Jahr, welches als Indikator für zukünftige Entwicklungen herbeigezogen werden kann und durch die Prognosen der Klimasze narien von CH2018 eine anschauliche Per s pek tive für zukünftige Sommer in der Schweiz wiedergibt (CH2018, 2018). Die hohen Temperaturen führen zu verstärkter Gletscherschmelze und zu häufigen, flüssigen, bis in hohe Lagen reichenden Nie derschlagsereignissen. Der daraus resultie rende zunehmende Verlust der Speicher funktion von Schnee und Eis kann zu einer Verschiebung der Abflussspitzen in den Frühlings- und zu einer Wasserknappheit in den Sommermonaten führen (Haeberli und Hohmann, 2008). Gerade die alpinen Re gionen mit ihren wenig bis inexistenten Grundwasservorkommen sind dabei stark von den sich verändernden Speichern abhängig. Die limitierten externen Einflüsse so wie die gute Datenverfügbarkeit des Haupt gerinnes Lonza machen das Lötschental

daher zu einem geeigneten Studienobjekt, um die Auswirkungen des zu erwartenden Rückgangs der Eis- und Schneebedeckung auf die saisonale Wasserverfügbarkeit zu antizipieren. Die vorliegende Zusammenfassung re präsentiert einen Auszug des ersten Teils der Masterarbeit «Impacts of current and future deglaciation on water and sediment availa-

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bility in the Lötschental, Valais», eingereicht am Geographischen Institut der Universität Zürich im April 2019 (Nyfeler, 2019). Sie behandelt folgende Forschungsfragen: • Aus welchen Zuflüssen setzt sich der Gesamtabfluss der Lonza zusammen und wie sieht deren prozentuale Verteilung aus? • Wie verändert sich dieser Abfluss in der Zukunft? • Existiert die Möglichkeit einer Wasser verknappung in den Sommermonaten? Der zweite Teil der Arbeit, welcher in diesem Artikel nicht weiter behandelt wird, befasst sich mit der geomorphologischen Untersuchung der Südseite des Lötschen tals und den Fragen zur Auswirkung der Gletscherschmelze auf die Mobilisierung, Stabilisierung und Destabilisierung von grossflächigen Schuttvorkommen. Die gesamte Arbeit ist online verfügbar. 2. Gebiet, Daten und Methoden 2.1 Das Untersuchungsgebiet Das Lötschental ist das grösste nördlich der Rhone gelegene Seitental im Wallis und weist eine Fläche von 145 km2 auf. Der Abfluss der Lonza wird in Blatten durch das BAFU und in Ferden durch die

Bild 1: Übersicht über das Unter suchungsgebiet Lötschental. Das Einzugsgebiet Blatten (BLA) ist im Einzugsgebiet Ferden (FER) mit eingeschlossen. Hintergrund swissALTI3D DEM. 183

EnAlpin AG (Betreiberin des lokalen Wasser kraftwerks) gemessen. Daraus ergeben sich zwei Einzugsgebiete (EZ) wobei das EZ von Blatten (BLA, 77,38 km2) in dem von Ferden (FER, 131,78 km2) eingeschlossen ist (Bild 1). Die Lonza wird von mehreren Seitenbächen gespeist, welche teilweise der hydroelektrischen Energiegewinnung

dienen und häufig nahe angezapfter Was serquellen liegen. 2.2 Daten Die hydrologischen Daten (Abflusswerte) wurden durch das BAFU (Messstation Lonza in Blatten) wie auch durch die EnAlpin AG (Messstation Lonza, Wasserkraftwerk

in Ferden) zur Verfügung gestellt. Die me teorologischen Daten stammen von Meteo Schweiz von der Messstation Blatten (Niederschlag, Temperatur und Feuchtig keit) und von der SLF-Station Gandegg (Niederschlag und Temperatur). Da die Nie derschlagsmessungen der Station Blatten erst ab 2013 in stündlicher Auflösung ver-

Bild 2: Das verwendete hydrologische Modell. Ausgehend von den Messwerten der Meteostation Blatten und Daten der Gletscher fläche, wurden alle Parameter zur Ablussbestim mung berechnet. Die Faktoren, welche mit einem Zahnrad versehen sind, dienten zur Kalibrierung des Modells. 184

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fügbar sind, dient die Periode 2013 – 2018 als Referenz. Die vorhandenen Evapo transpiration durch die lokale Vegetation wird nicht gemessen und wird mittels des «ETo Calculators» der FAO (Food and Agri culture Organization of the United Nations) bestimmt. Die Berechnungshilfe ist online verfügbar (FAO, 2018) und basiert auf Angaben zur Lage des Standorts und auf einer groben Klassifizierung des Klimas, der Aridität und den Windverhältnissen. Die verwendeten Gletscherflächen basieren auf dem Inventar SGI2010 (The New Swiss Glacier Inventory) von Fischer et al. (2014). Einzelne Anpassungen in den Flä chen wurden vorgenommen, da mit Schutt bedeckte Gletscherflächen z. T. falsch kar tiert wurden. Zudem wurde für die Master arbeit (geomorphologische Untersuchung der Südseite) ein aktuelles DEM (Digital Elevation Model) mittels Helikopter und Fotogrammetrie erhoben. Aus den 4036 Fotos konnte eine Pixel auflösung von 26 cm erzielt werden, welche aufgrund der Vergleichbarkeit mit dem Referenzmodell swissALTI3D (2011) auf 2 m hochgerechnet wurde. 2.3 Das Modell Das hydrologische Modell baut auf der Gleichung von Wulf et al. (2016) auf: Qout = M + PRain – ETc, wobei M = Sm + Gm Qout Abfluss aus System M Eintrag durch Schmelze (Sm: Schneeschmelze / Gm: Gletscherschmelze) PRain Eintrag durch Regen ETc Verlust durch Evapotranspiration Das Modell wird durch eine zeitliche und örtliche Auflösung definiert: • Um kurzzeitige Niederschlagsver änderungen und deren Beschaffenheit (Wasser oder Schnee) verfolgen zu können, wird eine stündliche Auflösung angewendet, die dann anschliessend auf monatliche Werte hochgerechnet wird. • Da die Schneegrenze ein zentraler Faktor ist, wird das Tal in 27 Höhen bänder unterteilt (100 m Höhenunter schied). Jedes Band repräsentiert eine homogene Einheit und zieht sich durch das ganze Tal. Örtliche Unterschiede im Auftreten von Niederschlagsereignissen werden vernachlässigt. Bodenparameter und allfällige kurzzeitig vorkommende Grundwasser vorkommen werden vernachlässigt. Alle Prozesse verlaufen direkt und ohne zeitliche Verzögerung.

Die grösste Herausforderung besteht da rin, aus den klimatischen Daten von Meteo Schweiz in Blatten (Niederschlag, Tempe ratur und Feuchtigkeit) alle Hauptparameter der Formel exklusiv der Gletscherschmelze (Gm) zu bestimmen. Das Modell beruht auf den folgenden Hauptparametern und kann im Bild 2 betrachtet werden: • Da bei der Station Blatten der Gesamt niederschlag gemessen und nicht zwischen Schnee und Regen unterschieden wird, muss aus der Glei chung Ptot = PRain + PSnow, mittels der am selben Standort gemessenen Temperatur jeweils die Schneefallgrenze und die Beträge der Schneeakkumu lation wie auch deren Ablation modelliert werden. Bei Temperaturen > 1 °C wurde der Niederschlag direkt als PRain übernommen (Jennings et al., 2018), bei Temperaturen < 1 °C wurde der Niederschlag als Schnee betrachtet. Dies wurde anhand von Schmelz wasseräquivalenz-Berechnungen auf jeweils einem Höhenband zwischen zwei Messzeitpunkten erreicht, wobei für akkumulierte Schneemassen die Annahme gilt, erst bei 0 °C in Schmelze (Sm) überzugehen (MeteoSchweiz, 2017). Die tägliche Schmelzrate von Schnee (Degree Day Factor, DDFSnow) wird als Kalibrierungsparameter einbezogen. Die Messstation Gandegg auf 2710 m ü. M. wird als Referenz für die Temperatur- und Schneemodellie rungen verwendet. • Die Evapotranspiration ETc wird durch die Parameter ETo (Pflanzen-ReferenzEvapotranspiration) and Kc (spezifische Pflanzeneigenschaft) bestimmt. Die detaillierte Berechnung findet mithilfe des ETo-Rechners (FAO, 2018a) statt und beschreibt, wie viel Wasser durch pflanzliche Verdunstung verloren geht. Da BLA und FER unterschiedliche Vegetationen aufweisen, wurden folgende Annahmen getroffen: – BLA: 1/3 Lärchen und 1/3 Gras – FER: 1/2 Lärchen und 1/2 Gras Die Daten basieren auf einen optimalen Zustand der Pflanzen mit gutem Wasserhaushalt sowie auf konstanten klimatischen Verhältnissen. • Die Gletscherschmelze (Gm) basiert auf der Höhenlage der Gleichgewichts linie der Gletscher (ELA) und bestimmt über das Verhältnis der Akkumulations(Eisaufbau) und der Ablationsfläche (Eisschmelze), wie viel der gesamten Eisfläche schmilzt (Accumulation Area Ratio, AAR).

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Die AAR liegt bei einem Gletscher im Gleichgewicht bei 0,6 (Paul et al. 2007), wobei die aktuell abschmelzenden Gletscher einen niedrigeren Wert aufweisen müssten (je höher der Wert, desto mehr Gletscherfläche gehört zum Akkumulationsgebiet). Da hier aber komplexe Verzögerungs mechanismen aufgrund der Trägheit von Gletscher eingreifen, wird zur Simplifizierung mit einer AAR von 0,6 gerechnet. Die Gletscherschmelze wird durch den Eisschmelzparameter DDFIce, welcher auf der Ablationsfläche angewendet wird, beschrieben und agiert als Kalibrierungsfaktor. Dabei wird der Anteil an Gletscherfläche pro Höhenband berechnet. Die Gletscher zunge des Langgletschers, der tiefste vergletscherte Punkt, liegt auf 2095 m ü. M. Daraus ergibt sich eine berechnete, theoretische ELA von 3000 m ü. M. für das gesamte Tal. Die Kalibrierung des Modells erfolgt nur mittels Anpassungen von Eis- und Schnee schmelzfaktoren (DDFSnow und DDFIce), sodass der Abfluss (Qout) mit den Mess werten der Lonza (Referenzperiode 2013 – 2018) übereinstimmt. Die Kongruenz wird dabei durch den Nash-Sutcliffe-Koeffizient (NSE) abgebildet, welcher die Unterschiede zwischen dem Modell und der Messung mit Werten zwischen 1 (perfekte Übereinstim mung) und minus unendlich beschreibt, wobei Werte < 0 als nicht brauchbar gewertet werden (Moriasi et al., 2007). 2.4 Zukunft Um die Zukunftsperspektiven modellieren zu können, werden zukünftige Gleichge wichtszustände gemäss der verwendeten Klimaszenarien angewendet, da ein dynamisches Modell den Rahmen der Arbeit gesprengt hätte. Dies zieht folgende An nahmen nach sich: • Die Gletscher werden als homogene Flächen gewertet und besitzen keine räumliche Geometrie. Berechnungen basieren nur auf Oberflächenaus dehnungen (Flächenanteil pro 100 m Höhenband). • Es werden keine Veränderungen in der Oberflächenbeschaffenheit wie auch in der Fliessgeschwindigkeit miteinbezogen. • Die Schmelze wird als das Resultat des angewendeten Eisschmelzfaktors (DDFIce) auf die betroffene Fläche beschrieben. Da finale Gleichgewichtszustände für die Teileinzugsgebiete Blatten (BLA) und Ferden (FER) modelliert werden, werden die RCP185

Medianwerte von CH2018 für das Jahr 2085 direkt auf das Modell und dessen stündli che Datenmessreihe von 2013 bis 2018 an gewendet (Temperatur und Niederschlag). Aus diesen Angaben ergeben sich alle weiteren Parameter, exklusiv der Gletscher schmelze (Gm). Da Gm auf der Ablations fläche und somit auf der Position der Gleich gewichtslinie (ELA) basiert, wird

eine ELA-Höhenveränderung von 170 m pro Grad Erwärmung angewendet. Dieser Wert basiert auf dem Mittelwert diverser wissenschaftlicher Publikationen (Rabatel et al., 2013; Foster und Rahmstorf, 2011; Kuhn, 1980; Paul et al., 2007). Auf den Tem peraturveränderungen aufbauend und in Betrachtung der gesamten Gletscherfläche (Fischer et al., 2014) sowie einer AAR von

0,6 (Paul et al., 2007), kann die Akkumula tionsfläche definiert werden. Dabei wird angenommen, dass oberhalb der ELA keine Schmelzprozesse auftreten. Um die zukünftige Ablationsflächen verteilung pro Höhenband modellieren zu können, wird eine prozentuale Verteilung gegenüber der Ausgangssituation ange nommen. Dies wird in der Bild 3 dargestellt. 3. Situation heute

Bild 3: Um die Verzögerung der Gletscherschmelze abbilden zu können, wurde der abgebildete Prozess angewendet. Dabei wurde pro 100 m Höhenband (EB = elevation band) die Gletscherfläche nach einer Verschiebung der Gleichgewichtslinie berechnet.

Bild 4: Abflussmodellierung der Lonza mit dem hydrologischen Modell (Bild 2) entsprechend der Situation heute. Dargestellt sind die beiden Einzugsgebiete Blatten (oben) und Ferden (unten), basierend auf der gemittelten Messreihe zwischen 2013 – 2018. Nebst dem Gesamtabfluss (dunkelblau) sind die Unterkategorien Regen (blau), Gletscherschmelze (grau), Schneeschmelze (violett) und Evapotranspiration (rot) dargestellt. Die gepunktete Linie zeigt den Abfluss heute ohne Gletscherschmelze. 186

Die beste Übereinstimmung zwischen dem Modell und den Messwerten für den Ab fluss der Lonza konnte mit den Schmelzfaktoren 4 mm/d/°C (DDFSnow) und 9 mm/ d/°C (DDFIce) erreicht werden. Die Jahres verläufe der verschiedenen Komponenten des Gesamtabflusses Qout sind in Bild 4 für Blatten und Ferden dargestellt. Dabei zeigt sich, dass aktuell 71 % des Abflusses in Ferden (FER) von dem Einzugsgebiet Blatten (BLA) kommen und Letzteres stärker von der Gletscherschmelze abhängig ist (mit 51 % Gm-Anteil) als FER (46 %). Ent sprechend wären die Gesamtabflüsse ohne den Beitrag der Gletscherschmelze etwa 50 % tiefer als heute (gepunktete Linie). Die Ergebnisse entsprechen weiteren Publikationen (Costa et al., 2018; Farinotti et al., 2011; Seibert et al., 2014), wobei der berechnete NSE mit 0,943 (BLA) und 0,923 (FER) ein «sehr gutes» Resultat beschreibt (Moriasi et al., 2007). Die NSEWerte sind für die erreichte Modellierung extrem hoch; es wird daher angenommen, dass die verwendeten Datenmenge zu klein war und sich die Abweichungen gegen seitig aufheben (Bild 5). Der für die Schneemodellierung verwen dete Schmelzfaktor für Schnee (DDFSnow : 4 mm/d/°C) ist vergleichbar mit ähnlichen Arbeiten (Costa et al., 2018; Rössler et al., 2012; Schäfli et al., 2005; Hock, 2003). Wird die Modellierung mit den Messwer ten der SLF-Station auf der Gandegg verglichen, ergibt sich eine um den Faktor 0,3 zu kleine Schneemenge (Bild 6). Dieser Faktor wurde nicht angewendet, da Sm im Gesamtanteil zu gross geworden wäre. Da die Zeitpunkte des Schneedeckenaufbaus wie auch der totalen Schneeschmelze auf 15 – 30 Tage genau übereinstimmen, wurde angenommen, dass die Referenzstation Gandegg überdurchschnittlich viel Schnee misst (durch Aussagen des SLF unterstützt, wenngleich auch nicht quantitativ analysiert). Es kann davon ausgegangen werden, dass die Annahme einer homoge nen Niederschlagsverteilung und der Ver nachlässigung von weiteren meteorologi schen Parametern wie Wind, Sonnenein

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Bild 5: Die Gegenüberstellung der gemessenen und der modellierten Werte für die Periode 2013 – 2018. Die Differenz der Linien beschreibt jeweils das Abflussvolumen, welches unterhalb von BLA in FER eingetragen wird.

Bild 6: Gegenüberstellung der Schneemodellierung anhand der Messdaten in Blatten und der Messwerte der Station Gandegg (2710 m ü. M.). Die Modellierung bezieht sich auf das Höhenband der Station Gandegg (2700 – 2800 m ü. M.). strahlung, Kristallgrössen etc. zu dieser Dif ferenz führen. Der angewendete Schmelzfaktor für Eis (DDFIce : 9 mm/d/°C) widerspiegelt die beste Passgenauigkeit zwischen Modell und Messung. Zwar ist der Wert relativ hoch, reiht sich aber in bestehende Arbei ten ein (Costa et al., 2018; Rössler et al., 2012; Schäfli et al, 2005; Hock, 2003). Der aufgrund der Talausrichtung und der damit verbundenen variablen Sonneneinstrahlung hervorgerufene solare Gradient wird in der angewendeten homogenen Betrachtung des Tales nicht abgebildet. Somit ist im Zusammenhang mit dem hauptsächlich auf der nördlichen Talseite konzentrierten Grossteil der Gletscherfläche dieser erhöhte DDFIce plausibel. Der einzige Systemverlust neben dem Abfluss wird durch die Evapotranspiration (ETc) repräsentiert und weist aufgrund der unterschiedlichen Vegetation für Ferden (FER) und Blatten (BLA) differenzierte Re

sultate aus. Hier ist eine Evaluierung auf grund fehlender Referenzen schwierig. Kleinräumige und höhenbedingte Unter schiede im Wasserverbrauch werden nicht mitberücksichtigt. Es kann demnach die Aussage gemacht werden, dass die er haltenen Werte plausibel scheinen, jedoch mit grossen Unsicherheiten verbunden sind. Weitere, ETc-spezifische Untersu chungen wären daher nötig. Schliesslich kann die Annahme, dass keine Trägheit und somit keine Verzöge rung im System vorhanden ist, für kurzzei tige Analysen kritisch sein. Im Modell werden alle Daten auf einen monatlichen Mittelwert hochgerechnet, und somit fallen stündliche oder tägliche Verschiebungen nur minimal ins Gewicht. 4. Perspektiven 2085 Für die Modellierungen zukünftiger Bedin gungen wurden die Parametereinstellungen

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unverändert übernommen und die Tempe ratur- und Niederschlagsmesswerte durch Daten aus den RCP-Szenarien von CH2018 für das Jahr 2085 ersetzt. Daraus ergaben sich folgende Resultate (Bild 7): Basierend auf den CH2018-Szenarien • nimmt der Anteil von Regen (PRain) um bis zu 30 % zu, sollte sich RCP8.5 einstellen. • findet die Schneeschmelze (Sm) ca. einen Monat früher statt und nimmt in der Intensität ab. • zeigt sich eine Verzögerung der Gletscherschmelze (Gm) aufgrund der grossen Eismassen auf 3000 m ü. M., wobei schon mit dem RCP2.6-Szenario bis zu 50 % des Abflusses wegfallen dürften. • zeigen beide Einzugsgebiete FER und BLA einen negativen Trend für den totalen Abfluss der Lonza. Gemäss dem RCP8.5-Szenario verlieren BLA 2,3 m3 /s und FER 2,56 m3 /s des durchschnittlichen Jahresabflusses gegenüber heute, was einer Einbusse von – 38,4 % (BLA) und – 46 % (FER) des Gesamtabflusses entspricht. • verschiebt sich der maximale Abfluss einen Monat nach vorne, wobei der Sommer weniger und der Winter mehr Abfluss generiert als heute. Die Temperatur- und Niederschlagsände rungen gegenüber heute werden durch die CH2018-Szenarien definiert. Das Modell bildet diese Prognosen ab. Obwohl in diesen Szenarien die Sommerniederschläge abnehmen und die Winterniederschläge zunehmen werden, zeigt das Modell eine Gesamtzunahme des Winterabflusses von 30 %. Dieser Effekt von zunehmenden Nie derschlägen ist bekannt, vielseitig diskutiert und bereits beobachtet (Meehl et al., 2005 und Referenzen sowie Stoffel und Corona, 2018). Aufgrund des höheren Feuchtigkeits gehalts in wärmerer Luft werden auch die Starkniederschläge zunehmen (CH2018, 2018), wobei diese kurzzeitigen massiven Einträge, gefolgt von trockenen Abschnit ten, in dem monatlich aufgelösten Modell nicht abgebildet werden können. Der verfrühte, durch die Schneeschmel ze (Sm) ausgelöste maximale Abfluss wird auch durch CH2018 (2018) beschrieben, jedoch wird in dem hier angewendeten Modell mit einem konstanten Temperatur gradienten von 0,46 °C / 100 m gerechnet. Stärkere Veränderungen in spezifischen Höhenbereichen (beispielsweise unterhalb von 2000 m ü. M.) werden nicht modelliert; auch hier kommt das linear gehaltene Mo dell an seine Grenzen. 187

mehrter Trockenheit ausgeliefert sein wird. Entsprechende Veränderungen wurden nicht berücksichtigt und könnten zu den Fehlerwerten geführt haben. Eine Anpas sung der Baumgrenze wie auch die Ände rung der Vegetationsparameter würden hier ein verbessertes Resultat liefern. Das Modell beschreibt Zukunftssze narien, worin beide Einzugsgebiete einen um etwa 50 % niedrigeren Gesamtabfluss verzeichnen werden. Das modellierte Ab flussverhalten ist dabei mit den Ergebnis sen von Farinotti et al. (2011) im Aletsch gebiet vergleichbar. Für das Einzugsgebiet BLA ist eine allgemeine Abflachung der Kurve aufgrund des fehlenden Gletscher wassers erkennbar. In beiden Einzugsge bieten ist im Frühjahr ein Unterschied zwischen RCP4.5 und 8.5 auffällig, der durch den erhöhten Eintrag von Regen (PRain) und einer Abnahme der Schneeschmelze (Sm) im RCP8.5-Szenario verursacht wird. Aufgrund der unterschiedlichen Höhe der Einzugsgebiete (EZ) wird das Einzugsge biet von Ferden stärker durch flüssigen Nie derschlag (PRain) und das Einzugsgebiet Blatten stärker durch festen Niederschlag und dessen Schmelze (Sm) beeinflusst. 5. Fazit

Bild 7: Der Gesamtabfluss und die Abflusskomponenten heute (oben) sowie im Jahr 2085 gemäss den Klimaszenarien RCP2.6, 4.5 und 8.5 für die Einzugs gebiete Ferden (linke Spalte) und Blatten (rechte Spalte). Wie die Schneeschmelze ist die Gletscher schmelze (Gm) temperaturabhängig und mit der ELA verknüpft. Da das Modell aber nicht mit dynamischen, sondern mit sta tischen Gleichgewichtszuständen rechnet, wird für Gm eine Ver zögerung mit ge rechnet, die in den anderen Parametern des Modells nicht vorhanden ist. Das Modell berechnet beispielsweise für eine ELA auf 3300 m ü. M. kleine vergletscherte Überreste auf 3000 m ü. M. Würde man hier strikt die Linie eines direkten und nicht verzögerten Systems verfolgen, dürften diese Bereiche im Modell nicht mehr vergletschert sein. Aufgrund dessen, dass solche Szenarien sehr unwahrscheinlich sind, wurde Gm dazu verwendet, die Träg heit des Modells an eine mögliche Realität im Jahre 2085 anzugleichen. Das Modell wird stark durch den ho mogen angewendeten Eisschmelzfaktor (DDFIce) beeinflusst. Obwohl keine dreidimensionale Eisvolumen miteinbezogen wurden, entspricht das Resultat des voll188

ständigen Verschwindens der Gletscher bis zum Ende des Jahrhunderts (RCP8.5) den Berechnungen von Farinotti et al. (2011) und ist, zumindest qualitativ, mit den Arbei ten von Huss et al. (2010) und Linsbauer et al. (2013) vergleichbar. Das Modell vernachlässigt jegliche Grundwasservorkommen, basierend auf der Geologie und der teilweise gestuften Geomorphologie, kann aber davon ausgegangen werden, dass zumindest kurzzeitige Abflussverzögerungen auftreten könnten. Diese würden allerdings die ange strebte monatliche Modellauflösung nicht beeinflussen. Hinzu kommt, dass die Muster der Evapotranspiration (ETc) mögliche Fehler in den spezifischen Vegetationswerten anzeigen; dies wurde aber nicht vertieft analysiert. Die ETc-Werte bzw. deren Para meter wurden nicht auf die unterschiedlichen Klimaszenarien angepasst. Rössler et al. (2012) konnten aufzeigen, dass das Lötschental unterhalb von 1800 m ü. M. ver

Die Wasserverfügbarkeit im Lötschental wird sich zukünftig stark verändern. Im Jahr 2085 werden die vergletscherten Ein zugsgebiete 70 % ihres Jahresabflusses, und die von Niederschlag (Schnee und Regen) dominierten Einzugsgebiete um die 40 % verlieren (RCP8.5). Während für den Winter eine leichte Zunahme des Ab flusses erwartet wird, werden die Sommerund Herbstmonate deutlich trockener (Juli: – 74 % BLA / – 83 % FER). Für den Winter tourismus kann dies ein Vorteil sein, jedoch weisen die steigenden Temperaturen auf vermehrten flüssigen Niederschlag hin, was wiederum die künstliche Schnee produktion beeinflussen dürfte. Der höhere Anteil an flüssigem Nieder schlag mit verminderter Speicherkapazität durch fehlende Gletscher dürfte in Zukunft zu einer Wasserverknappung im Tal führen, speziell in den Sommermonaten. Der Sommer birgt dabei die grössten Gefahren bezüglich Wasserknappheit. Mit – 50 % im Durchschnitt und bis zu – 80 % im Sommer deutet das Einzugsgebiet von Blatten gros se Veränderung an. Ein langfristig ausge legtes, nachhaltiges Wassermanagement, eventuell kombiniert mit Wasserrückhalte becken oder anderen Versorgungssyste men, dürfte nötig werden, um sich an diese zukünftigen Bedingungen anzupassen.

