Unterwasser im Wasserbau
Werden in Flussläufen künstliche Fallstufen errichtet, etwa durch Wehre, Dämme oder Wasserkraftwerke, so erfolgt für die einst kontinuierliche Wasserführung eine Einteilung in Oberwasser und Unterwasser. Das Oberwasser liegt dabei vor dem Bauwerk und kann je nach Dimensionierung der Konstruktion mehrere Meter über dem Niveau des Unterwassers liegen. Das Unterwasser bezeichnet dagegen den „Auslauf“ des unterbrochenen Flusses. Auch hier kann eine Stauung für verschiedene Zwecke erfolgen.
Bei der Nutzung von Wasserkraft erfolgt die Energiegewinnung durch die potentielle Energie des Oberwassers. Dieses wird über die Fallstufe durch Turbinen geleitet und treibt diese an, damit sie mittels Generatoren Strom erzeugen. Schließlich geht der Wasserstrom ins Unterwasser über. Bei Pumpspeicherkraftwerken erfolgt hierbei jedoch noch eine Sammlung des Unterwassers in einem hinter dem Kraftwerk angelegten Becken. Gibt es Energieüberschüsse, kann das Wasser schließlich wieder in die obere Stauanlage zurückgepumpt werden, wodurch sich elektrische Energie erneut in Form von potentieller Energie des Oberwassers speichern lässt. Diese Energie lässt sich bei Bedarf abermals abrufen.
Die Regulierung des Unterwassers durch Staubauwerke dient jedoch vorrangig dem Hochwasserschutz. Mithilfe verschiedener Strukturen wie Wehre, Dämme und Schleusen lässt sich der Ablauf im Fluss zu bestimmten Teilen steuern. Bei einem zu hohen Wasseraufkommen bzw. einer kritischen Höhe des Unterwassers wird dann etwa der Abfluss am Stauwerk verringert, wodurch Siedlungen und Landstriche entlang des unteren Flusslaufs vor Überschwemmungen geschützt werden. Fällt das Unterwasser hingegen auf ein Niveau, das seine Nutzung für Bewässerung, Schifffahrt oder Fischfang gefährdet, muss der Zulauf erhöht werden – vorausgesetzt, es ist vor der Staustufe genügend Oberwasser verfügbar.
Generell ist bei der Errichtung von Wasserbauwerken darauf zu achten, dass der Eingriff in den Flusslauf und die Trennung von Ober- und Unterwasser keine Gefahr für die Umwelt darstellt. So ist bei einer Stauung immer sicherzustellen, dass der untere Teil des Flusses immer noch genügend Wasser führt, ohne das umliegende Landschaften austrocknen. Zudem behindern Staustufen und Wasserkraftwerke auch die Wanderung von Fischen und anderen Wasserlebewesen. Um diese weiterhin zu gewährleisten, ist es gesetzlich vorgeschrieben, Wanderhilfen wie etwa Fischtreppen zusätzlich zum Wehr, Damm oder Kraftwerk zu bauen, die eine gefahrlose Querung vom Unterwasser ins Oberwasser (und umgekehrt) ermöglichen. Aus Gründen des Artenschutzes und des Umweltschutzes sind heutzutage bei Wasserbauwerken auch Fischtreppen bzw. Fischaufstiege als Ausgleichsmaßnahmen gesetzlich vorgeschrieben. So können Fischarten ihr Wanderungsverhalten trotz Staustufe ausleben und Laichgebiete erreichen.
Unterwasser im Kanalbau
Auch in der Kanalisation erfolgt eine Unterteilung in Ober- und Unterwasser. Um eine reibungslose Ausleitung des Abwassers zu gewährleisten, ist es oftmals auch in Abwasserkanälen notwendig, den Durchfluss zu regulieren, damit es etwa bei starken Niederschlägen zu keiner Überlastung des Systems kommt. Ansonsten würden Klärwerke womöglich nicht mehr mit den anfallenden Wassermassen zurechtkommen und nur teils oder gar ungeklärte Abwässer müssten in die Vorfluter ausgeleitet werden. Dies kann zu einer hohen Verschmutzung von Gewässern und Grundwasser führen, was Ökosysteme sowie unsere Trinkwassergewinnung gefährdet. Wird das Abwasser hingegen zu stark zurückgehalten, um ersteres Szenario zu verhindern, können sich Rückstaue ergeben, wodurch Schmutz- und Regenwasser aus Abflüssen auf der Straße oder in sanitären Anlagen austritt.
Zur Regulierung des Durchflusses werden auch hier Wehre, Schleusen und Drehstufen, aber auch Rückhaltebecken und Staukanäle eingeplant und errichtet. Sind die Kapazitäten der Kanalisation und Klärwerke ausgereizt, so können diese Strukturen überschüssiges Abwasser auffangen und „zwischenlagern“, bis eine Weiterführung und -verarbeitung wieder möglich ist. Hierbei kommen meist auch Sensoren zum Einsatz, die die Niveauunterschiede zwischen Ober- und Unterwasser erkennen und den Wasserdurchsatz bei Bedarf automatisch anpassen. Dies kann durch die Schließung und Öffnung von Klappen, Schleusen und Ventilen geschehen, bei Drehbögen lässt sich hingegen durch ein Heben und Senken die Überfallhöhe und somit auch der Durchfluss verändern. In smarten Kanälen ist entsprechende Messtechnik ebenso verbaut wie die erforderliche Steuerungstechnik, sodass viele Maßnahmen von einer zentralen Steuerzentrale ausgeführt werden können. Über Netzwerktechnik gelangen die Befehle dann zu den Aggregaten und Wehren.
Intelligente Kanalsysteme sind ebenfalls dazu in der Lage, Abwasser für eine Schwallspülung aufzustauen. Durch diese automatische Reinigungsfunktion können Ablagerungen effektiv und ohne zusätzlichen Aufwand aus den Abwasserkanälen entfernt werden. Ebenso sind Messsysteme für Durchflussmenge und -geschwindigkeit hilfreich, um mögliche strukturelle Defizite oder generell mangelnde Kapazitäten festzustellen. Werden also etwa regelmäßige Anstiege des Unterwassers an bestimmten Stellen der Kanalisation festgestellt, so müssen eventuell Anpassungen an den Stau- und Speicherkonstruktionen vorgenommen oder zusätzliche Abwasserkanäle geschaffen werden. Die Analyse des Durchflusses hilft zudem ebenfalls dabei, geeignete Standorte für die Abwasserwärmerückgewinnung zu finden, über die sich ressourcenschonend und emissionsarm (oder -frei bei der Nutzung von regenerativ erzeugtem Strom) Heizwärme bereitstellen lässt.
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