Poproudová ochrana ryb

Poproudové migrace se netýkají pouze diadromních druhů ryb, které migrují mezi mořským a sladkovodním prostředím, ale jsou nedílnou součástí biologických potřeb i u druhů trvale žijících ve sladkovodním prostředí. Zajištění poproudových migrací ryb není zatím věnována dostatečná pozornost. Tedy ani ochrana ryb proti poranění nebo usmrcení při poproudové migraci v technologických systémech vodních elektráren (turbínami) není v našich podmínkách standardně řešena.

Příčné překážky (stupně, jezy) vybudované za účelem odběru vody představují pro poproudové migrace ryb významné překážky z těchto důvodů:

• nízká výška paprsku vody na přelivné hraně spádového objektu – často záměrné snížení do 2 cm, minimum pro umožnění poproudové migrace je 5 –10 cm
• po větší část roku žádná voda nepřetéká – nesmáčené jezy, např. jezy s kovovou klapkou, vakové jezy

 ^{Obr. 16 – jez s nízkým vodním paprskem (fotoarchiv AOPK ČR).}

 ^{Obr. 17 – klapkový jez (fotoarchiv AOPK ČR).}

^{Obr. 18 – vakový jez (autor: Ing.Kamil Farský – AOPK ČR).}

Poproudová migrace ryb je tak směřována přímo do nátoku odběrného zařízení, kam je většina vody odváděna. V případě, že nejsou před vtokem na turbíny osazeny zábrany proti vniknutí ryb, příp. nejsou dostatečné či jsou nefunkční, dochází k fyzickému a fyziologickému poškození ryb a často i k jejich usmrcení.

V současnosti jsou u nás pro zábranu vniknutí ryb do prostoru MVE využívány různé konstrukce a zařízení přejímaná převážně ze zahraničí. Významným předpokladem pro vysokou účinnost rybích zábran je rychlost proudu vody v přívodním náhonu či kanálu v profilu, kde jsou zábrany instalovány. 

Vlastní rybí zábrany jsou však pouze prvním krokem k umožnění poproudové migrace a k ochraně migrujících ryb. Návazně je třeba také zajistit bezpečné proplutí ryb mimo MVE do toku pod migrační bariéru. Rybí zábrany by měly ryby tedy jednak ochránit před vniknutím do hydrotechnických prostorů, jednak je usměrnit a navést do obtoku.

Typy opatření pro ochranu a navigaci ryb při jejich poproudové migraci:

• mechanické zábrany,
  • česlové stěny (brlení)
  • ochranné filtry
  • rolovací česle
  • zábrana s kónickými síťovými sekcemi
  • oddělování ryb vlivem turbulence v potrubí
  • naváděcí valy a dnové žlaby
  • Gerhardův přesmyk
• behaviorální zábrany (odpuzovače)
  • elektronické zábrany a plašiče
  • světelné odpuzovače
  • zvukové odpuzovače
  • bublinkové odpuzovače
• rybám šetrné turbíny, tzv. fish-friendly technologie
• poproudový obtokový kanál (obchvat)

Aby bylo dosaženo jejich vysoké účinnosti, neměla by být rychlost proudu vody v přívodním kanálu či kanálu v profilu, kde jsou zábrany instalovány, vyšší než 0,5 m·s^-1.

Mechanické zábrany

V našich podmínkách na větších tocích lze využít jako ochranu před splavením ryb do turbín především česlové stěny. Na menších tocích jsou využitelné i další typy – filtry, různé zástěny apod. Jejich účinnost je obecně vyšší než je tomu u behaviorálních typů. Je však dána především velikostí ok a vzdáleností česlic.

Česlové stěny

Stěnu tvoří česlice z prutů postavených svisle, šikmo nebo vodorovně ke dnu koryta – svislé a šikmé česle (častější, Obr. 19a,b), horizontální česle (Obr. 19c; v ČR instalovány např. ve Vilémově na Jizeře). Mezi česlicemi jsou mezery pro protékající vodu a velikost těchto mezer určuje účinnost česlí.

Hrubé česle (Obr. 19d; vzdálenost mezi česlicemi 10 cm a více) slouží pro zachycení splavenin. Jemné česle (vzdálenost mezi česlicemi menší než 40 mm) brání vniknutí ryb do turbín, je třeba je vždy instalovat za hrubými česlemi.

