HYDRAULISCH FUNCTIONEREN VISPASSEERBARE CASCADES

F ina Final l rereport p ort

Stationsplein 89

POSTBUS 2180 3800 CD AMERSFOORT

HYDRAULISCH FUNCTIONEREN VISPASSEERBARE CASCADES

TEL 033 460 32 00 FAX 033 460 32 50


2011

RAPPORT

22

2011 22


2011

rapport

22

ISBN 978.90.5773.525.7

[email protected] www.stowa.nl TEL 033 460 32 00 FAX 033 460 32 01

Stationsplein 89 3818 LE Amersfoort POSTBUS 2180 3800 CD AMERSFOORT

Publicaties van de STOWA kunt u bestellen op www.stowa.nl

STOWA 2011-22 HYDRAULISCH FUNCTIONEREN VISPASSEERBARE CASCADES

COLOFON UITGAVE Amersfoort, augustus 2011

STOWA, Amersfoort

Auteurs

Matthijs Boersema – Wageningen University

Bart Vermeulen – Wageningen University

Paul Torfs – Wageningen University

Ton Hoitink – Wageningen University, projectleider

Gerry Roelofs - Waterschap Rijn en IJssel, projectleider

Gert van den Houten – Waterschap Rijn en IJssel

Opdrachtgever

Waterschap Rijn en IJssel

Opdrachtnemer

Wageningen University and Research Centre (WUR)

Environmental Sciences Group

Hydrology and Quantitative Water Management Group (HWM)

Projectteam

Gerry Roelofs - Waterschap Rijn en IJssel, projectleider

Gert van den Houten – Waterschap Rijn en IJssel

Frank Weerts – Waterschap De Dommel

Ton Hoitink – Wageningen University, projectleider

Paul Torfs – Wageningen University

Bart Vermeulen – Wageningen University

Matthijs Boersema – Wageningen University

Laboratorium

Kraijenhoff van de Leur Laboratory for Water and Sediment Dynamics (www.watersedimentlab.wur.nl)

DRUK Kruyt Grafisch Adviesbureau STOWA

STOWA 2011-22

ISBN 978.90.5773.525.7

II


ten geleide

In diverse stroomgebieden in Nederland worden in beken en kleine rivieren vispasseerbare kunstwerken aangelegd ter vervanging van stuwen. Dit om vismigratie mogelijk te maken en de ecologie van het systeem te verbeteren. Vispasseerbare kunstwerken zijn er in vele soorten en maten. Een veel voorkomende vispassage is de zogenaamde vispasseerbare stortsteen- bekkenpassage. Vanwege het uiterlijk van dit type passage wordt in de praktijk ook wel gesproken over een vispasseerbare cascade, of kortweg cascade vistrap.

Cascade vistrappen kunnen een opstuwende werking hebben die met name bij hoge afvoeren van belang is om te weten, zeker als de passage in de hoofdwaterloop gelegen is. Door waterschappen worden in de regel modelberekeningen uitgevoerd om het hydraulisch functioneren van het kunstwerk vooraf in te kunnen schatten. De wijze waarop dit gebeurt verschilt tussen waterschappen.

Waterschap Rijn en IJssel heeft in samenwerking met Waterschap De Dommel het initiatief genomen om de stortsteen-bekkenpassage (cascade) in een schaalmodel nader te onderzoeken. Het schaalonderzoek is uitgevoerd in het Kraijenhoff van de Leur Laboratory for Water and Sediment Dynamics aan de Wageningen Universiteit.

Het voorliggende rapport doet verslag van een fysisch schaalexperiment gericht op het kwantificeren van de invloed van een cascade vistrap op de waterstand. De laboratoriumresultaten zijn mathematisch beschreven en geparametriseerd zodat het ontwerp op een juiste manier kan worden gemodelleerd.

Vanwege het belang van het onderzoek voor de waterschappen worden de resultaten van de studie als STOWA rapport uitgebracht. We rekenen erop dat de kennis van deze studie de waterschappen ondersteunt bij het modelleren van vispasseerbare stortsteen-bekkenpassages.

Amersfoort, augustus 2011

De directeur van de STOWA

ir. J.M.J. Leenen


Lijst met symbolen A

doorstroomoppervlak (m²)

B

breedte (m)

d

waterdiepte (m)

h1

waterstand bovenstrooms t.o.v. kruinhoogte (m)

h2

waterstand benedenstrooms t.o.v. kruinhoogte (m)

hx waterstand t.o.v. referentie op locatie ‘x’ (m) L

lengte eenheid (m)

x

lengte in stroomrichting (m)

z

hoogte (m)

R

hydraulische straal (m)

S0

bodemhelling (-)

Q

debiet totaal (m³/s)

Qmg debiet maatgevend (m³/s) q

debiet per breedte eenheid (m²/s)

u

gemiddelde stroomsnelheid in doorstroomoppervlak (m/s)

g

gravitatie versnelling (m/s²)

N

schaalfactor (-)

Fr

Froudegetal (-)

C

Chézy coëfficiënt (m1/2/s)

n

Manning’s n (s/m1/3)

1/n Strickler coëfficiënt, ook aangeduid met: kM (m1/3/s) Cd

afvoercoëfficiënt (-)

Cw

correctiecoëfficiënt (-)

f

reductiefactor voor gestuwde afvoer (-)

Het subscript p, staat voor prototype. Het subscript m, staat voor model.


De STOWA in het kort De Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer, kortweg STOWA, is het onderzoeksplatform van Nederlandse waterbeheerders. Deelnemers zijn alle beheerders van grondwater en opper vlaktewater in landelijk en stedelijk gebied, beheerders van installaties voor de zuivering van huishoudelijk afvalwater en beheerders van waterkeringen. Dat zijn alle waterschappen, hoogheemraadschappen en zuiveringsschappen en de provincies. De waterbeheerders gebruiken de STOWA voor het realiseren van toegepast technisch, natuurwetenschappelijk, bestuurlijk juridisch en sociaal-wetenschappelijk onderzoek dat voor hen van gemeenschappelijk belang is. Onderzoeksprogramma’s komen tot stand op basis van inventarisaties van de behoefte bij de deelnemers. Onderzoekssuggesties van derden, zoals kennisinstituten en adviesbureaus, zijn van harte welkom. Deze suggesties toetst de STOWA aan de behoeften van de deelnemers. De STOWA verricht zelf geen onderzoek, maar laat dit uitvoeren door gespecialiseerde instanties. De onderzoeken worden begeleid door begeleidingscommissies. Deze zijn samen gesteld uit medewerkers van de deelnemers, zonodig aangevuld met andere deskundigen. Het geld voor onderzoek, ontwikkeling, informatie en diensten brengen de deelnemers samen bijeen. Momenteel bedraagt het jaarlijkse budget zo’n 6,5 miljoen euro. U kunt de STOWA bereiken op telefoonnummer: 033 - 460 32 00. Ons adres luidt: STOWA, Postbus 2180, 3800 CD Amersfoort. Email: [email protected]. Website: www.stowa.nl




INHOUD ten geleide

Lijst met symbolen

STOWA IN HET KORT

1

Inleiding 1.1 Onderzoeksvragen

1 2

2 Prototype

3

3 Schaalmodel

4

3.1

Geometrische schaalfactor

4

3.2

Froude schaalfactor

4

3.3

Ontwerp schaalmodel

5

4 Metingen

7

4.1

Meetmethode

7

4.2

Meetlocaties

8

4.3 Meetplan

9


5 Methode 5.1

5.2

11

Overlaat binnen SOBEK

11

5.1.1 Universal weir (Methode 1)

12

5.1.2 River weir (Methode 2)

13

5.1.3 Vistrap als ruwoppervlak (Methode 3)

13

Data analyse voor bepaling invoerparameters

14

5.2.1 Universal weir (Methode 1)

14


14

5.2.3 Vistrap als ruwoppervlak (Methode 3)

15

6 Resultaten 6.1 Qh-relaties

16 16

6.1.1 Qh-realties voor de verschillende ontwerpen

16

6.1.2 Invloed bodemhelling op Qh-relatie

18

6.1.3 Vergelijking Qh-relaties verschillende ontwerpen

19

6.2

Profielen waterspiegel over vistrappen

22

6.3

Resultaten invoerparameters

22

6.3.1 Effectieve kruinhoogte

22

6.3.2 Cascade vistrap invoerparameters voor SOBEK

23

6.3.3 Enkele rechte drempel invoerparameters voor SOBEK

28

6.3.4 Enkele V-vormige drempel invoerparameters voor SOBEK

30

6.3.5 Samenvatting methodes

32

Samenvatting en Conclusies

33

7

Referenties

35

BIJLAGEN 1 ONTWERP

37

2 MEETPLAN

41

3

Qh-RELATIES PROTOTYPE WAARDEN

43

4

WATERSTANDSPROFIEL IN OVER CONSTRUCTIE, VOOR 12 DEBIETEN (1-120 L/S) EN 5 BENEDENSTROOMSE SCHUIFHOOGTES

47

5

METHODE VOOR DE OMZETTING VAN PROTOTYPE WAARDEN NAAR MODELWAARDE EN OMGEKEERD

57


1 Inleiding diverse stroomgebieden worden in beken en kleine rivieren vispasseerbare cascades 1 In Inleiding (vistrappen) aangelegd ter vervanging van stuwen. De cascades worden doorgaans uitgevoerd in stortsteen. Uit herberekeningen van extreem hoge afvoeren die in augustus 2010 zijn opge-

In diverse in dat beken en kleine rivieren vispasseerbare cascades treden instroomgebieden Oost Nederland, isworden gebleken modelberekeningen met SOBEK Channel Flow, (vistrappen) ter vervanging stuwen. De worden doorgaans leiden tot aangelegd een onrealistische opstuwingvan bovenstrooms vancascades een cascade. Het Waterschap Rijnuitgevoerd en in stortsteen. Uit herberekeningen van extreem hoge afvoeren die in augustus 2010 zijn IJssel heeft onvoldoende vertrouwen in de gesimuleerde opstuwing om op basis hiervan een opgetreden in Oost Nederland, is gebleken dat modelberekeningen met SOBEK Channel kadeverhoging door te voeren. Er is een gebrek aan kennis omtrent de relatie tussen de waterFlow, leiden tot een onrealistische opstuwing bovenstrooms van een cascade. Het Waterschap stand en afvoer, tot 2,5 keer de maatgevende afvoer. Rijn en IJssel heeft onvoldoende vertrouwen in de gesimuleerde opstuwing om op basis hiervan een kadeverhoging door te voeren. Er is een gebrek aan kennis omtrent de relatie Wanneer de waterstand bovenstrooms en benedenstrooms van een cascade oploopt, als gevolg tussen de waterstand en afvoer, tot 2,5 keer de maatgevende afvoer. van een afvoergolf, zal de constructie verdrinken. Dit betekent dat de benedenstroomse water-

stand de waterstand beïnvloed en eventuele opstuwing in de benedenloop Wanneer debovenstroomse waterstand bovenstrooms en benedenstrooms van een cascade oploopt, als ook bovenstrooms van de cascade van invloed is. De stroming over de constructie tijdens gevolg van een afvoergolf, zal de constructie verdrinken. Dit betekent dat de gaat benedenstroomse de ‘verdrinking’ over van schietend water (Froude getal > 1) en naar eventuele stromend water (Froude in de waterstand de bovenstroomse waterstand beïnvloed opstuwing getal <1). benedenloop ook bovenstrooms van de cascade van invloed is. De stroming over de constructie gaat tijdens de ‘verdrinking’ over van schietend water (Froude getal > 1) naar In Figuur 1 is (Froude schematisch het effect van een vistrap op de waterstand weergegeven. De casstromend water getal <1). cade bestaat uit een serie drempels en heeft een relatief ruw oppervlak wat kan leiden tot

Figuur 1

In Figuur 1 is schematisch het effect van een vistrapdeop de waterstand weergegeven. De bovenstroomse opstuwing. Tijdens laagwater kan alleen bovenstroomse drempel resultecascade bestaat uit een serie drempels en heeft een relatief ruw oppervlak wat kan leiden tot ren in een lichte opstuwing bovenstrooms, aangezien het Froudegetal over de treden groter bovenstroomse opstuwing. Tijdens laagwatervan kande alleen de bovenstroomse drempel resulteren is dan één (schietend water). Het modeleren volledige complexe stroming inclusief in een lichte opstuwing bovenstrooms, aangezien het Froudegetal over de treden groter turbulentie over deze vistrap zou een toepassing van de drie dimensionale Navier-Stokes ver- is dan ééngelijking (schietend water). Het modeleren van de volledige complexe stroming inclusief turbulentie met vrije randvoorwaarde met zich meebrengen. Omdat dit niet haalbaar is, is er over deze vistrap zou een toepassing van de drie dimensionale Navier-Stokes vergelijking met voor gekozen om de globale gevolgen van de vistrap binnen SOBEK te conceptualiseren hetvrije randvoorwaarde met zich meebrengen. Omdat dit niet haalbaar is, is er voor gekozen om geen een herinterpretatie van de betrokken parameters met zich meebrengt. Er zijn tot op de globale gevolgen van de vistrap binnen SOBEK te conceptualiseren hetgeen een heden geen algemeen geldende parameterisaties beschikbaar die geijkt zijn om de ruwheid herinterpretatie van de betrokken parameters met zich meebrengt. Er zijn tot op heden geen te kwantificeren, of de bestaande overlaatformules met de juiste correctie factoren aan te algemeen geldende parameterisaties beschikbaar die geijkt zijn om de ruwheid te passen. Daarom is een schaalexperiment uitgevoerd om voor de specifieke vistrap van deze kwantificeren, of de bestaande overlaatformules met de juiste correctie factoren aan te passen. studieisdeeen parameters te bepalen. uitgevoerd om voor de specifieke vistrap van deze studie de Daarom schaalexperiment parameters te bepalen. Schets van verhanglijnen over een cascade vistrap

Figuur 1. Schets van verhanglijnen over een cascade vistrap.

1

Het voorliggende rapport doet verslag van een fysisch schaalexperiment gericht op het kwantificeren van de invloed van een cascade vistrap op de waterstand. Het gesimuleerde prototype is een cascade met acht drempels die een hoogteverschil van 0.7 meter overbrugt. De drempels bestaan uit stortsteen en hebben een recht aanstroomprofiel (de kruin is


Het voorliggende rapport doet verslag van een fysisch schaalexperiment gericht op het kwantificeren van de invloed van een cascade vistrap op de waterstand. Het gesimuleerde prototype is een cascade met acht drempels die een hoogteverschil van 0.7 meter overbrugt. De drempels bestaan uit stortsteen en hebben een recht aanstroomprofiel (de kruin is horizontaal). De cascade bevindt zich in een waterloop met een breedte van 10 meter en een maatgevende afvoer (Qmg) van 20 m³/s. De maatgevende afvoer is gedefinieerd als de afvoer die gemiddeld één keer per jaar wordt overschreden. De maximale bodemhelling van de waterloop bedraagt 1/1000. Het schaalexperiment is uitgevoerd in een stroomgoot van 14.9 meter lang en 1.16 meter breed. Op basis van de maten van de stroomgoot en het prototype is een schaalfactor van 1:15 gekozen. Naast de invloed van een cascade vistrap op de waterstand is het tevens een verge-

die gemiddeld één keer per jaar wordt overschreden. De maximale bodemhelling van de lijking gemaakt met een enkele rechte drempel (horizontale kruin) en een enkele V-vormige waterloop bedraagt 1/1000.

drempel. Ook voor deze ontwerpen zijn parameters opgesteld voor het gebruik in een hydrau-

lisch is model. Het schaalexperiment uitgevoerd in een stroomgoot van 14.9 meter lang en 1.16 meter breed. Op basis van de maten van de stroomgoot en het prototype is een schaalfactor van 1:15 gekozen. Naast de invloed van een cascade vistrap op de waterstand is het tevens een vergelijking gemaakt met een enkele rechte drempel (horizontale kruin) en een enkele V1.1 Onderzoeksvragen vormige drempel. Ook voor deze ontwerpen zijn parameters opgesteld voor het gebruik in een hydraulisch model.Het doel van het schaalexperiment is tweeledig. Ten eerste verschaffen de meetresultaten 1.1

kennis over het functioneren van een cascade vistrap, enkele rechte drempel en enkele V-vor-

Onderzoeksvragen mige drempel, bij

verschillende afvoeren (5%-250%Qmg) en verschillende benedenstroomse

Het doel van hetwaterstanden. schaalexperiment is tweeledig. Ten eerste verschaffen meetresultaten Bovendien is een vergelijking mogelijkdetussen de verschillende ontwerpen. kennis over het functioneren van een cascade vistrap, enkele rechte drempel en enkele VTen tweede heeft het onderzoek als doel om de resultaten mathematisch te beschrijven en te vormige drempel, bij verschillende afvoeren (5%-250%Qmg) en verschillende benedenstroomse parametriseren, zodat in SOBEK onderzochte cascadeontwerpen. ontwerp op een juiste manier kan waterstanden. Bovendien is een vergelijking mogelijkhet tussen de verschillende Ten tweede heeft het worden onderzoek als doel omDit degeldt resultaten te rechte beschrijven en en te de V-vormige dremgemodelleerd. tevensmathematisch voor de enkele drempel parametriseren, zodat in SOBEK het onderzochte op een juistegeformuleerd: manier kan pel. Voor het onderzoek zijn de cascade volgendeontwerp onderzoeksvragen worden gemodelleerd. Dit geldt tevens voor de enkele rechte drempel en de V-vormige drempel. Voor het onderzoek zijn de volgende onderzoeksvragen geformuleerd:

1 Hoe zien de Qh-relaties eruit van een cascade vistrap, enkele rechte drempel en een enkele

1. Hoe zien V-vormige de Qh-relaties eruit van een cascade vistrap, enkele rechte drempel en een drempel, bij verschillende benedenstroomse waterstanden en een afvoerbereik van enkele V-vormige drempel, bij verschillende benedenstroomse waterstanden en een 5%-250% Qmg? afvoerbereik van 5%-250% Qmg? 2 Hoe verschilt de Qh-relatie tussen de cascade vistrap, enkele rechte 2. Hoe verschilt de Qh-relatie tussen de cascade vistrap, een enkeleeen rechte drempel en drempel en een enkele V-vormige een enkele V-vormigedrempel? drempel? 3. Wat is3 de Wat invloed van de bodemhelling (helling 1/1000) op de1/1000) Qh-relaties? is de invloed van de bodemhelling (helling op de Qh-relaties? 4. Welke parameters (zoals in SOBEK worden toegepast) kunnen gebruikt worden om de 4 Welke parameters (zoals in SOBEK worden toegepast) kunnen gebruikt worden om de drie drie ontwerpen te simuleren? 5. Wat is de ontwerpen Manning’s nteensimuleren? Chezy coëfficiënt van het onderzochte cascade vistrap, Wat de Manning’s n en Chezy coëfficiënt van het onderzochte cascade vistrap, zodat deze zodat 5 deze kanisworden toegepast in SOBEK. 6. Wat is eenkan geschikte wordenkruinhoogte? toegepast inAangezien SOBEK. de keuze voor een kruinhoogte van grote invloed is op de gebruikte overlaat formules.

