Verkenning Beperking Zoutindringing Nieuwe Waterweg. Onderdeel KPP CIP 2015

Transcriptie

1 Verkenning Beperking Zoutindringing Nieuwe Waterweg Onderdeel KPP CIP 2015

2

3 Verkenning Beperking Zoutindringing Nieuwe Waterweg Onderdeel KPP CIP 2015 dr.ir. W.M. Kranenburg Deltares, 2015, B

4

5 Titel Verkenning Beperking Zoutindringing Nieuwe Waterweg Opdrachtgever RWV-WVL Project 's 1 Trefwoorden Zoutindringing, Nieuwe Waterweg, Calandkanaal, Breeddiep, Havenbedrijf Rotterdam Samenvatting Tijdens onderzoek van het Havenbedrijf Rotterdam naar verbreding van het Breeddiep is het idee ontstaan zoutindringing via de Nieuwe Waterweg te kunnen verminderen middels het aanbrengen/vergroten van openingen in de strekdam tussen het Calandkanaal en de Nieuwe Waterweg (NWW). Rijkswaterstaat (RWS) heeft Deltares in het kader van het Corporate Innovatie Programma (CIP) opdracht gegeven de effectiviteit en haalbaarheid van dit idee voor innovatie te verkennen, als eerste stap in de innovatiecyclus. Hiertoe twee Expert Workshops georganiseerd en is een modelonderzoek opgezet. Dit rapport is een bundeling van de verslagen van deze afzonderlijke onderdelen. In Expert Workshop I (EWI) lag de nadruk op de effectiviteit. Door de experts zijn hypothesen gevormd over de fysische mechanismen waarlangs de innovatie effect op de zoutindringing zou kunnen hebben. Van deze hypothesen is vervolgens beoordeeld hoe waarschijnlijk ze geacht worden. De algemene conclusie van EWI is dat het door de experts zeer wel mogelijk wordt geacht dat extra/grotere openingen een beperkend effect hebben op de zoutindringing. De voornaamste hypothese is dat dit effect optreedt doordat extra zijdelingse instroming vanuit Calandkanaal naar NWW door de gaten de inwaartse propagatie van de zouttong in de NWW hindert. In Expert Workshop II (EWII) lag de nadruk op de haalbaarheid, en zijn uitvoeringsaspecten, stakeholders en mogelijke neveneffecten van de innovatie besproken. De voornaamste conclusie van EWII is dat er geen onoverkomelijke neveneffecten van de innovatie worden verwacht. Het voornaamste bezwaarlijke neveneffect is volgens de experts het effect van dwarsstroming op de scheepvaart. De verwachting is dat als uit een eerste ontwerp van de innovatie bekend is hoe groot deze dwarsstroming zou worden, de invloed daarvan op de scheepvaart kan worden onderzocht en deze indien nodig middels kleine aanpassingen aan het ontwerp kan worden beperkt. In het modelonderzoek zijn de effectiviteit en werking van de innovatie verkend met een vereenvoudigd numeriek 3D-model, uitgaande van de hypothesen van EWI. De resultaten laten inderdaad enige beperking van de saliniteit op de NWW zien. De resultaten blijken wel gevoelig voor de keuze voor de randvoorwaarde voor de saliniteit op het Calandkanaal. Dit duidt erop dat het voornaamste mechanisme waarlangs de zoutindringing door de innovatie wordt beïnvloed, is: grotere/meer openingen leiden tot toevoer van meer water en daardoor, bij verschillen in saliniteit tussen Calandkanaal en NWW, tot een aanpassing van de saliniteit op de NWW. Omdat de verschillen in waterstand en saliniteit tussen Calandkanaal en NWW bepalend blijken voor de werking en het effect van de innovatie, bevelen we aan bij de verdere ontwikkeling van deze innovatie nauwkeurige informatie over waterstanden en saliniteit te verwerven via metingen ter plaatse. Kortom: op grond van de Expert Workshops en de modelverkenning kan de innovatie worden bestempeld als haalbaar en mogelijk effectief. Dit biedt aanknopingspunten voor een volgende stap in de innovatiecyclus. Om daarin uitsluitsel te krijgen over het effect en de grootte daarvan, is het o.a. nodig waterstanden en saliniteit ter plaatse te meten. Verkenning Beperking Zoutindringing Nieuwe Waterweg

6 Deltares Titel Verkenning Beperking Zoutindringing Nieuwe Waterweg Opdrachtgever RWV-WVL Project 's 1 Versie Datum Auteur Paraaf Review nov.2015 dr.ir. W.M. dr.ir. R. Kranenbur Uitt Drs. F.M.J. Hoozemans Met bijdragen van: Bouke Ottow, Karen Meijer, Theo van der Kaaij, Dick Verploegh Status Definitief Verkenning Beperking Zoutindringing Nieuwe Waterweg

7 30 november 2015, definitief Inhoud Verslag Expert Workshop I pag Verslag Expert Workshop II... 7 pag Verslag Modelonderzoek 30 pag elk met eigen paginanummering Verkenning Beperking Zoutindringing Nieuwe Waterweg i

8

9 / Memo Deltores ~ Aan Neeltje Kielen (Pl RWS) Datum 24 april 2015 Van Wouter Kranenburg Aantal pagina's 17 Doorkiesnummer +31(0) wouter.kranenburg@deltares.nl Onderwerp Verslag Expert Workshop I (project: KPP 2015-CIP Verkenning Beperking Zoutindringing NWW) Samenvatting Op 25/3/2015 is een Expert Workshop gehouden in het kader van het project 'Verkenning Beperking Zoutindringing N'NIN'. Tijdens dit project staat de vraag centraalof aanleg van verbindingen tussen de NWW en het Calandkanaal (i.e. gaten in de strekdam) een effectieve en haalbare maatregel zou kunnen zijn ter beperking van zoutindringing via de NWW. In deze workshop lag het zwaartepunt m.n. bij de effectiviteit en de fysische mechanismen. Deze memo bevat de voor deze workshop aangeleverde informatie en een verslag van de discussie. Startpunt van de discussie was de hypothese dat (extra) stroming van het Calandkanaal naar de Nieuwe Waterweg bij opkomend tij, ondanks dat het (extra) zout inbrengt in de NWW, toch bijdraagt aan de beperking van de zoutindringing. Dit zou komen doordat de laterale stroming de inwaartse propagatie van de zouttong beperkt door toevoer van water zonder impuls in inwaartse richting (1). Andere mechanismen die in de discussie naar voren kwamen als mogelijke verklaring voor verminderde zoutindringing waren (2) toename van (verticale) menging, mogelijkerwijs ten gevolge van een internal bare, door toevoer van water met een andere dichtheid, en (3) toename van (verticale) menging door (brekende) interne golven ontstaan als gevolg van obstructie van de stroming door de toevoer van water zonder impuls in inwaartse richting. Advies van de experts was om voor verder onderzoek van de mechanismen de parameterclassificatie verder uit te breiden. Door bv. ook naar het interne Froude getal en de variatie van de parameters over het getij te kijken, kan worden bepaald of (brekende) interne golven een rol zouden kunnen spelen en wordt ook duidelijk of de situatie adequaat beschreven kan worden met een hydrostatisch model. Verder wordt de starthypothese zeker plausibel geacht en zijn suggesties aangereikt voor de volgende projectstap, t.w. nader onderzoek met een geïdealiseerd model. Daarnaast is geconcludeerd dat voor studie van deze maatregel en de zoutindringingsmechanismen in de NWWeigenlijk behoefte is aan extra metingen. Deze meetbehoefte behelst allereerst het waterstandsverschil tussen Calandkanaal en NWW, wat vrij eenvoudig en tegen geringe kosten te meten is. Ook is er behoefte aan informatie over de snelheden in het Breeddiep en de variatie in zoutconcentraties / gelaagdheid gedurende de doodtij-springtij cyclus (varende metingen). Versie Datum Auteur Paraaf Review 28/4f15 dr.ir. W.M. Kranenbur