Pro účinnou ochranu ryb se používají jemné česle se světlostí mezer mezi česlicemi 20 mm. Vyšší světlost (max. 40 mm) je přípustná v případě, že s ohledem na rybí společenstvo, použitou technologii a účel odběru nehrozí nadměrné poranění ani usmrcení organismů při průchodu technologickým zařízením a systém je doplněn o některý typ behaviorální zábrany nebo jejich kombinací.

^{Obr. 19a – jemné česle svislé (autor: Ing.Kamil Farský – AOPK ČR).}

^{Obr. 19b – jemné česle instalované před vtokem do strojovny MVE (fotoarchiv AOPK ČR).}

 

^{Obr. 19c – jemné česle horizontální (autor: Ing.Kamil Farský – AOPK ČR).}

^{Obr. 19d – hrubé česle (autor: Ing.Kamil Farský – AOPK ČR).}

^{Obr. 19e – Varianty uspořádání česlové stěny za účelem zvětšení průtočné kapacity přes česle (zdroj: Lusk S., Hartvich P., Lojkásek B., 2014. Migrace ryb a migrační prostupnost vodních toků.  Jihočeská univerzita, České Budějovice).}

Nezbytné je doplnění česlí obtokovým systémem, k jehož vstupu jsou ryby směrovány (Obr. 19).

^{Obr. 20 – Eicherovy naklápěcí česle, částečně otočné česle s provozní nebo čistící polohou a povrchovým bypassem k odvedení ryb mimo turbíny v pracovní poloze, upraveno podle Odeha 1999a (zdroj: Lusk S., Hartvich P., Lojkásek B., 2014. Migrace ryb a migrační prostupnost vodních toků.  Jihočeská univerzita, České Budějovice).}

 

Ochranné fitry

Jednoduché a velmi účinné, neboť jsou pro ryby neprostupné. Nejčastějším substrátem filtrů bývá štěrk nebo písek; variantou jsou tzv. kazetové filtry z filtračních kazet. Použitelné pouze u malých odběrů vody.

Rolovací česle

Nekonečný sítěný pás (velikost ok z ocelových lanek 8 x 15 mm) s vynášecími žlábky pro ryby, který je poháněn elektromotorem. Ryby jsou vynášeny a vyklápěny do obtokového žlabu, který ryby odvádí do odpadního kanálu pod vodní elektrárnou.

^{Obr. 21 – Schéma rolovacích česlí s jednotlivými prvky (zdroj: Lusk S., Hartvich P., Lojkásek B., 2014. Migrace ryb a migrační prostupnost vodních toků.  Jihočeská univerzita, České Budějovice).}

Zábrana s kónickými síťovými sekcemi

Tato zábrana je považována za nejúčinnější mechanickou zábranu. Jedná se o válec s napnutými sítěmi, který odvádí hrubší nečistoty a ryby do obtokového kanálu (0,5–1 otáčka za minutu).  Lze ji použít pouze pro odběry vody s průtokem do 0,5 m³·s^-1.

Oddělování ryb vlivem turbulence v potrubí

Ochrana ryb tímto způsobem je založena na využití turbulentního proudění vody v ohybu nasávacího potrubí. Ryby jsou unášeny proudem a vlivem odstředivé turbulence vody naváděny do bočního obtoku.

Naváděcí valy a dnové žlaby

Betonové valy ve tvaru půlvany s ozubem na konci jsou instalovány v příčném profilu koryta šikmo na dně a doplněny jemnými česlemi. Výška valu je v závislosti na hloubce a velikosti průtoku 30–100 cm. Stejně fungují i ve dně prohloubené žlaby v celém příčném profilu koryta. Obě zábrany směrují ryby do bočního obtoku.

Gerhardův přesmyk

Kombinace česlové stěny a obtoku k ochraně úhořů (především). Skládá se ze dvou proti sobě šikmo postavených žlabů spojených nad turbínou. Prvním žlabem plavou ryby od spodní části česlové stěny u dna k hladině, kde přeplavou do druhého žlabu, z něhož se skluzem dostávají do odtoku vody pod turbínou.

