Erosie, sedimentatie en morfologie Afferdensche en Deestsche Waarden

Ministerie van Verkeer en Waterstaat

opq

Erosie, sedimentatie en morfologie Afferdensche en Deestsche Waarden

RIZA werkdocument 2004.172X Projectnummer 6101.200.03 Auteurs: A.Z. Visser (RIZA-WST) J. Sieben (RIZA-WSR)

Dordrecht, december 2004

Inhoudsopgave ........................................................................................

Samenvatting 5 1. 1.1

Inleiding 13 Leeswijzer 14

2. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Inventarisatie van de huidige zomerbedmorfologie bij de Afferdensche en Deestsche Waarden 17 Achtergrond 17 Huidige grootschalige bodemontwikkeling 17 Huidige lokale bodemontwikkeling 20 Beschikbare vaarwegdiepte. 22 Conclusies 25

3. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

Morfologische effecten in de hoofdgeul 27 Inleiding 27 Model voor morfologische effecten 27 Evenwichtswaarde bodemverandering 29 Jaargemiddeld effect 32 Invloed volgorde van uitvoering. 33 Morfologische veranderingen tijdens hoogwater 34

4. 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

Schatten van afvoer en snelheden in de nevengeul 39 Hydraulische variabelen 39 Schematisering regelwerk 40 Schematisering nevengeul 44 Resultaten direct na aanleg. 46 Resultaten op langere termijn 47 Abiotische kenmerken bij gemiddelde Waalafvoer 48

5.

Sedimentatie en erosie in de nevengeul van de Afferdensche en Deestsch waarden 51 Inleiding 51 Bouw SOBEK-slibmodel nevengeul ADW 53 Segmenten 53 Randvoorwaarden 54 Initiële condities 55 Procesconstanten 55 Sedimentatie en erosie 56 Stroomsnelheden in segmenten van de nevengeul 56 Zwevend stofgehalte 57 Sedimentatie 59 Erosie 61 Erosie bij extreem hoge afvoeren in de uiterwaard 65 Resultaten lange termijn 67 Opmerkingen 68 Conclusies 68

5.1 5.2 5.2.1. 5.2.2. 5.2.3. 5.2.4. 5.3 5.3.1. 5.3.2. 5.3.3. 5.3.4. 5.3.5. 5.4 5.5 5.6

3

Erosie, sedimentatie en morfologie ADW

6. 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5

Sedimentatie in de zandvang 71 Inleiding 71 Empirische relatie 72 Jaarlijkse aanzanding zonder hoogwater 73 Sedimentatie tijdens hoogwater 74 De totale sedimentatie in de zandvang 75

7. 7.1 7.2 7.3 7.4

Erosie in de zandwinplas 77 Inleiding 77 Vulfase 77 Eindfase 79 Conclusies 80

8. 8.1 8.2

Aanbevelingen 81 Nevengeul 81 Zandwinplas 82

Literatuur 83

4


Samenvatting

............................................................................... De Afferdensche en Deestsche Waarden zijn uiterwaarden gelegen aan de linkeroever van de Waal tussen kmr 899.6 en 903.2. Uit oogpunt van ruimte voor de rivier is het plan ontstaan om deze uiterwaard her in te richten zodat bij hoge afvoeren de uiterwaard meer gaat meestromen. De nieuwe inrichting bestaat uit een natuurgebied met daarin een stromende nevengeul. Vanwege het graven van een nevengeul en het afgraven van delen van de uiterwaard moet er verontreinigde grond verplaatst worden. Daartoe moet er een milieueffectrapportage (m.e.r.) opgesteld worden. RWS Oost-Nederland heeft aan RWS Bouwdienst gevraagd om voor de milieueffectrapportage het milieueffectrapport (het MER) op te stellen en de daarvoor benodigde onderzoeken uit te zetten. Een aantal van die onderzoeken voor het MER, o.a. op het gebied van erosie, sedimentatie en morfologie, zijn door RWS RIZA uitgevoerd. Er zijn daarvoor de volgende vragen beantwoord: • Wat zijn de bodemveranderingen in de hoofdgeul ten gevolge van de herinrichting? • Welk sedimentvolume moet ten gevolge van de herinrichting jaarlijks verwijderd worden om belemmering van de scheepvaart te voorkomen? • Wat is het risico voor erosie van de mogelijk verontreinigde bodem van de nevengeul? • Wanneer is, als gevolg van sedimentatie, de zandvang vol waardoor er onderhoudswerkzaamheden uitgevoerd zouden moeten gaan worden? • Wat is het risico voor erosie van de deklaag van het stort in de eindfase? Morfologische effecten hoofgeul Ter plekke van de Afferdensche en Deestsche Waarden daalt sinds 1990 de bodemligging met circa 0,02 m per jaar. Dit is waarschijnlijk een gevolg van de intensieve baggerinspanning uit de periode 19801990. De invloed van het sinds 1995 gewijzigde baggerbeleid (“geen sedimentonttrekking aan het systeem”) zal vermoedelijk pas over een aantal jaren leiden tot een afname in deze lokale bodemdaling. Ter plekke van km 899 en 900 is sprake van een lokale verondieping (breedtegemiddeld circa 0,2 m) die onder andere het gevolg is van lokale stroming uit de hoofdgeul naar de uiterwaarden tijdens hoogwater. Door deze ondiepte vonden bij km 900 de meeste minimale vaarwegdiepten (minst-gepeilde-diepte) plaats van de Waal in de periode 1990-2002, zodat bij km 900 (en in mindere mate bij km 901 en 903) van knelpunt voor de scheepvaart gesproken mag worden. Het jaarlijks baggerwerk om de vaarweg lokaal op diepte te onderhouden is in de orde van 37.000 m3 (beunvolume).

5


De belangrijkste verwachte herinrichtingeffecten voor de hoofdgeul zijn: • In het traject tussen splitsing en samenvloeiing van hoofdgeul en nevengeul vindt naar verwachting gemiddeld ongeveer 0,08 m à 0,09 m verondieping plaats. Bij de instroming naar de nevengeul, tussen km 899 en 900, zou de grootste verondieping kunnen ontwikkelen in de rechter binnenbocht, dus ter plekke van het huidige scheepvaartknelpunt. Nader onderzoek met een model voor twee-dimensionale riviermorfologie kan hierover uitsluitsel geven. De verondieping tussen km 899 en 900 kan leiden tot een extra jaarlijkse baggerinspanning met een beunvolume van circa 17.000 m3. • Door de herinrichting nemen tussen km 898,5 en 900 de snelheden in de linkerhelft van de rivier en in de oeverzone tijdens hoogwater toe. Dit kan leiden tot i) grotere aanzanding in de rechterhelft (binnenbocht) van de hoofdgeul ii) grotere dynamiek in de linkeroeverzone bij de instroomopening van de nevengeul (grotere erosie ter plekke van zomerkade en kribwortels en een grotere hoogwatersedimentatie). • Door de herinrichting nemen tussen km 902 en 903 de snelheden in de linkerhelft van de rivier en in de oeverzone tijdens hoogwater toe. Dit kan leiden tot erosie tijdens hoogwater bij de uitstroomopening van nevengeul. Morfologische effecten uiterwaard Tijdens hoogwater zijn stroomsnelheden maximaal in het benedenstroomse (westelijke) deel van de uiterwaard; dit betekent dat in dit deel rekening gehouden moet worden met mogelijke erosie van i) slib en ii) nevengeuloevers en nevengeulbodem. De volgorde van uitvoering (al of niet aantakken van nevengeul, aanleg hoogwatergeul, initiële vegetatie na oplevering) heeft geen significante invloed op de verwachte morfologische effecten in de hoofdgeul. Door erosie van smallere profielen in de nevengeul is na aanleg een langzame toename in nevengeulafvoer mogelijk. Dit proces vergt een zorgvuldige monitoring van bodemliggingen en nevengeulafvoer na aanleg, en indien nodig een correctie van het afvoerregelwerk in de nevengeul. Erosie en sedimentatie zwevend stof nevengeul Als gevolg van grote stroomsnelheden kan er in de nevengeul erosie optreden van de mogelijk verontreinigde waterbodem. Het is dus van belang om na te gaan of er netto erosie van bodemmateriaal kan optreden en zeker als er sprake is van nog resterende verontreinigde lagen in de bodem van de nevengeul. Tevens is het van belang om te weten hoe snel de nevengeul eventueel dicht sedimenteert en er dus onderhoud aan de nevengeul gepleegd moet gaan worden.

6


De direct na aanleg in de nevengeul te verwachte sedimentatie van zwevend stof en erosie van bodemmateriaal is berekend met behulp van het SOBEK-slibmodel van de nevengeul. De nevengeul is daarvoor in het model verdeeld in segmenten. Voor de bepaling van sedimentatie van het zwevend stof wordt onderscheid gemaakt in drie fracties, fijn slib, grof slib en fijn zand. Voor elk van de drie fracties geldt een andere kritische snelheid voor sedimentatie en een andere valsnelheid. De berekeningen laten zien dat het fijne slib nauwelijks sedimenteert in de nevengeul. Alleen bij afvoeren lager dan gemiddelde Waalafvoer vindt er lichte sedimentatie van het fijne slib plaats aan het begin van de nevengeul (segment ADW_Sgm1 (de inlaat) en segment ADW_Sgm2 (de zandvang)) en in het achterste deel van de nevengeul (segment ADW_Sgm7). Bij hogere afvoeren neemt het gehalte aan fijn slib in de waterfase in het gedeelte van de nevengeul na het regelwerk iets toe. Dit als gevolg van erosie in segment ADW_Sgm3, het segment in het SOBEKslibmodel net achter het regelwerk. Het grove slib sedimenteert wel in de nevengeul. Bij afvoeren tot aan gemiddelde Waalafvoer neemt het gehalte grof slib, als gevolg van sedimentatie, in de loop van de nevengeul steeds verder af, uitgezonderd aan het eind van de nevengeul (segment ADW_Sgm8). Hier blijft het gehalte grof slib gelijk aan het gehalte in het voorgaande segment. De grootste sedimentatie hoeveelheid van het grove slib vindt plaats aan het begin van de nevengeul, waarna in de rest van de nevengeul een afname in hoeveelheid is te zien. Bij afvoeren hoger dan de gemiddelde Waalafvoer is er geen sedimentatie van grof slib meer in de segmenten ADW_Sgm1 (inlaat), ADW_Sgm3 en ADW_Sgm5, dit als gevolg van te hoge stroomsnelheden. In deze segmenten treedt erosie van grof slib op, wat in de daarop volgende segmenten weer sedimenteert. Bij alle afvoeren vindt er in de nevengeul sedimentatie van fijn zand plaats. Het gehalte aan fijn zand neemt daardoor in de loop van de nevengeul af. De meeste sedimentatie van het fijne zand vindt plaats aan het begin van de nevengeul in de inlaat (segment ADW_Sgm1) en de zandvang (segment ADW_Sgm2). Bij lage afvoeren is er nauwelijks tot geen sedimentatie meer van het fijne zand in de laatste twee segmenten aan het einde van de nevengeul. Bij afvoeren hoger dan de gemiddelde Waalafvoer vindt er geen sedimentatie van het fijne zand meer plaats in het segment ADW_Sgm3 en bij de hoge afvoeren ook niet meer in segment ADW_Sgm1(inlaat). Als gevolg van te hoge stroomsnelheden treedt er dan in die segmenten geen sedimentatie maar erosie op. Het geërodeerde fijne zand sedimenteert wel weer in de verdere loop van de nevengeul. Door het SOBEK-slibmodel, met een kritische stroomsnelheid voor erosie van 0,5 m/s, wordt in de nevengeul door de Afferdensche en Deestsche waarden geen erosie berekend tijdens afvoeren lager dan de

7


gemiddelde Waalafvoer. Bij Waalafvoeren hoger dan de gemiddelde Waalafvoer vindt wel erosie plaats. Erosie treedt dan op in het gedeelte van de nevengeul na het regelwerk (segment ADW_Sgm3) en in de inlaat van de nevengeul (segment ADW_Sgm1). Lichte erosie vindt nog plaats in ongeveer het midden van de geul (segment ADW_Sgm5). De erosie van mogelijk verontreinigd bodemmateriaal in de nevengeul is een belangrijk punt. Daarom is ter controle van het SOBEK-model van de nevengeul een exercitie met GIS voor een gemiddelde afvoer uitgevoerd en met behulp van WAQUA gekeken naar een situatie met een hoge afvoer. Uit de GIS exercitie kan geconcludeerd worden dat bij gemiddelde Waalafvoer en een kritische stroomsnelheid voor erosie van 0,5 m/s er geen erosie in de nevengeul optreedt. Rond de kritische stroomsnelheid voor erosie zit echter een bepaalde onzekerheidsband. In het Noordelijk Deltabekken wordt over het algemeen een kritische stroomsnelheid voor erosie aangehouden van 0,5 m/s. In het rivierengebied wordt een andere range aangehouden. Bij een zandige bodem wordt aangehouden dat er erosie optreedt bij ca 0,3 m/s, terwijl er bij een kleibodem pas erosie op gaat treden bij een stroomsnelheid van ca 0,8 m/s. Bij toepassing van de kritische stroomsnelheidrange van 0,3 - 0,8 m/s in de GIS exercitie blijkt dat er in het grootste deel van de nevengeul, bij welke bodemsoort dan ook, geen erosie optreedt. De stroomsnelheden zijn kleiner dan 0,3 m/s. In vier gedeeltes van de nevengeul kan er mogelijk erosie optreden indien daar de bodem wat zandig van aard is. Die vier gedeeltes van de nevengeul zijn de inlaat, net na het regelwerk, het midden en de uitstroom. De berekende stroomsnelheden liggen in deze gedeeltes tussen de 0,3 en 0,5 m/s. Wanneer we de textuurkaarten van het toekomstig maaiveld erbij betrekken, dan zien we dat er in deze gebieden (uitgezonderd het midden van de nevengeul, hier zijn geen gegevens van beschikbaar) niet alleen slib wordt aangetroffen, maar ook zand. De bodem is blijkbaar zandig van aard en er bestaat dus de kans dat er mogelijk erosie in deze gebieden optreedt bij gemiddelde afvoer. Bij een hoge Bovenrijnafvoer van bijvoorbeeld 10.000 m3/s is de uiterwaard overstroomd en is de stroomsnelheid volgens de WAQUAberekening over bijna de gehele uiterwaard groter dan 0,3 m/s. Aannemende dat de gehele uiterwaard begroeid is zal dit hier geen erosie tot gevolg hebben. In de nevengeul is de kans op erosie wel aanwezig. Voor zowel de huidige als de toekomstige situatie van de uiterwaard is er een WAQUA-berekening gemaakt. Met behulp van isolijnen van de berekende stroomsnelheden is getracht die gebieden in de uiterwaard aan te geven waar de stroomsnelheid boven de kritische stroomsnelheid voor erosie uitkomt. Dit zijn de erosiegevoelige gebieden in de uiterwaard. (zie de figuren 5.11 en 5.12 in hoofdstuk 5). De kans op erosie in de gebieden die in de figuren geel ingekleurd zijn is vrij groot. In deze gebieden liggen de berekende stroomsnelheden tussen de 0,5 m/s en 0,8 m/s. In de gedeeltes van de uiterwaard daar waar begroeiing aanwezig is en daar waar de bodem

8


kleiig is zal er geen erosie optreden. In de nevengeul zal dit wel het geval zijn. Aangezien de bodem van de nevengeul zandig van aard is en de stroomsnelheden ter plaatse van de nevengeul voor het grootste gedeelte rond de 0,5 m/s of meer bedragen is de kans op erosie in de nevengeul bij een hoge afvoer vrij groot. In de met rood omrande gebieden (0,8 m/s of hoger) treedt bij een afvoer van 10.000 m3/s erosie op. Wanneer toekomstige situatie vergeleken wordt met de huidige situatie dan blijkt dat daar waarin de toekomstige situatie de nevengeul loopt er meer erosie op kan gaan treden dan in hetzelfde gebied in de huidige situatie. Wanneer we kijken naar verontreinigingen dan zitten de verontreinigingen meer aan slibachtig materiaal dan aan zand. Dit meenemende zou dus alleen bij hoge afvoeren erosie plaats kunnen vinden (snelheden > 0,5 m/s) en zijn de in figuur 5.12 aangegeven gele gebieden de mogelijk erosiegevoelige gebieden in de toekomstige situatie (afhankelijk nog wel van wel of geen begroeiing). Op jaarbasis gezien blijft de hoeveelheid sedimentatie van het zwevend stof in de nevengeul beperkt tot zo’n 10.000 m3 per jaar. In de verschillende modelsecties van de nevengeul ligt de netto sedimentatie in de diepere delen van het profiel tussen de 0,01 en 0,05 m/jaar. De sedimentatie bestaat uit fijn zand (50-60%) en grof slib (40-50%), met uitzondering van segment ADW_Sgm5, waar het percentage fijn zand hoger is en het slibpercentage lager (70% om 30%), en segment ADW_Sgm7, waar het slibpercentage hoger is dan het fijn zandpercentage (60% om 40%). Over een jaar bekeken treedt in bepaalde delen van de nevengeul niet alleen erosie maar ook sedimentatie op. Netto erosie in de nevengeul, d.w.z. op jaarbasis gezien overheerst de erosie, vindt alleen maar plaats in de segmenten ADW_Sgm3, orde 0,09 m na 1 jaar tot 0,02 à 0,03 m na 10 jaar (schatting), en ADW_Sgm1 (inlaat), orde 0 tot 0,01 m per jaar. De verwachte ontwikkeling van de nevengeul is dat deze heel langzaam zal sedimenteren, uitgezonderd het gedeelte (ADW_sgm3) net na het regelwerk. Dit gedeelte zal nog wel een aantal jaren langzaam eroderen. De zandvang Op basis waargenomen hoogwatersedimentatie en met behulp van een empirische relatie wordt geschat dat de grootte van de jaarlijkse aanzanding in de zandvang van de nevengeul circa 500 m3 bedraagt. Deze schatting is onnauwkeurig. Met een goede vormgeving van de nevengeulinlaat kan deze sedimentatie significant worden verminderd. In de eerste jaren na aanleg kan grotere sedimentatie plaatsvinden door aanpassing van de bodem in het kribvak van de inlaat en lokale oevererosie in de zandvang zelf.

