Ethohydraulische Modellierung

Die Ethohydraulik hat als vergleichsweise junge Transdisziplin zum Ziel, einen reproduzierbaren, kausalen Zusammenhang zwischen dem Verhalten aquatischer Lebewesen (Ethologie) und der Strömungscharakteristik (Hydraulik) zu finden. Diese Grundlagen werden dazu eingesetzt, die anthropogen beeinflussten und querverbauten Gewässer für die Fischfauna wieder durchgängig zu gestalten und deren Biodiversität zu erhalten. Unter ethohydraulischer Modellierung wird in dieser Arbeit die Verknüpfung genannter Disziplinen in sowohl physikalischen als auch hydrodynamisch-numerischen Modellen verstanden, bei denen auch vielfältige Methoden angrenzender Fachgebiete mit einfließen. Die Modelle selbst decken verschiedene Skalen von neuroethologischen Untersuchungen über kleinräumige schwimmkinematische Betrachtungen der Körperbewegung bis hin zu langen Wanderrouten entlang unserer Binnengewässer ab. Um Fische gezielt zu leiten, ist ein Verständnis ihrer Sinneswelt ebenso wichtig wie ein Verständnis für den verhaltensauslösenden Strömungsreiz. Daher wird in dieser Arbeit zunächst ein tiefgehender Einblick in die Biologie von Fischen mit ihren sensorischen Systemen, in ihr vielfältiges Verhalten sowie in mögliche Beobachtungsmethoden zur Verhaltensanalyse gegeben. Anschließend wird detailliert auf die kinematischen und dynamischen Grundlagen der Strömung sowie deren messtechnische und numerische Analyse eingegangen. Diese umfangreiche Zusammenstellung ethohydraulischer Grundlagen bildet ein Kernstück der Arbeit. Damit sollen neue Denkanstöße gegeben und Analysemöglichkeiten dargelegt werden. Außerdem werden die ethohydraulischen Untersuchungen an einem Schrägrechensetup (55° und 30° zur Anströmung) im wasserbaulichen Forschungslabor der TU Darmstadt dargelegt. Dort wurden zum einen die hydromechanischen Signaturen mithilfe einer neuartigen fischförmigen Druckmesssonde (FSS; Fischsinnessonde) und einem Acoustic Doppler Velocimeter (ADV) aufgezeichnet. Zum anderen wurde das Verhalten potamodromer Fischarten beobachtet. Basierend auf den durchgeführten Tests werden zunächst die Messungen mit der FSS auf unterschiedlichste Weise ausgewertet. Dabei wird deutlich herausgearbeitet, dass der Fischkörper als eine Art Geschwindigkeits-Druck-Wandler wirkt. Nicht nur der frontal auftreffende Geschwindigkeitsanteil ist in Form des Staudrucks detektierbar, sondern auch der auf die Flanken auftreffende, senkrecht zur Oberfläche wirkende Geschwindigkeitsanteil korreliert mit dem dort vorhandenen Druck sowie dessen bilateralem Gradienten. Dies gilt sowohl für die konvektiv transportieren Wirbelstrukturen als auch für den mittleren, lokal wirkenden Druckwert. Neben neuen, auf den FSS-Messungen basierenden Hypothesen bezüglich der hydrodynamischen Bildgebung des betrachteten Setups mit dem Seitenlinienorgan, dem Strömungssinn der Fische, werden außerdem Empfehlungen für die weitere Optimierung der Sonde gegeben. Weiterhin werden in bisherigen fischökologischen Untersuchungen analysierte und für die Ethohydraulik relevante Verhaltensweisen zusammengestellt. Diese sollen einen ersten Ansatz zur Vereinheitlichung der Terminologie darstellen. Zudem wird auf die mögliche Quantifizierung und Operationalisierung des Fischverhaltens und abschließend auf einige, für ethohydraulische Untersuchungen relevante, hydrodynamische Parameter eingegangen sowie deren Relevanz diskutiert. Die Erkenntnisse aus diesen Analysen werden in abschließenden Empfehlungen zur gezielten Weiterentwicklung von Methoden zur ethohydraulischen Modellierung zusammengefasst, wobei Strömungs- und Verhaltensgradienten eine bedeutende Rolle einnehmen