10 30 april /18 Status Definitief Kopie aan Deelnemers Expert Workshop I

11 30 april /18 Inhoudsopgave 1 Introductie Opzet project Opzet Expert Workshop I Deelnemers Programma Aanleiding Samenvatting presentatie Achtergrondinformatie & starthypothese Gebied Historische verziltingsevents en hydrometeo-condities Getijfasen Starthypothese Discussie Mechanismen Mechanismen voor aandrijving stroming Calandkanaal-NWW Mechanismen voor reductie zoutindringing NWW Gevoeligheid voor ontwerpparameters gaten Aanbevelingen voor mechanisme-verificatie Metingen Conclusies Bijlage: Voorbereidingsmateriaal... 18

12 30 april /18 1 Introductie Op 25/3/2015 is een Expert Workshop gehouden in het kader van het project Verkenning Beperking Zoutindringing NWW. Tijdens deze workshop stond de vraag centraal of aanleg van verbindingen tussen de NWW en het Calandkanaal (i.e. gaten in de strekdam) een effectieve maatregel zou kunnen zijn tegen zoutindringing via de NWW. Deze memo bevat de voor deze workshop aangeleverde informatie en een verslag van de discussie. 1.1 Opzet project Het idee gaten in de strekdam als zoutindringing beperkende maatregel is ontstaan bij de HbR-verkenningsstudie naar de verbreding van het Breeddiep en opgepakt door RWS binnen het Corporate Innovatie Programma (CIP). RWS heeft Deltares gevraagd dit project te begeleiden. Het doel van het project is het verkennen van de effectiviteit en beoordelen van de haalbaarheid van het idee zoutindringing via de Nieuwe Waterweg te beperken door middel van gaten in de langsdam tussen het Calandkanaal en de Nieuwe Waterweg. De aanpak is als volgt: in een eerste Expert Workshop wordt de effectiviteit onderzocht. Dit richt zich m.n. op de fysische aspecten. Doel van EW I is te komen tot een lijstje hypothesen over de mogelijke werking van de maatregel en ideeën en eisen om deze hypothesen snel en eenvoudig te onderzoeken. Deze verificatie van de hypothesen en een eerste kwantificatie moet gebeuren in de tweede projectstap, evt. met behulp van een (eenvoudig) model. In een tweede Expert Workshop wordt de haalbaarheid onderzocht. Deze tweede workshop richt zich m.n. op uitvoeringsaspecten en neveneffecten. 1.2 Opzet Expert Workshop I Deelnemers Aan de Expert Workshop I op 25/3/2015 namen de volgende personen deel: 1 Neeltje Kielen RWS-WVL 2 Tom van der Wekken RWS-WVL 3 Yann Friocourt RWS-WVL 4 Sacha de Goederen RWS-WNZ 5 Rob Uittenbogaard Deltares 6 Wouter Kranenburg Deltares 7 Cor van der Schelde Havenbedrijf Rotterdam 8 Lambèr Hulsen Havenbedrijf Rotterdam 9 Julie Pietrzak TU Delft 10 Matias Duran Matute TU Eindhoven 11 Johan Pennekamp (dagvoorzitter) Deltares

13 30 april /18 (Behalve deze aanwezigen waren ook Gert-Jan van Heijst en Michel de Nijs uitgenodigd. Bij het selecteren van de optimale workshopdatum bleek reeds dat de uiteindelijke datumkeuze met zich mee bracht dat Van Heijst niet deel kon nemen. De Nijs bleek op de dag zelf verhinderd) Programma De agenda van de workshop was als volgt: 0 Ontvangst (Engels, Rotterdam Centraal) 9:15-9:30 1 Inleiding 9:30-10:15 a) Welkom + introductie (10 min) b) Presentatie HbR: aanleiding en eerdere bevindingen (20 min) c) Presentatie Deltares: achtergrondinfo en eerste hypothesen (15 min) 2 Discussieronde 1: divergeren 10:15-11:00 3 Koffie 11:00-11:15 4 Discussieronde 2: convergeren 11:15-12:15 5 Conclusies 12:15-12:30 6 Broodjes 12:30 e.v. De beschrijving in deze memo volgt min of meer deze agenda.