9


Wordt het geschatte volume van de aanzanding verdeelt over het oppervlak van de zandvang dan zou dat neerkomen op een aanzanding van ongeveer 0,01 m/jaar. In de zandvang sedimenteert niet alleen het zand dat over de bodem van de Waal de nevengeul in wordt getransporteerd, maar ook het zwevend stof. De sedimentatie in de zandvang als gevolg van het zwevend stoftransport wordt geschat op 0,05 m per jaar, waarbij opgemerkt moet worden dat uiterwaard overschrijdende hoge afvoeren niet in de berekening zijn meegenomen. De totale sedimentatie zou dan ongeveer 0,06 m/jaar bedragen. Het gesedimenteerde sediment zal zich echter niet gelijkelijk verdelen over het hele oppervlak van de zandvang, maar zich in de stroomrichting door de zandvang met een sedimentfront verplaatsen. Erosie in de zandwinplas Bij de herinrichting van de Afferdensche en Deedstsche waarden zal de in de uiterwaard gelegen zandwinplas gebruikt gaan worden als depot voor de afgegraven verontreinigde grond. In de voor de herinrichting benodigde MER moet aangegeven worden in hoeverre erosie kan optreden in de zandwinplas bij toekomstig gebruik als depot. Dit is van belang in de vulfase en in de eindfase, na het beëindigen van het storten. In de zandwinplas kan erosie optreden onder invloed van stroming. Vanwege het relatief geïsoleerde karakter zijn in het geval van de zandwinplas vooral de hoogwaterperioden van belang. Met behulp van een WAQUA-model is bij uiterwaard overschrijdende afvoeren, 8.000, 10.000 en 16.000 m3/s (Bovenrijnafvoer) gekeken naar de stroomsnelheden ter plaatse van de zandwinplas, zowel in de huidige situatie als in de toekomstige situatie. De berekende snelheden zijn vergeleken met de kritische stroomsnelheid voor erosie. In het noordelijke gedeelte van de zandwinplas, net na de nu nog bestaande verbinding met de Waal, treedt bij alle drie de afvoeren, zowel in de referentie- als toekomstige situatie, erosie op. De stroomsnelheden zijn hier hoger dan de kritische snelheid voor erosie (0,5 m/s). Bij een Bovenrijnafvoer van 8.000 m3/s zal er nog geen erosie optreden in de rest van de zandwinplas, de stroomsnelheden zijn bij deze afvoer lager dan de kritische stroomsnelheid voor erosie, zowel in de huidige situatie als in de toekomstige situatie. Bij een Bovenrijnafvoer van 10.000 m3/s is in de zandwinplas in de huidige situatie nog weinig kans op erosie. Dit komt doordat de zandwinplas nog in de luwte van het hoogwatervrij terrein ligt en er daardoor nog lage stroomsnelheden optreden. Door afgraving van het hoogwatervrij terrein, in de toekomstige situatie, is de luwte verdwenen en komen de berekende stroomsnelheden in de buurt van de kritische stroomsnelheid voor erosie te liggen. Er kan dus lichte erosie op gaan treden. Voor de maatgevende hoogwaterafvoer van 16.000 m3/s geldt in de huidige situatie precies hetzelfde als bij de afvoer van 10.000 m3/s. In de toekomstige situatie, met een afgegraven hoogwatervrij terrein, zijn de berekende stroomsnelheden in het grootste deel van de zandwinplas

10


hoger dan de kritische stroomsnelheid voor erosie. Er treedt dan in meerdere delen van de zandwinplas erosie op. Om na te gaan of erosie in de zandwinplas op kan gaan treden wanneer de zandwinplas opgevuld en afgedekt is, is gebruik gemaakt van de stroomsnelheden van een WAQUA-berekening met de MHWafvoer van 16.000 m3/s en waarin de bodem van de zandwinplas opgehoogd is tot –0,5 m NAP. De berekende stroomsnelheden ter plaatse van de zandwinplas zijn voor het grootste gedeelte hoger dan 0,5 m/s. De bodem van de opgevulde zandwinplas is dus bij extreem hoge afvoer onderhevig aan erosie. Indien de bodem van de zandwinplas een zandige afdekking krijgt (kritische stroomsnelheid van 0,3 m/s) zal bijna de gehele plas onderhevig zijn aan erosie. Indien de bodem afgedekt wordt met klei (kritische stroomsnelheid van 0,8 m/s) is er praktisch geen erosie.

11


12


1. Inleiding ............................................................................... De Afferdensche en Deestsche Waarden liggen aan de linkeroever van de Waal tussen kmr 899.6 en 903.2. ...............................

Figuur 1.1 Ligging Afferdensch en Deestsche Waarden.

Uit oogpunt van ruimte voor de rivier is het plan ontstaan om deze uiterwaard her in te richten zodat bij hoge afvoeren de uiterwaard meer gaat meestromen. Daarom is er een herinrichtingsplan (Afferdensche en Deestsche Waarden. Inrichtingsplan 1999 ON-rapport-99-001) opgesteld. De nieuwe inrichting bestaat uit een natuurgebied met daarin een stromende nevengeul. ...............................

Figuur 1.2 Inrichtingsplan

(bron: www.adwaarden.nl).

Vanwege het graven van een nevengeul en het afgraven van delen van de uiterwaard moet er verontreinigde grond verplaatst worden. Daartoe moet er een milieueffectrapportage (m.e.r.) opgesteld worden. De m.e.r.-plichtige activiteit heeft betrekking op berging van de verontreinigde uiterwaardgrond die nodig is om de herinrichting te realiseren. Het doel van de m.e.r. is om te komen tot een ontwerp met alternatieven waarbij tegen aanvaardbare kosten en op een

13


milieuhygiënisch verantwoorde wijze de uiterwaardengrond geborgen wordt in de Afferdensche en Deestsche Waarden. RWS Oost-Nederland heeft aan RWS Bouwdienst gevraagd om voor de milieueffectrapportage het milieueffectrapport (het MER) op te stellen en de daarvoor benodigde onderzoeken uit te zetten. Een aantal van die onderzoeken voor het MER, o.a. op het gebied van erosie, sedimentatie en morfologie, zijn door RWS RIZA uitgevoerd. Er zijn daarvoor enkele vragen uitgezocht. De beantwoording van de verschillende vragen zijn in eerste instantie in memo’s verwoord. Deze memo’s zijn in dit werkdocument samengebracht en worden nu als één geheel gepresenteerd. Het gaat hierbij om de vragen: • Wat zijn de bodemveranderingen in de hoofdgeul ten gevolge van de herinrichting? • Welk sedimentvolume moet ten gevolge van de herinrichting jaarlijks verwijderd worden om belemmering van de scheepvaart te voorkomen? • Wat is het risico van erosie van de mogelijk verontreinigde bodem van de nevengeul? • Wanneer is, als gevolg van sedimentatie, de zandvang vol waardoor er onderhoudswerkzaamheden uitgevoerd zouden moeten gaan worden? • Wat is het risico van erosie van de deklaag van het stort in de eindfase? Bij de beantwoording van de vragen is o.a. gebruik gemaakt van modellen. Daarbij zijn niet altijd dezelfde modellen gebruikt. Bij bovenstaande eerste twee punten, waarbij het voornamelijk om zand gaat, worden de veranderingen in zand voorspeld op basis van modellen voor niet-cohesief sediment. Terwijl het bij de laatste twee punten voornamelijk om slib gaat waarbij de te bepalen veranderingen die in slib plaats vinden voorspeld worden op basis van modellen voor cohesief sediment.

1.1

Leeswijzer

In hoofdstuk 2 is ter voorbereiding van de beantwoording van bovenstaande tweede vraag eerst een beschrijving gegeven van het huidige vaarwegbeheer ter plekke van de Afferdensche en Deestsche Waarden. Het huidige vaarwegbeheer wordt in dit hoofdstuk beschreven met behulp van de lokale ontwikkelingen in de gepeilde zomerbedbodem, de lokale geregistreerde minst-gepeilde-diepten en de lokale geregistreerde baggerinspanning van het afgelopen decennium. In hoofdstuk 3 vindt de uiteindelijke beantwoording van de eerste twee vragen plaats. In dit hoofdstuk worden de morfologische effecten beschreven voor de hoofdgeul en globaal voor de uiterwaard, die ten gevolge van de herinrichting van de Afferdensche en Deestsche Waarden verwacht kunnen worden.

14


Voor het voorspellen van morfologische effecten van de geplande nevengeul in de Afferdensche en Deestsche Waarden zijn met een 1D model de hydraulische condities van de geul geschematiseerd. Een beschrijving van het model vindt plaats in hoofdstuk 4. Op basis hiervan zijn nevengeulafvoeren berekend die gebruikt zijn voor het schatten van de bodemveranderingen in de hoofdgeul en voor het schatten van de jaarlijkse sedimentvracht van zwevend bodemmateriaal en slib dat aan de nevengeul wordt aangeboden. In hoofdstuk 5 wordt de derde vraag van bovenstaande vragen beantwoord. In dit hoofdstuk wordt inzicht gegeven in de erosie en sedimentatie die in de nevengeul plaatsvindt. Tevens wordt in dit hoofdstuk weergegeven waar erosie in de uiterwaard op kan gaan treden tijdens extreem hoge afvoeren. In hoofdstuk 6 wordt de vraag beantwoord die in de loop van het onderzoek ontstaan is en met de sedimentatie in de nevengeul te maken heeft, en wel wanneer is de zandvang vol waardoor er onderhoudswerkzaamheden uitgevoerd zouden moeten gaan worden. De laatste vraag van bovenstaande vragen wordt beantwoord in hoofdstuk 7. In dit hoofdstuk wordt aan de hand van WAQUAberekeningen met uiterwaardoverschrijdende afvoeren aangegeven waar er erosie op kan gaan treden ter plaatse van de zandwinplas tijdens deze hoge afvoeren, wanneer deze volgestort wordt/is. Tenslotte worden in hoofdstuk 8 nog enkele aanbevelingen gedaan die tijdens de onderzoeken naar boven zijn gekomen.

15


16


2. Inventarisatie van de huidige zomerbedmorfologie bij de Afferdensche en Deestsche Waarden

...............................................................................

2.1

Achtergrond

Voor de MER “Berging van de uiterwaardengrond in de Afferdensche en Deestsche waarden” moeten de morfologische veranderingen door herinrichting van de Afferdensche en Deestsche waarden worden voorspeld. De aanzet voor dit inrichtingplan is beschreven in “Afferdensche en Deestsche Waarden. Inrichtingsplan 1999 ONrapport-99-001”. Er zijn hiertoe twee vragen te beantwoorden: 1) Wat zijn de bodemveranderingen in de hoofdgeul ten gevolge van de herinrichting? 2) Welk volume ten gevolge van deze bodemveranderingen moet jaarlijks verwijderd worden om belemmering van de scheepvaart te voorkomen? De eerste vraag kan pas worden opgepakt als het lokale stroombeeld bij hoogwater in de referentie en alternatieven is berekend. In dit hoofdstuk worden dus nog geen effecten bepaald. Ter voorbereiding op beantwoording van de tweede vraag wordt het huidige vaarwegbeheer ter plekke van de Afferdensche en Deestsche Waarden beschreven met behulp van de lokale ontwikkelingen in de gepeilde zomerbed bodem, de lokale geregistreerde minst-gepeildediepten en de lokale geregistreerde baggerinspanning van het afgelopen decennium. Met dit geschetste beeld van het huidige vaarwegbeheer (dit hoofdstuk) en de voorspelde bodemveranderingen (gereed na beantwoording van vraag 1) worden de consequenties voor het toekomstig vaarwegbeheer geschat (zie hoofdstuk 3).

2.2

Huidige grootschalige bodemontwikkeling

Om de grootschalige en lokale trends in bodemontwikkeling te bekijken wordt gebruik gemaakt van de km-gemiddelde waarden van de jaarlijkse dwarspeilingen (Ten Brinke, 2000). In het riviertraject van het projectgebied (Midden-Waal) is sprake van een lange termijn bodemdaling. Dit is weergegeven in Fig. 2.1 waar het verloop in jaarlijkse, km- en profielgemiddelde bodemliggingen van Bovenrijn en Waal is getekend.

17


...............................

decade gemiddelde bodemligging [m] + NAP

Figuur 2.1 Decade gemiddelde bodemliggingen Bovenrijn en Waal.

5 4 3 2 1960

1

1970

0 -1860

870

880

890

900

910

920

930

940

950

1980 1990

-2 -3 -4 -5 rivierkilometers

In Fig. 2.2-a zijn de bodemliggingen uit Fig. 2.1 getekend, maar nu ten opzichte van de decadegemiddelde bodemligging uit de periode 19551965 (zwarte lijn Fig. 2.1). Uit het verloop blijkt dat de bodemhelling van de Waal afneemt, met een bodemdaling in de bovenstroomse trajecten en een bodemstijging in de benedenstroomse trajecten. Uit het verloop in gebaggerd volume van Fig. 2.2-b blijkt dat deze bodemstijging in het benedenstroomse traject door baggerinspanning gedeeltelijk wordt onderdrukt. ...................... 70000

......................

Figuur 2.2-b (rechts)

60000

0.25 0 860 -0.25

880

900

920

940

1970 1980 1990

-0.5

baggervolume [m3]

Bodemveranderingen ten opzichte van de bodemligging uit de periode 1955-1965.

decade gemiddelde bodem [m] tov bodemligging in 1960

0.5

Figuur 2.2-a (links)

50000 1970

40000

1980 30000

1990

20000 10000

-0.75

0 857 867 877 887 897 907 917 927 937 947

-1

Gebaggerd volume op de Bovenrijn en Waal (in periode van 10 jaar).

rivierkiometer

rivierkilometer

De oorzaken van deze afname in Waalbodemhelling worden in het algemeen gezocht in: 1) bovenstroomse invloed; mijndalingen en vaste lagen in Duitsland, en in mindere mate veranderingen in het afvoerverloop (klimaat), langzame afname in afvoer en sediment transport door verandering in verdeling op de Pannerdensche Kop 2) benedenstroomse invloed; afsluiting Haringvliet en in mindere mate zeespiegelstijging 3) interne veranderingen; baggeren/storten (Fig. 2.2-b) en resterende kleine invloed van de normalisatie van de Rijntakken in de 19 e en 20e eeuw.

18


Alle genoemde processen kunnen bijdragen aan de bodemdaling in het bovenstroomse traject, en de al of niet tijdelijke bodemstijging in het benedenstroomse traject van de Waal. Van deze effecten lijkt de invloed van het baggeren op de bodemontwikkeling van de laatste decennia het grootst. Als het gebaggerd volume (Fig. 2.2-b) bij de gemeten (decade gemiddelde) verandering (Fig. 2.2-a) wordt opgeteld kan worden geschat wat de bodemontwikkeling zonder de invloed van baggeren zou zijn geweest. Dit is weergegeven in Fig. 2.3-a en 2.3-b. In de periode 1975-1985 (Fig. 2.3-a) lijkt de baggerinspanning gericht te zijn geweest op een onderdrukking van de bodemstijging in het benedenstroomse Waaltraject. In deze periode is door afsluiting van het Haringvliet het getij in dit benedenstroomse traject afgenomen, met een afname in transportcapaciteit tot gevolg. In de periode 1985-1995 daarentegen is integraal over de gehele Waal gebaggerd, met een aanzienlijke bodemdaling tot gevolg (Fig. 2.3-b). Volgens de schatting in Fig. 2.3-b lijkt dit buitensporige baggerwerk grotendeels verantwoordelijk te zijn voor de gemiddelde bodemverandering. Sinds 1990 is het baggerbeleid gewijzigd en wordt om verdere bodemdaling te beperken het gebaggerd materiaal niet langer aan het systeem onttrokken maar elders teruggestort in de Waal. ...................... 2

......................

Figuur 2.3-b (rechts) Geschatte invloed van baggeren in de periode 1985-1995.

1.5 1 gemeten

0.5 0 860 -0.5

geschat zonder baggeren

880

900

920

940

gemiddelde bodemverandering [m/10 jr] in periode 80-90

Geschatte invloed van baggeren in de periode 1975-1985.

gemiddelde bodemverandering [m/10 jr] in periode 70-80

2

Figuur 2.3-a (links)

-1

1.5 1 gemeten

0.5 0 860 -0.5

geschat zonder baggeren

880

900

920

940

-1 rivierkilometer

rivierkilometers

Ter plekke van de Afferdensche en Deestsche Waarden is de bodemontwikkeling zoals weergegeven in Fig. 2.4. Na een min of meer stabiele periode in 1970-1980 daalt ter plekke van het projectgebied de bodemligging met gemiddeld 0,02 m per jaar. Deze relatief snelle daling lijkt een reactie op het baggerbeleid in de periode 1985-1995. De invloed van het sinds 1990 gewijzigde baggerbeleid zal waarschijnlijk de eerste 5 jaar nog nauwelijks merkbaar zijn.

19


km-gemiddelde bodemligging [m] + NAP

...............................

Figuur 2.4 Lokale bodemontwikkeling op langere termijn.

2.3

1.8 1.6 1.4 898

1.2

899

1

900

0.8

901

0.6

902

0.4

903

0.2 0 -0.21950

1960

1970

1980

1990

2000

Huidige lokale bodemontwikkeling

Behalve lange termijn ontwikkelingen, kunnen de gemeten bodemliggingen ook worden gebruikt om lokale km-gemiddelde structuren te bepalen. Voor een detail analyse van ruimtelijke (2DH) structuren ontbreken gegevens. In Fig. 2.4 is voor de Waal ter hoogte van de Afferdensche en Deestsche Waarden te zien dat ter plekke van km 899, de bodemligging lokaal hoger ligt dan bij de omliggende km raaien; hier is sprake van een ondiepte. Door tussen de km raaien het gemeten verschil in bodemhoogte te bekijken kan een indruk worden gekregen van de lokale diepte variatie. In Fig. 2.5 is dit bodemhoogte verschil weergegeven, gemiddeld over een periode van vijf jaar. Voor een uniforme stroming zou dit bodemhoogte verschil voor alle raaien een constante waarde van circa –0,1 m/km moeten hebben. De diepte afname tussen km 898 en 899 (ongeveer 0,1 m - -0,1 m = 0,2 m), is opvallend groter dan op de andere raaien. ...............................

0.2

bodemhoogte verschil [m] per km

Figuur 2.5 Verloop in gemiddeld bodemhoogteverschil.

0.1 km 899 tov km 898

0 1940

km 900 tov km 899

1960

1980

-0.1

km 901 tov km 900 km 902 tov km 901 km 903 tov km 902

-0.2

-0.3

20

2000


De opvallend grote verondieping bij km 899 komt ook tot uiting als in plaats van vijfjaargemiddelden, een frequentie verdeling van jaarlijks gemeten waarden (over de periode 1950-1999) wordt gemaakt (Fig. 2.6). De jaarlijkse grootte van de diepte afname bij km 899 is gemiddeld 0,2 m, de standaardafwijking van het bodemhoogteverschil is circa 0,1 m. ...............................

0.01

frequentie in periode 1930-2000

Figuur 2.6 Frequentieverdeling van jaarlijkse diepteveranderingen.

0.008

898

0.006

900

0.004

902

899 901 903

0.002

904

0 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

diepteverandering [m] per km

De lokale verondieping rond km 899 kan worden verklaard met het stroombeeld tijdens hoogwater. Immers, ter plekke van km 899 is er sprake van instroming uit de hoofdgeul richting de Ochtense Buitenpolder en de Afferdensche en Deestsche Waarden. Hierdoor neemt tijdens hoogwater in de hoofdgeul de snelheid in stroomrichting af, waardoor sedimentatie optreedt. Omdat in de periode na hoogwater deze sedimentatie maar langzaam wordt opgeruimd, blijft er een lokale, jaargemiddelde verondieping aanwezig als hoogwaterrestant. Ter indicatie is in Fig. 2.7 het verloop in de met het één-dimensionale Rijntakkenmodel berekende hoofdgeulafvoer weergegeven. Ter plekke van km 899 is bij verschillende hogere Bovenrijnafvoeren een significante afname in hoofdgeulafvoer te zien. Opgemerkt wordt dat door herinrichting dit effect vergroot zal worden. ...............................

1

Figuur 2.7 afvoerfractie hoofdgeul

Verloop afvoerfractie door hoofdgeul volgens 1D Rijntakkenmodel.

0.8 Q=6220 m3/s

0.6

Q=7932 m3/s 0.4

Q=16000 m3/s

0.2 0 880

885

890

895

900

rivierkilometer

21


905

910

...............................

0.4

Ruimtelijk verloop gemiddelde en standaardafwijking van bodemverval in de Waal.

0.3 bodemverval [m/km]

Figuur 2.8

0.2 0.1 0 860 870 880 890 900 910 920 930 940 950 -0.1

gemiddelde standaardafwijking

-0.2 -0.3 -0.4 rivierkilometer

Tenslotte is voor de beschikbare km-gemiddelde bodempeilingen van de periode 1950-1999 het ruimtelijk verloop bepaald van gemiddelde waarde en standaardafwijking van het bodemhoogte verschil per km. Dit verloop is weergegeven in Fig. 2.8. Uitschieters met grotere temporele variaties zijn te vinden bij het splitsingspunt de Pannerdensche Kop, in het bochtentraject van de Boven-Waal, bij de plassen van IJzendoorn, in de bocht bij St. Andries en ter plekke van de brug bij Zaltbommel (versmalling). Voor de Midden-Waal is de temporele variatie in het bodemverval min of meer constant en in de orde van 0,1 m. Dit zou kunnen betekenen dat km-gemiddelde, profielgemiddelde dieptevariaties van circa 0,2 m als bodemgolven door de Midden-Waal verplaatsen. In breedterichting kan deze amplitude met een factor 2 variëren. Deze temporele en ruimtelijke variatie in de bodemligging draagt bij aan de eventuele noodzaak tot baggeren voor de scheepvaart en kan door herinrichting van de Afferdensche en Deestsche Waarden toenemen.

