Natuurlijk(er) Markermeer IJmeer Initiële bureaustudie slib 2010 Deel II: Verdiepingen

Transcriptie

1 Natuurlijk(er) Markermeer IJmeer Initiële bureaustudie slib 2010 Deel II: Verdiepingen RWS Dienst IJsselmeergebied 31 augustus 2010 update september 2015 Definitief rapport 9V6742.A5

2 HASKONINGDHV NEDERLAND B.V. RIVERS, DELTAS & COASTS Jonkerbosplein 52 Postbus AD Nijmegen (088) Telefoon (024) Fax Internet KvK Documenttitel Natuurlijk(er) Markermeer IJmeer Initiële bureaustudie slib 2010 Deel II: Verdiepingen Verkorte documenttitel Status Definitief rapport Datum 31 augustus 2010 update september 2015 Projectnaam Natuurlijk(er) Markermeer IJmeer Projectnummer 9V6742.A5 Opdrachtgever RWS Dienst IJsselmeergebied Referentie Auteur(s) Collegiale toets Thomas Vijverberg, Klaas Pieter Visser Petra Dankers / Gert Jan Akkerman Datum/paraaf 31 augustus 2010 Vrijgegeven door Roelof Moll Datum/paraaf 31 augustus 2010

3 INHOUDSOPGAVE Blz. 1 INLEIDING Kader en achtergrond Probleemstelling en doel Visie TMIJ Verdiepingen Leeswijzer 4 2 VORMGEVING VERDIEPINGEN EN WERKINGSPRINCIPE Inleiding Vormgeving Langwerpige put Halterput Ronde put Lange vaargeul Oervallei Werkingsprincipe van verdiepingen Stroming Golven Slibtransport 13 3 EFFECT VAN VERDIEPINGEN Inleiding Resultaten eerder uitgevoerde (model)studies Rijkswaterstaat december Royal Haskoning Januari WL Delft Hydraulics - December Afstudeeronderzoek Thomas Vijverberg mei Deltares - December Deltares Juli BESTAANDE VERDIEPINGEN Inleiding Overzicht bestaande verdiepingen Proefputten A en B Vaargeul Amsterdam Lemmer IJmeer put Van belang zijnde parameters 34 5 REFERENTIES 35 BIJLAGEN 1. Studie Rijkswaterstaat Resultaten Delft3D berekeningen december Resultaten Delft3D berekeningen december Resultaten Delft3D berekeningen juli i - Definitief rapport 31 augustus 2010 update september 2015

4 1 INLEIDING 1.1 Kader en achtergrond Deze initiële bureaustudie naar de werking van Verdiepingen is onderdeel van het project Natuurlijk(er) Markermeer IJmeer (NMIJ). NMIJ is op haar beurt onderdeel van het Programma Randstad Urgent (PRU). Eén van de thema s binnen PRU is gericht op de realisatie van een aantrekkelijk woon-, werk-, en leefklimaat. Binnen dit thema wordt het project Toekomstagenda Markermeer IJmeer (TMIJ) uitgevoerd. In TMIJ-verband is het Ontwikkelingsperspectief investeren in Markermeer en IJmeer opgesteld, waarin is aangegeven dat geïnvesteerd moet worden in maatregelen voor de ontwikkeling van een robuust en duurzaam functionerend watersysteem, zodat ruimte kan ontstaan voor de ontwikkeling van andere functies. Het NMIJ project, als verdere uitwerking van het TMIJ, wordt uitgevoerd door Royal HaskoningDHV en Deltares in opdracht van Rijkswaterstaat Dienst IJsselmeergebied. Dit project moet uitwijzen welke investeringen in natuurontwikkeling het meest kansrijk zijn voor het realiseren van een robuust ecologisch systeem en een klimaatbestendig watersysteem in het Markermeer en IJmeer. Voor het NMIJ project zijn drie hoofddoelen geïdentificeerd: verminderen van het slibgehalte; vergroten van de habitatdiversiteit en hydrodynamiek; verbinden van watersystemen en verbinden van binnen- en buitendijks gebied. Binnen het NMIJ project zijn 11 typen maatregelen benoemd welke mogelijk tot het bereiken van de hoofddoelen kunnen leiden (overeenkomstig het Definitief programma NMIJ). De 11 maatregelen zijn hierna per hoofddoel/ thema aangegeven: Verminderen slibgehalte: S-A Aanbrengen van luwtestructuren; S-B Aanbrengen van verdiepingen; S-C Afdekken van slib. Vergroten habitatdiversiteit en hydrodynamiek: H-A Inrichten van grootschalige land- waterzone/moeras; H-B Aanleggen van een vooroever Lepelaarsplassen; H-C Creëren van heldere en ondiepe zones; H-D Vergroten van de dynamiek (seizoensgebonden peil). Verbinden van systemen: V-A Versterken van de ecologische verbindingen binnen- en buitendijks; V-B Aanleggen van ecologische verbindingen voor vismigratie; V-C Semi-open verbinding tussen Markermeer en IJsselmeer via de Houtribdijk; V-D Visstandbeheer. In het NMIJ project zullen bovenstaande maatregelen nader onderzocht worden. Het is de bedoeling dat bij afronding van het project in 2015, op grond van een integraal advies, onderbouwde keuzes kunnen worden gemaakt voor de inrichting van een veerkrachtig en robuust ecosysteem.. Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

5 De voorliggende initiële bureaustudie is onderdeel van het hoofddoel Verminderen slibgehalte en richt zich op de maatregel Verdiepingen. Initiële bureaustudies naar de overige maatregelen om het slibgehalte te verminderen, het aanbrengen van verdiepingen en het afdekken van slib, zijn in afzonderlijke rapportages vastgelegd. 1.2 Probleemstelling en doel Sinds de bouw van de Afsluitdijk is het IJsselmeergebied veranderd van een zoutwatergebied naar een zoetwaterbinnenmeer. Vervolgens heeft de afsluiting van het Markermeer tot gevolg gehad dat de slibconcentraties in het water zijn toegenomen terwijl dit in het resterende IJsselmeer veel minder het geval is. Een groot verschil tussen het Markermeer en IJsselmeer is dat het IJsselmeer dieper is (en daardoor minder last heeft van golfwerking op de bodem) en dat de bodemopbouw verschilt: het IJsselmeer heeft voornamelijk een zandige bodem terwijl de bodem van het Markermeer grotendeels bestaat uit zeeklei, afgezet ten tijde van de Zuiderzee. Deze zeekleibodem, en dan voornamelijk het bovenste laagje, komt gemakkelijk in beweging onder de invloed van stroming en golven. Dit heeft tot gevolg dat het meer in zijn huidige staat bijna altijd troebel is en dat het doorzicht beperkt is. Het doel van de slibmaatregelen binnen het NMIJ project is het verminderen van de slibconcentratie in het water en het verbeteren van het doorzicht. Verdiepingen zorgen voor een afname van de stroomsnelheid. Hierdoor kan fijn materiaal gemakkelijker bezinken. Materiaal dat eenmaal is ingevangen in een verdieping wordt ook veel minder gemakkelijk opnieuw in suspensie gebracht aangezien de opwervelende werking van golven minder sterk is. Daarnaast kunnen verdiepingen een eventueel aanwezige dichtheidsstroom over de bodem invangen. Het doel van deze initiële bureaustudie is inzicht te krijgen in de huidige stand van zaken met betrekking tot de kennis van het effect van Verdiepingen op de slibconcentraties en doorzichtcondities, zowel lokaal bij de Verdiepingen zelf als ook op grotere afstand. Hiertoe worden in dit rapport de relevante fenomenen beschreven en is bestaande literatuur geïnventariseerd, inclusief recente modelstudies. 1.3 Visie TMIJ Verdiepingen Zoals eerder aangegeven valt het NMIJ project onder TMIJ. In een eerdere fase zijn Verdiepingen binnen TMIJ enerzijds aangegeven ter winning van bodemmateriaal voor de benodigde andere structuren (zoals moeras) en anderzijds als structuren die als slibvang kunnen dienen, waardoor het doorzicht kan worden verbeterd. Het rapport is sterk ingestoken vanuit een ecologisch, economisch en recreatief perspectief en gaat niet zozeer in op de technische uitwerking. Verdiepingen zijn in de TMIJ visie in het midden van het Markermeer geplaatst (zie figuur 1.1). Verder is het toekomstbeeld geen formeel plan. In het plan wordt hierover opgemerkt: Dit Toekomstbeeld is het resultaat van een verkenning en is geen formeel ruimtelijk plan. Er worden geen onomkeerbare keuzes in gemaakt. Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