14 30 april /18 2 Aanleiding Het idee gaten in de strekdam als zoutindringing beperkende maatregel is ontstaan bij de HbR-verkenningsstudie naar de verbreding van het Breeddiep. Bij de aanvang van de workshop heeft Cor van der Schelde de bevindingen van deze verkenningsstudie middels een presentatie toegelicht. Hieronder volgt een korte samenvatting. 2.1 Samenvatting presentatie Aanleiding voor verbreding van het Breeddiep is de toename van de scheepvaart door het Breeddiep in combinatie met de moeilijke navigatie in de huidige situatie. Momenteel is het Breeddiep 80 m breed en 6 m diep. De opening zal uiteindelijk worden verbreed naar zo n m (zelfde diepte). In de verkenningsstudies zijn allerlei geometrische configuraties onderzocht, zie de voorbeelden hieronder: Figuur 2.1: Huidige configuratie Breeddiep (boven) en twee verkende alternatieven

15 30 april /18 De verschillende configuraties zijn onderzocht met het OSR-model (een 3D hydrodynamisch model van de noordelijke RijnMaasMonding), primair om zicht te krijgen op de veranderingen in stroomsnelheden. Maar er is ook gekeken naar veranderingen in de zoutvracht [kg/m 3 ] bij de punten Hoek van Holland, Spijkenisserbrug, Waalhaven, Botlek en Boerengat. De veranderingen die werden gevonden waren reden om hier dieper op in te gaan. Daarom is ook gekeken naar het effect van het aanbrengen van meerdere gaten (tot 11 in getal, met een breedte van 25 m, ingegeven door het modelrooster), en naar het effect van de diepte van de gaten (5, 10 en 25 m). De verschillende sommen zijn uitgevoerd voor een situatie van gemiddelde afvoer, dat wil zeggen Q lobith is 2300 m 3 /s, dan geldt Q NWW is gemiddeld ongeveer 1500 m 3 /s. Daarbij is gekeken naar 1 springtij-doodtij cyclus gebaseerd op de periode 1-14 augustus De simulaties lieten zien dat met een toename van de diepte van de gaten de saliniteit bij de bodem afneemt. Dit gold voor alle observatiepunten. Bij de meer (rivier)stroomopwaarts gelegen punten nam de saliniteit aan het oppervlak ook af met toenemende diepte van de gaten. Dat gold niet voor Hoek van Holland. Daar nam de saliniteit aan het oppervlak over het algemeen juist toe met toenemende diepte van de gaten. (De gepresenteerde vergelijking ging uit van 3 gaten). Voor het aantal gaten werd gevonden dat met een toenemend aantal, de saliniteit bij de bodem verder afneemt. Daarbij was (voor 11 gaten van 25 m diepte) een verlaging van 2-3 ppt (HvH), of 10% niet ongebruikelijk. Ook in deze tests nam voor Hoek van Holland de saliniteit aan het oppervlak juist toe. Daarnaast is als limietonderzoek ook een som gedaan waarbij (het bovenste deel van) de strekdam volledig was verwijderd, als limietgeval van een oneindig aantal gaten van 6 m diepte. In die situatie werd de zoutindringing via de NWW juist groter dan in de huidige situatie. Tot slot viel het op in de resultaten dat de zoutindringing niet perse het grootst is bij springtij. In de onderzochte situatie lag de piek een paar dagen na doodtij.

16 30 april /18 3 Achtergrondinformatie & starthypothese Om in de workshop snel over te kunnen gaan tot het bediscussiëren van fysische mechanismen waarlangs gaten in de strekdam zoutindringing zouden kunnen beïnvloeden, is van tevoren enige informatie verzameld over het interessegebied, historische verziltingsevents en hydrodynamische kenmerken. Ook zijn een starthypothese en discussievragen opgesteld. Dit voorbereidingsmateriaal (zie bijlage) is aan de deelnemers toegezonden en tijdens de workshop kort gepresenteerd. Hieronder wordt de hoofdzaak weergegeven. 3.1 Gebied De strekdam is de scheiding tussen de Nieuwe Waterweg en het Calandkanaal, zie Figuur 3.1. De Nieuwe Waterweg staat (rivier)stroomopwaarts in open verbinding met de Nieuwe Maas en de Oude Maas en de achterliggende rivieren. Het Calandkanaal is de ontsluiting van de Maasvlakten en het Europoort gebied en wordt aan de inlandse kant afgesloten door de sluis bij Rozenburg. Figuur 3.1. Luchtfoto van het interessegebied, bron: Google Earth. 3.2 Historische verziltingsevents en hydrometeo-condities Combinatie van informatie over het Rijndebiet bij Lobith, chlorideconcentraties bij de Brienenoordbrug en de opzet bij Hoek van Holland laat zien dat verziltingsevents in afwezigheid van opzet over het algemeen samenvallen met Rijndebieten van minder dan zo n 1500 m 3 /s. Bij een opzet van 0.5 m of meer, kan verzilting al optreden bij hogere Rijndebieten,

17 30 april /18 zeg 1800 m 3 /s. Verziltingsevents zijn hierbij (losjes) gedefinieerd als momenten waarop de chlorideconcentratie bij Brienenoord boven de 500 mg/l uitkomt. Typische hydrodynamisch condities in de Nieuwe Waterweg zijn ongeveer als volgt: Rivierafvoer door NWW: m3/s Breedte & diepte: 400 m, 15 m Stroomsnelheden (U R ): +/ m/s Getijslag in NWW: m Spring-neap verschil: 0.6 m Stroomsnelheden (U T ): +/ m/s Met (o.a.) deze informatie over rivier- en getijinvloed, kan de Nieuwe Waterweg worden geclassificeerd. Op grond van deze classificatie kunnen we verwachten dat er in de Nieuwe Waterweg sprake is van een tijdsafhankelijke zouttong. Dit is in lijn met de praktijkervaring dat de NWW op de wip zit: soms is het systeem gelaagd, soms meer gemengd. Dit verklaart ws. ook waarom de maximale zoutindringing niet per se samenvalt met springtij. De ervaring is dat het Calandkanaal over het algemeen goed gemengd is (of eigenlijk: dat het voornamelijk uit zeewater bestaat). Daarnaast is het Calandkanaal iets dieper dan de NWW. Dat geeft het onderstaande beeld van de dichtheids- en drukprofielen. Figuur 3.2. Schets van de gebruikelijke dichtheids- en drukprofielen in NWW en Calandkanaal 3.3 Getijfasen Door simulatieresultaten (verkregen met het OSR model voor periode 1-8 december 2011, simulatie met 10 lagen, modelversie v702-lwr) voor drie punten nabij het Breeddiep (zie Figuur 3.3) met elkaar te vergelijken, is enig inzicht verkregen in verschillen in waterstanden en getijfasen tussen de NWW en het Calandkanaal, en in stroomsnelheden in het (huidige) Breeddiep. De waterstandsuitwijkingen ter hoogte van Beneluxhaven / HvH-dorp blijken vrij goed vergelijkbaar (de uitwijkingen in het Calandkanaal zijn soms net iets groter) en nagenoeg in fase (het Calandkanaal loopt net iets voor).