2.4

Beschikbare vaarwegdiepte.

In de vorige paragrafen is de grootschalige en lokale bodemontwikkeling beschouwd op basis van jaarlijkse, km-gemiddelde waarden (Ten Brinke, 2000). Echter, de hinder voor de scheepvaart wordt weergegeven met (minimale) waterdiepten (minimale vaarwegbreedte is voor de Midden-Waal niet relevant). Om de beschikbare waterdiepten in het betreffende traject te kunnen bekijken zijn de minst-gepeilde waterdiepten (mgd) in de vaarweg gebruikt uit de periode 1990-2002 (Groen, 2003). Het verloop hiervan is in de volgende figuren weergegeven. Voor de vaarweg wordt gestreefd naar diepten van minstens 2,8 m.

22


...............................

6

Figuur 2.9 minst gepeilde diepte [m]

Historisch verloop van Bovenrijnafvoer en mgd ter plekken van het projectgebied.

afvoer [m3/s]

5

898-899 4

899-900

900-901

3

901-902

902-903

2

903-904 1

904-905

0 nov-91

jul-94

apr-97

jan-00

okt-02

............................... 6

Figuur 2.10 minst gepeilde diepte [m] 1990-2002

Ruimtelijk verloop van mgd langs de Waal.

5

meer dan 2,8 m

4

minder dan 2,8 m

3

2 840

860

880

900

920

940

960

980

rivierkilometer

Met name uit Fig. 2.10 blijkt dat kritische waarden van de mgd (minder dan 2,8 m) worden gepeild in de Midden-Waal, tussen km 870 en 920. In Fig. 2.11 is vervolgens met de gegevens uit Fig. 2.10 voor elke rivierkilometer de frequentie van mgd in de periode 1990-2002 bepaald.

23


............................... 0.3

Figuur 2.11 Ruimtelijk verloop in mgd frequentie langs de Waal.

frequentie mgd in 1990-2002

0.25

0.2 minder dan 2,8 m 0.15

minder dan 3,30 m minder dan 3,80 m

0.1

0.05

0 860

870

880

890

900

910

920

930

940

950

rivierkilometers

In Tabel 2.1 is op basis van mgd-frequentie in Fig. 2.11 een overzicht gegeven van de meest voorkomende knelpunten. In het rivierstuk ter plekke van het projectgebied blijkt rond km 900 de meest frequente mgd langs de Waal, zodat deze locatie (en in mindere mate bij km 901 en 903) als een (dreigend) knelpunt voor de scheepvaart beschouwd mag worden. Omdat morfologische effecten van herinrichting op deze locatie waarschijnlijk maximaal zijn betekent dit dat hieraan extra aandacht besteed moet worden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .

Tabel 2.1

Km

frequentie van mgd

toelichting

van minder dan 2,8 m

Overzicht locaties met mgd’s van minder dan 2,8 m.

in de periode 1990-2002 (aantal dagen per jaar) 900

0.26

917

0.24

instroming Hiensche en Afferdensche en Deestsche Waard alignement en type oeverbelijning, instroming Dreumelsche Waard

910

0.09

uiterwaardstroming plassen bij Ijzendoorn

890

0.07

uiterwaarstroming plassen bij aansluiting Maas-Waal kanaal

899

0.06

instroming Hiensche en Afferdensche en Deestsche Waard

885

0.05

bocht en vaste laag bij Nijmegen

912

0.05

Verandering belijning bij Prins Willem Alexander brug

878

0.04

instroming Bison Baai

908

0.03

uiterwaardstroming plassen bij Ijzendoorn

919

0.03

alignement en type oeverbelijning, instroming Dreumelsche Waard

876

0.02

instroming Gendtsche Polder

913

0.02

aansluiting Amsterdam-Rijn kanaal

895

0.01

instroming Winsschense Waarden

901

0.01

instroming Hiensche en Afferdensche en Deestsche Waard

889

0.01

uiterwaardstroming plassen bij aansluiting Maas-Waal kanaal

903

0.01

uiterwaardstroming Ochtense buitenpolder

937

0.01

uiterwaardstroming Gamerensche Waard

24


............................... 45000

Jaarlijkse baggerinspanning ter plekke van het projectgebied.

jaarlijkse hoeveelheid gebaggerd (beun m3)

Figuur 2.12

40000 35000

Deest (km 898,43-900,20)

30000

Deest crossing (km 900,20-900,85)

25000

Hoge Waard (km 900,85-901,93)

20000

Hoge Waard crossing (km 901,93902,80)

15000

Druten (902,80-904,65)

10000 5000 0 0

1

2

3

4

5

jaargemiddelde mgd [m]

Om een indruk te krijgen van de huidige baggerinspanning ter plekke van het knelpunt km 900 is met gegevens van DON voor de periode 1999-2002 Fig. 2.12 geconstrueerd. Jaarlijks wordt bij km 900 circa 35.000 m3 gebaggerd. Hieruit blijkt dat ook op locaties zonder mgd gebaggerd wordt.

2.5

Conclusies

Ter plekke van de Afferdensche en Deestsche Waarden daalt sinds 1990 de bodemligging met circa 0,02 m per jaar. Dit is waarschijnlijk een gevolg van de intensieve baggerinspanning uit de periode 19801990. De invloed van het sinds 1995 gewijzigde baggerbeleid (“geen sedimentonttrekking aan het systeem”) zal vermoedelijk pas over een aantal jaren leiden tot een afname in deze lokale bodemdaling. Ter plekke van km 899 en 900 is sprake van een lokale verondieping (breedtegemiddeld circa 0,2 m) die het gevolg is van lokale stroming uit de hoofdgeul naar de uiterwaarden tijdens hoogwater. Deze lokale verondieping leidt als frequente minst gepeilde diepte tot hinder voor de scheepvaart. De verdeling van de ondiepte over de breedte is niet beschouwd. Jaarlijks baggerwerk om de vaarweg te onderhouden is in de orde van 37.000 m3 (beunvolume). Het te baggeren volume als gevolg van een bodemverandering z wordt daarom op basis van

⎛ ∆z ⎞ 3 ⎟m . ⎝ 0,2 ⎠

evenredigheid geschat met V = 37.000 ⎜

25


26


3. Morfologische effecten in de hoofdgeul ...............................................................................

3.1

Inleiding

Zoals al eerder aangegeven zijn voor de MER 2 vragen wat betreft de morfologische veranderingen door herinrichting van de Afferdensche en Deestsche Waarden te beantwoorden. In het vorige hoofdstuk is het huidige vaarwegbeheer ter plekke van de Afferdensche en Deestsche Waarden beschreven. In dit hoofdstuk wordt nu eerst ingegaan op de vraag wat de bodemveranderingen zijn in de hoofdgeul ten gevolge van de herinrichting. Vervolgens wordt met de voorspelde bodemveranderingen en het huidige vaarwegbeheer de invloed beschreven van de herinrichting op het toekomstig vaarwegbeheer. Daarbij wordt dan ook de vraag beantwoord welk sedimentvolume ten gevolge van de bodemveranderingen moeten worden verwijderd om belemmering van de scheepvaart te voorkomen.

3.2

Model voor morfologische effecten

Het schatten van bodemveranderingen ten gevolge van uiterwaardmaatregelen is gebaseerd op drie componenten 1. een representatief afvoerverloop 2. de relatieve hydraulische veranderingen in het zomerbed 3. het gedrag van lokale bodemveranderingen in het zomerbed Ad 1) Een representatief afvoerverloop vergt een schematisatie met tenminste twee afvoerniveaus; een hoogwaterafvoer Qh met periode Th en een laagwaterafvoer met periode Ql gedurende de rest van het jaar (zie Fig. 3.1-a voor toepassing van de definities). Daarom worden op basis van de hydrograaf voor elke periode twee representatieve afvoeren Qh en Ql bepaald, door de hoogwaterperiode te definiëren als de periode waarin de Afferdensche en Deestsche Waarden deel zijn van het stroomvoerend rivieroppervlak. Ad 2) De snelheidsverandering in het zomerbed is relevant voor het schatten van de morfologische veranderingen. Deze verandering moet voor zowel het hoogwaterseizoen als voor het laagwaterseizoen worden bepaald. Voor het hoogwaterseizoen wordt de grootte en ruimtelijke verdeling van hydraulische veranderingen bepaald met behulp van WAQUA berekeningen van de tweedimensionale waterbeweging. Voor het laagwaterseizoen wordt de snelheidsverandering geschat met behulp van de geschatte nevengeulafvoer.

27


Ad 3) Als door een maatregel de afvoerverdeling tussen uiterwaard en hoofdgeul lokaal verandert over een lengte L, dan wordt over deze lengte ten gevolge van de maatregel een bodemverandering z opgebouwd. De maximale grootte hiervan wordt geschat met een model van de vorm

d∆z ∆ze − ∆z = Tm dt

(3.1)

met een evenwichtswaarde ze; een tijdschaal Tm = L / w en een voortplantingssnelheid van bodemveranderingen w [m/dag] (zie Bijlage A in Sieben (2003) voor afleiding). Bij een afvoerverloop geschematiseerd als een hoog- en laagwaterperiode leidt dit model tot een bodemverandering zoals is weergegeven in Fig. 3.1-a en 3.1-b. .....................

Figuur 3.1-a (links) Theoretisch naijlgedrag van de bodemverandering volgens Verg. 3.1. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .

Figuur 3.1-b (rechts) Berekende bodemveranderingen ten gevolge van afvoeronttrekking (Sobek).

Het morfologisch effect van herinrichting kent dus een dynamisch evenwicht, waarbij de bodemverandering varieert tussen een maximale waarde aan het einde van een hoogwaterperiode en een minimale waarde aan het einde van een laagwaterperiode. De overlast van de bodemverandering kan vervolgens worden beschreven met de maximale aanzanding zmaxter plekke van de ingreep, en met de amplitude van de bodemgolf ( zmax – zmin) die ter plekke van de ingreep wordt opgewekt en vervolgens in benedenstroomse richting verplaatst. De maximale bodemverandering aan het einde van de hoogwaterperiode, en de minimale waarde aan het einde van de laagwaterperiode kunnen als oplossing van Verg. 3.1 worden benaderd met ∆zel e ∆zmax =

−

Th Tmh

T T − l ⎞ − h ⎛ ⎛ ⎜ 1 − e Tm l ⎟ + ∆z ⎜ 1 − e Tmh eh ⎜ ⎟ ⎜ ⎝ ⎠ ⎝ T T − l − h ⎞ ⎛ ⎜ 1 − e Tm l Tmh ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠

en

∆zmin

28

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

(3.2) T T T − l ⎞ − l ⎛ − h ⎛ ∆zel ⎜ 1 − e Tm l ⎟ + ∆zeh e Tml ⎜ 1 − e Tmh ⎜ ⎟ ⎜ ⎝ ⎠ ⎝ = Tl Th − − ⎛ ⎞ ⎜ 1 − e Tm l Tmh ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠

⎞ ⎟ ⎟ ⎠


Hierin zijn: Th Tl Tmh

[dg] [dg] [dg]

Tml

[dg]

zmax

[m]

zmin

[m]

zeh

[m]

zel

[m]

duur van het hoogwaterseizoen duur van het laagwaterseizoen morfologische tijdschaal tijdens het hoogwaterseizoen morfologische tijdschaal tijdens het laagwaterseizoen maximale jaarlijkse bodemverandering (aan het einde van een hoogwaterseizoen) minimale jaarlijkse bodemverandering (aan het einde van een laagwaterseizoen) evenwichtswaarde van de bodemverandering in het hoogwaterseizoen evenwichtswaarde van de bodemverandering in het laagwaterseizoen

De evenwichtswaarden van bodemveranderingen zeh en zel in het hoog- en laagwaterseizoen zijn gedefinieerd als het produkt van waterdiepte en de relatieve snelheidsverandering door de herinrichting. In formule vorm

∆ze = − aexcl. plan met:

uincl. plan − uexcl. plan

(3.3)

uexcl. plan

aexcl.plan [m] uexcl.plan [m/s] uincl.plan [m/s]

waterdiepte in de referentiesituatie (zonder herinrichting) snelheid in de referentiesituatie (zonder herinrichting) snelheid in de geplande situatie (met herinrichting)

De waterdiepten en stroomsnelheden voor het hoogwaterseizoen worden berekend met WAQUA. Voor het laagwaterseizoen wordt eenvoudig aangenomen dat de relatieve snelheidsverandering gelijk is aan de verhouding tussen nevengeulafvoer en rivierafvoer.

3.3

Evenwichtswaarde bodemverandering

Voor korte lengten kan de morfologische respons op gradiënten in uiterwaardafvoer worden benaderd met een eenvoudig model (Verg. 3.1). Het uitgangspunt voor dit model is onder andere dat de voor de vaarweg maatgevende bodemverandering plaatsvindt aan de bovenstroomse zijde van de ingreep. De theoretische waarden van Verg. 3.2 kunnen worden vertaald in representatieve statistische parameters met een jaarlijks gemiddelde

∆z ∆z ∆zm = eh (1 − f ) + el (1 + f ) ; 2 2

29

T − l ⎛ − TTh ⎜ e mh − e Tm l f =⎜ T T − l − h ⎜ Tm l Tmh ⎝ 1− e


⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠

(3.4-a)

en een jaarlijkse standaardafwijking

σ=

(∆zeh − ∆zel ) 2 − e 2 3

−

Tl Tml

1− e

−e

T − h Tmh

T T − l − h Tm l Tmh

−1

(3.4-b)

Om dit jaarlijks gemiddelde en de jaarlijkse standaardafwijking te schatten moeten de evenwichtswaarden, de morfologische tijdschalen en de duur van de hoogwaterperiode worden bepaald. De Afferdensche en Deestsche Waarden stromen gemiddeld 15 dagen per jaar mee, maar deze stroming is pas goed ontwikkeld bij Bovenrijnafvoeren groter dan 8.000 m3/s (1,3 dg/jaar). Deze schatting is gebaseerd op gegevens uit het Rijntakkenmodel, zoals weergegeven in Fig. 3.2. ...............................

1 afvoerfractie door hoofdgeul

Figuur 3.2 Gemiddelde jaarlijkse duur per km raai van meestromende uiterwaarden.

0.8 899 0.6

900 901

0.4

902 903

0.2 0 0

10

20

30

40

50

jaarlijks aantal dagen overschreden

Het gemiddelde effect en de jaarlijkse standaardafwijking zijn dus afhankelijk van de evenwichtswaarden van de bodemverandering in het hoog- en laagwaterseizoen. Verondersteld wordt dat de hypothetische evenwichtswaarde van het effect met een goed ontwikkelde uiterwaardstroming bij een Bovenrijnafvoer van 8.000 m3/s representatief is voor een hoogwaterperiode. De grootte en ruimtelijke verdeling van deze evenwichtswaarde tijdens hoogwater kan vervolgens worden geschat met behulp van WAQUA resultaten. Deze zijn uitgevoerd door DON en beschreven in Vos (2003). De gemiddelde Bovenrijnafvoer in het laagwaterseizoen (350 dg) is 2125 m3/s. Dit correspondeert met een Waalafvoer van circa 1400 m3/s. Bij deze Waalafvoer is de relatieve nevengeulafvoer circa 2% (zie hoofdstuk 4). De evenwichtswaarde van de bodemverandering door deze onttrekking wordt geschat op zeh =0,02*4=0,08 m. De berekende waarden van zeh zijn weergegeven in Fig. 3.3. De geel, groen en blauwe kleuren in de hoofdgeul duiden op een afname in stroomsnelheid ten gevolge van het plan, de oranje kleuren duiden op een toename in de snelheid. Een afname van stroomsnelheden

30


(negatieve waarden) kan gerelateerd worden aan sedimentatie. Nb, morfologische veranderingen verplaatsen zich stroomafwaarts. Voor het schatten van het morfologisch effect van het plan is daarom de verandering aan de bovenstroomse rand het meest relevant. ...............................

Figuur 3.3 Berekende evenwichtswaarde van bodemveranderingen bij Bovenrijnafvoer 8.000 m3/s.

De belangrijkste conclusies die op basis van Fig. 3.3 getrokken kunnen worden zijn: • Tussen km 898,5 en 900 vindt ten gevolge van de extra instroming naar de Afferdensche en Deestsche Waarden een toename in lokale snelheden plaats, aan de linkerzijde van de rivier. Deze verschuiving vertaalt zich echter tegelijkertijd ook in een afname van stroomsnelheden aan de rechterkant van de rivier. •

Deze toename in uiterwaardafvoer aan de bovenstroomse rand van het projectgebied vindt plaats over een lengte van ongeveer 1 km, met een evenwichtswaarde ze van –0,4 m (erosie) aan de linkerzijde, en 0,7 m (sedimentatie) aan de rechterzijde.

•

De profielgemiddelde evenwichtswaarde van de aanzanding tijdens hoogwater ten gevolge van het plan wordt dus geschat op 0,15 m. Deze aanzanding vindt grofweg plaats tussen km 899 en 900 met een maximum in de binnenbocht.

•

De toename van snelheden in de linker oeverzone tijdens hoogwater kan leiden tot lokale erosie in het traject tussen km 899 en 900. Dit kan betekenen dat huidige processen van erosie en achterloopsheid enerzijds en sedimentatie anderzijds in deze oeverzone kunnen worden versterkt.

31


3.4

Jaargemiddeld effect

De geschatte evenwichtswaarde uit de vorige sectie is niet representatief voor de verwachte bodemverandering. Deze wordt geschat met Verg. 3.4. Hiervoor worden de volgende variabelen gebruikt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .

dg m/dg dg

Hoogwaterseizoen 15 10 1000/10=100

Laagwaterseizoen 350 2 1000/2=500

m m

-0,40 0,70

0,08 0,08

Tabel 3.1 Overzicht variabelen.

Duur voortplantingssnelheid c morfologische tijdschaal T=L/c evenwichtswaarde linkerhelft evenwichtswaarde rechterhelft

Als dit wordt ingevuld in Verg. 3.4-a en 3.4-b leidt dit tot een jaargemiddelde aanzanding van ∆zm = 0,18∆zeh + 0,82∆zel en een variatie van

σ = 0,035(∆zeh − ∆zel ) . Met de evenwichtswaarden uit

Tabel 3.1 kan dan Tabel 3.2 worden gemaakt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .

m

linkerhelft zomerbed 0,00

rechterhelft zomerbed 0,19

m

0,02

0,02

Tabel 3.2 Overzicht variabelen.

jaargemiddelde bodemverandering jaarlijkse standaardafwijking

De geschatte, jaargemiddelde bodemverandering is minder dan 0,2 m (Tabel 3.2) en voldoet daarmee aan de originele ontwerpcriteria. Op basis van de grootte van deze schatting is een gedetailleerder voorspelling (met behulp van numerieke modellen voor tweedimensionale riviermorfologie) daarom niet relevant. De numerieke waarden in Tabel 3.2 zijn niet gevoelig voor onzekerheden in de geschatte morfologische tijdschaal. Het verwachte, representatieve jaargemiddelde effect van de herinrichting is dus een profielgemiddelde verondieping van 0,09 m tussen km 899 en 900. Het maximum van deze verondieping ligt in de binnenbocht (rechterhelft van de rivier). Vanaf km 900 tot 903 (de samenvloeiing tussen hoofdgeul en nevengeul) kan een verondieping van 0,08 m worden verwacht. Zoals beschreven in hoofdstuk 2 is ter plekke van km 899 en 900 sprake van een lokale verondieping (breedtegemiddeld circa 0,2 m) die het gevolg is van lokale stroming uit de hoofdgeul naar de uiterwaarden tijdens hoogwater. Deze lokale verondieping leidt als frequente minst gepeilde diepte tot hinder voor de scheepvaart. Jaarlijks baggerwerk om de vaarweg te onderhouden is in de orde van 37.000 m3 (beunvolume). Op basis van dit getal wordt het extra te

32


baggeren beunvolume als gevolg van bodemveranderingen door

⎛ ∆z ⎞ ⎟ = 16.650 m3. 0 , 2 ⎝ ⎠

herinrichting geschat op V = 37.000 ⎜

3.5

Invloed volgorde van uitvoering.