6 Dit Toekomstbeeld geeft de stand van zaken weer in de zomer van De nieuw opgedane kennis ondersteunt en nuanceert de aannames van het Ontwikkelingsperspectief en, zeker zo belangrijk, gemeenten en andere lokale partijen hebben meer zicht gekregen op wat de maatregelen beogen en voor hen kunnen betekenen. Het Toekomstbeeld kan op een stevig regionaal draagvlak rekenen. Op hoofdlijnen bestaat grote overeenstemming. Figuur 1.1: Diverse maatregelen, zoals geïdentificeerd in TMIJ (Samenwerkingsverband Toekomstagenda Markermeer IJmeer (2009)) Qua randvoorwaarden zijn de volgende bemerkingen uit TMIJ van belang. Snoekbaars, baars en paling zijn voorbeelden van vissoorten die zich bij voorkeur buiten het zonlicht ophouden. Zij zullen vooral in het relatief diepe oostelijke gedeelte van het Markermeer zwemmen. Daar blijft het water troebel, in tegenstelling tot deondiepere delen in de Hoornsche Hop en andere delen van de westkust. Met behulp van verschillende maatregelen, waaronder een diepe put of geul centraal in het Markermeer, zal er een geleidelijke overgang ontstaan van helder water naar troebel water. In die overgangszones kunnen prooivissen zich verschuilen voor visetende vogels. Baggeraars zullen in de meren actief zijn om de vaargeulen op diepte te brengen en te houden, voor de aanleg van ontgrondings- en slibputten en andere grondwerkzaamheden. Het kan economische voordelen hebben om zand uit het Markermeer te benutten voor de bouwopgave en de infrastructuur in de directe omgeving en om de boven het zand liggende grondlaag te gebruiken voor de landwaterovergangen in het ecologische systeem. Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

7 Deze visie is binnen NMIJ overgenomen en wordt als leidraad bij de verdere uitwerking gebruikt. 1.4 Leeswijzer Na de voorafgaande inleiding gaat dit rapport in hoofdstuk 2 in op de recente kennis ten aanzien van de vormgeving van Verdiepingen en het werkingsprincipe ervan bij stroming en golven en wordt ingegaan op het proces van sedimentatie van de Verdiepingen. Een verdere kwantificering van deze processen is gepresenteerd in hoofdstuk 3, waarin de effecten meer in detail worden besproken aan de hand van recent uitgevoerde onderzoeken. Vervolgens wordt in hoofdstuk 4 een overzicht gegeven van de hoedanigheid van de bestaande of bestaand hebbende Verdiepingen. Opgemerkt wordt dat eventueel onderzoek aan bestaande constructies, voor zover relevant, al bij hoofdstuk 3 is behandeld. In de bijlagen zijn details van interessante onderzoeksuitkomsten vermeld van de onderzoeken die in hoofdstuk 3 worden beschreven. Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

8 2 VORMGEVING VERDIEPINGEN EN WERKINGSPRINCIPE 2.1 Inleiding In dit hoofdstuk wordt ingegaan op de verschillende vormen van verdiepingen en op het werkingsprincipe van de verdiepingen. Het gaat daarbij om de beïnvloeding van stroming en golven nabij de verdiepingen en om de effecten op het slibtransport. Bij slibtransport gaat het om het uitzakken en om de dichtheidsstroming naar de verdiepingen toe. In dit hoofdstuk worden de effecten kwalitatief beschreven. In hoofdstuk 3 worden de effecten verder gekwantificeerd. 2.2 Vormgeving Verdiepingen kunnen verschillende vormen hebben. Verdiepingen die als een slibvangput / zandwinput worden aangelegd zullen voornamelijk diep zijn (de zandlagen in het Markermeer zitten diep onder de kleilagen) en rond of rechthoekig van vorm met natuurlijk gevormde taluds. Vaargeulen zijn daarentegen minder diep dan zandwinputten en zijn langgerekter Langwerpige put In Transparante Markermeren (Witteveen + Bos, 2004) is een ontwerp gemaakt van een slibvangput in het Markermeer, die ook als zandwinput kan dienen. In figuur 2.1 is dit ontwerp weergegeven. Figuur 2.1: Ontwerp van een slibvangput in Transparante Markermeren (Witteveen + Bos, 2004) De karakteristieken van dit specifieke ontwerp zijn: Oppervlak: 80 ha Lengte: 2000 m Breedte: 400 m Talud: 1:4 1:10 Maximale diepte: bodem op -50 m Gemiddelde zandopbrengst : ca 9 x 10 6 m 3 Gemiddelde grondopbrengst : ca 6 x 10 6 m 3 Oriëntatie: afhankelijk van dominante windrichting Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

9 2.2.2 Halterput Potentiële locaties: instroom IJssel, Vecht en Grift en in het Markermeer De put in het ontwerp is diep om er voldoende zand uit te kunnen halen. Dit is ook het geval met de bestaande diepe zandwinput in het IJmeer, welke meer dan 30 m diep is. De lengterichting van de put kan loodrecht of parallel aan de overheersende windrichting worden geplaatst. Dit heeft effect op de mate van stroming en aanslibbing in de verdieping. In paragraaf 2.3 wordt hier nader op ingegaan. Figuur 2.2: Vorm van een Halterput (Vijverberg en Boderie, 2008) De Halterput is een theoretische vorm van een put (nog niet aangelegd, zie figuur 2.2) die is doorgerekend met het slibmodel (Vijverberg en Boderie, 2008). Het voordeel van een Halterput is dat deze voor verschillende windrichtingen de stroming aanzuigt en voor alle windrichtingen goed kan functioneren Ronde put Ronde putten zijn in een eerder stadium aangelegd in het Markermeer, zoals bij de proefputten A en B, zie figuur 2.3. Het voordeel van ronde putten ligt voornamelijk in de aanleg: er wordt in principe op één vaste locatie gebaggerd, en de put vormt zich dan vanzelf door taludwerking. Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

10 Figuur 2.3: Ronde proefputten (Van den Brenk, 2002) Lange vaargeul De huidige vaargeul Amsterdam Lemmerb (figuur 2.4) is een zeer langgerekte verdieping. De vaargeul is minder breed en minder diep dan de zandwinputten. Daarentegen strekt een vaargeul zich wel uit over de volle lengte van het Markermeer. Hierdoor kan een dergelijke geul een significant effect hebben op het slibtransport in het Markermeer Oervallei Figuur 2.4: Vorm van de huidige vaargeul Amsterdam Lemmer (Vijverberg en Boderie, 2008) De oervallei is een theoretische vorm van een lange brede vaargeul door het Markermeer vanaf de Blocq van Kuffeler naar Enkhuizen (30 km lang, 500 m breed en 15 m verdiept, figuur 2.5). Deze vorm is doorgerekend met het slibmodel om een eerste indruk te krijgen van de effecten van een dergelijke forse globale ingreep in het systeem (Genseberger en Boderie, 2009). Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

11 Figuur 2.5: Ontwerp van de oervallei, zoals doorgerekend in het Delft3D model (Genseberger en Boderie, 2009) 2.3 Werkingsprincipe van verdiepingen Stroming Verdiepingen hebben invloed op het stroombeeld rondom de verdieping. Verdiepingen met beperkte lengte en breedte in vergelijking met de totale schaal van het Markermeer zullen geen significant effect hebben op de grootschalige stromingen in het meer, alleen lokaal rond de verdieping. Grootschaliger verdiepingen, bijvoorbeeld een diepe lange vaargeul, kunnen wél effect op de grootschalige circulatie hebben. De volgende parameters beïnvloeden het stromingspatroon: Dimensies van de verdiepingen (vorm, lengte, breedte, diepte en taludhelling); Grootte van de stroomsnelheid tengevolge van variabele windkracht/richting; Bodemprofiel rondom de verdieping; De hoek die de stroming heeft met de lengterichting van de verdieping. Bij dit laatste punt kan voor een langwerpige verdieping onderscheid worden gemaakt tussen een verdieping die in de lengterichting parallel aan, loodrecht op, of onder een hoek op de stroming ligt. Parallel Figuur 2.6 laat de situatie zien bij een stroming parallel aan de lengterichting van de verdieping. Boven de verdieping neemt de dieptegemiddelde stroomsnelheid toe ten opzichte van buiten de verdieping. Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

12 Dit komt doordat de waterstandsgradiënt in lengterichting niet verandert, maar de waterdiepte wel. De stroming is, globaal genomen, recht evenredig met de wortel van de waterdiepte. Dus als de waterdiepte toeneemt, neemt de stroming toe. De stroomsnelheid in de verdieping kan worden berekend met (Van Rijn, 2005), U 1 C 1 U 0 C 0 h h 1 0 Hierin staat 1 voor de locatie in de verdieping en 0 er buiten, U is de stroomsnelheid (m/s), C de ruwheidswaarde (Chezy-coefficiënt) en h de waterdiepte (m). De toename van de stroomsnelheid treedt echter niet op als de lengte van de verdieping klein is ten opzichte van de breedte (L < 2W), omdat de stroming voldoende lengte moet hebben om zich te kunnen ontwikkelen. Bij de overgangen naar en vanaf de verdieping treedt stromingscontractie en - divergentie op. Deze verstoring zorgt voor een toename en afname van de stroming aan de rand van de verdieping. De toename van de stroomsnelheid bij deze overgangen kan belangrijk zijn voor het slibtransport rondom de verdieping (bijvoorbeeld voor opwoeling van sediment). Effecten hiervan zijn te zien in de modelberekeningen die beschreven worden in hoofdstuk 3. Figuur 2.6: Stroming parallel aan de lengterichting van een verdieping (Van Rijn, 2005) Loodrecht De situatie bij stroming loodrecht op de put is weergegeven in figuur 2.7. In deze situatie neemt de dieptegemiddelde stroomsnelheid af van buiten naar binnen de verdieping. Dit kan worden verklaard uit de continuïteit. Het debiet buiten en binnen de verdieping is hetzelfde. Door de vergroting van de dwarsprofiel neemt de dieptegemiddelde stroomsnelheid evenredig af. Deze snelheid is af te leiden uit (Van Rijn, 2005). U U 1 0 h h 0 1 Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

