Modell zur Regulierung des Sauerstoffhaushaltes in Fließgewässern durch Wasserkraftanlagen:
Gespeichert in:
1. Verfasser: | |
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Format: | Buch |
Sprache: | German |
Veröffentlicht: |
Kassel
Univ., Fachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft
2000
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Schriftenreihe: | Wasserbau Kassel / Reihe Mitteilungen
10 |
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adam_text | Titel: Modell zur Regulierung des Sauerstoffhaushaltes in Fließgewässern durch Wasserkraftanlagen
Autor: Rösch, Thomas
Jahr: 2000
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis VIII
Tabellenverzeichnis X
Nomenklatur X!
I English summary XV
1.1 Abstract.......................................XV
1.2 Introduction.....................................XV
1.3 Oxygen problems..................................XVI
1.3.1 Oxygen problems in reservoirs......................XVI
1.3.2 Oxygen problems in rivers.........................XVII
1.4 Rearation by auto vented turbines ........................XVIII
1.5 Results measured / calculated ..........................XIX
1.6 Etfect of turbine venting on supersaturation...................XXII
1.7 Economical aspects of turbine venting......................XXII
1.8 Increase of oxygen transfer............................XXIII
1.9 Conclusions.....................................XXIII
1 Einleitung 1
1.1 Problemstellung .................................. 1
1.2 Stand der Forschung................................ 2
1.3 Zielsetzung der Arbeit............................... 5
2 Grundlagen und Begriffe 8
2.1 Allgemeine Begriffsdefinitionen.......................... 8
2.2 Der Sauerstoffhaushalt im Gewässer....................... 10
2.2.1 Sauerstoffzehrende Faktoren....................... 10
2.2.2 Biogene Sauerstoffproduktion....................... 11
2.2.3 Physikalischer Sauerstoffeintrag ..................... 12
2.2.4 Charakteristische Sauerstoffsituation im Fließgewässer........ 12
2.2.5 Charakteristische Sauerstoffsituation im stehenden Gewässer .... 13
2.3 Auswirkungen der Sauerstoffsättigung...................... 14
2.3.1 Untersättigung............................... 14
2.3.2 Übersättigung................................ 14
IV
Inhaltsverzeichnis
2.4 Technische Verfahren zur Sauerstoffregulation ................. 15
2.4.1 Wehrüberfälle und Kaskaden....................... 16
2.4.2 Einblasverfahren.............................. 16
2.4.3 Turbinen................................... 17
2.4.4 Sonstige Verfahren............................. 19
2.5 Grundlagen des Stoffüberganges......................... 19
2.5.1 Löslichkeit in Wasser............................ 19
2.5.2 Stofftransport durch Konvektion...................... 22
2.5.3 Stofftransport durch Diffusion....................... 22
2.5.4 Stoffübergang über die Phasengrenze.................. 23
2.5.5 Einfluß von Wasserinhaltsstoffen..................... 26
3 Beschreibung der untersuchten Anlagen 27
3.1 Twistetalsperre................................... 27
3.1.1 Charakteristik des Stausees ....................... 27
3.1.2 Wasserkraftanlage............................. 29
3.1.3 Betriebsweise................................ 30
3.2 Edertalsperre/Hemfurth/Affolderner See..................... 30
3.2.1 Charakteristik des Ederstausees..................... 33
3.2.2 Charakteristik des Affolderner Sees ................... 34
3.2.3 Wasserkraftanlagen............................ 34
3.3 Wahnhausen.................................... 36
3.3.1 Charakteristik der Staustufe........................ 36
3.3.2 Wasserkraftanlage............................. 38
3.3.3 Betriebsweise................................ 38
3.3.4 Gewässergütemeßstation......................... 39
3.3.5 Sauerstoffsituation der Fulda....................... 39
V
Inhaltsverzeichnis
4 Meßmethoden 42
4.1 Ailgemeines..................................... 42
4.2 Parameter und Methoden............................. 42
4.3 Meßgeräte ..................................... 43
4.3.1 Sauerstoff-, pH-Wert-und Leitfähigkeitsmeßgerät ........... 43
4.3.2 Tiefenmesser................................ 44
4.3.3 Datalogger und Meßwerterfassung.................... 45
4.3.4 Volumenstrommessungen......................... 45
4.4 Durchführung der Messungen........................... 46
4.4.1 Twistetalsperre............................... 46
4.4.2 Edertalsperre/Hemfurth/Affolderner See................. 48
4.4.3 Wahnhausen................................ 49
5 Strömungsmodell für Saugrohre 51
5.1 Allgemeine Annahmen............................... 51
5.2 Bestimmung der charakteristischen Turbulenzgeschwindigkeit ........ 52
