mini|Rurtalsperre Schwammenauel in der Eifel – mit Staudamm als Sperrbauwerk mini|Möhnetalsperre im Sauerland – mit Staumauer als Sperrbauwerk
Eine Talsperre ist ein Ingenieurbauwerk des Wasserbaus und dient der Speicherung von Wasser, um das unregelmäßig schwankende natürliche Wasserdargebot bedarfsgerecht für die unterschiedlichen Nutzungen bereitzustellen. Mit der Ausgleichswirkung des Speichers erhöhen Talsperren die Widerstandsfähigkeit wasserwirtschaftlicher Systeme gegenüber wetter- und klimabedingten Schwankungen.
Die Bauwerke und Wasserflächen der Talsperren prägen das Landschaftsbild. Charakteristisches Merkmal ist die Lage in einem Tal, das durch einen Damm oder eine Staumauer über die gesamte Talbreite abgesperrt wird. Dadurch werden Fließgewässer zu einem Stausee aufgestaut, wobei die gegenüber liegenden Talflanken die seitlichen Widerlager für das Absperrbauwerk und die Begrenzung des Stauraums bilden.
Im technischen Sinn ist eine Talsperre mehr als die reine deutsche Wortbedeutung. Vielmehr bezeichnet die Fachwelt damit den Gesamtkomplex, der über das Absperrbauwerk und das Speicherbecken hinaus auch alle für ihre Funktionsfähigkeit notwendigen Betriebseinrichtungen einschließt. Im Wasserbau gehören Talsperren zur Gruppe der Stauanlagen, die eine künstliche Fallstufe darstellen.
Funktionen einer Talsperre mini|Staumauer und Stauraum der Rappbodetalsperre Talsperren haben für den Kreislauf des Wassers eine große und entscheidende Bedeutung, weil sie in bestimmten Grenzen den natürlichen Wasserabfluss beeinflussen. Zusätzlich bieten sie den Menschen vielfältige Möglichkeiten zur Erholung und Freizeitnutzung. In der Regel sind sie Mehrzweckanlagen für unterschiedliche Zwecke. Mit einem Wasserkraftwerk kann umweltfreundlich Energie erzeugt werden und durch das Zurückhalten des Wassers und der kontrollierten Abgabe dienen sie „per se“ dem Hochwasserschutz der Unterlieger am Fluss. In Niedrigwasserzeiten ermöglicht die Speicherfunktion eine Erhöhung der Wasserführung in den Flussläufen, um beispielsweise die Schifffahrt zu ermöglichen oder die Schiffbarkeit zu verbessern. Gleichzeitig erhalten die Wasserkraftwerke im Unterlauf mehr Wasser für die Stromerzeugung und der Verdünnungseffekt dient der Verbesserung der Wasserqualität. Das Wasserdargebot ist auch nutzbar in der Industrie als Brauch- und Betriebswasser und kann zur Bewässerung landwirtschaftlicher Flächen eingesetzt werden. Unter besonderen Schutz gestellt und mit Einschränkungen bei der Freizeitnutzung sichern Talsperren als Rohwasserspender die Versorgung der Bevölkerung mit Trinkwasser.
Die einzelnen Zwecke stehen sich bei der Bewirtschaftung teilweise entgegen. Für einen optimalen Hochwasserschutz sollte der Betriebsstauraum möglichst gering gefüllt sein, wogegen bei der Nutzung zur Trinkwassergewinnung oder Energieerzeugung eine möglichst volle Talsperre gewünscht wird. Daher müssen Prioritäten festgelegt und Kompromisse gefunden werden, die am besten durch einen einzelnen verantwortlichen Betreiber wahrgenommen werden können. Talsperrenbetreiber benutzen dazu Vorhersagemodelle und erstellen ausgeklügelte Pläne für die Mengenbewirtschaftung, um die konkurrierenden Ziele in Einklang zu bringen. Grundlage sind Pegel für die Durchflussmessung im Zu- und Ablauf der Sperre. Da die Füllung der Talsperre vom Niederschlag abhängt, ist die Wetterbeobachtung eine wichtige Grundlage, weshalb häufig eigene Niederschlagsmessstationen beobachtet werden. Der Ruhrverband betreibt dazu eine Talsperrenleitzentrale, um sein Talsperrensystem mit acht Sperren zentral zu steuern und besonders für Hochwasserereignisse die Auswirkungen zu begrenzen.
Soweit die Talsperre nicht der Trinkwasserbereitstellung dient, kann der Stausee mit seinen Ufern und seine Umgebung für Freizeit- und Sportaktivitäten sowie zur Erholung genutzt werden. Durch das Aussetzen von Fischen wird der Angelsport unterstützt. Jedoch behindern die künstliche Uferstruktur und die meist wechselnden Wasserstände deren nachhaltige Fortpflanzung, sodass ein regelmäßiger Neubesatz erforderlich wird.