6 Wat is een geschikte kruinhoogte? Aangezien de keuze voor een kruinhoogte van grote invloed is op de gebruikte overlaat formules.

2

6


2 Prototype De Groenlose Slinge en de Buurserbeek, die benedenstrooms overgaat in de Schipbeek, kunnen beschouwd worden als de prototypebeken voor dit schaalonderzoek. Het prototype wordt gekenmerkt door onderstaande gegevens. Het fysische schaalmodel is gebaseerd op deze maten. De breedte van het prototype is niet op schaal nagebouwd. Voor de cascade vistrap en de rechte drempel levert dit geen probleem op, aangezien het ontwerp zich over de hele breedte van de rivier/beek uitstrekt en het profiel rechthoekig is. De opstuwende werking van een V-vormig overlaat is wel gevoelig voor de breedte, omdat de waterdiepte en de hydrau lische ruwheid, breedte afhankelijk zijn. Waterloop • Doorstroomprofiel is rechthoekig • Breedte (B) = 10 m • Bodemhelling (S0) = 0 en 1/1000 • Maatgevende afvoer (Qmg) = 20 m³/s • Maatgevende afvoer per breedte eenheid (Qmg) = 2.0 m²/s Cascade vistrap • Kruinlengte = 0.3 m • Kruinbreedte = 10 m (gelijk aan breedte waterloop) • Kruinafstand (in de stromingsrichting) = 10 m • Drempelhoogte t.o.v. lokale bodem = 1.0 m • Voetbreedte = 2.3 m • Talud = 1:1 • Verval cascade vistrap = 1:100 • Totaal hoogte verschil over cascade vistrap = 0.7 m • Aantal drempels = 8 • Gemiddelde diameter stortsteen = 0.3 m Enkele rechte drempel • Maten drempel identiek aan cascade vistrap • Aantal drempels = 1 Enkele V-vormige drempel • Kruinlengte = 0.3 m • Kruinbreedte = 10 m (gelijk aan breedte waterloop) • Drempelhoogte op diepste punt V-vorm t.o.v. lokale bodem = 1.0 m • Voetbreedte = 2.3 m • Talud op diepste punt V-vorm = 1:1 • Helling V-vorm (aanstroomprofiel) = 1:7 • Totaal hoogte verschil over enkele V-vormige drempel = 0.7 m • Gemiddelde diameter stortsteen = 0.3 m

3


3 3 Schaalmodel Schaalmodel 3 Schaalmodel 3 Schaalmodel

3.1 Geometrische schaalfactor 3.1 Geometrische De schaalexperimenten zijn schaalfactor uitgevoerd in een stroomgoot met een lengte van 14.9 m en een 3.1 Geometrische schaalfactor breedte van 1.16 m. Gezien de dimensies vanstroomgoot het prototype en14.9 de afmetingen De schaalexperimenten zijn uitgevoerd in een met(Hoofdstuk een lengte2)van m en een 3.1 Geometrische schaalfactor De schaalexperimenten zijn uitgevoerd in van een stroomgoot met een lengte van 14.9 m en een van de stroomgoot in het Kraijenhoff de Leur Laboratorium is gekozen voor een breedte van 1.16 m. Gezien de dimensies van het prototype (Hoofdstuk De schaalexperimenten zijn uitgevoerd in een stroomgoot met een lengte van 14.92)men en de eenafmetingen breedte van 1.16 m. Gezien de dimensies van het prototype (Hoofdstuk 2) en de afmetingen geometrische gelijk isvan aanhet 15.prototype van de van stroomgoot in het Kraijenhoff van de Leur(Hoofdstuk Laboratorium gekozen voor een breedte 1.16schaalfactor m. Gezien dedie dimensies 2) en deisafmetingen van de stroomgoot in het Kraijenhoff van de Leur Laboratorium is gekozen voor een geometrische schaalfactor die gelijk is aan 15. van de stroomgoot in het Kraijenhoff van de is gekozen voor een geometrische geometrische schaalfactor die gelijk is Leur aanLaboratorium 15.

L p die gelijk is aan 15. schaalfactor

NL  15 LLp  Lmp  NL  15 15 N L  Lm  Lm

[1]

[1] [1] [1]

NL geometrische schaalfactor voor de lengte eenheid (-) LpL geometrische lengte-eenheid van NL geometrische schaalfactor voorhet de prototype lengte N schaalfactor voor eenheid de(m) lengte(-) eenheid (-) N geometrische schaalfactor voor de lengte eenheid (-) L L lengte-eenheid van het model (m) m van het prototype (m) Lp lengte-eenheid Lp lengte-eenheid van het prototype (m) L lengte-eenheid van het prototype (m) p Lm lengte-eenheid van het van het model (m)model (m) Lm lengte-eenheid Lm lengte-eenheid van het model (m)

3.2 Froude schaalfactor 3.2 Froude schaalfactor In open waterlopen is er onder natuurlijke omstandigheden altijd sprake van een turbulente 3.2 Froude schaalfactor 3.2 Froude schaalfactor stroming. De mateisvan turbulentie wordt uitgedrukt door hetsprake Reynoldsgetal (de ratio tussen de In open open waterlopen er natuurlijke omstandigheden altijd een turbulente In waterlopen is onder er onder natuurlijke omstandigheden altijdvan sprake van een turbulente In open waterlopen en is er onder natuurlijke omstandigheden altijdeen sprake van een turbulente traagheidskrachten de viskeuze krachten). De overgang van laminaire stroming stroming. Demate matevan van turbulentie wordt uitgedrukt het Reynoldsgetal (de ratio tussennaar de stroming. De turbulentie wordt uitgedrukt doordoor het Reynoldsgetal (de ratio tussen stroming. De mate van turbulentie wordt uitgedrukt door het Reynoldsgetal (de ratio tussen de een turbulente stroming inviskeuze een open waterloop, ligt ongeveer bij laminaire een laminaire Reynoldsgetal van naar 800. traagheidskrachten enende krachten). overgang een stroming de traagheidskrachten de viskeuze krachten). DeDe overgang van van een stroming traagheidskrachten en de viskeuze krachten). De overgang van een laminaire stroming naar Onder omstandigheden wordt de ligtvloeistofbeweging gedomineerd door800. de een stroming in een open waterloop, ongeveer naarturbulente eenturbulente turbulente stroming in een open waterloop, ligt ongeveerbij bijeen een Reynoldsgetal Reynoldsgetal van een turbulente en stroming inschaalregel een open waterloop, ligtworden ongeveer bij een Reynoldsgetal van 800. zwaartekracht kan de van Froude toegepast (Yalin, 1971). Wanneer Onder omstandigheden wordt vloeistofbeweging gedomineerd van 800.turbulente Onder turbulente omstandigheden wordtde de vloeistofbeweging gedomineerd door door de Onder turbulente omstandigheden wordt de vloeistofbeweging gedomineerd doorjuiste de echter de stroming laminair is spelen ook viskeuze krachten een rol. Dus voor een zwaartekracht en kan de schaalregel van Froude worden toegepast (Yalin, 1971). de zwaartekrachtenenkan kan de de schaalregel vanvan Froude worden toegepast (Yalin, 1971). Wanneer Wanneer zwaartekracht schaalregel Froude worden toegepast (Yalin, 1971). Wanneer vergelijking tussen prototype moet de stroming in het model turbulent voor zijn. een juiste echter destroming stroming laminairis en is model spelen viskeuze krachten echter de ook ook viskeuze krachten een rol.een Dus rol. voorDus een juiste echter de strominglaminair laminair spelen is spelen ook viskeuze krachten een rol. Dus voor een juiste vergelijking tussen prototype en model moet de stroming in het model turbulent zijn. vergelijking tussen prototype enen model moet de stroming in hetinmodel turbulent zijn. zijn. vergelijking tussen prototype model moet de stroming het model Om te voldoen aan dynamische gelijkheid tussen het prototype enturbulent het model wordt onder turbulente omstandigheden de stroomsnelheid geschaald de Froude Om te voldoen aan dynamische gelijkheid tussenenhetafvoer prototype en het volgens model wordt onder Om te aan dynamische gelijkheid tussen het prototype en het model wordt onder Om tevoldoen voldoen dynamische gelijkheid het er prototype en het model wordt onder schaalregel. Hetaan Froudegetal geeft aantussen wanneer sprake is van stromend of turbulente omstandigheden de(Fr)stroomsnelheid en afvoer geschaald volgens de(Fr<1) Froude turbulente omstandigheden de stroomsnelheid en afvoer geschaald volgens de Froude schaalturbulente omstandigheden de stroomsnelheid en afvoer geschaald volgens de Froude schietend water (Fr>1). Het Froudegetald moet in model en prototype gelijk zijn: schaalregel. Het Froudegetal (Fr) geeft aan wanneer er sprake is van stromend (Fr<1) of schaalregel. Het Froudegetal (Fr)wanneer geeft aan wanneer sprake (Fr<1) is van stromend (Fr<1) of regel. Het Froudegetal (Fr) geeft aan er sprake is vanerstromend of schietend schietend water (Fr>1). Het Froudegetald moet in model en prototype gelijk zijn: schietend water (Fr>1). Hetmoet Froudegetald moet in model en prototype gelijk zijn: water (Fr>1). Het Froudegetal in model en prototype gelijk zijn: Frp [2] N Fr   1 Fr pm Fr [2] Frp  N Fr  1 [2] [2] N Fr  1 Frm 

Frm

NFr Froude schaalfactor (-) NFr Froude (-) van het model (-) FrFrpschaalfactor Froudegetal N Froude schaalfactor (-) N Froude schaalfactor van het model (-) (-) Frm Froudegetal Froudegetal van het het prototype FrFrpm Froudegetal Fr van model (-) (-) Frp Froudegetal Froudegetal van het het prototype model (-) (-) van het prototype (-) Frp Froudegetal van Fr m Frm Froudegetal van het prototype (-)

Het Froudegetal kan uitgedrukt worden de van ratio de stroomsnelheid en de loopsnelheid Het Froudegetal kan uitgedrukt worden in dein ratio devan stroomsnelheid en de loopsnelheid van eenoppervlakte oppervlakte verstoring: Het Froudegetal kan uitgedrukt worden in de ratio van de stroomsnelheid en de loopsnelheid van een verstoring: Het Froudegetal kan uitgedrukt worden in de ratio van de stroomsnelheid en de loopsnelheid van een oppervlakte verstoring: van eenu oppervlakte verstoring: Q [3] Fr   [3] ugd Q A gd Fr  [3] u  Q Fr  [3] gd  gd A gd gd A

4

u ug d gu g dQ d A Q Q A A

gemiddelde stroomsnelheid (m/s) gravitatie constante (m/s²) (m/s) gemiddelde stroomsnelheid gemiddelde stroomsnelheid waterdiepte (m) gravitatie constante (m/s²) (m/s) gravitatie constante (m/s²) debiet (m³/s) waterdiepte (m) waterdiepte (m) doorstroomoppervlak (m²) debiet (m³/s) debiet (m³/s) doorstroomoppervlak (m²) doorstroomoppervlak (m²)

8


u gemiddelde stroomsnelheid (m/s) g gravitatie constante (m/s²) d waterdiepte (m) Q debiet (m³/s) A doorstroomoppervlak (m²) Wanneer voldaan is de Froude Froude schaalregel(Fr(Fr=p Fr = Fr) mgeldt: ) geldt: Wanneer voldaan is aan de Wanneer is aanschaalregel de Froudeschaalregel schaalregel Frm) geldt: Wanneer voldaan is aanvoldaan de Froude (Frp = Frm)(Fr geldt: p p =m 0.5

0.5 uu p  L p  p   Lp    uu m   L m  Lmm 

1.5

&

1.5 q q pp   L L pp     q qmm  L Lmm 

& &

[4]

[4] [4] [4]

Hierin is u de gemiddelde stroomsnelheid, q de afvoer per eenheid van breedte en L een Hierin is u de gemiddelde stroomsnelheid, q de afvoer per eenheid van breedte en L een

Hierin is u de stroomsnelheid, q de afvoer per eenheid van breedte een lengte lengtemaat. Bijgemiddelde een geometrische schaalfactor van 15eenheid geldt: u= 3.87 um en qen =L58.1 q m. Hierin is u delengtemaat. gemiddelde de afvoer per15 van breedte L een Bij stroomsnelheid, een geometrische qschaalfactor van geldt: upp= 3.87 um en qppen = 58.1 q m. = 3.87 u en q = 58.1 q . maat. Bij een geometrische schaalfactor van 15 geldt: u lengtemaat. Bij een geometrische schaalfactor van 15 geldt: up= p3.87 ummen qpp = 58.1mqm.

Aangezien de breedte van de stroomgoot groter is dan de geschaalde breedte van het Aangezien de breedte van de stroomgoot groter is dan de geschaalde breedte van het voor berekening van het in het debreedte volgende relatie: Aangezien de breedte van de stroomgoot groter deprototype geschaalde van hethet protoAangezien deprototype breedte geldt van de een stroomgoot groter is debiet danis dan de geschaalde van prototype geldt voor een berekening van het debiet in het prototype debreedte volgende relatie: een berekening het debiet het prototype de volgende relatie: prototype geldt type voorgeldt een voor berekening van hetvan debiet in hetinprototype de volgende relatie: 1.5

1.5  L L pp  Q Qm  Q  Q pp   L  Bm B Bp  Lmm  Bmm p

[5]

[5] [5] [5]

Hierin is Q het totale debiet, B de breedte en L een lengte maat. Hierin is Q het totale debiet, B de breedte en L een lengte maat. Hierin is Q het totale debiet, B de breedte en L een lengte maat. Hierin is Q het totale debiet, B de breedte en L een lengte maat.