Om de invloed van de uitvoeringsvolgorde te onderzoeken is in Fig. 3.4 de berekende evenwichtswaarde van bodemveranderingen weergegeven. Er blijken geen grote verschillen; de invloed van uitvoering op de jaargemiddelde morfologische effecten in de hoofdgeul is verwaarloosbaar. ...............................

Figuur 3.4 Overzicht hypothetische waarden van bodemverandering in hoofdgeul bij een Bovenrijnafvoer van 10.000 m3/s.

evenwichtswaarde bodemverandering [m] (aanzanding is negatief)

Effect plan

33

Effect plan excl. Effect plan excl. Effect plan met vegetatie na hoogwatergeul aantakking oplevering nevengeul


3.6

Morfologische veranderingen tijdens hoogwater

Behalve voor het schatten van bodemveranderingen in de hoofdgeul kunnen de WAQUA berekeningen zoals gerapporteerd in Vos (2003) ook een indruk geven van potentiële aanslibbing en erosie van slib tijdens hoogwater. In deze paragraaf worden de resultaten slechts globaal gerapporteerd, een nadere interpretatie hiervan wordt in hoofdstuk 5 weergegeven. Aanslibbing tijdens hoogwater kan verwacht worden als de bodemschuifspanning τb kleiner is dan τs, een drempelwaarde voor sedimentatie. Dit kan (min of meer) generiek worden vertaald in een criterium voor de gemiddelde stroomsnelheid u die voor het optreden van aanslibbing kleiner zou moeten zijn dan een drempelwaarde us 0,5 m/s (Van Wijngaarden, 1998). Voor erosie van slib zou analoog moeten gelden dat de bodemschuifspanning τb groter is dan τe, een drempelwaarde voor erosie. Ook hier kan dit criterium pragmatisch in snelheden vertaald worden (nb, in de literatuur wordt met name gebruik gemaakt van kritische snelheden i.p.v. schuifspanningen; blijkbaar is de wrijvingsfactor in dit soort gevallen constant genoeg). Echter de drempelwaarde ue is afhankelijk van lokale condities en daardoor slecht generiek voorspelbaar. Pragmatisch (en conservatief) wordt hier gekozen ue= 0,5 m/s (Mirtskhoulava, 1991; Hoffmans en Verheij, 1997; Van Wijngaarden, 1998). De drempelwaarde is afhankelijk van bodemtype en consolidatie; de waarde van 0,5 m/s lijkt een conservatieve schatting op basis van een gemiddeld, ongeconsolideerd grondtype. De WAQUA berekeningen leveren een redelijk beeld van de grootte en ruimtelijke verdeling van stroomsnelheden in de uiterwaard tijdens hoogwater. Nb, deze berekende snelheden bevatten geen informatie over kleinschalige stroomsnelheden en dito erosie potentie. In de volgende figuren is voor een aantal varianten de berekende stroomsnelheid weergegeven, met een blauwe getrokken lijn voor snelheden gelijk aan 0,5 m/s en 1,0 m/s. Grofweg wordt gesteld dat tijdens hoogwater, aan de hoofdgeul-zijde van de blauwe 0,5 lijn (waar snelheden groter zijn dan 0,5 m/s) erosie van slib verwacht kan worden.

34


...............................

Figuur 3.5-a Stroomsnelheden in referentie bij Bovenrijnafvoer van 8.000 m3/s.

...............................

Figuur 3.5-b Stroomsnelheden in plan bij Bovenrijnafvoer van 8.000 m3/s.

Bij een Bovenrijnafvoer van 8.000 m3/s is sprake van een kleine toename in snelheid in het Westelijk deel van de uiterwaard, maar de effecten van het plan zijn niet significant. ...............................

Figuur 3.6-a Stroomsnelheden in referentie bij Bovenrijnafvoer van 10.000 m3/s.

35


...............................

Figuur 3.6-b Stroomsnelheden in plan bij Bovenrijnafvoer van 10.000 m3/s.

In de huidige situatie lijkt bij een hoogwater (Bovenrijnafvoer van 10.000 m3/s) met name aan de benedenstroomse zijde van de Afferdensche en Deestsche Waarden sprake van stroomsnelheden groter dan 0,5 m/s en dus potentiële erosie van slib. Na herinrichting groeit dit oppervlak; het risico op erosie neemt (alleen al) vanwege hogere stroomsnelheden in dit benedenstroomse deel van de uiterwaard dus toe. Zowel in de referentie als in het plan is halverwege de uiterwaard, dicht bij de bandijk, sprake van lokaal hogere stroomsnelheden. In dit deel kan erosie worden verwacht. Behalve gebieden met potentiële erosie zijn in Fig. 3.6-b, voornamelijk buiten de nevengeul, ook gebieden te identificeren met voldoende lage stroomsnelheden (ofwel met een kleine kans op erosie). In de uitstroomzone neemt, ten opzichte van de referentie, de snelheid in het westelijk deel verder toe. Door de herinrichting zijn tijdens hoogwater de snelheden in de uitstroomzone dus aanmerkelijk hoger. De invloed van de volgorde van uitvoering is weergegeven in Fig. 3.7. ...............................

Figuur 3.7-a Stroomsnelheden in plan bij Bovenrijnafvoer van 10.000 m3/s.

...............................

Figuur 3.7-b Stroomsnelheden in plan zonder afgraving hoogwatergeul.

36


...............................

Figuur 3.7-c Stroomsnelheden in plan zonder benedenstroomse aantakking nevengeul.

Uitstel van de aanleg van de hoogwatergeul (Fig. 3.7-b) leidt tot een groter, aaneengesloten oppervlak met lagere stroomsnelheden (ter plekke van de hoogwatergeul blijven snelheden door uitgestelde aanleg kleiner dan 0,5 m/s). Het effect is dus slechts lokaal. Uitstel van de benedenstroomse aantakking van de nevengeul (Fig. 3.7-c) lijkt nog minder effect te hebben op stroomsnelheden in de uiterwaard tijdens hoogwater. De bovenstaande maatregelen hebben geen merkbare invloed op de grote stroomsnelheden in het benedenstroomse deel van het inrichtingsgebied. ...............................

Figuur 3.8-a Stroomsnelheden in plan bij Bovenrijnafvoer van 10.000 m3/s.

...............................

Figuur 3.8-b Stroomsnelheden in plan met vegetatie direct na oplevering.

37


Tenslotte is in Fig. 3.8 het effect van vegetatie op de stroomsnelheden bekeken. Deze wordt in het model via ruwheidswaarden verdisconteerd. Als de vegetatie direct na oplevering (onveranderde vegetatie op onvergraven delen, en minimale ruwheid op vergraven delen) wordt beschouwd, dan leidt dit tot hogere snelheden op het traject van de nevengeul, en in het benedenstroomse deel van de uiterwaard. Het oppervlak met lage snelheden (aanslibbinggebied) lijkt echter niet veel gewijzigd. De bovenstaande figuren leiden tot de volgende opmerkingen; • Er kunnen uiterwaarddelen geïdentificeerd worden met een minimaal risico op erosie van slib en zand tijdens hoogwater. • Uitstel van aanleg van de hoogwatergeul leidt slechts ter plekke van de hoogwatergeul tot minder erosierisico. • Het al of niet aantakken van de nevengeul heeft tijdens hoogwater een zeer geringe invloed op snelheden in de uiterwaard. • De stroomsnelheden zijn, zowel in de huidige situatie als na herinrichting, maximaal in het benedenstroomse deel van de uiterwaard. Dit betekent dat in dit deel rekening gehouden moet worden met erosie van slib en na herinrichting met erosie van nevengeuloevers en nevengeulbodem en een verminderde stabiliteit van kribben door achterloopsheid (o.a. t.p.v. de in- en uitstroomopening van de nevengeul).

38


4. Schatten van afvoer en snelheden in de nevengeul ...............................................................................

4.1

Hydraulische variabelen

De dichtstbijzijnde MSW stations bij de Afferdensche en Deestsche Waarden zijn Nijmegen (km 884), Dodewaard tot 1985 (km 901) en Tiel (km 913). Om de statistiek van de lokale waterstanden in het project gebied (km 899-903) te bepalen moet daarom tussen de gemeten waarden (DONAR) geïnterpoleerd worden. Deze interpolatie is voor de periode 1980-1985 geconstrueerd met behulp van dagwaarden uit de reeksen bij Dodewaard en Tiel, en is daarna uitgebreid om de waterstandsstatistiek voor de periode 1980-2001 te bepalen. In Fig. 4.1 zijn deze geïnterpoleerde waarden weergegeven. Om voor elke Waalafvoer de bijbehorende waterstanden op km 899 en 903 te kunnen bepalen is vervolgens een optimale fit gemaakt van de geïnterpoleerde waarden uit Fig. 4.1. Met deze optimale fit zijn de waterstanden van Tabel 4.1 bepaald. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .

Tabel 4.1

jaarlijkse

Waalafvoer

Waterstand bij waterstand bij

verval over

km 899

km 903

projectgebied

[m3/s]

[m] + NAP

[m] + NAP

[m]

0

584

3.75

3.28

0.47

5

857

4.62

4.15

0.48

10

966

4.85

4.37

0.48

16

1069

5.27

4.79

0.48

20

1120

5.22

4.74

0.48

30

1215

5.32

4.83

0.48

40

1303

5.66

5.18

0.49

50

1412

6.00

5.51

0.49

60

1578

6.20

5.70

0.49

70

1786

6.99

6.49

0.49

80

2090

7.68

7.18

0.50

84

2260

7.85

7.36

0.50

90

2635

8.68

8.18

0.50

100

7309

11.86

11.55

0.31

gemiddelde

1662

6.68

6.19

0.49

onderschrijding s

Geïnterpoleerde waterstandsgegevens (periode 1980-2001).

kans

Uit Tabel 4.1 blijkt dat de standaardafwijking van waterstanden in het projectgebied in de grootte orde is van (7,85-5,27)/2=1,29 m, en de gemiddelde waterstand ligt tussen 6,19 en 6,68 m + NAP Om een indruk te krijgen van de interpolatie zijn in Fig. 4.1 de geïnterpoleerde waterstandsgegevens vergeleken met berekende waterstanden uit een Rijntakkenmodel. Trends en de grootte-orde van het verval komen redelijk overeen. Met name voor Waalafvoeren groter

39


dan 4000 m3/s, als grofweg de Afferdensche en Deestsche uiterwaarden gaan meestromen, zijn de geïnterpoleerde waarden hoger dan de berekende waarden. ...............................

13

Figuur 4.1 waterstand [m]+NAP

Vergelijking geïnterpoleerde en berekende waterstanden.

11 899 (Donar)

9

903 (Donar, geint.) 898.87 (model)

7

902.91 (model)

5 3 0

2000

4000

6000

8000

10000

Waalafvoer [m3/s]

4.2

Schematisering regelwerk

In de nevengeul is een regelwerk aanwezig in de vorm van een drempel met een V-vormig profiel. Een schets hiervan, zoals is gebruikt in de schematisatie, is gegeven in Fig. 4.2. Voor het schematiseren van dit regelwerk zijn een aantal relevante kenmerken verondersteld; het minimumniveau ligt op 3,5 m + NAP de kruin ligt onder een helling van 1:2 de lengte van de kruin is meer dan tweemaal de gemiddelde waterdiepte op de kruin (lange overlaat) de invloed van de helling van aanen afstroomtaluds wordt niet beschouwd de invloed van 2DH aspecten in aanen afstroming wordt niet beschouwd. ...............................

Figuur 4.2 Schets van regelwerk profiel, zoals is gebruikt in de schematisatie.

Lkruin> 2 am

2 1

3,5 m + NAP

7m

am 3,18 m

In SOBEK is voor het schematiseren regelwerken een rechthoekig profiel beschikbaar, terwijl het regelwerk in het plan een V-vormig profiel kent. De optie van meerdere, parallelle regelwerken met

40


variërende kruinhoogte wordt hier niet gebruikt; in plaats daarvan wordt met een equivalente breedte dit driehoekig profiel vertaald in een rechthoekig profiel. Voor de schematisering van de afvoer over een rechthoekig profiel geldt

⎛ 2⎞ Q = CDr ⎜ ⎟ ⎝ 3⎠

3/ 2

⎛H ⎞ 1 − ⎜⎜ 2 ⎟⎟ ⎝ H1 ⎠

3/ 2 1

g Br H

2

(4.1)

met de empirische reductiefactor zoals gesuggereerd in WL(1998), en met: Br CDr g H1 H2 Q

[m] [-] [m/s2] [m]

breedte afvoercoëfficiënt van het rechthoekig profiel gravitatie constante bovenstroomse energiehoogte t.o.v. de kruinhoogte [m] benedenstroomse energiehoogte t.o.v. de kruinhoogte [m3/s] afvoer

Voor de afvoer over een V-vormig profiel met helling 1:m geldt echter

Q = CDV met:

16 ⎛ 2 ⎞ ⎜ ⎟ 25 ⎝ 5 ⎠

CDV m

1/ 2

[-] [-]

5/ 2 1

m gH

⎛H ⎞ 1 − ⎜⎜ 2 ⎟⎟ ⎝ H1 ⎠

12,5

(4.2)

afvoercoëfficiënt van het V-vormig profiel helling van de kruin (1 verticaal; m horizontaal)

De reductiefactor in Verg. 4.2 (dus ook de macht van 12,5) is (kwalitatief) gebaseerd op een fit van Fig. 4.11 uit Bos (1976). Uit vergelijking van Verg. 4-2 (Bos, 1976) voor CDr en Fig. 4.10 (Bos, 1976) voor CDV blijkt dat grofweg geldt CDr = CDV. Volgens de empirische formuleringen van Verg. 4.1 en 4.2 is bij onvolkomen stroming over een rechthoekig profiel de afvoerreductie groter dan bij verdronken stroming over een driehoekig profiel. Dit effect is kwalitatief weergegeven in Fig. 4.3-a en 4.3-b.

41


...............................

Figuur 4.3-a (links) Empirische reductiefactor van afvoer over een driehoekig en rechthoekig profiel (Brater en King, 1976).

Figuur 4.3-b (rechts) Empirische reductiefactor volgens Verg. 4.1 en 4.2. 1

a fvo e rre d u ctie

0.8 0.6

rechthoek driehoek

0.4 0.2 0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

H2/H1

Met de vereenvoudiging CDr = CDV kan door combinatie van Verg. 4.1 en 4.2 worden gevonden

Be = 0,74mH1

⎛H ⎞ 1 − ⎜⎜ 2 ⎟⎟ ⎝ H1 ⎠

12,5

⎛H ⎞ 1 − ⎜⎜ 2 ⎟⎟ ⎝ H1 ⎠

2

(4.3)

Deze equivalente breedte van het V-vormige regelwerk varieert lineair met de bovenstroomse energiehoogte H1 en neemt sterk toe voor onvolkomen stroming (Fig. 4.4). De equivalente breedte varieert dus met de nevengeulafvoer en de mate van volkomenheid. Met H2/H1 in de orde van 0,9 wordt gevonden Be ≈ 1,8mH1 , wat met m=2 en H1=3,18 m leidt tot Be=11,5 m.

42


...............................

2

Figuur 4.4

verticale aan-/afstroomzijden

Equivalente breedte van een V-vormig regelwerk.

Be/ (m H1)

1.5

afgeronde kruin schuine aan-/afstroomzijden

1

0.5

0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

H2/H1

De gemiddelde breedte van het driehoekig profiel kan bij volkomen stroming worden geschreven als B = 0,8mH1 zodat in dat geval de equivalente breedte van Verg. 4.3 met CDr = CDd kan worden geschreven als Be = 0,93B . Voor onvolkomen stroming nadert Verg. 4.3 tot

Be 12,5 = 0,74 = 1,85 . Ofwel, de equivalente breedte is circa 2 mH1 1,85 maal de gemiddelde breedte. Nb, de invloed van de taluds van aanen afstroomzijde van het regelwerk beïnvloeden de equivalente breedte van het regelwerk. In Fig. 4.4 is op basis van WL(1998) indicatief weergegeven wat het effect van een afgeronde kruin en aanen afstroomzijde van het regelwerk onder een talud van 1:2 op de equivalente breedte van het regelwerk is. Voor deze studie is de zwarte lijn gebruikt (verticale zijden). Met Verg. 4.3 is voor elke hydraulisch relevante conditie de effectieve regelwerk breedte geschat. De numerieke waarden zijn weergegeven in Tabel 4.2.

43


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .

jaarlijkse

Tabel 4.2

Waalafvoer waterstand

waterstand

bij km 899

bij km 903

overschrijdings

Effectieve breedte van het regelwerk.

H1

effectieve

H2

(geschat) (geschat)

breedte

kans

[m3/s]

[m] + NAP

[m] + NAP

[m]

[m]

[m]

0

584

3.75

3.28

0.25

0.02

0

5

857

4.62

4.15

1.12

0.89

3

10

966

4.85

4.37

1.35

1.11

3

16

1069

5.27

4.79

1.77

1.53

5

20

1120

5.22

4.74

1.72

1.48

5

30

1215

5.32

4.83

1.82

1.58

5

40

1303

5.66

5.18

2.16

1.92

6

50

1412

6.00

5.51

2.50

2.25

7

60

1578

6.20

5.70

2.70

2.45

8

70

1786

6.99

6.49

3.49

3.24

11

80

2090

7.68

7.18

4.18

3.93

13

84

2260

7.85

7.36

4.35

4.10

14

90

2635

8.68

8.18

5.18

4.93

17

100

7309

11.86

11.55

8.36

8.20

29

gemiddelde

1662

6.68

6.19

3.18

2.93

10

4.3

Schematisering nevengeul

Op basis van een 1:5000 kaart met (voorlopige!) hoogtelijnen van het plan is langs het geultracé op afstanden van 250 m een dwarsprofiel van de nevengeul geconstrueerd. Deze kaart is getekend (11-02-2003) en beschikbaar gesteld door DON-ANSR. Een karakteristiek geulprofiel in de nog aan te leggen delen is weergegeven in Fig. 4.5. ...............................

Figuur 4.5 Karakteristiek dwarsprofiel. huidig maaiveld 1:10

6,5 m + NAP 5,0 m + NAP 1:5

3,5 m + NAP

variabel

44

variabel

7,5 m 5,0 m


7,5 m

variabel

variabel

Het oppervlak en de gemiddelde stroomvoerende breedte van de geschematiseerde dwarsprofielen bij gemiddelde waterstand is weergegeven in Fig. 4.6. ............................... 900

350

800

stroomvoerend oppervlak [m2]

Verloop oppervlak en breedte van geschematiseerd stroomvoerend dwarsprofiel.

300

700 250

600 500

200

400

150

300

100

200 50

100 0

stroomvoerende breedte [m]

Figuur 4.6

oppervlak breedte

0 0

500

1250 2000 2750 3500 4250

afstand [m] langs de geul

Het verloop van de minimale en gemiddelde bodemligging van de geschematiseerde dwarsprofielen is weergegeven in Fig. 4.7. Er is in het model geen bodemverhang aangebracht; in het plan is het bodemverval langs de thalweg (de lijn die de diepste punten van een rivier, bij laag water, met elkaar verbindt) circa 0,35 m. ...............................

Figuur 4.7

7

Verloop minimale en gemiddelde bodemligging van geschematiseerd dwarsprofiel.

6

[m] + NAP

5 w aterstand

4

minimum bodem 3

gemiddelde bodem

2 1 0 0

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000


De ruwheid van de geul is gemodelleerd met een Nikuradse ruwheidswaarde van 0,25 m. Ten behoeve van morfologische berekeningen is in de nevengeul een korreldiameter van 0,4 mm gebruikt, in combinatie met een transportformule volgens Meyer-Peter en Müller (1948). Deze sediment transportformule is uitsluitend van toepassing voor niet-cohesief sediment; erosie, transport en aanslibbing van slib (cohesief) wordt in dit hoofdstuk dus niet beschouwd. Daarvoor kan worden verwezen naar hoofdstuk 5.