5.2.1 Berechnung der Schubspannungsverteilung............... 53
5.2.2 Berücksichtigung von Drall ........................ 58
5.3 Bestimmung des charakteristischen turbulenten Makrolängenmaßes..... 60
5.4 Dissipation . . . .•................................. 61
6 Stoffübergangsberechnungen 62
6.1 Allgemeine Annahmen............................... 62
6.2 Massen- und Volumenströme........................... 62
6.2.1 Turbinendurchfluß ............................. 63
6.2.2 Luftvoiumenstrom Twisteseeanlage ................... 63
6.2.3 Luftvolumenstrom Hemfurth........................ 64
6.2.4 Form der Zweiphasenströmung...................... 68
6.3 Modell des volumetrischen Stoffübergangskoeffizienten............ 68
6.4 Stoffübergang in turbulenter Strömung...................... 73
6.4.1 Allgemeines/Einführung.......................... 73
6.4.2 Berechnung der Stoffaustauschfläche.................. 74
6.4.3 Stoffübergangskoeffizient nach Theofanous et al............. 78
6.4.4 Stoffübergangskoeffizient nach Köhler ................. 78
6.4.5 Stoffübergangskoeffizient nach Sujatha et al............... 79
6.4.6 Druckkorrektur des Gleichgewichtszustandes ............. 80
VI
Inhaltsverzeichnis
7 Vergleich Messung - Modellergebnisse 81
7.1 Twistetalsperre................................... 81
7.1.1 Stoffübergang ............................... 81
7.1.2 Sauerstoffausbreitung........................... 92
7.2 Edertalsperre.................................... 93
7.2.1 Stoffübergang ............................... 93
7.2.2 Sauerstoffausbreitung........................... 102
7.3 Schlußfolgerungen aus dem Vergleich...................... 103
8 Wirtschaftlichkeitsuntersuchung 106
8.1 Vergleich mit anderen Verfahren .........................106
8.2 Untersuchung zur Wirtschaftlichkeit an der Twistetaisperre...........108
9 Empfehlungen für Anlagenbetreiber 111
9.1 Turbinenbelüftung bei Übersättigung.......................111
9.2 Ergebnisse einer Umfrage zu Erfahrungen mit Belüftungseinrichtungen ... 112
9.3 Empfehlungen aus dieser Arbeit .........................113
9.3.1 Möglichkeiten zur Verbesserung der Austauschleistung ........113
9.3.2 Nachrüstung einer Belüftungseinrichtung ................115
10 Zusammenfassung und Ausblick 117
11 Literaturverzeichnis 120
Anzeigen 129
Publikationen des Fachgebietes Wasserbau und Wasserwirtschaft 130
VII
Abbildungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
I Depth-profiles of oxygen-saturation and temperature of reservoir Edersee . . XVI
II Measured vs. calculated data at reservoir Twiste (top) and Edersee (bottom) XX
III Oxygen levels in the downstream branch of the Twiste with / without aeration XXI
IV Possible improvements by turbine aeration at supersaturated condition .... XXIII
1 Turbinenbelüftung nach Wagner-Voith...................... 18
2 Konzentrationsverlauf bei Absorption....................... 25
3 Konzentrationsverlauf bei Desorption....................... 25
4 Übersichtslageplan Twistetalsperre........................ 28
5 Übersichtslageplan Edersee............................ 31
6 Übersichtslageplan Fulda............................. 37
7 Ganglinie der Sauerstoffsättigung in Wahnhausen 1995............ 40
8 Ausschnitt aus der Ganglinie mit extremer Sauerstoffübersättigung an der
Fulda ........................................41
9 Relative Summenhäufigkeit der Sauerstoffsättigung in Wahnhausen 1995 . . 41
10 Tiefenprofile von Sauerstoffsättigung und Temperatur des Edersees..... 43
11 Meßeinrichtung für Sauerstoff, Ph-Wert, Leitfähigkeit und Tiefe mit Laptop . . 44
12 Bestimmung der Fließzeit bei 500 l/s....................... 47
13 Meßboot unterhalb der Edertalsperre im Einsatz................ 48
14 Fließzustandsdiagramm für Kreisdiffusoren nach Cockrell und Markland (1974)
für die WKA-Twistesee............................... 55
15 Fließzustandsdiagramm für Diffusoren mit geraden Wänden nach Ghose
und Kline (1978) für die WKA-Hemfurth..................... 55
16 Cf-Diagramm nach Johnston (1998) für die WKA-Twistesee..........56
17 CrDiagramm nach Johnston (1998) für die WKA-Hemfurth.......... 56
18 Gemessene Austrittsgeschwindigkeit an einem Saugkrümmer mit Trennwand
nach Deniz et al. (1990).............................. 57
19 Dimensionsloser Restdrall für Francis-Turbinen nach Deniz (1990)...... 59
20 Regression des Luftvolumenstromes an der Twisteseeanlage......... 65
21 Gemessener Luftvolumenstrom QLuf. an der WKA Hemfurth.......... 66
22 Regression des Luftvolumenstromes QLuft an der WKA Hemfurth....... 67
23 Steiggeschwindigkeit von Blasen in Fluiden................... 77
24 Vergleich der berechneten und gemessenen Sauerstoffaufstockung an der
Twistetalsperre mit optimalem und mittlerem Koeffizienten...........82
