2D Geschiebemodellierung am Aarekraftwerk Klingnau

Dr. Lukas Vonwiller, 16. April 2020

Wirkungsanalyse von Staupegelabsenkungen auf die morphologische Entwicklung und Geschiebedurchgängigkeit beim Klingnauer Stausee

Situation Klingnauer Stausee mit Modellperimeter für Oberwasser (OW) und Unterwasser (UW)

Das Laufwasserkraftwerk Klingnau an der Aare ist das letzte Kraftwerk vor der Mündung in den Rhein. Wenige Kilometer oberstrom fliessen die Limmat, Reuss und Aare zusammen. Gemäss Gewässerschutzgesetz (GSchG) sind Sanierungsmassnahmen hinsichtlich einer Wiederherstellung der Geschiebedurchgängigkeit vorzunehmen. Bei einer vollständigen Sanierung des Geschiebehaushalts im Oberstrom wird in Zukunft mit einem potentiellen Geschiebeaufkommen von rund 8000 m³ pro Jahr gerechnet. Die vorliegende Machbarkeitstudie im Auftrag der Aarekraftwerk Klingnau AG soll anhand von 2D Geschiebetransportsimulationen untersuchen, ob unter bestimmten Stauraumabsenkungszenarien (Absenkrate, Dauer Absenkung, Abfluss) eine Weiterleitung der potentiell anfallenden Geschiebefracht durch den Klingnauer Stausee möglich ist. Für die Untersuchung wurde das 2D Modul BASEplane der Software BASEMENT [1] verwendet.

Die Sohltopographie des Stauraums wurde im Jahre 2018 im Rahmen einer Fächerecholotvermessung neu erhoben. Auf Basis von Geschiebeproben unterhalb des Wehrs Beznau wurde eine 5-Kornfraktionierung für die Geschiebetransportsimulationen bestimmt. Um die Modellkonfiguration zu bestimmen, wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt. Als Validierungsdatensatz dienten Abschätzungen der Geschiebeablagerungen basierend auf Querprofilaufnahmen aus dem Jahre 2006 und nach dem Hochwasserereignis 2007. Im Rahmen der Sensitivitätsanalyse konnten vor allem die Kornfraktionierung und die dazugehörige Transportformel als sensitive Parameter identifiziert werden. Die Auflandungsvolumen und Verteilungsmuster der Geschiebeumlagerungen konnten am besten mit der auf ein Mehrkorntransportansatz erweiterten Transportformel nach Meyer-Peter-Müller (MPM-Multi) unter Berücksichtigung der Korrektur nach Wong und Parker [2] nachgebildet werden.

Mittels Einzelabsenkungen sowie periodischen Stauraumabsenkungen im Rahmen von Langzeitsimulationen (26 bis 39 Jahre) wurde untersucht, welche Geschiebemengen in das Unterwasser des Aarekraftwerk Klingnau verfrachtet werden können. Diese Machbarkeitsuntersuchung stellt für den Kraftwerksbetreiber (Aarekraftwerk Klingnau AG) eine wichtige Grundlage zur Entscheidungsfindung dar, ob Staupegelabsenkungen während Hochwasserereignissen eine gangbare, effiziente und wirtschaftliche Massnahme zur Durchleitung der zukünftig anfallenden Geschiebefrachten im Rahmen der Sanierung des Geschiebehaushaltes sind.

[1] BASEMENT - Basic Simulation Environment for Computation of Environmental Flow and Natural Hazard Simulation. Version 2.8. (c) ETH Zurich, VAW, 2006-2018.

[2] Wong, M., Parker, G. (2006). Reanalysis and correction of bedload relation of Meyer-Peter and Mueller using their own database. Journal of Hydraulic Engineering, 132(11): 1159-1168