45


4.4

Resultaten direct na aanleg.

Met de initiële dwarsprofielen (dus zonder morfologische veranderingen), kan voor verschillende Waalafvoeren de bijbehorende nevengeulafvoer berekend worden. Deze berekende waarden zijn weergegeven in Tabel 4.3. De waarden van de nevengeulafvoer kunnen worden gebruikt om het aanbod van sediment en slib aan de nevengeul te schatten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .

Tabel 4.3

jaarlijkse

Waalafvoer

overschrijdingskans

Gegevens t.b.v. SOBEK.

Effectieve

nevengeulafvoer

regelwerkbreedte [m3/s]

[m]

0

584

0

5

857

3

[m3/s]

10

966

3

16

1069

5

20

1120

5

30

1215

5

8.08

40

1303

6

11.8

50

1412

7

19.5

7.66

60

1578

8

25.6

70

1786

11

48.3

80

2090

13

97.0

84

2260

14

109.4 177.1

90

2635

17

100

7309

29

Gemiddelde

1662

10

41.4

Voor het schatten van de grootte van de bodemverandering in de Waal is de relatieve grootte van de nevengeulafvoer van belang. Deze waarde is weergegeven in Fig. 4.8, samen met de waarden uit het basisontwerp van de nevengeul (Taal, 1995). ...............................

0.08 Q_nevengeul / Q_Waal

Figuur 4.8 Berekende relatieve nevengeulafvoer.

0.07 0.06 0.05

berekend op basis plan

0.04

Taal (1995), direct na aanleg

0.03 0.02 0.01 0 0

500 1000 1500 2000 2500 3000 Waalafvoer [m3/s]

De overeenkomst tussen beide modellen is redelijk, de gemiddelde hydraulische condities van de geul volgens het huidige plan lijken

46


voldoende op het oorspronkelijk ontwerp. De afwijkingen in de vorm van de onttrekkingskromme zijn te wijten aan veranderingen in dwarsprofiel.

4.5

Resultaten op langere termijn

De nevengeul is zo ontworpen dat al het aangeboden sediment bij de zandvang wordt afgevangen. Benedenstrooms van deze zandvang worden snelheden geacht zo laag te zijn dat geen transport van bodemmateriaal plaatsvindt. Echter, tijdens het aanpassingsproces direct na aanleg en tijdens een hoogwater vinden waarschijnlijk bodemveranderingen in de nevengeul plaats. Hier wordt aandacht besteed aan het aanpassingsproces direct na aanleg. Bodemveranderingen tijdens hoogwater kunnen worden ingeschat met relevante WAQUA berekeningen van het stroombeeld (zie paragraaf 5.3.5). Het aanpassingsproces na aanleg kan als volgt gekarakteriseerd worden. Veronderstel een constante Waalafvoer met een constant waterstandsverval over de nevengeul (geen hoogwatereffecten). Benedenstrooms van de zandvang vindt in de geul ter plekke van smallere profielen met lokaal hogere stroomsnelheden erosie en transport van bodemmateriaal plaats. Echter, door verruiming van de smallere profielen neemt de weerstand van de geul af, waardoor de nevengeulafvoer kan groeien. Door deze groei in nevengeulafvoer nemen vervolgens de snelheden weer toe, waardoor ter plekke van de smallere profielen opnieuw erosie plaatsvindt, etc. Ter illustratie is in Fig. 4.9 het berekende verloop in de nevengeulafvoer (bij gemiddelde Waalafvoer) weergegeven in een periode van 30 jr. In Fig. 4.9 is de berekende gemiddelde toename in nevengeulafvoer 1% per 3 jaar. ...............................

47

Het berekende verloop in de nevengeulafvoer op lange termijn.

46

nevengeulafvoer [m3/s]

Figuur 4.9

45 44 43 42 41 40 0

5

10

15

20

25

30

tijd [jr]

De snelheid van dit proces is afhankelijk van de grootte van het sediment transport: hoe lager de stroomsnelheden (of hoe groter de korreldiameter) des te langzamer deze toename in nevengeulafvoer.

47


Dit principe is ook weergegeven in Fig. 4.10, waarin voor verschillende nevengeulafvoeren de initiële waarde en de afvoer na 10 jaar is weergegeven. Voor grotere nevengeulafvoeren (hogere snelheden) geldt een grotere toename. Als de snelheid in de nevengeul zodanig is gedaald dat de bijbehorende bodemschuifspanningen kleiner zijn dan de kritische waarde voor transport van bodemmateriaal, dan stopt het proces en bereikt de geul een evenwichtssituatie. ...............................

50

Figuur 4.10 nevengeulafvoer [m3/s]

Groei in nevengeulafvoer bij verschillende regelwerkbreedten.

45 40 initieel

35

na 10 jaar

30 25 20 0

5

10

15

20

25

effectieve regelwerkbreedte

Aanbevolen wordt om het huidige ontwerp als uitgangspunt te houden, en de nevengeulafvoer bij gemiddelde Waalafvoer jaarlijks te monitoren. Voor het voorspellen van morfologische veranderingen in het zomerbed van de Waal zal rekening gehouden worden met een 5% toename in nevengeulafvoer in de eerste 10 jaar na aanleg.

4.6

Abiotische kenmerken bij gemiddelde Waalafvoer

Op basis van de morfologische berekeningen zijn de volgende parameters te presenteren. ............................... 6.7

Figuur 4.11 waterstand [m] + NAP

Berekende waterstanden in de nevengeul.

6.6 direct na aanleg

6.5

na 10 jaar na 20 jaar 6.4

na 30 jaar

6.3

6.2 0

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000


48


............................... 0.7

gemiddelde snelheid [m/s]

Figuur 4.12 Berekende stroomsnelheden in de nevengeul.

0.6 0.5 direct na aanleg 0.4

na 10 jaar na 20 jaar

0.3

na 30 jaar 0.2 0.1 0 0

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000


De relatief hoge stroomsnelheden direct na aanleg zijn een gevolg van de redelijk grove schematisatie van het dwarsprofiel. In Fig. 5.10 in hoofdstuk 5 wordt een beeld van overwegend lagere stroomsnelheden gegeven wat beter in overeenstemming is met het plan.

minimale bodemligging [m] + NAP

...............................

Figuur 4.13 Berekende bodemligging in de nevengeul.

5

4 direct na aanleg

3

na 10 jaar na 20 jaar 2

na 30 jaar

1

0 0

500

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000


............................... 6

gemiddelde waterdiepte [m]

Figuur 4.14 Gemiddelde waterdiepte in de nevengeul.

5 4 direct na aanleg

3

na 30 jaar

2 1 0 0

500

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000


49


50


5. Sedimentatie en erosie in de nevengeul van de Afferdensche en Deestsch waarden

...............................................................................

5.1

Inleiding

Bij de risico schatting voor de verspreiding naar oppervlaktewater bij het project Afferdensche en Deestsche waarden is een van de aspecten risico voor erosie van de mogelijk verontreinigde bodem van de nevengeul. Als gevolg van grote stroomsnelheden kan er in de nevengeul erosie optreden. Het is dus van belang om na te gaan of er netto erosie van bodemmateriaal kan optreden en zeker als er sprake is van nog resterende verontreinigde lagen in de bodem van de nevengeul. Tevens is het van belang om te weten hoe snel de nevengeul eventueel dicht sedimenteert en er dus onderhoud aan de nevengeul gepleegd moet gaan worden. De direct na aanleg in de nevengeul te verwachte sedimentatie van zwevend stof en erosie van bodemmateriaal is berekend met behulp van het SOBEK-slibmodel van de nevengeul. De basis van het slibmodel wordt gevormd door het SOBEK-model, zoals dat beschreven is in hoofdstuk 4, en wat de waterbeweging van de nevengeul beschrijft. Dit model is uitgebreid door het geschikt te maken voor waterkwaliteitsberekeningen waarmee onder andere sedimentatie en erosie van zwevend stof kan worden berekend. Het transport van zwevend stof wordt binnen SOBEK-waterkwaliteit berekend door het oplossen van de advectie-diffusie vergelijkingen, hierin wordt de verandering van de concentratie (zwevend stof) in de tijd berekend aan de hand van het advectieve en dispersieve transport:

δC δ C δ ⎛ δ C⎞ ⎟−M ⎜ Dx = −v x + δt δ x δ x ⎜⎝ δ x ⎟⎠ Waarin: C t vx Dx M

[kg/m3] [s] [m/s] [m2/s] [-]

(5.1)

concentratie van de stof tijd stroomsnelheid x-richting dispersiecoëfficiënt in de x-richting bron- of puttermen

Met bron- en puttermen wordt hier de uitwisseling met de bodem bedoeld: erosie en sedimentatie.

51


Binnen SOBEK-waterkwaliteit kan de slibbeweging beschreven worden met maximaal 3 fracties. Hiervoor is fijn zand, grof slib en fijn slib als uitgangspunt genomen. De berekening van sedimentatie in de waterkwaliteitsmodule is gebaseerd op de formulering van Krone (Krone, 1962). Het al dan niet optreden van sedimentatie wordt in deze vergelijking afhankelijk verondersteld van de lokale stroomsnelheid. Hiernaast is de kritische snelheid voor sedimentatie van belang, boven deze snelheid zal een deeltje niet meer kunnen sedimenteren, daaronder wel. De sedimentatie is maximaal in stilstaand water en de zwevend stofdeeltjes vallen dan met hun karakteristieke valsnelheid naar de bodem. Voor elk van de drie fracties geldt een andere kritische snelheid voor sedimentatie en een andere valsnelheid. Binnen SOBEK-waterkwaliteit wordt bij de berekening van sedimentatie en erosie niet gerekend met snelheden, maar met schuifspanningen. De omrekening van snelheid naar schuifspanning gaat via de formule:

τ = ρ×g×

v2 C2

Waarin: ρ g C v

(kg/m3) (m/s2) (m½/s) (m/s)

(5.2) dichtheid waterfase zwaartekrachtsversnelling Chézyruwheidsfactor (profielgemiddelde) stroomsnelheid

In de gebruikte modelformulering wordt voor elke fractie i de sedimentatie bepaald volgens:

τ b ≥ τ s,kr ( i )

Fs, i = 0

(5.3)

⎡ ⎛ τ ⎞⎤ Fs, i = Ws,i Ci ⎢1 − ⎜⎜ b ⎟⎟⎥ ⎢⎣ ⎝ τ s,kr ( i ) ⎠⎥⎦ Waarin: Fs,i

τb τ s ,kr (i )

Ci Ws,i

τ b < τ s,kr ( i )

[kg/m2.s] [N/m2]

sedimentatieflux fractie i schuifspanning aan de bodem

[N/m2]

kritische schuifspanning voor

[kg/m3] [m/s]

sedimentatie fractie i concentratie zwevend stof fractie i valsnelheid fractie i

Erosie is ook een transportterm tussen de waterfase en de bodem. Deze wordt beschreven volgens Partheniades (Partheniades, 1965). In deze formulering is erosie afhankelijk van de lokale schuifspanning. Bij overschrijding van de kritische schuifspanning treedt erosie op. Hierbij wordt gebruik gemaakt van één fractie, bij het optreden van erosie breekt de bodem immers niet per fractie op, maar gaat de bodem als 'brokken' weg. In het model wordt daarom verondersteld dat de drie

52


zwevend stoffracties in de bodem homogeen gemengd zijn. Als er materiaal erodeert dan is de verdeling over de fracties gelijk aan de verdeling in de toplaag. Bij het proces erosie spelen twee parameters een rol: de erosiesnelheidsconstante en de kritische snelheid voor erosie. De eerste geeft de snelheid van de optredende erosie aan en de tweede geeft het moment van erosie aan, oftewel de stroomsnelheid van het water (in een 1 D-model is dit de profielgemiddelde snelheid) waarbij erosie optreedt. In het model wordt de erosieflux berekend volgens:

τ ≤ τ e,kr

Fe = 0

(5.4)

⎡⎛ τ Fe = Me ⎢⎜⎜ b ⎣⎢⎝ τ e,kr Waarin: Fe

⎞ ⎤ ⎟ − 1⎥ ⎟ ⎠ ⎦⎥

τ > τ e,kr

τ e,kr

[kg/m2.s] [N/m2]

erosieflux kritische schuifspanning voor erosie

Me

[kg/m2.s]

erosiesnelheidsparameter

Voordat berekeningen met de kwaliteitsmodule kunnen worden uitgevoerd, moeten een aantal gegevens in het model opgegeven worden, waaronder randvoorwaarden, initiële condities en segmentgrenzen waarbinnen de concentratie zwevend stof homogeen verondersteld mag worden. Bij de SOBEK-berekeningen wordt eerst de waterbeweging voor de gehele periode berekend en vervolgens de waterkwaliteit (slibtransport). Door deze volgorde van rekenen wordt de veranderde bodemligging door eventuele sedimentatie of erosie niet in de waterbewegingberekening aangepast.

5.2

Bouw SOBEK-slibmodel nevengeul ADW

5.2.1. Segmenten Het slibtransport wordt in de waterkwaliteitsmodule berekend in segmenten, de basis ruimtelijke eenheid voor de numerieke oplossing van de waterkwaliteitsberekening van het model. Een segment is een bepaald watervolume met een bepaalde diepte en een bepaald wateroppervlak en met een homogene waterkwaliteit. Waar de segmenten liggen in de nevengeul en hoelang zij zijn, is bepaald door in de SOBEK-schematisatie de achter elkaar liggende profielen die ongeveer hetzelfde zijn binnen één segment te houden. Zo is de nevengeul verdeeld in 8 segmenten. (figuur 5.1 en tabel 5.1)

53


...............................

Figuur 5.1 Modelsegmenten nevengeul Afferdensche en Deestsche waarden.

AD W _S g

ADW_Sgm8 (uitlaat)

m 1

( in la at)

ADW_Sgm3

ADW_Sgm7 AD W

_S

gm 6

ADW_Sgm2 (zandvang)

5 Sgm W_ AD

ADW_Sgm4

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .

Tabel 5.1 Segmentlengten.

Segment ADW_Sgm1 (Inlaat) ADW_Sgm2 (zandvang) ADW_Sgm3 ADW_Sgm4 ADW_Sgm5 ADW_Sgm6 ADW_Sgm7 ADW_Sgm8 (uitlaat)

Lengte in m 100 650 500 750 500 1000 500 400

5.2.2. Randvoorwaarden Voor de waterbewegingsberekeningen zijn dezelfde instellingen en randvoorwaarden aangehouden als bij de morfologische berekeningen (zie hoofdstuk 4). Voor het zwevend stof is in SOBEK aangegeven dat dit berekend moet worden met behulp van drie fracties, IM1, IM2 en IM3, waarbij binnen de berekeningen IM1 verondersteld wordt de fijne slibfractie te zijn, IM2 de grove slibfractie en IM3 de fijne zandfractie. Als zwevend stofrandvoorwaarden voor het model is het gehalte aan zwevend stof bij Lobith aangehouden. Aangezien het om modelberekeningen gaat met stationaire afvoeren is het zwevend stofgehalte bij Lobith bepaald aan de hand van de relatie zwevend stofvracht en afvoer bij Lobith (Fioole, 2002). De verdeling over de drie fracties (fijn slib, grof slib en fijn zand) is uitgevoerd volgens de methode Ludikhuize en Ruygh (Ludikhuize en Ruygh, 1989). In tabel 5.2 is per afvoer de verdeling van het zwevend stof over de fracties in procenten weergegeven. Tevens is in de tabel weergegeven de gehalten die als randvoorwaarden in het model, voor zowel de bovenals benedenrand, zijn opgegeven.

54


. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .

Afvoer Waal m3/s 857 966 1069 1215 1303 1412 1578 1786 2090 2260 2635 7309

Tabel 5.2 Verdeling zwevend stofgehalten over de fracties fijn slib, grof slib en fijn zand bij verschillende afvoeren.

ZS g/m3 13 14 16 17 18 19 20 21 23 25 30 77

fijn slib % (g/m3) 44% (5.71) 44% (6.29) 44% (6.75) 43% (7.27) 43% (7.54) 42% (7.83) 41% (8.19) 40% (8.56) 39% (8.99)

38% (9.53) 37% (10.98) 17% (15.45)

grof slib % (g/m3) 44% (5.71) 44% (6.29) 44% (6.75) 43% (7.27) 43% (7.54) 42% (7.83) 41% (8.19) 40% (8.56) 39% (8.99) 38% (9.53) 37% (10.98) 17% (15.45)

fijn % 11% 12% 13% 14% 15% 16% 17% 19% 22% 23% 26% 66%

zand (g/m3) (1.44) (1.74) (2.02) (2.42) (2.66) (2.96) (3.44) (4.04) (4.98) (5.74) (7.85) (46.36)

5.2.3. Initiële condities Voor een goede berekening is het van belang dat er aan het begin van de berekening een bodem aanwezig is met een realistische verhouding van de fracties. De opgegeven bodemhoeveelheid is daarbij niet zo van belang, als er maar voldoende bodemmateriaal aanwezig is dat kan gaan eroderen in het geval er erosie op gaat treden. Belangrijker is meer de verhouding van de drie fracties, omdat dit bepaald of de bodem zandig of slibbig of een vorm ertussenin is. En dat is weer van belang op het moment dat er erosie optreedt. De erosie van de bodem gaat weliswaar in brokken en niet in fracties apart, maar de verdeling van het opgewervelde hoeveelheid sediment in de waterfase over de drie fracties is afhankelijk van hoe de verhouding van de drie fracties in de bodem is. De begintoestand van de bodem is bepaald aan de hand van kaarten van het toekomstig maaiveld (MAW-2003-237-T2: Lutum (<2µm), MAW-2003-232-T2: Silt (2-63µm) en MAW-2003-239-T2: Zand (>63µm)). Binnen SOBEK kan de begintoestand van de bodem alleen per tak of voor het gehele model opgegeven worden, daarom is per fractie het gemiddelde van de gehele nevengeul geschat en als initiële bodem gebruikt (tabel 5.3). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .

Tabel 5.3 Beginwaarden bodem nevengeul ADW.

Inactive substances in sediment fijn slib (IM1) grof slib (IM2) 9 1,6.10 g 2,7.109 g

fijn zand (IM3) 5,7.109 g

5.2.4. Procesconstanten Voor berekeningen van het slibtransport moeten in SOBEK enkele procesconstanten worden opgegeven voor o.a. de parameters sedimentatiesnelheid, kritische schuifspanning voor sedimentatie, kritische schuifspanning voor erosie en de erosiesnelheidsparameter.

55


In tabel 5.4 staan de gebruikte parameterinstellingen vermeldt, zoals die ook in voorgaande studies (Van Wijngaarden en Ludikhuize, 1998, Van Wijngaarden, 1998 en Sloot en Van den Berg, 2000) zijn gebruikt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .

Procesconstanten

waarde

eenheid

Tabel 5.4 Procesconstanten voor de berekening van het slibtransport in SOBEK.

waarde omgerekend

eenheid

naar schuifspanning Sedimentatiesnelheid - fijn slib

0,25

m/d

- grof slib

10

m/d

- fijn zand

25

m/d

- fijn slib

0,25

m/s

0,55

N/m 2

- grof slib

0,50

m/s

2,21

N/m 2

- fijn zand

0,75

m/s

4,97

N/m2

Erosiesnelheidsconstante

500

g/m2.d

kritische snelheid voor erosie

0,5

m/s

2,21

N/m2

kritische snelheid voor sedimentatie

Voor de fractie fijn zand kan het voorkomen dat de berekende schuifspanning kleiner of gelijk is aan de kritische schuifspanning voor sedimentatie en tegelijkertijd groter of gelijk is aan de kritische schuifspanning voor erosie. Er wordt dan door SOBEK zowel sedimentatie als erosie van de fractie berekend. Het nettoresultaat uiteindelijk is het verschil tussen sedimentatie en erosie. Is dit positief dan overheerst de sedimentatie, is dit negatief dan overheerst de erosie. Hetzelfde geldt voor de grof slibfractie indien de stroomsnelheid gelijk is aan zowel de kritische snelheid voor sedimentatie als erosie. Binnen SOBEK kan niet meer dan één kritische schuifspanning voor erosie worden opgegeven. In het verleden is hier enig onderzoek naar gedaan in een uiterwaard en uiteindelijk gekozen voor 0,5 m/s als gemiddelde (Van Wijngaarden, 1998).