3.3 Ontwerp 3.3 Ontwerp schaalmodel schaalmodel Binnen het onderzoek wordt het hydraulisch functioneren van drie verschillende ontwerpen Binnen het onderzoek wordt het hydraulisch functioneren van drie verschillende ontwerpen schaalmodel 3.33.3 Ontwerp Ontwerp schaalmodel onderzocht: onderzocht: Binnen het onderzoek wordt het hydraulisch functioneren van drie verschillende ontwerpen

Binnen het onderzoek wordt het hydraulisch functioneren van drie verschillende ontwerpen onderzocht: 1. Cascade vistrap met 8 trappen (ontwerp A) 1. Cascade vistrap met 8 trappen (ontwerp A) onderzocht:

2. Enkele (ontwerp A) B) 1 Cascade vistraprechte met 8 drempel trappen (ontwerp 2. Enkele rechte drempel (ontwerp B) 3. rechte Enkeledrempel V-vormige drempel (ontwerp C) 2 Enkele (ontwerp B) 3. Enkele (ontwerp C) 1. Cascade vistrap metV-vormige 8 trappendrempel (ontwerp A) 3 Enkele V-vormige drempel (ontwerp C) 2. EnkeleEen rechte drempel B) opstelling voor cascade vistrap (ontwerp A) is weergegeven schets van de(ontwerp experimentele Een schets van de experimentele opstelling voor cascade vistrap (ontwerp A) is weergegeven 3. EnkeleinV-vormige drempel Figuur 2. De enkele(ontwerp drempels C) van de twee andere ontwerpen (B en C) liggen op dezelfde inEen Figuur 2.van Dede enkele drempelsopstelling van de twee ontwerpen (B enA) C)isliggen op dezelfde schets experimentele voorandere cascade (ontwerp in locatie als de eerste drempel van de cascade vistrap.vistrap De kruinhoogte vanweergegeven de enkel rechte locatie als de eerste drempel van de cascade vistrap. De kruinhoogte van de enkel rechte Figuur 2. De enkele drempels van de twee andere ontwerpen (B en C) liggen op dezelfde locadrempel is gelijk aan de kruinhoogte de eerste cascade vistrap.A) Het punt van de VEen schets van de experimentele opstelling voorvan cascade vistrap (ontwerp isdiepste weergegeven drempel is gelijk aan de kruinhoogte van de eerste cascade vistrap. Het diepste punt van de Vtie als dedrempel eerste drempel van de cascade De kruinhoogte van dedrempel enkel rechte drempel is tevens gelijk aan devistrap. kruinhoogte van de eerste van de cascade in Figuur 2. Devormige enkele drempels van de twee andere ontwerpen (B en C) liggen op dezelfde vormige drempel is tevens gelijk aan de kruinhoogte van de eerste drempel van de cascade vistrap. is gelijk aan de kruinhoogte van de eerste cascade vistrap. Het diepste punt van de V-vormige locatie als de vistrap. eerste drempel van de cascade vistrap. De kruinhoogte van de enkel rechte tevens gelijk aan van devistrap. eerste drempel van depunt cascade drempel is gelijkdrempel aan deiskruinhoogte van de dekruinhoogte eerste cascade Het diepste vanvistrap. de V-

vormige drempel is tevens gelijk aan de kruinhoogte van de eerste drempel van de cascade Figuur 2 Opstelling van de cascade vistrap in de stroomgoot. De tekening is niet op schaal: de verticale schaal is 4x vergroot, h1 en h2 vistrap. zijn respectievelijk bovenstroomse en benedenstroomse waterstanden

Figuur 2. Opstelling van de cascade vistrap in de stroomgoot. De tekening is niet op schaal: de Figuur 2. Opstelling van de cascade vistrap in de stroomgoot. De tekening is niet op schaal: de verticale schaal is 4x vergroot, h1 en h2 zijn respectievelijk bovenstroomse en benedenstroomse verticale schaal is 4x vergroot, h1 en h2 zijn respectievelijk bovenstroomse en benedenstroomse waterstanden. waterstanden.

De bodem van de goot bestaat uit hout beplakt met grof zand (D50 = 1 mm). De wanden van De bodem van de goot bestaat uit hout beplakt met grof zand (D50 = 1 mm). De wanden van Figuur 2. Opstelling vanzijn de cascade vistrap de stroomgoot. Degehele tekening is niet schaal: de goot bekleed met gladin materiaal over de lengte vanopde goot, de waardoor de de goot zijn bekleed met glad materiaal over de gehele lengte van de goot, waardoor de verticale schaalruwheid is 4x vergroot, respectievelijk 1 en h2 zijn van de hwanden verwaarloosd kan bovenstroomse worden (Figuur en 3).benedenstroomse De drempels bestaan uit ruwheid van de wanden verwaarloosd kan worden (Figuur 3). De drempels bestaan uit waterstanden. 9 9

De bodem van de goot bestaat uit hout beplakt met grof zand (D50 = 1 mm). De wanden van de goot zijn bekleed met glad materiaal over de gehele lengte van de goot, waardoor de ruwheid van de wanden verwaarloosd kan worden (Figuur 3). De drempels bestaan uit

5


De bodem van de goot bestaat uit hout beplakt met grof zand (D50 = 1 mm). De wanden van de goot zijn bekleed met glad materiaal over de gehele lengte van de goot, waardoor de ruwheid van de wanden verwaarloosd kan worden (Figuur 3). De drempels bestaan uit basaltsplit met diameter 16-32 mm (gemiddelde diameter 24 mm) die vastgeplakt zitten op een houten kern. Ook de bekkens tussen de trappen zijn bekleed met basaltsplit (Figuur 3). Een correct

basaltsplit met diameter 16-32 mm (gemiddelde diameter 24 mm) die vastgeplakt zitten op een verschaalde diameter van de stortstenen is 0.3/15*1000 = 20 mm. Het gebruikte basaltsplit is houten kern. Ook de bekkens tussen de trappen zijn bekleed met basaltsplit (Figuur 3). Een dus iets groter, echter bij de aanleghoogte is rekening gehouden met de gebruikte diameters, correct verschaalde diameter van de stortstenen is 0.3/15*1000 = 20 mm. Het gebruikte zodat de hoogte van de drempels bij benadering overeenkomen met het geschaalde prototype basaltsplit is dus iets groter, echter bij de aanleghoogte is rekening gehouden met de gebruikte (Figuur 4). diameters, zodat de hoogte van de drempels bij benadering overeenkomen met het geschaalde prototype (Figuur 4). Figuur 3 Detail cascade vistrap

Figuur 3. Detail cascade vistrap.

Figuur 4 Doorsnede rechte drempel. Blauwe lijn geeft de ontwerphoogte weer, deze ligt op de gemiddelde hartlijn van het basaltsplit. Onder de doorsnede staan de prototypematen en de modelmaten bij de geometrische schaalfactor 15

Figuur 4. Doorsnede rechte drempel. Blauwe lijn geeft de ontwerphoogte weer, deze ligt In BIJLAGE 1 zijn foto’s opgenomen van de verschillende ontwerpen. De maten van het gemiddelde hartlijn van het basaltsplit. Onder de doorsnede staan de prototypematen model zijn gebaseerd op de prototypematen en schaalfactor 15 (zie Hoofdstuk 2). modelmaten bij de geometrische schaalfactor 15.

op en

de de

6 In BIJLAGE 1 zijn foto’s opgenomen van de verschillende ontwerpen. De maten van het model zijn gebaseerd op de prototypematen en schaalfactor 15 (zie Hoofdstuk 2).


4 Metingen 4 Metingen

4.1 Meetmethode

De waterstand in de stroomgoot wordt gemeten met een magnetostrictive position sensor. De sen-

4.1 Meetmethode soren meten buiten de stroomgoot in een peilbuis de waterstand met behulp van een vlotter. De waterstand in wordt de stroomgoot wordt gemeten met magnetostrictive position sensor. De In de stroomgoot de waterstand doorgegeven naar een de peilbuizen d.m.v. Pitotbuizen, sensoren de stroomgoot in een peilbuisvan de een waterstand met behulp waarin de meten statischebuiten waterdruk wordt gemeten. Het ontwerp Pitotbuis zorgt ervoor van een vlotter. In sprake de stroomgoot wordtwanneer de waterstand doorgegeven naar de geplaatst. peilbuizen d.m.v. dat er geen is van opstuwing de buis in het stromend water wordt Pitotbuizen, waarin de statische waterdruk wordt gemeten.De Het ontwerp van een Pitotbuis zorgt Tevens worden de korte golven in de waterspiegel uitgedempt. meetnauwkeurigheid van ervoor dat er geen sprake is van opstuwing wanneer de buis in het stromend water wordt meetopstelling bedraagt ± 0.2 mm. geplaatst. Tevens worden de korte golven in de waterspiegel uitgedempt. De meetnauwkeurigheid van meetopstelling bedraagt ± 0.2 mm. Om het effect van staande golven uit te middelen, welke ontstaan tussen de drempels, is

ervoor gekozen om de waterstand te meten in een vlak. Op vier punten in de lengterichting

Om het effect van staande golven uit te middelen, welke ontstaan tussen de drempels, is wordt de waterstand gemiddeld en doorgegeven aan de peilbuis buiten de goot, volgens het ervoor gekozen om de waterstand te meten in een vlak. Op vier punten in de lengterichting principe van communicerende vaten (zie Figuur 5). De waterstanden in de peilbuizen worden wordt de waterstand gemiddeld en doorgegeven aan de peilbuis buiten de goot, volgens het gemeten t.o.v. een referentievlak dat 0.5 m onder de gootbodem ligt, bij een horizontale gootprincipe van communicerende vaten (zie Figuur 5). De waterstanden in de peilbuizen worden bodem (ziet.o.v. Figuur 6). referentievlak dat 0.5 m onder de gootbodem ligt, bij een horizontale gemeten een gootbodem (zie Figuur 6).

Figuur 5 Pitotbuizen in stroomgoot. Tussen de drempels (cascade vistrap) wordt de waterstand gemiddeld over 4 meetpunten

Figuur 5. Pitotbuizen in stroomgoot. Tussen de drempels (cascade vistrap) wordt de waterstand gemiddeld over 4 meetpunten.

4.2

Meetlocaties

De meetlocaties in de lengterichting van de stroomgoot zijn voor alle drie de ontwerpen gelijk 7 en weergegeven in Figuur 6 en Figuur 7. De bodemhoogte (Z) op de betreffende meetlocaties (X) zijn opgenomen in Tabel 1.


4.2 Meetlocaties De meetlocaties in de lengterichting van de stroomgoot zijn voor alle drie de ontwerpen gelijk en weergegeven in Figuur 6 en Figuur 7. De bodemhoogte (Z) op de betreffende meet locaties (X) zijn opgenomen in Tabel 1. Figuur 6 Meetlocaties a t/m h

meetlocaties waterstanden 0.800 0.750

8 trappen

Z (m)

0.700

a

1 trap

b

c

d

e

f

g

h

0.650 0.600

0.550 0.500

0.0

2.0

4.0

6.0

x (m)

8.0

10.0

12.0

14.0

Figuur 6. Meetlocaties a t/m h. Figuur 6. Meetlocaties a t/m h.

Figuur 7 Meetlocaties a t/m h

Figuur 7. Meetlocaties a t/m h

Figuur 7. Meetlocaties a t/m h Tabel 1. Meetlocaties in de lengterichting (X) en bodemhoogte (Z) voor meetpunten a t/m h. De meetlocaties voor de V-vormige drempel zijn identiek aan de rechte drempel. cascade cascade enkele trap enkele trap Tabel 1. Meetlocaties in de lengterichting (X) en bodemhoogte (Z) voor meetpunten a t/m h. De helling = 0 hellilng = 1/1000 helling = 0 helling = 1/1000 meetlocaties voor de zijn identiek meetpunt X V-vormige drempel Z Z aan de rechte Z drempel. Z a b c d e f g h

(m) tov begin goot 5.530 6.380 6.863 8.197 9.530 10.863 11.697 13.197

(m) tov referentie 0.565 0.565 0.561 0.548 0.535 0.521 0.518 0.518

8

12

(m) tov referentie 0.560 0.559 0.556 0.541 0.526 0.512 0.507 0.506

(m) tov referentie 0.565 0.565 0.518 0.518 0.518 0.518 0.518 0.518

(m) tov referentie 0.560 0.559 0.512 0.511 0.510 0.508 0.507 0.506


FiguurFiguur 7. Meetlocaties 7. Meetlocaties a t/m7.h aMeetlocaties t/m h Figuur a t/m h

Tabel 1 Meetlocaties in de lengterichting (X) en bodemhoogte (Z) voor meetpunten a t/m h. De meetlocaties voor de V-vormige drempel

Tabel Tabel 1. Meetlocaties 1. Meetlocaties in de1.lengterichting inMeetlocaties de lengterichting (X)de enlengterichting (X) bodemhoogte en bodemhoogte (Z)en voor (Z) meetpunten voor meetpunten a t/m h. a t/m De h. De Tabel in (X) bodemhoogte (Z) voor meetpunten a t/m h. De zijn identiek aan de rechte drempel meetlocaties meetlocaties voor de voor V-vormige de V-vormige drempel identiek zijn identiek aan de aan rechte deidentiek rechte drempel. drempel. meetlocaties voor drempel de zijn V-vormige drempel zijn aan de rechte drempel.

4.3 4.3 Meetplan Meetplan 4.3 Meetplan

De Qh-relaties De Qh-relaties voor voor de verschillende de verschillende ontwerpen ontwerpen worden worden onderzocht onderzocht binnen binnen het bereik het bereik van 5van 5De Qh-relaties voor de verschillende ontwerpen worden onderzocht binnen het bereik van 12 12 250%Q 250%Q 2 bevat 2 bevat voor voor verschillende verschillende percentages percentages van 12 de vanmaatgevende de maatgevende afvoer, afvoer, de de mg. Tabel mg. Tabel 5-250%Qmg. Tabel 2 bevat voor verschillende percentages van de maatgevende afvoer, de debiedebieten debieten in hetin prototype het prototype en het en model. het model. Om het Om te hetonderzoeken te onderzoeken bereik bereik ruim ruim te nemen, te nemen, is is ten in het prototype en het model. Om het te onderzoeken bereik ruim te nemen, is ervoor ervoor ervoor gekozen gekozen om het omdebiet het debiet in de in stroomgoot de stroomgoot te variëren te variëren tussen tussen 1 l/s en 1 l/s 120 en l/s. 120 l/s. gekozen om het debiet in de stroomgoot te variëren tussen 1 l/s en 120 l/s.

Tabel 2 Maatgevende totale afvoer (Qmg) en afvoer per breedte eenheid (qmg) TabelTabel 2. Maatgevende 2. Maatgevende totaletotale afvoer afvoer (Qmg)(Q enmgafvoer ) en afvoer per breedte per breedte eenheid eenheid (qmg).(qmg).

Voor alle drie de ontwerpen wordt de waterstand gemeten op de acht meetlocaties. Bij elk

alle de drieontwerp de ontwerpen de waterstand de acht meetlocaties. Bij elk Voor Voor alle drie ontwerpen wordt deafvoer waterstand gemeten opwaterstand deopacht meetlocaties. Bijconstructie. elk wordt bij wordt een van 1 t/m 120gemeten l/s de gemeten over de ontwerp bij afvoer een wordt afvoer t/m l/s 120 dedewaterstand gemeten over de constructie. ontwerp wordtwordt bij Daarnaast een vanper 1van t/m1 120 del/swaterstand gemeten de constructie. afvoerreeks (1-120 l/s) schuifhoogte t.o.v.over de benedenstroomse bodemDaarnaast per afvoerreeks (1-120 l/s) de schuifhoogte t.o.v. de benedenstroomse Daarnaast wordtwordt per afvoerreeks (1-120 l/s) de schuifhoogte t.o.v. de benedenstroomse hoogte gevarieerd om de verschillende mate van verdrinking te simuleren. De volgende vijf bodemhoogte gevarieerd om de verschillende van verdrinking te simuleren. De volgende bodemhoogte gevarieerd om de verschillende matemate van verdrinking te simuleren. De volgende schuifhoogtes zijn tijdens de experimenten toegepast: vijf schuifhoogtes zijn tijdens de experimenten toegepast: vijf schuifhoogtes zijn tijdens de experimenten toegepast: Schuifhoogte 1 = 0.06 m

Schuifhoogte 1 = 0.06 Schuifhoogte 1 = 0.06 m m Schuifhoogte 2 = 0.09 m Schuifhoogte 2 = 0.09 Schuifhoogte 2 = 0.09 m m Schuifhoogte 3 = 0.12 m Schuifhoogte 3 = 0.12 Schuifhoogte 3 = 0.12 m m Schuifhoogte 4 = 0.16 m Schuifhoogte 4 = 0.16 Schuifhoogte 4 = 0.16 m m Schuifhoogte Schuifhoogte 5 = 0.20 Schuifhoogte 5 = 0.20 m m 5 = 0.20 m In onderstaande zijn de verschillende ontwerpen weergegeven een 0helling van In onderstaande tabel zijnverschillende detabel verschillende ontwerpen weergegeven bij helling een bij helling van In onderstaande tabel zijn de ontwerpen weergegeven bij een van en 0 en 0 en 1/1000. 1/1000. 1/1000.

TabelTabel 3. Ontwerpen 3. Ontwerpen gecombineerd gecombineerd met bodemhelling. met bodemhelling.

9

Elke Elke meting meting heeftheeft een eigen een eigen meetreeksnummer. meetreeksnummer. HierinHierin varieert varieert het schuifnummer het schuifnummer tussen tussen 1 en 1 en

Schuifhoogte 5 = 0.20 m In onderstaande tabel zijn de verschillende ontwerpen weergegeven bij een helling van 0 en STOWA 2011-22 HYDRAULISCH FUNCTIONEREN VISPASSEERBARE CASCADES 1/1000.