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Bild 8: Die Gegenüberstellung zwischen dem gemessenen, aktuellen Wasser verbrauch der Gemeinden (ausgezogene Linien) und den modellierten Neben flüssen unter dem RCP8.5-Szenario.

Quellen: CH2018 (2018). CH2018 – Climate Scenarios for Switzerland, Technical Report, National Centre for Climate, Services, Zurich, 271 pp., ISBN: 978-3-9525031-4-0. Costa. A., Molnar, P., Stutenbecker, L., Bakker, M., Silva, T.a., Schlunegger, F., Lane, S. N., Loizeau, J.-J., Girardclos, S. (2018). Temprature signal in suspended sediment export from an Alpine catchment. Hydrology and Earth System Sciences, 22, 509-528. https://doi. org/10.5194/hess-22-509-2018. FAO, Food and Agriculture Organization of the United Nations (2018). ETo Calculator. http://www.fao.org/ land-water/databases-and-software/eto-calculator/en/ (request: 07.09.18) Farinotti, D., Usselmann, S., Huss, M., Bauder, A., Funk, M. (2011). Runoff evolution in the Swiss Alps: projections for selected high-alpine catchments based on ensembles scenarios. Hydrological Processes, 26(13), 1909–1924. http://doi.org/10.1002/hyp.8276 Fischer, M., Huss, M., Barboux, C., Hoelzle, M. (2014). The New Swiss Glacier Inventory SGI2010: Relevance of Using High-Resolution Source Data in Areas Dominated by Very Small Glaciers. Arctic, Antarctic, and Alpine Research, 46(4), 933–945. http://doi. org/10.1657/1938-4246-46.4.933 Foster, G., Rahmstorf, S. (2011). Global temperature evolution 1979–2010. Environmental Research Letters, 6(4), 044022. http://doi.org/10.1088/17489326/6/4/044022 Haeberli, W., Hohmann, R. (2008). Climate, Glaciers and Permafrost in the Swiss Alps 2050: scenarios, consequences and recommendations. Proceedings Ninth International Conference on Permafrost, 1(July), 607–612. Hock, R. (2003). Temperature index melt modelling in mountain areas. Journal of Hydrology, 282(1–4), 104–115. http://doi.org/10.1016/S00221694(03)00257-9 Huss, M., Jouvet, G., Farinotti, D., Bauder, A. (2010). Future high-mountain hydrology: A new

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In Bild 8 werden die Verbrauchszahlen mit den weiterführenden Modellierungen, mit Einbezug der Nebenflüsse, verglichen. Auch wenn die Daten nicht vollständig sind und die Berechnungen grosse Un sicherheiten aufweisen, können kritische Phasen im Winter und im Sommer ausgemacht werden. Basierend auf CH2018 (2018) wird das Lötschental zukünftig mit klimatischen Ver änderungen konfrontiert: längere Trocken perioden, gefolgt von kurzen Starknieder schlägen, dürften die Sommer prägen. Aufgrund der monatlichen Auflösung des Modells konnten solche Phänomene allerdings nicht abgebildet werden. Schliesslich kann gesagt werden, dass die Modellierungen die allgemein zu er wartenden Prognosen bezüglich Wasser verfügbarkeit stützen und dass grössere Herausforderungen im Bereich des Wasser haushalts auf das Lötschental zukommen werden.

Rabatel, A., Letréguilly, A., Dedieu, J. P., Eckert, N. (2013). Changes in glacier equilibrium-line altitude in the western Alps from 1984 to 2010: Evaluation by remote sensing and modeling of the morphotopographic and climate controls. Cryosphere, 7(5), 1455–1471. http://doi.org/10.5194/tc-7-1455-2013 Rössler, O., Diekkrüger, B., Löffler, J. (2012). Potential drought stress in a Swiss mountain catchment. Ensemble forecasting of high mountain soil moisture reveals a drastic decrease, despite major uncertainties. Water Resources Research, 48(4), 1–19. http://doi. org/10.1029/2011WR011188 Schaefli, B., Hingray, B., Niggli, M., Musy, A. (2005). A conceptual glacio-hydrological model for high mountainous catchments. Hydrology and Earth System Sciences Discussions, 2(1), 73–117. http://doi. org/10.5194/hessd-2-73-2005 Seibert, J., Jenicek, M., Huss, M., Ewen, T. (2014). Snow and Ice in the Hydrosphere. Snow and Ice-Related Hazards,Risks, and Disasters. http://doi.org/10.1016/ B978-0-12-394849-6.00004-4 Stoffel, M., Corona, C. (2018). Future winters glimpsed in the Alps. Nature Geoscience, 11(7), 458–460. http:// doi.org/10.1038/s41561-018-0177-6 Wulf, H., Bookhagen, B., Scherler, D. (2016). Differentiating between rain, snow, and glacier contributions to river discharge in the western Himalaya using remote-sensing data and distributed hydrological modeling. Advances in Water Resources, 88, 152–169. http://doi.org/10.1016/j. advwatres.2015.12.004 Autoren: Matthias Nyfeler, Geographisches Institut Universität Zürich, matthias@nybu.ch Dr. Holger Frey, Geographisches Institut Universität Zürich, holger.frey@geo.uzh.ch Prof. Dr. Christian Huggel, Geographisches Institut Universität Zürich, christian.huggel@geo.uzh.ch

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SCHWEIZ UNTER HOCHSPANNUNG. Branchentreffpunkt der Schweizer Stromwirtschaft. Forum – Networking – Ausstellung

People for energy – Blick in die Energiezukunft 1.12. Energiewelt Schweiz – Die Stromindustrie im technologischen Wandel 2.12. Wasserkraft – der Schlüssel zur Versorgungssicherheit 3.12.

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Quadrokoptervideo-basierte Vermessung von Fliessgewässern Martin Detert, Andreas Prokoph, Guido Derungs, Volker Weitbrecht

1. Einleitung Zusammenfassung Dieser Artikel beschreibt die Anwendung berührungsfreier Methoden, um Sohltopo grafien bis Wassertiefen von 1,5 m, Oberflächenfliessgeschwindigkeiten sowie Korn grössen eines typischen Schweizer Fliessgewässers räumlich hochauflösend zu vermessen. Wesentliches Werkzeug ist eine handelsübliche Kamera-QuadrokopterKombination. Testmessungen wurden an einem 500 m langen Abschnitt der Wiese in der Stadt Basel durchgeführt. Fotogrammetrisch berechnete 3-D-Punktwolken der Bathymetrie, welche mit einem vereinfachen Ansatz refraktionskorrigiert wurden, haben eine Punktedichte, vergleichbar einer Lidar-Vermessung. Nach einer Korrektur erweiterung liegen die Unterwasserpunkte im Genauigkeitsbereich von ± 0,05 m zu 78 terrestrisch aufgenommenen Referenzpunkten. Zur Ermittlung von Strömungs geschwindigkeiten wird jedes Videoeinzelbild automatisiert orthorektifiziert und georeferenziert. Die so stabilisierten Videoaufnahmen werden mithilfe eines ParticleImage-Velocimetry-Verfahrens, welches einzelne zeitlich aufeinanderfolgende Bildbe reiche miteinander korreliert, in Oberflächengeschwindigkeitsfelder mit einem Vektor raster von 0,5 × 0,5 m2 umgerechnet. Ein nicht überströmter Bereich der Sohle wird exemplarisch mit der Software BASEGRAIN analysiert, um das Potenzial einer luft gestützten Korngrössenvermessung aufzuzeigen, bei der jedes detektierte Einzelkorn auch georeferenziert werden kann. Anwendungsbereiche für die hier vorgestellten berührungsfreien Methoden sind Gewässermonitorings im Rahmen von Revitalisie rungen, Beurteilungen der Strömungsverhältnisse bei Wasserbauwerken anhand eines «Big Pictures», Analysen von Hochwasserereignissen, Schätzungen von Abfluss raten sowie Grundlagenermittlungen für mehrdimensionale hydronumerische Modelle.

Résumé Cet article décrit l’utilisation de méthodes sans contact pour mesurer des profondeurs d’eau jusqu’à 1,5 m, les vitesses d’écoulement de surface et la taille des grains d’une rivière typique en Suisse. L’outil essentiel est un drone quadrirotor équipé d’une caméra grand public disponible dans le commerce. Des mesures ont été effectuées sur une section de 500 m de prairie de la ville de Bâle. Les nuages de points 3D de bathymétrie calculés par photogrammétrie, qui ont été corrigés par réfraction avec une approche simplifiée, ont une densité de points comparable à une mesure lidar. Après une correction améliorée, la précision des points sous l’eau est de l’ordre de ± 0,05 m à 78 points de référence enregistrés par voie terrestre au moyen d’un tachymètre. Pour déterminer les vitesses d’écoulement, chaque image vidéo est automatiquement ortho-rectifiée et géo-référencée. Les enregistrements vidéo stabilisés sont convertis en champs de vitesse de surface avec une grille vectorielle de 0,5 × 0,5 m2 en utilisant une méthode de vélocimétrie par image de particules qui corrèle les images successives les unes avec les autres. Une partie asséchée du lit de la rivière est analysée à l’aide du logiciel BASEGRAIN pour démontrer le potentiel de mesure du grain en suspension dans l’air, dans lequel chaque grain individuel détecté peut également être géo-référencé. Les domaines d’application des méthodes sans contact présentées ici sont la surveillance de l’eau dans le cadre de la revitalisation, l’évaluation des conditions d’écoulement dans les structures hydrauliques à l’échelle globale, l’analyse d’inondations, l’estimation des taux de rejet et la détermination des données pour les modèles hydronumériques multidimensionnels.

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Die Verbreitung von sog. Unmanned Aerial Vehicles (UAV, auch Drohnen) hat in den letzten Jahren in vielen zivilen Bereichen Einzug gehalten. Durch die einfache Steuer barkeit, die ruhige Fluglage und die stark gesunkenen Anschaffungskosten sind sie für jedermann erschwinglich und einfach zu bedienen. Auch dem Flussbauingenieur eröffnen sich dadurch neue Möglichkeiten zur Fern erkundung, Datenakquisition und -analyse. So testeten Woodget et al. (2015) erfolgreich ein vereinfachtes Verfahren zur Re fraktionskorrektur, um drohnenbildbasiert die Sohltopografie durch die Wasserober fläche hindurch zu vermessen. Dietrich (2017) hat die Genauigkeit dieses Verfah rens noch erhöhen können. Weiter zeigen Detert und Weitbrecht (2015) und Detert et al. (2015, 2017) auf, wie mit einem handels üblichen Quadrokopter, in Kombination mit einer Actioncam, grossflächig Oberflächen geschwindigkeitsfelder der Strömung eines typischen Schweizer Mittellandflusses ver messen werden können. Dabei wird eine für Feldmessungen hohe Genauigkeit und räumliche Auflösung erreicht. Auch die luftgestützte Erfassung von Korngrössen über bildbasierte Software wie BASEGRAIN (Detert und Weitbrecht, 2012, 2013) wurde bereits erfolgreich angewendet, z. B. durch Westoby et al. (2015). Neuste Ansätze zur luftbildbasierten Gravelometrie zielen dabei auf die Nutzung von künstlicher Intelligenz (Buscombe, 2020; Irniger et al., 2020). Ein Monitoring mittels berührungsloser luftgestützter Vermessung bietet gegen über klassischen In-situ-Punktmessungen den Vorteil, kostensparend flächendecken de Daten aufzunehmen. Auch an Orten bzw. zu Zeitpunkten, bei denen aufgrund von Strömungsrandbedingungen keine Messung mit klassischen Techniken möglich ist, wie z. B. im Hochwasserfall oder in schwer zugänglichem Gelände, können bildbasierte drohnengestützte Techniken eingesetzt werden. 191

Eine wesentliche Herausforderung einer UAV-basierten Gewässervermessung ist die noch fehlende Akzeptanz bei Ent scheidungsträgern, diese Methodik vermehrt einzusetzen. Zur Einordnung des Potenzials zur Durchführung von Erfolgs kontrollen bei Fliessgewässerrevitalisierun gen hat die Versuchsanstalt für Wasser bau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) zu sammen mit dem Tiefbauamt Basel-Stadt Testmessungen am Fluss Wiese durchge führt. Nachstehend werden die dabei durchgeführten Arbeiten und die verwen deten Methoden beschrieben, die aufgenommenen Daten entsprechend analysiert sowie die Ergebnisse dargestellt und diskutiert.

den durch das Tiefbauamt Basel-Stadt mit einer GNSS Leica Viva GS14 einge messen.

2. Vermessungsarbeiten Die Befliegungen des zu untersuchenden Abschnitts der Wiese und ein Teil der Ver messungsarbeiten wurden am Vormittag des 16. Mai 2019 durchgeführt. Bild 1 zeigt eine Übersicht zum Projektperimeter. Für eine luftgestützte Vermessung kamen zwei verschiedenen Systeme zum Einsatz. Zwischen 9 bis 10 Uhr wurden Befliegungen durch das Tiefbauamt BaselStadt mit eigener Drohne durchgeführt. Verwendet wurde ein Oktokopter AscTec Falcon 8 inklusive einer Gimbal-stabilisier ten Kamera Sony Alpha 7R, um Stand bilder mit 7360 × 4912 px2 aufzunehmen. Der Flugplan umfasste vier parallele Bah nen entlang des Flusslaufes mit einem Ab stand von je 30 m. Ziel dieser Aufnahmen war es, Grundlagen für eine im Anschluss fotogrammetrisch zu berechnende 3-D- Referenzpunktwolke sowie ein hochaufgelöstes Orthofoto aufzunehmen. Durch die VAW wurde zwischen 11 und 12.45 Uhr mit einer DJI Phantom 4 inklusive einer Gimbal-stabilisierten On-Board-Kamera ge flogen. Videoaufnahmen erfolgten mit einer Auflösung von 4096 × 2160 px2 bei 23,98 fps (frames per second). Ziel dieser Aufnah men war es, Detaildaten für eine Airborne Image Bathymetry (AIB), für eine Airborne Image Velocimetry (AIV) und für eine exemplarische BASEGRAIN Anwendung zu erhalten. Die nachstehend beschriebenen Analysen der VAW-Daten für AIB und AIV beziehen sich auf eine einzelne Flugbahn entlang des Talwegs von Feld # 0 – 2 (Bild 1) zwischen 11.25 und 11.35 Uhr. Das Foto für die BASEGRAIN-Analyse wurde um 12.35 Uhr aufgenommen. Ein dichtes Netz von 26 mit Spray mar kierten ufernahen Bodenreferenzpunkten und 88 Punkten zur Höhe und Lage des Wasserspiegels im Modellperimeter wur192

Der Abfluss betrug zum Zeitpunkt der Be fliegungen 10,2 m3 s–1 (BAFU-Pegel # 2199, siehe Bild 1). Die mit diesem Abfluss verbundenen Fliessgeschwindigkeiten und Wassertiefen waren zu hoch, um Referenz punkte der Sohle gefahrlos terrestrisch auch im Talweg der Wiese aufzunehmen. Daher wurden erst am Vormittag des 5. Juli 2019 zusätzlich insgesamt 78 3-D-Punkt koordinaten der Gewässersohle terrestrisch mit einer GNSS Leica Viva GS14 aufge nommen. Die Punkte wurden gleichmässig in den drei Bereichen der Felder # 0 – 2 auf je einem Teilabschnitt von ~ 10 bis 15 m Fliess richtungslänge erfasst (Bild 1). Der Abfluss war an diesem Tag mit ~ 2,2 m3 s –1 deutlich geringer, und der niedrigere Wasserstand (z. B. – 0,26 m am BAFU-Pegel im Vergleich zum 16. Mai 2019) und entsprechend geringere Strömungsgeschwindigkeiten so wie Wassertiefen ermöglichten nun die Ver messungsarbeiten. Zwischen diesen beiden Messtagen wurde kein bettbildendes Hoch wasser verzeichnet. Dementsprechend sind auch keine Veränderungen in der Sohllage zu erwarten; eine Datenhomogenität ist so mit gewährleistet. 3. Airborne Image Bathymetry

Bild 1: Übersicht Projektperimeter. Felder # 0 – 2 = Bereiche, die für eine Detailanalyse zur Airborne Image Bathymetrie (AIB) und Airborne Image Velocimetry (AIV) gewählt wurden. Feld #B = Bereich für ein Testbild zur luftgestützten Vermessung von Korndurchmessern mittels BASEGRAIN. Rote Punkte = Lage der 78 Sohlreferenzmessungen.

3.1 Vorgehen Datenbasis stellen 3-D-Punktwolken dar, welche mittels der Fotogrammetrie-Soft ware Metashape (Agisoft) aus den Beflie gungsdaten des Tiefbauamts Basel-Stadt und der VAW berechnet wurden. Ange wendet wird hier die sog. Structure-fromMotion-Technik (SfM) zur Schätzung der Kamerapositionen und -blickrichtungen und, quasi als Nebenprodukt, zur Berech nung einer sog. «spärlichen Punktwolke». In Kombination mit einer MultiView-Stereo- Methode (MVS) wird dann die finalen Be rechnung einer sog. «dichten Punktwolke» durchgeführt, welche im vorliegenden Fall für die Messungen an der Wiese etwa 200 bis 1000 Punkte m –2 aufweist, was ver gleichbar ist mit der Punktdichte einer typi schen Lidar-Vermessung. Für die Berechnung der Sohl topo grafie (Bathymetrie) aus der Punktwolke muss die genaue Wasserspiegellage in jedem Punkt bekannt sein. Dafür empfiehlt Dietrich (2017), aus einzelnen am Ufer gemessenen Punkten der Wasserspiegel lage mittels Delaunay-Triangulation zunächst lokal eine abschnittsweise geneigte Ebene der gesamten Wasserspiegellage zu konstruieren. Für Punkte der fotogram metrischen Punktwolke, welche tiefer liegen als die so geschätzte geneigte Wasser spiegelebene, d. h. für Unterwasserpunkte,

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Bild 2: Skizzen zur Refraktion an der Grenzschicht Luft–Wasser (nach Dietrich, 2017). (a) Trigonometrie der Brechungswinkel für eine einzelne KameraPunktkombination. (b) Brechungswinkel und scheinbare Tiefenpositionen von vier verschiedenen Bildstrahlen und Kamerapositionen. Die Unterschiede in den scheinbaren Tiefen veranschaulichen eine der Herausforderungen bei der Verwendung mehrerer Kamerastandorte (wie beim hier vorstellten Vorgehen mit SfM-MVS), um die korrekte Tiefe zu ermitteln. wird dann eine Refraktionskorrektur vorge nommen, wie sie prinzipiell z. B. auch von Friedl et al. (2017) für Laborversuche mit einem Laserscanner beschrieben wurde. In Bild 2a und b werden zugehörige geo metrische Zusammenhänge dargestellt. Die Korrektur der scheinbaren Wasser tiefe za auf die tatsächliche Wassertiefe z ist in Gl. 1 beschrieben. (Gl.1) Dabei ist α der Einfallswinkel des von der Unterwassersohle reflektierten Lichtstrahls auf die Wasseroberfläche und β dessen Ausfallwinkel im Medium Luft, und n1 = 1,34 sowie n2 = 1,0 sind die Brechungsindices von Wasser bzw. Luft. Mit dem Ansatz von Tangens ≈ Sinus für Winkel ≤ ~15 ° kann Gl. 1 reduziert werden zu Gl. 2.

(Gl.2) Gl. 2 stellt eine starke Vereinfachung für eine Refraktionskorrektur einer mit SfMMVS berechneten Punktwolke dar, da bei dieser Technik zur Ermittlung eines Einzel punktes immer mehrere Kamerastandorte verwendet werden und diese auch Winkel ≥ 15 ° haben können. Gl. 2 entspricht dem Ansatz nach Woodget et al. (2015). Die Unterschiede in den scheinbaren Tiefen bei grösseren Winkeln veran schaulicht Bild 2b und werden in Dietrich (2017) ausführlich diskutiert. So unterschätzt Gl. 2 gemäss Gl. 1 die korrigierten Wassertiefen bei (arithmetisch gemittelten) Einfallswin keln der Bildstrahlen von z. B. β = [15, 30, 45, 60] ° um [2, 7, 20, 53] %. Dies stellt eine der Herausforderungen bei der Verwen dung mehrerer Kamerastandorte (wie beim

hier vorstellten Vorgehen mit SfM-MVS) dar, um die korrekte Tiefe zu ermitteln. Die Befliegungsrouten am 16. Mai 2019 folgten auf einer mittleren Flughöhe von 80 m (Tiefbaumt Basel-Stadt) bzw. von 55 m (VAW, in etwa oberhalb der Fluss mitte) über der Wasseroberfläche. Bei einer mittleren Gerinnebreite der Wiese von 20 bis 25 m ergeben sich für den überwiegenden Teil des Flussbetts Einfalls winkel der Bildstrahlen von ≤ 15 °. Eine ver einfachte Refraktionskorrektur über den An satz aus Gl. 2 ist hier also in guter Nähe rung anwendbar. Die während der Beflie gung der Wiese entstandenen maximalen Einfallswinkel β der Bildstrahlen liegen im Bereich von 35 °. Ein Fehler durch Unter schätzung der mit Gl. 2 korrigierten Was sertiefen kann zusammen mit Gl. 1 damit auf einen Bereich von 0 bis 10 % einge grenzt werden. Auf eine wie in Dietrich (2017) vorgeschlagene Detailkorrektur unter Berücksichtigung sämtlicher in der SfMMVS-Berechnung verwendeten KameraPunktkombinationen wurde in der aktuellen Studie verzichtet. 3.2 Analyse Für eine Beurteilung der ~ 10 – 15 m langen Teilbereiche der Felder # 0 – 2, auf denen die Sohle terrestrisch vermessen wurde, wird eine Wassertiefe aus den nächstlie genden Höhen der vermessenen Uferlinie gemittelt. Abweichend von den Empfeh lungen nach Dittrich (2017) wird im Fol genden nicht mit einer geneigten Wasser spiegelebene gerechnet, sondern vereinfacht lokal auf 10 – 15 m Fliessstrecke mit einem horizontalen Wasserspiegel. Die

Bild 3: Fotogrammetrisch berechnete 3-D-Punktwolke eines Teilbereichs im Feld #1 (Lage siehe Bild 1) aus dem Datensatz der VAW nach vereinfachter Refraktionskorrektur. Schwarze Punkte = Lage der Sohlenreferenzpunkte aus terrestrischer Vermessung, projiziert auf Höhe der gemittelten Ufer-Wasserspiegellage bei H = 247,57 m ü. M. (blaue Uferpunkte bzw. hellblaue Ebene). Rote Punkte = Bereich der 100 «Nearest-Neighbour»-Sohlpunkte in refraktionskorrigierter 3-D-Punktwolke. [E, N] = [East, North] im Schweizer Landeskoordinatensystem LV95. Perspektivischer Blick in Strömungsrichtung. «Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 3, CH-5401 Baden

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Schwankung der lokalen Ufer-Wasser spiegellagen um den Mittelwert liegen für diese Teilabschnitte dann jeweils im Be reich von ± 0,02 m. Bild 3 zeigt eine exemplarische Dar stellung der mittels Gl. 2 refraktionskor rigierten 3-D-Punktwolke aus dem Daten satz der VAW für einen Teilbereich aus Feld # 1. Die dort am 4. Juli 2019 vermes senen Sohlpunkte (= schwarze Punkte in Bild 3, welche zur Visualisierung auf die Wasserspiegellage projiziert wurden) liegen gleichmässig über die gesamte Ge wässerbreite verteilt. Der verbleibende Fehler der so korrigierten Airborne Bathymetry wird nachstehend anhand eines «Nearest Neigh bour»-Kriteriums beurteilt. Gewählt werden hierzu die 100 nächstgelegenen Sohlpunkte aus den refraktionskorrigierten Punktwol ken des Tiefbauamts Basel-Stadt und der VAW in Relation zu den terrestrisch in situ vermessenen Sohlpunkten. Relativ zur Lage der Sohlpunkte vom 4. Juli 2019 liegen diese 100 Datenpunkte im Mittel jeweils innerhalb eines Radius von ~ 0,10 bis 0,15 m (siehe rote Punkte in Bild 3). Eine detaillierte Darstellung der Abwei chungen der refraktionskorrigierten Punkt wolken zu den in situ vermessenen Sohlen punkten wird in Bild 4 gegeben. In Bild 4a ist der jeweilige räumliche Median der Was sertiefe 〈zairborne〉 gegen die als Einzel punkte gemessene Wassertiefe zterrestric aufgetragen. In Bild 4b sind die Differenzen der Wassertiefen der beiden Methoden dargestellt und ergänzt um das 25- und 75-Perzentil zur Veranschaulichung der Bandbreite. Die Datenbasis stammt hier aus allen drei Bereichen der Felder # 0 – 2 und nutzt zum Vergleich alle 78 terrestrisch vermessenen Sohlpunkte. Die terrestrisch vermessenen Daten punkte liegen signifikant tiefer als die aus den Punktwolken des Tiefbauamts BaselStadt und der VAW. Eine Geradenanpas sung (siehe rote Linie in Bild 4a) erfolgt mit

diglich ± 0,05 m. Diese Tendenzen sind unabhängig davon, ob die Punktwolke der VAW oder die des Tiefbauamts BaselStadt verwendet wird. Sie sind damit auch unab hängig von der Drohnen-Kamera kombination und den verwendeten Bild sequenzen. Folgende drei Gründe erklären die Differenz zwischen terrestrischen Vermes sungsdatenpunkten und den über Gl. 2 refraktionskorrigierten Werten der Airborne Bathymetry: 1. Eine vereinfachte Refraktionskorrektur über den Ansatz aus Gl. 2 bringt einen Fehler, welcher korrigierte Sohllagen für den aktuellen Fall in einem maximalen Bereich bis 10 % der lokalen Wassertiefe unterschätzt (siehe oben). Gemäss Parameter m liegt dieser Wert für die aktuelle Anwendung im Mittel bei 2 ± 2 % (entsprechend im Mittel β = 15 °). 2. Während der Messstab bei der terrestrischen Vermessung tendenziell eher in die Kornzwischenräume bzw. in die (lockere) Kies-Sand-Sohle versinkt, neigen photogrammetrische 3-D-Punkt wolken (berechnet auf Basis charakteristischer Bildpunkte, welche aus verschiedenen Blickwinkeln sichtbar sein müssen) eher dazu, die obersten Erhebungen zu messen. Eine ingenieur mässige Abschätzung für die Sohle der Wiese im Untersuchungsbereich lässt eine Differenz von 0,02 bis 0,05 m, d. h. in der geschätzten Grösse der mittleren Korndurchmesser der Sohle, plausibel erscheinen. Dieser Wert kann einen Anteil am Parameter c erklären.