13 Figuur 2.7: Stroming loodrecht op de lengterichting van een verdieping (Van Rijn, 2005) Als de taluds van de verdieping steil zijn, 1:5 of steiler, kan stroomloslating plaatsvinden aan de bovenstroomse zijde van de verdieping. Deze loslating zorgt voor neren en energieverlies. De stroomsnelheden aan het wateroppervlak worden nauwelijks beïnvloed door de verdieping. Hoek In de meeste gevallen zal de stroming een willekeurige hoek maken met de lengterichting van de verdieping. In deze situatie zullen beide bovengenoemde processen tegelijk optreden. Dit resulteert in refractie van de stroomlijnen, zoals weergegeven in figuur 2.8. Refractie wordt veroorzaakt door een gedeeltelijke afname van de stroomsnelheid in loodrechte richting en een gedeeltelijke toename in parallelle richting. Figuur 2.8: Stroming onder een hoek met de lengterichting van de verdieping. Links (Jenssen, 1999a), rechts (Van Rijn, 2005) De volgende relatie is geldig langs een stroombaan met een breedte b (m) (Jenssen, 1999a), Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

14 U1 U 0 b b 0 1 h h 0 1 De refractie aan de bodem is sterker dan aan het wateroppervlak, omdat de snelheid lager is aan de bodem. De resulterende dieptegemiddelde snelheid kan berekend worden met (Van Rijn, 2005), h 2 C 2 h U 1 U 0 sin 0 cos 0, met de richting, h1 C0 h0 cot 1.5 C h 1 cot C0 h De bovengenoemde stromingseffecten zijn algemeen geldend. In de situatie van het Markermeer is de stroming windgedreven. Dit geeft een neveneffect op de stroming rondom verdiepingen, zoals weergegeven in figuur 2.9. Figuur 2.9: Windgedreven stroming rondom een verdieping in het Markermeer (Witteveen + Bos, 2004) In figuur 2.9 is de windrichting parallel aan de lengterichting van de verdieping. In het ondiepe gedeelte naast de verdieping is de stroming met de windrichting mee. In de verdieping is echter een sterkte stroming aan de bodem gegenereerd tegen de windrichting in. Aan het wateroppervlak is de stroming wel met de wind mee, maar omdat de terugstroming aan de bodem sterk is, zal de netto stroming tegen de wind in zijn. Dit betekent dat de verdieping de stroming aantrekt. Deze aantrekking is belangrijk voor de werking van de verdieping als een slibvang. Van invloed hierop is dus de oriëntatie van de verdieping ten opzichte van de gemiddelde stroming. Als deze oriëntatie parallel is (figuur 2.10a) zal de verdieping stroming aantrekken, bij loodrechte oriëntatie niet (figuur 2.10b). Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

15 Figuur 2.10: 2 situaties met een verdieping (donkerblauw) in het Markermeer. Stroming (rode pijl) parallel (links) en stroming loodrecht (rechts) (Vijverberg, 2008). De kleurenschaal laat de bodemhoogte zien in m (t.o.v. NAP) Golven Analoog aan de stroming kunnen golven de verdieping parallel, loodrecht en onder een hoek naderen. In de meeste gevallen zullen de golven onder een hoek de verdieping bereiken. Figuur 2.11 geeft de verschillende effecten weer als golven een verdieping onder een hoek naderen. Golven met een kleine hoek van inval zullen worden gereflecteerd op de helling van de verdieping. Dit betekent een afname van de golfhoogte boven de verdieping. Als de hoek van inval groter is, zullen shoaling en reflectie effecten tegelijk optreden en zal er een verstoord golfveld ontstaan boven de verdieping. Over het algemeen zullen de golven boven een zeer lange verdieping lager worden door de grotere waterdiepte. Figuur 2.11: Golfrichtingen nabij een verdieping (Van Rijn, 2005) Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

16 In eerdere modelstudies werden echter ook grotere golfhoogtes gevonden boven de verdieping (Vijverberg, 2008). Dit kan worden verklaard doordat golven aan de rand van de verdieping naar de verdieping toe worden gebogen en er daardoor golf-focussing plaatsvindt. De golven worden gerefracteerd naar het midden van de verdieping (Figuur 2.12), waardoor de golfhoogte aan de randen toeneemt met 5 tot 10 %. Golf richting Figuur 2.12: Golf-focussing op de rand van een verdieping (Vijverberg, 2008) Slibtransport Verdiepingen hebben invloed op de sedimentconcentratie in en rondom de verdieping. Slib kan op 2 manieren in een verdieping terecht komen: 1. Door uitzakken uit de waterkolom. 2. Door dichtheidsstroming aan de bodem, veroorzaakt door horizontale gradiënten in de dichtheid op de rand van de verdieping. Beide processen zijn in figuur 2.13 weergegeven. Sedimentconcentratie Uitzakken Dichtheidstroming Dichtheidstroming Figuur 2.13: 2 processen van slibinvang in een verdieping (Vijverberg, 2008) Uitzakken Het uitzakkingproces ontstaat door het verlagen van de stroomsnelheid (u) door het vergroten van de diepte. Daardoor treedt onder invloed van de valsnelheid (w s ) van de slibdeeltjes sedimentatie op. Uit figuur 2.14 volgt dat een slibdeeltje dat zich bij het begin van de verdieping aan het wateroppervlak bevindt, nog juist in de put met lengte L en diepte h terecht komt, als, L h u w s Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

17 Figuur 2.14: Schematische werking van een slibvang (De Vriend, 1998) De bodem van de verdieping ligt lager dan de rest van de bodem. Met Q = B.u.h. geeft dit (B=breedte in m, Q=debiet in m 3 /s) een maat voor het maximaal invangen van sediment, Q ws LB Bovengenoemde methode is een gesimplificeerde weergave van de werkelijkheid. Bij deze beschouwing wordt de turbulentie diffusie buiten beschouwing gelaten. In een meer gedetailleerde berekening, dan wel modelstudie wordt dit proces wel meegenomen. Figuur 2.15 laat een resultaat (sediment concentratie) zien van een modelberekening (Vijverberg, 2008). De stroming is van links naar rechts. De kleuren geven de berekende sediment concentratie (op 5 december 2007) weer voor een slibfractie met valsnelheid van 0,8 mm/s. Naar de rechterzijde van de verdieping neemt de concentratie af, doordat het slib in de verdieping zakt. De stroomsnelheid is niet precies bekend. In tegenstelling tot de simpele methode op de vorige pagina, worden turbulentie en diffusie in deze berekening met het model wel meegenomen. Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

18 Stroming U w s Figuur 2.15: Voorbeeld van een modelberekening van een verdieping. Sediment concentratie (kg/m 3 ) nabij een put (Vijverberg, 2008). Dichtheidsstroming De sedimentconcentratie in het water heeft invloed op de dichtheid van het water. Als de concentratie toeneemt, neemt de dichtheid van het water toe. Een horizontaal dichtheidsverschil leidt tot een dichtheidsstroming. Als het dichtheidsverschil groot is, door een groot concentratieverschil, kan dit tot een aanzienlijk transport van slib leiden. In de studie van Vijverberg (2010) is aangetoond dat de sedimentconcentratie aan de bodem van het Markermeer tijdens stormen kan oplopen tot orde 1 g/l (zie figuur 2.16). Figuur 2.16: Sedimentconcentratie in de onderste meter van de waterkolom, gemeten met een Argus Surface Meter in het midden van het Markermeer op 7 dec 2007 (Vijverberg, 2010) Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

19 Op de rand van verdiepingen in het Markermeer kunnen door verschil in sediment concentraties horizontale dichtheidsverschillen optreden. Dit leidt tot dichtheidsstroming en transport naar de verdiepingen toe. De dichtheidsstroming (stroomsnelheid) kan worden berekend met (Vijverberg, 2010): 1 u ds gz 2 Hierin is z de dikte van de laag met hoge concentratie (in het Markermeer typisch 10 cm) en ρ het dichtheidsverschil over de rand van de verdieping. De relatie tussen sediment concentratie en dichtheid wordt gegeven door (Winterwerp, 2004): ( i) w ( S, T ) ( i) S, T, c w( S, T ) 1 c ( i) i s ρw is dichtheid (kg/m 3 ) van water als functie van de temperatuur (T) en de saliniteit (S). ρs is de dichtheid van de slibfractie (i) (kg/m 3 ) en c de sedimentconcentratie in (kg/m 3 ). Figuur 2.17: Dichtheidsstroming (y-as in m/s) als functie van de sedimentconcentratie aan de bodem (x-as in g/l). Blauwe lijn is zonder wrijving, rode lijn is inclusief wrijving (Vijverberg, 2008). In figuur 2.17 is de stroomsnelheid door dichtheidsstroming weergegeven als functie van de sedimentconcentratie vlakbij de bodem. Hierin is te zien dat de dichtheidsstroming een stroming veroorzaakt van maximaal 2 cm/s bij een concentratie van 1 g/l. In vergelijking met de windgedreven stroming (orde 10 tot 20 cm/s) is dit ongeveer 10 tot 20 % en dus zeker niet te verwaarlozen. Mede doordat de slibconcentraties hoog kunnen zijn aan de bodem, kan het slibtransport door dichtheidsstroming aanzienlijk zijn. Bovendien is het slibtransport door dichtheidsstroming bij verdiepingen voortdurend naar de verdieping toe gericht, zodat dit mechanisme een flinke bijdrage kan leveren aan de aanslibbing in de verdiepingen. Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