5.3

Sedimentatie en erosie

Er zijn voor 8 Waalafvoeren stationaire modelberekeningen uitgevoerd. De afvoeren zijn dezelfde afvoeren zoals vermeld in hoofdstuk 4, namelijk: 857, 966, 1069, 1215, 1303, 1412, 1578, 1786, 2090, 2260, 2635 en 7309 m3/s.

5.3.1. Stroomsnelheden in segmenten van de nevengeul De sedimentatie en erosie in de nevengeul wordt in SOBEK berekend aan de hand van de bodemschuifspanning. De in de segmenten bij verschillende afvoeren berekende bodemschuifspanningen zijn omgerekend naar stroomsnelheden en weergegeven in figuur 5.2 en tabel 5.5.

56


...............................

Stroomsnelheden in Sobek-segmenten

Figuur 5.2

1.40

Stroomsnelheden in segmenten van de nevengeul bij verschillende Waalafvoeren.

Afvoer m3/s

1.20

857 966 1069 1215 1303 1412 1578 1786 2090 2260 2635 7309

1.00

m/s

0.80

0.60

0.40

0.20

0.00 ADW_sgm1 (inlaat)

ADW_sgm2 (zandvang)

ADW_Sgm3

ADW_Sgm4

ADW_Sgm5

ADW_Sgm6

ADW_Sgm7

ADW_Sgm8 (uitlaat)

segment

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .

Tabel 5.5 Stroomsnelheid per segment bij verschillende afvoeren. Stroomsnelheid (m/s) jaarlijkse

Qwaal ADW_sgm1 ADW_sgm2 ADW_Sgm ADW_Sgm ADW_Sgm ADW_Sgm ADW_Sgm ADW_Sgm

onderschrij- (m3/s)

(inlaat) (zandvang)

3

4

5

6

7

8 (uitlaat)

dingskans 5

857

0.10

0.03

0.19

0.17

0.20

0.24

0.03

0.33

10

966

0.13

0.04

0.22

0.20

0.23

0.28

0.04

0.36

16

1069

0.19

0.06

0.28

0.23

0.29

0.34

0.05

0.41

30

1215

0.19

0.06

0.28

0.23

0.28

0.35

0.05

0.41

40

1303

0.22

0.08

0.30

0.22

0.29

0.28

0.06

0.39

50

1412

0.30

0.11

0.39

0.26

0.37

0.28

0.08

0.40

60

1578

0.34

0.13

0.46

0.29

0.43

0.29

0.09

0.41

70

1786

0.45

0.20

0.58

0.31

0.45

0.25

0.11

0.37

80

2090

0.68

0.34

0.88

0.45

0.51

0.30

0.16

0.46

84

2260

0.73

0.36

0.93

0.47

0.52

0.30

0.17

0.47

90

2635

0.93

0.49

1.16

0.57

0.57

0.34

0.21

0.55

100

7309

1.14

0.63

1.28

0.63

0.54

0.34

0.25

0.57

5.3.2. Zwevend stofgehalte Het fijne slibgehalte neemt over de gehele nevengeul gezien als gevolg van sedimentatie zeer langzaam af (figuur 5.3) bij afvoeren tot aan 1578 m3/s. Bij hogere afvoeren neemt het gehalte aan fijn slib iets toe, als gevolg van erosie in segment ADW_Sgm3, het segment net achter het regelwerk. Vervolgens blijft in de verdere loop van de nevengeul het gehalte fijn slib gelijk. Bij hele lage afvoeren (857 en 966 m3/s) neemt het gehalte fijn slib aan het einde van de nevengeul enigszins af.

57


...............................

Fijn slib (IM1)

Figuur 5.3

18.0

Het fijne slibgehalte (IM1) in de nevengeul bij verschillende Waalafvoeren.

Afvoer m3/s

16.0

857 966 1069 1215 1303 1412 1578 1786 2090 2260 2635 7309

14.0

IM1 g/m3

12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 ADW_sgm1 (inlaat)

ADW_sgm2 (zandvang)

ADW_Sgm3

ADW_Sgm4

ADW_Sgm5

ADW_Sgm6

ADW_Sgm7

ADW_Sgm8 (uitlaat)

segment

Figuur 5.4 laat zien dat het gehalte grof slib, bij afvoeren tot aan 1786 m3/s, in de loop van de nevengeul steeds verder afneemt, uitgezonderd in segment ADW_Sgm8. Bij afvoeren hoger dan 2090 m3/s neemt het gehalte grof slib in de eerste twee segmenten, de inlaat en de zandvang, af (sedimentatie), waarna in segment ADW_Sgm3 het gehalte grof slib weer toeneemt (erosie), om in de segmenten ADW_Sgm4 en ADW_Sgm5 gelijk te blijven en vervolgens in de rest van de nevengeul weer af te nemen. ...............................

Grof slib (IM2)

Figuur 5.4

18.0

Het grove slibgehalte (IM2) in de nevengeul bij verschillende Waalafvoeren.

Afvoer m3/s

16.0

857 966 1069 1215 1303 1412 1578 1786 2090 2260 2635 7309

14.0

IM2 g/m3

12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 ADW_sgm1 (inlaat)

ADW_sgm2 (zandvang)

ADW_Sgm3

ADW_Sgm4

ADW_Sgm5

ADW_Sgm6

ADW_Sgm7

ADW_Sgm8 (uitlaat)

segment

Het gehalte fijn zand (figuur 5.5) neemt in de gehele nevengeul bij afvoeren tussen de 857 en 1786 m3/s af door sedimentatie van het fijn zand. Bij een afvoer van 2090 m3/s en hoger is er een afname te zien in het fijne zandgehalte in de zandvang (segment ADW_Sgm2) en vervolgens als gevolg van erosie weer een toename in segment ADW_Sgm3. In de rest van de nevengeul is dan weer een afname in gehalte te zien.

58


...............................

Fijn zand (IM3)

Figuur 5.5

50.0

Het fijne zandgehalte (IM3) in de nevengeul bij verschillende Waalafvoeren.

Afvoer m3/s

45.0

857 966 1069 1215 1303 1412 1578 1786 2090 2260 2635 7309

40.0 35.0

IM3 g/m3

30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 ADW_sgm1 (inlaat)

ADW_sgm2 (zandvang)

ADW_Sgm3

ADW_Sgm4

ADW_Sgm5

ADW_Sgm6

ADW_Sgm7

ADW_Sgm8 (uitlaat)

segment

De berekende hoge gehaltes fijn zand bij een afvoer van 7309 m 3/s is niet zo zeer het gevolg van flinke erosie, maar hoofdzakelijk veroorzaakt door de hoge zwevend stofrandvoorwaarden. Bij maatgevende hoge afvoeren blijft het fijne zand in suspensie.

5.3.3. Sedimentatie Bij alle afvoeren vindt er een kleine hoeveelheid sedimentatie van fijn slib (figuur 5.6) plaats in het segment ADW_Sgm7. In segment ADW_Sgm2 (de zandvang) is dat het geval bij afvoeren tot aan 1786 m3/s en bij afvoeren beneden de 1303 m3/s ook in segment ADW_Sgm1 (de inlaat). Bij de hele lage afvoeren 857 en 966 m3/s is er nog een hele kleine hoeveelheid sedimentatie te zien in segment ADW_Sgm4. Boven de zojuist vermelde afvoeren komt in de desbetreffende segmenten geen sedimentatie van het fijne slib meer voor. In de segmenten ADW_Sgm3, ADW_Sgm5, ADW_Sgm6 en ADW_Sgm8 vindt bij geen van de doorgerekende afvoeren sedimentatie van het fijne slib plaats. ...............................

Sedimentatieflux fijn slib (fSedIM1)

Figuur 5.6

5.0 Afvoer m3/s

Sedimentatieflux fijn slib in de nevengeul bij verschillende Waalafvoeren.

857 966 1069 1215 1303 1412 1578 1786 2090 2260 2635 7309

fSedIM1 (g/m2/d)

4.0

3.0

2.0

1.0


ADW_sgm2 (zandvang)

ADW_Sgm3

ADW_Sgm4

ADW_Sgm5

segment

59


ADW_Sgm6

ADW_Sgm7

ADW_Sgm8 (uitlaat)

Bij vrijwel alle afvoeren is er in elk segment van de nevengeul sedimentatie van grof slib (figuur 5.7). De grootste hoeveelheid vindt plaats aan het begin van de nevengeul, waarna in de rest van de nevengeul een afname is te zien. Bij afvoeren hoger dan 1786 m 3/s is er echter geen sedimentatie van grof slib in de segmenten ADW_Sgm1 (inlaat), ADW_Sgm3 en ADW_Sgm5, dit als gevolg van te hoge stroomsnelheden. Hier treedt erosie van grof slib op, wat in de daarop volgende segmenten weer sedimenteert. ...............................

Sedimentatieflux grof slib (fSedIM2)

Figuur 5.7

140.0

Sedimentatieflux grof slib in de nevengeul bij verschillende Waalafvoeren.

Afvoer m3/s

120.0

857 966 1069 1215 1303 1412 1578 1786 2090 2260 2635 7309

fSedIM2 (g/m2/d)

100.0

80.0

60.0

40.0

20.0


ADW_sgm2 (zandvang)

ADW_Sgm3

ADW_Sgm4

ADW_Sgm5

ADW_Sgm6

ADW_Sgm7

ADW_Sgm8 (uitlaat)

segment

Bij alle afvoeren is er in de nevengeul sedimentatie van fijn zand. Dit is te zien in figuur 5.8. De meeste sedimentatie van het fijne zand vindt plaats aan het begin van de nevengeul in de inlaat, segment ADW_Sgm1, en de zandvang, segment ADW_Sgm2. De sedimentatiehoeveelheid neemt in de loop van de nevengeul steeds verder af. Bij afvoeren lager dan 1303 m3/s is er zelfs nauwelijks tot geen sedimentatie meer van het fijne zand in de laatste twee segmenten aan het einde van de nevengeul. Bij de hogere afvoeren, 2090, 2260, 2635 en 7309 m 3/s, vindt er geen sedimentatie van het fijne zand plaats in het segment ADW_Sgm3 en bij 2635 en 7309 m3/s is dat ook het geval in segment ADW_Sgm1(inlaat). Als gevolg van te hoge stroomsnelheden treedt er dan in die segmenten geen sedimentatie maar erosie op. Het geërodeerde fijne zand sedimenteert weer in de verdere loop van de nevengeul.

60


...............................

Sedimentatieflux fijn zand (fSedIM3)

Figuur 5.8

900.0

Sedimentatieflux fijn zand in de nevengeul bij verschillende Waalafvoeren.

Afvoer m3/s

800.0

857 966 1069 1215 1303 1412 1578 1786 2090 2260 2635 7309

fSedIM3 (g/m2/d)

700.0 600.0 500.0 400.0 300.0 200.0 100.0 0.0 ADW_sgm1 (inlaat)

ADW_sgm2 (zandvang)

ADW_Sgm3

ADW_Sgm4

ADW_Sgm5

ADW_Sgm6

ADW_Sgm7

ADW_Sgm8 (uitlaat)

segment

In tabel 5.6 is voor elk segment de totaal door SOBEK berekende sedimentatie bij verschillende afvoeren weergegeven. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .

Tabel 5.6 Totale sedimentatie per segment bij verschillende afvoeren. Totale Sedimentatieflux (fijn slib + grof slib + fijn zand) (gDW/m2/d) jaarlijkse


onderschrij- (m3/s)

(inlaat) (zandvang)

3

4

5

6

7

8 (uitlaat)

3

2

0

dingskans 5

857

63

25

13

8

5

10

966

79

39

20

14

10

5

4

0

16

1069

91

59

33

24

18

10

12

1

30

1215

103

68

38

27

21

11

13

1

40

1303

110

83

48

37

27

15

16

3

50

1412

106

102

49

51

31

24

26

5

60

1578

108

118

46

62

30

32

35

8

70

1786

88

143

37

91

28

60

57

29

80

2090

43

157

0

114

58

114

116

57

84

2260

39

170

0

124

69

131

134

67

90

2635

0

183

0

129

104

195

208

98

100

7309

0

748

0

709

795

944

950

656

5.3.4. Erosie In de nevengeul door de Afferdensche en Deestsche waarden wordt door SOBEK geen erosie berekend tijdens afvoeren van 1578 m3/s en lager (figuur 5.9). In het segment net na het regelwerk, ADW_Sgm3, vindt wel erosie plaats tijdens afvoeren van 1786 m3/s en hoger. Dit is ook het geval in segment ADW_Sgm1 (inlaat) bij afvoeren van 2090 m3/s en hoger. Lichte erosie vindt plaats in segment ADW_Sgm5 bij afvoeren tussen de 1786 en 2635 m3/s.

61


...............................

Resuspensieflux (fResS1DM)

Figuur 5.9

1400 Afvoer m3/s

Resuspensieflux in de nevengeul bij verschillende Waalafvoeren.

1200 857 966 1069 1215 1303 1412 1578 1786 2090 2260 2635 7309

resuspensie g/m2/d

1000

800

600

400

200

0 ADW_sgm1 (inlaat)

ADW_sgm2 (zandvang)

ADW_Sgm3

ADW_Sgm4

ADW_Sgm5

ADW_Sgm6

ADW_Sgm7

ADW_Sgm8 (uitlaat)

segment

In tabel 5.7 is voor elk segment de door SOBEK berekende erosie bij verschillende afvoeren weergegeven. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .

Tabel 5.7 Erosie per segment bij verschillende afvoeren. Erosieflux (fResS1DM) (gDM/m2/d) jaarlijkse


onderschrij- (m3/s)

(inlaat) (zandvang)

3

4

5

6

7

8 (uitlaat)

dingskans 857

0

0

0

0

0

0

0

0

10

966

0

0

0

0

0

0

0

0

16

1069

0

0

0

0

0

0

0

0

30

1215

0

0

0

0

0

0

0

0

40

1303

0

0

0

0

0

0

0

0

50

1412

0

0

0

0

0

0

0

0

60

1578

0

0

0

0

0

0

0

0

70

1786

0

0

99

0

48

0

0

0

80

2090

239

0

715

0

31

0

0

0

84

2260

319

0

825

0

15

0

0

0

90

2635

716

0

1329

0

14

0

0

0

100

7309

981

0

1168

0

0

0

0

0

5

Bij deze resultaten moet wel opgemerkt worden dat er ook erosie optreedt bij de hoogste afvoeren, waarbij de nevengeul buiten zijn oevers treedt. Binnen SOBEK wordt dan de maximale breedte van het doorstroomprofiel aangehouden. In werkelijkheid wordt deze breedte groter en dus ook het doorstroomprofiel. Hetgeen weer resulteert in lagere stroomsnelheden dan in de SOBEK-berekeningen, waar de maximale breedte wordt aangehouden (Snippen et al, 2002). Een vergelijk met een WAQUA-berekening met een afvoer van 8000 m3/s bij Lobith (≈ 5300 m3/s bij Tiel) laat zien dat de stroomsnelheden ter plaatse van de nevengeul lager uitvallen dan die door SOBEK

62


berekend worden, uitgezonderd ter plaatse van segment ADW_Sgm7 en ADW_Sgm8. Tijdens deze afvoer gaat dit deel van de uiterwaard flink mee stromen (tabel 5.8). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .

Snelheden in m/s

Tabel 5.8 WAQUA- en SOBEK-snelheden (m/s).

ADW_sgm1 (inlaat) ADW_sgm2 (zandvang) ADW_Sgm3 ADW_Sgm4 ADW_Sgm5 ADW_Sgm6 ADW_Sgm7 ADW_Sgm8 (uitlaat)

WAQUA Q Waal 5300 m3/s (gem.) 0,51 0,40 0,38 0,37 0,31 0,29 0,62 0,79

SOBEK Q Waal 2635 m3/s 0,93 0,49 1,16 0,57 0,57 0,34 0,21 0,55

SOBEK Q Waal 7309 m3/s 1,14 0,63 1,28 0,63 0,54 0,34 0,25 0,57

Hieruit concluderend zou in de nevengeul bij de hoge afvoeren de erosie lager uit kunnen vallen. SOBEK overschat waarschijnlijk de hoeveelheid erosie en onderschat, ook als gevolg van de lagere stroomsnelheden, de hoeveelheid sedimentatie. Het geeft echter wel een goede identificatie waar kans op erosie is. De erosie van mogelijk verontreinigd bodemmateriaal in de nevengeul is een belangrijk punt. Daarom is ter controle van het SOBEK-model van de nevengeul een exercitie met GIS voor een gemiddelde afvoer uitgevoerd en met behulp van WAQUA gekeken naar een situatie met een hoge afvoer. M.b.v. GIS is op een andere manier dan in SOBEK de stroomsnelheid in de nevengeul berekend. Daarvoor is m.b.v. GIS het doorstroomoppervlak in de nevengeul onder het waterstandniveau bij gemiddelde afvoer bepaald. Met de bekende afvoer door de nevengeul kan nu de stroomsnelheid in de nevengeul bepaald worden (Q=v*A). Aan de hand van deze snelheden en de kritische snelheid voor erosie (0,5 m/s) is in figuur 5.10 ruimtelijk aangegeven waar er kans op erosie bestaat.

63


......................

Figuur 5.10 Erosie van slib in de nevengeul bij gemiddelde afvoer.

In figuur 5.10 is te zien dat bij gemiddelde Waalafvoer (1662 m3/s) en een kritische stroomsnelheid voor erosie van 0,5 m/s er geen erosie in de nevengeul optreedt (er zijn geen rode vlakken te zien). Dit geven ook de SOBEK-berekeningen aan. Bij een afvoer van 1578 m3/s wordt er geen erosie berekend (zie figuur 5.9) Bij een afvoer van 1786 m 3/s is dit wel het geval in de segmenten ADW_sgm3 en ADW_sgm5 (zie figuur 5.9 en 5.1). Rond de kritische stroomsnelheid voor erosie zit een bepaalde onzekerheidsband. In het Noordelijk Deltabekken wordt over het algemeen (Van Wijngaarden, 1998) een kritische stroomsnelheid voor erosie aangehouden van 0,5 m/s met als marge zo’n 10% (minimale erosie bij 0,4 m/s en maximale erosie bij 0,6 m/s). In het rivierengebied wordt een andere range aangehouden. Bij een zandige bodem wordt aangehouden dat er erosie optreedt bij ca 0,3 m/s, terwijl er bij een kleibodem pas erosie op gaat treden bij een stroomsnelheid van ca 0,8 m/s. Omdat de kritische stroomsnelheden voor erosie voor het Noordelijk Deltabekken binnen de range van het rivierengebied valt wordt in het verdere onderzoek uitgaan van de range 0,3 - 0,8 m/s. Deze grenzen zijn ook in figuur 5.10 weergegeven. Zo blijkt uit figuur 5.10 dat er bij gemiddelde afvoer er in het grootste deel van de nevengeul, bij welke bodemsoort dan ook, geen erosie optreedt (groene gedeeltes). De stroomsnelheden zijn hier kleiner dan 0,3 m/s. In vier gedeeltes van de nevengeul (oranje) kan er mogelijk erosie optreden indien de bodem wat zandig van aard is. Die vier gedeeltes van de nevengeul (oranje) zijn de inlaat, net na het regelwerk, het midden en de uitstroom. De berekende stroomsnelheden liggen in deze gedeeltes tussen de 0,3 en 0,5 m/s. Wanneer we nu kijken naar de textuurkaarten van het toekomstig maaiveld (MAW-2003-239-T2, MAW-2003-232-T2 en MAW-2003-

64


237-T2), dan zien we dat er in deze gebieden (uitgezonderd het midden van de nevengeul (deelgebied 4), hier zijn geen gegevens van beschikbaar) niet alleen slib wordt aangetroffen, maar ook zand. De bodem is blijkbaar zandig van aard en er bestaat dus de kans dat er mogelijk erosie in deze gebieden optreedt bij gemiddelde afvoer.