3. Gemäss der 1-D-Arbeits-EnergieGleichung führt eine höhere Fliess geschwindigkeit auch zur Absenkung des Wasserspiegels. Eine Grössen ordnung hierfür gibt die Energiehöhe aus √(U2 + V2) (2g)–1, mit √(U2 + V2) = (zeit- und tiefengemittelte) Fliess geschwindigkeit und g = 9,81 m s –2 = Erdbeschleunigung. Damit lässt sich bei (lokalen) Fliessgeschwindigkeiten von bis zu 1,5 m s –1 (siehe Kap. 4) eine Abweichung der Wasserspiegellage im Vergleich zum gemessenen Wert am Ufer erklären. Tatsächlich sind unter realen 3-DBedingungen weder der Wasser spiegel noch eine virtuelle Energielinie entlang eines Gewässer querschnitts horizontal. Eine grobe, ingenieurmässige Schätzung für die Randbedingungen der Wiese im Untersuchungsbereich lässt damit eine mittlere Differenz von 0 bis 0,05 m aufgrund Fliessgeschwindigkeitsbedingt lokal geänderter Wasser spiegellage plausibel erscheinen. Dieser Wert kann einen weiteren Anteil am Parameter c bzw. an dessen Schwankungsbereich erklären. Des Weiteren haben Oberflächenwellen, Weisswasser und weitere Lichtreflektionen einen negativen Einfluss auf die Güte des Messsignals, insbesondere in schneller fliessenden Bereichen, und führen zu einer hohen Streuung der möglichen Sohllage. Eine Annahme einer lokal ebenen Wasser oberfläche zur Anwendung einer Refrak tionskorrektur ist dann nicht mehr gültig.

(Gl.3) Es ergibt sich (mit 95 %-Konfidenzgrenzen) m = 1,02 ± 0,02 und c = 0,07 ± 0,02 m. Der Korrelationskoeffizient liegt bei R2 = 97 % und zeigt damit, dass die Tendenz von tiefer liegenden terrestrisch vermessenen Punkten statistisch belastbar ist. Für die Gesamtheit der terrestrischen Vermes sungsdatenpunkte, welche nicht tiefer als z = – 1,5 m unter dem (Ufer-)Wasserspiegel vom Tag der Befliegung liegen, beträgt die Standardabweichung der über Gl. 3 zusätzlich korrigierten Punktwolken dann le 194

Bild 4: Sohllagen 〈zairborne〉 der mit Gl. 2 refraktionskorrigierten Punktwolke in Relation zu Sohllagen zterrestric aus Daten der terrestrischer Vermessung. (a) 1:1-Plot mit Punktwolkedaten von VAW und Basel-Stadt. (b) Abweichungen als Median und 25- bzw. 75-Perzentile von je 100 Nearest-Neighbour-Punkten. «Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 3, CH-5401 Baden

Für eine Anwendung des hier vorgestellten Verfahrens einer bildbasierten Airborne Bathymetry ist immer eine Vermessung der lokalen Wasserspiegellage notwendig. An stelle einer aufwendigen terrestrischen Insitu-Vermessung bietet sich an, die Wasser spiegellage am Ufer automatisiert über den Grenzbereich nass/trocken mittels Compu ter-Vision-Techniken im 2-D-Orthofoto zu bestimmen und diesen 2-D-Punkten eine Höhenkoordinate über die 3-D-Punktwolke zuzuordnen. Ein solcher Ansatz wurde im Rahmen dieser Arbeit getestet, konnte aber nicht mit einem hinreichend cm-genauen Messergebnis und einer robusten Anwen dung implementiert werden. Der Ansatz wurde daher nicht weiterverfolgt. Für eine praktische Wasserspiegeldetektion erscheint es zielgerichteter, die Uferlinien direkt in Metashape (Agisoft) über das dortige 3-D-Punkt-Digitalisierungstool manuell zu bestimmen und optional mit terrestrischen In-situ-Messungen zu ergänzen. 3.3 Diskussion Die präsentierte Methode zur Airborne Bathy metry stellt für die hier getesteten Wasser tiefen bis zu z = –1,5 m eine echte Alternative zur üblichen terrestrischen Punktvermes sung dar, aber auch zu akustischen Mess techniken wie z. B. der Sohlvermessung als Nebenprodukt aus Acoustic Doppler Velo cimetry (ADV). So war es bei den Abflussver hältnissen am Tag der Befliegung unmöglich, eine terrestrische Sohlvermessung durchzuführen. Ebenso hätte eine Vermes sung mittels ADV-Boot aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten eine grosse Herausforderung dargestellt und ist in Flach wasserbereichen bis z = –0,2 m nicht sinnvoll einsetzbar. Auch die Dichte von 200 bis 1000 Punkte m–2 auf einer gesamten Fliess strecke von 500 m, welche mit einem Flug von etwa 10 min erfasst wurde, steht diametral der Anzahl von (nur) 78 Punkten ent gegen, welche terrestrisch im Fluss an ei nem ganzen Vormittag vermessen wurden. Tatsächlich gibt eine vereinfachte Re fraktionskorrektur nach Gl. 2 tendenziell zu flache Wassertiefen im Vergleich zu terrestrischer Punktvermessung. Nicht berücksichtigt werden im Wesentlichen die drei Faktoren, welche sonst eher zu leicht tieferen Sohlpunkten führen würden. De ren Grössenordnungen können gut abge schätzt und damit korrigiert werden. Im vorliegenden Fall bringt eine Korrektur über z = 1,02 (1,34 za) – 0,07 (m) eine gute Übereinstimmung mit 78 terrestrisch vermessenen Sohlpunkten bei einer dann noch verbleibenden Standardabweichung von ± 0,05 m für den Einzelpunkt.

Eine präzisere Beschreibung der Korrektur kann erreicht werden, wenn die exakten Bildstrahlwinkel, Sohlrauigkeiten (z. B. mittels BASEGRAIN) und Fliessgeschwindig keiten (z. B. mittels Airborne Velocimetry) explizit ermittelt und lokal bei der Korrek tur der Punktwolke berücksichtigt werden. Einsatzbereiche für die hier vorgestellte Methodik sind alle Anwendungen, bei de nen absolute cm-Genauigkeit nicht gefordert ist, wie z. B. zur Erfassung der abiotischen Faktoren im Rahmen eines Ge wässermonitorings bei Revitalisierungen (vgl. Weber et al., 2020) und bei sonstigen Beurteilungen eines Gewässers im Istzu stand anhand eines «Big Pictures». 4. Airborne Velocimetry 4.1 Vorgehen Die grundsätzliche Prozedur zu Messung und Auswertung mittels Airborne Velo cimetry wird z. B. in Detert und Weitbrecht (2015) bzw. Detert et al. (2015, 2017) beschrieben. Darüber hinausgehende Infor mationen zu den Messungen und Aus wertungen für die Situation an der Wiese werden nachstehend gegeben. Während der Messung wurden insgesamt zehn 250-l-Säcke eines Tracer materials zugegeben (unbehandelte Mais stärkeflocken, FILL-PAC Bio der Firma MEDEWO, Schweiz). Aufgrund der komple xen Situation der Wiese mit 90 ° Rechts kurve und diversen (Buhnen-bedingten) Rückströmungszonen standen vor Ort vier Personen für die Zugabe zur Verfügung. Während der Messungen folgte der Quadrokopter der VAW dem Schwerpunkt der Seedingwolke entlang des Talwegs. Das Kamerablickfeld erfasste dabei je einen Fliessweg von etwa 50 m Länge. Für die Bildkalibrierung und Georekti fizierung wurde ein Verfahren angewendet, welches die bisherigen Ansätze nach Detert und Weitbrecht (2015) bzw. Detert et al. (2015, 2017) vereinfacht. Eine intrinsi sche Bildkalibrierung erfolgt auf Basis eines direkt vor Ort vor der Messung aufge nommenen Kalibrierungsbretts mit Schach brettmuster. Nach diesem Kalibrierungs schritt erscheinen in Natur gerade Linien auf den so rektifizieren Einzelbildern auch wieder gerade. Die verbleibende Verzer rung des Bildes ist dann in guter Näherung nur noch auf eine perspektivische Verzer rung aufgrund der nicht perfekt lotrechten Kameraorientierung zurückzuführen. Die so korrigierten Aufnahmen werden auf ein vorhandenes Basis-Orthofoto mittels Punkte matching von sog. KAZE-Featurepoints (Alcadrilla et al., 2012) referenziert, wobei

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eine vorab zu definierende Bildmaske nichtufernahe Bildbereiche ausblendet. Bild 5 zeigt exemplarisch ein Beispiel. Auf diese Weise wird jedes Einzelbild in guter 2-D- Näherung auf die Höhe der Wasserober fläche projiziert. Für jedes Einzelbild wird eine entsprechende projektive Transfor mationsmatrix ermittelt. Die Koordinaten der Bildeckpunkte werden entlang ihrer Zeitreihe geglättet, um Ausreisser herauszufiltern. Erst danach wird jedes Einzelbild final umgerechnet und erneut als Video abgespeichert, nun jedoch mit bekannter Georeferenz, gleichem Bildausschnitt und gleicher Rasterauflösung wie das BasisOrthofoto. Um den für die obigen Schritte be nötigten Rechenaufwand zu minimieren, wird dieses Verfahren einzeln auf die drei Bereiche der Felder # 0 – 2 angewendet. Am Ende der Bildkalibrierung und Geo rektifizierung liegen somit drei georeferenzierte Vi deos entsprechend den Be rei chen der Fel der # 0 – 2 vor, welche im nächsten Schritt zur bildbasierten Berech nung der Ober flächengeschwindigkeit zur Ver fügung stehen. Die Oberflächengeschwindigkeiten der Wiese wurden unter Verwendung der georeferenzierten und gefilterten Videos anhand eines Particle-Image-Velocimetry(PIV-) Algorithmus bestimmt. Verwendet wird ein Kreuzkorrelationsverfahren zwischen zwei Bildpaaren mit bekannter Zeit schrittweite. Dabei wird die Verschiebung von mehreren Partikeln bzw. Intensitäts mustern analysiert und werden die daraus ermittelten Geschwindigkeitsvektoren auf einem Raster dargestellt. Damit ist das gesamte Geschwindigkeitsfeld in Zeit und Raum diskretisiert, was im Vergleich zu Er gebnissen aus typischen Punktmessungen ein deutliches Mehr an Information bei deutlich kürzerer Messdauer darstellt. Im vorliegenden Fall wurde die MATLABbasierte Open-Source-Software PIVlab (Thielicke und Stamhuis, 2014) genutzt, um die Geschwindigkeiten zu bestimmen. Die Bildanalyse wurde an Bildsequenzpaaren von [(1:5), (5:9), (9:13) ...] durchgeführt, um einen hinreichenden Zeitversatz von Δt = 0,25 s zu erreichen. So werden Fehler aufgrund von unzureichend kleinen Partikel verschiebungen minimiert. Der PIV-Algo rithmus wurde auf einem finalen Gitter von 64 × 64 px2 mit 50 % Überlappung ange wendet. Mit einer Rasterskala von 64 px m–1 für die georeferenzierten Einzelbilder führt dies zu einer Rasterauflösung von 1 × 1 m2 bzw. einem Vektorabstand von 0,5 m und einer zeitlichen Auflösung von 6 fps (frames per second). 195

4.2 Analyse Bild 6 und Bild 7 zeigen exemplarische Ergebnisse für den Bereich des Feldes # 1. Klar erkennbar ist der Talweg mit einer Strömungskonzentration und Geschwin digkeiten > 1 m s –1. Weiter werden auch die strömungsberuhigten Bereiche unterstrom im Lee von Störsteinen im rechten Drittel der Strömung deutlich. Die Rück strömungszone unterstrom der Buhne am linken Ufer zeigt Geschwindigkeiten mit bis zu –0,5 m s –1, d. h. entgegen der Haupt strömungsrichtung. Eine Herausforderung sind Weisswas serzonen wie an den Schwellen (Bild 6 z. B. bei y = 50 m) sowie unzureichend mit Seeding abgedeckte Bereiche, insbeson dere solche mit geringer Strömungsge schwindigkeit. Weiter überblenden Sonnen reflektionen einzelne Videobilder und sorgen für Fehlvektoren. Auch der Schatten wurf von Bäumen bzw. Brücken bringt Her ausforderungen durch Reflexion von Ober flächenwellen, insbesondere an der Schat tengrenze. Scheinbare Oberflächenge schwindigkeiten im trockenen Uferbereich, d. h. ausserhalb des Fliessquerschnittes, sind auf ungenaue Orthorektifizierung zu

rückzuführen. Eine einfache Maske könnte hier verwendet werden, um diese «Land vektoren» zu löschen. Auf diese Korrektur wurde aber aus Demonstrationsgründen für diese Publikation verzichtet. Ein vergleich bares Rauschen durch imperfekte Ortho rektifizierung für den tatsächlichen Fliess bereich wird bei Analyse eines längeren zeitlichen Mittels und bei deutlich grösseren Fliessgeschwindigkeiten weggefiltert. 4.3 Diskussion Die Anwendung der Airborne Image Velo cimetry hat deutliches Potenzial, um her kömmliche Techniken wie ADV oder punktuelle Flügelmessung sinnvoll zu ergänzen oder auch teilweise zu ersetzen. Sie ermöglicht, ein «Big Picture» der Strömungs situation zu erhalten, welches unter ver gleichbarem Aufwand nicht mit anderen Techniken möglich ist. Allerdings ergibt die Airborne Image Velocimetry stets «nur» die Geschwindigkeit an der Oberfläche, nicht aber die tiefengemittelte Geschwindig keit, welche z. B. bei einer geraden Kanal strömung näherungsweise 80 – 90 % der Oberflächengeschwindigkeit beträgt. Eine echte Vermessung von vertikalen Geschwin

Bild 5: Exemplarische Orthorektifizierung eines VideoEinzelbildes im Bereich des Feldes #1 (dunkler Bildbereich im Vordergrund) auf ein vorhandenes Orthofoto (heller Bild bereich im Hintergrund) mittels Punktematching von KAZEFeaturepoints (rote Punkte bzw. schwarze Kreise). Zur Übersichtlichkeit wurde hier nur jedes zehnte Punktepaar dargestellt. 196

igkeitsprofilen wie bei Flügelmessung oder d ADV ist nicht möglich. Es kann lediglich eine Schätzung unter Berück sichtigung von Wassertiefe und Sohlrauigkeit bei gerader Fliessstrecke vorgenommen werden. Bei komplexen 3-D-Strömungssituationen (z. B. starke Kurvenströmung, Störströmung hinter Buhnen) ist die Aussagekraft zum vertikalen Geschwindigkeitsprofil gering. Erfahrungen der VAW zeigen, dass die Airborne Image Velocimetry hinsichtlich Genauigkeit in etwa den gleichen kleinen Fehlerbereich wie Referenzmessungen mit Flügelmessung oder ADV-Techniken erreicht. Massgeblich für die Genauigkeit einer Airborne Image Velocimetry ist die Güte der detektierbaren Oberflächenstruk turen (gegeben durch Seeding-Partikel und / oder natürliches «Seeding» wie Luftblasen, Reflektionen von Oberflächenwellen oder organischem Material wie Blättern, Ästen etc., welche der Strömung folgen). Wie z. B. Untersuchungen nach Carrel et al. (2020) zeigen, können Schrägwinkelan sichten der Kamera und Gegenlichteffekte die Reflexionen von Oberflächenwellen stärker hervorherben, sodass unter günstigen Randbedingungen auch auf die Zu

Bild 6: Zeitlich gemittelte Oberflächengeschwindigkeiten, Vektoren und Stromlinien im Feld #1 (siehe Bild 1), mit [U, V] = Oberflächengeschwindigkeiten in Richtung [E, N].

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dungs breite von BASEGRAIN nur suboptimal ist. Die nachfolgende Analyse beschränkt sich daher nur auf eine rudimentäre Darstellung des Vorgehens für eine BASEGRAIN-Anwendung auf Basis luftgestützter Bildaufnahmen.

Bild 7: Strömungs geschwindig keiten im Querprofil A – A‘ (siehe Bild 6). gabe des See ding-Materials verzichtet werden kann. Herausfordernde Randbe dingungen ergeben sich durch starke Son nenreflexionen (Überblendung), stehende Wellen (Weisswasser), Schattenkanten und auch ungenaue Bildreferenzierung. Mit Vorliegen des georeferenzierten Ge schwindigkeitsfelds und den damit verbun denen lokalen Abweichungen des Wasser spiegels im Vergleich zum Uferwasserspie gel kann auch dessen korrektiver Einfluss auf die Technik der Airborne Image Bathy metry optimiert werden. Zusätzlich kann die Schätzung des Abflusses über die Ober flächengeschwindigkeit an mehreren Quer profilen (vgl. Bild 7), im vorliegenden Fall auch in Relation mit dem an der BAFUPegelstation gemessenen Abfluss, eine Aus sage über die integrale Güte von Airborne Image Velocimetry und Bathymetry geben. Einsatzbereiche für die hier vorgestellte Methodik der Airborne Image Velocimetry liegen im Rahmen eines Gewässermonito rings bei Revitalisierungen (vgl. Weber et al., 2020), Beurteilungen der Strömungsverhält nisse bei Wasserbauwerken anhand eines «Big Pictures», Analysen von Hochwasser ereignissen, Schätzungen von Abflussraten sowie Grundlagenermittlungen für mehrdimensionale hydronumerische Modelle.

kann eine Korngrössenverteilung auch abgeleitet werden, indem Informationen von jeder detektierten Kornfläche und ihrer zugehörigen a- und b-Achse verwendet werden. Wenn Fotos mit Geotags analysiert werden, erfolgt eine automatische Geo referenzierung der Analyseergebnisse. Er gebnisse können als Tabellen- und GISFormate exportiert werden. Ursprüngliches Ziel der Anwendung von BASEGRAIN an der Wiese war, dessen Anwendbarkeit auf luftgestützte Bild aufnahmen für ausgewählte, trockene Uferbereiche zu demonstrieren. Tatsäch lich konnte während der Befliegung am 16. Mai 2019 aufgrund eines erhöhten Wasserstands kein adäquater trockener Sohlbereich ausfindig gemacht werden. Lediglich am unterstromigen Innenufer der grossen Rechtskurve im Untersuchungs perimeter konnte eine Kiesfläche von nur etwa 2 m2 aufgenommen werden, welche für eine BASEGRAIN-Analyse bedingt geeignet erschien. Tatsächlich lag auf dieser Fläche ein bimodales Kornmaterial mit Grobkies und hohem Schlammanteil, was zur Demonstration der gesamten Anwen

5.2 Analyse Eine Georeferenzierung inklusive projek tiver Transformation und Skalierung auf 1/640 mm px–1 wurde über händisch digita lisierte Passpunkte vorgenommen. Bild 8 illustriert die mittels BASEGRAIN detektier ten und vermessenen 393 Kieskornflächen mit b-Achsen > 10 mm, wobei z. B. das Grösstkorn mit b = 169 mm vermessen wurde. Der unterwasserliegende Bereich der Kiessohle im unteren Bildbereich mus ste für die Korngrössenermittlung ausge blendet werden. Die Wasseroberfläche wurde durch den Abwind der Quadro kopterrotoren unruhig, sodass durch die Wasseroberfläche keine durchgängig klaren Kieskornkonturen sichtbar waren. 5.3 Diskussion Messtechnisch erscheint die Anwendung einer Airborne-Gravelometry-Technik mach bar. Eine Korngrössenanalyse zur Ermittlung einer kompletten Sieblinie ist mit den vorliegenden Aufnahmen an der Wiese jedoch nur begrenzt sinnvoll, da der Schlamm anteil am Gesamtvolumen der bimodalen Mischung nicht mit dem vorliegenden Datensatz bestimmbar ist. Eine Sieblinie wurde daher nicht ermittelt. Gleichwohl könnte hier ein Ansatz verfolgt werden, bei dem (i) der Volumenanteil des Feinmaterials über den Flächenanteil abgeschätzt und (ii) die Kornverteilung des Feinmaterials getrennt über Nah- bzw. Mikroskopaufnahmen ebenfalls mit BASEGRAIN bestimmen wird und (iii) die Kurven für Grob- und Fein

5. Airborne Gravelometry 5.1 Vorgehen BASEGRAIN ist ein MATLAB-basiertes Tool zur automatischen Objekterkennung mit dem Ziel einer granulometrischen Analyse von Draufsichtfotos von Flusskiesbetten. Es wurde an der VAW entwickelt, Details können Detert und Weitbrecht (2012, 2013) entnommen werden. BASEGRAIN wird über eine grafische Benutzeroberfläche verwaltet, welche auch ein Pre- und Post processing ermöglicht. Eine Korngrössen verteilung wird über die Linienzahlanalyse nach Fehr berechnet (VAW, 1987). Alternativ

Bild 8: BASEGRAIN-Darstellungen des Testbereichs Feld #B (Lage siehe Bild 1). Foto mit Skalierung 1/640 px m –1, d. h. mit Abmessung 1,0 × 2,5 m2. Darstellung von detektierten und vermessenen Kiesflächen, wobei die blauen Achsen jeweils die Haupt- und Mittelachse einer quasi-flächengleichen Ellipse wiedergeben.

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material mittels Best-Fit überlagert wird. Auf diese Weise könnte hier eine finale Sieblinie geschätzt werden. Das hier demonstrierte Verfahren einer BASGRAIN-basierten Airborne Gravelo metry kann genutzt werden, um Ansätze nach Buscombe (2020) und Irninger et al. (2020) zur flächigen Schätzung charakeristischer Korndurchmesser effektiver zu kalibrieren. Einsatzbereiche für diese Tech nik sind im Wesentlichen Gewässermoni torings vor und nach Revitalisierung und das Erhalten von Grundlagen für morpho dynamisch-hydronumerische Modelle.