20 Opgemerkt wordt dat in het slibmodel van Deltares dit mechanisme tot dusverre niet is meegenomen. De berekende aanslibbing in het model kan daarmee lager zijn dan in werkelijkheid kan optreden. Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

21 3 EFFECT VAN VERDIEPINGEN 3.1 Inleiding In dit hoofdstuk worden de kwantitatieve effecten van verdiepingen behandeld op basis van eerder uitgevoerde (model)studies. Hierbij is alleen rekening gehouden met studies van de afgelopen jaren. Deze studies bevatten de meest recente kennis van de hydrodynamica en slibdynamiek in het Markermeer. Oudere studies zijn mogelijk interessant om het kennisproces te bestuderen, maar het interpreteren van de resultaten kan wellicht achterhaald of misleidend zijn, omdat de kennis toen minder toereikend was. De resultaten uit de recente studies zijn hier en daar letterlijk overgenomen in dit rapport. Hierdoor wordt een zo objectief mogelijk beeld gepresenteerd van de effecten van verdiepingen op basis van de eerdere studies. 3.2 Resultaten eerder uitgevoerde (model)studies Rijkswaterstaat december 2002 Rijkswaterstaat heeft in december 2002 (Van den Brenk, 2002) een studie uitgevoerd met als doel het ontwikkelen van een effectieve baggerstrategie in het Markermeer. Met de strategie kan worden bepaald hoe snel de vaargeulen aanslibben, wat de oorzaak is en wanneer er gebaggerd moet worden. Om een uitspraak te doen over deze baggerstrategie zijn in eerste instantie historische lodingsdata gebruikt. Hierbij zijn alleen bodemlodingen gebruikt, dus geen metingen aan sedimentsamenstelling en karakteristieken. Voor de bodempeilingen zijn onder andere metingen in de proefputten A en B gebruikt (zie bijlage 1 voor de locatie van de putten). Over de putten wordt het volgende gezegd: Proefputten A en B in het Markermeer zijn aangelegd in 1984 om nader onderzoek te verrichten over de vraag of het talud van een put van invloed is op de in de put voorkomende stratificatieverschijnselen. Hiervoor zijn de putten cirkelvormig aangelegd met een talud van 1:10 (Put A) en 1:3 (Put B). Hoewel een put en een vaargeul duidelijk verschillen, zijn het beide semi gesloten structuren. Zwevend sediment, dat door invloed van de zwaartekracht wordt afgevangen kan de structuur moeilijk weer verlaten. Het grote verschil tussen een put en een vaargeul wordt gekenmerkt door het feit dat binnen een vaargeul lateraal transport van het sediment wel mogelijk is. De belangrijkste reden om voor deze rapportage de metingen van de genoemde proefputten te gebruiken is het feit dat dit momenteel de enige gebieden zijn waarover een langere periode vergelijkbare meetgegevens beschikbaar zijn. In tabel 3.1 is de gemiddelde diepte van de gedefinieerde vakken (oppervlakte m 2 ) in het centrum van de proefputten door de tijd heen weergegeven. Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

22 Tabel 3.1: Diepte van de beide proefputten in de tijd (Van den Brenk, 2002) Uit bovenstaande resultaten blijkt dat de putten sinds de aanleg in 1984 in een periode van orde 10 jaar vrijwel volledig zijn dichtgeslibd. De snelheid waarmee dit plaatsvond was aanvankelijk rechtlijnig en nam af op het moment dat de diepte van de put ten opzichte van zijn omgeving minder dan 2 meter bedroeg. Figuur 3.1: Diepte van de beide proefputten in de tijd (Van den Brenk, 2002) Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

23 Figuur 3.2: Berekende aanslibsnelheid van de proefputten in de tijd (Van den Brenk, 2002) Om deze relatie tussen de diepte van een put ten opzichte van de omgeving en de sedimentatiesnelheid kwantitatief aan te tonen zijn de gegevens tussen de verschillende meetperioden geïnterpoleerd en is de absolute sedimentatiesnelheid voor de verschillende perioden berekend (figuur 3.2, overgenomen uit Van den Brenk, 2002). Overigens wordt bij deze figuur aangetekend dat niet duidelijk is waarom de sedimentatiesnelheden tussen proefputten A en B zo sterk verschillen, dit verschil is niet te herleiden uit figuur 3.1. Uit figuur 3.1 volgt dat voor beide putten de aanslibsnelheid over 10 jaar (tot 8 m diep) 1.7 (put A) en 1.6 (put B) m/jaar is. In de volgende 10 jaar (putdiepte 6-8 m) zakt de aanslibsnelheid naar 0.25 m/jaar voor beide putten. Figuur 3.2 (afkomstig uit hetzelfde rapport) geeft andere aanslibsnelheden. Vooralsnog wordt echter van deze gegevens uitgegaan. Verder wordt opgemerkt dat het bij deze data niet geheel duidelijk is of er al dan niet in de putten is gestort. Als dit namelijk wel het geval zou zijn, en dit is niet verwerkt in de data, dan klopt de aanslibsnelheid niet. Tijdens een overleg met de heer Ger Peters (RWS-IJG) op 7 mei 2010 bleek dat er in 2000 of 2002 ongeveer m 3 in de putten zou zijn gestort (hiervan is overigens geen documentatie aanwezig). Dit is buiten de meetperiode. Voor zover de heer Peters het zich kon herinneren zou er vóór 2000 niet in de putten zijn gestort. Het lijkt er daarom op dat de metingen correct zijn. Een aanwijzing hiervoor is ook dat, wanneer wél gestort zou zijn, er een zekere sprong in de data zichtbaar zou moeten zijn geweest. Dit is niet het geval. Daarnaast kan ook het inzakken van de randen van de putten een bijdrage hebben geleverd aan de totale sedimentatie in de putten. Uit de data en rapportage kan echter niet worden opgemaakt of dit werkelijk gebeurd is. Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

24 Er zijn ook metingen gedaan in de vaargeul Amsterdam Lemmer. Hieromtrent wordt echter aangegeven dat het op basis van deze metingen niet mogelijk is om uitspraken te doen over aanslibsnelheden, omdat de periode waarover gemeten te kort is en het aantal metingen te gering. Deze metingen worden derhalve in deze bureaustudie niet verder in beschouwing genomen. De aanslibbing in de vaargeul is overigens ook ter sprake gekomen in het gesprek met de heer Peters. Hij gaf aan dat de vaargeul bij aanleg uitgebaggerd is tot een niveau van -30 m en vervolgens is opgevuld tot -8 m (breedte van 200 m) met klei. Vervolgens was binnen een jaar het bodemniveau 1,5 m omhoog gekomen als gevolg van aanslibbing. Uit metingen die zijn gedaan in de vaargeul bleek echter ook dat er verschillende lagen met geconsolideerd materiaal zijn. Onderin (op niveau van -30 m) zit ongeroerd zand. Daarboven ligt slib met variërende dichtheden. Uit metingen met echoloden met verschillende frequenties bleek dat het materiaal met grotere dichtheid hoger in de put aanwezig was. Dit kan duiden op consolidatie van de slappe sliblagen. De aanslibbing van 1,5 m in 1 jaar (afname van de diepte in de put) kan dus niet rechtstreeks gerelateerd worden aan de hoeveelheid materiaal die in de geul terecht is gekomen. Dit kan wel eens veel meer zijn, omdat ook consolidatie is opgetreden. De heer Peters gaf aan te denken dat het inderdaad meer is en dat de aanslibbing niet alleen kan worden verklaard door uitzakken uit de waterkolom. Dichtheidsstroming moet wel een grote rol hebben gespeeld. Goede metingen naar het consolidatiegedrag zijn nooit uitgevoerd, tenminste voor zover bekend bij de heer Peters. De bovengenoemde metingen zijn wel uitgevoerd om hier zicht op te krijgen, maar dat is niet goed gelukt. De Project Manager van IJburg, de heer Wilbert Bolderkamp (Van Oord / Boskalis), heeft deze metingen laten doen. Hier is echter geen rapport van beschikbaar Royal Haskoning Januari 2006 Door Royal Haskoning is in 2006, in samenwerking met WL Delft Hydraulics, een analyse gemaakt van de kennisleemten rondom de slibproblematiek van het Markermeer en is een inventarisatie uitgevoerd van maatregelen om het slibprobleem op te lossen. In die studie wordt ook kort iets gezegd over de aanleg van slibputten (verdiepingen). De aanleg van slibputten is een putgerichte maatregel van tijdelijke aard. Door aanleg van putten wordt lokaal ter plaatse van de put de sedimentatie versterkt en is er geen sprake van erosie ten gevolge van de grote waterdiepte. Wanneer de put groot genoeg is, zal deze een significante hoeveelheid slib uit het systeem onttrekken. Hierdoor zal de slibconcentratie in het water afnemen en zal de helderheid van het meer toenemen. Wel is het zo dat de effectiviteit van de put op termijn afneemt omdat de put dichtslibt. Een verkennende berekening suggereert dat een putoppervlak nodig is van 5 x 5 km om het doorzicht met een factor 2 te verhogen boven de put. Als minimale putdiepte wordt ca. tweemaal de waterdiepte (8 meter) aangehouden om ervoor te zorgen dat er alleen sedimentatie optreedt in de (lege) put en geen erosie. Dergelijke dimensies leiden wel tot een onrealistische hoeveelheid grondverzet in het Markermeer (ca. 200 x 10 6 m 3 ). Kortom: alléén slibputten is geen reële optie voor het realiseren van een verhoging van het doorzicht met een factor 2. Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