18 30 april /18 Figuur 3.3. Uitvoerlocaties gebruikt voor vooronderzoekje naar getijfasen en stroomsnelheden De stroomsnelheden lopen in het Calandkanaal aanzienlijk meer voor op de waterstandsuitwijkingen dan in de NWW. In de NWW lopen de snelheden onderin de waterkolom nog wel iets voor op de waterstanden, maar zijn ze bovenin bijna in fase met de waterstanden. Interpretatie: het Calandkanaal vertoont meer staande golf gedrag, de NWW laat meer een lopende golf zien. [Opmerking Cor van der Schelde: dit beeld is in de praktijk erg afhankelijk van het rivierdebiet]. Voor het Breeddiep wordt gevonden dat de stroming over het algemeen tijdens opkomend tij is gericht van het Calandkanaal naar de NWW. Daarnaast lijkt de stroming in deze richting onderin de waterkolom iets eerder te beginnen en iets langer aan te houden dan bovenin. 3.4 Starthypothese Op grond van bovenstaande is als starthypothese geformuleerd: De stroming van het Calandkanaal naar de NWW bij opkomend tij brengt weliswaar extra zout de NWW in, maar zorgt desondanks voor vermindering van de zoutindringing in de NWW doordat het de (rivier) stroomopwaartse propagatie van de zouttong vertraagt door toevoer van water met weinig / geen impuls in zouttong-propagatierichting.

19 30 april /18 4 Discussie 4.1 Mechanismen Mechanismen voor aandrijving stroming Calandkanaal-NWW De bevinding dat in de huidige situatie de stroming tijdens opkomend tij over het algemeen van Calandkanaal naar NWW gericht is, wordt bevestigd door Cor. Hij vertelt dat dit nabij het Breeddiep tot verbazing van schippers, lokaal kan leiden tot stroming tegen de richting van de stroming in de rest van de NWW in. Q1) Wat veroorzaakt de (water, zout, impuls) uitwisseling tussen NWW en Calandkanaal? In de discussie passeren de volgende mechanismen de revue: 1) Geleiding stroming / afleiding impuls door landtong Rozenburg 2) Drukgradiënten ten gevolge van waterstandsverschil 3) Drukgradiënten ten gevolge van dichtheidsverschil Ad 1) Landtong Rozenburg zou je kunnen zien als een current deflecting wall, die bij inkomend tij water van de NWW naar het Calandkanaal stuurt. Maar zoals hierboven beschreven blijkt het water juist de andere kant op te stromen. Dit mechanisme is dus als al aanwezig in elk geval niet dominant. Opmerking Cor: Die puist op de landtong heeft een reden: die moet juist de ebstroom geleiden om sterke neren in het Breeddiep te voorkomen. (Correct? Is hier meer informatie over beschikbaar uit eerdere ontwerpstudies?) Ad 2) Sacha merkt op dat de ervaring is dat de waterstandsuitwijking in het Calandkanaal 20 minuten voor loopt op de NWW en dat het maximum vaak tot 10 cm hoger is. Dat zou meer dan genoeg moeten zijn om deze stroming aan te drijven. Het zou de moeite kunnen lonen de verschillen in fase en uitwijking nader te bestuderen, zowel vanuit de modelresultaten als uit metingen. We constateren dat er geen metingen zijn van de waterstand aan de zuidelijke kant van de strekdam. Voor nadere bestudering en voor modelcalibratie / -verificatie zou dat wel wenselijk zijn. Ad 3) De stroming in het Breeddiep zou daarnaast ook aangedreven kunnen worden door het dichtheidsverschil (zie Figuur 3.2). De horizontale drukgradiënt is onderin het grootst (al is de toename bovenin het grootst door het grootste dichtheidsverschil). Dit mechanisme zou dus heel goed gevoelig kunnen zijn voor de veranderingen in de diepte van de gaten. Merk op dat in de huidige situatie sprake is van een drempel, ongeveer als in Figuur 4.1. De Zuid-Noord stroming door het Breeddiep wordt soms zelfs waargenomen bij de Stena aanmeerlocatie aan de Noordelijke oever. Dat laat zien dat de stroming vanuit het Calandkanaal flink kan uitwaaieren. De ingrijpende wijziging van de stroming in de NWW onder invloed van de Breeddiep stroming is ook zichtbaar in Figuur 4.2 (resultaat eerdere Zeedeltaberekening, via Rob). De figuur laat zien dat niet alleen de Z-N stroming in het Breeddiep relatief groot is, maar ook dat de longitudinale stroomsnelheden in de NWW ter plaatse van het Breeddiep groot zijn. Dit lijkt veroorzaakt door contractie ten gevolge van de aanwezigheid van de landtong en van de Z-N stroming, die als een aanvullende obstructie lijkt te werken.

20 30 april /18 Van mechanisme 2) en 3) verwachten we dat deze ook aandrijvende mechanismen zullen zijn in geval van gaten in de langsdam. Figuur 4.1. Schets van de dwarsdoorsnede ter plaatse van het Breeddiep Figuur 4.2. Snap-shot van de stroomsnelheden in de nabijheid van het Breeddiep ( resultaat Zeedelta-berekening)

21 30 april / Mechanismen voor reductie zoutindringing NWW Q2) Via welke mechanismen zou (water, zout, impuls) uitwisseling tussen NWW en Calandkanaal zoutindringing via de NWW kunnen beïnvloeden? Hypothesen-lijst In de discussie komen we tot de volgende mechanismen: De laterale Z-N stroming tijdens opkomend tij zorgt voor: 1) Remming van de zouttongpropagatie door toevoer van water zonder W O impuls 2) Toename van de menging door toevoer van zwaarder water bovenin de waterkolom 3) Ontstaan (en breking) van interne golven door obstructie van de W O stroming, en daardoor toename van de menging Ad 1) Zie 3.4 (starthypothese). Ad 2) Het water uit het Calandkanaal heeft een grotere dichtheid dan het water (bovenin) de NWW (zie Figuur 3.2). Het zal zinken zodra het in de NWW terecht is gekomen. Dit leidt tot verticale stromingen, wat effectief een toename is van de (verticale) menging. Daarnaast kan het ook zo zijn dat het water langs de noordzijde van de drempel naar beneden stroomt. Hierdoor kan een superkritische stroming ontstaan, die bij aankomst aan de bodem van de NWW met een hydraulic jump subkritisch wordt, zie Figuur 4.3. Deze overgang geeft turbulentie en dus menging. Zoutindringing is in een gemengde situatie minder dan in een sterk gelaagde situatie (denk aan menging door bellenpluim). Figuur 4.3. Schets van een dichtheidsgedreven stroming langs de noordelijke zijde van de drempel, met overgang van superkritische naar subkritische stroming (bore). Ad 3) Het water vanuit het Calandkanaal heeft geen impuls in W O richting en werkt daardoor als een blokkade. Deze obstructie triggert het ontstaan van interne golven. Dit onttrekt energie aan de stroming (minder zoutindringing doordat zouttong minder hard stroomt). De interne golven raken hun energie weer kwijt via dissipatie. In het bijzonder als dit gebeurt via breking zorgt dit voor toename van verticale menging (minder zoutindringing vanwege opmenging). Julie verwijst i.v.m. dit mechanisme ook naar een publicatie over resonantie van interne golven achter een obstakel en hun effect op menging en toont oude figuren over interne golven in de NWW.