Die vorliegende Untersuchung an der Wiese zu Airborne Bathymetry, Airborne Image Velocimetry und Airborne Gravelometry zeigt das hohe Potenzial dieser drei Mess techniken, um im Rahmen von Monitorings einen kostengünstigen und guten qualitati ven Überblick zu einem «Big Picture» eines Momentzustandes des Gewässers zu erhalten. Alternative, klassische Punktauf nahmemethoden im Feld wie mittels terrestrischer Vermessung, Flügelmessung, ADV oder Sieblinienanalysen könnten (teilweise) höhere Genauigkeiten liefern, füh-

ren jedoch nicht mit einer vergleichbaren Effizienz zum finalen Ergebnis eines Ge samtbilds eines Gewässerabschnitts. Zu dem sind bildbasierte Methoden berüh rungsfrei anwendbar, d. h., sie stören weder Flora und Fauna noch die Gewässermor phologie. Sie sind auch geländeunabhän gig unter Randbedingungen einsetzbar, bei denen konventionelle Methoden nur mit grossem Aufwand oder gar nicht einsetzbar sind, wie z. B. im Hochwasserfall (Lebensge fahr für Messpersonal) oder in Niederwas serzonen (ADV-Messungen nicht möglich). Wie jede Messtechnik hat auch das bildbasierte Messen für die Erfassung eines Gewässers Grenzen. Eine Vermessung der Sohltopografie ist nur dann durchführbar, wenn auch markante Punkte des Gewässer grundes durch den Wasserkörper sichtbar sind. Weiter können Fliessgeschwindigkei ten praktisch nur an der Oberfläche ermittelt werden und auch nur dann, wenn künstlicher Tracer (z. B. Maisstärkeflocken) oder natürliche Strukturen auf der Wasserober fläche (z. B. turbulenzinduzierte Wellen) sicht bar mit der Strömung mitgetragen werden. Aktuell werden bildbasierte Systeme zur Gewässervermessung nur wenig eingesetzt. Der Grund liegt (i) im geringen Wissen um diese Techniken, (ii) teilweise

in der mangelnder Akzeptanz infolge unbekannter Fehlergrössen und (iii) im nur gering verfügbaren Know-how bei den potenziellen Anwendern. Zudem sind (iv) Best-Practice-Richtlinien inkl. Software lösungen zur Bildanalyse auf den Stand der Wissenschaft, aber nicht auf den Stand der Technik. Damit erklären sich auch (v) die Kosten, die noch nicht unterhalb der einer konventionellen Vermessung liegen. Es fehlen damit Referenzprojekte, aus denen Fehlergrössen bestimmt, vorhan dene Ana lyse tools optimiert und Er fahrungen publiziert und in Lehrgängen weitergegeben werden können. Mit der Durchführung dieser Schritte wird der Ingenieur, Hydrologe und Biologe jedoch zukünftig über ein effektives kos tengünstiges Instrument verfügen, welches vielfältig eingesetzt werden kann: für Gewässermonitorings im Rahmen von Revitalisierungen, zur Beurteilung der Strömungsverhältnisse bei Wasserbau werken anhand eines «Big Pictures» im Istzustand, für Hochwasserereignisana lysen, für Schätzungen von Abflussraten sowie zur Grundlagenermittlung für mehrdimensionale hydronumerische Modelle.

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6. Synthese

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Autoren: Martin Detert, Projektleiter Hydrografie und 3-D-Geo datenmanagement, Meisser-Vermessung AG, Rhein felsstr. 2, 7000 Chur, Schweiz; ehemals Wiss. Mitarbeiter Abteilung Flussbau, Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW), ETH Zürich, Hönggerbergring 26, CH-8093 Zürich, Schweiz. martin.detert@meisser-geo.ch Andreas Prokoph, Projektleiter Hydrografie, Bauund Verkehrsdepartement Basel-Stadt, Tiefbauamt, Infrastruktur – Planung, Dufourstr. 40, CH-4001 Basel, Schweiz. andreas.prokoph@bs.ch Guido Derungs, Fachverantwortlicher Gewässer und Naturgefahren, Bau- und Verkehrsdepartement BaselStadt, Tiefbauamt, Infrastruktur – Planung, Dufourstr. 40, CH-4001 Basel, Schweiz. guido.derungs@bs.ch Volker Weitbrecht, Leiter Abteilung Flussbau, Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW), ETH Zürich, Hönggerbergring 26, CH-8093 Zürich, Schweiz. weitbrecht@vaw.baug.ethz.ch

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Erkenntnisse aus physikalischen Murgangversuchen für die Planung von Schutzmassnahmen Beispiel Fellbach, VS Catherine Berger, Andrea-Kristin Bachmann, Jürg Speerli, Florian Zimmermann, Walter Clausen

Zusammenfassung Für den Fellbach in Saas-Balen (Wallis) wurde mit Murgangmodellierungen in einem physikalischen Modell im Massstab 1:50 der Einfluss einer Wasserfallkaskade auf die Fliesseigenschaften von Murgängen untersucht. Diese Erkenntnisse wurden verwendet, um verschiedene Schutzbauwerke auf dem Schwemmkegel des Fellbachs auf ihre Funktionalität zu prüfen und hinsichtlich Standort und Geometrie zu optimieren. Basierend auf den Modellierungsergebnissen, können im Vorprojekt die weiterverfolgten Varianten detaillierter ausgearbeitet und in einer Nutzwertanalyse einander gegenübergestellt werden, um eine Bestvariante zu ermitteln.

1. Einleitung Murgänge bedrohen insbesondere in alpinen Einzugsgebieten vielerorts Siedlungs ge biete und Infrastrukturverbindungen. Aufgrund der schnellen Fliessgeschwindig keiten und der daraus resultierenden ho hen Drücke beim Auftreffen auf Hinder nisse sowie der in der Regel kurzen Vor warnzeiten sind zum Schutz von Siedlun gen primär permanente und konstruktive Massnahmen zu treffen (Jakob und Hungr, 2005). Das Dorf Saas-Balen (Wallis) befindet sich auf dem Schwemmkegel des Fellbachs. Zuletzt ereigneten sich 1957, 1968 und 1970 schadenbringende Mur gänge. Die Dynamik im oberen Einzugs gebiet des Fellbachs mit proglazialen Seen, Permafrost- und Gletscherprozessen ist ausserordentlich hoch und komplex. In Kombination mit der daran anschliessen den Wildbachstrecke sind daher auch in Zukunft und unter dem Einfluss des Klima wandels grosse Murgänge zu erwarten. Auf dem Schwemmkegel befinden sich rund 20 Gebäude im Bereich erheblicher Gefährdung, weshalb die Gemeinde Saas-Balen beschlossen hat, Schutzmass nahmen gegen die Murganggefährdung aus dem Fellbach zu ergreifen. Im Rahmen einer Vorstudie erfolgte ein breit angelegtes Variantenstudium, wobei schliesslich drei Konzepte im Bereich des Schwemmkegels favorisiert wurden. Die Kaskade drei er Wasserfälle mit Höhen von bis zu 70 m direkt oberhalb des Schwemmkegels verur sachten allerdings grosse Unsicherheiten

bezüglich des Fliessverhaltens von Mur gängen und den daraus folgenden Einwir kungen auf Bauwerke. Ein abschliessender Variantenentscheid und die weitere konstruktive Ausarbeitung möglicher Schutz massnahmen war daher nicht möglich. Mit physikalischen Modellversuchen wurden deshalb der Einfluss der Wasserfälle auf das Fliessverhalten von Murgängen, die resultierenden Fliessparameter sowie die Funk tionalität der favorisierten Schutz bauwerke untersucht. Basierend auf den Modellierungsergebnissen können im Vor pro jekt die weiter verfolgten Varianten detaillier ter ausgearbeitet und in einer Nutzwertanalyse einander gegenüberge stellt werden, sodass eine Bestvariante ermittelt werden kann. 1.1 Einzugsgebiet des Fellbachs Das Einzugsgebiet des Fellbachs wird durch seinen alpinen Charakter geprägt und erstreckt sich über 8,8 km2 vom Fletsch horn auf 3982 m ü. M. bis zum Schwemmkegelhals auf 1540 m ü. M. (vgl. Bild 1). Bis auf eine Höhe von 2767 m ü. M wird der obere Teil des Einzugsgebiets durch den Grüebugletscher (20 % der Ein zugsgebietsfläche) sowie steile Felswände, mehrere proglaziale Seen, mächtige Mo ränenablagerungen und Blockgletscher do miniert. Der Klimawandel verursacht einen rasanten Rückzug des Grüebugletschers, und daher verhalten sich das System und insbesondere die proglazialen Seen mit dem Fellsee an der Bastionsmoräne räumlich und zeitlich stark variabel. Im Anschluss

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an diese Bastionsmoräne prägen typische Wildbachprozesse mit mehreren Abfolgen an Erosions- und Ablagerungsstrecken das Gerinne, bevor der Fellbach über drei Wasserfälle mit Höhen von 25 bis 70 m auf den Schwemmkegel trifft. Anschliessend fliesst der Fellbach in einer künstlichen Bachschale durch das Siedlungsgebiet und mündet auf 1475 m ü. M. in die Saaser vispa. In den letzten 200 Jahren ereigneten sich mehrere grosse Murgangereignisse im Fellbach. Mit über 100 000 m3 Geschiebe ablagerungen am Kegelhals richteten sie teils grosse Schäden im Siedlungsgebiet an. Mehrere Murgänge wurden durch See ausbrüche im obersten Bereich des Ein zugsgebiets ausgelöst. Im Anschluss an das letzte grosse Ereignis 1970 wurde der Auslauf des Fellsees künstlich stabilisiert. Es ist jedoch weiterhin von zum Teil grossen Murgängen auszugehen, und dies insbe sondere unter Berücksichtigung von Pro zessverkettungen. So ist zum Beispiel gemäss Gefahrenkarte (geo7 AG, 2017) zu erwarten, dass ein Aufstauen des Fellsees durch Wächtenbildung mit nachfolgendem plötzlichem Ausbrechen auch in Zukunft Murgänge aus den unterliegenden Erosions strecken auslösen kann. 2. Schutzkonzepte Basierend auf der Gefahrenkarte (geo7 AG, 2017), weiteren Feldbegehungen und einer Risikoanalyse zur Gefährdung des Dorfes Saas-Balen durch Murgänge aus dem Fellbach, wurde ein breit angelegtes Variantenstudium durchgeführt. Aufgrund der geringen Vorwarnzeit und der Heftigkeit von Murgängen sind permanente Mass nahmen notwendig. Um das Siedlungsge biet auf dem Schwemmkegel zu schützen, kristallisierten sich zum Ende der Vorstudie die drei Hauptkonzepte Durchleitung, Um leitung und Ausleitung heraus (vgl. Bild 2). Für das Murgangschutzkonzept Fellbach wurde das 300-jährliche Murgangszenario als massgebendes Ereignis definiert. 199

stehenden Bachschale ab dem Schwemm kegelhals bis zur Mündung in die Saaser vispa ist zwingend, da die heutige Bach schale weder die Kapazität zur Bewälti gung der erwarteten Murgangabflussspitzen noch die erforderliche Stabilität gegen Erosion aufweist. Allerdings limitieren einer seits die Gebäude entlang des Gerinnes die Möglichkeiten zur Verbreiterung der Schale, und andererseits ist die Dimensio nierung auf das massgebende Szenario kritisch. Zusätzlich bergen die Brücken über das Gerinne auch bei einer Verbreiterung ein er hebliches Verklausungsrisiko und die Gefällsabnahme im unteren Drittel der Bachschale bildet eine weitere Schwach stelle. Schliesslich muss trotz Entlastungs korridor von einem massiven Rückstau der Saaservispa und nachfolgender Über schwemmung des Talbodens ausgegan gen werden. Die Robustheit ist aus diesen Gründen sowie aufgrund der Tatsache, dass der gesamte Gefahrenprozess weiter hin mitten durch das Siedlungsgebiet geführt wird, als problematisch einzustufen. Bei diesem Konzept sind die erforderlichen Bauwerke im Bereich des Kolkbeckens beim Wasserfall weniger prägnant als bei den Varianten Umleitung und Ausleitung. Hin gegen ge hen entlang der heutigen Bachschale Nutzflächen verloren. Bild 1: Impressionen Fellbach mit a) oberem Einzugsgebiet mit proglazialem See und Grüebugletscher, b) Fellsee oberhalb der Bastionsmoräne, c) Einzugsgebiet ab Fellsee mit Bastionsmoräne und Transitstrecke unterhalb, d) Übersicht Schwemmkegel mit Dorf Saas-Balen, e) Einmündung Fellbach in die Saaservispa mit den Wasserfällen im Hintergrund. 2.1 Durchleitung Bei der Durchleitung werden Murgänge und geschiebeführende Hochwasser entlang des bestehenden Gerinnes über den Schwemmkegel geführt und anschliessend in die Saaservispa eingeleitet. Um im Ereig nisfall ein kritisches Verklausen der Saaser vispa durch konzentrierten Geschiebeein

trag aus dem Fellbach zu reduzieren, ist unterhalb der Häuser auf der orografisch rechten Gerinneseite ein Entlastungskorridor vorgesehen. Dieser hat zum Ziel, dass ein Murgang oder geschiebeführendes Hoch wasser noch vor Erreichen der Saaservispa einen Teil des Geschiebes ablagern kann. Eine Verbreiterung und Stabilisation der be-

2.2 Umleitung Das zweite Konzept besteht aus einem Umleitbauwerk am Schwemmkegelhals unterhalb der Wasserfälle und einem neuen Ge rinne über die orografisch rech te Schwemmkegelseite mit Einmündung des Fellbachs in die Saaservispa weiter flussabwärts. Ein massiver, befestigter Umleit damm sowie ein auf die Murgangabfluss spitze ausgelegtes Gerinne sind notwendig, damit Murgänge zuverlässig am Schwemmkegelhals umgeleitet werden. Nach Umfliessen des Siedlungsgebiets ist wiederum ein Entlastungskorridor vor-

Bild 2 : Schematische Darstellung der drei Hauptkonzepte a) Durchleitung, b) Umleitung und c) Ausleitung. 200

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gesehen, um grosse Murgänge noch im Bereich des Schwemmkegels zur Abla gerung zu bringen und das Risiko eines Rückstaus der Saaservispa zu reduzieren. Eine Schwierigkeit bei diesem Schutz konzept stellt die Integration der vorhandenen Strassenbrücke direkt unterhalb der Wasserfälle sowie die damit verbundene Verklausungsgefahr dar. Ein Vor teil ist hingegen die Möglichkeit für einen naturnahen Wasserbau und eine ökolo gische Aufwertung des Gerinnes auf dem Schwemmkegel im Vergleich zum heutigen Zustand. Zudem ist diese Variante bei entsprechender Dimensionierung der Um leitdämme als robust zu beurteilen. 2.3 Ausleitung Das dritte Konzept setzt sich aus einer Kombination der ersten beiden zusammen. Das bestehende Gerinne führt weiterhin normale Abflüsse und kleinere Hochwasser ab. Überschreitet der Abfluss eines Mur gangs die Gerinnekapazität, wird dieser am Kegelhals unterhalb der Wasserfälle mittels Ausleitbauwerk und Dämmen an der Siedlung vorbei auf die orografisch rechte Seite des Schwemmkegels ausge leitet. Im Gegensatz zum Konzept der Umleitung wird der Prozess nicht in einem definierten Gerinne bis zur Saaservispa abgeleitet, sondern unterhalb der Gebäude offen zur Ablagerung gebracht. Das Aus leitbauwerk besteht aus einer Betonmauer mit Grundöffnung. Deren Geometrie wird so ausgelegt, dass Murgänge zuverlässig verklausen und ausgeleitet werden. Nor male Abflüsse und kleinere fluviale Hoch wasser mit Geschiebetransport sollen jedoch weiterhin durch die bestehende Bachschale abfliessen. Bei dieser Variante stellen die geometrische Anordnung des Ausleitbauwerks, die Dimensionierung der Grundöffnung und die Integration der bestehenden Strassenbrücke die grössten Herausforderungen dar. Bei allen drei Varianten spielt der Ein fluss der Fellbachkaskade auf das Fliess verhalten der Murgänge und deren Fliess geschwindigkeit und Fliesstiefe am Kegel hals eine entscheidende Rolle für die Aus ge staltung und Dimensionierung der Schutzbauwerke. Ziel der physikalischen Murgangversuche war daher, die Fellbach kaskade mit den nachfolgenden Gelände verhältnissen im Modell nachzubilden, das Prozessverhalten der Murgänge sowie die Auswirkungen auf die Fliessparameter nä her zu untersuchen und die oben skizzierten Massnahmenvarianten in Bezug auf deren Funktionalität zu testen und hinsichtlich der Geometrie zu optimieren.

3. Physikalische Murgangmodellierung Die physikalischen Murgangversuche wur den ab Sommer 2019 bis Winter 2020 an der HSR, Hochschule für Technik in Rap perswil, durchgeführt. Die für den Bau des physikalischen Modells notwendigen topo grafischen Daten für den Modellperimeter (vgl. Bild 3) wurden im Feld mittels Drohne und GPS-Gerät aufgenommen. Die Droh nenfotos erlaubten die Generierung einer Punktwolke des Geländes durch Foto grammetrie. Durch Triangulation konnte anschliessend ein digitales Geländemodell (DOM) erstellt und über Referenzpunkte

georeferenziert werden. Daraus konnten in einem nächsten Schritt die für den Bau des physikalischen Modells erforderlichen Quer- und Reliefprofile erzeugt werden (vgl. Workflow in Bild 4). Ein Modellmassstab von 1:50 wurde, basierend auf anderen durchgeführten Mur gangmodellierungen an der HSR (Speerli et al., 2008 und Berger et al., 2016), gewählt. Mit diesem Massstabsfaktor können die physikalischen Prozesse ausreichend genau nachgebildet werden. Basierend auf der Gefahrenkarte (geo7 AG, 2017), wurden als Zielgrössen der Spitzenabfluss für ein 100- und ein 300-jährliches Ereignis sowie das Volumen der entsprechenden

Bild 3: Modellperimeter und Längsprofil des physikalischen Modells. Der Perimeter umfasst die untersten drei Wasserfälle sowie den oberen Teil der Wildbachschale. Im Längsprofil markieren die Punkte 1 bis 5 die Messquerschnitte und das Symbol den Murgangtank.

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Murschübe definiert (Tabelle 1). Im Rahmen von Vorversuchen wurde die Murgang mischung variiert, bis die Zielgrössen best möglich erreicht wurden. Wiederkehr VTotal periode [m3]

VSchub [m3]

Qmax Schub [m3/s]

100-jährlich 25 000 – 28 000 10 000 150 300-jährlich 33 000 – 41 000 20 000 300 Tabelle 1: Murgangszenarien für verschiedene Wiederkehrperioden. VTotal bezeichnet das totale Murgang volumen. Für den maximalen Murschub sind das entsprechende Volumen VSchub sowie der Frontabfluss Qmax Schub angegeben.

Der Murgang wird von einem Tank aus (vgl. Längenprofil in Bild 3) durch rasches und vollständiges Öffnen des Kugelhahns ins Modell eingeleitet. Über die gemessene zeitliche Änderung des Murgangpegels im Tank kann der maximale und mittlere Mur gangabfluss aus dem Tank, respektive ins Modell bestimmt werden. Mit Ultraschallund Lasermessgeräten werden im Modell die Murganghöhe und die Durchflusszeit messtechnisch erfasst. Aus der mittleren Fliessgeschwindigkeit zwischen zwei Mess profilen, der Abflusshöhe und der Geometrie der Messprofile kann der Murgangabfluss an verschiedenen Positionen im Modell rechnerisch bestimmt werden. Detaillierte Informationen zu verwendeten Messge räten, Messtechnik und Datenauswertung sind in Speerli et al. (2010) aufgeführt.

Im Rahmen der Sensitivitätsanalyse wur de für ein besseres Prozessverständnis untersucht, wie bei unterschiedlichen Mur gangmischungen die Fellbachkaskade das Fliessverhalten und die Fliessparameter (Geschwindigkeit, Abflusstiefe) beeinflus sen. Basierend auf diesen Ergebnissen, wurden die Schutzbauwerke hinsichtlich Funktionalität und geometrischer Anor dnung optimiert. Die Umrechnung der gemessenen Modellwerte auf Naturwerte er folgt gemäss dem Froude’schen Ähnlich keitsgesetz. Im Folgenden sind alle Zahlen werte als Naturwerte aufgeführt. Insge samt wurden 93 Versuche mit den folgenden Parametervariationen durchgeführt: • Variation des Wassergehalts der Murgangmischung: 22 % (dickflüssig) – 30 % (dünnflüssig). Es ist zu beachten, dass bereits eine geringfügige Änderung des Wasser gehalts die viskosen Fliessverhältnisse des Modellmurgangs stärker beeinflusst als eine vergleichbare Änderung in natura. • Variation des Volumen eines Murschubs: 10 000 m3 (100-jährliches Ereignis) und 20 000 m3 (300-jährliches Ereignis) • Variation des Grösstkorns der Murgangmischung: 0,4 m – 1,6 m, wobei vier verschiedene Murgang mischungen A – D mit folgenden Bereichen verwendet wurden: A: < 0,4 m; B: < 0,8 m; C: < 1,0 m; D: < 1,6 m • Versuche ohne und mit Schwemmholz • Versuche mit Reinwasser • Versuche mit den entsprechenden Schutzbauwerken für die Varianten Durchleitung, Umleitung und Ausleitung 4. Resultate Modellversuche

Bild 4: Workflow vom Drohnenbild (unten) zum physikalischen Modell im Mass stab 1:50 (oben). 202

Die Vorversuche und Sensitivitätsversuche zeigten, dass die Fliessgeschwindigkeiten mit grösseren Murgangvolumen zunehmen. Auch ein höherer Wasseranteil führt tendenziell zu höheren Fliessgeschwindigkei ten. Die Zusammensetzung der Murgang mischung scheint hingegen keinen massgebenden Einfluss auf die Fliessgeschwin digkeit auszuüben, ein grösseres Grösst korn führt jedoch zu tendenziell grösseren Fronthöhen. Diese Effekte traten beim grösseren Murgangszenario deutlicher her vor. Weiter zeigte sich, dass die Fliess geschwindigkeiten in der Wildbachschale nahezu unabhängig von den Fliessbedin gungen oberhalb der Wasserfallkaskade

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Bild 5: Mittlere Fliessge schwindigkeit der Murgangfront (vFront) von einem Messquerschnitt zum nächsten für ein 300-jährliches Ereignis (G300) mit einem Wassergehalt von 25 % für vier verschiedene Mur gangmischungen: A: < 0,4 m; B: < 0,8 m; C: < 1,0 m; D: < 1,6 m. sind. Am Fuss des untersten Wasserfalls befindet sich ein kleiner Pool, der die Wirkung eines Tosbeckens hat. Dort wird der Murgang infolge Energieabsorbtion abgebremst und muss sich neu aufbauen, bevor er weiterfliesst. Dieses Verhalten ist aufgrund des felsigen Untergrundes im Kolkbecken unterhalb des Wasserfalls unabhängig von der Zusammensetzung des Modellmurgangs (Wasseranteil, Grösst korn). Diese Faktoren beeinflussen den Murgang erst wieder im Verlauf des Ab fliessens im nachfolgenden Gerinne, wo je nach Zusammen setzung Geschwindig keiten von 6,5 bis 8 m/s erreicht werden (vgl. Bild 5). Die Fliessbedingungen unterhalb der Wasserfälle scheinen somit entkoppelt zu sein von den Bedingungen ober halb. Die Abflussspitzen wurden durch die Wasserfälle hingegen nicht massgeblich beeinflusst. Die Gefahr einer Verklausung der Stras senbrücke (Bild 4) direkt unterhalb der Wasserfälle wurde während der Vor- und Sensitivitätsversuche als hoch eingestuft. Als Konsequenz daraus wurden für die weiteren Versuche das Umleit- sowie das Ausleitbauwerk oberhalb dieser Strassen brücke angeordnet. Um das Problem der Brückenverklausung im Falle der Umlei tung zu lösen, wurde die Strassenbrücke

oder der daran anschliessende Bereich als im Ereignisfall überströmbare Furt ausgestaltet. Bei der Ausleitung wird der Mur gang bereits oberhalb der Brücke auf die rechte Seite des Schwemmkegels ausge leitet. Anhand der Versuche mit Schutzbau werken konnten wichtige Erkenntnisse hin sichtlich der Geometrie und Anordnung der Bauwerke gewonnen werden. So zeigte sich, dass die Grundöffnung im Ausleit bauwerk mit einem Stababstand vom 1,5-Fachen des Grösstkorns und einer Höhe von 3 m ausgelegt werden muss, um ein Verklausen bei Murgangereignissen mit einem Grösstkorn von 0,4 m zu gewähr leisten. Grössere Blöcke, die zum Verklau sen der Grundöffnung führen, lagern sich hauptsächlich an der Basis der Grund öffnung ab, während der obere Bereich frei bleibt. Bei grösseren Stababständen und Öffnungshöhen konnte in den Ver suchen das Verklausen der Grundöffnung deshalb nicht immer beobachtet werden. Zudem zeigte sich, dass die Verklausung mit vertikalen Stäben zuverlässiger erfolgt als mit horizontaler Anordnung bei gleicher Öffnungsgrösse. Neben diesen Er kenntnissen zur Ausgestaltung und Po sition der Bauwerke wurde mit den Ver suchen auch die Robustheit der Schutz

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konzepte geprüft. So konnte gezeigt werden, dass die Schutzkonzepte auch bei aufeinander folgenden Murschüben mit einer starken Auflandung im Bereich des Um- bzw. Ausleitbauwerks oder einer ver änderten Anströmung des Murgangs über den untersten Wasserfall (Abbruch des mar kanten Felsvorsprungs) zuverlässig funktionieren. 5. Erkenntnisse für die Planung von Schutzmassnahmen 5.1 Durchleitung Murgänge können mit einer verbreiterten Wildbachschale durch das Dorf geleitet werden. Die benötigte Kapazität kann mit einer Verbreiterung auf 10 m erreicht wer den. Die Brücken über die Wildbachschale stellen aber aufgrund der Verklausungs gefahr kritische Stellen dar. Im unteren Bereich nimmt zudem das Gefälle ab, wes halb die Durch fluss kapazität zusätzlich reduziert wird. Aufgrund des begrenzten Modellperimeters konnte dieser kritische Bereich der Schale nicht mittels Murgang versuchen untersucht werden, lässt sich aber numerisch dimensionieren. Die Ein leitung des Fellbachs in die Saaservispa muss dabei zwingend berücksichtigt werden. 203