Behaviorální zábrany

Princip je založen na odrazující reakci ryb na podněty různého charakteru.

Účinnost a působení jednotlivých typů na různé druhy ryb, ale i různě velké jedince stejného druhu, je velmi rozdílná a značně proměnlivá. Dobrou účinnost vykazují akustické zábrany s použitím infrazvuku, specifický a omezený vliv mají světelné zábrany.

V našich podmínkách lze doporučit použití některého typu behaviorálních zábran pouze jako doplněk k některému typu mechanických zábran. U nás jsou nejčastěji instalovány elektronické zábrany.

Elektronické zábrany a plašiče ryb

Systém zavěšených elektrod vytvářejících souvislé elektrické pole, který odpuzuje ryby od vnikání do chráněného prostoru. Umísťují se souběžně s břehem koryta vodního toku v místě, kde odbočuje koryto odběrného nebo přívodního kanálu k MVE. Účinnost zařízení ovlivňují chemické a fyzikální parametry vodního prostředí.

Mezi nejčastěji používané elektronické zábrany v ČR patří elektronická zábrana ELZA 2 (Obr. 22a,b) vyráběná v ČR. Toto zařízení slouží k omezení migrace ryb do odběrů vody pro MVE, menších čerpacích stanic a rybochovných objektů. Pracuje s velmi krátkými jehlovitými pulsy. Elektrody mají maximální délku 2 m, což vylučuje jejich uplatnění v hlubší vodě. Při správném umístění, používání a údržbě je udávána účinnost pro migrující ryby proti proudu 40 % a pro ryby migrující po proudu okolo 70 %. V letech 2009-2010 byla provedena šetření provozu a umístění zábrany ELZA 2 na více než 20 objektech. Mezi zjištěné nedostatky patřilo například: instalace zábran v příliš hlubokých nátokových kanálech, značné rychlosti vodního proudu v některých profilech, odstraňování závěsů s elektrodami na zimu některými provozovateli z obavy před poškozením, nefunkčnost některých zábran, snížená účinnost některých elektrod díky vysoké vrstvě usazených solí. Z toho vyplývá, že použití elektronických zábran ELZA 2 má omezenou účinnost a je nezbytné pravidelně kontrolovat provoz a funkčnost elektronických zábran stejně jako minimální zůstatkové průtoky.

 

^{Obr. 22a – elektronická zábrana typu ELZA 2 (fotoarchiv AOPK ČR).}

 

 ^{Obr. 22b – elektronické odpuzovače ryb; typ ELZA 2 (Petr Hartvich).}

Dalším typem elektronické zábrany je polský systém NEPTUN (Obr. 23). Tento systém se skládá z kladných a záporných elektrod, které jsou kloubově upevněny ke dnu, a mezi nimiž je vytvářeno příslušné elektrické pole. Elektrody jsou instalovány v takové vzdálenosti od vstupů do dotčených objektů (MVE, čerpací stanice, rybochovné objekty), aby ryby měly čas a sílu reagovat na pole, které na ně působí. Elektrody jsou v části u hladiny opatřeny plováky, kterými jsou nadnášeny. Mezi sadou kladných a záporných elektrod se vytváří rostoucí nelineární elektrické pole ve vodním prostředí. Ryby migrující po nebo proti proudu směrem k dotčenému objektu se nejprve dostanou k řadě kladných elektrod. Elektrody se zápornou polaritou jsou nejblíže k dotčenému objektu. V oblasti mezi kladnou a zápornou elektrodou vzniká elektrické pole, jehož intenzita se s přibližováním k chráněnému objektu zvyšuje. Díky tomu velké a středně velké ryby reagují na elektrické pole již v blízkosti kladných elektrod, zatímco malé reagují uprostřed mezielektrodové oblasti nebo v blízkosti záporných elektrod. Takové rozložení pole je dosaženo použitím elektrod s různými aktivními povrchy a díky jejich vhodnému vzájemnému uspořádání. Účinnost systému NEPTUN je potvrzena četnými studiemi a testy. Tento systém se vyznačuje velmi vysokou účinností provozu, až 100 % v závislosti na hydrotechnických podmínkách a druhovém složení ryb, nacházejících se v místě instalace systému.

