Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft Technische Universität Darmstadt MITTEILUNGEN Heft 157 2020 Imke Böckmann Entwicklung eines Verfahrenskataloges für statistisch abgesicherte ethohydraulische Forschungen D 17 Zugl.: Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2020 D17 Mitteilungen des Instituts für Wasserbau und Wasserwirtschaft der Technischen Universität Darmstadt; Heft 157 Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft Technische Universität Darmstadt Entwicklung eines Verfahrenskataloges für statistisch abgesicherte ethohydraulische Forschungen Vom Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften der Technischen Universität Darmstadt zur Erlangung des akademischen Grades Doktorin der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) genehmigte Dissertation von Imke Böckmann aus Bielefeld 1. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. habil. B. Lehmann 2. Gutachter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Schüttrumpf 3. Gutachterin: Prof. Dr. rer. nat. L. Schebek Tag der Einreichung: 8.10.2019 Tag der mündlichen Prüfung: 20. Dezember 2019 Darmstadt, im März 2020 Böckmann, Imke: Entwicklung eines Verfahrenskataloges für statistisch abgesicherte ethohydraulische Forschungen Darmstadt, Technische Universität Darmstadt, Jahr der Veröffentlichung der Dissertation auf TUprints: 2020 Tag der mündlichen Prüfung: 20.12.2019 Veröffentlicht unter CC BY-NC-SA 4.0 International https://creativecommons.org/licenses/ Diese Mitteilungsreihe hat zwei Wurzeln: - die “Wasserbau-Mitteilungen” (41 Hefte), begründet 1966 von Prof. Dr.-Ing. Friedrich Bassler, später fortgeführt von Prof. Dr.-Ing. Josef Mock, - die “Technischen Berichte über Ingenieurhydrologie und Hydraulik” (54 Hefte), herausgegeben seit 1965 von Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Otto Kirschmer, später fortgeführt von Prof. Dr.-Ing. Ralph C. M. Schröder und Prof. Dr.-Ing. Manf- red Ostrowski. Mit dem Dienstantritt von Prof. Dr.-Ing. Ulrich Zanke als Nachfolger von Prof. Mock sind diese beiden Reihen zusammengeführt worden. Die zwei Fachgebiete des Instituts für Wasserbau und Wasserwirtschaft - Ingenieurhydrologie und Wasserbewirtschaftung - Wasserbau und Hydraulik dokumentieren damit auch nach außen ihre Zusammengehörigkeit. Die neue Nume- rierung ergibt sich aus der Summe der Hefte beider Vorgängerreihen. Die “Mitteilungen des Instituts für Wasserbau und Wasserwirtschaft der Tech- nischen Universität Darmstadt” erscheinen in unregelmäßiger Folge im Eigenver- lag des Instituts für Wasserbau und Wasserwirtschaft. Ein Nachdruck, auch aus- zugsweise, ist nur mit Genehmigung des Geschäftsführenden Institutsdirektors gestattet. (ISSN 1430-3434) FG Ingenieurhydrologie u. Wasserbewirtschaftung FG Wasserbau und Hydraulik Franziska-Braun-Straße 7 Franziska-Braun-Straße 7 64287 Darmstadt 64287 Darmstadt Tel.: 0 61 51/16 20860 Tel.: 0 61 51/16 21165 E-Mail: [email protected] E-Mail: [email protected] Aktuelle Informationen über das Institut und seine Lehrangebote finden Sie im World Wide Web unter: http://www.iww.tu-darmstadt.de Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. habil. Boris Lehmann (Wasserbau und Hydraulik) Prof. Dr. habil. Britta Schmalz (Ingenieurhydrologie und Wasserbewirtschaftung) Abstract I Abstract For the development and design of facilities for the production of continuity in water bodies, it is important to consider the behavior of fish in terms of hydraulic structures. The investigation before the construction of fish-relevant protection and continuity structures outside the already published state of the art is specifically regulated in North Rhine-Westphalia to the effect that investigations of a high functionality of the system must be proven in advance. The method of choice here are, in addition to the pure engineering methods (such as numerical or physical flow modeling) ethohydraulic studies, which investigate the behavior of aquatic organisms in relation to hydraulic structures. So far, the approach to data acquisition and the later statistical evaluation of ethohy- draulic countable events has not followed a generally accepted, standardized ap- proach, which is currently demanded from various quarters as a future-oriented methodology. Within the framework of the present work different fundamentals and findings from own projects and literature are put together in a so-called process catalog, which are to serve the quality assurance during the planning and execution of ethohydraulic tests (object of research I). In addition to a standardized assessment of stimulus-induced fish reactions, the application of the catalog contents allows an evaluation of ethohydrau- lically countable events by means of closing statistics, which ensures high resilience of the results. In addition, a general sampling plan will be developed, which will allow to