Begriffe und Wasserrecht Die DIN 4048 Teil 1 definiert die im Stauanlagenbau verwendeten Begriffe im technisch-fachlichen Sinn. Danach ist eine Talsperre eine:
Im Text der DIN folgt eine Skizze, in der die genannten Elemente mit Pfeilen markiert sind. Danach ist das Speicherbecken, also der sich bildende Stausee bis zum Ende an der Stauwurzel, eindeutig ein Bestandteil der Talsperre, wozu auch alle notwendigen Anlagenteile und Betriebseinrichtungen einschließlich eventuelles Kraftwerk gehören. Dies wird auch in der DIN 19700 „Stauanlagen – Teil 11: Talsperren“ entsprechend formuliert.
Diese Betrachtungsweise findet sich auch juristisch im Wasserrecht, das in Deutschland in der Zuständigkeit der Bundesländer fällt. Die entsprechenden Landeswassergesetze enthalten jeweils einen Passus zu Stauanlagen bzw. Talsperren. Beispielsweise steht im NRW-Gesetz unter §75:
Deshalb fallen darunter nicht nur die ursprünglichen Sperren und Wehre in Gebirgstälern, sondern auch die Flachlandspeicher, die eine vergleichbare Lage im Hügelland einnehmen. Wird entgegen der genannten Definition nicht die ganze Talbreite, sondern nur der Fluss durch ein Wehr abgesperrt und aufgestaut ist dies gemäß DIN 4048 eine Staustufe oder Flusssperre. In Analogie gehören auch die begrenzenden Stauhaltungsdämme und Deiche mit der gesamten Stauhaltung bis zur Stauwurzel dazu. Soweit vorhanden zählt auch ein Kraftwerk oder eine Schiffsschleuse zur Staustufe. Solche Speicherseen besitzen häufig einen Namen, der auf „see“ endet wie beispielsweise der Baldeneysee in Essen. Da die Wehrhöhe größer als fünf Meter ist, gilt der See verwaltungsmäßig und juristisch als Talsperre und muss daher allen Anforderungen und einschlägigen Sicherheitsmaßnahmen zu Talsperren genügen. Entsprechend der Zuständigkeit wird dies von den Landes- oder Umweltämtern überwacht. Bei kleineren Sperren werden die Unteren Wasserbehörden wie die Landkreise und Kreisfreien Städte zuständig.
In Österreich werden die Stauseen oft als Speicher bezeichnet und gelten bei einem Speicherinhalt über 500.000 m³ als Talsperre. Eine große Talsperre besitzt dort grundsätzlich eine Höhe über Gründungssohle von mehr als 15 Metern oder weist bei Höhen zwischen 5 und 15 Metern ein Stauvolumen über drei Millionen Kubikmeter auf. Das Schweizer Talsperrenkommittee listet die nationalen Talsperren unter ihrem Seenamen.
Im Englischen ist der Begriff dam für eine Talsperre gebräuchlich, wobei dam sowohl für einen Staudamm als auch für eine Staumauer verwendet wird. Die Internationale Kommission für große Talsperren (ICOLD=International Commission On Large Dams) benutzt das ICOLD-Kriterium als Kriterium für große Talsperren und listet insgesamt weltweit über 55.000 Talsperren.Titelblatt ICOLD.
Ausbaugrad Für die Speicherfunktion einer Talsperre ist der Ausbaugrad ein wichtiger Parameter. Es handelt sich hierbei um das Speichervolumen des Stauraumes dividiert durch das Volumen des Jahreszuflusses. Sehr gut ausgestattete Talsperren haben einen Ausbaugrad von 1,0 (100 %) oder mehr. Aber auch Talsperren mit einem Ausbaugrad von 0,3 (30 %) sind noch in der Lage, Hochwässer deutlich zu dämpfen und begrenzt Niedrigwasser aufzuhöhen. Es gibt auch Talsperren mit einem Ausbaugrad von 1 bis 2 %, doch können diese kaum zur Speicherbewirtschaftung genutzt werden.
Klassifizierung der Absperrbauwerke Man unterscheidet folgende Ausführungen der Absperrbauwerke:
Staudamm
Die Talsperre wird aus Gestein und Erde aufgeschüttet. Die Stabilität des Bauwerks ist durch das Eigengewicht und den flachen Böschungswinkel gegeben. Bei der Abdichtung wird zwischen einer Oberflächendichtung und einer Kerndichtung unterschieden.