^{Obr. 23 – elektronická zábrany typu NEPTUN (autor: Dr. Milan Hladík).}

 

Světelné zábrany

Odlišné druhy ryb reagují na světlo rozdílným způsobem. Světelné systémy lze použít pro osvětlení překážky a zlepšení orientace v noci spojitým světlem, nebo pro přilákání ryb, či naopak k jejich odpuzování světlem nebo clonou zábleskového (stroboskopického) světla. Odpuzující reakce na světlo se projevuje jen u některých ryb s negativní fototaxí – především u úhořů při světelné intenzitě 500–560 nm. Pro odklonění úhořů a lososů je úspěšnější zábleskové světlo než spojité osvětlení.

Raná vývojová stadia ryb do délky těla 4 cm ještě nemají plně vyvinuté smyslové orgány a při podkročení určité intenzity světla se v proudivé vodě neumějí orientovat, a proto driftují. Juvenilní kaprovité a okounovité ryby reagují naopak na spojité osvětlení, které jim pomáhá nalézt obtok.

Může být použito světlo nepřetržité nebo přerušované s regulovatelným počtem impulsů. Světelná clona je tvořena stroboskopickými svítidly s frekvencí až 200 světelných pulzů za minutu. Fungují selektivně, účinnost je ovlivněna fyzikálními vlastnostmi vodního prostředí (zákal apod.).

 

^{Obr. 24 – Příklad vhodného situačního umístění světelných zábran (zdroj: Lusk S., Hartvich P., Lojkásek B., 2014. Migrace ryb a migrační prostupnost vodních toků.  Jihočeská univerzita, České Budějovice).}

 

^{Obr. 25 – světelné zábrany (autor: Ing. Kamil Farský – AOPK ČR).}

 

Zvukové odpuzovače, akustické clony

Založeno na citlivosti ryb na zvukové signály nebo vibrace, většina ryb reaguje na nízkofrekvenční systém. Ultrazvukový systém zůstává účinný pouze pro sleďovité.

Předností použití nízkých frekvencí je šíření signálu také zakalenou vodou, frekvence se přehrávají náhodně nebo ve smyčce, aby se na ně ryby nestačily adaptovat. V současnosti se používají nejvíce nízkofrekvenční zvukové projektory s frekvencí mezi 20–500 Hz.

Velkou citlivost na zvuky vykazují kaprovité a sumcovité ryby, menší rozsah vnímání mají lososi a okouni. Nejhůř vnímají zvuky ryby žijící u dna.

^{Obr. 26 – akustický plašič ryb (autor: Ing. Kamil Farský – AOPK ČR).}

 

Pneumatické zábrany (tzv. bublinkové odpuzovače)

Clona vytvořená bublinkami plynu z perforované trubice, nebo vzduchových trysek umístěných ve dně přívodního koryta. Vizuálně nebo dotekem mají u ryb vyvolat únikovou reakci – ryby se před stěnou zastaví a jsou vynášeny s bublinkami vertikálním prouděním vody ke hladině, kde jsou směrovány do obtoku. Ideální je kombinace se stroboskopovými lampami.

Dobrá účinnost byla prokázána u kapra a štiky. Menší účinnost se udává ve stojatých a pomalu proudících vodách, kde se ryby na bublinkovou clonu rychle přizpůsobí. Pro lososovité druhy, úhoře nebo mihule nejsou tyto clony samy o sobě účinné, avšak jsou významné v kombinaci s dalšími druhy zábran.

 

Rybám šetrné turbíny, tzv. fish-friendly technologie

V poslední době jsou pro malé vodní elektrárny s nízkým spádem vyvíjeny a testovány turbíny, které by měly být rybám šetrné a umožnit jejich poproudovou migraci průchodem přes turbínu, aniž by došlo k jejich poškození.  Také dochází k vývoji a ověřování tvarů turbín, které snižují rizika poškození ryb. O riziku poškození ryb nebo jejich mortalitě rozhoduje spád, velikost otvoru mezi lopatkami soustrojí, konstrukční uspořádání soustrojí a rychlost otáčení oběžného kola.

V podmínkách ČR zatím nejsou tyto technologie považovány za plnohodnotná migrační zařízení. Jsou chápány jakou doplňkové opatření pro zajištění migrací po proudu. Existují však takové modifikace turbín, které by měly teoreticky umožnit obousměrnou migraci.