25 Slibputten zouden wel ingezet kunnen worden als aanvullende maatregel op Markermeerschaal naast bijvoorbeeld compartimentering. Een deel van het grondverzet voor aanleg van de putten kan gebruikt worden voor aanleg van de eilanden of de kern van de strekdammen. Daarnaast is een mogelijkheid om een deel van het grondverzet te richten op zandwinning in het Markermeer. Daarmee kan een batenkant gecreëerd worden waarmee de kosten van een maatregel deels terugverdiend kunnen worden. De meest aangewezen manier voor realisatie van deze slibputten lijkt de aanleg van een aantal grote putten op strategische locaties in het meer. Omdat de slibconcentratie in het centrale deel van het meer min of meer homogeen verdeeld is, is er wat betreft de maximale slibinvang geen duidelijk optimum aan te wijzen qua locatie. Wel is het zo dat rondom de putten de slibconcentratie direct lager zal worden. Strategische locaties zijn daarmee locaties waar een afname van de slibconcentratie het meest gewenst is WL Delft Hydraulics - December 2007 WL Delft Hydraulics heeft in de jaren 2006/2007 opdracht gekregen van Rijkswaterstaat om een slibmodel te ontwikkelen voor het Markermeer. Met dit model kan een evaluatie van verschillende scenario s aan inrichtingsmaatregelen uitgevoerd worden. De modelontwikkeling is uiteindelijk doorgelopen tot eind In het Deltares rapport (Van Kessel et al, 2008) is de uiteindelijke calibratie van het model vastgelegd. Met eerdere versies van het model zijn al scenarioberekeningen uitgevoerd om de effecten van bepaalde maatregelen te bepalen, zo ook in de studie uit december 2007 (rapport Kuijper (2007)). De versie van het Delft3D model waarmee toen is gerekend is in meer detail beschreven in Hulsbergen (2007). Omdat deze studie is uitgevoerd met een Delft3D versie waarvan het slibmodel nog niet was gekalibreerd kunnen de resultaten afwijken van studies die later hebben plaatsgevonden. In deze paragraaf worden de resultaten van de studie uit 2007 besproken die specifiek te maken hebben verdiepingen. De belangrijkste scenario s verdiepingen zijn in onderstaand figuur 3.3 weergegeven. Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

26 Figuur 3.3: Scenario 3 (grote geul, E) en scenario 4 (Hoornse Trog, F) (Kuijper, 2007) \ De resultaten van de scenario s zijn hierna kort weergegeven (overgenomen uit Kuijper, 2007), waarbij ter toelichting in bijlage 2 de figuren zijn weergegeven. Slibconcentratie Voor scenario 4 leidt De Hoornse trog (F) tot lagere gehaltes zwevend stof bij de getoonde windrichtingen (figuur B2.1), zij het dat de invloed mogelijk gemaskeerd wordt door de aanwezigheid van andere varianten in het berekende scenario. Bij een oostnoordoosten wind wordt een hoger zwevend stof gehalte waargenomen boven de geul. Dit kan het gevolg zijn van het feit dat bij de gekozen sigma-lageninstelling in het model over de verticaal van de waterkolom de toplaag boven een geul dikker is dan in de omliggende gebieden, waardoor het langer duurt voordat het zwevend stof uitzakt naar dieper gelegen modellagen. Het effect van de grote geul (E) op het zwevend stof gehalte (figuur B2.2) kan bepaald worden door scenario 5 en 6 te vergelijken. De bij scenario 5 en 6 horende figuren laten zien dat bij westenwind de geul een aanzuigwerkende werking heeft op de stroming. Wat in feite gebeurt, is dat het water dat aan de Houtribdijk wordt opgestuwd terugstroomt naar de andere kant van het meer via de weg van de minste weerstand, in dit geval via de uitgebaggerde en verbrede geul. Dit gaat gepaard met hogere zwevend stof gehaltes in het IJmeer. Onder noordwestenwind, waarbij de geul dwars op de wind ligt, zien we dat het zwevend stof gehalte afneemt in vergelijking tot het omliggende gebied aan weerszijden van de geul. Dit komt doordat er enerzijds minder van de dieper gelegen bodem wordt opgewoeld en anderzijds omdat de hoeveelheid zwevend stof die vanaf de noordflank over de geul stroomt in het model door een groter volume wordt gedeeld. Dit leidt tot een verlaging van de concentraties in de bovenlaag van de waterkolom. Dit laatste is dus een gevolg van de wijze van modelleren. Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

27 In de figuren is ook te zien dat de circulatie in het meer beïnvloed wordt door een samenspel van de Markerbaai en het moeras, vanwege het grote ruimtebeslag van deze maatregelen. Aanslibbing Ook is er sprake van aanslibbing in de uiteinden van de Hoornse Trog of de Oostvaarders Kil en de oergeul in het moeras nabij de Houtribdijk en aan de Markermeerzijde van de compartimenteringsdam. De oorzaak van deze netto sedimentatie moet gezocht worden in enerzijds het afnemen van de stroomsnelheid in de genoemde gebieden met een grotere sedimentatieflux als gevolg en anderzijds een geringere bodemschuifspanning wat leidt tot een relatief lagere resuspensie. Figuur B2.4 toont de situatie voor Scenario 1, 3 en 4 op 31 december 2006 waarbij de modelbodem in een dynamische evenwichtsituatie verkeert. Netto aanslibbing vindt vooral plaats in de uiteinden van de geulen (Scenario 3 en Scenario 4). In Scenario 3 is bovendien te zien dat het midden van de geul ogenschijnlijk erodeert (blauwe kleur). Hier geldt waarschijnlijk dat er in de situatie waarbij de geul uitgebaggerd en verbreed is er in de desbetreffende gridcel minder sedimenteert dan in de uitgangssituatie bij een veel smallere bestaande geul. Het is dus niet zozeer een gevolg van netto erosie als wel van minder sedimentatie ten opzichte van het baseline scenario. De netto aanslibbing die optreedt in de toplaag van de bodem heeft een bepaalde dikte. Deze laagdikte kan bepaald worden door de massa aanslibbing per vierkante meter te delen door de dichtheid van het gesedimenteerde materiaal. Bij een netto sedimentatie van 10 4 g/m 2 en een dichtheid van ongeveer kg/m 3 (dichtheid van ongeconsolideerd materiaal met een hoog watergehalte) bedraagt de laagdikte tussen de 14 en 28 mm. De netto sedimentatie in de onderlaag zal een orde hoger liggen. Deze sedimentatie is uitsluitend het gevolg van het uitzakken van sediment uit de bovenliggende waterkolom. Aan- of afgevoerd sediment door dichtheidstromen wordt niet mee-gemodelleerd. Op grond van deze netto sedimentatiehoeveelheden mag geconcludeerd worden dat de aanslibbing van fluffy materiaal aan de uiteinden van de uitgebaggerde geulen rond de 2 cm op jaarbasis bedraagt en een orde groter is voor het minder snel resuspendeerbare materiaal uit de onderlaag. De gemeten aanslibbing in de bestaande vaargeul en de zandwinputten doet vermoeden dat ook andere transportmechanismen een rol spelen (zie paragraaf ). In de proefputten A en B bleek de aanslibbing namelijk in de eerste 10 jaar orde 2 m per jaar te bedragen. Dit is veel meer dan de aanslibbing die het model berekent. Nader onderzoek moet uitwijzen welke processen in welke mate bijdragen aan de aanslibbing Afstudeeronderzoek Thomas Vijverberg mei 2008 Het afstudeerwerk van Vijverberg (2008) richtte zich voornamelijk op de vraag of een slibvangput een effectieve maatregel is om het slibprobleem aan te pakken. Om deze vraag te beantwoorden is eerst in een hypothese gesteld dat er 2 belangrijke mechanismen zijn om slib te vangen in een put: 1. Uitzakken uit de waterkolom. 2. Dichtheidsstroming naar de put toe. Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