22 30 april /18 Aandachtspunten: de schaal van de gaten is een schaal waarop niet-hydrostatische effecten een rol kunnen gaan spelen. Die zullen niet goed weergegeven worden door het (hydrostatische TRIWAQ-) model. Vraag is dus of wat we nu in het model zien, correct is; en daarnaast of het model dit mechanisme goed weer kan geven als we dit verder zouden gaan onderzoeken. Daarom is het van belang de hydraulic indicators nader te onderzoeken, bv. intern Froude getal. Hiermee kunnen we bepalen of (brekende) interne golven een rol spelen en in hoeverre sprake is van een niet-hydrostatische situatie. NB: dit zal ook afhankelijk zijn van de hoogte van de drempel: zoals beschreven onder 2) kan de stroming over de drempel zorgen voor een hydraulic jump, wat invloed heeft op de hoogte van de interne golf Gevoeligheid voor ontwerpparameters gaten Q3) Hoe zou verandering van grootte, diepte, aantal of locatie van de gaten de diverse mechanismen beïnvloeden? Stroming: In de HbR-sommen is gevonden dat bij een verbreed Breeddiep meer water van het Calandkanaal naar de NWW stroomt. Voor meerdere, grotere of diepere gaten verwachten we hetzelfde. Daarnaast zijn ook berekeningen gedaan waarin de splitsingsdam volledig was afgegraven tot -6 m NAP. Eigenlijk is dit een limietgeval van aantal of breedte. In die simulatie werd echter juist meer zoutindringing gevonden! Wellicht komt dit juist door een afname van de uitwisselingsstroming, doordat de verschillen in waterstand en getijfase tussen Calandkanaal en NWW niet meer kunnen bestaan. Als dit waar is, moet er dus een optimum bestaan. Het zou ook kunnen komen doordat in het geval van 1 groot gat de uitwisselingsstroming niet is ontdaan van zijn impuls in W-O stroomrichting. De stroming treedt dan dus niet op als blokkade. Zoutindringing: Ad 1) Afremmen zouttong: de verwachting is dat dit mechanisme meer effect heeft naarmate de diepte van de gaten toeneemt. Dan wordt immers het onderste deel van de zouttong het beste afgeremd. Verder neemt de invloed naar verwachting toe met de toename van de uitwisselingsstroming. Ad 2) Toevoer van zwaarder water bovenin de waterkolom: Dit mechanisme is misschien juist niet effectiever bij grotere diepte van de gaten (of verwijdering van de drempel). Als er ook op grotere diepte water van het Calandkanaal naar de NWW stroomt, zal het bovenin aangevoerde water minder snel naar beneden verplaatsen. Ook de eventuele density current langs de helling zal minder snelheid krijgen, waardoor de internal bore kleiner of wellicht afwezig is (intern Froude getal ook afhankelijk van hoogte drempel). Ad 3) Interne golven: wat de diepte van de gaten hiervoor betekent, is niet op voorhand duidelijk. Afwezigheid van de drempel en daarmee de hydraulic jump kan zorgen voor minder of kleinere interne golven. Anderzijds zou een toename van de laterale stroming met toename van de diepte kunnen zorgen voor meer interne golven. Voor al deze mechanismen geldt dat ze waarschijnlijk het meest effectief zijn op locaties (en momenten) waarop de stroming in de NWW gelaagd is.

23 30 april / Aanbevelingen voor mechanisme-verificatie Q4) Welk mechanisme achten we het meest waarschijnlijk, welke minder? Hypothesenprioriteitenlijst Mechanisme 1) wordt zeer plausibel geacht, zowel qua optreden als qua effect op de zoutindringing. Mechanisme 3) zou zeer effectief kunnen zijn. Het is nu moeilijk in te schatten of het mechanisme daadwerkelijk optreedt. Mechanisme 2) wordt ook goed mogelijk geacht. Kortom: ze worden alle waarschijnlijk genoeg geacht om nader te onderzoeken. Q5) Wat moet nader worden onderzocht om de hypothesen over werking en effectiviteit van de mechanismen te toetsen? Hypothese-toetsing Aanbevolen wordt de hydraulic indicators en internal hydraulic controls nader in kaart te brengen. Denk hierbij aan intern Froude getal, tidal excursion, Voor goede classificatie is inzicht in de variatie over het getij wellicht ook relevant. Mechanisme 1) en 3) zouden vervolgens goed onderzocht kunnen worden met een sterk geschematiseerd 2DV modelletje. Verder moet nader gekeken worden naar de waterstands- en dichtheidsverschillen tussen Calandkanaal en NWW gedurende de getijfasen. Dit zou eigenlijk moeten gebeuren aan de hand van metingen. 4.2 Metingen Er is gedurende de discussie ook enige aandacht besteed aan metingen. Tom vestigt de aandacht op meetcampagnes uit het verleden gericht op het functioneren van het Calandkanaal en de NWW en brengt de gedigitaliseerde rapporten in. Het betreft: - Dispersiemetingen Nieuwe Waterweg, RWS, Het systeem Caland-/Beerkanaal als zoetwaterbuffer, RWS, 1985 Cor noemt ook de snelheidsmetingen uitgevoerd ten noorden van het Breeddiep. Deze metingen waren niet in het Breeddiep zelf. Als het gezelschap een verlangenlijstje mocht maken, dan is het nog zeer geïnteresseerd in snelheids- en saliniteitsmetingen in het Breeddiep, idealiter ook sonarmetingen en dan zowel tijdens springtij als bij doodtij. Er wordt geconstateerd dat er geen waterstandsmeetpunt aanwezig is aan de zuidelijke kant van de strekdam. Er zijn sowieso weinig meetgegevens over het Calandkanaal. Ook over de zoutprofielen in de NWW en het Calandkanaal is, naast de profielmetingen in de NWW van december 2011, weinig informatie beschikbaar. (Overige bestaande data: april 2006, in PhD Michel de Nijs; verder naar ons weten niet van recente datum). Voor het onderzoeken van het stromingsmechanisme en valideren van modellen daarvoor zou dat wel zeer prettig zijn. Wat de waterstanden betreft lijkt meten een vrij kleine inspanning. Dichtheidsprofielen vragen een 13 uurs meting met meerdere vaartuigen. Cor en Lambèr merken op dat er ook bij HbR de wens leeft om vaker varende metingen uit te voeren naar saliniteitsprofielen, maar dat er momenteel weinig aanleiding/reden is voor HbR om zich hier echt hard voor te maken en zelf materieel voor in te zetten. Wel is het zo dat men bezig is ook voor vaste meetlocaties informatie te verzamelen over de verticaal. Daar zijn