25 Vergleich der berechneten und gemessenen Sauerstoffaufstockung an der
Twistetalsperre mit dem Modell Kowas......................84
Viil
Abbildungsverzeichnis
26 Vergleich der berechneten und gemessenen Sauerstoffaufstockung an der
Twistetalsperre mit dem Modell nach Theofanous et al.............. 84
27 Vergleich der berechneten und gemessenen Sauerstoffaufstockung an der
Twistetalsperre mit dem Modell nach Sujatha et al................85
28 Vergleich der berechneten und gemessenen Sauerstoffaufstockung an der
Twistetalsperre mit dem Modell nach Köhler...................85
29 Qualität der Ergebnisse bei optimalem und mittlerem volumetrischen SÜK . . 86
30 Qualität der Ergebnisse beim Modell nach Theofanous et al........... 86
31 Qualität der Ergebnisse beim Modell nach Sujatha et al............. 87
32 Qualität der Ergebnisse beim Modell nach Köhler................ 87
33 Vergleich der Konzentrationsverläufe von Wasser und Luft bei Q, = 300 l/s
an der Twistetalsperre............................... 88
34 Vergleich der Konzentrationsverläufe von Wasser und Luft bei Qt = 1100 l/s
an der Twistetalsperre...............................88
35 Mit dem Theofanous-Modell berechneter Carnot-Wirkungsgrad des Stoff-
überganges an der Twisteseeanlage.......................89
36 Anteil der Turbinenbelüftung am Sauerstoffgehalt des Unterwassers bei ver-
schiedenen Defiziten und Qt = 0,5m3/s......................91
37 Nach Theofanous berechneter Sauerstoffertrag an der Twistetalsperre bei
verschiedenen Defiziten..............................91
38 Leistung und Wirkungsgrad an der Twistetalsperre mit und ohne Belüftung . 91
39 Sauerstoffkonzentrationen unterhalb der Twistetalsperre als Funktion von
Fließlänge und Turbinendurchfluß Q, mit und ohne Belüftung......... 92
40 Volumetrischer Stoffübergangskoeffizient aus Messungen in Hemfurth .... 94
41 Vergleich der berechneten und gemessenen Sauerstoffaufstockung an der
WKA Hemfurth mit optimalem und mittlerem Koeffizienten...........95
42 Qualität der Ergebnisse bei optimalem und mittlerem volumetrischen SÜK
an der WKA-Hemfurth...............................96
43 Qualität der Ergebnisse beim Modell nach Theofanous et al. an der WKA-
Hemfurth ...................................... 96
44 Qualität der Ergebnisse beim Modell nach Sujatha et al. an der WKA-Hemfurth 97
45 Qualität der Ergebnisse beim Modell nach Köhler an der WKA-Hemfurth ... 97
46 Vergleich der Konzentrationsverläufe von Wasser und Luft bei Q, = 8 m3/s an
der WKA-Hemfurth................................. 99
47 Vergleich der Konzentrationsverläufe von Wasser und Luft bei Qt = 24 m3/s
an der WKA-Hemfurth...............................99
48 Carnot-Wirkungsgrad der WKA-Hemfurth....................100
49 Anteil der Turbinenbelüftung am Sauerstoffgehalt des Unterwassers bei ver-
schiedenen Defiziten und Qt = 8 m3/s an der WKA-Hemfurth (Hf = 30 m) . . .101
IX
Tabellenverzeichnis
50 Anteil der Turbinenbelüftung am Sauerstoffgehalt des Unterwassers bei ver-
schiedenen Defiziten und Qt = 24 m3/s an der WKA-Hemfurth (Hf = 30 m) . . 101
51 Leistungsänderung an der WKA-Hemfurth durch Öffnen der Belüftung .... 102
52 Nach Theofanous berechneter Sauerstoffertrag an der WKA-Hemfurth bei
100% Anfangsdefizit................................102
53 Sauerstoffsituation unterhalb des Edersees in 1 m Tiefe mit und ohne Belüftungi 04
54 Wirtschaftlichste Belüftungsvariante der WKA-Twistesee............110
55 Mögliche Verbesserungen durch Turbinenbelüftung bei Sauerstoffübersätti-
gung .........................................111
56 Belüftungsarten nach Fallhöhe, Ergebnis einer Umfrage............113
57 Schemaskizze zur Anordnung von Hutzen am Laufradkonus (TVA 1995) . . .115
58 Vergleich der max. Sauerstoffaufstockung durch Verdoppelung des Luftstroms
an der Twistetalsperre bei 100 % Defizit.....................115
59 Vergleich der max. Sauerstoffaufstockung durch Verdoppelung des Luftstroms
an der WKA-Hemfurth bei 100% Defizit.....................115
60 Schemaskizze der Luftzuführung durch das Saugrohr oder den Mannloch-
deckel ........................................116
Tabellenverzeichnis
I Mortality rates of different species at certain oxygen levels, from Statzner
(1986)........................................XVIII
1 Mortalitätsraten verschiedener Tiergruppen bei verschiedenen Sauerstoff-
sättigungen, aus Statzner (1986)......................... 15
2 Kenndaten der Twistetalsperre ..........................29
3 Kenndaten der Edertalsperre...........................33
4 Übersicht über die wichtigsten Ergebnisse der verschiedenen Modellrech-
nungen .......................................105
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