28 Het tweede mechanisme was nog nooit onderzocht, maar er waren wel aanwijzingen dat dit kan optreden in de nabijheid van verdiepingen in het Markermeer. Een verdere vraag was wat het dominante mechanisme is bij sedimentatie van de put: het uitzakken of de dichtheidsstroming. Om dit te onderzoeken zijn veldmetingen uitgevoerd en is vervolgens een modelstudie gedaan. De belangrijkste resultaten van deze twee onderdelen, met directe betrekking op het onderdeel verdiepingen, zijn hieronder opgenomen. Veldmetingen Tijdens de veldmetingen zijn verschillende soorten bodemmonsters genomen over het gehele Markermeer. Vlakbij de proefputten A en B (figuur 3.3) zijn bodemkernen genomen met een Beeker sampler (tot 1 m lange kernen). Deze kernen zijn zowel binnen de putten als buiten de putten gestoken. Er is een opvallend verschil in samenstelling van het materiaal waargenomen. Binnen de beide diepe putten is erg slap materiaal gevonden (figuur 3.4). Het watergehalte was hoog en het materiaal vloeide snel uit. Daarnaast was de ph relatief laag, rond de 6,5. Buiten de diepe putten werd veel steviger materiaal gevonden (figuur 3.5). Het watergehalte was duidelijk lager en de ph was hoger: 7,5. Dit zou kunnen betekenen dat het slappe materiaal dat eerst naast de putten lag in de diepe putten is gestroomd, hoewel dit niet met zekerheid is te zeggen. Wél is met zekerheid te zeggen dat het slib in de bovenlagen in de putten veel minder is geconsolideerd dan het slib naast de putten. Figuur 3.4: Bodemsamples binnen de proefputten. Links Van Veen Happer, rechts Beeker Sampler (Vijverberg, 2008) Figuur 3.5: Bodemsamples vlak naast de proefputten. Links Van Veen Happer, rechts Beeker Sampler (Vijverberg, 2008) Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

29 De bodemkernen die zijn gestoken met een Beeker Sampler zijn ook geanalyseerd op Cesium-gehalte. Met het Cesium-gehalte kan bepaald worden wat de sedimentatie geschiedenis is van de bodem. Een piek in het Cesium-gehalte geeft namelijk een bepaald jaar aan waarin veel radioactief materiaal in de bodem is gekomen, bijvoorbeeld 1986 (Chernobyl ramp), zie figuur 3.6. Een piek in de bodem kan dus worden gerelateerd aan een bepaald jaar. Het materiaal dat daarboven in de bodem zit is later gesedimenteerd. Hieruit kan de gemiddelde sedimentatiesnelheid worden afgeleid. Figuur 3.6: Cesium gehalte in de bodem met verschillende pieken (links) en Beeker Samples met bodemmonster (rechts), Vijverberg, 2008 De bodemmonsters binnen en buiten de putten vertonen een verschillend Cesiumgehalte over de vertikaal (figuur 3.7): de kernen binnen de putten laten een veel hoger Cesium-gehalte zien dan buiten de putten. Er is echter niet een duidelijke laag te zien met beduidend hoger Cesium-gehalte. Naast de putten is die laag wel te zien en die ligt aan het bodemoppervlak. Hieruit zou opgemaakt kunnen worden dat naast de putten weinig materiaal is gesedimenteerd, hoewel dit niet geheel zeker is. Wat wél duidelijk is, is dat fijn slib in de putten kan zijn gesedimenteerd, zoals een hoog Cesium-gehalte over de gehele toplaag aangeeft. Cesium, als zwaar metaal, bindt zich namelijk aan de fijnste delen en omdat het Cesium-gehalte in de putten in z n geheel significant hoger is dan daarbuiten, zelfs tot wel 4 à 5 keer zo hoog, kan worden geconcludeerd dat er op de één of andere wijze fijn slib in de putten terecht is gekomen. Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

30 Figuur 3.7: Resultaten cesium metingen in 4 boorkernen. Op de x-as staat het cesium gehalte (in Bq/kg droge stof), op de y-as de diepte in de kern (in cm) Naast de Cesium metingen zijn ook sediment concentratie metingen over de vertikaal uitgevoerd, echter niet in de buurt van verdiepingen. Zoals eerder al werd gemeld, hebben deze metingen aangetoond dat slibconcentraties tijdens stormen groot genoeg kunnen worden om dichtheidsstromingen mogelijk te maken in het Markermeer. Hierdoor kan de aanslibbing in putten behoorlijk toenemen. Deze metingen zijn verder uitgewerkt in Vijverberg et al (2010). Modelstudie In het vervolg van het afstudeerwerk is een modelstudie uitgevoerd naar de werking en effectiviteit van een slibvangput in het Markermeer. De belangrijkste onderzoeksvraag was: Is een slibvangput een effectieve maatregel om de waterkwaliteit in het Markermeer te verbeteren? Daarnaast is ook het effect van dichtheidsstroming geschat en is een aantal ontwerpparameters van de slibvangput onderzocht. De belangrijkste conclusies zijn: Een slibvangput verlaagt de sediment concentratie boven de put en slib sedimenteert in de diepere delen. Uit de modelresultaten blijkt echter wel dat de sediment concentratie van de fijne fractie nauwelijks omlaag gaat in de nabijheid van een verdieping. Omdat voornamelijk de fijne fractie verantwoordelijk is voor het slibprobleem is het maar de vraag of een slibvangput effectief is voor doorzichtverbetering. De fijne fractie kan op termijn echter wel sedimenteren in de put. Op een lange tijdschaal kan een verdieping dus wel fijn slib aan het water onttrekken en dus een effectieve maatregel zijn. Dit geldt alleen als de putterm van dit fijne slib groter is dan de bronterm ; met andere woorden als er meer slib wordt ingevangen in de put dan er geproduceerd wordt in het Markermeer. Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

31 Een verdieping verlaagt de sediment concentratie boven en vlak naast de verdieping. Hierdoor zal een verdieping vooral een lokale maatregel zijn om het doorzicht te verbeteren (ervan uitgaande dat als de sediment concentratie wordt verlaagd het doorzicht ook verbetert; dit is echter niet zeker). Een verdieping die in lengterichting loodrecht op de overheersende stroming is aangelegd is effectiever dan een parallelle verdieping. Een loodrecht aangelegde verdieping verlaagt de sediment concentratie sterker en vangt meer slib in. Een parallel aangelegde verdieping trekt de stroming aan, waardoor er meer slib wordt opgewoeld en de sediment concentratie minder of niet wordt verlaagd. De aanlegdiepte en taludhellingen van de verdieping hebben weinig invloed op de sediment concentratie rondom de verdieping; er was weinig verschil te zien tussen de verschillende modelresultaten. Dichtheidsstroming zorgt voor een verhoging van de sedimentatie in de put. In deze studie wordt ongeveer 20 % van de sedimentatie aan dichtheidsstroming toegeschreven en 80 % aan uitzakken. Kanttekening is dat modelschematisaties hier invloed op zullen hebben gehad. Nader onderzoek naar de feitelijke verhouding is daarom noodzakelijk. In elk geval neemt de sedimentatie door dichtheidsstroming toe Deltares - December 2008 Met een gekalibreerde model zijn eind 2008 door Deltares nieuwe scenario berekeningen uitgevoerd. In deze berekeningen zijn de verschillende maatregelen afzonderlijk doorgerekend. Uit deze studie zijn in dit hoofdstuk alleen de resultaten weergegeven voor de verdiepingen. Scenario 3 en scenario 8 (andere scenario s dan genoemd in paragraaf 3.2.3) zijn hiervoor relevant (figuur 3.8). Figuur 3.8: Scenario 3 Halterput (links) en scenario 8: Putten in Hoornsche Hop (rechts) Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