24 30 april /18 meetopstellingen voor ingericht. Een daarvan blijkt een plekje gekregen te hebben in een haven met vrij homogene saliniteit. Wellicht wordt dat binnenkort aangepast. Tot slot wordt gesproken over mogelijkheden een gezamenlijk project in te richten, bij voorkeur met financiering van buitenaf. Vanuit de wetenschappelijke hoek gezien lijken met name STWprojecten hier mogelijkheden te bieden. Als mogelijkheid wordt genoemd een project op te zetten dat probeert fundamenteel inzicht te krijgen in de werking van de NWW en Calandkanaal als systeem en aan de hand daarvan zoekt naar mogelijkheden om het systeem te beïnvloeden ter beperking van de zoutindringing. Hier zou het opzetten van een serieuze meetcampagne een onderdeel van kunnen zijn. Vanuit de aanwezige wetenschappers is daarvoor zeker animo. In zo n setting zou RWS op kunnen treden als leverancier van de aanleiding / het probleem en als ondersteuner / promotor van een bijdrage van Deltares.

25 30 april /18 5 Conclusies Tijdens de expert workshop op 25/3/2015 stond de vraag centraal of aanleg van verbindingen tussen de NWW en het Calandkanaal (i.e. gaten in de strekdam) een effectieve maatregel zou kunnen zijn tegen zoutindringing via de NWW. De overall conclusie van het gezelschap is dat dit zeer wel mogelijk is. Het gezelschap van experts acht waarschijnlijk / concludeert: - dat er in eventuele gaten, net als in het huidige Breeddiep, tijdens opkomend tij een stroming zal optreden van het Calandkanaal naar de NWW - dat deze stroming veroorzaakt wordt door verschillen in waterstand en dichtheid - dat deze stroming invloed kan hebben op de zoutindringing via: o remming van de zouttongpropagatie door toevoer van water zonder impuls in de richting van de propagatie van de zouttong o toename van de menging door toevoer van zwaarder water bovenin de waterkolom o toename van de menging door (brekende) interne golven ontstaan als gevolg van de obstructie van de stroming in de NWW door de laterale stroming Alle hier genoemde mechanismen worden waarschijnlijk genoeg geacht om nader te onderzoeken. Aanbevolen wordt dit te doen door: - de parameter-classificatie verder uit te breiden - de hydraulic indicators en internal hydraulic controls als intern Froude getal nader in kaart te brengen - met de kennis hieruit te beginnen aan de geplande 2DV model-exercitie Tot slot wordt geconcludeerd dat voor studie van de maatregel gaten in de langsdam en de zoutindringingsmechanismen in de NWW eigenlijk behoefte is aan extra metingen. Deze meetbehoefte behelst allereerst het waterstandsverschil tussen Calandkanaal en NWW, maar ook snelheden in het Breeddiep en variatie in zoutconcentraties / gelaagdheid gedurende de doodtij-springtij cyclus.

26

27 Memo Aan Neeltje Kielen, RWS-WVL Datum 17 november 2015 Van Wouter Kranenburg Aantal pagina's 7 Doorkiesnummer +31(0) Onderwerp Verslag Expert Workshop II: STORM-sessie Haalbaarheid Beperking Zoutindringing NWW middels openingen in de langsdam tussen Calandkanaal en Nieuwe Waterweg Deze memo bevat het verslag van Expert Workshop II binnen het project Verkenning Beperking Zoutindringing Nieuwe Waterweg, opgemaakt door de STORM-facillitators Karen Meijer en Bouke Ottow (beide Deltares). Expert Workshop II, gehouden op 23 september 2015 (zie bijlage voor deelnemerslijst) richtte zich in het bijzonder op de haalbaarheid van het idee zoutindringing te beperken middels openingen in de strekdam tussen het Calandkanaal en de Nieuwe Waterweg. Agenda bijeenkomst / Inhoudsopgave verslag 1 Toelichting door Neeltje Kielen op de aanleiding en het doel van de sessie Toelichting door Wouter Kranenburg op de eerdere expertworkshop Inventarisatie stakeholders en hun belangen Bespreking functioneren van de langsdam Bespreking samenhang tussen factoren De rol van de innovatie: het aanbrengen van openingen in de langsdam Discussie meerwaarde en kans van slagen? Zijn er showstoppers? Wat zijn de kostenposten? Afronding en vervolg... 6 Bijlage: deelnemerslijst... 7

28 veiligheid bereikbaarheid vlotheid waterkwaliteit waterkwantiteit bruikbaarheid ligplaatsen natuurwaarden (visdieven op de dam, zeehondjes op eilanden) instandhouding vaarwegmarkering en installaties beheerder/eigenaar dam Datum 17 november /7 1 Toelichting door Neeltje Kielen op de aanleiding en het doel van de sessie Onderzoeken of er onoverkomelijke bezwaren zijn tegen het aanbrengen van openingen in de langsdam tussen Calandkanaal en Nieuwe Waterweg. Onderzoek door het Havenbedrijf Rotterdam naar de verbreding van het Breeddiep liet zien dat een verbreding leidt tot een afname van de zoutindringing in de Nieuwe Waterweg, wat gunstig is voor zoetwatervoorziening. Op basis van deze resultaten ontstond het idee dat meer openingen in de langsdam mogelijk de zoutindringing nog verder zouden kunnen beperken. Rijkswaterstaat heeft de verantwoordelijkheid voor voldoende en schoon water en een opgave om zuinig en efficiënt om te gaan met zoetwater. Daarom is dit idee opgepakt voor verdere verkenning in het Corporate Innovatie Programma. 2 Toelichting door Wouter Kranenburg op de eerdere expertworkshop Waarin ingegaan is op de verschillende mechanismen waardoor openingen in de langsdam tot beperking van zoutindringing kunnen leiden (zie ook de notitie over de bevindingen uit de eerste workshop en de modelstudie). Tabel 1: Inventarisatie stakeholders en hun belangen RWS x x x x x STENA x x x x Loodswezen x x x Slepers x x x Havenbedrijf x x x x Plezierjachten x x x x Rederijen x x x x Spido x x x Roeiers (?) x x x vissers (prof en plezier) x natuurorganisaties x Dienstverleners MinFin X