Bei der Oberflächendichtung wird der Damm auf der Wasserseite zum Beispiel durch eine Lehm- oder Tonschicht abgedichtet. Es gibt jedoch auch andere Ausführungen dieser Dichtungsart – wie etwa Asphaltschichten. Der Nachteil bei dieser Ausführung ist, dass die Dichtung Witterungseinflüssen und Wellenschlag ausgesetzt ist und daher eher einem Verschleiß unterliegt.
Bei der Kerndichtung befindet sich ein sogenannter Dichtriegel im Innern des Dammes. Der Nachteil dieser Ausführung ist, dass spätere Nachbesserungen oder Sanierungen erheblich erschwert sind. Darüber hinaus steht als Widerlager gegen die horizontal wirkenden Kräfte (der Wasserdruck ist gegen den Damm gerichtet) nur der Dammschüttkörper hinter der Kerndichtung zur Verfügung, denn der Wasserdruck wirkt auf die Dichtung. Damit kommen Dämme mit Oberflächendichtung mit weniger Dammschüttmaterial aus.
Der Überlauf (Hochwasserentlastungsanlage) wird bei Erddämmen meist gemauert oder betoniert ausgeführt und möglichst auf gewachsenen Boden oder besser sogar auf Fels gegründet.
Diese Sperren werden oft, aber nicht ausschließlich, für kleine Becken an kleinen Flüssen verwendet. Eine weitere Einsatzmöglichkeit sind auch große Talquerschnitte mit schwierigem Baugrund. Wenn aufgrund der Baugrundverhältnisse wie beispielsweise eine geringe Druckfestigkeit des anstehenden Bodens nur geringe Bodenpressungen möglich sind, ist die Dammkonstruktion wegen ihrer großen Aufstandsfläche eine der besten Lösungen für eine Talsperre.
Beispiele: Trinkwassertalsperre Frauenau Stausee Göscheneralp Mattmarksee
Gewichtsstaumauer
Diese Mauern werden im Kern aus Mauerwerk oder Beton hergestellt. Die Oberfläche wird abgedichtet und die Mauerkrone befestigt. Diese Talsperrenart hält dem Druck der Wassermassen allein auf Grund ihres Gewichtes stand.
Beispiele: Grande Dixence Moosersperre Rappbodetalsperre Edertalsperre
Bogenstaumauer oder Gewölbestaumauer
Bei sehr hohen und nicht sehr breiten Tälern werden vorrangig Bogenstaumauern angewendet. Die Mauer ist nicht eben, sondern bildet einen gegen die Wasserseite vertikal und horizontal gespannten Bogen. Der durch das Wasser erzeugte Druck auf die Mauer wird über den Bogen auf die seitlich im Berg gelegenen Fundamente abgeleitet. Bei dieser Mauerform ist die Bindung an den Fels besonders wichtig. Bogenstaumauern werden beispielsweise bei Stauseen in der Schweiz und in Österreich am häufigsten angewendet.
Beispiele: Kölnbreintalsperre Drossensperre Lac de Mauvoisin
Bogengewichtsmauer
mini|hochkant|Mauer und Stauraum des Hoover Dam Als Mischform zwischen reinen Bogenstaumauern und Gewichtsstaumauern: Ein Teil der Lasten wird über Bogenwirkung abgetragen, der Rest durch die Kragträgerwirkung der Mauer. Die notwendige Aufstandsfläche ist geringer als bei einer Gewichtsstaumauer. Die Vorteile sind gegenüber einer Gewichtsstaumauer eine geringere Masse und gegenüber einer Bogenstaumauer die geringere Belastung der Talflanken und geringere Wirkung des Schwindens des Betons.
Beispiele: Hoover Dam Sajano-Schuschensker Stausee Okertalsperre Zervreilasee
Pfeilerstaumauer
Eine Pfeilerstaumauer ist im Wesentlichen eine Betonstaumauer mit Pfeilern, die die Kräfte in den Untergrund ableiten, sowie mit materialsparenden Zwischenräumen.
Beispiele: Lucendro Oleftalsperre Linachtalsperre
Bauwerke und Betriebseinrichtungen Viele Talsperren haben eine Vorsperre, die ein Vorbecken aufstaut. Sinn der Vorsperre ist in der Regel, Fremd- und Trübstoffe sowie Sedimente von der Hauptsperre möglichst fernzuhalten. Darüber hinaus minimiert eine Vorsperre mit festem Dauerstau die nicht immer ästhetisch anmutenden trockenfallenden Uferzonen im Stauwurzelbereich. Das Überlaufbauwerk beziehungsweise die Hochwasserentlastungsanlage führt große Hochwässer schadlos am Absperrbauwerk vorbei. Der Grundablass dient der Regulierung des Wasserspiegels, insbesondere bei Hochwasser, bei Bautätigkeiten und bei einer völligen Entleerung der Talsperre.