V současnosti jsou tyto typy turbín instalovány pouze na jednotkách profilů v ČR. Příkladem může být Planá u Českých Budějovic a jeden z profilů na Berounce. Neochota ze strany provozovatelů elektráren využívat rybám šetrné turbíny pramení také z faktu, že účinnost takových turbín je obecně nižší než účinnost běžných turbín.

Příklady rybám šetrných turbín jsou např.:

Gravitační vodní vírové elektrárny

• patent Ing. F. Zötleterera, Rakousko
• pro velmi nízké spády 0,5 – 2,0 m
• turbína je umístěna do otevřené betonové kašny s půdorysným tvarem logaritmické spirály, kde vzniká pomalý vertikální vír s osou totožnou s hřídelem turbíny
• vírem je strháván vzduch a voda je provzdušňována
• ryby by měly být schopné migrovat obousměrně podél stěn kašny

^{Obr. 27 – gravitační vodní vírová elektrárna (autor: Ing. Zbyněk Šonka – Spolek Svatý Petr).}

 

Archimédův šroub

• díky pomalému otáčení turbíny a jejímu šikmému osazení jsou ryby postupně snášení do prostoru pod turbínou
• varianta tzv. dvojitého Archimédova šroubu by měla umožňovat kromě poproudové i protiproudovou migraci ryb

^{Obr. 28 – jednoduché Archimédovy šrouby (autor: Mgr. Radka Jakoubková).}

^{Obr. 29a,b – dvojitý Archimédův šroub (autoři: AOPK ČR a Mgr. Radka Jakoubková).}

Patří sem i různě modifikované klasické turbíny, jako např. německé fish friendly turbíny firmy  DIVE Turbinen z bavorského Amorbachu.

	Vlastnosti	Výhody pro ryby
1	maximální otevření lopatek ve všech provozních bodech	nízké riziko kolize
2	žádná mezera mezi lopatkou a nábojem oběžného kola	žádné riziko uvíznutí
3	mezera mezi lopatkami a pláštěm je ˂ 2 mm	žádné riziko zachycení
4	dlouhá geometrie lopatky	pomalejší změna tlaku, zejména v kombinaci s regulací otáček
5	počet lopatek oběžného kola lze redukovat na 3	nízké riziko kolize
6	nízké otáčky, zejména při částečném zatížení	nízká kolizní rychlost, ovladatelnost v době zvýšené migrace, měkký začátek/start
7	zcela bezolejová turbína	žádné riziko úniku maziva

 V našich poměrech však zatím nejsou s těmito typy turbín potřebné zkušenosti a nejsou tedy dostatečně známy jejich omezující limity.

 

Poproudový obtokový kanál (obchvat, bypass)

Opatření zabraňující rybám vniknout s nátokem vody do turbín MVE je třeba kombinovat se zařízením, které umožní rybám bezpečný průchod mimo MVE do toku či náhonu na úrovni dolní vody. Takovými zařízeními jsou obtokové kanály či obchvaty, které tvoří otevřený nebo uzavřený systém s proudící vodou. Ryby musejí být navedeny ke vstupu do obchvatu správným směrováním pevných zábran (česle, pevný val). Velikost vstupu, který je obvykle obdélníkového tvaru, se navrhuje v korelaci s velikostí a počtem migrujících ryb. Obchvatem by mělo proudit  2–5(10) % objemu vedeného na turbíny MVE. Významným momentem je i nátoková rychlost ve vstupním profilu do obchvatu. Při šířce přívodního kanálu přes 10 m jsou vhodné dva obtokové kanály, na každé straně nátokového kanálu jeden.

^{Obr. 30 – Příčné postavení hrubých a jemných česlí s loměnou ve tvaru V s vrcholem směřujícím po proudu. Z vrcholu česlové stěny odvádí potrubí bypassu ryby mimo prostor turbín. V minulosti měli mlynáři ve vrcholech česlových stěn umístěná úhoří lapadla (zdroj: Lusk S., Hartvich P., Lojkásek B., 2014. Migrace ryb a migrační prostupnost vodních toků.  Jihočeská univerzita, České Budějovice).}