determine the number of actually experimental animals needed before starting the ethohydraulic tests (object of research II). The number of animals identified in the sampling plan ensures that the number of tested animals is sufficient to prove existing significant effects with high certainty. Conversely, a sample size that is too small can be excluded as the cause, so that a time- and cost-intensive trial repetition with larger samples is unneces- sary. Thus, in view of ethical and economic considerations, it is taken into account that as few animals as possible but as many as necessary for statistically meaningful re- sults are used for the examinations. The product of this work is a process catalog for ethohydraulic investigations, which bundles the developed principles and findings and makes them available as a digital version. The addressed user group includes performers of ethohydraulic tests. The digital application contains guidelines and useful information, which should be consid- ered as the basis for a standardized procedure during the ethohydraulic tests and the subsequent data analysis as well as a general computational module for sample plan- ning. Kurzfassung II Kurzfassung Im Rahmen der Entwicklung und Bemessung von Anlagen zur Herstellung der Durch- gängigkeit von Fließgewässern ist die Berücksichtigung des Verhaltens von Fischen in Bezug auf die wasserbaulichen Strukturen unerlässlich. Die Untersuchung im Vorfeld des Baus von fischrelevanten Schutz- und Durchgängigkeitsstrukturen außerhalb des bereits publizierten Standes der Technik ist speziell in Nordrhein-Westfalen dahingehend geregelt, dass mittels geeigneter Untersuchungen vorab eine hohe Funktionalität des Systems nachgewiesen werden muss. Das Mittel der Wahl sind hier neben den rein ingenieurtechnischen Methoden (wie beispielsweise numerische oder physikalische Strömungsmodellierungen) ethohydraulische Untersuchungen, welche die Verhaltensweisen aquatischer Organismen in Bezug auf bauliche oder hydraulische Strukturen erforschen. Bislang folgt der Ansatz hinsichtlich der Datenaufnahme und der späteren statistischen Auswertung von ethohydraulisch zählbaren Ereignissen keiner allgemeingültigen, standardisierten Vorgehensweise, was jedoch aktuell von verschiedenen Seiten als zukunftsorientierte Methodik gefordert wird. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Grundlagen und Erkennt- nisse aus eigenen Projekten und der Literatur in einem sog. Verfahrenskatalog zu- sammengestellt, welche der Qualitätssicherung während der Planung und Durchfüh- rung ethohydraulischer Tests dienen sollen (Forschungsgegenstand I). Neben einer standardisierten Bewertung reizinduzierter Fischreaktionen ermöglicht die Anwendung der Kataloginhalte eine Auswertung ethohydraulisch zählbarer Ereignisse mittels schließender Statistik, was eine hohe Belastbarkeit der Ergebnisse gewährleistet. Darüber hinaus wird eine allgemeingültige Stichprobenplanung entwickelt, die es er- möglicht, die Anzahl an tatsächlich benötigten Versuchstieren bereits vor Beginn der ethohydraulischen Tests verlässlich zu bestimmen (Forschungsgegenstand II). Die im Rahmen der Stichprobenplanung ermittelte Anzahl an Versuchstieren gewährleistet, dass die Anzahl getesteter Tiere ausreichend ist, um vorhandene signifikante Effekte mit hoher Sicherheit nachzuweisen. Im Umkehrschluss kann bei fehlenden Signifikanzen eine zu geringe Stichprobengröße als Ursache ausgeschlossen werden, so dass eine zeit- und kostenaufwendige Versuchswiederholung mit größeren Stichproben unnötig ist. So wird vor dem Hintergrund ethischer und wirtschaftlicher Gesichtspunkte berücksichtigt, dass so wenig Tiere wie möglich, aber so viele, wie für statistisch aussagekräftige Ergebnisse nötig, für die Untersuchungen verwendet werden. Das Produkt der vorliegenden Arbeit ist ein Verfahrenskatalog für ethohydraulische Untersuchungen, der die erarbeiteten Grundlagen und Erkenntnisse bündelt und als digitale Version zur Nutzung bereitstellt. Die angesprochene Nutzergruppe sind Durchführende von ethohydraulischen Tests. Die digitale Anwendung beinhaltet Vor- gaben und nützliche Informationen, die als Grundlage für eine standardisierte Vorge- hensweise während ethohydraulischer Tests und der späteren Datenauswertung zu berücksichtigen sind sowie ein allgemeingültiges Rechenmodul zur Stichprobenpla- nung. Inhaltsverzeichnis III Inhaltsverzeichnis Abstract ........................................................................................... I Kurzfassung ................................................................................... II Inhaltsverzeichnis ......................................................................... III Abbildungsverzeichnis ................................................................. VI Tabellenverzeichnis .................................................................