5.3.5. Erosie bij extreem hoge afvoeren in de uiterwaard In figuur 5.11 en 5.12 zijn bij een hoge Bovenrijnafvoer (10.000 m 3/s) met behulp van isolijnen van de stroomsnelheden de erosiegevoelige gebieden in de uiterwaard aangegeven zoals die door WAQUA worden berekend. In figuur 5.11 is dit weergegeven voor de huidige situatie en in figuur 5.12 voor de toekomstige situatie. ...............................

Figuur 5.11 Isolijnen van stroomsnelheden van 0,3 m/s, 0,5 m/s en 0,8 m/s in de Afferdensche en Deetsche waarden voor de huidige situatie bij een Bovenrijnafvoer van 10.000 m3/s.

65


...............................

Figuur 5.12 Isolijnen van stroomsnelheden van 0,3 m/s, 0,5 m/s en 0,8 m/s in de Afferdensche en Deetsche waarden voor de toekomstige situatie bij een Bovenrijnafvoer van 10.000 m3/s.

Bij een afvoer van 10.000 m3/s is de uiterwaard overstroomd en de stroomsnelheid is over bijna de gehele uiterwaard groter dan 0,3 m/s. Aannemende dat de gehele uiterwaard begroeid is zal dit hier geen erosie tot gevolg hebben. In de nevengeul is de kans op erosie wel aanwezig. De kans op erosie in de met geel aangegeven gebieden, waar de berekende stroomsnelheden tussen de 0,5 m/s en 0,8 m/s liggen, is vrij groot. In de gedeeltes van de uiterwaard daar waar begroeiing aanwezig is en daar waar de bodem kleiig is zal er geen erosie optreden. In de nevengeul zal dit wel het geval zijn. Aangezien de bodem van de nevengeul zandig van aard is (textuurkaarten van het toekomstig maaiveld MAW-2003-239-T2, MAW-2003-232-T2 en MAW-2003-237-T2) en de stroomsnelheden ter plaatse van de nevengeul voor het grootste gedeelte rond de 0,5 m/s of meer bedragen is de kans op erosie in de nevengeul bij een hoge afvoer vrij groot. In de met rood omrande gebieden (0,8 m/s of hoger) treedt bij een afvoer van 10.000 m3/s erosie op. Wanneer de figuren 5.11 en 5.12 met elkaar vergeleken worden blijkt dat daar waarin de toekomstige situatie de nevengeul loopt er meer erosie op kan gaan treden dan in hetzelfde gebied in de huidige situatie.

66


Wanneer we kijken naar verontreinigingen dan zitten de verontreinigingen meer aan slibachtig materiaal dan aan zand. Dit meenemende zou dus alleen bij hoge afvoeren erosie plaats kunnen vinden (snelheden > 0,5 m/s) en zijn de in figuur 5.12 aangegeven gele gebieden de mogelijk erosiegevoelige gebieden in de toekomstige situatie (afhankelijk van wel of geen begroeiing, zie hierboven).

5.4

Resultaten lange termijn

Voor de korte termijn voorspelling (enkele jaren) van de zwevend stofsedimentatie in de nevengeul is gebruik gemaakt van het sedimentatie en erosie-spreadsheetmodel dat gemaakt is bij de studie naar het sedimentatie- en erosieproces in de grote geul van Gameren (Visser A.Z., 2004). Voor de hele lange termijn voorspelling (tientallen jaren) is het model echter niet geschikt, omdat de verandering van het doorstroomprofiel, en dan met name de breedte, niet in het spreadsheetmodel kan worden doorgevoerd. In het model wordt voor elk segment de bij de verschillende afvoeren door SOBEK berekende zwevend stofgehaltes, hoeveelheden sedimentatie en erosie, afhankelijk van de frequentie van voorkomen van de desbetreffende afvoer, omgerekend naar op jaarbasis. Uit de totale sedimentatie/erosie per jaar voor elk segment kan vervolgens de dikte van de sedimentatie- of erosielaag per jaar met behulp van een opgegeven bodemdichtheid worden berekend. De sedimentatie van vooral grof slib en fijn zand in de nevengeul vindt vooral plaats tijdens lage afvoeren. Bij hoge afvoeren treedt in bepaalde delen van de nevengeul erosie op. Op jaarbasis bekeken is de netto sedimentatie/erosie nu het gecombineerde effect van hoge en lage afvoeren. De hoeveelheid sedimentatie van het zwevend stof in de nevengeul blijft beperkt tot zo’n 10.000 m3 per jaar. In de verschillende modelsecties van de nevengeul ligt de netto sedimentatie in de diepere delen van het profiel tussen de 0,01 en 0,05 m/jaar. Verder geeft het model aan dat de sedimentatie bestaat uit fijn zand (50-60%) en grof slib (40-50%), met uitzondering van segment ADW_Sgm5, waar het percentage fijn zand hoger is en het slibpercentage lager (70% om 30%), en segment ADW_Sgm7, waar het slibpercentage hoger is dan het fijn zandpercentage (60% om 40%). Netto erosie (= erosie – sedimentatie) in de nevengeul vindt alleen maar plaats in de segmenten ADW_Sgm3, orde 0,09 m na 1 jaar tot 0,02 à 0,03 m na 10 jaar (schatting), en ADW_Sgm1 (inlaat), orde 0 tot 0,01 m per jaar. De verwachte ontwikkeling van de nevengeul is dat deze heel langzaam zal sedimenteren, uitgezonderd het gedeelte (ADW_sgm3) net na het regelwerk. Dit gedeelte zal nog wel een aantal jaren langzaam eroderen.

67


5.5

Opmerkingen

Bij modelberekeningen met zwevend stof wordt in de meeste gevallen als zwevend stof randvoorwaarde het gemeten gehalte bij Lobith aangehouden, aannemende dat op het tussenliggende traject vanwege de hoge stroomsnelheid geen sedimentatie optreedt. Echter uit de studie van de nevengeul van Gameren bleek dat de gehalten aan zwevend stof gemeten in de inlaat van de grote geul aldaar sterk afwijken van de gehalten gemeten bij Lobith. In de inlaat van de grote geul van Gameren is het gehalte zwevend stof een factor 1,75 hoger dan bij Lobith. Een eenduidige verklaring is gezien het ontbreken van gemeten gehalten in de rivier en het kribvak bovenstrooms van de inlaat niet mogelijk. De sedimentatie in de nevengeul door de Afferdensche en Deestsche waarden op basis van het zwevend stofgehalte bij Lobith wordt mogelijk onderschat. Bij toepassing van de correctie op de zwevend stofrandvoorwaarde zou dat op jaarbasis een extra sedimentatie opleveren in de inlaat en zandvang van 1 à 2 cm en in de rest van de nevengeul 0 tot 1 cm. In de modelberekeningen is de correctie op basis van de ervaring bij Gameren niet toegepast. In de loop van het project is het ontwerpprofiel van de nevengeul aangepast. Vanaf 6,5 m + NAP is de oever aangepast met een talud van 1:10 tot aan huidig maaiveld. Deze wijziging in het ontwerp is niet in de schematisatie (cross sections) van het SOBEK-model aangepast. Deze wijziging gaat pas spelen bij hoge afvoeren, wanneer de nevengeul uit zijn oevers loopt. Op dat moment zal dan het gedeelte van het maaiveld met het talud 1:10 gaan functioneren als bergend oppervlak. Tevens is de verwachting dat dit gedeelte, wat niet zo vaak zal overstromen, begroeid zal raken en op zo’n manier ook weinig stroomvoerend zal bijdragen. Het stromende gedeelte van de nevengeul zal nog steeds de geul zijn zoals dat nu in het SOBEK-model geschematiseerd is, alwaar dus ook voornamelijk het sedimenttransport, de sedimentatie en erosie, zal plaatsvinden.

5.6

Conclusies

Op grond van de SOBEK-berekeningen van de nevengeul kan geconcludeerd worden dat er zowel erosie als sedimentatie in de nevengeul gaat plaatsvinden. Erosie in de nevengeul gaat optreden bij Waalafvoeren hoger dan de gemiddelde Waalafvoer, uitgaande van een kritische stroomsnelheid voor erosie van 0,5 m/s. Erosie vindt voornamelijk plaats in het segment ADW_Sgm3 , het gedeelte net na het regelwerk gelegen aan het einde van de zandvang. Ook vindt erosie plaats in de inlaat van de nevengeul (segment ADW_Sgm1). Naast erosie treedt in mindere mate in deze delen van de nevengeul ook sedimentatie van zwevend stof op. De netto erosie bedraagt voor segment ADW_Sgm3 zo’n 0,09 m na 1 jaar, maar neemt in de loop der jaren af en voor segment ADW_Sgm1 0 tot 0,01 m per jaar. In het

68


middengedeelte (segment ADW_Sgm5) van de nevengeul treedt bij hogere afvoeren zowel sedimentatie als lichte erosie op. De sedimentatie is daarbij groter dan de erosie. Zeker op jaarbasis gezien overheerst voor dit gedeelte de sedimentatie van het zwevend stof. Wordt er uitgegaan van een zandige bodem, waarbij een kritische stroomsnelheid voor erosie van 0,3 m/s wordt aangehouden, dan kan er bij afvoeren rond de gemiddelde Waalafvoer ook in bovenstaande gedeeltes en in de uitlaat van de nevengeul erosie optreden. Bij uiterwaard overschrijdende afvoeren zal met name ter plaatse van de nevengeul erosie optreden. In de gedeeltes van de uiterwaard waar begroeiing aanwezig is en/of een kleibodem aanwezig is, zal geen erosie optreden. Uitgezonderd in segment ADW_Sgm1 en segment ADW_Sgm3 treedt in vrijwel de gehele nevengeul netto sedimentatie van het zwevend stof op. De sedimentatie vindt voornamelijk plaats in de zandvang, ongeveer 0,05 m/jaar. In de rest van de nevengeul bedraagt de sedimentatie zo’n 0,01 à 0,02 m/jaar. De hoeveelheid sedimentatie van het zwevend stof in de nevengeul blijft beperkt tot zo’n 10.000 m3 per jaar.

69


70


6. Sedimentatie in de zandvang ...............................................................................

6.1

Inleiding

Voor de herinrichtingsmer van de Afferdensche en Deestsche uiterwaarden moet een schatting worden gemaakt van de sedimentatie tijdens gemiddelde afvoeren in de zandvang van de geplande nevengeul. In dit hoofdstuk wordt van de sedimentatie als gevolg van bodemtransport en zwevend stoftransport een indicatie gegeven. In het Technisch Ontwerp Inrichting Afferdensche en Deestsche Waarden (Molenkamp, 2003) wordt aangegeven dat in feite niet gesproken moet worden over een zandvang, maar over een zwevend sedimentvang. Deze benaming spreekt het grote publiek echter niet aan en het woord slibvang heeft een te negatieve uitstraling, daarom is tijdens informatieavonden het woord zandvang gebruikt met daarbij wel steeds de uitleg dat het gaat om zwevend materiaal. Allereerst wordt nu een indicatie gegeven van de sedimentatie in de zandvang als gevolg van bodemtransport. Opgemerkt wordt dat, in situaties met gemiddelde rivierafvoer, de snelheid van de aanzanding in nevengeulen vooral afhankelijk zal zijn van: - lokale, gemiddelde stroomsnelheden en turbulentiepatronen in het kribvak en lokaal in de hoofdgeul - wervels gegenereerd door de nabijgelegen (bovenstroomse kribkop) - golven/waterspiegeldalingen in kribvak en hoofdgeul opgewekt door scheepvaartbewegingen - het type transport (overwegend zwevend transport) Dit alles leidt tot bijdragen van verschillende complexe processen op vergelijkbare tijd en ruimteschaal. De voorspelbaarheid van aanzanding is dan ook niet groot; dit geldt hier ook voor geavanceerder, numerieke modellen van sediment transport. In deze memo wordt daarom gebruik gemaakt van een empirische relatie voor aanzanding, die niet geverifieerd is voor nevengeulopeningen in kribvakken. De theoretische verwachting is dat de hoogte van de aanzanding in de zandvang zonder ingrijpen groeit tot het kruinniveau van de inlaat. De aanzanding verplaatst zich in stroomrichting door de zandvang met een sedimentfront (“schokgolf”). De snelheid hiervan kan een functie zijn van het hoogteverschil tussen kruinniveau en initiële zandvangbodem.

71


6.2

Empirische relatie

De aanzanding in de nevengeul is afhankelijk van het sedimenttransport in stroombanen die naar de nevengeul leiden (en de “Bulle”-bijdrage door kromming). De inlaat kan worden beschreven als een splitsingspunt. Overeenkomstig Wang en Van der Kaaij (1994) wordt daarom een splitsingspuntrelatie gebruikt van de vorm

S n ⎛ Bn ⎞ =⎜ ⎟ S h ⎜⎝ Bh ⎟⎠

1− k

⎛ Qn ⎞ ⎟⎟ ⎜⎜ ⎝ Qh ⎠

k

(6.1)

Met Bn Bh k Sn Sh Qn Qh

[m] [m] [-] [m3/s] [m3/s] [m3/s] [m3/s]

inlaatbreedte van de nevengeul (circa 50 m) breedte van de hoofdgeul (circa 260 m) empirische coefficient sedimentaanbod aan de nevengeul restant sedimenttransport in de hoofdgeul afvoer door de nevengeul restant afvoer door de hoofdgeul

Deze formule (Verg. 6.1) is door de sterke vereenvoudiging van lokale fysische processen vooralsnog een hypothese die een indicatie geeft van de aanzanding. De waarde van k kan enigszins worden onderbouwd met Fig. 6.1, waar de relatie tussen sediment- en afvoerverdeling voor verschillende sets van prototypemetingen en modelproeven zijn vergeleken. Door de waarden uit elke dataset te normeren met een bijbehorende referentie, kan Verg. 6.1 worden getransformeerd naar

s ≈ q k ;s =

S1 / S2 Q1 / Q2 ;q= S1ref / S2ref Q1ref / Q2ref

(6.2)

Hierdoor wordt het mogelijk om de verschillende configuraties met elkaar te vergelijken. De algemene trend is enigszins weergegeven met k ≈ 3. De grote spreiding van de data (nb. dubbel logaritmische assen !) geeft aan dat Verg. 6.2 niet erg nauwkeurig is.

72


...............................

100

Figuur 6.1 Vergelijking empirische splitsingspuntrelatie met waarnemingen.

10

WL (1974)

S [-]

symm (R en Z, 1994) asymm (R en Z, 1994)

1 0.1

1

Pan Kop (Akkerman 1993)

10

Jonglei (Akkerman, 1993) fit met alpha = 3

0.1

0.01 Q [-]

6.3

Jaarlijkse aanzanding zonder hoogwater

Door de splitsingspuntrelatie (Verg. 6.2 met k=3; Bn=50 m en Bh=260 m) te combineren met de afvoergegevens, kan een indruk worden gegeven van het jaarlijkse sedimentaanbod aan de nevengeul. Dit wordt als volgt gedaan. Met Verg. 6.2 kan het aanbod aan de IJssel worden geschreven als −2

3

⎛ Bn ⎞ ⎛ α ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎜ ⎟ Bh ⎠ ⎝ 1− α ⎠ ⎝ Sn = SWaal −2 3 ⎛ Bn ⎞ ⎛ α ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎜ ⎟ +1 ⎝ Bh ⎠ ⎝ 1− α ⎠

met

α=

Qn QW

(6.3)

Als nu SW, het transport in de Waal wordt geschat met een machtswet

S = mu n met m en n empirische coëfficiënten, dan kan met de wet ⎛Q van Chézy worden afgeleid S = S ref ⎜⎜ w ⎝ Qref

⎞ ⎟⎟ ⎠

n/ 3

met O(n) = 5 (6.4)

De jaarlijkse zandvracht door de Waal kan dan gedefinieerd worden door Verg. 6.4 te integreren met Qmax

⎛Q VW = S ref ∫ ⎜⎜ w Qref Qmin ⎝

⎞ ⎟⎟ ⎠

n/ 3

p(QW ) dQW

(6.5) Hierin is p(Qw) de jaarlijkse kans van voorkomen van afvoer Qw. De constanten Sref en Qref kunnen met Verg. 6.5 geschreven worden als n/ 3 Qref 1 = S ref VW

73

Qmax

∫Q

n/ 3 w

p(QW ) dQW

Qmin


(6.6)

Door Verg. 6.3 te integreren over een jaar, en Verg. 6.4 en 6.6 in te vullen, kan worden gevonden voor de jaarlijkse aanzanding in de nevengeul

⎛ α ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ 1− α ⎠

Qmax

∫

Vn ⎛ Bn ⎞ =⎜ ⎟ VW ⎜⎝ Bh ⎟⎠

1− k

Qmin

⎛ Bn ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ Bh ⎠

1− k

k

k

Qwn / 3 p(QW )dQW

⎛ α ⎞ ⎜ ⎟ +1 ⎝ 1− α ⎠

Qmax

∫Q

n/ 3 w

(6.7)

p(QW )dQW

Qmin

Met de afvoerwaarden en overschrijdingskansen uit Tabel 4.3 uit hoofdstuk 4 (met een maximale nevengeulafvoer van 3%) en met k = 3 en n = 5 wordt gevonden dat de jaarlijkse aanzanding in de nevengeul wordt geschat op 0,08 % van Vw, de jaarlijkse zandvracht door de Waal. Met Vw 500.000 m3 betekent dit Vn = 400 m3 (0,16 m over een oppervlak van 50 m x 50 m). De onzekerheid in de empirische splitsingspuntrelatie (Verg. 6.1) is behoorlijk groot; - de grootste bijdrage aan de gemiddelde aanzanding is te verwachten bij hogere Waalafvoeren; een spreiding in de nevengeulafvoer in dit afvoerdomein leidt tot grote variatie in de geschatte aanzanding *) - in de geschatte jaarlijkse zandvracht zit een spreiding van ± 60%. - Verg. 6.1 is gebaseerd op splitsingspunten waarbij de takken directe met elkaar zijn verbonden. De invloed van (door scheepvaart opgewekte) golven en stroming op het sedimentaanbod naar en door het kribvak met de nevengeulinlaat is onbekend. *) Als niet maximaal α=0,03 wordt gebruikt, maar onveranderd de nevengeulafvoer uit Tabel 4.3 wordt ingevuld met α= 0,07 bij een Waalafvoer van 2635 m3/s, dan neemt de geschatte aanzanding volgens Verg. 6.7 met een factor 10 toe. Verbetering van de voorspelling met bureaustudies lijkt nauwelijks mogelijk; de huidige operationele modellen voor sedimenttransport zijn hiervoor niet toereikend.

6.4

Sedimentatie tijdens hoogwater

Deze schatting is exclusief de sedimentatie door sedimentrijke instroming van de uiterwaard tijdens hoogwater die niet via de inlaat in de zandvang terechtkomt. Deze zone wordt overstroomd bij Bovenrijnafvoeren groter dan circa 6.000 m3/s, wat in de periode 1900-1999 jaarlijks gemiddeld 6,5 dag voorkomt. In Sorber (1997) wordt gerapporteerd dat tijdens de hoogwaters in 1993/1994 en 1995

74


op de linker Waaloever ter plekke van de huidige zandvang, sedimentatie plaatsvond. .....................

overstromings-

lokatie

sedimentatie-

sedimentatie-

sed. snelheid

duur [dg]

km

oppervlak [m2]

dikte [m]

[m/dg]

1993/1994

20

899.045-988.395

3975

0,024

0,001

1995

13

898.580-898.700

3206

0,080

0,006

0,104

0,004

Jaar

Tabel 6.1 Geschatte sedimentatie ter plekke van de zandvang tijdens hoogwater.

