Grundlagen der Wasserwirtschaft
1. Was ist Wasserwirtschaft?
Sie liefert Bemessungsgrößen, nach denen wasserbauliche Anlagen oder Gestaltungen geplant und ausgeführt werden. Der Bereich Wasserwirtschaft ist somit eng mit dem Wasserbau verknüpft.
Werden wasserwirtschaftliche Zahlenwerke in konkrete Maßnahmen vor Ort umgesetzt, spricht man vom Wasserbau. Ein Teilgebiet ist der konstruktive Wasserbau, der unter anderem Segmente wie Wasserkraftanlagen, Verkehrswasserbau, Hochwasser- sowie Küstenschutz, Anlagen der Wasserversorgung und Abwasserentsorgung sowie den Flussbau abdeckt.
2. Zielsetzungen des Wasserbaus
Bis zu den 1980er Jahren waren der Bau und die Gestaltung von wasserbaulichen Anlagen fast ausschließlich von Kostenüberlegungen und Nutzungsansprüchen geprägt. Seitdem ist eine voranschreitende Ökologisierung der entsprechenden Fachgesetze (z. B. Bundesnaturschutzgesetz, Wasserhaushaltsgesetz) klar erkennbar. Dies ist vor allem auf das zunehmende Umweltbewusstsein der Bevölkerung und immer deutlicher erkennbaren Umweltsünden zurückzuführen.
Die Gewässer werden mittlerweile sehr viel intensiver als naturschutzfachlich wertvoller Lebensraum wahrgenommen und dementsprechend gesetzlich geschützt. Diese Neuerungen erfordern ein Umdenken, das nicht nur die sicherheitstechnischen und nutzungsbedingten Anforderungen erfüllt, sondern auch ökologisch verträglich ist. Fehlentwicklungen sollen korrigiert und die Gewässer in Richtung eines guten ökologischen Zustands entwickelt werden.
Einige Arbeitsschwerpunkte im heutigen Wasserbau:
- Die Wiederherstellung der Durchgängigkeit der Fließgewässer
- Die naturraumtypische Gestaltung der Fließgewässer (naturnaher Wasserbau, Verbesserung der Gewässerstruktur)
- Der nachhaltige Hochwasserschutz
- Die Ausweisung von Gewässerrandstreifen
- Der Arten- und Biotopschutz sowie Biotopvernetzung
- Der ökologische Fließgewässerunterhalt
- Die umweltverträgliche Gestaltung der Nutzungen an den Fließgewässern und in den Auen
Heute können, im Gegensatz zu früher, wasserbauliche Planungen nicht mehr ohne Weiteres realisiert werden, wenn ökologische Belange den Planungen entgegenstehen. Somit sind die Beteiligung der Bevölkerung und interdisziplinäres Arbeiten wichtige Bestandteile eines jeden Projekts. Es ist jedoch schon vielfach gezeigt worden, dass es möglich ist, wasserbauliche Gestaltungen und ökologische Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen.
3. Teilgebiete des Wasserbaus
Der Wasserbau gehört zum Bauingenieurwesen und beschäftigt sich vor allem mit dem Bau von wasserbaulichen Anlagen sowie mit Ausbau- und Unterhaltsmaßnahmen an Gewässern. Dies betrifft sowohl stehende als auch fließende Gewässern, von Binnen- bis hin zu Küstengewässern.
Üblicherweise werden die Teilgebiete des Wasserbaus nach den Funktionen der Bauwerke bzw. Anlagen wie folgt gegliedert:
- Wasserversorgung
- Abwasserentsorgung
- Be- und Entwässerung
- Wasserkraftanlagen
- Schifffahrt
- Küsteningenieurwesen
- Ausbau von Fließgewässern
- Unterhaltung von Fließgewässern
Dabei ist es in der Praxis oft nicht möglich, die Teilgebiete trennscharf voneinander abzugrenzen. Ein wasserbauliches Großprojekt umfasst in der Regel mehrere Arbeitsgebiete wie folgendes Beispiel zeigt: eine Stauanlage mit integrierter Schleuse für die Schifffahrt, die gleichzeitig der Überleitung von Wasser in ein anderes Einzugsgebiet und zusätzlich der Speicherung von Wasser aus Hochwasserschutzgründen dient.
4. Hydrologische Grundlagen
Hydrologische Größen sind wichtige Eingangsgrößen bei wasserbaulichen Planungen. Die benötigten Eingangswerte sind jedoch sehr unterschiedlich und abhängig von der Aufgabenstellung und Detaillierung. Die Wasserhaushaltsgleichung beschreibt mit einigen Hauptparametern wie Verdunstung, Niederschlag und Abfluss den Wasserkreislauf und gibt unter anderem einen Überblick über die Wasserverfügbarkeit. Die verwendeten Parameter sind für die Bestimmung des Wasserabflusses in Fließgewässern bedeutsame Eingangsgrößen.