29 17 november /7 3 Inventarisatie stakeholders en hun belangen Zie tabel 1. Veiligheid en vlotheid voor de scheepvaart worden gezien als hoofdbelangen, bereikbaarheid hangt daarmee samen. 4 Bespreking functioneren van de langsdam De langsdam is een belangrijk element van het Nieuwe Waterweg/Calandkanaal water- en scheepvaartverkeerssysteem. De functie van deze langsdam komt mogelijk in het geding wanneer hier gaten in worden gemaakt. De volgende stap tijdens de workshop was daarom het identificeren van factoren die het functioneren van de langsdam kunnen beïnvloeden of die het gevolg zijn van de langsdam. Hieronder staan de in de sessie genoemde factoren, gegroepeerd per aspect waarbij de langsdam een functie heeft. a. Water- en scheepvaartverkeerssysteem Hydrodynamische rust Splitsing scheepvaartverkeer Geleiding water- en scheepvaartverkeersstromen Stroomsnelheid Stroomrichting Dwarsstroming Golven/golfdemping Scheiding systemen met verschillen in waterkwaliteit, zoutgehalte, temperatuur b. Land Locatiebeschikbaarheid voor nautische voorzieningen Standplaats voor windturbines Landschappelijke waarde Ligging kabels en olieleidingen c. Factoren die vlotheid en bereikbaarheid beïnvloeden Vaardiepte (als gevolg van bodemdiepte en waterstand) Overzichtelijkheid verkeershotspots Zichtbaarheid van de dam d. Overige belangrijke factoren: Aanslibbing (ivm baggerinspanning) e. Factoren die de langsdam beïnvloeden: Stabiliteit Erosie Beheer en onderhoud

30 17 november /7 Condities Een belangrijke conditie is de beheerscomplexiteit door het feit dat de waterwegen door verschillende partijen beheerd worden. Mogelijk zijn er meer condities te benoemen, maar vanwege de beperkte tijd hebben we hier relatief weinig aandacht aan besteed. 5 Bespreking samenhang tussen factoren Tijdens de sessie is een begin gemaakt met het identificeren van samenhang tussen factoren in een causaal model. Figuur 1: Foto van het in de workshop ontwikkelde causaal model van de samenhang van factoren Na afloop is dit model nog wat opgeschoond en zijn andere punten van de discussie erin verwerkt. Dit is zichtbaar in figuur 2.

31 17 november /7 vlotheid bereikbaarheid ligplaatsen, havens en achterland + aannames mechanisme behoefte beperking zoutindringing beperking zoutindringing/gat + - doorvaartmogelijkheid + openingen in de dam (#, dimensies, modus) golfdemping kruisingen scheepvaart dwarsstroming (debiet en ruimtelijke verdeling) - + hydrodynamische rust wind - veiligheid + + manoevreer baarheid - + informatievo orziening beheer en onderhoud + stabiliteit erosie? - morfologie scheiding watersystemen +? + beheerscom plexiteit locatiebeschikbaarheid voor nautische voorzieningen en vogelhabitat, windturbines en landschappelijke waarde?? + aanlegkosten verlegging leidingen + aanslibbing NWW compensatie rederij totale kosten? Figuur 2: Causaal model van de samenhang van factoren (geel: factoren die de openingen zelf beïnvloeden, blauw: factoren die vlotheid en veiligheid van de scheepvaart beïnvloeden, oranje: factoren in relatie tot kosten, paars: overige factoren) 6 De rol van de innovatie: het aanbrengen van openingen in de langsdam Belangrijkste factoren en grootste onzekerheden: - Deelnemers hebben stickers geplakt bij de factoren die ze het meest van belang vonden en die ze het meest onzeker vonden. - Hier kwamen als belangrijkste factoren uit: o beperking van de zoutindringing, o aanlegkosten, o dwarsstroom en o manoeuvreerbaarheid

32 17 november /7 - Als meest onzekere factoren en relaties kwamen naar voren: o benodigd debiet om zoutindringing tegen te gaan, o relatie tussen ontwerp en manoeuvreerbaarheid o (mate van dwarsstroming, ruimtelijke variatie, maar er speelt nog meer: ook wind/informatievoorziening) De verbreding van het Breeddiep biedt volgend jaar een goede gelegenheid om zoutgehalte en stroming zowel voor als na de ingreep te monitoren. Hier valt veel van te leren in relatie tot de genoemde onzekerheden. 7 Discussie meerwaarde en kans van slagen? Zijn er showstoppers? Uit de discussie kwam het beeld naar voren dat er geen showstoppers zijn, tenzij dwarsstromingen zoveel toenemen/scheiding van de scheepvaart zoveel afneemt dat de scheepvaart onveilig wordt. Van belang is om eerst meer inzicht te krijgen in hoeveel debiet door gaten wenselijk is om zoutindringing te beperken, om vervolgens te kijken hoe de openingen gedimensioneerd en vormgegeven moeten worden. De andere belangen lijken niet erg beïnvloed te worden door gaten in de dam. De mate van invloed hangt ook af van hoe de openingen worden vormgegeven, bijvoorbeeld gegraven of als buis onder het oppervlak. 8 Wat zijn de kostenposten? Onderdeel Onderzoeksbudget: - Manoeuvreerbaarheid (mn irt dwarsstroming) - Metingen voorafgaand aan verbreding Breeddiep (stroomsnelheden, zoutgehalte) belangrijk voor inzicht in werking Aanlegkosten Compensatie rederij Extra maatregelen (leidingen omleggen) Minder/extra baggerkosten/onderhoud watersysteem. Is af te voeren materiaal een kost of een baat? Kosten 1-2 m EUR 40 m EUR voor gaten 0-0,2 m EUR 0,5 m EUR 0,25 m EUR/jaar ( m3/j) = NCW over (15? Jaar) = 2.5 m EUR Het overzicht laat zien dat de aanlegkosten de hoogste kostenpost vormen. De overige kosten bedragen ongeveer 12.5% van de aanlegkosten. 9 Afronding en vervolg De sessie wordt overwegend positief ervaren. Nuttig om informatie vanuit de groep te verzamelen en causale verbanden te verbinden. Tegelijkertijd is de uitkomst niet echt verrassend en vragen sommige deelnemers zich af of onderdelen niet sneller hadden gekund. Deelnemers vragen ook of de vragen niet te vroeg worden gesteld, er is immers nog veel te