Bild 6: Variante Umleitung: a) vor und b) während eines 100-jährlichen Murgang ereignisses und c) angepasste vertikale Strassenführung unterhalb des Umleit damms (Blick entgegen der Fliessrichtung). Die Dammhöhen sind abhängig von der Strassenführung. 5.2 Umleitung Um den Murgang im Anschluss an das Kolkbecken umzuleiten, wird zuerst ein Umleitdamm auf der orografisch linken Seite benötigt. Dieser lenkt den Murgang unterhalb der Wasserfälle so um, dass er im neuen Gerinne abfliessen kann. Die bestehende Strassenbrücke wird durch eine «Furtbrücke» ersetzt, um die Verklausungs problematik zu lösen (vgl. Bild 6). Dazu wird die Strasse auf der orografisch linken Seite angehoben (Kote 1523), um einen Rückfluss zur Siedlung zu verhindern. Der Tiefpunkt der neuen Furtbrücke liegt auf der orografisch rechten Seite (Kote 1521). Die Öffnungsgrösse unterhalb der Brücke wird grösstmöglich dimensioniert. Kommt es bei grösseren Ereignissen dennoch zu einem Verklausen der Grundöffnung, wird die Furtbrücke überströmt. Das Umleit gerinne muss im Bereich direkt nach der Furtbrücke eine Kapazität für das 300-jährliche Ereignis und eine Neigung vor und nach der Brücke von etwa 15 % aufwei sen, um ein Weiterfliessen des Murgangs zu gewährleisten und ein Ablagern zu verhindern. Das anschliessende Umleitungs gerinne soll so gestaltet werden, dass es 204

sich optimal und naturnah in die Umge bung einpasst und der Murgangbelastung stand hält. Zusätzlich schützt unterhalb der Furt ein linksseitiger Damm die Sied lung vor übergeschwapptem Murgang material. 5.3 Ausleitung Ähnlich zum Umleitdamm der Variante Um leitung lenkt eine gewölbte Mauer den Mur gang auf die orografisch rechte Seite in Richtung des Ausleitkorridors ab. Dies ver hindert, dass der Murgang nach dem Auf treffen im Tosbecken direkt auf die Grund öffnung der Ausleitmauer trifft. So kann gewährleistet werden, dass diese im Er eignisfall zuverlässig verklaust. Die Höhe der Bauwerke ist so zu wählen, dass es bei einem 300-jährlichen Ereignis nicht zu einem Überfliessen kommt. Die Geometrie der Grundöffnung wird auf ein Grösstkorn von 0,4 m ausgelegt (Breite 3,3 m, Höhe 3,0 m und drei vertikale Stäbe mit einem Abstand von 0,6 m und einem Durchmesser von 0,3 m). Ziel dieser Öffnungsgeometrie ist das sichere Verklausen bei Murgängen, welche ein relativ kleines Grösstkorn auf weisen. Zudem erfolgt mit dieser Geometrie

auch die Dosierung bei geschiebeführenden Hochwassern in die bestehende Bach schale. Um die Verklausungsproblematik bei der bestehenden Brücke zu lösen, wird die anschliessende Strasse mit einer Furt ausgebildet (vgl. Bild 7). Die Furt soll dabei möglichst breit sein, um einen Rückstau des Murgangs und somit ein Überfliessen der Ausleitmauer zu verhindern. Unterhalb der Furt verhindern zwei Leitmauern bzw. -dämme einen Rückfluss des Murgangs in Richtung Siedlungsgebiet. 6. Schlussfolgerung Mit den physikalischen Modellversuchen konnte der Einfluss der Wasserfallkaskade auf das Fliessverhalten von Murgängen untersucht werden. Die Fliessgeschwindig keit der Murgangfront entlang der Wild bachschale unterhalb der Wasserfälle zeigte sich als praktisch unabhängig von den Fliessbedingungen oberhalb der Fellbach kaskade. Durch den Absturz des Mur gangs über die Kaskade muss sich dieser beim Ausfliessen aus dem Kolkbecken neu aufbauen, bevor er in der Wildbachschale wiederum auf 6,5 bis 8 m/s beschleunigt.

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Bild 7: Variante Ausleitung: a) vor und b) nach einem 100-jährlichen Murgangereigniss und c) angepasste Strassenführung unterhalb der Ausleitmauer (Blick entgegen der Fliessrichtung). Die Mauerhöhen sind abhängig von der Strassen führung. Die Remobilisierung unterhalb der Wasser fälle geschieht dabei unabhängig von der Zusammensetzung des Murgangs (Wasser gehalt, Kornzusammensetzung). Erst beim Beschleunigen entlang der Wildbachschale beeinflussen diese Faktoren die Fliessge schwindigkeiten und Abflusstiefen. Für die weitere Projektierung der Schutzbauwerke ist insbesondere entscheidend, dass Auf grund der Entkoppelung des Murgangpro zesses von den Bedingungen oberhalb zur Situation unterhalb der Wasserfälle am Kegelhals eine geringere Bandbreite an Fliessgeschwindigkeiten resultiert. Weiter

konnten der Nachweis über die Funktionali tät der einzelnen Schutzkonzepte erbracht und Optimierungen an den Bauwerken be züglich Geometrie und Positionierung für die verschiedenen Varianten vorgenommen werden. Hier zeigte sich zum Beispiel, dass sich bei der Ausleitung das Grösstkorn bzw. die Murgangmischung entscheidend auf die erforderliche Grösse der Grund öffnung und den Stababstand auswirkt. Um die Verklausungsgefahr an der Strassen brücke auszuschliessen, wird das Umleitbzw. Ausleitbauwerk oberhalb der Strassen brücke angeordnet. Mit den Erkenntnissen

aus den physikalischen Modellversuchen können die unterschiedlichen Schutzkon zepte im Vorprojekt weiter ausgearbeitet und einander gegenübergestellt werden.

Quellen: Berger, C., Christen, M., Speerli, J., Lauber, G., Ulrich, M., McArdell, B. W. (2016). A comparison of physical and computer-based debris flow modelling of a deflection structure at Illgraben, Switzerland. Proc. Int. Symp. Interpraevent. Lucerne, 212–220. Geo7 AG (2017): Gefahrenbeurteilung Fellbach, Prozess Wasser. Technischer Bericht. geo7 AG (Bern) und Büro für beratende & angewandte Glaziologie (Visp). Jakob, M., Hungr, O. (2005). Debris-flow Hazards and Related Phenomena. Springer Praxis Books. Springer, Berlin, Heidelberg.

Speerli, J., Grob, M., Künzi, R., Wyss, P., Zimmermann, M., Pozzi, A. (2008). Glyssibach Brienz, Switzerland: Flood and debris flow event on August 22/23, 2005 – Protection measures against future floods and debris flows. Proc. Int. Symp. Interpraevent. Dornbirn, 384–385. Speerli, J., Hersperger, R., Wendeler, C., Roth, A. (2010). Physical modelling of debris flows over flexible ring net barriers. In: S. M. Springman, J. Laue, L.J. Seward (eds), Proc. 7th International Conference on Physical Modelling in Geotechnics, Institute for Geotechnical Engineering, ETH Zürich, 1285–1290.

Autoren: Dr. Catherine Berger, Florian Zimmermann, geo7 AG geowissenschaftliches Büro, Neueldstrasse 5 – 9, CH-3012 Bern, catherine.berger@geo7.ch (korrespondierende Autorin) Andrea-Kristin Bachmann, Prof. Dr. Jürg Speerli, HSR, Hochschule für Technik Rapperswil, IBU Institut für Bau und Umwelt, Oberseestrasse 10, CH-8640 Rapperswil Walter Clausen, VWI Ingenieure AG, Kiesweg 2, CH-3904 Naters

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La passe à méandres – une alternative à la passe à fentes verticales Matthias Mende, Werner Dönni, Ulf Helbig, Aurélie Koch, Michael Müller, Vasco Neuhaus, Klaas Rathke

Résumé La passe à méandres est un type d’ouvrage de montaison qui est caractérisé par une succession de bassins arrondis et lisses. La géométrie et la disposition des bassins se distinguent grandement d'une passe à poissons à fentes verticales, ce qui implique des différences essentielles concernant les caractéristiques hydrauliques. Le courant dominant s’écoule principalement le long des parois ce qui laisse au centre du bassin une zone de courant calme avec de faibles vitesses d’écoulement. Les rares contrôles de montaison effectués jusqu’alors sur les passes à méandres ne permettent pas encore d’attester leur efficacité. Pourtant, un nombre élevé de montaisons et un manque de sélectivité de genre ou de taille ont été observés lors de contrôles effectués directement après la construction, ce qui couplé à une mise en place avantageuse et flexible des bassins, fait preuve d’un grand potentiel. Afin de pouvoir profiter pleinement de ce potentiel, cet article propose des recommandations de dimensionnement qui s’orientent vers ceux de la passe à fentes verticales (p. ex. DWA, 2014) pour la taille des bassins, la profondeur d’eau et la largeur de fente. Il serait souhaitable de pouvoir démontrer l’efficacité des passes à méandres avec la construction d’installations pilotes suivies par des contrôles de montaison méthodiques et complets dans des cours d’eau disposant d'une population piscicole formée de grandes espèces cibles.

1. Introduction La loi fédérale sur la protection des eaux (LEaux) et la loi fédérale sur la pêche (LFSP) promeuvent une réduction des effets négatifs dus aux ouvrages hydrauliques sur les cours d’eau. Les ordonnances préposées demandent des mesures d’assainissement concernant le rétablissement de la libre migration piscicole, la réactivation du régime de charriage ainsi que la réduction de l’effet des éclusées jusqu’en 2030. Les coûts liés à l’assainissement s’estiment entre 4 et 5 milliards de CHF selon les prévisions actuelles (SRF, 2018). Une grande partie de cet argent est investie dans le rétablissement de la libre migration piscicole. L’application de cette loi concerne environ mille centrales hydroélectriques, dont environ 700 doivent être réaménagées en termes de montaison et à peu près autant pour des déficits de dévalaison (Bammatter et al., 2015). En plus des assainissements liés aux centrales hydroélectriques prévus jusqu’en 2030, la planification des mesures de revitalisation doit inclure l’assainissement

de tout obstacle artificiel non lié aux centrales hydroélectriques jusqu’en 2090. La Suisse compte plus de 100 000 obstacles artificiels avec une hauteur de chute de plus de 50 cm entravant la migration piscicole (Zeh et al., 2009). La question se pose alors sur la manière la plus efficace et économique qui permettrait de rétablir la libre migration piscicole en considérant l’ampleur de la tâche à accomplir. La construction d’ouvrages de franchissement permet de rétablir la migration piscicole vers l’amont (montaison), lorsque le démantèlement des obstacles est impossible. Les ouvrages de montaison sont souvent construits en minimisant leur emprise au sol, car la place qui leur est attribuée est souvent restreinte par son environnement, comme par exemple à proximité de centrales hydroélectriques. Aujourd’hui, la méthode de construction standard est la passe à poissons à fentes verticales, à laquelle il existe une grande expérience dans le monde entier. Une méthode plus récente de construction est la passe à poissons à méandres (désignation du fabricant, Mäanderfischpass®). Ce type de passe à

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poissons se trouve sur le marché depuis le milieu des années 1990 et a été continuellement perfectionné sur la base de l’expérience acquise par le concepteur et fabricant Peters Ökofisch GmbH & Co. KG. Actuelle ment, il existe 66 aménagements (Helbig et al., 2016). Deux passes à méandres ont été construites en Suisse dans des cours d’eau situés dans une région à truites. Comme la passe à fentes verticales, la passe à méandres dispose d’une succession de bassins reliés par une fente verticale. Toutefois, les caractéristiques hydrauliques de la passe à méandres sont différentes en raison de la géométrie et de la disposition des bassins qui diffèrent sensiblement de la passe à fentes verticales. De plus, il existe des différences dans la conception et dans les applications possibles de la structure. Le tracé et la pente longitudinale de l’ouvrage sont très variables, ce qui rend la passe à méandres applicable à toutes les situations et avec des coûts de construction souvent nettement inférieurs à ceux des passes à fentes verticales. Pourtant, on constate que la passe à méandres est aujourd’hui encore rarement construite. Ceci résulte d’une part de recommandations de dimensionnement insuffisantes et d’autre part d’un manque de recherche en raison d’une prise en compte insuffisante des ouvrages de montaison dans la règlementation actuelle. De plus, les dimensions relativement réduites des ouvrages existants sont souvent critiquées car elles ne correspondent pas aux valeurs de dimensionnement prérequises par les règlements actuels (p. ex. fiche technique DWA, 2014). Dans le présent article, les propriétés hydrauliques de la passe à méandres seront analysées en lien avec la migration piscicole. Les avantages et les désavantages de ce type d’ouvrage seront présentés en considérant la conception, la flexibilité de l’arrangement et les possibles modifications après l’achèvement des travaux. Finalement, des recommandations de dimensionnement seront introduites. 207

2. Construction et arrangement 2.1 Variantes de construction La construction s’effectue comme une passe à bassins successifs. Elle se conçoit avec l’arrangement successif de bassins ronds montés dans un canal rectangulaire. Les bassins sont normalement fabriqués avec des segments de conduite en PRV (Polyester Renforcé de fibres de Verre). Il existe trois types de construction, C, J et H, qui peuvent être également combinés entre eux. Les variantes de construction se distinguent entre elles principalement par la forme et la longueur des bassins, mais aussi par la pente de la rampe et par le chemin d’écoulement (cf. Tableau 1 et Figure 1). • Le type de construction C est formé d’une succession de bassins circulaires en forme de C et est adapté aux Valeurs caractéristiques

pentes situées entre 17 et 30 %. Ceci permet plus particulièrement de construire des ouvrages de montaison dans des espaces restreints. • Le type de construction J est conçu pour des pentes allant de 8 à 17 %. La différence principale vis-à-vis du type C se situe dans l’allongement du bassin circulaire jusqu’à façonner une forme de J sur le plan du bassin. • Le type de construction H est formé par l’allongement sur le plan du bassin de la passe à poissons de type J et est, par conséquent, adapté aux pentes situées entre 4 et 8 %. Ce type de passe nécessite une plus grande emprise au sol car ses bassins sont plus longs comparés à ceux de type C et J. Le type de construction H est communément désigné «passe à poissons à demi-méandres».

Types de construction J

17 – 30 1.00 – 2.40 — — 0.85 – 3.00 80 – 610 0.15 – 0.24 42

8 – 17 — 1.50 – 3.50 1.00 – 2.00 0.75 – 3.00 110 – 610 0.15 – 0.24 15

4 – 8 — 1.50 – 3.60 1.00 – 2.50 0.75 – 3.00 120 – 1040 0.08 – 0.24 5

Vue d’ensemble

Pente de la rampe I [%] Diamètre du bassin DB [m] Longueur du bassin LB [m] Largeur du bassin BB [m] Hauteur du bassin HB [m] Dotation Q [l/s] Hauteur de chute Δh [m] Nombre d’ouvrages construits

Tableau 1: Valeurs caractéristiques des types C, J et H (source: fabricant).

Figure 1: Domaine d’application de la pente de la rampe (vert foncé), pente effective du chemin d’écoulement (ligne bleu pointillée) et chemin d’écoulement en fonction du type de passe à poissons à méandres (source: fabricant, modifié). 208

Le schéma d’écoulement prédominant dépend du type de construction. Un écoulement alterné («méandré») avec une ligne de courant dirigée par les parois externes (définie comme l’écoulement le long des parois) est communément observé dans chaque type de construction. Ainsi, l’écoulement s’effectue de manière continue tout au long de la structure. Quatre types de construction spéciaux existent en plus de ceux mentionnés dans le Tableau 1 et sont réalisés au moyen de combinaisons ou aussi sous forme de tour (Helbig et al., 2016). A cause du charriage, il n’existe aucun bord tranchant dans les cours d’eau et dans les torrents qui pourrait représenter un risque de blessure pour les poissons. De ce fait, l’utilisation d’éléments de construction arrondis et lisses est une des caractéristiques importantes de la conception de cette structure. Le fabricant s’abstient délibérément d’utiliser des fentes verticales munies de bords tranchants, d’angles droits et des fonds de lit composés de matériaux fracturés. Ceci en se basant sur l’hypothèse que les poissons évitent les bords tranchants et les surfaces rugueuses afin de ne pas se blesser (par ex. la muqueuse de la peau ou les écailles) et en conséquence, se montrent plus distants qu’envers des surfaces plus arrondies et lisses. 2.2 Construction du fond de bassin et dimensionnement de la fente Structure du fond La structure du fond est composée d’une couche de graviers arrondis (en général de diamètre 16 / 32 mm, épaisseur environ 80 mm) recouverte d’une géogrille (poly éthilène) stabilisante (Figure 2). La fixation de la géogrille et du gravier arrondi s’effectue au moyen de demi-coques (tuyaux en plastique D = 14 cm, L = 25 cm, divisés en trois dans le sens de la longueur) qui sont ancrées dans le fond du bassin en béton avec des tiges filetées passant à travers la nappe et la couche de gravier. Pour les passes à méandres récentes, la structure du fond est fixée en plus par un grillage en acier galvanisé (Figure 3). Les demi-coques, en plus de leur fonction structurelle, servent à développer des zones de faible écoulement et des endroits couverts (abri) au fond du bassin pour les espèces qui s’orientent sur le fond. Elles sont placées proche des fentes verticales de manière à ce que les poissons proches du fond puissent nager d’un abri à l’autre sans entrer dans la zone d’écoulement principale.

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Figure 2: A gauche: geogrille en PE avant la construction (photo: M. Mende); à droite: civelle sur la géogrille d’une passe à méandres asséchée (photo: fabricant). A cause de la faible vitesse d’écoulement au centre du bassin, une zone de dépôt de sédiments s’y forme et en occupe la majeure partie du fond. Cette zone est souvent recouverte de plantes aquatiques (grande berle, fontinale commune) qui, en plus des demi-coques, mettent à disposition des abris pour les poissons et un habit at pour les invertébrés (Figure 4). L’influence du dépôt de sédiments sur les caractéristiques hydrauliques de la passe à poissons est négligeable car elle intervient uniquement au milieu du bassin où le courant est faible. Aucun dépôt considé-

rable de sédiments ne se forme dans la zone d’écoulement principale le long de la paroi. La construction du fond permet d’obtenir une couche stable de matériaux meub les, malgré une pente de rampe souvent très élevée (Tableau 1). Comparé à une construction de fond classique avec des matériaux fracturés, le fond de la passe à méandres a l’avantage de pouvoir être clairement défini et construit au niveau requis. Ceci permet de garantir les caractéristiques hydrauliques souhaitées dans l’ouvrage de montaison.

Disposition de la fente verticale Comme la passe à fentes verticales, la passe à méandres dispose d’une succession de bassins reliés par une fente verticale (Chapitre 1). La différence se situe dans le fait que le bord de la fente verticale de la passe à méandres est arrondi et que la fente se rétrécit en forme de V en direction du fond (Figure 3 à droite). La largeur de la fente est ajustable de manière variable au moyen de tubes en plastique (diamètre 14 cm, fendus sur la longueur et fixés sur les éléments du bassin, Figure 3 à droite). Elle peut aussi être adaptée de ± 7 cm après la mise en service. Outre l’ ajustement ultérieur du débit de la passe, ceci permet notamment d’ajuster avec précision la hauteur de chute entre les bassins qui ne devrait différer du dimensionnement que dans des cas particuliers.

Figure 3: A gauche: arrangement et conception de bassins de type C (en construction); à droite: disposition d’une fente verticale (Barrage sur l’ Echaz, Reutlingen; photos: J. Stork).

2.3 Espace requis et tracé Les passes à poissons à méandres réalisées jusqu’ici sont normalement construites avec des bassins plus petits que ceux qui seraient employés pour une passe à fentes verticales au même endroit (Chapitre 1). Ainsi, les recommandations relatives aux valeurs limites géométriques (par ex. DWA, 2014) ne sont pas respectées ce qui a permis de réduire l’espace requis par rapport à une passe à fentes verticales. Dans la considération suivante, il est admis que la longueur, respectivement le diamètre des bassins et la hauteur de chute entre les bassins correspondent à ceux d’une passe à fentes verticales. Les passes à bassins successifs rectangulaires, comme la passe à fentes verticales, nécessitent des bassins plus larges lors d’un changement de direction dans le tracé de la passe à poissons. Ainsi, les bassins sont deux fois plus grands par exemple, lors d’un brusque changement de direction (virage à 180°) et environ 25 % plus larges lors d’un changement de direction de 90°.

Figure 4: Bassin vide de type C avec une grande berle au centre (photo: U. Helbig). «Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 3, CH-5401 Baden

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La passe à méandres de type C est le type de construction le plus compact. Deux bassins sont disposés côte à côte et s’entrelacent, permettant d’atteindre une pente deux fois plus grande que celle obtenue avec une passe à méandres de type J (Tableau 1). La passe à méandres de type C permet aussi, sous une forme légèrement modifiée, d’obtenir une passe à poissons en hélice avec un tracé en spirale (Figure 5). Un arrangement similaire de bassins successifs avec une forte pente comparable à celle du type C n’est que rarement réalisé avec des bassins à fentes verticales. La meilleure comparaison est probablement la passe à fentes verticales avec des bassins alternés (Figure 6). Comme l’eau se déverse en travers de la pente de la passe, la longueur du bassin LB (distance de la fente verticale jusqu’à la paroi opposée) est à considérer comme la largeur du bassin (transversalement à la pente). Les bassins doivent être au moins un tiers plus

larges que les bassins standards pour respecter les valeurs indicatives selon la DWA (2014). La largeur complète de deux bassins arrangés côte à côte constitue donc au minimum deux fois la longueur recommandée. En revanche, la largeur complète de la passe de type C est en raison du chevauchement seulement 1.5 fois le diamètre du bassin et donc 25 % plus étroite. Un autre facteur de réduction de de la largeur totale de la passe à méandres s’ensuit de l’utilisation de segments fins de tuyaux en PRV, qui ont une épaisseur nettement plus mince (environ 15 à 34 mm) que celle des parois en béton qui constituent normalement la passe à fentes verticales. Grâce à un arrangement compact doté d’une forte pente, la passe à méandre de type C peut parfois être réalisée dans des espaces restreints où la construction d’une passe à fentes verticales serait impossible. La passe à méandres de type J, qui a un rapport largeur / longueur similaire à la

passe à fentes verticales, ne présente pas d’avantages particuliers en dehors de paro is plus minces et de bassins moins profonds grâce à la construction moins épaisse de la rampe de fond (cf. chapitre 2.2; dimensionnement de l’épaisseur de la couche de substrat d’une passe à fentes verticales dF ≥ 30 cm (DWA, 2014)). La passe à méandres de type H présente un rapport largeur /longueur plus petit que le type J et peut ainsi également être utilisée dans des couloirs étroits (Figure 7). En combinant les trois types de construction, les passes à méandres peuvent s’adapter à l’espace disponible et en font souvent le meilleur usage possible (Figure 7). La combinaison permet aussi de varier la pente du canal ce qui permet de contourner des obstacles comme par exemple des con duites (canalisations, tranchées de câbles, etc.) et d’éviter ainsi de coûteuses transformations.

Figure 5: Passe à poissons en hélice, Schwentine / Schleswig-Holstein (photos: E. Kuberski).

Figure 6: Passe à fentes verticales avec bassins alternés (photo: www.ibhandrick.de). 210

Figure 7: Passe à méandres avec une combinaison de type C et H avant sa mise en service, Weserstaustufe Drakenburg (photo: fabricant, modifiée).

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Figure 8: A gauche: schéma d’écoulement dans une passe à méandres de type C (exemple: Birse / Courrendlin JU; photo: J. Stork); à droite: schéma d’écoulement («dissipation d’énergie» – côté gauche et «écoulement stable» – côté droite, selon DWA 2014) dans une passe à fentes verticales (exemple: Moselle / Coblence, Rhénanie-Palatinat; photo: M. Mende). 3. Caractéristiques hydrauliques (type C) La plupart des passes à méandres réalisées jusqu’ici sont de type C (Tableau 1). De ce fait, les caractéristiques hydrauliques de ce type de construction seront analysées plus en détails dans ce chapitre. Les types de construction J et H s’assimilent à une passe à fentes verticales de par leur géométrie plus étendue et leur taille de bassin moins compacte. Néanmoins, les conditions hydrodynamiques du type de construction C (écoulement alterné, ligne de courant principal longeant les parois extérieures et continuité de l’écoulement) s’appliquent aussi aux types J et H (Chapitre 2.1). 3.1 Caractéristiques hydrauliques du bassin Contrairement à la passe à fentes verticales, où la disposition de la fente oriente l’écoulement vers le milieu du bassin (Figure 8 à droite), l’écoulement entre la fente supérieure et inférieure de la passe à méandre de type C est orienté le long de la paroi extérieure du bassin. Par conséquent, il s’ensuit une ligne de courant continue tout au long de la paroi, formant un écoulement dominant stable et nettement délimité du reste du bassin. L’écoulement s’oriente le long de la paroi extérieure à cause d’une déviation permanente générée par la force d’inertie, ce qui crée un couloir d’écoulement méandré et continu (Figure 8 à gauche, Figure 9).