32 De resultaten van deze scenario s zijn weergegeven in bijlage 3 en zijn per deelgebied beschreven (overgenomen uit Vijverberg en Boderie, 2008). Hoornsche Hop De variant met alleen de putten (scenario 8) geeft nauwelijks verlaging van de sediment concentratie in de waterkolom, alleen heel lokaal nabij de putten (figuur B3.2). Wel komt er slib in de putten terecht. In de putten (scenario 8 en 9) accumuleert per jaar meer dan 6000 g/m 2 in S2 en meer dan 500 g/m 2 in S1 (figuur B3.3). Dit geeft aan dat de putten ook daadwerkelijk als slibvang kunnen werken. Centrale deel van het Markermeer Voor het midden van het meer zijn voornamelijk de effecten van de Halterput (scenario 3) bepaald. In figuur B3.6 is het effect van de Halterput op accumulatie en erosie van slib in de beide lagen bepaald. Hieruit kan geconcludeerd worden dat de Halterput ook als slibvang goed werkt en een erosiegebied creëert ten westen van de put. Verlaging van de sedimentconcentratie (figuur B3.5) vindt ook voornamelijk plaats aan de westkant van de put. De gemiddelde waarden van de concentratie blijven echter hoog, omdat de put in het midden van het meer in geplaatst (midden in het Markermeer zijn de concentraties over het algemeen hoger). Er vindt een verlaging plaats van ongeveer 100 g/m 3 naar g/m 3 in de winterperiode. In de zomerperiode is dat ongeveer van 60 g/m 3 naar rond de 50 g/m 3. Aanslibbing in Halterput In figuur B3.7 zijn de totale waarden (in kg/m 2 ) van de aanslibbing in de put weergegeven voor beide bodemlagen. Dit is vervolgens vertaald naar een bijbehorende sliblaagdikte. Voor deze berekening is uitgegaan van alleen de waarden van de aanslibbing in S2, omdat die vele malen groter zijn (orde kg/m 2 ) dan de waarden in S1 (maximaal 1 kg/m 2 ). Voor scenario 3 is de aanslibbing in de Halterput in laag S2 voor fractie M2 gemiddeld 35 kg/m 2 in het simulatiejaar. Bij een bulkdichtheid van 1200 kg/m 3 (dus inclusief poriënwater) levert dit een aanslibbing op van ongeveer 11 cm per jaar. Opgemerkt wordt dat consolidatie van de slappe bodemlagen niet in deze bepaling is meegenomen. Een nadere analyse naar consolidatie is wenselijk om de werkelijke aanslibbing in cm per jaar aan te kunnen geven. Opgemerkt wordt dat dichtheidsstroming niet is meegenomen het model. Mogelijk is aanslibbing in de halterput in werkelijkheid effectiever (ordegrootte 20%, zie Vijverberg. 2008) dan gemodelleerd Deltares Juli 2009 Deltares heeft in 2009 opnieuw een aantal scenario berekeningen uitgevoerd, dit keer in het kader van het Toekomstbeeld Markermeer IJmeer. Hierbij is een berekening gedaan met een forse verdieping die door het midden van het Markermeer loopt, de zogenaamde Oervallei. De lay-out van de variant is in figuur 3.9 weergegeven. Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

33 Figuur 3.9: Lay-out van de variant met de Oervallei (Genseberger en Boderie, 2009) Deze grootschalige verdieping wordt in het bijbehorende rapport als volgt omschreven (Genseberger en Boderie, 2009): Dit scenario bestaat uit alle maatregelen van scenario 2 plus een zogenaamde oervallei (15 m extra verdieping, 500 m breedte). Deze loopt vanaf de bestaande vaargeul ter hoogte van De Blocq van Kuffeler naar Enkhuizen (30 km lengte). Scenario 3 is bedoeld om een eerste indruk van het effect van zo n forse globale ingreep te krijgen: bij verdere uitwerking zal in ieder geval nagedacht moeten worden hoe de oervallei op een geleidelijke manier geïmplementeerd kan worden. Geleidelijk zowel in de tijd, tijdens de constructie, om het gehele systeem (hydrodynamica, slib etc.) in het Markermeer onder controle te houden, maar ook in de ruimte: waar moet/kan de oervallei op volle diepte uitgegraven worden en waar/hoe kan aangesloten worden op de randen van het Markermeer (denk bijvoorbeeld aan de lokale stromingscondities en sedimentatie bij de aanvoerroute naar de sluizen van Enkhuizen). De resultaten worden als volgt beschreven: De oervallei van scenario 3 blijkt een zeer groot effect te hebben op de globale sediment wolk in het Markermeer (Figuur B4.1). Er moet echter beter gekeken worden naar de effecten bij de rand en hoe en waar deze rand van de oervallei het best gelegd zou kunnen worden. De resultaten voor scenario 3 laten nu namelijk een toename zien van sediment concentraties aan beide uiteinden van de oervallei (gele/oranje vlek ter hoogte van vaargeul en de schelpendam bij Enkhuizen in figuur B4.1). Wellicht is de oervallei het meest effectief nabij het centrale deel van het meer. Nader onderzoek zou dit uit kunnen wijzen. Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

34 In de oervallei van scenario 3 blijkt veel sediment op de bodem neer te zakken (figuur B4.2). Ook hier treedt een bijeffect van de oervallei op dat nader onderzoek vereist: de berekeningen wijzen op een aanzienlijke toename van sediment op de bodem in de niet uitgediepte omgeving vlak voor de jachthaven De Blocq van Kuffeler en dwars door de huidige vaargeul heen. De oervallei blijkt met name een positief effect te hebben op het lichtklimaat in het diepere centrale gebied van het Markermeer. Vraag is of dit effect voldoende positief is voor vegetatie/mosselen en dergelijke op de bodem in dit gebied. Opgemerkt moet worden dat de modelresultaten voor de oervallei weliswaar een eerste indruk geven van de schaal waarop de ingreep effect heeft maar dat de modelresultaten niet gevalideerd zijn en er dus nog geen vergaande conclusies aan mogen worden verbonden. Conclusie De oervallei lijkt van grootschalige invloed op het Markermeersysteem. Het is belangrijk ons te realiseren dat het effect in belangrijke mate veroorzaakt wordt door de vergroting van het watervolume van het Markermeersysteem. De oervallei vergroot het volume van het Markermeer significant (orde 5-10%). Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

35 4 BESTAANDE VERDIEPINGEN 4.1 Inleiding In dit hoofdstuk wordt ingegaan op de bestaande (of voormalig bestaande) verdiepingen in het Markermeer en IJmeer. 4.2 Overzicht bestaande verdiepingen Figuur 4.1 toont het actuele dieptebestand van het Markermeer in de situatie van In deze kaart zijn een aantal verdiepingen aangegeven, welke in aanmerking zouden kunnen komen voor nadere analyse en/of monitoring. Proefputten A en B Vaargeul Amsterdam - Lemmer IJmeer put Figuur 4.1: Actueel dieptebestand, situatie 2004, opgesteld door Rijkswaterstaat Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

36 Het gaat hierbij om de volgende bestaande situaties in het Markermeer: De proefputten A en B; De vaargeul Amsterdam Lemmer; De IJmeerput in het IJmeer. 4.3 Proefputten A en B Zoals in paragraaf 3.2 aangegeven, zijn de Proefputten A en B in het Markermeer aangelegd in 1984 om nader onderzoek te verrichten over de vraag of het talud van een put van invloed is op de in de put voorkomende stratificatieverschijnselen. Hiertoe zijn de putten cirkelvormig aangelegd met een talud van 1:10 (Put A) en 1:3 (Put B). Het profiel van de putten is weergegeven in bijlage 1. Vanaf 1984 zijn over een periode van 15 jaar lodingen verricht bij beide putten en de uitkomsten zijn geanalyseerd in het kader van een studie ten behoeve van een effectieve baggerstrategie, zoals beschreven in paragraaf 3.2 (Van den Brenk, 2002). De putten waren aan het eind van de lodingperiode (1999) reeds nagenoeg geheel dichtgeslibd. De sedimentatiesnelheid bleek aanvankelijk zeer hoog: orde 2 m per jaar en nam vanaf een diepte van ongeveer 2 m ten opzichte van de omgeving sterk af. De zeer sterke sedimentatie kan niet worden verklaard uit het uitzakken van sediment, vandaar dat dit een aanwijzing is van de invloed van dichtheidsstroming naar de putten toe. Daar doorheen speelt echter het consolidatieproces in de put; hieromtrent bestaat nog veel onzekerheid. 4.4 Vaargeul Amsterdam Lemmer De vaargeul Amsterdam Lemmer is rond 1998 voor de eerste maal verdiept en als zodanig als vaargeul aan te merken. In de bodemkundige kaarten uit 1995 (Lenselink en Menke, 1995) is de vaargeul dan ook niet als zodanig waar te nemen en is feitelijk sprake van een vaarroute. De aangelegde geul is ongeveer 150 m breed (Van den Brenk, 2002). Voor zover bekend hebben bij de vaargeul geen systematische metingen aan aanslibbing en dergelijke plaatsgevonden. 4.5 IJmeer put De IJmeer put wordt in de wandelgangen ook wel aangeduid als Pampusput. Deze verdieping is een oude zandwinput die oorspronkelijk wel 30 m diep is geweest en die thans nog 10 tot 15 m diep is. De put ligt ten westen van de IJmeergeul en ten noorden van Muiden en is in het verleden ook gebruikt om niet bruikbaar zand en slib in te storten. Naar verluid is er de laatste tien jaar echter nauwelijks meer in gestort. Tijdens de monitoring van de put in het kader van het ROM IJmeerproject is geconstateerd dat deze wel ondieper is geworden door het inzakken van de randen (mede in combinatie met dichtheidsstroming?) en sedimentatie van zwevend slib. Door RIZA (2005) is aangegeven dat verdere opslibbing niet gewenst is in verband met bedreiging van het functioneren als visplaats voor vis-etende watervogels. Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