Tabel 3 Ontwerpen gecombineerd met bodemhelling Tabel 3. Ontwerpen gecombineerd met bodemhelling.

Elke meting heeft een eigen meetreeksnummer. Hierin varieert het schuifnummer tussen 1 en 5 (zie de schuifhoogtes hierboven) en het debietnummer varieert tussen 1 en 12; respectiel/s eneigen 120 l/s. In verschillende figuren kan varieert verwezenhet worden naar het meetreeksnumElke meting velijk heeft1een meetreeksnummer. Hierin schuifnummer tussen 1 en 5 (zie de mer schuifhoogtes hierboven) het 2debietnummer varieertopgenomen tussen 1 en 12; of code van het ontwerp. Inen BIJLAGE is het volledig meetplan en Tabel 4 respectievelijk 1 l/s en 120 l/s. In verschillende figuren kan verwezen worden naar het geeft als voorbeeld het meetplan voor A1, hierin is het meetreeks-nummer is als volgt opgemeetreeksnummer bouwd: of code van het ontwerp. In BIJLAGE 2 is het volledig meetplan opgenomen en Tabel 4 geeft als voorbeeld het meetplan voor A1, hierin is het meetreeksA1_ A1_ 011 011 A1_ 011 nummer is als volgt opgebouwd:

A1_ 011

A = ONTWERPTYPE A = ONTWERPTYPE (A,B,C) A = ONTWERPTYPE (A,B,C) (A,B,C) 1 = NUMMER HELLING 1 = HELLING NUMMER (1 of(1 2)of 2) 1 = HELLING (1 ofNUMMER 2) A = ONTWERPTYPE (A,B,C) DEBIETNUMMER DEBIETNUMMER (0112) t/m 12) DEBIETNUMMER (01 t/m 12)(01 t/m 1 = HELLING NUMMER (1 of 2) 13 SCHUIFNUMMER SCHUIFNUMMER (15) t/m 5) SCHUIFNUMMER (1 t/m 5) (1 t/m DEBIETNUMMER (01 t/m 12) SCHUIFNUMMER (1 t/m 5)

Tabel 4 Voorbeeld meetplan voor cascade vistrap bij een horizontale bodem Tabel Tabel 4. Voorbeeld 4. Voorbeeld meetplan meetplan voorvistrap voor cascade cascade bij een bij horizontale een horizontale bodem. bodem. Tabel 4. Voorbeeld meetplan voor cascade bijvistrap eenvistrap horizontale bodem.

Tabel 4. Voorbeeld meetplan voor cascade vistrap bij een horizontale bodem.

A1

schuif_nr. schuifhoogte (cm) Q_model

helling = 0 debiet_nr

1 6

2 9

10

4 16

5 20

A1-014 A1-024 A1-034 A1-044 A1-054 A1-064 A1-074 A1-084 A1-094 A1-104 A1-114 A1-124

A1-015 A1-025 A1-035 A1-045 A1-055 A1-065 A1-075 A1-085 A1-095 A1-105 A1-115 A1-125

meetreeksnummer

l/s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

3 12

1 5 10 25 40 50 60 70 80 90 100 120

A1-011 A1-021 A1-031 A1-041 A1-051 A1-061 A1-071 A1-081 A1-091 A1-101 A1-111 A1-121

A1-012 A1-022 A1-032 A1-042 A1-052 A1-062 A1-072 A1-082 A1-092 A1-102 A1-112 A1-122

A1-013 A1-023 A1-033 A1-043 A1-053 A1-063 A1-073 A1-083 A1-093 A1-103 A1-113 A1-123


5 Methode In dit hoofdstuk is beschreven welke methodes en parameters kunnen worden toegepast binnen SOBEK om de effecten van een cascade vistrap te simuleren (of één van de andere twee onderzochte ontwerpen).Ten eerste biedt SOBEK de mogelijkheid om een vistrap te simuleren als één overlaatobject (weir) of meerdere overlaatobjecten. Daarnaast kan de opstuwende werking van een vistrap worden gesimuleerd door op de locatie van de vistrap, een verhoogde ruwheid toe te kennen aan de bodem. In paragraaf 5.2 is beschreven hoe de verschillende parameters (die als invoer dienen voor het hydraulische model) zijn bepaald op basis van de experimenten. Voor de beschrijving van de methodes binnen SOBEK (paragraaf 5.1) is gebruik gemaakt van: SOBEK documentation 2.12.002, deze handleiding is online beschikbaar. In de onderstaande tekst wordt steeds het doorstroomoppervlak als rechthoekig beschouwd. Bovendien is de overlaat even breed als de waterloop, dus een contractiecoëfficiënt wordt niet toegepast. In de onderstaande methodes wordt de afvoer per eenheid van breedte (q) gebruikt, in plaats van de totale afvoer, omdat de breedte van de waterloop als constant is verondersteld. Voor de V-vormige drempel geldt dit niet en is het totale debiet Q gebruikt in de berekening.

5.1 Overlaat binnen SOBEK In een waterloop kan binnen SOBEK verschillende objecten (structures) worden geselecteerd. Het uitgangspunt is om de cascade trappen te simuleren als één overlaatobject, dus niet per trede een aparte overlaat. De waterstand over een overlaat wordt in SOBEK berekend met de standaard overlaatformules voor een lange overlaat, die gebaseerd zijn op de Wet van Bernoulli. Er kunnen zich drie situaties voordoen: niet-verdronken afvoer (free flow), verdronken afvoer (submerged flow) en een situatie zonder afvoer (no flow). In de niet-verdronken situatie heeft de benedenstroomse waterstand (h2) geen invloed op de bovenstroomse waterstand (h1), er is dus sprake van een vrije overstort. In de verdronken situaties wordt h1 wel beïnvloed door h2. Voor beide stromingscondities wordt in SOBEK de waterstand verschillend berekend. Het moment van verdrinking is uit te drukken in een bepaalde verdrinkingsgraad (h2/h1), die voor elke overlaat verschillend is. De verdrinkingsgraad op het moment van verdrinking wordt het modular limit genoemd (ml). In SOBEK kan onder andere gekozen worden tussen de volgende overlaat-objecten: weir, uni versal weir, river weir en advanced weir. De weir en universal weir gebruiken dezelfde overlaatformules en coëfficiënten, de river weir maakt gebruik van de standaard overlaatformule voor een lange overlaat, inclusief een reductiefactor die afhankelijk is van de verdrinkingsgraad. De advanced weir wordt in deze studie buiten beschouwing gelaten.

11

In SOBEK kan onder andere gekozen worden tussen de volgende overlaat-objecten: weir, universal weir, river weir en advanced weir. De weir en universal weir gebruiken dezelfde overlaatformules en coëfficiënten, de river weir maakt gebruik van de standaard STOWA 2011-22 HYDRAULISCH FUNCTIONEREN VISPASSEERBARE CASCADES overlaatformule voor een lange overlaat, inclusief een reductiefactor die afhankelijk is van de verdrinkingsgraad. De advanced weir wordt in deze studie buiten beschouwing gelaten. 5.1.1 Universal weir (Methode 1) 5.1.1 Universal weir (Methode 1) De meest eenvoudige manier om een overlaat is door door gebruik gebruik te De meest eenvoudige manier om een overlaat te te simuleren simulerenbinnen binnenSOBEK SOBEK is te maken van het object weir of universal weir. Tijdens een niet-verdronken situatie en een maken van het object weir of universal weir. Tijdens een niet-verdronken situatie en een rechtrechthoekig doorstroomoppervlak geldt de volgende relatie: hoekig doorstroomoppervlak geldt de volgende relatie:

2 g   3

q  Cd

3/ 2

3/ 2

h1

[6]

[6]

Bijeen een verdronken verdronken situatie Bij situatiegeldt: geldt:

q  Cd h2 2 g (h1  h 2 )

15

Bij een verdronken situatie geldt: q afvoer per breedte (m²/s) Bij verdronken situatie geldt: eenheid q eenafvoer per breedte eenheid (m²/s) Cd afvoercoëfficiënt (-) C afvoercoëfficiënt qCd (h1  h2 ) (-) d hh 2 1 2 gbovenstroomse waterstand t.o.v. kruinhoogte (m) qh  Cbovenstroomse (h1  h2waterstand ) d hh 2 2 gbenedenstroomse t.o.v. kruinhoogte (m) waterstand t.o.v. kruinhoogte (m) 1 2 waterstand t.o.v. h2 benedenstroomse gravitatie versnelling qg afvoer per breedte eenheid(m/s²) (m²/s)kruinhoogte (m)

g

[7]

[7]

[7] [7]

q per breedte eenheid (m²/s) afvoercoëfficiënt (-) Cd afvoer gravitatie versnelling (m/s²) C hd

afvoercoëfficiënt (-) bovenstroomse waterstand t.o.v. kruinhoogte (m)

g


1 Een verdronken overlaat geldt t.o.v. vanaf: h2/h1 ≥ 2/3, deze waarde is als standaardwaarde waterstand kruinhoogte (m)(m) benedenstroomse waterstand t.o.v. kruinhoogte h21 bovenstroomse opgenomen in het model. waterstand (m) h g2 benedenstroomse gravitatie versnelling (m/s²) /h ≥kruinhoogte 2/3, deze waarde is als standaardwaarde opgenoEen verdronken overlaat geldt vanaf: ht.o.v.

2

1

men in het model. Een verdronken overlaat geldt vanaf: h2/h1 ≥ 2/3, waarde is alsde standaardwaarde Voor een V-vormig doorstroomoppervlak kan deze binnen SOBEK universal weir methode Een verdronken overlaat geldt vanaf: h2/h1 ≥ 2/3, deze waarde is als standaardwaarde opgenomen in het model. worden gebruikt, doorstroomoppervlak door de hoogte van de overlaat per punt aan te passen. De volgende Voor een V-vormig kan binnen SOBEK de universal weir methode worden opgenomen in het model.

formulering wordt gebruikt voor een niet-verdronken situatie (SOBEK-manual):

gebruikt, de hoogte van de overlaat kan per punt aan te passen. De volgende Voor een door V-vormig doorstroomoppervlak binnen SOBEK de universal weirformulering methode Voor een V-vormig doorstroomoppervlak kan binnen SOBEK de universal methode worden gebruikt,voor dooreen deniet-verdronken hoogte van desituatie overlaat(SOBEK-manual): per punt aan te passen. weir De volgende wordt gebruikt worden gebruikt, door de hoogte van de overlaat per punt aan te passen. De volgende formulering wordt gebruikt voor een niet-verdronken situatie (SOBEK-manual): Q  Cd A 2 g (1  ml)h1 formulering wordt gebruikt voor een niet-verdronken situatie (SOBEK-manual): [8]

Q  Cd A 2 g (1  ml)h1 Q  Cd AIF:2 g (1  ml)ml h1 h1  hv



[8]

[8] [8]

A 0.5(ml h1 ) 2 (1 hv ) B

hvA  (ml ELSE: mlml IF: h1 h1hv   0A.5(ml h1 )h1(1h0v.)5Bhv ) B IF: ml h1  hv  A  0.5(ml h1 ) 2 (1 hv ) B ml h1  hv  A (ml h1  0.5hv ) B ELSE: mlsituatie h1  hv geldt:  A (ml h1  0.5hv ) B Bij een ELSE: verdronken 2

Bij geldt: Bijeen eenverdronken verdronkensituatie situatie geldt: Bij een verdronken situatie geldt:

Q  Cd A 2 g (h1  h2 ) Q  Cd A 2 g (h1  h2 ) Q  Cd A 2 g (h1  h2 ) IF: IF: IF: ELSE: ELSE: ELSE: Q Cd A (m) h1 (m) (m)

h2

2

A 1 hv ) B 2 )(B h2 h2 hv hvA 0.5 h202.5 (1hh v h h  A 0.5h2 (1 hv ) B hv  v 0 h22 h2hvv A A (h2 (0h.25h ) B.5hv ) B h2  hv   A (h2  0.5hv ) B 2

[9] [9]

[9]

[9]

QQ afvoer (m³/s) afvoer (m³/s) Q afvoer (m³/s) afvoercoëfficiënt (-) (-) CCd (m³/s) afvoer afvoercoëfficiënt d (-) (m²) Cd afvoercoëfficiënt A doorstroomoppervlak A doorstroomoppervlak (m²) afvoercoëfficiënt (-) waterstand A1 doorstroomoppervlak (m²) t.o.v. kruinhoogte, kruinhoogte ligt op laagste punt V-vorm (m) bovenstroomse h bovenstroomse waterstand t.o.v. kruinhoogte, kruinhoogte ligt punt oppunt laagste punt h 1 waterstand t.o.v. kruinhoogte, kruinhoogte ligtligt op op laagste V-vorm (m) V-vorm (m) benedenstroomse waterstand t.o.v. kruinhoogte, kruinhoogte laagste V-vorm h21 bovenstroomse doorstroomoppervlak (m²) benedenstroomse waterstand t.o.v. kruinhoogte, kruinhoogte ligt punt op laagste waterstand t.o.v. kruinhoogte, kruinhoogte ligt op laagste V-vorm punt V-vorm hh22 benedenstroomse bovenstroomse waterstand t.o.v. kruinhoogte, kruinhoogte ligt op laagste punt V-vorm (m) ml

modular limit (-)

benedenstroomse waterstand t.o.v. kruinhoogte, kruinhoogte ligt op laagste punt ml modular limit (-) V-vorm h verticale hoogte (m) v ml modular limit (-) hv gravitatie verticale hoogte V-vorm (m) g versnelling (m/s²) V-vorm (m) hv verticale hoogte V-vorm (m) g gravitatie versnelling (m/s²) ml modular limit (-) versnelling (m/s²) g gravitatie hv

verticale hoogte V-vorm (m)

g


12 Figuur 8. Doorstroomoppervlak V-vormige drempel, ‘hv’ is de hoogte van de V-vorm, h1 en h2 zijn Figuur 8. Doorstroomoppervlak V-vormige drempel, ‘hv’ is de hoogte van de V-vorm, h1 en h2 zijn de bovenstroomse of benedenstroomse waterstand. de bovenstroomse of benedenstroomse waterstand.

Figuur 8. Doorstroomoppervlak V-vormige drempel, ‘hv’ is de hoogte van de V-vorm, h1 en h2 zijn de bovenstroomse of benedenstroomse waterstand. 16

Q afvoer (m³/s) Cd afvoercoëfficiënt (-) A doorstroomoppervlak (m²) h1 HYDRAULISCH bovenstroomse waterstand t.o.v. kruinhoogte, kruinhoogte ligt op laagste punt V-vorm (m) STOWA 2011-22 FUNCTIONEREN VISPASSEERBARE CASCADES h2 benedenstroomse waterstand t.o.v. kruinhoogte, kruinhoogte ligt op laagste punt V-vorm (m) ml modular limit (-) hv verticale hoogte V-vorm (m) Figuur 8 Doorstroomoppervlak V-vormige drempel, ‘hv’ is de hoogte van de V-vorm, h1 en h2 zijn de bovenstroomse of g gravitatie versnelling (m/s²) benedenstroomse waterstand

Belangrijkste invoerparameters in SOBEK: - kruinbreedte Figuur 8. Doorstroomoppervlak V-vormige drempel, ‘hv’ is de hoogte van de V-vorm, h1 en h2 zijn Belangrijkste invoerparameters in SOBEK: - kruinhoogte de bovenstroomse of benedenstroomse waterstand. • kruinbreedte - afvoercoëfficiënt (Cd) • kruinhoogte

• afvoercoëfficiënt (Cd)

16

River weir (Methode 2)

5.1.2


Het object river weir kan alleen worden toegepast bij een rechthoekig doorstroomoppervlak. Het object river weir kan alleen worden toegepast bij een rechthoekig doorstroomoppervlak. De methode is dus niet toegepast voor de V-vormige overlaat. Voor verdronken en nietDe methode is dus niet toegepast voor de V-vormige overlaat. Voor verdronken en niet-ververdronken stromingscondities wordt de volgende overlaatformule gebruikt: dronken stromingscondities wordt de volgende overlaatformule gebruikt: 3/ 2

q

 C

w

f

g

 2  3/ 2   h1 3

[10]

[10]

q afvoer per breedte eenheid (m²/s) correctiecoëfficiënt (-) Cw per afvoer breedte eenheid (m²/s) f reductiefactor voor gestuwde afvoer (-) Cw correctiecoëfficiënt (-) h1 bovenstroomse waterstand t.o.v. kruinhoogte (m) f reductiefactor voor gestuwde afvoer (-) g gravitatie versnelling (m/s²) h1 bovenstroomse waterstand t.o.v. kruinhoogte (m)

q

g reductiefactor gravitatie versnelling (m/s²) een niet-verdronken situatie (h2/h1 < modular limit), gelijk aan 1 De (f) is tijdens (SOBEK-manual). Wanneer de overlaat wel is verdronken en er sprake is van gestuwde modular limit),isgelijk aan 1 in SOBEK De reductiefactor is tijdens situatie afvoer, is f een (f) functie vaneen deniet-verdronken verdrinkingsgraad (h(h relatie als tabel 2/h 2/h11).< Deze (SOBEK-manual). Wanneer de overlaat wel is door verdronken en er sprake is van gestuwde afvoer, aanwezig en kan geselecteerd worden een bepaalde kruinvorm te kiezen (bijvoorbeeld: broad, triangular, round). is f een sharp, functie van de verdrinkingsgraad (h2/h1). Deze relatie is als tabel in SOBEK aanwezig en kan geselecteerd worden door een bepaalde kruinvorm te kiezen (bijvoorbeeld: broad, sharp,

Belangrijkste invoerparameters in SOBEK: triangular, round). - kruinlengte - kruinhoogte Belangrijkste invoerparameters in SOBEK: modular • kruinlengte limit (h2/h1). - correctiecoëfficiënt (Cw) • kruinhoogte - reductiefactor (f) • modular limit (h2/h1).