L’écoulement extérieur incurvé reste manifestement compact et stable, contrairement un écoulement en ligne droite le long d’une paroi latérale. Les auteurs considèrent ceci comme avantageux par rapport à un jet issu de la fente non guidé ou linéaire qui se dissipe avec une expansion continue dans l’espace libre du bassin (Rajaratnam, 1976). Un jet non guidé issu de la fente et entrant en contact avec le volume d’eau du bassin, tel qu’il se présente par exemple dans une passe à fentes verticales (Figure 8 à droite), a tendance à former un jet instable à cause d’importants cisaillements entre le jet et le volume d’eau. Une légère modification des paramètres peut entraîner une dissipation prématurée et incontrôlée du jet issu des fentes verticales, ce qui peut modifier de manière imprévisible le comportement hy-

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draulique et changer un écoulement stable en écoulement dissipé (selon DWA, 2014) et inversement. Outre l’écoulement extérieur incurvé et prononcé, une vaste zone de recirculation composée globalement d’un vortex lent et stable tournant autour d’un axe vertical se forme au centre de la passe à méandre. Ce vortex est conduit dans la zone de cisaillement par la dissipation d’énergie induite par l’écoulement allant de fente en fente en longeant la paroi incurvée (vortex stable). Il en résulte un ralentissement des vitesses d’écoulement de l’extérieur à l’intérieur du vortex, où la vitesse s’approche quasiment de v = 0 m/s en son centre (Figure 8 à gauche, Figure 9). Tout comme les autres passes à bassins successifs, une grande partie de l’énergie cinétique de l’écoulement issu de la fente

Figure 9: Section d’une passe à méandres de type C, simulation 3dHN (OpenFOAM®, méthode SGS, EAV = en aval, EAM = en amont; source: UT Dresden / IWD). 211

d’une passe à méandres doit être dissipée. Une hauteur de chute relativement constante quant au niveau d’eau nominal entre les bassins permet de dissiper l’énergie de façon homogène avec un courant presque uniforme tout au long de la passe à poissons. La dissipation d’énergie du courant incurvé caractéristique de la passe à méandres s’effectue principalement par frottement le long de la paroi extérieure du bassin, ainsi que dans la zone de cisaillement entre le vortex présent dans le volume d’eau central et l’écoulement extérieur. La zone de cisaillement proche de la paroi extérieure, aussi bien que celle entre le vortex au centre du bassin et l’écoulement extérieur sont compressés par rapport à une situation rectiligne (Guitton, 1964; Rodney, 1972). La dissipation d’énergie absolue est dans son ensemble plus faible que pour l’écoulement d’un jet dans un volume d’eau libre, car le frottement de la paroi externe a un effet de dissipation plus faible que la zone de cisaillement dans le fluide. Une vitesse moyenne un peu plus élevée à travers la fente est donc attendue pour une même hauteur de chute ∆h et pour une même longueur de chemin d’écoulement par rapport à la passe à fentes verticales. Cette augmentation de vitesse pourrait, au besoin, être compensée par un agrandissement du diamètre des bassins ou / et une réduction de la hauteur de chute. Le schéma d’écoulement ci-dessus, typique du type C, est composé d’une ligne de courant dominante sur l’extérieur du bassin et d’une zone de repos centrale. Ceci permet de tirer les conclusions suivantes: • Le courant sur l’extérieur du bassin est caractérisé par une grande vitesse d’écoulement dirigée le long de la paroi et est ainsi compacte avec une expansion restreinte. Comme des mesures l’ont montré, les vitesses maximales dans le bassin apparaissent légèrement en aval de l’ouverture de la fente (IWD, 2016, voir aussi Chapitre 3.2). Les conditions d’écoulement dans un bassin sont relativement constantes tout au long de l’aménagement, l’écoulement sur le bord extérieur est continu et permanant. • La plus grande partie du bassin est caractérisée par un écoulement peu turbulent avec de faibles vitesses et forme donc un espace généreux pour que les poissons puissent se reposer avant de monter dans le bassin suivant. • L’information directionnelle à disposition des poissons reste imperturbable avec le vortex en rotation lente au centre et la zone de transition dirigée vers le courant extérieur qui indique clairement le chemin à suivre pour trouver la prochaine fente. 212

Figure 10: A gauche: principe d’écoulement à travers une fente comme com binaison d’un déversement et d'un écoulement noyé; à droite: valeurs caractéristiques de la fente (avec bords arrondis). 3.2 Estimation du débit et vitesse maximale La géométrie de la fente est pertinente d’un point de vue hydraulique car, allant jusqu’au fond et ayant une largeur respective connue, elle forme une section transversale de contrôle permettant de déterminer le débit de la passe. L’avantage de la passe à méandres est que la position du fond de la passe est déterminée avec précision et que la largeur de la fente reste variable et peut donc être adaptée, in situ, aux conditions respectives du site (Chapitre 2.2). L’écoulement à travers la fente verticale est formé d’un écoulement noyé (principe de Torricelli, Qu) et d’un déversement (formule de Poleni, Qo, Figure 10 à gauche). La détermination du débit de la fente selon les formules 8.14, 8.15a ou 8.15b de la fiche technique actuelle DWA-M 509 (DWA, 2014, p. 244, en allemand) n’est pas recommandée par les auteurs, car d’après les connaissances actuelles, les mesures du débit (Q) de l’université technique de Dresde (TU Dres den) présentent des écarts allant jusqu’à 30 %. Selon une étude de cette université, le débit peut être déterminé suffisamment bien en utilisant l’approche décrite dans Aigner (2016). Par contre, la vitesse d’écoulement d’approche va requise est difficile à obtenir en pratique et ne peut pas être clairement déterminée. Sa part ne peut toutefois pas être négligée comme le démontrent les mesures et comme déjà mentionné dans le chapitre 3.1, à cause d’une dissipation d’énergie plus faible. Par simplification, seule la hauteur de chute Δh ainsi que le coefficient de débit µmod qui représente la part d’énergie cinétique résultante de va, seront considérés. Ainsi, la formule suivante s’applique pour une section transversale en forme de trapèze:

(1) ou plutôt pour un rétrécissement de canal sans changement de régime d'écoulement:

(1) où µ0 est le coefficient de base de la section transversale selon la formule d’Euler (µ0 = 0.537 à 0.577 pour une section transversale trapézoïdale et avec des bords arrondis, Aigner & Bollrich, 2015) et µ1 décrit l’influence de la vitesse d’approche. Par exemple, la valeur µ1 a été définie à µ1 ≈ 1.715, dans le cadre de plusieurs études (mesures en laboratoire ou dans la nature, simulations) pour la variante de type C. Dans l’Eq. (1), µ [-] représente le coefficient de débit, s [m] la largeur de la fente au niveau du lit (Figure 10 à droite), ho et hu [m] la hauteur d’écoulement relative à la hauteur moyenne d’eau en amont (ho), respectivement en aval (hu) de la fente. La valeur Δh [m] décrit la hauteur de chute relative à la hauteur moyenne d’eau entre deux bassins successifs, m [-] définit la valeur moyenne de la pente de la fente verticale (Figure 10 à droite). L’Eq. (1) s’applique pour une section transversale rectangulaire avec m = 0. Comme pour toutes les passes à fentes verticales, la vitesse d’écoulement maximale dans l’aménagement apparaît juste en dessous de la fente et peut être bien approximée utilisant la formule basée sur celle de Torricelli. (2) Là aussi, la part dérivée de la vitesse d’écoulement d’approche va ne peut pas être négligée à cause de la faible dissipation d’énergie dans la passe à méandres. En utilisant la relation

(Aigner & Bollrich, 2015, p. 337), la vitesse d’écoulement maximale est définie par l’Eq. (3), ce qui engendre un résultat supérieur d’environ 20 % par rapport à l’approximation négligeant la vitesse d’approche

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(c.–à–d. va = 0 dans l’Eq. (2), valable pour une passe à fentes verticales avec un schéma d’écoulement «dissipé»). (3) Il convient également de remarquer que la vitesse d’écoulement dans la fente ne dépend pas linéairement de la hauteur de chute (Δh), cf. Eq. (2), par contre, c’est le cas de la densité d’énergie (pD) qui agit comme un paramètre de substitution afin de caractériser la turbulence (DWA-M 509). Par exemple, une augmentation de la hauteur de chute de ∆h = 0,15 m à ∆h = 0,20 m augmente la vitesse d’écoulement de seulement 15 % environ, sans considérer va tandis que la densité d’énergie utilisée comme paramètre de substitution à la turbulence augmente d’environ 33 %. Cela laisse supposer que pour le franchissement, les caractéristiques de la turbulence, dont sa répartition dans les bassins circulaires est évaluée de manière positive (Chapitre 3.1), jouent un rôle plus important que la vitesse d’écoulement. 4. Contrôles de l’efficacité de montaison La fonctionnalité d’un ouvrage de montaison peut être évaluée sur la base de son efficacité, de sa performance (efficience) et de sa sélectivité par rapport aux poissons migrateurs (détails cf. Zaugg et al., 2017). L’effica cité se mesure par le nombre absolu de montaisons (comptage), typiquement par la mise en œuvre de méthodes de recensement (nasse, bassin de comptage, vidéo, etc.). La performance est basée sur les fréquences relatives. Pour ce faire, le nombre de poissons qui trouvent l’entrée de la passe, qui y entrent et qui franchissent l’ouvrage est relevé. De plus, le temps requis pour trouver la passe et la durée de la montaison sont enregistrés avec l’utilisation de méthodes de marquage. Pour finir, la sélectivité donne une description de toutes les sortes et grandeurs de poissons qui ont pu franchir l’ouvrage avec succès. Le relevé de ces paramètres se fait idéalement en utilisant des méthodes de comptage et de marquage. Un contrôle d’efficacité de montaison donne des résultats significatifs si les paramètres jugés pertinents ont été récoltés avec les méthodes appropriées durant les bonnes saisons et sur une période de temps suffisamment longue. En outre, des données sur l’inventaire piscicole et leur fréquence d’apparition en aval de l’aménagement, sur le régime fluvial et la température, ainsi que des données opérationnelles des turbines et des vannes, tout comme d’éven-

tuelles informations complémentaires sont nécessaires afin d’interpréter les résultats de montaison. Finalement, la définition de critères spécifiques permet d’obtenir une évaluation minutieuse et objective des données. Au total sept contrôles d’efficacité de montaison ont été effectués sur six passes à méandres en Allemagne de 2002 à 2011 (Tableau 2). Les contrôles ont été effectués indépendamment du fabricant. Ceci con cerne deux ouvrages de type C et H respectivement, un de type J et un ouvrage combiné de types C et H (Figure 7). Tous les contrôles ont été effectués en utilisant exclusivement la méthode de comptage (nasse ou bassin de comptage), comme il était alors d’usage. 4.1 Efficacité L’endroit qui a recensé le plus grand nombre de poissons capturés par jour était Bahnitz sur la Havel (type H). En moyenne, plus de 600 poissons par jour ont été capturés lors du relevé. Sur la Weser (Visurge) à Drakenburg (combinaison de type C et H) et à Hamelin (type C), environ 250, respectivement 180 poissons ont été capturés en moyenne par jour durant deux périodes estivales. Le nombre de poissons capturés sur les autres installations était nettement moins élevé. Trois sites sur six utilisaient un système de capture avec des nasses en treillis métallique ou en tiges en plastique ou alors en tôle perforée. Sur ces sites, de nombreux poissons ont probablement quitté le dispositif de comptage avant même d’avoir pu être recensés. Les dispositifs de capture des trois autres sites étaient aménagés avec des nasses formées de filets. Ces nasses assuraient une meilleure capture des poissons, alors même que le type de construction utilisé, c.-à-d. la longueur, l’ouverture et la taille du maillage n’étaient que partiellement connus et ne correspondaient pas aux recommandations selon Wilmsmeier et al. (2018). En outre, les nasses engendraient des comportements de fuite, signifiant que pas tous les poissons qui franchissaient l’ouvrage sont entrés dans le dispositif de capture. L’attrait de la passe à méandres n’a été mentionné à aucune installation ou a été classé comme incertain ou insuffisant. Par conséquent, il est impossible de savoir si le nombre de montaison reflète aussi un manque d’attrait de la passe à méandres. A cela s’ajoutaient parfois d’autres contraintes comme des travaux de construction dans le cours d’eau, du vandalisme, des problèmes techniques, etc. Le nombre de montaisons relevé à chaque installation est donc à

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considérer comme une valeur minimale du nombre effectif de poissons ayant franchi la passe à méandres. Ces valeurs ne permettent donc pas de démontrer l’efficacité de l’aménagement et par conséquent, une analyse comparative des résultats des différents types de passe à méandres n’est actuellement pas possible. 4.2 Performance Les méthodes de comptage utilisées ne permettent pas de tirer de conclusion sur l’efficience des passes à méandres. De plus il n’est pas possible de savoir, combien de poissons ont réellement trouvé l’entrée de la passe et combien d’entre eux ont réussi le franchissement, tout comme le temps qu’il leur a fallu pour franchir la passe. 4.3 Sélectivité Les contrôles d’efficacité de montaison ont fourni des résultats plus précis concernant la sélectivité de la passe à méandres par rapport à la taille des poissons migrants. D’après la comparaison entre les espèces capturées en aval et celles retrouvées dans le dispositif de comptage, la plupart des installations ne présente aucune sélectivité apparente des poissons migrateurs. Ceci du moins, si l’on prend en compte les espèces capturées dans les dispositifs de comptage avec quelques captures individuelles dans le cours d’eau en aval. Sur trois sites, le nombre d’espèces confirmé dans la passe à méandres a été plus élevé que celui en aval. A Bahnitz, la proportion des espèces confirmées dans la passe s’élevait à seulement 60 % mais le relèvement n’a duré qu’un mois. Le quota était de 50 % et 20 % en 2005, respectivement en 2007 à Rothen, où très peu de poissons ont été recensés dans la passe à méandres. Une sélectivité des petits poissons peut être très probablement exclue sur la base des résultats de comptage. Concernant les gros poissons, il n’est pas encore possible de prouvver l'existence d'une sélectivité à l’heure actuelle en raison du nombre de captures naturellement bas. 4.4 Récapitulation Les quelques contrôles de montaison effectués ne permettent pas d’évaluer de manière fiable l’efficacité et la performance des passes à méandres. Le nombre parfois élevé de montaisons et l’absence de sélectivité vis-à-vis des espèces et des poissons de petite taille soulignent le grand potentiel de la passe à méandres, qui doit cependant encore être démontré par des contrôles d’efficacité de montaison complets et standardisés. 213

Cours d’eau

Passe à méandres

Méthode de recensement

Nom (lieu) Région piscicole

Largeur du lit

Type

Nombre Mise en de bassins service

Détails

Attrait

Système de capture

Havel (Bahnitz)

Région à brèmes

60 m

2005

Pente 4,0%; longueur de bassin 3,60 m, largeur de bassin 2,50 m, argeur de fente 41–60 cm; fond de la passe rugueux

Insuffisant: positionnement de l’entrée très attractif, mais débit d’attrait trop faible

Combinaison cage de piégeage / bassin de comptage

Mildenitz (Borkow)

Région à brèmes

10 m

2006

6–8 mm

Mildenitz (Rothen)

Région à brèmes

10 m

2005

Dénivelé total 2,4 m, Pas d’indication Cage de piégeage pente 8,3%. longueur 46 m (partie avec bassins 29,68 m), largeur de bassin 1,45–1,5 m; fond de la passe rugueux Dénivelé total 1,2 m. Pas d’indication Cage de largeur de fente piégeage 10–15 cm

Cage de piégeage

6–8 mm

Weser (Drakenburg)

Région à barbeaux

150 m

C et H 34 2000 combinés (dont 7 de type H)

Pas d’indication Cage de Largeur de fente en piégeage bas 12,5 cm, en haut 25 cm; hauteur de chute 15 cm, vitesse max. 2,2 m/s; fond de la passe rugueux

Weser (Hameln)

Région à barbeaux

50 m

2002

Oker (Braunschweig)

Région à barbeaux

20 m

2003

Dénivelé total 2,0 m. longueur 19 m, largeur de bassin 2,0 m, largeur de fente en bas 12,5 cm, en haut 25 cm, hauteur de chute par fente 19,3–20,0 cm; vitesse max. 2,0 m/s; débit équipé 300 l/s; fond de la passe rugueux Dénivelé total 2,1 m, pente 4,4%. longueur 67 m, longueur de bassin 2,26 m, largeur de bassin 1,4 m, largeur de fente en bas 12–14 cm, en haut 19–24 cm, différence de niveaux d’eau 10–15 cm; vitesse max. 1,3 m/s; débit éuquipé 156 l/s

Espacement du maillage 8–9 mm

6–8 mm

14–16 mm

Pas d’indication Bassin de piégeage

10 mm (tôle perforée)

Bassin de Incertitude; piégeage une dotation supplémentaire de 100 l/s est ajoutée en cas d’augmentation du débit du cours d’eau pour améliorer l’attrait

10 mm (tôle perforée)

Tableau 2: Contrôles de l’efficacité des montaisons effectués sur les passes à méandres. 214

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Résultats Goulet

Jours de capture

Fréquence

Fils de filet Mai

18 433 poissons

Nasse

23 (toutes 1125 les deux poissons semaines durant 72 h)

Nasse

Période

Début avril à mi-juin, Fin octobre à début novembre

2005: mi-avril à fin mai, Fin octobreà début Novembre Nasse 2007: mi-avril à fin mai, Fin d’octobre à début novembre 2002: fin mai Treillis à fin octobre; métallique avec 2003: fin mars échappa- à fin octobre toire 30 x 30 cm, longueur 1,25 m Avril à NovemTiges synthéti- bre (2 ans) ques de 20 mm de long, juxtaposées

Tôle perforée

Remarques Selectivité par rapport à l’espèce 13 espèces, dont 7 avec plus de 10 individus. Les espèces manquantes lors de la pêche ont seulement été détectées de manière isolée (excepté la bouvière) 12 espèces, dont 7 avec plus de 10 individus. Aucune sélectivité.

Selectivité par rapport à la taille Pas pour les poissons de petite taille; incertain pour les grands poissons (jusqu’à 60 cm), car seul quelquesuns ont été capturés. Jusqu’à 65 cm

Littérature

En aval

Plusieurs améliorations du système de capture durant les 10 premiers jours; ensuite opérationnel, mais pas entièrement capable de capturer. Travaux de construction. 12 espèces, Indice de fonctidont 5 avec plus onnalité d’après de 10 individus. Ebel et al. (2006): bon (classe B)

Wolter et Menzel, 2011

18 espèces, dont 11 avec plus de 10 individus.

Waterstraat et al., 2007

16 (toutes les deux semaines durant 48 ou 72 h) 10 (toutes les deux semaines durant 72 h) 337

54 poissons

8 espèces, dont Jusqu’à 25 cm 2 avec plus de 10 individus

12 espèces, Problèmes dont 4 avec plus avec la cage de 10 individus. de piégeage (vandalisme)

Waterstraat, 2005

51 poissons

6 espèces, dont Jusqu’à 22 cm 2 avec plus de 10 individus

Aucune

Waterstraat, 2007

83 897 poissons

24 espèces, dont 24 avec plus de 10 individus

Aucune

Problèmes avec la cage de piégeage (vol de poissons intermittent)

546

100 559 poissons

25 espèces, dont 19 avec plus de 10 individus

Aucune information, mais indication d’un total de 23,6% de poissons juvéniles (< 10 cm) Plus de 70 cm (relativement beaucoup de gros poissons)

29 espèces, dont 16 avec plus de 10 individus.

Rathcke, 2004 Travaux de construction, augmentation du débit par-dessus le déversoir

883 poissons

Jusqu’à 17 espèces, dont 7 avec plus 51 cm; aucune de 10 individus; sélectivité aucune sélectivité apparente

Mi-avril à début 23 juillet

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 3, CH-5401 Baden

4 espèces, dont Problèmes 1 avec plus de avec la cage 10 individus. de piégeage (obstruction)

Wieland et Nöthlich, 2003

NLWK, 2004

215

5. Recommandations de dimensionnement L’élaboration d’une recommandation de dimensionnement concluante pour la passe à méandres ne peut être réalisée que si l’on répond aux questions fondamentales concernant le passage du poisson en fonction de la conception de la fente et des bassins, c-à-d de l’hydraulique associée. Tant que ceci n’est pas acquis, le dimensionnement doit se faire en considérant des marges de sécurité. Largeur de la fente s Dans la fiche technique DWA-M 509 (DWA, 2014), la limite des valeurs géométriques est, en règle générale, dérivée de la taille et des proportions des poissons. Ainsi, la largeur de la fente doit au minimum mesurer trois fois la largeur maximale du poisson (s = 3 x DPoisson). Les passes à méandres réalisées jusqu’ici ont souvent une largeur moyenne de fente plus petite que 3 x DPoisson, permettant en même temps de réduire le débit à travers la passe, ce qui est considéré comme un «effet secondaire» souhaité. Le choix d’utiliser une largeur de fente réduite se fonde sur l’hypothèse que les bords arrondis de la passe à méandres permettent aux poissons de traverser la fente à une distance plus restreinte des bords qu’avec une fente aux bords anguleux (Chapitre 2.1). Tant que cette hypothèse n’est pas confirmée, la conception de la fente devrait être choisie de manière à ce que la recomman-

Figure 11: Une truite de mer dans le bassin de comptage au barrage de la Moselle à Coblence / Rhénanie-Palatinat (photo: J. Schneider). dation 3 x DPoisson soit respectée. Il peut être ensuite vérifié lors du contrôle d’efficacité, que l’utilisation de plus petites ouvertures de fentes verticales n’engendre aucune sélectivité (cf. Chapitre 2.2). Les passes à méandres réalisées jusqu’alors sont munies de bassins relativement petits (diamètre du bassin DB = 2,0 m par ex. dans une région à barbeaux). De par le faible nombre de contrôles d’efficacité de montaison, aucune sélectivité sur les gros poissons n’a été observée ni infirmée (Chapitre 4.3). Pour l’instant, il est donc recommandé de choisir une longueur intérieure du bassin équivalente à trois fois la longueur des plus grandes es-

Les recommandations relatives à la géométrie des bassins d’une passe à fentes verticales sont-elles justifiées? Les recommandations de dimensionnement des bassins sont couramment basées sur la biométrie des poissons et leurs caractéristiques de mouvement (par ex. la longueur intérieure du bassin LB = 3 x LPoisson et la largeur intérieure BB ≈ 0.75 x LB; DWA, 2014). Il est supposé alors, que les poissons ont tendance à garder leur direction de mouvement à cause de leur «axe corporel relativement rigide» et peuvent donc seulement nager de manière rectiligne (DWA, 2014). Pour ces raisons et afin de respecter les valeurs limites de densité d’énergie (paramètre de la turbulence), il en résulte des bassins avec des dimensions relativement grandes. L’idée d’un axe corporel relativement rigide est à ce stade remise en question (cf. Figure 11). Il a été prouvé que des gros poissons, parfois de plus de 1 m de long, peuvent faire demi-tours dans un tunnel de 0,5 m de diamètre sans toucher les parois, comme le montrent par exemple des séquences vidéo de l’Université BOKU (communiqué par e-mail de Helmut Mader, 16.5.2019). Ceci conduit à l’hypothèse que le dimensionnement relativement grand des bassins sert avant tout à contenir une faible turbulence dans le bassin et moins à offrir un espace de manœuvre pour les poissons. Sur la base de ses observations, il serait judicieux de remettre en question les recommandations de dimensionnement des bassins et de se demander si elles pourraient être modifiées lorsque la densité d’énergie dans les bassins est relativement faible (comme par ex. pour la passe à poissons E-Nature) ou lorsque la turbulence, dont sa distribution spatiale dans le bassin ne peut pas être exprimée par l'expression de la densité d'énergie, se concentre le long de la paroi comme observé dans les passes à méandres. 216

pèces de poissons LB = 3 x LPoisson. Pour la passe de type C, la longueur intérieure LB équivaut au diamètre du bassin DB. En considérant la taille des poissons selon le Tableau 15, DWA-M 509 (DWA, 2014), il existe des longueurs de bassin ou des diamètres adaptés à chaque espèce cible, par ex. 1,5 m pour les truites de rivières et ombres, 2,1 m pour les barbeaux et 3,0 m pour les saumons. Pour des raisons techniques de production, le diamètre maximal d’un bassin de type C est actuellement limité à 2,4 m, ce qui en ce moment, ne permet pas de suivre les recommandations actuelles pour les saumons et autres gros poissons. Il est supposé que la dimension des bassins n’ait relativement peu d’influence sur le passage des gros poissons lors d’une répartition appropriée de la turbulence (cf. texte encadré). Pour vérifier cette hypothèse, il serait intéressant de réaliser des installations pilotes avec deux ou trois passes à méandres de type C situées dans des régions piscicoles à grandes espèces et qui seraient soumises intensivement à des contrôles d’efficacité de montaison. Si, au contraire, une sélectivité par rapport à la taille est démontrée, alors les passes à méandres de type C devront être limitées aux régions piscicoles dont la population ne dépasse pas la longueur L Poisson ≤ 80 cm. Hauteur d’écoulement hu Il est recommandé de suivre la valeur de dimensionnement de la passe à fentes verticales selon le Tableau 43 dans DWA (2014) pour dimensionner la hauteur d’écoulement hu à la sortie de la fente. Ainsi, la hauteur d’écoulement hu requise s’élève à 0,5 m pour la truite de rivière et à 0,8 m pour le saumon.

