Experimental and field approach to the hydraulics of nature-like pool-type fish migration facilities

Approche expérimentale et de terrain de l’hydraulique des passes à poissons « naturelles »

⁽¹⁾ Former Ph.D. Student, Institute of Hydraulic and Water Resources Engineering, Technische Universität München, Germany,
rueywen.wang@gmail.com
⁽²⁾ Managing Engineer, Laboratory of Hydraulic and Water Resources Engineering, Technische Universität München, Versuchsanstalt Obernach, 82432 Walchensee, Germany,
a.hartlieb@bv.tum.de

Received: 17 July 2010
Revised: 23 December 2010
Accepted: 3 January 2011

Abstract

Nature-like fish migration facilities have gradually become a common type to ensure longitudinal connectivity of fish movements in running waters. This article presents verification on hydraulic and geometric parameters of nature-like pool-type fish passes via experimental and field investigations. The experiment verified that the maximum streamwise velocity near a slot ranged from 0.8–1.0 time of the theoretical maximum velocity. Large vertical recirculations presented below sills, moved downstream with the increase in discharge, and were likely to vanish or to change the rotation direction with high flow conditions. High turbulent kinetic energy distributed immediately downstream from boulder sills instead of along the water jet. Fieldwork was conducted at a full-width ramp in Kolbermoor and a partial-width ramp in Leitner in Bavaria under low, mean and high flow conditions to investigate the flow and geometry characteristics in real constructions and under various hydrologic conditions. The results for velocity show confidence in the method to obtain the maximum value around a slot by measuring at one depth only. Instead of flow velocity, water depth played a more critical role in the performance of a nature-like fishway, in particular under low flow conditions, and so did the arrangement of boulders along a sill. A detailed hydraulic/geometric investigation, together with biological monitoring, should be conducted to identify appropriate criteria on assessment of fish free passage at nature-like fish migration facilities.

Résumé

Les passes « naturelles » sont devenues progressivement fréquentes pour améliorer la connectivité longitudinale des déplacements des poissons dans les eaux courantes. Cet article présente une vérification des paramètres hydrauliques et géométriques des passes « naturelles » par des études expérimentales et de terrain. L’expérience a vérifié que la vitesse maximale du courant près des fentes est comprise entre 0,8 et 1 fois la vitesse théorique maximale. De larges recirculations verticales présentes en dessous des seuils se déplacent vers l’aval lors d’une augmentation du débit et disparaissent probablement ou changent de sens de rotation aux conditions de fort débit. Une forte énergie cinétique turbulente est présente immédiatement en aval des seuils en blocs. Le travail de terrain a été mené sur une passe occupant toute la largeur du cours d’eau à Kolbermoor et d’une passe sur une partie de la largeur du cours d’eau à Leitner en Bavière, dans des conditions de bas, moyen et haut débits pour étudier les caractéristiques du flux dans des conditions réelles et des débits différents. Les résultats sur la vitesse montrent qu’on peut obtenir une bonne estimation de la valeur maximale par mesure à une seule profondeur. Plutôt que la vitesse du courant, l’épaisseur de la couche d’eau joue un rôle plus critique dans les performances d’une passe « naturelle », en particulier en bas débit. Une étude hydraulique/géométrique détaillée, accompagnée d’un suivi biologique, doit être conduite pour déterminer les bons critères d’évaluation du passage libre pour les poissons dans les passes « naturelles ».