• correctiecoëfficiënt (Cw) • reductiefactor (f)

5.1.3

Vistrap als ruwoppervlak (Methode 3)

De ruwheid van een doorstroomoppervlak kan in SOBEK worden opgegeven, door de

5.1.3 Vistrap als ruwoppervlak (Methode 3) over het traject de bodemhelling worden aangepast Manning’s n aan te passen. Tevens moet

aan de helling de vistrap, in dit onderzoek is de hellingopgegeven, van de door vistrap De ruwheid van van een doorstroomoppervlak kan in SOBEK worden de 1/100. De bodemhoogte opgegeven hellend vlak dat ‘over toppen’ van de Manning’s n aan wordt te passen. Tevens moetals overeen het traject de bodemhelling wordendeaangepast cascadetrappen aan de helling vanligt. de vistrap, in dit onderzoek is de helling van de vistrap 1/100. De bodemhoogte wordt opgegeven als een hellend vlak dat ‘over de toppen’ van de cascadetrappen ligt.

Belangrijkste invoerparameters in SOBEK: - Manning’s n - bodemhelling van vistrap

5.2

Data analyse voor bepaling invoerparameters

13 De uiteindelijke parameters (kruinhoogte, Cd, Cw, f) zijn een resultaat van de optimalisatie tussen de gemeten- en berekende afvoer. Hiervoor zijn steeds alle meetgegevens gebruikt. Om de prestatie van de verschillende methodes te vergelijken is per meetreeks (1 l/s – 120 l/s)


Belangrijkste invoerparameters in SOBEK: • Manning’s n • bodemhelling van vistrap

5.2 Data analyse voor bepaling invoerparameters De uiteindelijke parameters (kruinhoogte, C d, C w, f) zijn een resultaat van de optimalisatie tussen de gemeten- en berekende afvoer. Hiervoor zijn steeds alle meetgegevens gebruikt. Om de prestatie van de verschillende methodes te vergelijken is per meetreeks (1 l/s – 120 l/s) en per en per schuifhoogte 5) deSquared Mean Squared Error (MSE) In berekend. In de onderstaande schuifhoogte (1 t/m(1 5) t/m de Mean Error (MSE) berekend. de onderstaande vergelijking vergelijking is h,gemeten de waterstand is N het aantal afvoeren.op locatie ‘a’ (paragraaf 4.2) en N het aantal gemeten afvoeren.

MSE 

N



Q

berekend

[i]  Qgemeten [i]

i 1

2

N

5.2.1 Universal weir (Methode 1) 5.2.1 Universal weir (Methode

1)

Kruinbreedte Kruinbreedte Bij een overlaat die zich bevindt over de volledige breedte van waterloop, speelt de breedte van geendie rol zich (er isbevindt geen sprake contractie). De van kruinbreedte is altijd Bij de eenkruin overlaat over devan volledige breedte waterloop, speeltafhankelijk de breedte van vandedelokale kruinsituatie. geen rol (er is geen sprake van contractie). De kruinbreedte is altijd afhankelijk

van de lokale situatie. Kruinhoogte Uit de vergelijkingen 6 en 10 komt de sterke invloed van de kruinhoogte op de waterstand naar Kruinhoogte voren, h1 is immers de waterstand t.o.v. de kruinhoogte. De kruinhoogte is in deze procedure niet vastgesteld maar hydraulisch. Het verschil het gemeten debiet en Uit meetkundig de vergelijkingen 6 en 10 komt de sterke invloed van detussen kruinhoogte op de waterstand berekende debiet is geminimaliseerd d.m.v. een aanpassing in de kruinhoogte (hiervoor is de pronaar voren, h1 is immers de waterstand t.o.v. de kruinhoogte. De kruinhoogte is in deze kleinste kwadraten methode toegepast). De zo verkregen kruinhoogte wordt de effectieve cedure niet meetkundig vastgesteld maar hydraulisch. Het verschil tussen het gemeten debiet kruinhoogte genoemd. en berekende debiet is geminimaliseerd d.m.v. een aanpassing in de kruinhoogte (hiervoor is de kleinste kwadraten methode toegepast). De zo verkregen kruinhoogte wordt de effectieve Afvoercoëfficiënt (Cd) De afvoercoëfficiënt van kruinhoogte genoemd. een universal weir is voor niet-verdronken en verdronken afvoer gelijk (vergelijkingen [6] en [7]). Door de afvoer per eenheid van breedte (q), uit beide vergelijkingen te vervangen door de gemeten afvoer, kan de Cd-waarde worden bepaald. Voor de bepaling Afvoercoëfficiënt (Cd) afvoeren gebruikt. Het verschil tussen het gemeten debiet en van Cd zijn alle gemeten De afvoercoëfficiënt van een universal weir is voor en verdronken afvoer berekende debiet is geminimaliseerd doormiddel vanniet-verdronken een optimalisatie van Cd (kleinste kwadraten methode). [6] en [7]). Door de afvoer per eenheid van breedte (q), uit beide vergegelijk (vergelijkingen lijkingen te vervangen door de gemeten afvoer, kan de Cd-waarde worden bepaald. Voor de bepaling van Cd zijn alle gemeten afvoeren gebruikt. Het verschil tussen het gemeten debiet 5.2.2 River weir (Methode 2) en berekende debiet is geminimaliseerd doormiddel van een optimalisatie van Cd (kleinste Kruinlengte kwadraten methode). Zie opmerkingen hierboven. 5.2.2 River weir (Methode 2) Kruinhoogte Zie opmerkingen hierboven. Kruinlengte Modular limit (h2/h1). Zie opmerkingen hierboven. Anders dan bij Methode 1, moet bij Methode 2 een modular limit worden opgegeven. Hiervoor is een figuur opgesteld met op de x-as de verdrinkingsgraad (h2/h1) en op de y-as de ratio Kruinhoogte tussen de bovenstroomse waterstand h1 en de bovenstroomse waterstand tijdens een nietverdronken situatie hierboven. h1-free. Omdat bij de laagste schuifhoogte (nr.1) de onderzochte ontwerpen Zie opmerkingen nooit verdronken zijn, geldt voor elke afvoer: h1=h1-free. De waterstanden bij schuifhoogte 1 zijn gebruikt als h1-free. Wanneer een ontwerp niet-verdronken is geldt: h1/h1-free = 1 en bij een verdronken situatie geldt: h1/h1-free > 1. Figuur 9 geeft een voorbeeld van het hierboven beschreven figuur. Bij het moment dat h1/h1-free voor het eerst groter is dan 1, kan op de y-as de bijbehorende h2/h1 worden afgelezen. Deze waarde is de ‘modular limit’.

14 18


Modular limit (h2/h1) Anders dan bij Methode 1, moet bij Methode 2 een modular limit worden opgegeven. Hiervoor is een figuur opgesteld met op de x-as de verdrinkingsgraad (h2/h1) en op de y-as de ratio tussen de bovenstroomse waterstand h1 en de bovenstroomse waterstand tijdens een nietverdronken situatie h1-free. Omdat bij de laagste schuifhoogte (nr.1) de onderzochte ontwerpen nooit verdronken zijn, geldt voor elke afvoer: h1=h1-free. De waterstanden bij schuifhoogte 1 zijn gebruikt als h1-free. Wanneer een ontwerp niet-verdronken is geldt: h1/h1-free = 1 en bij een verdronken situatie geldt: h1/h1-free > 1. Figuur 9 geeft een voorbeeld van het hierboven beschreven figuur. Bij het moment dat h1/h1-free voor het eerst groter is dan 1, kan op de y-as de bijbehorende h2/h1 worden afgelezen. Deze waarde is de ‘modular limit’. Figuur 9 Verdrinkingsgraad als functie van h1/h1-free. Het modular limit is 0.43

Figuur 9. Verdrinkingsgraad als functie Correctiecoëfficiënt (C ) van h1/h1-free. Het modular limit is 0.43. w

De correctiecoëfficiënt is op dezelfde manier bepaald als de afvoercoëfficiënt (Methode 1). Het enige verschil is dat de correctiecoëfficiënt gebaseerd is op gegevens van de niet-verdronken

Correctiecoëfficiënt (Ckomt w) afvoer. Dit omdat de reductiefactor (f) de verdronken afvoer corrigeert (SOBEK-manual). De correctiecoëfficiënt is op dezelfde manier bepaald afvoercoëfficiënt (Methode 1). Het Tijdens niet-verdronken afvoer is f gelijk aan 1als en de corrigeert de correctiecoëfficiënt de bereenige verschil is dat de correctiecoëfficiënt gebaseerd is op gegevens van de niet-verdronken kende afvoer. afvoer. Dit komt omdat de reductiefactor (f) de verdronken afvoer corrigeert (SOBEK-manual). Tijdens niet-verdronken afvoer is f gelijk aan 1 en corrigeert de correctiecoëfficiënt de berekende afvoer. Reductiefactor (f) De reductiefactor (f) is een functie van de verdrinkingsgraad. Wanneer de verdrinkingsgraad

Reductiefactor (f) kleiner is dan het modular limit, dan is f gelijk aan 1. Door in vergelijking [10] de afvoer q, te De reductiefactor (f) is een functie van de verdrinkingsgraad. Wanneer de verdrinkingsgraad vervangen door de gemeten afvoer en de reeds vastgestelde waarde voor C toe te passen, kan kleiner is dan het modular limit, dan is f gelijk aan 1. Door in vergelijking [10]w de afvoer q, te f worden berekend. Vervolgens is f als functie van h2/h1 uitgezet (voor h2/h1>modular limit) en vervangen door de gemeten afvoer en de reeds vastgestelde waarde voor Cw toe te passen, is door de gegevens een functie gefit. Indien h2/h1 gelijk is aan 1, dan is f gelijk aan 0. kan f worden berekend. Vervolgens is f als functie van h2/h1 uitgezet (voor h2/h1>modular limit) en is door de gegevens een functie gefit. Indien h2/h1 gelijk is aan 1, dan is f gelijk aan 0. 5.2.3 Vistrap als ruwoppervlak (Methode 3)

5.2.3

Door de stroomgoot in SOBEK te modelleren zijn de gemeten en berekende waarden met Vistrap als ruwoppervlak (Methode 3) elkaar vergeleken. De afwijking is geminimaliseerd door de ruwheid van de cascade vistrap

Door de stroomgoot in SOBEK te modelleren zijn de gemeten en berekende waarden met aan te passen. Deze methode is alleen uitgevoerd voor de cascade vistrap. elkaar vergeleken. De afwijking is geminimaliseerd door de ruwheid van de cascade vistrap aan te passen. Deze methode is alleen uitgevoerd voor de cascade vistrap. 15


6 Resultaten In dit hoofdstuk worden de resultaten van het schaalexperiment gepresenteerd en geanalyseerd. In paragraaf 6.1 wordt ingegaan op de verkregen Qh-relaties, waarin de bovenstroomse waterstand een functie is van het debiet (Q) en de opgelegde schuifhoogte benedenstrooms. Naast de presentatie van de resultaten worden de drie ontwerpen met elkaar vergeleken. In paragraaf 6.2 komen de waterstandprofielen over de cascade vistrappen, de enkele rechte

6 Resultaten drempel en de V-vormig drempel aan bod, die gebaseerd zijn op de acht meetpunten over de

In dit hoofdstuk worden de resultaten van gepresenteerd en bemeten ontwerpen. Paragraaf 6.3 het geeftschaalexperiment de gevonden parameters die gebruikt kunnen worgeanalyseerd. In paragraaf 6.1 wordt ingegaan op de verkregen Qh-relaties, waarin de denwaterstand in SOBEK, een de gebruikte zijn (Q) beschreven in paragraaf 5.2. bovenstroomse functie is methodes van het debiet en de opgelegde schuifhoogte benedenstrooms. Naast de presentatie van de resultaten worden de drie ontwerpen met elkaar vergeleken. In paragraaf 6.2 komen de waterstandprofielen over de cascade vistrappen, de enkele rechte drempel en de V-vormig drempel aan bod, die gebaseerd zijn op de acht 6.1 Qh-relaties meetpunten over de bemeten ontwerpen. Paragraaf 6.3 geeft de gevonden parameters die gebruikt kunnen worden in SOBEK, de gebruikte methodes zijn beschreven in paragraaf 5.2.

6.1.1 Qh-realties voor de verschillende ontwerpen 6.1 6.1.1

De relatie tussen de bovenstroomse waterstand (ha) en het debiet (Q) voor vijf schuifhoogte, is

Qh-relaties

weergegeven in Figuur 10, Figuur 11 en Figuur 12. Het betreft de modelwaarden voor een hori-

zontale gootbodem. B1 en C1 duiden op het type ontwerp en de bodemhelling (Tabel 3). Qh-realties voor de A1, verschillende ontwerpen

De waterstand ha is de bovenstroomse waterstand op 1 meter bovenstrooms van de construc-

De relatie tussen de bovenstroomse waterstand (ha) en het debiet (Q) voor vijf schuifhoogte, is , 1.5Qde en 2Qmg) van het prototype weergegeven, de figuren is maatgevende (Qmg weergegeventie. in In Figuur 10, Figuur 11 en Figuurafvoer 12. Het betreft voor een mg, modelwaarden horizontale gootbodem. A1, B1 en C1 naar duiden op het type ontwerp (Tabel welke zijn omgerekend modelwaarden (Tabelen 2).de In bodemhelling BIJLAGE 3 zijn dezelfde figuren afge3). De waterstand ha is de bovenstroomse waterstand op 1 meter bovenstrooms van de beeld, echter de modelwaarden zijn vervangen voor prototypewaarden. constructie. In de figuren is maatgevende afvoer (Qmg, 1.5Qmg, en 2Qmg) van het prototype weergegeven, welke zijn omgerekend naar modelwaarden (Tabel 2). In BIJLAGE 3 zijn Figuur 10 Qh-relatie voor de cascade bij verschillendzijn schuifhoogtes (havoor is de waterstand op meetlocatie ‘a’ t.o.v. het referentie dezelfde figuren afgebeeld, echter vistrap de modelwaarden vervangen prototypewaarden. vlak) bij een bodemhelling van 0

Figuur 10. Qh-relatie voor de cascade vistrap bij verschillend schuifhoogtes (ha is de waterstand op meetlocatie 16‘a’ t.o.v. het referentie vlak) bij een bodemhelling van 0.