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Hauteur de chute (différence du niveau d’eau) ∆h Sur la plupart des passes à méandres (type C) réalisées jusqu’ici, la hauteur de chute ∆h et le diamètre du bassin DB ont un rapport d’environ ∆h/DB = 1:10 ce qui génère une pente de 20 %. Les petites passes à méandres construites principalement dans des régions à truites font figure d’exception avec DB = 1,0 m et ∆h = 15 cm (pente de 30 %). Ce dimensionnement est recommandé uniquement si un entretien régulier peut être garanti à cause de leur faible largeur de fente. Le rapport de ∆h / DB = 1:10 vaut également pour la passe à méandres située à la Pfortmühle à Hameln sur la Weser (DB = 2,0 m, ∆h = 20 cm) qui se trouve dans une région à barbeaux et qui a été relativement bien étudiée. Cette passe à méandres ne montre apparemment aucune sélectivité de taille pour les poissons de petite taille, malgré la hauteur de chute relativement élevée (Chapitre 4.3). Plusieurs raisons peuvent expliquer ces résultats, à savoir que la hauteur de chute n’influence que faiblement la vitesse d’écoulement à travers la fente comparé à la densité d’énergie, ou alors que la distribution de la turbulence à l’intérieur des bassins est jugée positive (Chapitre 3.1), ou encore par la courte distance jusqu’à la prochaine zone de repos que les poissons doivent surmonter en nageant à travers la fente contre une vitesse d’écoulement élevée (Figure 12). Sur la base des connaissances actuelles, il est conseillé de respecter un rapport

∆h / DB ≤ 1:10 lors du dimensionnement de la passe à méandres. Si la hauteur de chute ou la vitesse d’écoulement résultante diffère sensiblement des recommandations selon DWA-M 509 (2014), un contrôle d’efficacité de montaison devrait être effectué pour détecter d’éventuels effets négatifs et pour éviter de les reproduire lors de futurs projets. Combinaison de variantes Il est possible de combiner des types de construction pour pouvoir utiliser au mieux l’espace mis à disposition de la passe à méandres. L’écoulement, ainsi que la distribution des zones de repos, restent continus et ininterrompus car toutes les variantes sont caractérisées par un écoulement principal longeant les parois extérieures. Les combinaisons de passes à méandres réalisées jusqu’alors ont toutes une largeur de fente et une hauteur de chute dimensionnées afin que la vitesse d’écoulement soit égale à chaque fente. Les bassins des aménagements avec des types combinés sont dimensionnés de manière à obtenir la même longueur d’écoulement le long des parois (cf. Figure 1), générant ainsi une dissipation d’énergie plus ou moins égale dans chaque bassin par le frottement sur la paroi et les turbulences. Pour cette raison, le type H a une forme allongée tandis que le type J est plus compacte. Les volumes des bassins sont sélectionnés de manières égales, indépendamment du type de construction. Cette

Figure 12: Cheminement des poissons (flèches rouges) à travers les fentes d’une passe à méandres de type C (simulation 3D avec OpenFOAM® méthode SGS, vitesse de surface, EAV = en aval, EAM = en amont; source TU Dresden / IWD). «Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 3, CH-5401 Baden

approche semble plausible et devrait donc également être respectée lors de futurs projets. 6. Conclusion et perspective Le tracé et le dénivelé de la passe à méandres sont très variables et peuvent s’adapter aux conditions locales, particulièrement grâce aux combinaisons possibles entre les différents types de construction. Par ailleurs, sa structure compacte permet souvent de réduire l’espace requis et les coûts de construction comparés à ceux d’une passe à fentes verticales. Les caractéristiques d’écoulement laissent présager l’instauration de conditions hydrauliques favorables au franchissement de la passe à méandres. Les rares contrôles d’efficacité de montaison effectués jusqu’alors ne permettent pas encore d’évaluer définitivement sa fonctionnalité. Par contre, le nombre en partie élevé de montaisons et le manque de sélectivité des espèces et des poissons de petite taille donnent à la structure un grand potentiel de développment, lié aussi à un arrangement avantageux, un coût de construction relativement faible et la possibilité d’ajuster la structure après sa construction. Cependant, le manque de recommandations de dimensionnement approfondies et le faible nombre de contrôles effectués font que sa construction n’est pas suffisamment prise en compte dans les normes actuelles. La principale critique concernant les installations existantes émane souvent du dimensionnement relativement petit des bassins qui ne respecte pas les valeurs limites des normes ordinaires (p. ex. DWA, 2014). Ces dernières recommandent la construction de bassins relativement grands afin de fournir un espace de manœuvre pour les gros poissons et de respecter la valeur limite de densité d’énergie (paramètre de la turbulence). Comme la zone de turbulence dans les passes à méandres se concentre sur la périphérie du bassin et que la majeure partie du bassin présente de faibles turbulences et courants transversaux, l’ouvrage pourrait offrir un espace suffisant aux manœuvres des gros poissons, même avec de petits bassins. Cette hypothèse ne peut toutefois pas être confirmée par les contrôles d’efficacité de montaison, en raison du nombre naturellement assez faible de captures de gros poissons (Chapitre 4.3). Il est donc recommandé de construire les passes à méandres en se basant sur les recommandations de dimensionnement des passes à 217

fentes verticales, comme selon DWA (2014). Pour que les recommandations de dimensionnement puissent garantir une performance optimale de la passe à méandres, les ouvrages doivent être conçus de manière modulable et être évalués par des contrôles d’efficacité de montaison intensifs. De plus, il est conseillé de réaliser deux à trois aménagements pilotes de type C dans des cours d’eau contenant une population piscicole formée de grandes espèces (p. ex. truite lacustre, brochet, silure).

Pour des raisons techniques liées à la fabrication, les recommandations de dimensionnement des bassins (DB = 3 x LPoisson) ne peuvent pas être respectées pour des poissons d’aussi grande taille (Chapitre 5). Ainsi, ces aménagements combinés à un contrôle d’efficacité de montaison intensif, pourraient apporter une réponse finale quant à la possible sélectivité de la passe à méandres sur les gros poissons. Des résultats concluants et disponibles rapidement pour ce système pourraient permettre de réaliser des économies finan-

cières encore dans le cadre de la mise en œuvre de la LEaux d’ici 2030.

Références: Aigner, D. (2016): Der Schlitzpass – Ausfluss- oder Überfallströmung. Wasserbauliche Mitteilungen Heft 57, TU Dresden Aigner, D., Bollrich, G. (2015): Handbuch der Hydraulik, Beuth, 2015, S. 334 ff., Berlin Bammatter, L., Baumgartner, M., Greuter, L., HaertelBorer, S., Huber Gysi, M., Nitsche, M., Thomas, G. (2015): Renaturierung der Schweizer Gewässer: Die Sanierungs pläne der Kantone ab 2015. Bundesamt für Umwelt, BAFU, 13 S. DWA (2014): Merkblatt DWA-M 509. Fischaufstiegsanlagen und fischpassierbare Bauwerke – Gestaltung, Bemessung, Qualitätssicherung. Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V.: 334 S. Stand: korrigierte Fassung Februar 2016 Ebel, G., Fredrich, F., Gluch, A., Lecour, C., Wagner, F. (2006): Methodenstandard für die Funktionskontrolle von Fischaufstiegsanlagen. Bund der Ingenieure für Wasserwirtschaft, Abfallwirtschaft und Kulturbau (BWK) e.V., 115 S. Guitton, D. E. (1964): Two-dimensional Turbulent Wall Jets over Curved Surfaces, Department of Mechanical Engineering, McGill University, Montreal Helbig, U., Aigner, D, Stamm, J. (2016): Hydraulik der Schlitzöffnungen bei beckenartigen Fischaufstiegs anlagen. Bautechnik 93 (2016), Heft 5, Ernst & Sohn, Berlin IWD (2016): Hydraulische Untersuchung der Rund beckenpassanlage Höxter / Godelheim, Forschungs bericht 2014/08 TU Dresden, Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik (IWD), Dresden, 2016, 123 S. Larinier, M. (1992): Passes à bassins successifs, prébarrages et rivières artificielles. Bull. Fr. Pêche Piscic., 326 / 327, p. 45 – 72 Larinier, M., Porcher, F., Travade, F., Gosset, C. (1994), Passes à poissons: expertise et conception des ouvrages de franchissement. Mise au point. Fr. NLWK (2004): Funktionskontrolle Mäanderfischpass an der Oker-Mühle in Rothemühle (LK Gifhorn). Aller –

Oker-Lachs-Gemeinschaft (AOLG), Niedersächsischer Landesbetrieb für Wasserwirtschaft und Küstenschutz (NLWK) – Betriebsstelle Süd, Niedersächsisches Landesamt für Ökologie (NLÖ) – Dezernat Binnen fischerei, 16 S. Rathcke, P.-C. (2004): Überprüfung der Funktions fähigkeit des Mäanderfischpasses im Wasserkraftwerk Pfortmühle (Hameln). Stadt Hameln, 49 S. Rajaratnam, N. (1976): Turbulent Jets, Elsevier Science, 1976 Rodney, J. S. (1972): Flow Patterns in Lakes and Reservoirs – A theoretical and experi-mental study of several aspects of jet-forced reservoir circulations. University of London, Faculty of Engineering, London SRF (2018): Todesfallen für Fische – Sanierung der Kraftwerke kostet bis zu 5 Milliarden. Schweizer Radio und Fernsehen. https://www.srf.ch/news/schweiz/ todesfallen-fuer-fische-sanierung-der-kraftwerkekostet-bis-zu-5-milliarden-franken, Download am 21.06.2019 Waterstraat, A. (2005): Nachweis der Funktionsfähigkeit der Fischaufstiegshilfen Vorbeck/ Warnow, Rothen/ Mildenitz und Dobbertin/Mildenitz für Fische und Zoobenthos. Staatlichen Amt für Umwelt und Natur Schwerin, 33 S. Waterstraat, A., Renner, K., Blohm, J. (2007): Effizienzkontrolle am Mäanderfischpass Borkow in der Mildenitz (einschliesslich Zusatzuntersuchung am Mäanderfischpass Rothen). Staatliches Amt für Umwelt und Natur Schwerin, 30 S. Wieland, S., Nöthlich, I. (2003): Funktionskontrolle Mäanderfischpass Drakenburg/Weser. Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG), Auftraggeber: Wasser- und Schiffahrtsamt Verden, BfG-1400, 20 S. Wilmsmeier, L., Schölzel, N., Peter, A. (2018): Fischwanderung: Kontrollinstrument Zählbecken. Die unterschätzte Bedeutung der Reusenkehle. Bundesamt für Umwelt (BAFU), 48 S. Wolter, C., Menzel, R. (2011): Funktionsüberprüfung der Fischaufstiegsanlagen an den Havel-Staustufen

Brandenburg und Bahnitz. Wasser- und Schifffahrtsamt Brandenburg, 22 S. Zaugg, C., Dönni, W., Boller, L., Guthruf, J. (2017): Massnahmenumsetzung Sanierung Fischgängigkeit. Handbuch Wirkungskontrollen. Bundesamt für Umwelt (BAFU), 82 S. Zeh Weissmann, H., Könitzer, C., Bertiller, A. (2009): Strukturen der Fliessgewässer in der Schweiz. Zustand von Sohle, Ufer und Umland (Ökomorphologie); Ergebnisse der ökomorphologischen Kartierung. Stand: April 2009. BAFU, Umwelt-Zustand 0926, 100 S.

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7. Remerciements Les auteurs remercient Dr. Martin Henning (Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe), Dr. Carl Robert Kriewitz (BKW Energie AG, Berne) et Dr. Armin Peter (FishConsulting, Olten) pour les remarques et critiques constructives.

Auteurs: Dr.-Ing. Matthias Mende IUB Engineering AG, Belpstrasse 48, CH-3000 Bern 14, matthias.mende@iub-ag.ch Dr. sc. nat. ETH Werner Dönni Fischwerk, Neustadtstrasse 7, 6003 Luzern, werner.doenni@fischwerk.ch Dr.-Ing. Ulf Helbig Technische Universität Dresden/Fakultät, Bauingenieurwesen, Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik, D-01062 Dresden, ulf.helbig@tu-dresden.de Aurélie Koch IUB Engineering AG, Belpstrasse 48, CH-3000 Bern 14, aurelie.koch@iub-ag.ch Dr. sc. techn. ETH Michael Müller IUB Engineering AG, Belpstrasse 48, CH-3000 Bern 14, michael.müller@iub-ag.ch Vasco Neuhaus IUB Engineering AG, Belpstrasse 48, CH-3000 Bern 14, vasco.neuhaus@iub-ag.ch Prof. Dr.-Ing. Klaas Rathke Fachgebiet Hydraulik/Quantitative Wasserwirtschaft, Technische Hochschule Ostwestfalen-Lippe, FB 8 – Umweltingenieurwesen und Angewandte Informatik, An der Wilhelmshöhe 44, 37671 Höxter, klaas.rathke@th-owl.de

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Informationen aus der Wasser- und Energiewirtschaft

Politik Bundesrat: Revidiertes WRG per 1. Juli 2020 in Kraft gesetzt Die Bundesversammlung hatte am 20. Dezember 2019 eine Änderung des Was serrechtsgesetzes (WRG) beschlossen, mit welcher die parlamentarische Initia tive 16.452 Rösti «Ausbau der Wasser kraft zur Stromerzeugung und Strom speicherung. Anpassung der Umwelt verträglichkeitsprüfung» umgesetzt wird. Es wurde kein Referendum dagegen ergriffen. Die Gesetzesänderung schafft in den Konzessionserneuerungsverfahren von Wasserkraftwerken Rechtssicher heit bei der Festlegung von Schutz-, Wiederherstellungs- und Ersatzmass nahmen nach dem Natur- und Heimat schutzgesetz. Der Bundesrat hat das revidierte WRG per 1. Juli 2020 in Kraft gesetzt. Bei der Erneuerung einer Wasserrechts konzession von bestehenden Speicherund Laufkraftwerken mit einer installierten Leistung von mehr als 3 MW muss im Rahmen der Umweltverträglichkeitsprüfung auch der sogenannte «Ausgangszustand» dargestellt werden. Dieser dient als Re ferenz dafür, ob und in welchem Umfang Wiederherstellungs- und Ersatzmassnah men gemäss Natur- und Heimatschutz gesetz geleistet werden müssen. Im bisher geltenden Recht war nicht festgelegt, was unter dem Begriff «Aus gangszustand» zu verstehen ist. Dies führte in der Praxis immer wieder zu Unsicherheiten. Das ab dem 1. Juli 2020 geltende revidierte WRG legt mit dem neuen Art. 58a Abs. 5 den Ausgangszu stand nun eindeutig fest als Zustand zum Zeitpunkt der Einreichung des Konzes sionserneuerungsgesuchs (Ist-Zustand). Dies hat zur Folge, dass keine Wieder

herstellungs- und Ersatzmassnahmen für Eingriffe in schutzwürdige Lebensräume (Art. 18 Abs. 1ter NHG) geleistet werden müssen, die vor der aktuellen Konzessions erneuerung erfolgten. Mit der neuen Re gelung wird Rechtssicherheit geschaffen. Dies ist von grosser Bedeutung, da in den nächsten Jahrzehnten sehr viele Konzes sionserneuerungen für bestehende Wasser kraftwerke anstehen. Der Vollzug der neuen Regelung erfolgt im Rahmen der Konzessionserneue rungsverfahren von Wasserkraftwerken. Es ist keine Anpassung auf Verordnungs stufe notwendig. Die Regelung wird bei der nächsten Revision in das UVP-Hand buch (Richtlinie des Bundes für die Um weltverträglichkeitsprüfung) aufgenommen. (Der Bundesrat) Das Bundesamt für Energie hat zu den Auswirkungen der Gesetzesänderung auf Konzessionserneuerungen ein Fak tenblatt publiziert (vgl. dazu auch die Mitteilung auf www.swv.ch). UREK-S: Zum CO2 -Gesetz in grossen Teilen mit Nationalrat einig Die Kommission für Umwelt, Raum planung und Energie des Ständerates (UREK-S) hat in der Beratung einen grossen Teil der Differenzen in der Vor lage zur Totalrevision des CO2 -Gesetzes für die Zeit zwischen 2022 und 2030 (17.071) ausgeräumt. Zudem lehnt sie die Pa. Iv. 20.434 zur erneuten Änderung des Wasserrechtsgesetzes ab. Wichtige Etappe beim CO2 -Gesetz Bei der Beratung zum CO2 -Gesetz hat die UREK-S verschiedene Beschlüsse gefasst. So soll die Rückerstattung der Mineralöl steuer beim konzessionierten Verkehr entfallen: ab 2026 für Fahrzeuge im Ortsver kehr und ab 2030 für alle im konzessio-

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nierten Verkehr eingesetzten Fahrzeuge. Diese Mehreinnahmen des Bundes sollen zur Fördeurng alternativer Antriebe eingesetzt werden. Beim Klimafonds sollen die Sanktionen der Fahrzeugimporteure vollständig dafür eingesetzt werden, Klima schäden zu vermeiden oder zu vermin dern. Um den fluggebundenen CO2 -Ver brach zu reduzieren, unterstützt die Kom mission nicht nur eine Abgabe für Linienund Charterflüge, sondern auch für Privatund Geschäftsflüge. Nach Abschluss dieser zweiten Beratungsrunde ist die Kommission überzeugt, dass die Vorlage auf gutem Weg ist und die noch verbleibenden Differenzen zügig ausgeräumt werden können. Als Nächstes berät der Ständerat das CO2 Gesetz. Ablehnung erneute Änderung des Wasserrechtsgesetzes Bei der Vorprüfung der parlamentarischen Initiative 20.434 ihrer Schwesterkommis sion hat die Kommission mit 9 zu 4 Stim men beschlossen, keine Folge zu geben. Die Initiative fordert eine erneute Ände rung des Wasserrechtsgesetzes, damit bei der Erneuerung von Konzessionen zur Wasserkraftnutzung die Behörden Mass nahmen für die ökologische Aufwertung der beeinflussten Lebensräume verlangen können. Die Kommission ist überzeugt, dass mit den geltenden Auflagen für den Gewässerschutz und zum Schutz der Fische bereits hohe Anforderungen an die Konzessionäre gestellt werden. Weitere Vorschriften, die einen Einfluss auf Pro duktion und Kosten der Anlagen haben, könnten insbesondere das Ausbauziel für die Wasserkraft, das im Rahmen der En ergiestrategie 2050 gesteckt wurde, ge fährden. Die Kommission hat am 17. August 2020 unter dem Vorsitz von Ständerat Martin Schmid (FDP / GR) und teilweise in Anwe senheit von Bundespräsidentin Simonetta Sommaruga in Bern getagt. (UREK-S, Energate) 219

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Energiewirtschaft

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Gestiegener Bedarf für Marktprämien Grosswasserkraft Die Zahl der Gesuche für eine Markt prämie bei Grosswasserkraftwerken wie auch die beantragten Summen sind ge genüber dem Vorjahr gestiegen. Wie das Bundesamt für Energie (BFE) in seinem Magazin «energeia» schreibt, haben im Jahr 2020 23 Gesuchsteller für 33 unrentable Anlagen eine solche Prämie für das Geschäftsjahr 2019 beantragt. Vor Jahres frist wurden 17 Gesuche für 27 unrentable Grosswasserkraftwerke eingereicht. Auch die Summe der beantragten Prämien ist gestiegen, und zwar von 66 Mio. auf rund 86 Mio. Franken. Das hat laut BFE damit zu tun, dass im Geschäftsjahr 2019 die Markt preise im Durchschnitt deutlich tiefer lagen als 2018. Mehr Kraftwerke seien dadurch unter die Rentabilitätsschwelle gefallen. Das BFE wird die eingegangenen Ge suche nun zusammen mit der von ihm beauftragten Vollzugsstelle AFRY (ehemals AF-Consult) eingehend prüfen. Bis Mitte November 2020 wird das BFE die entsprechenden Verfügungen erlassen. (Energeia und Energate) Baustart für Solar-Grossanlage auf der Staumauer Albigna Mit über 1200 Photovoltaik-(PV-)Modulen realisiert ewz auf der Staumauer Albigna im Bergell eine PV-Anlage im hochalpinen Gebiet auf rund 2100 Metern über Meer. Im Mai 2018 wurde mit einigen wenigen PV-Panels ein Pilotprojekt

gestartet. Die Resultate waren positiv und die Produktion höher als erwartet. Nun wird die Staumauer auf der nach Süden ausgerichteten Wasserseite mit PV-Modulen ausgestattet. Mit diesem Projekt leistet ewz aktiv einen Beitrag zur Energiewende und zum Umwelt- und Klimaschutz. Mit den über 1200 PV-Modulen mit einer Gesamtleistung von 410 Kilowatt Peak (kWp) können pro Jahr rund 500 Mega wattstunden Naturstrom produziert werden. Dies entspricht dem jährlichen Strombe darf von ca. 210 Stadtzürcher Haushalten. Im Vergleich zu Anlagen im Mittelland ermöglichen hochalpine PV-Anlagen bessere Ertragswerte. Grund dafür sind die intensi vere Sonneneinstrahlung in diesen Höhen lagen sowie die reflektierende Schnee decke. Des Weiteren steigt die Effizienz von PV-Anlagen mit sinkenden Aussen- und somit Modultemperaturen. Rund die Hälfte der Stromproduktion der PV-Anlage wird im Winter anfallen. Die Anlage trägt somit zur Versorgungssicherheit im Winter bei. Die über 1200 PV-Module werden auf der Südseite der 600 Meter langen ewzStaumauer Albigna montiert. Am 7. April 2020 bewilligte die Bündner Gemeinde Bregaglia die Solaranlage. Der Bau hat im Juli 2020 begonnen. Beim Bau und Betrieb der Anlage können verschiedene Synergien genutzt werden. Der Netzanschluss bei der Stau mauer Albigna ist bereits vorhanden. Die Installationsarbeiten werden grösstenteils durch ewz-Mitarbeitende aus dem Bergell ausgeführt, die schon das Pilotprojekt ini tiiert haben. Die ganzjährige Verfügbarkeit von eigenem Personal vereinfacht zudem allfällige Wartungsarbeiten. (ewz)

Wasserkraftnutzung Gesamterneuerung des Wasser kraftwerks Robbia startet Repower plant in den nächsten drei Jah ren die grösste Erneuerungsinvestition in der Geschichte des Unternehmens. Das Wasserkraftwerk Robbia in der Valposchiavo wird von den Wasserfas sungen bis zum Auslauf komplett erneuert. Die Investitionen belaufen sich auf rund 125 Millionen Franken.

Druckleitung Balbalera, Steilstrecke mit Blick ins Puschlav (Foto: Repower). Die Vorbereitungsarbeiten für die Gesamt erneuerung des Wasserkraftwerks Robbia wurden Ende Juni gestart. Die Inbetrieb nahme des gesamterneuerten Wasser kraftwerks soll nach aktueller Planung Ende 2023 stattfinden. Insgesamt werden in die Erneuerung des Wasserkraftwerks Robbia rund 125 Millionen Franken investiert. Das Kraftwerk wurde vor über 100 Jahren gebaut und bezeichnete den Start der Wasserkraftnutzung der oberen Stufe im Puschlav. Nach Erweiterungen im Jahr 1921 sowie zwischen 1940 und 1945 wurde es später immer wieder revidiert und modernisiert. Um den langfristigen Weiter betrieb des Kraftwerks sicherstellen zu können, ist nun aber eine umfassende Er neuerung nötig. Damit sichert Repower die zuverlässige Stromproduktion in der Valposchiavo mit 100 Prozent erneuerba rer, heimischer Wasserkraft für zukünftige Generationen. Für detailliertere Informationen zur Ge samterneuerung des Kraftwerks Robbia siehe den publizierten Fachartikel in «Wasser Energie Luft», 111. Jahrgang, 2019, Heft 4, Seiten 229 – 234.