Gemiddelde

16,5

De waarnemingen in Tabel 6.1 leveren een empirische referentie waarde voor de gemiddelde sedimentatiesnelheid tijdens hoogwater van wref = 0,004 m per dag overstroming. Aangenomen wordt dat de snelheid van deze zichtbare sedimentatie overeenkomt met de snelheid van de niet-zichtbare sedimentatie in de zandwinplas ter plekke van de zandvang. De jaargemiddelde hoogwatersedimentatie zh bij een overstromingsduur van 6,5 dag is dan

∆z h ≈ w h ref T = 0,004 * 6,5 = 0,026

m. Veronderstel dat deze sedimentatie plaatsvindt over een oppervlak van circa 3000 m2 (Tabel 6.1), dan is de geschatte jaargemiddelde hoogwatersedimentatie 78 m3. Dit getal is gebaseerd op onveranderde hydraulische condities. Als na herinrichting daarentegen de uiterwaardafvoer met circa 10% toeneemt, dan mag worden verwacht dat ook de sedimentatie tijdens hoogwater ter plekke van de zandvang navenant groter wordt. Veiligheidshalve wordt de toekomstige hoogwaterbijdrage aan de jaargemiddelde aanzanding ter plekke van de zandvang geschat op 86 m3. De jaargemiddelde bijdrage van hoogwatersedimentatie door stroming buiten de inlaat om is dus minder significant dan de jaargemiddelde aanzanding die de zandvang via de inlaat ontvangt.

6.5

De totale sedimentatie in de zandvang

Op basis waargenomen hoogwatersedimentatie (§6.4) en met behulp van een empirische relatie (§6.3) wordt geschat dat de grootte van de jaarlijkse aanzanding in de zandvang van de nevengeul circa 500 m3 bedraagt. Ook is in deze paragrafen aangegeven dat deze schatting onnauwkeurig is. Wordt het geschatte volume van de aanzanding toch verdeelt over het oppervlak van de zandvang dan zou dat neerkomen op een aanzanding van ongeveer 0,01 m/jaar. In de zandvang sedimenteert niet alleen het zand dat over de bodem van de Waal de nevengeul in wordt getransporteerd, maar ook het zwevend stof. De sedimentatie in de zandvang als gevolg van het zwevend stoftransport (hoofdstuk 5) wordt geschat op 0,05 m per jaar, waarbij opgemerkt moet worden dat uiterwaard overschrijdende hoge afvoeren niet in de berekening zijn meegenomen. De totale sedimentatie van zowel bodemtransport als zwevend stoftransport zou dan ongeveer 0,06 m/jaar bedragen. Het

75


gesedimenteerde sediment zal zich echter niet gelijkelijk verdelen over het hele oppervlak van de zandvang, maar zich in de stroomrichting door de zandvang met een sedimentfront verplaatsen. Vanwege het niet halen van de saneringsdoelstelling wordt er gedacht om de zandvang een meter extra te verdiepen. Deze verdieping heeft op de sedimentatie van het zwevend stof niet veel effect. De sedimentatiehoeveelheid neemt wel iets toe als gevolg van nog lagere stroomsnelheden. Maar de stroomsnelheden in de zandvang waren al zo laag zodat de toename heel licht is. Op jaarbasis blijft de geschatte hoeveelheid sedimentatie 0,05 m/s. Wel zal het uiteraard langer duren voor de zandvang vol is.

76


7. Erosie in de zandwinplas ...............................................................................

7.1

Inleiding

Bij de herinrichting van de Afferdensche en Deedstsche waarden zal de in de uiterwaard gelegen zandwinplas gebruikt gaan worden als depot voor de afgegraven verontreinigde grond. In de voor de herinrichting benodigde MER moet aangegeven worden in hoeverre erosie kan optreden in de zandwinplas, bij toekomstig gebruik als depot. Dit is van belang in de vulfase en in de eindfase, na het beëindigen van het storten en tijdens hoge afvoeren.

7.2

Vulfase

Met behulp van een WAQUA-model van een deel van de Waal (Nijmegen – Wamel (nabij Tiel)) is bij uiterwaard overschrijdende afvoeren, 8.000, 10.000 en 16.000 m3/s (afvoer bij Lobith) voor de vulfase gekeken naar de stroomsnelheden ter plaatse van de zandwinplas, zowel in de huidige situatie als in de toekomstige situatie. De berekende snelheden zijn vergeleken met de kritische stroomsnelheid voor erosie. Dit is de stroomsnelheid waarboven er erosie van de waterbodem op kan gaan treden. Over het algemeen ligt de kritische stroomsnelheid in een range van 0,3 m/s (bij zandige bodem) tot 0,8 m/s (bij kleibodem). Omdat het bij de zandwinplas om voorkomen van erosie van verontreinigde grond gaat en de verontreinigingen meer aan het slib zit dan aan het zand, is voor het bepalen van wel of geen erosie een kritische stroomsnelheid van 0,5 m/s aangehouden. (zie ook paragraaf 5.3.4) Bij een Bovenrijnafvoer van 8.000 m3/s is de stroomsnelheid ter plaatse van de zandwinplas lager dan 0,5 m/s, zowel in de huidige situatie als in de toekomstige situatie. Alleen ter plaatse van het instroomgedeelte is de snelheid hoger dan 0,5 m/s en kan hier dus erosie optreden. Bij een Bovenrijnafvoer van 10.000 m3/s ligt de zandwinplas in de huidige situatie nog in de luwte van het hoogwatervrij terrein, gelegen bovenstrooms van de zandwinplas. De stroomsnelheden t.p.v. de zandwinplas zijn hoger dan die bij een afvoer van 8.000 m3/s, maar liggen nog steeds onder de kritische stroomsnelheid voor erosie van 0,5 m/s. Alleen het noordelijk gedeelte van de zandwinplas is onder de invloed van de hoge stroomsnelheden van de Waal. Door afgraving van het hoogwatervrij terrein, in de toekomstige situatie, is de luwte verdwenen en zijn de stroomsnelheden boven de zandwinplas toegenomen. De kritische stroomsnelheid voor erosie

77


wordt dan toch aardig benaderd (figuur 7.1). Er kan dus lichte erosie op gaan treden. ...............................

Figuur 7.1 Stroomsnelheden over de uiterwaard bij Afferden en Deest t.p.v. de zandwinplas in de toekomstige situatie bij een afvoer van 10.000 m3/s.

Voor de maatgevende hoogwaterafvoer van 16.000 m3/s geldt in de huidige situatie precies hetzelfde als bij de afvoer van 10.000 m3/s. De zandwinplas ligt in de luwte van het hoogwatervrij terrein. De berekende stroomsnelheden ter plaatse van de zandwinplas blijven onder of schommelen rond de kritische stroomsnelheid voor erosie. In enkele delen van de zandwinplas treedt erosie op. In de toekomstige situatie, met een afgegraven hoogwatervrij terrein, zijn de berekende stroomsnelheden in het grootste deel van de zandwinplas hoger dan de kritische stroomsnelheid voor erosie. In de toekomstige situatie treedt dus bij een afvoer van 16.000 m3/s in meerdere delen van de zandwinplas erosie op (figuur 7.2). ...............................

Figuur 7.2 Stroomsnelheden over de uiterwaard bij Afferden en Deest t.p.v. de zandwinplas in de toekomstige situatie bij een afvoer van 16.000 m3/s.

78


Het storten van de afgegraven verontreinigde grond in de zandwinplas tot een hoogte van –0,5 m NAP gebeurt m.b.v. boten die de zandwinplas binnen varen. Daartoe wordt de ingang van de zandwinplas tijdelijk verdiept. Bij een afvoer van 10.000 m3/s is er met een WAQUA-berekening gekeken wat de invloed van de verdieping van de ingang op de stroomsnelheden ter plaatse van de zandwinplas is. Het effect is minimaal. De isolijn van 0,5 m/s schuift in de oostelijke helft van de plas ca. 10 m naar het zuiden op. Tevens is de isolijn ook wat rechter getrokken, waardoor een kleine kronkel in de isolijn verdwenen is.

7.3

Eindfase

Om na te gaan of in de eindfase, wanneer de zandwinplas opgevuld en afgedekt is, erosie in de zandwinplas kan optreden wordt gebruik gemaakt van de stroomsnelheden van een WAQUA-berekening met de MHW-afvoer van 16.000 m3/s en waarin de bodem van de zandwinplas opgehoogd is tot –0,5 m NAP. Deze berekening is ooit uitgevoerd om na te gaan of de ophoging van de zandwinplas invloed heeft op de MHW. De berekende stroomsnelheden bij de MHW-afvoer van 16.000 m3/s zijn m.b.v. isolijnen (zwarte lijnen) in figuur 7.3 weergegeven. (De locatie van de zandwinplas is met een blauwe lijn aangegeven en de rode lijnen zijn hoogtelijnen.) +.50

+.80

+.8

...............................

0

Figuur 7.3 Isolijnen van stroomsnelheden van 0,3 m/s, 0,5 m/s en 0,8 m/s ter plaatse van de tot –0,5 m NAP opgevulde zandwinplas in de eindfase bij een Bovenrijnafvoer van 16.000 m3/s.

+.8 0 +.80

+.80

+.30 +.50

+.80 +.30

+.50

+.80

+.80

0 +.5

0 +.5 +.80

+.50

+.80

+.50 +.80

+.80

+.80 +.80

+.50

+.8 0

Uit figuur 7.3 blijkt dat de stroomsnelheden in de zandwinplas voor het grootste gedeelte groter zijn dan 0,5 m/s. Er gaat in de zandwinplas dus erosie optreden. Dat is voor bijna de gehele plas het geval indien de bodem een zandige afdekking krijgt. De stroomsnelheden liggen in bijna in de gehele plas boven de kritische snelheid voor erosie bij een zandige bodem (0,3 m/s). Indien de bodem van de zandwinplas

79


afgedekt wordt met alleen klei dan zal er geen erosie optreden, de stroomsnelheden blijven praktisch in de hele plas onder de kritische snelheid voor erosie bij een kleibodem (0,8 m/s).

7.4

Conclusies

In de zandwinplas kan erosie optreden onder invloed van stroming. Vanwege het relatief geïsoleerde karakter zijn in het geval van de zandwinplas vooral de hoogwaterperioden van belang. Uit de WAQUA-berekeningen met uiterwaard overschrijdende Bovenrijnafvoeren van 8000, 10000 en 16000 m3/s, zowel in de huidige situatie als in toekomstige situatie, kan voor de vulfase geconcludeerd worden dat er in de zandwinplas een hele scala aan stroomsnelheden voorkomen, van bijna stilstaand water tot snel stromend. In het noordelijke gedeelte van de zandwinplas, net na de nu nog bestaande verbinding met de Waal, treedt bij alle drie de afvoeren, zowel in de referentie- als toekomstige situatie, erosie op. De stroomsnelheden zijn hier hoger dan de kritische snelheid voor erosie (0,5 m/s). Bij een afvoer van 8.000 m3/s komen de stroomsnelheden ter plaatse van de zandwinplas niet boven de kritische stroomsnelheid voor erosie uit, zowel in de huidige situatie als in de toekomstige situatie. Er treedt geen erosie op. Bij een afvoer van 10.000 m3/s en in de toekomstige situatie is er wel kans op erosie. De berekende stroomsnelheden liggen dicht in de buurt van de kritische stroomsnelheid voor erosie. Bij de MHW-afvoer van 16.000 m3/s treedt in meerdere delen van de zandwinplas erosie op als gevolg van hoge stroomsnelheden. In de eindfase, als de zandwinplas opgevuld en afgedekt is, zijn bij de MHW-afvoer van 16.000 m3/s de stroomsnelheden ter plaatse van de zandwinplas voor het grootste gedeelte hoger dan 0,5 m/s. De bodem van de opgevulde zandwinplas is dus bij extreem hoge afvoer onderhevig aan erosie. Indien de bodem van de zandwinplas een zandige afdekking krijgt (kritische stroomsnelheid van 0,3 m/s) zal bijna de gehele plas onderhevig zijn aan erosie. Indien de bodem afgedekt wordt met klei is er praktisch geen erosie. Als nu al blijkt dat in de vulfase en in de toekomstige situatie bij een Bovenrijnafvoer van 10.000 m3/s er kans bestaat op erosie, dan zal dat in de eindfase ook het geval zijn. Het doorstroomprofiel wordt tenslotte vernauwd en daardoor gaan de stroomsnelheden omhoog.

80


8. Aanbevelingen ...............................................................................

8.1

Nevengeul

Het ontwerp voor het inrichtingsplan voor de Afferdensche en Deestsche uiterwaarden is verder uitgewerkt naar uitvoeringsaspecten (Molenkamp, 2003). Deze uitwerking heeft een aantal veranderingen t.o.v. het oorspronkelijke inrichtingsplan met zich mee gebracht. Van een aantal veranderingen is vanuit rivierkundig oogpunt het effect onduidelijk of nog onvoldoende onderbouwd. De onderzoeksvragen van deze veranderingen zijn in de nota van Technische Ontwerp aangegeven. De belangrijkste zijn: a. Instroomopening. • De instroomopening is gewijzigd t.o.v. het oorspronkelijke ontwerp. Er is door RWS RIZA rivierkundig onderzoek uitgevoerd naar de meest optimale (beperking sedimentlast geul) instroomopening. De resultaten hiervan zouden verwerkt kunnen worden in het technisch ontwerp. • De ervaring bij Gameren leert dat de oevers bij de instroomopening gevaar lopen te eroderen. Dit is vanuit het rivierbeheer niet toelaatbaar (ongecontroleerde instroming en achterloopsheid kribben). In het Technisch ontwerp moet een geschikte oeververdediging worden opgenomen. b. Hoogte bodem nevengeul. De stromende nevengeul is ontworpen als permanent stromend. De ontwerphoogte van de geulbodem verloopt van 3,5 m+NAP t.p.v. de instroming naar 3,1 m+NAP t.p.v. de uitstroming. Door de nog steeds optredende erosie van de Waalbodem zijn de waterstanden in de afgelopen jaren lager geworden. Bij het ontwerp is uitgegaan van de laagst gemeten waterstand namelijk 3,5 m+NAP (kmr 899) en 3,15 m+NAP (kmr 902.5) (zie nota Inrichtingsplan 1996). In de huidige situatie zijn deze waterstanden gedaald. Door waterstanden statistisch te analyseren kan voor verschillende scenario's de bodemhoogte van de nevengeul geëvalueerd worden. c. Afvoerreguleringswerk nevengeul. • Het dwarsprofiel van de nevengeul is in vergelijking met het oorspronkelijke ontwerp gewijzigd. De redenen zijn het al uitgevoerde middendeel door Delgromij met een ander profiel en het uitgangspunt van het niet opvullen van bestaande plassen. De vraag is of het afvoerregelwerk nog wel voldoet aan de gestelde eisen t.a.v. de maximale nevengeulafvoer. • Het huidige ontwerp geeft weinig praktische mogelijkheden tot bijsturing van de afvoerregeling. Voorgesteld wordt om uit te zoeken op welke wijze dit mogelijk gemaakt kan worden.

81


• De kenmerken van het theoretische afvoerregelwerk in de berekening van de nevengeulafvoer worden in het Technisch ontwerp niet geheel overgenomen. Of het regelwerk volgens het Technisch ontwerp nog voldoende functioneert zou uitgezocht moeten worden. d. Uitstroomopening. De vormgeving van de uitstroomopening is ook gewijzigd. De overgebleven vraag is of de oevers en kribben (geulzijde) voldoende verdedigd zijn.

8.2

Zandwinplas

Uit de WAQUA-berekeningen (hoofdstuk 7) blijkt dat het hoogwatervrij terrein een gunstige invloed, lagere stroomsnelheden, heeft op de stroomsnelheden in de zandwinplas. En lage stroomsnelheden is weer van belang tijdens het vullen van de zandwinplas. Aangeraden wordt dan ook om het hoogwatervrij terrein pas af te graven wanneer de zandwinplas gevuld en afgedekt is.

82


Literatuur

............................................................................... Akkerman, G.J., 1993. Zandverdeling bij splitsingspunten; Literatuurinventarisatie voor inlaten van nevengeulen. Report Q1573, Waterloopkundig Laboratorium. Bos, M.G., 1976. Discharge measurement structures. Brater, E.F. en H.W.King, 1976. Handbook of hydraulics, for the solution of hydraulic engineering problems, 6de editie, McGraw-Hill Book Company. Fioole, A., E.J.Houwing, T.Visser, 2002. Sedimentbalans 1960-2000 zwevend stofvracht Rijn en Maas. RIZA-werdocument 2002.197X, Dordrecht, november 2002. Groen, M., 2003. Persoonlijke communicatie. Hoffmans, G.J.C.M. en H.J. Verheij, 1997. Scour manual, Balkema, Rotterdam/Brookfield. Krone, R.B., 1962. Flume studies of the transport of sediments in estuarial shoaling, Final Report, Hydr. En. Lab. And San. Eng. Res. Lab., University of California, Berkely, VS. Ludikhuize, D. en E.F.W. Ruygh, 1989. Waterkwaliteitsonderzoek van het Noordelijk Deltabekken, slibtransport Hollandsch Diep/Haringvliet. Waterloopkundig Laboratorium, T262, oktober 1989. Meyer-Peter, E. en R. Müller, 1948. Formulas for bed-load transport. Proceedings IAHR, Stockholm, Vol.2, paper 2, pp 39-64. Mirtskhoulava, Ts. Ye., 1991. Scouring by flowing water of cohesive and noncohesive beds, Journal of Hydraulics Research, IAHR, Vol.29, No.3. Molenkamp, L., 2003. Technisch Ontwerp Inrichting Afferdensche en Deestsch Waarden. Versie 28 april 2003/versie 22 mei 2003. Partheniades, E., 1965. Erosion and deposition of cohesive soils, ASCE, Journal of the Hydraulics Division, Vol. 91, No. HY1, pp 105-139. Roosjen, R. & C. Zwanenburg, 1995. Research on bifurcations in rivers, afstudeerrapport, Universiteit Delft, Faculteit der Civiele Techniek. Sieben, J., 2003. Morfologische effecten van PKB strategieën, RIZA werkdocument 2003.105x

83


Sloot, J.S. en G.A. van den Berg, 2000. Evaluatie instellingen regionaal model Zuidrand Noordelijk Deltabekken. RIZA-werkdocument 99.103X, Dordrecht, december 2000. Snippen, E., L.M. van der Heijdt, J.W. van Zetten, 2002. Abiotisch effectonderzoek Sliedrechtse Biesbosch, , RIZA-rapport 2002.044, Dordrecht, november 2002. Sorber, A. M., 1997. Oeversedimentatie tijdens de hoogwaters van 1993/1994 en 1995, RIZA rapport 97.015. Taal, M., 1995. Een basisontwerp voor een nevengeul in de Afferdensche en Deestsche Waard langs de Waal, RIZA nota 95.047, met bijlagen. Ten Brinke, W.B.M., 2000. Dwarsdoorsnede-gemiddelde bodemligging en baggergegevens Rijntakken. Periode 1900-2000 compleet, cd-rom, RIZA. Van Wijngaarden, ir. M., 1998. Sedimentatie en erosie van zwevend stof in nevengeulen. RIZA-rapport 97.078, Lelystad, januari 1998. Van Wijngaarden, ir. M. en ir. D. Ludikhuize, 1998. MER Beheer Haringvlietsluizen, deelrapport Morfologie en kwaliteit binnengebied. RWS apv 98/094, december 1997. Visser A.Z., 2004. Een eenvoudig slibmodel van de Grote geul van Gameren, ontwikkeling en toepassing. RIZA-werkdocument 2004.060X, Dordrecht, maart 2004. Vos, T.C., 2003. Hoogwaterberekeningen, DON ANSR brief d.d. 2609-03 met beschrijving berekeningen, resultaten en CD rom. Waterloopkundig Laboratorium, 1974. Maas-Waal centrale. Invloed van het onttrekken en terugvoeren van koelwater op de bodemligging en waterbeweging van de Waal. Verslag modelonderzoek M1102. WL, 1998. Samengestelde overlaten, vispassages Driel, Amerongen en Hagestein, Q2393.

84


Erosie, sedimentatie en morfologie Afferdensche en Deestsche Waarden

Recommend Documents