20


Figuur 11

Qh-relatie voor de enkele rechte drempel bij verschillend schuifhoogtes (ha is de waterstand op meetlocatie ‘a’ t.o.v. het referentie vlak) bij een bodemhelling van 0

Figuur Figuur 11. 11. Qh-relatie Qh-relatie voor voor de de enkele enkele rechte rechte drempel drempel bij bij verschillend verschillend schuifhoogtes schuifhoogtes (ha (ha is is de de op meetlocatie ‘a’ t.o.v. t.o.v. hetdrempel referentie vlak) bij bijschuifhoogtes een bodemhelling bodemhelling van 0. 0.op meetlocatie ‘a’ Qh-relatie voor de enkele V-vormige bij verschillend (ha is de waterstand op meetlocatie ‘a’ het referentie vlak) een van

waterstand Figuur 12 waterstand

t.o.v. het referentie vlak) bij een bodemhelling van 0

Figuur Figuur 12. 12. Qh-relatie Qh-relatie voor voor de de enkele enkele V-vormige V-vormige drempel drempel bij bij verschillend verschillend schuifhoogtes schuifhoogtes (ha (ha is is de de waterstand op op meetlocatie meetlocatie ‘a’ ‘a’ t.o.v. t.o.v. het het referentie referentie vlak) vlak) bij bij een een bodemhelling bodemhelling van van 0. 0. waterstand 21 21

17


Uit bovenstaande drie figuren blijkt dat voor ontwerp A1 en C1 bij de schuifhoogtes 1 en 2 sprake is van een niet-verdronken situatie, aangezien de Qh-relaties vrijwel identiek zijn. Ontwerp B1 verdrinkt eerder en op het moment dat de Qh-relatie van schuifhoogte 2 voor het eerst afwijkt van schuifhoogte 1, dit is bij Q=0.05 m³/s. Voor alle ontwerpen is bij schuifhoogte Uit bovenstaande drie figuren blijkt dat voor ontwerp A1 en C1 bij de schuifhoogtes 1 en 2 4 sprake van een volledig verdronken situatie. sprake is van een niet-verdronken situatie, aangezien de Qh-relaties vrijwel identiek zijn. Uit bovenstaande drie figuren blijkt ontwerpdat A1de enQh-relatie C1 bij devan schuifhoogtes 2 het Ontwerp B1 verdrinkt eerder endat op voor het moment schuifhoogte1 2envoor sprake is van een aangezien de Voor Qh-relaties vrijwel identiek zijn. eerst afwijkt vanniet-verdronken schuifhoogte 1,situatie, dit is bij op Q=0.05 m³/s. alle ontwerpen is bij schuifhoogte 6.1.2 Invloed bodemhelling Qh-relatie Ontwerp B1 verdrinkt enverdronken op het moment dat de Qh-relatie van schuifhoogte 2 voor het 4 sprake van Om eeneerder volledig situatie. de invloed van de bodemhelling op de Qh-relatie te onderzoeken zou idealiter de bodemeerst afwijkt van schuifhoogte 1, dit is bij Q=0.05 m³/s. Voor alle ontwerpen is bij schuifhoogte hoogte op het meetpunt ha constant moeten zijn. Dit is echter niet mogelijk omdat het draai4 sprake van een volledig verdronken situatie. punt van de stroomgoot bovenstrooms ligt van de meetlocatie ha. Hoe groter de helling hoe 6.1.2 Invloed bodemhelling op Qh-relatie lager de beddinghoogte op het meetpunt ha. Om toch een vergelijking te kunnen maken is Om de invloed van de bodemhelling op de Qh-relatie te onderzoeken zou idealiter de 6.1.2 bodemhoogte Invloedeen bodemhelling Qh-relatie opgesteld. De waterdiepte (d)Dit is in 13 en Figuuromdat 14 uitgezet op Qd-relatie het meetpunt haop constant moeten zijn. is Figuur echter niet mogelijk het als functie

Om de invloedvan van bodemhelling opfiguren de Qh-relatie onderzoeken idealiter draaipunt dede stroomgoot ligt vandat dete meetlocatie ha.dezou Hoe groter dede helling van de afvoer (Q).bovenstrooms Uit de blijkt de invloed van bodemhelling op het verloop van bodemhoogte meetpunt ha constant moeten zijn. Dit is echter niet mogelijk omdat het hoe lagerop de het beddinghoogte op het meetpunt ha. Om toch een vergelijking te kunnen maken is de Qd-relatie beperkt is en dit geldt dus tevens voor de Qh-relatie. Bij hogere benedenstroomse draaipunt van de stroomgoot ligt(d) vanis de meetlocatie Hoe 14 groter de helling een Qd-relatie opgesteld.bovenstrooms De waterdiepte in Figuur 13 enha. Figuur uitgezet als functie waterstanden (grote schuifhoogte) neem het effect van de helling wel toe. Tabel 5 bevat voor hoe lager de afvoer beddinghoogte opfiguren het meetpunt ha.deOm toch een te kunnen maken is van van de (Q). Uit de blijkt dat invloed van vergelijking de bodemhelling op het verloop de cascade verschil in voor de waterstand per als meetreeks (1-120 l/s) en voor een Qd-relatie opgesteld. De vistrap waterdiepte (d) is in dus Figuur 13 en Figuur 14 uitgezet functie de Qd-relatie beperkt is en het ditgemiddelde geldt tevens de Qh-relatie. Bij hogere alle vijf schuifhoogtes. Hoe groter de mate van verdrinking hoe groter het verschil in watervan de afvoer (Q). Uit de figuren blijkt (grote dat deschuifhoogte) invloed van de bodemhelling het benedenstroomse waterstanden neem het effect op van deverloop helling van wel toe. de Qd-relatie beperkt is cascade eneen dithorizontale geldt het dus tevens voor dein Qh-relatie. Tabel 5 bevat voor de vistrap gemiddelde verschil de waterstand perhogere meetreeks stand tussen bodem en een bodem met hellingBij 1/1000. benedenstroomse (grote schuifhoogte) neemde hetmate effect van de hellinghoe welgroter toe. het (1-120 l/s) enwaterstanden voor alle vijf schuifhoogtes. Hoe groter van verdrinking Tabel 5 bevatinvoor de cascade vistrap gemiddelde verschil in de waterstand per meetreeks verschil waterstand tussen een het horizontale bodem en een bodem met helling 1/1000. Figuur 13 Qd-relatie voor de cascade vistrap, bij de schuifhoogte 2 = 9 cm boven de bodem (1-120 l/s) en voor alle vijf schuifhoogtes. Hoe groter de mate van verdrinking hoe groter het Qd - relatie (schuifhoogte 2) bodem met helling 1/1000. verschil in waterstand tussen een horizontale bodem en een 0.300

Qd - relatie (schuifhoogte 2)

waterdiepte (m)

0.250 0.300

waterdiepte (m)

0.200 0.250 0.150 0.200 0.100 0.150

helling = 0

0.050 0.100

helling = 1/1000 helling = 0 0.000 0.050 0.000 0.020 0.040 0.060 helling 0.080= 1/1000 0.100 0.120 0.000 Q (m³/s) 0.000 0.020 0.040 0.060 0.080 0.100 0.120 Figuur 13. Qd-relatie voor de cascade vistrap, bij de schuifhoogte 2 = 9 cm boven de bodem. Q (m³/s)

Qd - relatie (schuifhoogte 4) Figuur 13. Qd-relatie voor de cascade vistrap, bij de schuifhoogte 2 = 9 cm boven de bodem. Figuur 14 Qd-relatie voor de cascade vistrap schuifhoogte 4 = 16 cm boven de bodem

waterdiepte (m)

waterdiepte (m)

0.300 0.300 0.250 0.200 0.150 0.100 0.050

Qd - relatie (schuifhoogte 4)

0.250 0.200 0.150 helling = 0

0.100

helling = 1/1000 helling = 0

0.050 0.000 0.000

0.000 0.000

0.020

helling = 1/1000 0.020 0.040

0.040

0.060

Q (m³/s) 0.060 0.080

0.080 0.100

0.100

0.120

0.120

Figuur 14. Qd-relatie voor de cascade vistrap schuifhoogte 4 = 16 cm boven de bodem.

Q (m³/s)

Figuur 14. Qd-relatie voor de cascade vistrap schuifhoogte 4 = 16 cm boven de bodem. 22 22

18


Tabel Tabel 5. Gemiddeld 5. Gemiddeld verschil verschil in deinwaterdiepte de waterdiepte (Delta (Delta d) tussen d) tussen de meetreeksen de meetreeksen zonder zonder en met en met bodemhelling. bodemhelling. Gegevens Gegevens hebben hebben betrekking betrekking op de opcascade de cascade vistrap. vistrap.

Tabel 5 Gemiddeld verschil in de waterdiepte (Delta d) tussen de meetreeksen zonder en met bodemhelling. Gegevens hebben betrekking op de cascade vistrap

Tabel 5. Gemiddeld verschil in de waterdiepte (Delta d) tussen de meetreeksen zonder en met bodemhelling. Gegevens hebben betrekking op de cascade vistrap.

In vervolg het vervolg de data-analyse is alleen gebruik gemaakt de gegevens die horen In het van van de data-analyse is alleen gebruik gemaakt van van de gegevens die horen bij bij In het vervolg van de data-analyse is alleen gebruik gemaakt van de gegevens die horen bij een horizontale bodem. een een horizontale bodem. horizontale bodem.

In het vervolg van de data-analyse is alleen gebruik gemaakt van de gegevens die horen bij 6.1.36.1.3Vergelijking Vergelijking Qh-relaties Qh-relaties verschillende verschillende ontwerpen ontwerpen 6.1.3 Vergelijking Qh-relaties verschillende ontwerpen een horizontale bodem. In Figuur In 15 t/m 15t/m Figuur t/mFiguur Figuur 1919worden 19 worden de verschillend de verschillend ontwerpen ontwerpen met elkaar elkaar vergeleken. vergeleken. In Figuur Figuur 15 worden de verschillend ontwerpen metmet elkaar vergeleken. Elke ElkeElke figuur figuur laat laat de Qh-relaties de Qh-relaties zien zien voor voor de drie de drie ontwerpen ontwerpen bij een bij een gegeven gegeven schuifhoogte. schuifhoogte. Uit de figuur laat de Qh-relaties Qh-relaties zien voor de drie ontwerpenontwerpen bij een gegeven schuifhoogte. Uit de Uit de 6.1.3 Vergelijking verschillende figuren figuren komtkomt naarnaar naar voren voren datdat een dat een cascade cascade vistrap vistrap zorgt zorgt voor voor een een grotere grotere opstuwing opstuwing dan dan een een figuren komt voren cascade vistrap zorgt voor een grotere opstuwing dan een In Figuur 15enkele t/m Figuur 19drempel. worden deeen verschillend ontwerpen met elkaar vergeleken. enkele rechte rechte drempel. Daarnaast Daarnaast resulteert resulteert een een enkele enkele V-vormige V-vormige drempel drempel in Elke de in grootste de grootste enkele rechte drempel. Daarnaast eenbij enkele V-vormige drempel in de grootste figuur laat de Qh-relaties zien drie resulteert ontwerpen eenverschillen gegeven schuifhoogte. Uit de opstuwing. opstuwing. Hoe Hoe lager lager devoor schuifhoogte, de de schuifhoogte, hoe hoe groter groter de de verschillen zijn. zijn. Dit komt Dit komt omdat omdat bij een bij een opstuwing. Hoe lager de schuifhoogte, hoe groter de verschillen zijn. Dit komt omdat bijeen een figuren lagere komtlagere naar voren dat een cascade vistrap zorgt voor een grotere opstuwing dan schuifhoogte schuifhoogte de stroomsnelheid de stroomsnelheid toeneemt toeneemt en waardoor en waardoor ook ook het effect het effect van van de weerstand de weerstand lagere schuifhoogte de stroomsnelheid toeneemt en waardoor ook het effect vangrootste de weerenkele toeneemt. rechte drempel. Daarnaast resulteert een enkele de toeneemt. Indien Indien een een hoogwater hoogwater in een in een rivier rivier of V-vormige beek of beek leidtdrempel leidt tot opstuwing tot in opstuwing en een en een sterke sterke standlager toeneemt. Indien een hoogwater in een rivier of beek leidt tot en een opstuwing. Hoe schuifhoogte, hoe groter verschillen zijn. Ditopstuwing komt omdat bij sterke een verdrinking verdrinking vandevan de aanwezige de aanwezige vistrap, vistrap, dande dan zal dus zal dus de vistrap de vistrap niet niet zorgen zorgen voor voor veel veel extraextra verdrinking van de aanwezige toeneemt vistrap, danen zal dus de vistrap niet zorgen veelweerstand extra opstulagere schuifhoogte de (situatie stroomsnelheid ook effect voor van opstuwing opstuwing (situatie uit Figuur uit Figuur 19). 19). De kruinhoogte De waardoor kruinhoogte is aangegeven ishetaangegeven alsdelijn, als lijn, het het betreft betreft de de toeneemt. Indien een hoogwater in De een rivier of is beek leidt tot en deeen sterke wing (situatie uit Figuur 19). kruinhoogte aangegeven als opstuwing lijn, het betreft gemiddelde gemiddelde gemiddelde kruinhoogte. kruinhoogte. verdrinking van de aanwezige vistrap, dan zal dus de vistrap niet zorgen voor veel extra kruinhoogte. opstuwing (situatie uit Figuur 19). De kruinhoogte is aangegeven als lijn, het betreft de gemiddelde kruinhoogte. Figuur 15 Qh-relatie voor de drie ontwerpen, bij schuifhoogte 1 = 6 cm boven gootbodem

Figuur Figuur 15. Qh-relatie 15. Qh-relatie voorvoor de drie de drie ontwerpen, ontwerpen, bij schuifhoogte bij schuifhoogte 1 = 61cm = 6boven cm boven gootbodem. gootbodem. 23 231 = 6 cm boven gootbodem. Figuur 15. Qh-relatie voor de drie ontwerpen, bij schuifhoogte

23

19


Figuur 16

Qh-relatie voor de drie ontwerpen, bij schuifhoogte 2 = 9 cm boven gootbodem

Figuur 16. Qh-relatie voor de drie ontwerpen, bij schuifhoogte 2 = 9 cm boven gootbodem. Figuur 16. Qh-relatie voor de drie ontwerpen, bij schuifhoogte 2 = 9 cm boven gootbodem. Figuur 17


Figuur 17. Qh-relatie voor de drie ontwerpen, bij schuifhoogte 3 = 12 cm boven gootbodem. Figuur 17. Qh-relatie voor de drie ontwerpen, bij schuifhoogte 3 = 12 cm boven gootbodem.

20

24 24


Figuur 18


Figuur Figuur 18. 18. Qh-relatie Qh-relatie voor voor de de drie drie ontwerpen, ontwerpen, bij bij schuifhoogte schuifhoogte 4 4= = 16 16 cm cm boven boven gootbodem. gootbodem. Figuur 19


Figuur Figuur 19. 19. Qh-relatie Qh-relatie voor voor de de drie drie ontwerpen, ontwerpen, bij bij schuifhoogte schuifhoogte 5 5= = 20 20 cm cm boven boven gootbodem. gootbodem.

25 25

21


Onderstaande Tabel 6 vat de gegevens uit de Figuur 15 t/m Figuur 19 samen. De tabel geeft aan hoeveel meer opstuwing een cascade vistrap en een V-vormige vistrap geeft t.o.v. een Onderstaande Onderstaande Tabel Tabel 6 vat 6 vat de de gegevens gegevens uit uit de de Figuur Figuur 15 15 t/mt/m Figuur Figuur 19 19 samen. samen. DeDe tabel tabel geeft geeft enkele rechte drempel. Het betreft de gemiddelde toename in de opstuwing voor een meet aan aan hoeveel hoeveel meer meer opstuwing opstuwing een een cascade cascade vistrap vistrap en en een een V-vormige V-vormige vistrap vistrap geeft geeft t.o.v. t.o.v. een een reeks rechte (1-120 l/s). enkele enkele rechte drempel. drempel.HetHetbetreft betreftde degemiddelde gemiddeldetoename toenamein inde deopstuwing opstuwingvoor vooreen een meetreeks meetreeks (1-120 (1-120 l/s).l/s). Tabel 6 Prototypewaarden van de absolute toename in de waterstand (ha) voor de cascade vistrap (A1) en de V-vormige drempel (C1),

Tabel Tabel 6. Prototypewaarden vanvan de de absolute absolute toename toename in de in de waterstand waterstand (ha) (ha) voor voor de de cascade cascade t.o.v.6. dePrototypewaarden rechte enkele drempel vistrap vistrap (A1) (A1) en en de de V-vormige V-vormige drempel drempel (C1), (C1), t.o.v. t.o.v. de de rechte rechte enkele enkele drempel. drempel.

6.2 Profielen over vistrappen over 6.26.2waterspiegel Profielen Profielen waterspiegel waterspiegel over vistrappen vistrappen De lengteprofielen van dede waterspiegel over de zijn opgenomen in Bijlage 4. Uit DeDe lengteprofielen lengteprofielen van van de waterspiegel waterspiegel over over deconstructies de constructies constructies zijn zijn opgenomen opgenomen in in Bijlage Bijlage 4. 4. UitUit de profielen van cascade vistrap komt naar voren dat trede eeneen belangrijke rol speelt de de profielen profielen van van dede de cascade cascade vistrap vistrap komt komt naar naar voren voren dateerste dat eerste eerste trede trede een belangrijke belangrijke rolrol speelt speelt in de de van bovenstroomse waterstand. in de in opstuwing opstuwing van van bovenstroomse bovenstroomse waterstand. waterstand.