Bildmontage zur PV-Anlage auf der Staumauer Albigna (Quelle: ewz). 220

Die Erneuerung des Wasserkraftwerks Robbia ist ein wertvoller Beitrag an die

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Wasserkraft in Europa als Kata lysator für die Energiewende – die Konsultation für die Forschungsund Innovationsagenda und den strategischen Entwicklungsplan ist offen Im Rahmen von HYDROPOWER EUROPE (hydropower-europe.eu), einem von der EU finanzierten Projekt, wurde ein Forum gebildet, welches alle Akteure der Wasser kraft in Europe vereint. Seit letztem Jahr wurden mehrere Workshops durchgeführt, unter anderem am 11. und 12. September 2019 an der EPFL in Lausanne, mit dem Ziel, die Meinungen aller Akteure im Hinblick auf die Erarbeitung einer Forschungs- und Innovationsagenda (RIA) sowie eines stra tegischen Entwicklungsplans (SIR) zu sam meln. Die beiden Dokumente liegen nun zur Konsultation vor. Alle Akteure der Wasser kraft sind eingeladen zu diesen zwei wichtigen Dokumenten Stellung zu nehmen, welche die zukünftig zu unterstützenden Forschungs- und Innovationsrichtungen mit Prioritäten definieren sowie die strategische Entwicklung der Wasserkraft in Europa mit den dazu erforderlichen Akti vitäten umschreiben. Die Konsultation um fasst einen Fragenkatalog (Zeitaufwand 10 bis 20 Minuten), mit dem Sie die vorge schlagenen Forschungs- und Innovations richtungen und die strategischen Aktivitä ten bewerten und kommentieren können. Damit haben Sie die Möglichkeit, Ihre per sönliche Vision zur Wasserkraft in Europa einzubringen. Bitte schreiben Sie sich auf der Konsul tationsplattform ein, um an dieser wichtigen Konsultation teilzunehmen, Termin 31. Oktober 2020. • consultation.hydropower-europe.eu/ • consultation.hydropower-europe.eu/ hydropower-europe-consultationprogramme/2nd-wider-stakeholderconsultation/consultation

Prof. Dr. Anton Schleiss, Koordinator Hydropower Europe

Veranstaltungen

2. Tag • Ökologische Ansprüche • Erhaltungsmanagement • Gewässerunterhalt und Instandhaltung von Schutzbauten im Alltag • Besichtigung eines konkreten Wasser bauprojekts in der Region Für die Details siehe das Kursprogramm auf der Webseite: www.swv.ch Sprache Der Kurs wird auf Deutsch durchgeführt.

KOHS-Weiterbildungskurs 5. Serie, 6. Kurs Vorausschauende Entwicklung von Wasserbauprojekten Mittwoch / Donnerstag, 4. / 5. November 2020, Gais, Appenzell Ausserhoden

Die Kommission Hochwasserschutz (KOHS) des SWV führt zusammen mit dem Bundes amt für Umwelt (BAFU) diese fünfte Serie der erfolgreichen wasserbaulichen Weiter bildungskurse durch.

Kursunterlagen Die Kursunterlagen, bestehend aus Skript und Handout der Folien, werden zu Beginn des Kurses allen Teilnehmenden verteilt. Kosten Für Mitglieder des SWV gelten vergünstigte Tarife: • Mitglieder SWV: 650.– • Nichtmitglieder SWV: 750.– inkl. Kursunterlagen, Verpflegung 1. Tag Mittag und Abend sowie 2. Tag Mittag und Pausenkaffee, Transporte für die Exkursion; exkl. 7.7% MwSt. und allfällige Übernach tungskosten, Preise in CHF. Anmeldung Ab sofort über die Webseite des SWV: www.swv.ch. Die Zahl der Teilnehmenden ist auf 28 Personen limitiert; Berücksichti gung nach Eingang der Anmeldungen.

Zielpublikum Der Kurs richtet sich an aktive oder künftige Verantwortliche von wasserbaulichen Gesamtprojekten. Zielsetzung, Inhalt Der praxisorientierte, zweitägige Kurs soll einen fundierten Einblick in die verschie denen Aspekte der Entwicklung von Was serbauprojekten geben und dabei auch Verständnis für die heute notwendige Inter disziplinarität schaffen. Die Teilnehmen den wissen nach dem Kurs, wie man ein zukunftsfähiges Wasserbauprojekt entwickelt und haben dazu verschiedene Werk zeuge praxisnah kennengelernt. Zudem haben sie die Gelegenheit, sich an Work shops und der Exkursion mit ausgewie senen Fachleuten auszutauschen. Aus dem Inhalt 1. Tag: • Einführung und Übersicht • Erfolgsfaktoren für den Projektstart • Umfeld und Randbedingungen von Wasserbauprojekten • Workshop: Risikobasierte Planung von Wasserbauprojekten

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Fachtagung Wasserkraft 2020 / Journée Technique Force hydraulique 2020 Bau, Betrieb und Instandhaltung von Wasserkraftwerken IX / Construction, exploitation et entretien des centrales hydroélectriques IX Dienstag, 10. November 2020, Hotel Arte, Olten / Mardi, 10 novembre 2020, Hôtel Arte, Olten en auf

b Verscho 1 ber 202 m e v o 10. N

Die von der Kommission Hydrosuisse des SWV jährlich durchgeführte Fachtagung be zweckt den Austausch zu aktuellen techni schen Entwicklungen rund um die Wasser kraftnutzung und ist immer auch ein aus221

Nachrichten

En ergiestrategie 2050, die neben dem Ausbau der Wasserkraft auch den Erhalt der bestehenden Wasserkraftwerke zum Ziel hat. Mit dem Abschluss der Arbeiten kann die jährliche Stromproduktion um rund 10 Prozent auf ca. 120 GWh erhöht werden. Für die Gesamterneuerung wurde Repower vom Bundesamt für Energie ein Investitionsbeitrag für Grosswasserkraft werke zugesichert. (Repower)

Nachrichten

gezeichneter Treffpunkt der Fachwelt. / Sur l’initiative de la commission Hydrosuisse de l’ASAE, le symposium a pour objectif de faciliter les échanges en matière de déve loppements techniques actuels liés à l’uti lisation de l’énergie hydraulique. Zielpublikum / Publique cible Angesprochen werden insbesondere In genieure und technische Fachleute von Wasserkraftbetreibern, Beratungsbüros und der Zulieferindustrie. / Le symposium est destiné en particulier aux ingénieurs et aux spécialistes des exploitations hydrau liques, des bureaux de conseil et des ac tivités induites. Zielsetzung, Inhalt / But, contenu Die Fachtagung bezweckt den Austausch zu aktuellen Entwicklungen aus Forschung und Praxis in den Bereichen Wasserbau, Stahlwasserbau, Maschinenbau, Elektro technik sowie Projektvorbereitung und -abwicklung. Das detaillierte Tagungspro gramm ist diesem Heft als Flyer beigelegt bzw. kann der Webseite entnommen werden. Tagungssprachen sind Deutsch und Französisch. / Le symposium a pour ob jectif de faciliter les échanges en matière de développements techniques actuels liés à l’utilisation de l’énergie hydraulique. Pour les détails voir le programme adjoint dans la présente revue ou sur le site web. Kosten / Frais Für Einzelmitglieder und Vertreter von Kol lektivmitgliedern des SWV gelten vergüns tigte Tarife / Membres de l’ASAE profitent des tarifs préférentiels: • Mitglieder / Membres: 150.— • Nichtmitglieder / Non-membres: 230.– • Studierende / Etudiants: 75.– inkl. Mittagessen und Pausenkaffee; zzgl. MwSt., Preise in CHF / Sont inclus le repas de midi et les pauses, hors TVA, Prix en CHF.

Kommission KOHS des SWV mit BAFU www.swv.ch 4. / 5.11.2020, Gais / AR KOHS-Weiterbildungskurs Wasserbau 5.6: Vorausschauende Entwicklung von Wasserbauprojekten (d) Kommission KOHS des SWV mit BAFU www.swv.ch 19.11.2020, Visp / VS Workshop: Spülung und Entleerung von Stauhaltungen Schweizerisches Talsperrenkomitee www.swissdams.ch 1. – 3.12.2020, Zürich / ZH Powertage 2020: Ausstellungen und Foren zur Schweizer Strom wirtschaft (d / f) VSE, Electrosuisse, SWV, BFE www.powertage.ch 24. / 25.6.2021, Thun / BE KOHS-Wasserbautagung 2021: Umgang mit alternden Schutz systemen und -bauten (d / f) Kommission KOHS des SWV www.swv.ch 15 – 17.9.2021, Zürich / ZH VAW-Wasserbausymposium 2021: Wasserbau in Zeiten von Energiewende, Gewässerschutz und Klimawandel (d) VAW-ETH Zürich mit Unterstützung SWV www.swv.ch

Personen

burg. Zuvor hat er seine gesamte Karriere dem Wasser gewidmet. Nach seinem Ab schluss an der EPFL promovierte er im Be reich Hydrologie. Gleichzeitig absolvierte er eine Postgraduiertenausbildung in Hydro logie und Hydrogeologie. Von 2000 bis 2006 war er beim BAFU tätig, zuerst im Be reich Gewässerbeobachtung, später als Delegierter für den Wassersektor bei der Europäischen Umweltagentur. Wasser-Agenda 21 ist ein Forum und Netzwerk der Akteure der Schweizer Wasserwirtschaft. Das seit dem Jahre 2008 bestehende Netzwerk verbindet schweizweit tätige Organisationen aller Sektoren und Interessen. Der Schwei zerische Wasserwirtschaftsverband (SWV) ist Gründungsmitglied. Von 2007 bis 2016 leitete Christophe Joerin die Sektion Seen und Fliessgewässer des Kantons Freiburg, die u. a. für Hochwas ser schutz, Revitalisierung und Wasser kraft zuständig ist. Er trug massgeblich zur Einführung einer integralen Wassermana gementpolitik für den Kanton Freiburg bei. Zusätzlich zu seinen beruflichen Mandaten war er von 2014 bis 2016 Präsident der Schweizerischen Gesellschaft für Hydro logie und Limnologie und hatte Lehrauf träge an der EPFL und der Universität Lausanne inne. (WA21)

Publikationen Belastete Standorte und Ober flächengewässer – Vollzugshilfe

Christophe Joerin ist neuer Präsident von Wasser-Agenda 21

Agenda 23.9.2020, Dornbirn / AT RhV-Exkursion (anschl. GV): Physika lisches / hydraulisches Modell für das Hochwasserschutzprojekt Rhesi (d) Rheinverband, eine Verbandsgruppe des SWV www.swv.ch 15. / 16.10.2020, Serpiano / TI KOHS-Weiterbildungskurs Wasserbau 5.5: Vorausschauende Entwicklung von Wasserbauprojekten (i) 222

Der 50-jährige Christophe Joerin ist seit 2016 Mitglied im Vorstand von WasserAgenda 21 und hat am 1. Mai 2020 die Präsidentschaft übernommen. Er folgt auf Stephan Müller, BAFU, der diese Funktion während 12 Jahren mit grossem Engagement ausgeübt hat. Christophe Joerin ist seit 2016 Vorsteher des Amtes für Umwelt des Kantons Frei «Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 3, CH-5401 Baden

Les Barrages – Du projet à la mise en service

pement et de prospérité économiques. Ils ont pour rôle majeur de stocker les apports d’eau afin de répondre aux besoins vitaux et énergétiques des populations, de protéger celles-ci et les paysages contre les effets destructeurs de l’eau, enfin de servir de recours dans le cas de pénurie d’eau. L’objectif de ce livre, qui s’adresse principalement aux ingénieurs praticiens et aux étudiants de Master, est de présenter de manière claire les bases de conception et de dimensionnement qui régissent l’ingénierie des barrages. Il expose en détail un concept de sécurité basé sur trois piliers, les différents types de barrages en béton et en remblai, ainsi que leur impact sur l’environnement, l’étude des fondations et les modalités de surveillance et d’entretien. La matière est enrichie de nombreux exemples qui reflètent la compétence internationalement reconnue de l’ingénierie suisse en matière de conception de barrages. Le domaine des barrages étant en constante évolution, les auteurs ont profité de cette nouvelle édition pour étoffer les divers chapitres, en introduisant notamment les expériences et les développements les plus récents.

Zeitschriften «WasserWirtschaft» Themen in der Ausgabe 9 / 2020

Publication: Anton J. Schleiss et Henri Pougatsch. Les Barrages – Du projet à la mise en service. EPFL Press 2020, 800 pages, 19 × 24 cm, relié, ISBN 978-2-88915314-5, www.epflpress.org Description: Les barrages constituent l’une des réalisations les plus imposantes et les plus complexes du génie civil, et depuis toujours un facteur important de dévelop-

• Annika Schönfeld und Gabriele Demisch: Agiler Ansatz zur Entwicklung des Datenmanagements beim Ruhrverband • Benjamin Mewes, Henning Oppel, Gabriele Demisch und Annika Schönfeld: Bauwerksüberwachung 4.0 an der Ennepetalsperre mittels Big-Data-Analysen • Jörg Franke, Peter Kasper und Hendrik Kötting: Bewertung von Bauwerks messungen mit Business Intelligence und Visueller Analyse • Sebastian Weltmann: Daten übertragung von entfernten Messstellen mit LoRaWAN • Sebastian Kollar und Christian Malewski: Talsperren-MonitoringSystem, TAMIS • Andreas Bauer und Theodor Strobl: Staudamm Roßhaupten – vom auffälligen Messwert zur Großbaustelle • Axel Fabritius, Constantin Rupp, Andreas Bauer und Bernd KottkeWenzel: Neues faseroptisches

«Wasser Energie Luft» – 112. Jahrgang, 2020, Heft 3, CH-5401 Baden

Überwachungssystem am Damm Roßhaupten • Frederic Müller-Braune: Bauwerksinspektion mit Sonar und Laserscan – Beispiel Talsperre Cranzahl • Volker Bettzieche: Satellitenüber wachung der Verformungen von Staumauern und Staudämmen • Katja Last und Bernd Brenner: Manuelle Lotdrahtpositions bestimmung mittels LED-Pointer «Kleinwasserkraft» Themen in der Ausgabe 1 / 2020 • Franco Schlegel, Ingenieurbüro Schlegel GmbH: Innovative Kleinwasserkraft am Beispiel des EW Vilters-Wangs – Raffinierte Kombination mit Schwall-SunkSanierung • Markus Hintermann, Verwaltungsrats präsident KW Schanielabach AG: Luzein hat ein neues Wasserkraft werk – Komplexe Realisierung im Express-Tempo • Adrian Helbling, Ecoparts AG: PeltonTurbinenlaufrad aus dem 3-D-Drucker – Giessen und Fräsen waren einmal • Martin Bölli, Geschäftsleiter Swiss Small Hydro: Wie weiter mit den ehehaften Wasserrechten? – Streit um Auslegung des Bundesgerichts entscheids • Martin Bölli, Geschäftsleiter Swiss Small Hydro: Swiss Small Hydro Jahresbericht 2019 • Martin Bölli, Geschäftsleiter Swiss Small Hydro: Rücktritt von Präsident Jakob Büchler – Ein zuverlässiger Kapitän bei Sturm und Sonnenschein • Aline Choulot, Sekretariat Westschweiz Swiss Small Hydro: Ein ausdauernder Kämpfer: Nationalrat Benjamin Roduit – Wahlempfehlung für die Nachfolge von Jakob Büchler als Präsident von Swiss Small Hydro • Martin Bölli, Geschäftsleiter Swiss Small Hydro: Fachtagung Klein wasserkraft 2020 – Lehrreiche Vorträge, spannende Besichtigungen

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Nachrichten

Publikation: Juni 2020; Herausgeber: Bun des amt für Umwelt, BAFU; Reihe: Umwelt-Vollzug; Seiten: 59; Sprache: Deutsch; Nummer: UV-2015-D, Download: www.bafu.admin.ch Beschrieb: In der Schweiz befindet sich rund ein Fünftel aller ca. 38 000 belasteten Standorte in unmittelbarer Nähe eines Oberflächengewässers. Einige dieser Stand orte liegen über einem eingedolten Fliess gewässer, andere sogar ganz oder teilweise innerhalb eines Oberflächengewässers. Die Bearbeitung von belasteten Standorten im Zusammenhang mit dem sehr komplexen und dynamischen Schutzgut Ober flächen gewässer ist anspruchsvoll: So weisen insbesondere die Untersuchung dieser belasteten Standorte, ihre Gefähr dungsabschätzung oder auch die Festle gung der allfälligen Sanierungsziele spezifische Schwierigkeiten auf. Überdies sind dabei immer mehrere Fach- und Rechts bereiche betroffen – so insbesondere Alt lasten, Gewässerschutz, Revitalisierung oder Hochwasserschutz – was eine eng koordinierte Zusammenarbeit unerlässlich macht. Die vorliegende Vollzugshilfe soll eine Übersicht über die Thematik bieten und eine praktisch anwendbare Hilfestellung für den Altlastenvollzug im Zusammen hang mit Oberflächengewässern leisten.

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Repower: Dienstleistungen vom EVU fürs EVU

Die Anforderungen der Energiestrategie 2050, sich stets ändernde gesetzliche Vor schriften und neue technologische Ent wicklungen stellen für Energieversorgungs unternehmen (EVU) und Infrastrukturbe treiber grosse Herausforderungen dar. Pro duktions- und Netzanlagen wollen sinnvoll erneuert, erweitert oder gar neu gebaut werden. Der Betrieb und die Bewirtschaf tung von Anlagen muss möglichst effizient und kostengünstig, aber auch sicher und zuverlässig sein. Seien es technologische, finanzielle oder rechtliche Aspekte – es gilt, unzählige Lösungen zu finden und Hürden zu überwinden. Aufgrund dieser Ausgangs lage beschäftigt sich Repower intensiv mit der Frage, wie sie ihre eigene Arbeit effizient gestalten und die Assets optimal bewirtschaften kann. Das hat zu einer Reihe

von Lösungen geführt, die sie als Service Provider auch Dritten – ganz nach dem Prinzip «vom EVU fürs EVU» – anbietet. Auch Infrastrukturbetreiber und Hersteller profitieren von diesen Dienstleistungen. Die Grundidee dahinter: Was wir für uns machen, stellen wir auch anderen Unter nehmen sehr gerne zur Verfügung. Mehr als 100 Jahre Erfahrung Repower hat dank ihrer über 100-jährigen Tätigkeit in der Energiebranche die nötige Erfahrung und ein fundiertes Fachwissen zur Erbringung von Dienstleistungen für EVU und Infrastrukturbetreiber. Sie baut und betreibt Kraftwerke und Netze in der Südostschweiz, sie hat Erfahrungen in of fe nen Märkten und im internationalen Grosshandel und sie bedient Endkunden

mit Strom und anderen Produkten. Als EVU kennt sie die Herausforderungen der Energiestrategie 2050 und hält sich stets auf dem neusten technischen und gesetzgeberischen Stand. Dank dieser Expertise und kompetenten Mitarbeitenden in allen Fachbe reichen ist sie eine verlässliche Partnerin beim Um-, Aus- oder Neubau von Anlagen sowie bei deren Betrieb und Bewirtschaftung. Repower ist in der Lage, entlang dem Auftragsfluss Planung – Ausführung – Be trieb – Bewirtschaftung alles aus einer Hand anzubieten. Alternativ können die Kunden punktuelle Dienstleistungen ganz nach ihrem Bedarf beziehen, sodass sie keine eigenen grossen Investitionen in Per sonal, Maschinen oder Software tätigen müssen.

Ob Bau, Betrieb oder Bewirtschaftung: Repower bietet Dienstleistungen gemäss den Bedürfnissen der Kunden an. 224

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Ausführung Nach der Planung geht es an die konkrete Umsetzung des Projekts. Repower führt Bauarbeiten aus, übernimmt die Baulei tung, pflegt Kontakte mit den Behörden, überwacht, inspiziert und wartet Anlagen gemäss den Anforderungen des Auftrag gebers. Weiter führt Repower auch das Pikettmanagement in ihrem Diens tleis tungsangebot und kümmert sich wenn erwünscht um die Logistik (Lieferantenmana gement, Materiallagerung und -entsorgung, Baustellenlogistik, Flottenmanagement). Auch hier gilt: Das EVU entscheidet, was

Über Repower Repower ist ein Vertriebs- und Dienst leistungsunternehmen im Energiebe reich mit über 100-jähriger Erfahrung. Die Schlüsselmärkte sind die Schweiz (inkl. Originationgeschäft in Deutsch land) und Italien. Der Hauptsitz befindet sich in Poschiavo (Graubünden), zudem hat Repower weitere Nieder lassungen in der Schweiz und Italien. Die Gruppe ist von der Produktion über den Handel bis zur Verteilung und zum Vertrieb auf der ganzen Strom-Wert schöpfungskette sowie zusätzlich im Gasgeschäft tätig. Ihre Expertise bietet sie in Form von Dienstleistungen auch EVU und Infrastrukturbetreibern an. Die Repower-Gruppe beschäftigt knapp 600 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. Dazu kommen rund 30 Lernende in der Schweiz sowie etwa 600 Vertriebsbe rater in Italien.

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Planung Repower erstellt im Auftrag Vor-, Auflageund Bauprojekte für Produktionsanlagen, Unterwerke, Trafostationen, Kabelanlagen und Hausanschlüsse. Dabei kann sie auf ihr Know-how in den Bereichen Bautechnik, Hochspannungs-, Mittelspannungs- und Niederspannungstechnik, Elektromechanik, Mechanik, Schutz- und Leittechnik sowie Kommunikationstechnik zurückgreifen. Repower plant sowohl Gesamtanlagen als auch Einzelkomponenten für Neuanlagen, aber auch Erweiterungen, Anpassungen und Anlagenoptimierungen. Die Planung einer Anlage beinhaltet auch die Beglei tung des Auftraggebers im Bewilligungs verfahren, bei Ausschreibungen und Sub missionen. Weiter gehören dazu die Er fassung von Daten, das Erstellen von Netzund Schutzkonzepten, Kostenschätzungen, Umweltschutzbelange sowie die Sicher heit und Zertifizierungen.

Hand in Hand arbeiten. Repower strebt bei der Erbringung von Dienstleistungen Partnerschaften auf Augenhöhe an. es an Repower abgibt und was es selbst in die Hand nimmt. Betrieb Die Unterstützung von Repower beim Be trieb von Anlagen reicht von der Betriebs planung (Erstellen von Abstellplänen und Schaltprogrammen) über die Steuerung und die Überwachung bis hin zum Stö rungsmanagement. Das Betriebsdatenma nagement (Verwalten von Betriebsdaten, Erstellen von Statistiken, Berechnung von Lastflüssen und Kurzschlussströmen) ist ebenfalls Bestandteil des Repower-Ange bots. Bei Bedarf integriert Repower die An lage in bestehende Leitsysteme, wodurch zentrale Infrastruktur eingespart wird. Bewirtschaftung Wer das Maximum aus einer Anlage und / oder Portfolio herausholen will, muss sie möglichst effizient und gewinnbringend be wirtschaften. Repower bietet dazu Hand: Sie stellt mit ENERGYSPACE eine Plattform für das Portfoliomanagement zur Verfü gung. Ausserdem schafft sie für ihre EVUund Infrastruktur-Kunden einen Grosshan delsmarktzugang, bewirtschaftet Konzes sionsenergie und Flexibilitäten, kümmert sich um die Direktvermarktung, Grenz kapazitäten und die REMIT-Meldung. Wenn erwünscht, können die Kunden auch am

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Repower-Bilanzgruppenmodell teilnehmen. Das Energieunternehmen bietet die struktu rierte Vollversorgung und Post-SchedulingOptimierungen an und gibt den Kunden 100 Prozent der Verschachtelung weiter. Repower legt bei der Erbringung von Dienstleistungen viel Wert darauf, im Hinter grund zu bleiben, sodass der Kunde jeder zeit die Kontrolle behält. Diese Vorgehens weise ermöglicht es auch, auf spezifische Bedürfnisse einzugehen und gemeinsam mit dem Kunden massgeschneiderte Lö sungen zu finden. Dank der Unterstützung von Repower können sich die Kunden zudem voll und ganz auf ihr Kerngeschäft fokussieren. Detaillierte Informationen zum Dienstleistungsangebot von Repower sind auf repower.com/energieversorger zu finden.

Repower AG Via da Clalt 12 7742 Poschiavo T +41 81 839 7111 www.repower.com 225

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Gewässerentwicklung

Entwicklungsziele und Initiierung Unterhaltskonzepte und Pflegepläne Erfolgskontrolle und Monitoring

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Begleitplanungen

Herausgeber / Editeur Schweizerischer Wasserwirtschaftsverband (SWV) / Association suisse pour l’aménagement des eaux (ASAE)

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Redaktionsleitung / Direction de la rédaction Roger Pfammatter (Pfa), roger.pfammatter@swv.ch Layout, Anzeigen, Redaktion / Mise en page, annonce, rédaction Mathias Mäder (Mmd), mathias.maeder@swv.ch ISSN 0377-905X

Preise / Prix Jahresabonnement CHF 120.–, zzgl. MwSt.; für das Ausland CHF 140.–; Einzelpreis Heft, CHF 30.–, zzgl. MwSt. und Porto; Erscheint 4 × pro Jahr. / Abonnement annuel CHF 120.–, plus TVA; pour l’étranger CHF 140.–; Prix au numéro: CHF 30.–, plus TVA et frais de port; paraît 4 fois par an. «Wasser Energie Luft» ist offizielles Organ des SWV und seiner Gruppen: / «Eau énergie air» est l’organe officiel de publication de l’ASAE est ses groupes régionaux: Associazione Ticinese di Economia delle Acque (ATEA), Verband Aare-Rheinwerke (VAR), Rheinverband (RhV).

Wir arbeiten in einem interdisziplinären Team aus Kulturingenieuren, Landschaftsarchitekten und Umweltfachleuten. Mit über 30 Jahren Erfahrung bieten wir ihnen kreative und nachhaltige Lösungen.

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Die publizierten Beiträge geben die Meinung der jeweiligen Autoren wieder. Diese muss sich nicht mit derjenigen der Redaktion oder der Verbände decken. / Les articles publiés reflètent les avis des auteurs et ne correspondent pas forcément à ceux de la rédaction ou des associations. Druck, Lektorat / Production, Correction Effingermedien AG, CH-5201 Brugg

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