4.1 Fakten zum Wasservorkommen
- Das Gesamtwasservolumen der Erde beträgt etwa 1,384 Mio. km³ (100 %).
- Der Anteil des Salzwassers in den Weltmeeren beträgt etwa 96,5 % des Gesamtwasservolumens.
- Die restlichen 3,5 % (etwa 35 Mio. km³) sind Süß- oder Frischwasser.
- Etwa 24,4 Mio. km³ des Süß- oder Frischwassers sind in Gletschern, Polareis und Meereis gebunden.
- Die restlichen 10,6 Mio. km³ kommen auf den Landflächen der Erde in Süßwasserseen, im Grundwasser, als Bodenfeuchte, in Flüssen, im Boden, in der Atmosphäre und in Organismen vor.
4.2 Wasserhaushaltsgleichung
Der Wasserkreislauf lässt sich in zwei Phasen aufteilen. Sowohl in der Meer- als auch in der Landphase verdunstet Wasser und wird als Wasserdampf von den Winden verfrachtet. Anschließend erreicht es als Regen oder Schnee wieder die Erdoberfläche. Für das Leben auf dem Land ist es essenziell, dass sich über dem Meer weniger Wasser niederschlägt als dort verdunstet. Ausgeglichen wird es durch das Mehr an Niederschlag über dem Land, das dort die Schneefelder, Gletscher, Bäche, Flüsse, Seen und das Grundwasservorkommen nährt.
Die Wasserhaushaltsgleichung der Wasserbilanz lässt sich in folgender Form beschreiben:
N Niederschlag in E während T [m³]
A Abfluss aus E während T (oberirdisch Ao, unterirdisch Au) [m³]
V Verdunstung in E während T [m³]
R Rückhalt (Retention) in E während T (oberirdisch als Schnee, Eis oder Wasser, sowie unterirdisch im Grundwasserleiter) [m³]
Möchte man den Niederschlag als Quotienten pro Zeiteinheit T ausdrücken, ergibt sich folgende Formel:
E Größe Einzugsgebiets [ha;km²]
T Dauer des Niederschlags [min; h; d; a]
Formuliert man die Wasserhaushaltsgleichung nun dementsprechend um, ergibt sich mit
hN N/E Niederschlagshöhe in E während T [mm]
hA A/E Abflusshöhe in E während T [mm]
hV V/E Verdunstungshöhe in E während T [mm]
hR R/E Rückhalt in E während T [mm]
folgende Formel:
Zu berücksichtigen ist jedoch, dass der Wasserrückhalt R in direkter Verbindung mit der Niederschlagsdauer T steht. Wird diese lange genug gewählt, kann R vernachlässigt werden, da der sich im Winter bildende Schneerückhalt durch das Abschmelzen im Sommer ausgleicht.
Dementsprechend erscheint der Rückhalt in der Wasserhaushaltsgleichung nicht in einer Jahresbilanz, sondern nur bei einer täglichen, wöchentlichen oder monatlichen Bilanzierung.
Daraus folgt für die Wasserhaushaltsgleichung:
oder
4.3 Abflusskoeffizient
Der Abflusskoeffizient α= A/N = hA /hN gibt an, welcher Anteil der Niederschläge zum Abfluss gelangt. Dabei hängt er von einigen Parametern ab, vor allem aber von den Niederschlägen und der Beschaffenheit des Einzugsgebiets (u. a. Vegetation, Topografie, Durchlässigkeit).
In der Regel steigt der Abflusskoeffizient mit der Höhe der Niederschläge, wie in folgender Abbildung zu sehen.
5. Wasserkraft
Bis vor rund 70 Jahren herrschte der große Wasserkraft-Boom. In den 1950er und 1960er Jahren wurden zahlreiche der großen Speicherkraftwerke in den Alpen gebaut. Das Aufkommen der Nuklearenergie drängte die Wasserkraft jedoch aus dem Fokus des Interesses. Viele prophezeiten sogar das Ende dieser Technologie und damit des Verbaus weiterer Flüsse für die Wasserkraft. Die ersten Reaktorunfälle brachten die Atomkraftwerke vermehrt in die Kritik. Das sorgte für ein erneutes Aufblühen der Wasserkraft.
Die stark steigende Preisentwicklung an den europäischen Strombörsen – beginnend mit dem Milleniumswechsel – beflügelte die Wasserkraft erneut. In diese Zeit fielen nicht nur Bauentscheide, sondern teils auch die Realisierungen großer Pumpspeicherwerke in den Alpen (wie z. B. das Kopswerk II, die Kraftwerke Linth-Limmern und seit 2008 das Pumpspeicherkraftwerk Nant de Drance).