6.36.3 invoerparameters Resultaten Resultaten invoerparameters invoerparameters 6.3 Resultaten Deanalyse analyse van dede gegevens voor het vaststellen van de verschillende parameters is parameters uitgevoerd DeDe analyse vanvan degegevens gegevens voor voor hethetvaststellen vaststellen vanvande deverschillende verschillende parametersis is volgens de beschreven methodes uit paragraaf 5.2. De vergelijking tussen de gemeten afvoer uitgevoerd uitgevoerd volgens volgens de de beschreven beschreven methodes methodes uit uit paragraaf paragraaf 5.2. 5.2. DeDe vergelijking vergelijking tussen tussen de de gemeten gemeten afvoer afvoer en en berekende berekende afvoer afvoer is voor is voor alles alles schuifhoogtes schuifhoogtes en en ontwerpen ontwerpen weergegeven. weergegeven. en berekende afvoer is voor alles schuifhoogtes en ontwerpen weergegeven. Bij onderstaande BijBij onderstaande onderstaande analyse analyse geldt geldt steeds: steeds: h1meetlocatie his1 is de de waterstand waterstand opde op meetlocatie meetlocatie ‘a’,meetloca‘a’, en en h2 his2 is de de waterstand op ‘a’, en h2 is waterstand op analyse geldt steeds: h1 is de waterstand waterstand op op meetlocatie meetlocatie ‘h’. ‘h’. Deze Deze waterstand waterstand heeft heeft als als referentie referentie de de effectieve effectieve kruinhoogte kruinhoogte tie ‘h’. Deze waterstand heeft als referentie de effectieve kruinhoogte (6.3.1). Als eerste wordt (6.3.1). (6.3.1). AlsAls eerste eerste wordt wordt ingegaan ingegaan op op de de effectieve effectieve kruinhoogte kruinhoogte en en vervolgens vervolgens worden worden de de ingegaan op de effectieve kruinhoogte en vervolgens worden de resultaten van de parameteresultaten resultaten vanvan de de parameterisatie parameterisatie perper ontwerp ontwerp (A1, (A1, B1B1 en en C1)C1) en en perper methode methode weergegeven. weergegeven. risatie per ontwerp (A1, B1 en C1) en per methode weergegeven. De resultaten zijn gebaseerd DeDe resultaten resultaten zijnzijn gebaseerd gebaseerd op op de de gegevens gegevens zonder zonder bodem bodem helling. helling. op de gegevens zonder bodem helling.

6.3.1 6.3.1 Effectieve Effectieve kruinhoogte kruinhoogte 6.3.1 Effectieve kruinhoogte In In Figuur Figuur 20 20 is de is de kruin kruin vanvan de de eerste eerste drempel drempel (beplakt (beplakt met met basaltsplit) basaltsplit) afgebeeld. afgebeeld. HetHet figuur figuur In Figuur 20 is de kruin van de eerste drempel (beplakt met basaltsplit) afgebeeld. Het figuur laatlaat alleen alleen de de middelste middelste 90 90 cmcm vanvan de de 116 116 cmcm lange lange drempel drempel zien. zien. D.m.v. D.m.v. de de beschreven beschreven laat alleen de middelste 90 cm van de 116 cm lange drempel zien. D.m.v. de beschreven methode methode in paragraaf in paragraaf 5.2, 5.2, is de is de effectieve effectieve kruinhoogte kruinhoogte vastgesteld. vastgesteld. In het In het figuur figuur is de is de effectieve effectieve methode in paragraaf 5.2, is de effectieve kruinhoogte vastgesteld. In het figuur is de effeckruinhoogte kruinhoogte afgebeeld afgebeeld alsals blauwe blauwe lijnlijn diedie boven boven de de gemiddelde gemiddelde kruinhoogte kruinhoogte ligtligt (stippellijn). (stippellijn). DeDe tieve kruinhoogte afgebeeld als blauwe lijn die boven de kruinhoogte ligt (stip- DitDit effectieve effectieve kruinhoogte kruinhoogte ligtligt ongeveer ongeveer op op de de hoogte hoogte vanvan degemiddelde de hoogste hoogste toppen toppen vanvan de de drempel. drempel. pellijn).dat De effectieve kruinhoogte ligt ongeveer op de hoogte de hoogste toppen van de betekent betekent dat bij bij een een bepaling bepaling vanvan een een juiste juiste kruinhoogte kruinhoogte in het in van het veld, veld, gelet gelet moet moet worden worden op op de de hoogste hoogste punten punten vanvande dedrempel. DitDitgeeft geeft een een betere betere benadering benadering dande degemiddelde gemiddelde drempel. Dit betekent dat bijdrempel. een bepaling van een juiste kruinhoogte in hetdan veld, gelet moet kruinhoogte. kruinhoogte. effectieve effectieve kruinhoogte kruinhoogte voor voor de de rechte rechte drempel drempel en vistrap vistrap is is 0.091 0.091 mm (dit(dit is is worden op De de De hoogste punten van de drempel. Dit geeft een betere en benadering dan de gemid1.36 1.36 m in m het in het prototype). prototype). delde kruinhoogte. De effectieve kruinhoogte voor de rechte drempel en vistrap is 0.091 m (dit is 1.36 m in het prototype).

26 26

22


Figuur 20 Aanstroomprofiel van de eerste bovenstroomse drempel voor de cascade vistrap en de enkele rechte drempel

Figuur 20. Aanstroomprofiel van de eerste bovenstroomse drempel voor de cascade vistrap en de enkele rechte drempel. 6.3.2 Cascade vistrap invoerparameters voor SOBEK

UNIVERSAL WEIR (METHODE 1) EN RIVER WEIR (METHODE 2)

6.3.2

Cascade vistrap invoerparameters voor SOBEK Belangrijkste invoerparameters in SOBEK (Methode 1): • kruinbreedte

= locatie afhankelijk

• kruinhoogte

= effectieve kruinhoogte (0.091m boven de bodemhoogte

•

van meetpunt a, zie tabel 1)

• kruinbreedte


UNIVERSAL WEIR (METHODE 1) EN RIVER WEIR (METHODE 2)

Belangrijkste invoerparameters in SOBEK (Methode 1): = 1.006 • afvoercoëfficiënt (Cd) -‐ kruinbreedte = locatie afhankelijk -‐ kruinhoogte = effectieve kruinhoogte (0.091m boven de gootbodem). Belangrijkste invoerparameters in SOBEK (Methode 2): -‐ afvoercoëfficiënt (Cd) = 1.006 kruinhoogte = effectieve kruinhoogte (0.091 m boven de bodemhoogte Belangrijkste• invoerparameters in SOBEK (Methode 2): -‐ kruinbreedte = locatie • afhankelijk van meetpunt a, zie tabel 1) -‐ kruinhoogte = 0.42kruinhoogte (0.091 m boven de gootbodem). • modular limit (h2/h1=). effectieve -‐ modular limit (h2/h1). =(C0.42 = 1.011 • correctiecoëfficiënt w) -‐ correctiecoëfficiënt (C ) = 1.011 w • reductiefactor (f) = functie uit Figuur 23 -‐ reductiefactor (f) = functie uit Figuur 23.

27

23


. Figuur 21

Qh-relatie (cascade vistrap). Prototypewaarden berekend met Methode 1

Figuur 21. Qh-relatie (cascade vistrap). Prototypewaarden berekend met Methode 1.

28

24


Figuur 22



29

25


Figuur 23 Reductiefactor (f) voor verdronken afvoer. De vermelde overlaattypen (vorm overlaat) zijn afkomstig uit SOBEK

Figuur Figuur Figuur 23. 23.Reductiefactor 23. Reductiefactor Reductiefactor (f)(f)voor voor (f) voor verdronken verdronken verdronken afvoer. afvoer. afvoer. De Devermelde De vermelde vermelde overlaattypen overlaattypen overlaattypen (vorm (vorm (vorm overlaat) overlaat) overlaat) zijn zijnafkomstig zijn afkomstig afkomstig uit uitSOBEK. uit SOBEK. SOBEK.

VISTRAP VISTRAP VISTRAP ALS ALS ALS RUW RUW RUW OPPERVLAK OPPERVLAK OPPERVLAK (METHODE (METHODE (METHODE 3)3) 3) Tabel Tabel Tabel 77 geeft 7 geeft geeft een eeneen overzicht overzicht overzicht van vanvan de de berekende de berekende berekende ruwheid ruwheid ruwheid met metmet behulp behulp behulp van vanvan een eeneen SOBEK SOBEK SOBEK VISTRAP ALS RUW OPPERVLAK (METHODE 3) Figuur 23. Reductiefactor (f)De voor verdronken afvoer. De vermelde overlaattypen (vorm overlaat) modellering. modellering. modellering. Debeste De beste beste fitfittussen tussen fit tussen de degemeten de gemeten gemeten data data data en enberekende en berekende berekende data data data isisverkregen verkregen is verkregen met metmet een eeneen Tabel 7 geeft een overzicht van de berekende ruwheid met behulp van een SOBEK model zijn afkomstigManning’s uit SOBEK. Manning’s Manning’s nnvan van n van 0.05 0.05 0.05 (kM (kM(kM ==20). 20). = 20). Het HetHet omzetten omzetten omzetten van vanvan prototypewaarden prototypewaarden prototypewaarden naar naar naar modelwaarden modelwaarden modelwaarden lering. De beste fit tussen de gemeten data en berekende data is verkregen met een Manning’s gaat gaat gaat aan aanaan de dehand de hand hand van vanvan de deschaalregels, de schaalregels, schaalregels, zie ziehiervoor zie hiervoor hiervoor BIJLAGE BIJLAGE BIJLAGE 5.5.InIn 5.onderstaande onderstaande In onderstaande tabel tabel tabel isisde de is de n van 0.05 (kM = 20). Het omzetten van prototypewaarden naar modelwaarden gaat aan de Chézy Chézy Chézy coefficient coefficient coefficient berekend berekend berekend bijbij een bij eeneen model model model waterdiepte waterdiepte waterdiepte van vanvan 0.2 0.20.2 m, m, dit m, dit is dit is de is de gemiddelde de gemiddelde gemiddelde hand van de schaalregels, zie hiervoor BIJLAGE 5. In onderstaande tabel is de Chézy coëffi waterdiepte waterdiepte waterdiepte op opbasis op basis basis van van van alle allealle experimenten. experimenten. experimenten. VISTRAP ALS RUW OPPERVLAK (METHODE 3) ciënt berekend bij een model waterdiepte van 0.2 m, dit is de gemiddelde waterdiepte op basis Tabel 7 geeft een overzicht van de berekende ruwheid met behulp van een SOBEK van allefitexperimenten. modellering. De beste tussen de gemeten data en berekende data is verkregen met een Manning’s n van 0.05 (kM = 20). Het omzetten van prototypewaarden naar modelwaarden van cascadevan vistrap Tabel Tabel Tabel 7.7.Ruwheid Ruwheid 7. vanvan cascade cascade cascade vistrap. vistrap.BIJLAGE 5. In onderstaande tabel is de gaatTabel aan7 Ruwheid de hand van deRuwheid schaalregels, zievistrap. hiervoor Chézy coefficient berekend bij een model waterdiepte van 0.2 m, dit is de gemiddelde MODEL MODEL MODEL PROTOTYPE PROTOTYPE PROTOTYPE waterdiepte op basis CC van C allenexperimenten. n n 1/n 1/n=1/n =kM kM = kM CC C nn n 1/n 1/n=1/n =kM kM = kM 1/2 1/2 1/2

1/3 1/3 1/3

1/3 1/3 1/3

mm /s m/s /s s/m s/ms/m

15 15 15 0.032 0.032 0.032

31 31 31

Tabel 7. Ruwheid van cascade vistrap.

MODEL C 1/2

m /s 15

n s/m

1/n = kM 1/3

0.032

1/3

m /s 31

1/2 1/2 1/2

1/3 1/3 1/3

mm /s m/s /s mm /s m/s /s s/m s/ms/m

15 15 15 0.050 0.050 0.050

PROTOTYPE C n 1/2

m /s 15

s/m

1/n = kM 1/3

0.050

1/3

m /s 20

30 30 30

26 30

1/3 1/3 1/3

mm /s m/s /s 20 20 20


Figuur 24



31

27


6.3.3 Enkele rechte drempel invoerparameters voor SOBEK UNIVERSAL WEIR (METHODE 1) EN RIVER WEIR (METHODE 2) Belangrijkste invoerparameters in SOBEK:

6.3.3

Enkele• rechte drempel kruinbreedte invoerparameters = locatie afhankelijkvoor SOBEK • kruinhoogte

= effectieve kruinhoogte (0.091 m boven de bodemhoogte

a, zie UNIVERSAL WEIR (METHODE 1) EN RIVER van WEIRmeetpunt (METHODE 2) tabel 1) = 1.445 • afvoercoëfficiënt (Cd) Belangrijkste invoerparameters in SOBEK: • -‐ kruinbreedte = locatie afhankelijk Belangrijkste invoerparameters in SOBEK: -‐ kruinhoogte = effectieve kruinhoogte (0.091 m boven de gootbodem). • kruinbreedte = locatie afhankelijk -‐ afvoercoëfficiënt (Cd) = 1.445 • kruinhoogte = effectieve kruinhoogte (0.091 m boven de bodemhoogte van meetpunt a, zie tabel 1) Belangrijkste invoerparameters in SOBEK: -‐ kruinbreedte = (h locatie afhankelijk /h ). = 0.43 • modular limit 2 1 -‐ kruinhoogte = effectieve (0.091 m boven de gootbodem). = 1.532 • correctiecoëfficiënt (Cw) kruinhoogte -‐ modular • limitreductiefactor (h2/h1). = (f) 0.43 = functie uit Figuur 27. -‐ correctiecoëfficiënt (Cw) = 1.532 -‐ reductiefactor (f) = functie uit Figuur 27. Figuur 25

Qh-relatie (enkele rechte drempel). Prototypewaarden berekend met Methode 1

Figuur 25. Qh-relatie (enkele rechte drempel). Prototypewaarden berekend met Methode 1.

28 32


Figuur 26

Qh-relatie (enkele rechte drempel). Prototypewaarden berekend met Methode 2

Figuur 26. Qh-relatie (enkele rechte drempel). Prototypewaarden berekend met Methode 2.

33

29


Figuur 27 Reductiefactor (f) voor verdronken afvoer. De vermelde overlaattypen (vorm overlaat) zijn afkomstig uit SOBEK

Figuur 27. Reductiefactor (f) voor verdronken afvoer. De vermelde overlaattypen (vorm overlaat) 6.3.4 Enkele V-vormige drempel invoerparameters voor SOBEK zijn afkomstig uit SOBEK.

UNIVERSAL WEIR (METHODE 1)

6.3.4

Enkele V-vormige drempel invoerparameters voor SOBEK Belangrijkste iinvoerparameters in SOBEK: • kruinbreedte

UNIVERSAL WEIR (METHODE 1) • kruinhoogte


= effectieve kruinhoogte (0.064 m boven de bodemhoogte

van meetpunt a, zie tabel 1).

Belangrijkste iinvoerparameters in SOBEK: = 1.302 • afvoercoëfficiënt (Cd) -‐ kruinbreedte = locatie afhankelijk -‐ kruinhoogte = effectieve kruinhoogte (0.064 m boven de gootbodem). -‐ afvoercoëfficiënt (Cd) = 1.302

30 34

-‐ -‐ -‐

kruinbreedte kruinhoogte afvoercoëfficiënt (Cd)

= locatie afhankelijk = effectieve kruinhoogte (0.064 m boven de gootbodem). = 1.302


Figuur 28

Qh-relatie (V-vormige drempel). Modelwaarden berekend met Methode 1

34

Figuur 28. Qh-relatie (V-vormige drempel). Modelwaarden berekend met Methode 1.

6.3.5

Samenvatting methodes

In onderstaande tabel is de prestatie van de gebruikte methodes weergegeven. De scores representeren de Mean Squared Error (MSE) tussen de gemeten en berekende afvoeren in het prototype. Hoe kleiner het getal hoe beter de methode werkt. Methode 3 kan alleen voor de vistrappen worden bepaald en Methode 2 wordt voor een V-vormige overlaat, niet in SOBEK ondersteund en is om die reden niet berekend. Uit de Tabel 8 blijkt dat de cascade vistrap het beste wordt gesimuleerd met Methode 3. Voor zowel de enkele rechte drempel en de vistrap zijn de verschillen tussen Methode 1 en 2 gering. Echter bij een hoge verdrinkingsgraad (schuifhoogte 5) presteert Methode 1 aanzienlijk beter dan Methode 2.