37 4.6 Van belang zijnde parameters In de onderzoeksvragen worden een aantal parameters genoemd die van invloed zijn op de effectiviteit van verdiepingen. Deze parameters zijn onder andere: Doorzicht en sediment concentraties; Aanslibsnelheid; Consolidatie en bronsamenstelling van het materiaal in de putten. Voor de bestaande verdiepingen is het lastig om de aanslibsnelheid te meten: De proefputten A en B zijn bijvoorbeeld al geheel dichtgeslibd. In de vaargeul kan deze alsnog worden gemeten, maar de scheepvaart kan hier een verstorende invloed op hebben. Daarnaast is in een gesprek met de heer Ger Peters (paragraaf 3.2) gebleken dat aanslibbing (als verticale maat) en consolidatiegedrag niet los van elkaar kunnen worden gezien en dat beiden een rol (hebben) kunnen spelen. Het valt dus aan te bevelen om in verdiepingen zowel de aanslibsnelheid (in meters per jaar) als consolidatie en bronsamenstelling te bepalen. Alle gegevens gezamenlijk zullen dan de gewenste informatie kunnen geven over de hoeveelheid slib die in de verdieping terecht komt. Mogelijk kan dan de sluitpost van de dichtheidsstroming beter worden vastgesteld. In dit kader kan een nadere analyse/navraag van de uitwerking van de metingen bij de IJmeer put in kader van ROM-IJmeerproject nuttig zijn om verder inzicht te krijgen in de bijdrage van dichtheidsstroming en uitzakken van zwevend slib. Inzicht krijgen in de samenstelling van het materiaal en dus ook van de consolidatie (dichtheden) in bestaande putten kan door middel van het uitvoeren van boringen over het gehele gebied van de put (tot 30 m diep). Belangrijk is dat het materiaal ongestoord blijft, zodat de verschillende lagen goed kunnen worden onderscheiden. De heer Peters gaf ook aan dat dit niet eenvoudig is uit te voeren (met de suggestie om de heer Dick Bodegom van Boskalis, die ook verantwoordelijk was voor de Onderzuigproeven in het Ketelmeer, hierover te consulteren). Sedimentconcentraties dienen rondom en in de vaargeul te worden gemeten, om inzicht te krijgen in de verlaging van de concentratie boven en naast de geul. Hierbij is het van belang om rekening te houden met de scheepvaart. Schepen kunnen namelijk zorgen voor extra opwoeling van slib en door de extra turbulentie kan slib beter in suspensie blijven. Hierdoor kan de hoeveelheid slib die in de vaargeul terecht komt, minder zijn dan in een situatie zonder scheepvaart. Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

38 5 REFERENTIES Boderie, P. en Hulsbergen, R. (2009), Modelstudie Slibmaatregelen Eemmeer, Deltares rapport T (Q4524). Brenk, S. van den (2002), Sedimentatieonderzoek vaargeulen, Rijkswaterstaat, Directie IJsselmeergebeid, december Genseberger, M. en Boderie, P. (2009), Simulaties hydrodynamica & slibtransport scenario s Toekomstbeeld Markermeer, Deltares rapport Hulsbergen, R. en Kuijper, M. (2007), Modellering slibhuishouding Markermeer, WL Delft Hydraulics rapport Q Jensen, J.H., Madsen, E.O., Fredsøe, J. (1999a) Oblique flow over dredged channels. I: Flow description, Journal of Hydraulics Engineering, Vol. 125, No. 11. Jensen, J.H., Madsen, E.O., Fredsøe, J. (1999b), Oblique flow over dredged channels. II: Sediment transport and Morphology, Journal of Hydraulics Engineering, Vol. 125, No. 11. Kessel, T. van, Boer, G. de, Boderie, P. (2008), Calibration suspended sediment model Markermeer, Deltares rapport Q4612. Kuijper, M. (2007), Scenarioberekeningen Markermeer, WL Delft Hydraulics rapport Q Ledden, M. van, Gerrits, G.W.R., Kessel, T. van, Mosselman, E. (2006), Verdiepingsslag en maatregelen slibproblematiek Markermeer Analyse kennisleemten en inventarisatie maatregelen, Royal Haskoning rapport 9R3456.A0. Lenselink en Menke (1995), Geologische en bodemkundige atlas van het Markermeer, Rijkswaterstaat IJsselmeergebied, Lelystad. Rijn, L.C. van (2005), Principles of sedimentation and erosion engineering in rivers, estuaries and coastal seas, Aqua Publications. Rijkswaterstaat RIZA (2005), Ecologische effecten IJburg-II. Passende beoordeling als gevolg van de Europese Vogelrichtlijnen. RIZA Werkdocument X Samenwerkingsverband Toekomstagenda Markermeer IJmeer (2009), Toekomstbeeld Markermeer IJmeer Natuurlijk ontwikkelen. Vijverberg, T. en Boderie, P. (2008), Analyse scenarioberekeningen Markermeer, Deltares rapport Q4613. Vijverberg, T. (2008), Mud dynamics in the Markermeer Silt traps as a mitigation measure for turbidity, MSc Thesis, Technische Universiteit Delft. Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

39 Vijverberg, T., Winterwerp, J.C., Aarninkhof, S.G.J. and Drost, H. (2010), Fine sediment dynamics in a shallow lake and implication for design of hydraulic works, Ocean Dynamics special issue: INTERCOH conference proceedings Winterwerp, J.C. and Kesteren, W.G.M. van (2004), Introduction to the physics of cohesive sediments in the marine environment. 1 st edition. Elsevier. Witteveen + Bos (2004), Transparante Markermeren Als ecologische afronding van de Zuiderzeewerken, Witteveen en Bos and Boskalis BV Hydronamic, authors Grimm, Groot and Loman. Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

40 Bijlage 1 Studie Rijkswaterstaat 2002 Definitief rapport 31 augustus 2010 update september 2015

41 Bijlage 1 Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

42 Bijlage 2 Resultaten Delft3D berekeningen december 2007 Definitief rapport 31 augustus 2010 update september 2015

43 Hoornsche Hop Hoornse Trog (Sc4) Hoornse Trog (Sc4) Hoornse Trog (Sc4) Figuur B2.1: Zwevend stof gehalte (g/m 3 ) voor oost-noord-oosten wind (links), west (midden) en noordwesten wind (rechts) voor scenario 4, Hoornse Trog (Kuijper, 2007) Grote geul Sc5 Sc5 Sc5 Sc6 Sc6 Sc6 Figuur B2.2: Zwevend stof gehalte (g/m 3 ) voor oost-noord-oosten wind (links), west (midden) en noordwesten wind (rechts) voor scenario 5 en 6, Grote Geul (Kuijper, 2007) Bijlage 2 Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

44 Sc1 Sc2 Sc3 Sc4 Sc5 Sc6 Figuur B2.3: Aanslibbing op 9 juni 2006 voor elk scenario ten opzichte van het baseline scenario (Kuijper, 2007) Sc1 Sc3 Sc4 Figuur B2.4: Aanslibbing op 31 december 2006 voor scenario 1, 3 en 4 ten opzichte van het baseline scenario (Kuijper, 2007) Bijlage 2 Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

45 Bijlage 3 Resultaten Delft3D berekeningen december 2008 Definitief rapport 31 augustus 2010 update september 2015

46 Hoornsche Hop Sediment concentratie Figuur B3.1: Gemiddelde slibconcentratie (mg/l) in de zomer (links) en winter (rechts) voor scenario 8: putten in Hoornsche Hop (Vijverberg en Boderie, 2008) Figuur B3.2: Gemiddelde slibconcentratie (mg/l) in de zomer (links) en winter (rechts) voor scenario 8: putten in Hoornsche Hop (Vijverberg en Boderie, 2008), verschil t.o.v. referentie Bijlage 3 Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

47 Aanslibbing Figuur B3.3: Jaargemiddelde waarde van hoeveelheid slib (g/m 2 ) in S2 laag (links) en S1 laag (rechts), verschil met referentie situatie voor scenario 8 (Vijverberg en Boderie, 2008) Midden Sedimentconcentratie Figuur B3.4: Gemiddelde slibconcentratie (mg/l) in de zomer (links) en winter (rechts) voor scenario 3: Halterput (Vijverberg en Boderie, 2008) Bijlage 3 Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

48 Figuur B3.5: Gemiddelde slibconcentratie (mg/l) in de zomer (links) en winter (rechts) voor scenario 3: Halterput (Vijverberg en Boderie, 2008), verschil t.o.v. referentie Aanslibbing Figuur B3.6: Jaargemiddelde waarde van hoeveelheid slib (g/m 2 ) in S2 laag (links) en S1 laag (rechts), verschil met referentie situatie voor scenario 3 (Vijverberg en Boderie, 2008) Bijlage 3 Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

49 Figuur B3.7: Aanslibbing in Halterput in kg/m 2 /jaar voor scenario 3 Bijlage 3 Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

50 Bijlage 4 Resultaten Delft3D berekeningen juli 2009 Definitief rapport 31 augustus 2010 update september 2015

51 Sedimentconcentratie Figuur B4.1: Verschil in maximum sedimentconcentratie (mg/l) in onderlaag (Genseberger en Boderie, 2009) Bijlage 4 Definitief rapport augustus 2010 update september 2015

52 Aanslibbing Figuur B4.2: Verschil (scenario referentie) in hoeveelheid slib (kg/m 2 ) op de bodem. (Genseberger en Boderie, 2009) Bijlage 4 Definitief rapport augustus 2010 update september 2015