Auch wenn der Mensch die Wasserkraft schon seit über 2000 Jahren nutzt, sind vor allem die letzten 100 Jahre von vielen Tiefs und Hochs geprägt. Die zyklische Entwicklung und die aktuellen Stromrekordpreise geben Anlass zur Erwartung einer weiteren Blütezeit für die Wasserkraft.
5.1 Stromerzeugung aus Wasserkraft
Um die im Wasser gespeicherte potenzielle und kinetische Energie zur Bereitstellung mechanischer / elektrischer Energie nutzbar zu machen, werden Lauf- und Speicherwasserkraftanlagen eingesetzt.
Mit folgender Formel lässt sich die insgesamt vorhandene potenzielle Energie „EPot“ eines Wasserkraftanlagenstandorts berechnen:
geodätische Höhe des Oberwasserspiegels (z. B. Wasserspiegel eines Speichersees)
technisch verfügbare Wassermasse
Gravitationskonstante gemäß der oben genannten Gleichung
Um nun die theoretisch insgesamt nutzbare potenzielle Energie „EPot,n“ des Wassers an einem bestimmten Standort zu berechnen, muss von der Höhe des Oberwasserspiegels noch die Höhe des Unterwasserspiegels abgezogen werden. Daraus ergibt sich folgende Gleichung:
Die kinetische Energie einer strömenden Wassermasse mWa mit der Geschwindigkeit des Oberwassers vWa,OW berechnet sich wie folgt:
Um diese Energien in einer Wasserkraftanlage in Strom umzuwandeln, ist im einfachsten Falle folgendes notwendig: ein Absperrbauwerk (z. B. Staumauer, Staudamm, Wehr), das das Wasser zu einem Wassereinlauf lenkt, sowie ein entsprechender Wasserauslauf. Außerdem werden eine Reihe von elektronischen Anlagenkomponenten bzw. Einrichtungen benötigt, unter anderem eine oder mehrere Turbinen mit den jeweils zugehörigen Generatoren. Damit genügend elektrische Energie aus der Wasserkraft bereitgestellt werden kann, ist eine ausreichend große Fallhöhe erforderlich (vertikale Differenz zwischen zwei Wasserspiegellagen).
An der eigentlichen Energieumwandlung in solch einer Wasserkraftanlage sind im Wesentlichen jedoch nur zwei Komponenten beteiligt. Zum einen die Turbine, welche dem Wasser die Druck- und kinetische Energie entzieht und in mechanische Energie umwandelt, und zum anderen der Generator, durch den die weitere Umwandlung der mechanischen in elektrische Energie erfolgt.
Je nach Anlagenkonfiguration kann es sein, dass die beiden Komponenten nicht auf einer Achse liegen und ihre Drehzahlen somit voneinander abweichen. In diesem Fall ist ein Getriebe notwendig.
1 & 2: Im Einlaufbauwerk findet bereits eine teilweise Umwandlung der potenziellen Energie, welche aus dem Oberwasser zufließt, in kinetische Energie statt. Aufgrund des Strömungswiderstandes am Rechen und der Einlaufverluste, geht hier ein Teil der insgesamt theoretisch nutzbaren Energie verloren.
2 & 3: Durch die Druckrohrleitung wird das Wasser vom Einlaufbauwerk zur Turbine geleitet. Dabei findet eine Umwandlung von potenzieller in kinetische und Druckenergie statt. Aufgrund der Rohrreibung treten auch hier Energieverluste auf.
3 & 4: In der Turbine wird die Druckenergie in mechanische bzw. kinetische Energie umgewandelt.
5: Hier tritt das Triebwasser ins Unterwasser ein und verliert die noch vorhandene kinetische Energie durch Verwirbelungen.
Quellenverzeichnis des Artikels
Abb. 1.0: Heinz Patt, Jürg Speerli, Peter Gonsowski: Wasserbau Grundlagen, Gestaltung von wasserbaulichen Bauwerken und Anlagen 8., vollst. überarb. Aufl. 2021
Abb. 2.0: Heinz Patt, Jürg Speerli, Peter Gonsowski: Wasserbau Grundlagen, Gestaltung von wasserbaulichen Bauwerken und Anlagen 8., vollst. überarb. Aufl. 2021
Abb. 3.0: Schröder, W., Euler, G., Schneider, K.: Grundlagen des Wasserbaus, 4. Aufl. Werner, Düsseldorf (1999)
Heinz Patt, Jürg Speerli, Peter Gonsowski: Wasserbau Grundlagen, Gestaltung von wasserbaulichen Bauwerken und Anlagen 8., vollst. überarb. Aufl. 2021
Markus Aufeger, Franz Joos, Klaus Jorde, Martin Kaltschmitt, Anne Rödl, Michael Schlüter und Lucas Sens: Stromerzeugung aus Wasserkraft