Tabel 8. MSE voor 1,2 en 3 voor alle ontwerpen (prototypewaarden)

31

FiguurFiguur 28. Qh-relatie 28. Qh-relatie (V-vormige (V-vormige drempel). drempel). Modelwaarden Modelwaarden berekend berekend met Methode met Methode 1. 1. Figuur 28. Qh-relatie (V-vormige drempel). Modelwaarden berekend met Methode 1. STOWA 2011-22 HYDRAULISCH FUNCTIONEREN VISPASSEERBARE CASCADES

Samenvatting Samenvatting methodes methodes 6.3.5 6.3.5 6.3.5 Samenvatting methodes In onderstaande In onderstaande tabel is de is prestatie demethodes prestatie van de van gebruikte de gebruikte methodes methodes weergegeven. weergegeven. De scores De scores 6.3.5 tabel Samenvatting In onderstaande tabel is de prestatie van de gebruikte methodes weergegeven. Dein scores representeren representeren de Mean de Mean Squared Squared Error Error (MSE) (MSE) tussen tussen de gemeten de gemeten en berekende en berekende afvoeren afvoeren in In onderstaande tabel is de prestatie van de gebruikte methodes weergegeven. De scores representeren de Mean Squared Error (MSE) tussen de gemeten en berekende afvoeren in het prototype. het prototype. Hoe representeren kleiner Hoe kleiner het getal hetMean hoe getalbeter hoe de beter methode de methode werkt.werkt. Methode Methode 3en kan 3alleen kan alleen voor de voorinde de Squared Error (MSE) tussen de gemeten berekende afvoeren het het prototype. Hoe bepaald kleiner het beter de methode Methode 3 kan alleen voor vistrappen vistrappen worden worden bepaald en engetal Methode 2hoe wordt 2 hoe wordt voor een voor een werkt. V-vormige overlaat, overlaat, niet niet SOBEK in SOBEK prototype. HoeMethode kleiner het getal beter deV-vormige methode werkt. Methode 3inkan alleen voorde de vistrappen bepaald enbepaald Methode 2Uitwordt V-vormige overlaat, nietniet inhet SOBEK ondersteund ondersteund en isworden om en is dieom reden die reden niet berekend. niet berekend. deUit Tabel de Tabel 8een blijkt 8een dat blijkt dedat cascade de cascade vistrap vistrap het vistrappen worden en Methode 2voor wordt voor V-vormige overlaat, in SOBEK ondersteund en is om reden berekend. Uit Tabel 8 Tabel blijkt dat de en cascade vistrap het beste beste wordt wordt gesimuleerd gesimuleerd metdie Methode met 3. 3. zowel Voor zowel de de enkele de enkele rechte rechte drempel drempel vistrap de vistrap ondersteund en is Methode omniet dieVoor reden niet berekend. Uit de 8 blijkt datde deen cascade vistrap beste gesimuleerd met Methode 3. Voor zowel de rechte drempel en deen vistrap het beste wordt gesimuleerd Methode 3. Voor zowel enkele rechte drempel de viszijn de zijn verschillen dewordt verschillen tussen tussen Methode Methode 1 en 12met en gering. 2 gering. Echter Echter bijenkele een bijde hoge een hoge verdrinkingsgraad verdrinkingsgraad zijn de 5) verschillen tussen Methode 1 Methode enbeter 2 gering. Echter bij een hoge verdrinkingsgraad trap zijnMethode de verschillen tussen 1 enMethode 2dan gering. Echter bij een hoge verdrinkingsgraad (schuifhoogte (schuifhoogte presteert 5) presteert Methode 1 aanzienlijk 1 aanzienlijk dan beter Methode 2. 2. (schuifhoogte(schuifhoogte 5) presteert5)Methode aanzienlijk beter dan Methode 2. presteert 1Methode 1 aanzienlijk beter dan Methode 2. Tabel 8 MSE voor 1,2 en 3 voor alle ontwerpen (prototypewaarden) Tabel 8. Tabel MSE8.voor MSE1,2 voor en 1,2 3 voor en 3alle voor ontwerpen alle ontwerpen (prototypewaarden) (prototypewaarden) Tabel 8. MSE voor 1,2 schuifnr en (prototypewaarden) VISTRAP VISTRAP schuifnr 1 3 voor schuifnr 1 alle schuifnr 2ontwerpen schuifnr 2 schuifnr 3 schuifnr 3 schuifnr 4 schuifnr 4 schuifnr 5 gemiddeld 5 gemiddeld

methode methode 1 1 schuifnr 1.50 11.50 schuifnr 0.85 20.85 schuifnr 2.01 32.01 schuifnr 1.88 41.88 schuifnr 1.72 51.72 gemiddeld 1.59 1.59 VISTRAP methode methode 2 21 0.43 0.43 methode 1.50 0.70 0.70 0.85 1.08 1.08 2.01 1.62 1.62 1.88 3.40 3.40 1.72 1.44 1.44 1.59 methode methode 3 32 0.17 0.17 methode 0.43 0.18 0.18 0.70 0.18 0.18 1.08 0.17 0.17 1.62 0.18 0.18 3.40 0.17 0.17 1.44 RECHTE RECHTE DREMPEL DREMPEL methode 3 0.17 0.18 0.18 0.17 0.18 0.17 methode methode 1 1 2.79 2.79 1.01 1.01 3.74 3.74 0.97 0.97 3.33 3.33 2.37 2.37 RECHTE DREMPEL methode methode 2 21 0.27 0.27 methode 2.79 2.32 2.32 1.01 3.69 3.69 3.74 1.17 1.17 0.97 7.67 7.67 3.33 3.02 3.02 2.37 V-VORMIGE V-VORMIGE DREMPEL DREMPEL methode 2 0.27 2.32 3.69 1.17 7.67 3.02 methode methode 1 1 5.54 5.54 3.80 3.80 0.84 0.84 6.92 6.92 12.55 12.55 5.93 5.93 V-VORMIGE DREMPEL methode 1 5.54 3.80 0.84 6.92 12.55 5.93

35

32

35 35


7 Samenvatting en Conclusies Om inzicht te verschaffen in het hydraulisch functioneren van een cascade vistrap bestaande uit stortsteen en met acht trappen, is een schaalexperiment uitgevoerd in een stroomgoot met een schaalfactor van 1:15. De stroomgoot heeft een lengte van bijna 15 m en een interne breedte van 1.16 m. Voor oplopende afvoeren van 1 t/m 120 liter per seconde is bovenstrooms en benedenstrooms van het model de waterstand gemeten, zodat een relatie tussen de afvoer en de waterstand kan worden opgesteld (Qh-relatie). Naast een cascade vistrap is tevens een enkele rechte drempel en een V-vormige drempel bemeten in de stroomgoot en zijn de Qh-relaties van de verschillende ontwerpen vergeleken. Om de resultaten te kunnen toepassen binnen een hydraulisch model (SOBEK) zijn voor alle ontwerpen de invoerparameters gekwantificeerd, waarmee de weerstand ten gevolge van de drie ontwerpen, op drie verschillende manieren kan worden gemodelleerd. In Methode 1 wordt de cascade gemodelleerd als universal weir en in Methode 2 wordt de cascade gezien als river weir (deze methodes zijn keuzemogelijkheden binnen SOBEK). Om beide methodes toe te passen zijn de afvoercoëfficiënt (Cd), de correctiecoëfficiënt (Cw), de reductiefactor (f) en de effectieve kruinhoogte nodig, die zijn afgeleid uit de onderzoeksresultaten. Methode 3 betreft de modellering van de cascade als ruw vlak met een bodem ‘over de toppen’ van de cascade, waar een Chézy waarde en corresponderende Mannings’ n voor zijn afgeleid. In de analyses zijn de berekende Qh-relaties vergeleken met de gemeten Qh-relaties. In het onderstaande worden de onderzoeksvragen herhaald en worden conclusies getrokken die betrekking hebben op de prototypewaarden en op de situatie zoals met behulp van het schaalexperiment is bestudeerd. 1 Hoe zien de Qh-relaties eruit van een cascade vistrap, enkele rechte drempel en een enkele V-vormige drempel, bij verschillende benedenstroomse waterstanden en een afvoerbereik van 5%-250% Qmg? De Qh-relaties voor de drie ontwerpen zijn weergeven in de Figuren tien t/m twaalf. 2 Hoe verschilt de Qh-relatie tussen de cascade vistrap, een enkele rechte drempel en een enkele V-vormige drempel? De opstuwende werking van een cascade vistrap is groter dan die voor een enkele rechte drempel, maar kleiner dan voor een V-vormig drempel zoals die in het laboratorium is gemeten (Figuur 15 t/m Figuur 19). De extra opstuwing van de V-vormige drempel t.o.v. een rechte enkele drempel, kan bij 2.5x maatgevende afvoer 48 cm bedragen (bij een lage benedenstroomse waterstand zoals gemeten in het laboratorium). Echter wanneer de verdrinkingsraad hoog is, dan is de extra opstuwende werking een aanzienlijk stuk lager (5 cm). De extra opstuwing van een cascade vistrap t.o.v. een rechte enkele drempel kan bij 2.5x maatgevende afvoer 41 cm bedragen (bij een lage benedenstroomse waterstand zoals gemeten in het laboratorium), maar is aanzienlijk kleiner bij een hoge verdrinkingsgraad (6 cm). Een cascade vistrap heeft een grotere opstuwende werking dan een enkele rechte drempel, omdat bij een vistrap sprake is van een ruw oppervlak met een bepaalde lengte, terwijl een

33


enkele drempel slechts één object is in de stroming. Een V-vormige vistrap zorgt voor meer opstuwing omdat ook laterale contractie een rol speelt en de gemiddelde waterdiepte over het object kleiner is dan bij een rechte constructie. 3 Wat is de invloed van de bodemhelling (helling 1/1000) op de Qh-relaties? Een bodemhelling van 1/1000 heeft slechts een beperkte invloed op de Qh-relatie, als deze wordt vergeleken met een horizontale bodem. Dit komt omdat deze geringe toename in de helling niet leidt tot een significant hoge stroomsnelheid over de vistrap of enkele drempels. 4 Welke parameters (zoals in SOBEK worden toegepast) kunnen gebruikt worden om de drie ontwerpen te simuleren? En wat is de Manning’s n en Chezy coëfficiënt van het onderzochte cascade vistrap, zodat deze kan worden toegepast in SOBEK? De onderzochte cascade vistrap met 8 trappen kan in SOBEK gemodelleerd worden door middel van de universial weir methode en de river weir methode. De afvoer coëfficiënt (Cd) voor de universal weir methode is 1.006 en de correctie coëfficiënt (Cw) voor de river weir methode 1.011. Uit het onderzoek blijkt dat de beste resultaten worden verkregen door de vistrap als een ruw oppervlak te beschouwen met een bodem die de bovenkant van de drempels volgt en met een Manning’s n van 0.05 s/m1/3 of Chezy coëfficiënt van 15 m1/2/s. De onderzochte enkele rechte drempel heeft een Cd waarde van 1.45 (universal weir methode) en 1.53 (river weir methode). De onderzochte V-vormige drempel heeft een Cd waarde van 1.30 (universal weir methode). 5 Wat is een geschikte kruinhoogte? Aangezien de keuze voor een kruinhoogte van grote invloed is op de gebruikte overlaat formules. Wanneer de cascade vistrap met 8 trappen wordt gemodelleerd met de universal weir of river weir methode dan ligt de effectieve kruinhoogte boven de gemiddelde kruinhoogte. De effectieve kruinhoogte bleek op ongeveer het niveau van de hoogste toppen van de kruin te liggen (Figuur 20).

34


Referenties SOBEK- manual; online versie; 2.12.002. Yalin, M.S. (1971); Theory of Hydraulic Models; MacMillan Press, London, England.

35


36


BIJLAGE 1

ONTWERP BIJLAGE 1. ONTWERP Cascade vistrap BIJLAGE 1. ONTWERP

Cascade Cascade vistrap vistrap Cascade vistrap

Cascade vistrap Cascade vistrap

37 39 39


Enkele rechte drempel

Enkele rechte drempel

Enkelerechte rechtedrempel drempel Enkele

Enkele rechte drempel Enkele rechte drempel

40 40

38


V-vormige drempel

V-vormige drempel

V-vormigedrempel drempel V-vormige

V-vormige drempel V-vormige drempel

41

41

39


40


BIJLAGE 2

MEETPLAN

BIJLAGE 2. MEETPLAN

41

42


42

43


BIJLAGE 3

Qh-RELATIES PROTOTYPE WAARDEN BIJLAGE 3 Qh-RELATIES PROTOTYPE WAARDEN.

43

44


44

45


46

45


46

47


BIJLAGE 4

WATERSTANDSPROFIEL OVER CONSTRUCTIE, VOOR 12 DEBIETEN (1-120 L/S) EN 5 BENEDENSTROOMSE SCHUIFHOOGTES

47

BIJLAGE 4. WATERSTANDSPROFIEL IN OVER CONSTRUCTIE, VOOR 12 DEBIETEN (1-120 L/S) EN BENEDENSTROOMSE SCHUIFHOOGTES. STOWA5 2011-22 HYDRAULISCH FUNCTIONEREN VISPASSEERBARE CASCADES

48

48


49

49


50

50


51

51


52

52


53

53


54

54


55

55


56


BIJLAGE 5

METHODE VOOR DE OMZETTING VAN PROTOTYPE WAARDEN NAAR BIJLAGE 5. METHODE VOOR DE OMZETTING VAN PROTOTYPE WAARDEN NAAR

BIJLAGE 5. METHODE VOOR DE OMZETTING VAN PROTOTYPE WAARDEN NAAR MODELWAARDE EN OMGEKEERD. BIJLAGE 5. METHODE VOOR DE OMZETTING VAN PROTOTYPE WAARDEN NAAR MODELWAARDE EN OMGEKEERD. BIJLAGE 5. METHODE VOOR DE OMZETTING VAN PROTOTYPE WAARDEN NAAR MODELWAARDE EN OMGEKEERD. MODELWAARDE EN OMGEKEERD. Hieronder is uitgewerkt waarom de Chézy coëfficiënt in het model en prototype gelijk zijn en Hieronder is uitgewerkt de Chézyworden coëfficiënt in hydraulische het model en prototype gelijk zijn en Manning’s n niet. Hierbij waarom moet opgemerkt dat de R, is vervangen Hieronder is uitgewerkt waarom de Chézy coëfficiënt in het model enruwheid prototype gelijk zijn en Hieronder isis waarom de de Chézy coëfficiënt in en prototype gelijkglad zijn Manning’s n uitgewerkt niet. Hierbij moet de opgemerkt worden dathet de hydraulische R, is vervangen Hieronder uitgewerkt waarom Chézy coëfficiënt inmodel het model enruwheid prototype gelijk zijndus en door de waterdiepte d, omdat wanden van de stroomgoot verwaarloosbaar zijn en Manning’s n niet. Hierbij moet opgemerkt worden dat de hydraulische ruwheid R, is vervangen en Manning’s n niet. Hierbij moet opgemerkt worden dat de hydraulische ruwheid R, is ver door de waterdiepte d, omdat de wanden van de stroomgoot verwaarloosbaar glad zijn en dus Manning’s n niet. Hierbij moet opgemerkt worden dat de hydraulische ruwheid R, is vervangen de breedte dimensie d, geen rol speelt. De gebruikte symbolen zijn terug te vinden in de door de waterdiepte omdat de wanden van de stroomgoot verwaarloosbaar glad zijnlijst en met dus vangen de waterdiepte d, deDe wanden de stroomgoot verwaarloosbaar glad de breedte dimensie geen rolomdat speelt. gebruikte symbolen zijn terug te vinden in de door dedoor waterdiepte d, omdat de wanden van van de stroomgoot verwaarloosbaar glad zijnlijst en met dus symbolen. de breedte dimensie geen rol speelt. De gebruikte symbolen zijn terug te vinden in de lijst met symbolen. zijnbreedte en dus de breedte dimensie geen rol De speelt. De gebruikte symbolen zijn terug te vinden de dimensie geen rol speelt. gebruikte symbolen zijn terug te vinden in de lijst met symbolen. Chézy vergelijking symbolen. in de lijst met symbolen.

MODELWAARDE EN OMGEKEERD

Chézy vergelijking Chézy vergelijking Chézy Chézy vergelijking vergelijking    

Froude schaalregel uitgedrukt in schaalfactoren (N). Froude schaalregel uitgedrukt in schaalfactoren (N). Froude schaalregel uitgedrukt in schaalfactoren (N). Froude schaalregel schaalregel uitgedrukt schaalfactoren(N). (N). Froude uitgedrukt ininschaalfactoren

Chézy vergelijking uitgedrukt in schaalfactoren (N) en gecombineerd met de Froude-schaalregel. Chézy Chézy vergelijking vergelijkinguitgedrukt uitgedruktininschaalfactoren schaalfactoren(N) (N)en engecombineerd gecombineerdmet de Froude-schaalregel. Chézy vergelijking uitgedrukt in schaalfactoren (N) en gecombineerd met de Froude-schaalregel. Chézy uitgedrukt in schaalfactoren (N) en gecombineerd met de Froude-schaalregel. met devergelijking Froude-schaalregel.

Manning’s vergelijking Manning’svergelijking vergelijking Manning’s Manning’s vergelijking Manning’s vergelijking    

Manning’svergelijking vergelijkinguitgedrukt uitgedrukt schaalfactoren gecombineerdmet metdedeFroude-schaalregel. FroudeManning’s in in schaalfactoren (N)(N)enengecombineerd schaalregel. Manning’s vergelijking uitgedrukt in schaalfactoren (N) en gecombineerd met de Froude-schaalregel. Manning’s vergelijking uitgedrukt in schaalfactoren (N) en gecombineerd met de Froude-schaalregel. Manning’s vergelijking uitgedrukt in schaalfactoren (N) en gecombineerd met de Froude-schaalregel.

57


58

HYDRAULISCH FUNCTIONEREN VISPASSEERBARE CASCADES

Recommend Documents