33 17 november /7 analyseren/leren zoals bijvoorbeeld rond de verbreding van het Breeddiep en het is eigenlijk nog niet duidelijk wat het benodigde debiet is wil deze maatregel effect kunnen sorteren. Wel wordt geconcludeerd dat de realisatie geen onoverkomelijke bezwaren oplevert: Als het werkt, dan is het te realiseren. De verbreding van het Breeddiep volgend jaar biedt de mogelijkheid om meer inzicht te krijgen in zoutgehaltes en stroming als gevolg van openingen in de langsdam. Bijlage: deelnemerslijst Deelnemer Neeltje Kielen Melle Zegel Arie de Gelder Pedja Zivojnovic Cor van der Schelde Ab Kammen Pieter Noordbeck Johan Pennekamp Martijn de Jong Wouter Kranenburg Karen Meijer Bouke Ottow Organisatie Rijkswaterstaat WVL (initiatiefnemer sessie) Rijkswaterstaat West NL Zuid Rijkswaterstaat West NL Zuid Havenbedrijf Havenbedrijf Havenbedrijf (div. Havenmeester) Havenbedrijf(div. Havenmeester) Deltares Deltares Deltares (initiatiefnemer sessie) Deltares (facilitering sessie) Deltares (facilitering sessie)

34

35 / Memo Deltores ~ Aan Neeltje Kielen (PL RWS) Datum 27 november 2015 Van Wouter Kranenburg Aantal pagina's 30 Doorkiesnummer +31(0) wouter.kranenburg@deltares.nl Onderwerp Verslag Modelonderzoek (project: KPP 2015-CIP Verkenning Beperking Zoutindringing NWW) Samenvatting Tijdens onderzoek van het Havenbedrijf Rotterdam naar verbreding van het Breeddiep is het idee ontstaan zoutindringing via de Nieuwe Waterweg te kunnen verminderen middels het aanbrengen/vergroten van openingen in de strekdam tussen het Calandkanaal en de Nieuwe Waterweg (NWW). Rijkswaterstaat heeft Deltares opdracht gegeven de effectiviteit en haalbaarheid van dit idee voor innovatie te verkennen. Hiertoe zijn twee Expert Workshops georganiseerd en is een beperkt modelonderzoek opgezet. Deze memo rapporteert over dat laatste. In het modelonderzoek zijn de effectiviteit en werking van de innovatie onderzocht met een vereenvoudigd numeriek 3D-model, waarin NWW, Calandkanaal en een klein deel van de zee sterk geschematiseerd zijn gemodelleerd. Uitgangspunt daarbij was er een klein waterstandsverschil optreedt tussen Calandkanaal en NWW dat als aandrijver fungeert van een uitwisselingsstroming tussen beide. Allereerst is het model zodanig afgeregeld dat het waterstandsverschillen produceert vergelijkbaar met resultaten daarvoor van een uitgebreid numeriek model van de Rijn-Maas-monding (het OSR-model). Vervolgens zijn effectiviteit en werking van het idee onderzocht door resultaten voor simulaties met een klein (50x6m) en vergroot (350x12m) Breeddiep met elkaar te vergelijken. De modelresultaten laten inderdaad enige effect zien van een vergrote opening, te weten een reductie van de dieptegemiddelde saliniteit direct landinwaarts van maximaal 2 psu (ong. 7%), een kleinere reductie verder landinwaarts, en een afname van de minimale zoutindringingslengte. De maximale zoutindringingslengte blijft gelijk. De resultaten blijken gevoelig voor aanpassing van de saliniteitsrandvoorwaarde op het Calandkanaal. Mede op grond hiervan concluderen we dat het voornaamste mechanisme waarlangs de zoutindringing via de NWW wordt beïnvloed door het vergroten van de opening is 'verandering van de saliniteit door toegenomen toevoer van water met een afwijkende saliniteit'. Tegelijk constateren we dat het huidige model nog te sterk geschematiseerd is om de eerder met het OSR-model behaalde resultaten kwantitatief te kunnen reproduceren en te interpreteren. Verschillen in waterstand en saliniteit tussen Calandkanaal en NWW blijken bepalend voor de werking en het effect van de innovatie. Daarom bevelen we aan nadere en nauwkeurige informatie hierover te verwerven via metingen ter plaatse, en bij eventuele toepassing van het model in vervolgonderzoek ook het model op deze punten te verbeteren. Versie Datum 30/11/'15 Auteur dr.ir. W.M. Kranenbur ~~~--- Drs. F.M.J. Hoozemans

36 27 november /30 Projectteam W.M. Kranenburg Th. van der Kaaij D. Verploegh Status Definitief

37 27 november /30 Samenvatting Introductie Aanleiding, projectdoel en projectaanpak Doel modelonderzoek en opzet verslag Aannames en hypothesen Hypothesen uit Expert Workshop I Mechanismen voor aandrijving stroming Calandkanaal-NWW Mechanismen voor reductie zoutindringing NWW Aannames / vertrekpunten Waterstanden Saliniteit Vertrekpunten voor de modeleerexercitie Modelbeschrijving Opzet schematisatie Basisschematisatie Aanpassingen Opzet simulatie Oorspronkelijke forcering Aanpassingen Overzicht Modelresultaten Waterstanden en uitwisselingsdebieten Dieptegemiddelde saliniteit en zoutindringingslengte Langs- en dwarsdoorsneden voor saliniteit en snelheid Gevoeligheid van de resultaten voor aangepaste saliniteit in het Calandkanaal Conclusies en aanbevelingen Conclusies Aanbevelingen Referenties Bijlagen... 30

38 27 november /30 1 Introductie 1.1 Aanleiding, projectdoel en projectaanpak Tijdens verkennende studies door het Havenbedrijf Rotterdam (HbR) naar de verbreding van het Breeddiep, is een effect gevonden van deze ingreep op de zoutindringing in de Rijn- Maasmonding. Naar aanleiding hiervan is het idee ontstaan zoutindringing in de Rijn- Maasmonding via de Nieuwe Waterweg mogelijk te kunnen beperken middels gaten in de strekdam tussen de Nieuwe Waterweg en het Calandkanaal. Dit idee gaten in de strekdam als zoutindringing beperkende maatregel is opgepakt door Rijkswaterstaat (RWS) binnen het Corporate Innovatie Programma (CIP). Het doel van dit CIP-project is het verkennen van de effectiviteit en beoordelen van de haalbaarheid van het idee zoutindringing via de Nieuwe Waterweg te beperken door middel van gaten in de langsdam tussen het Calandkanaal en de Nieuwe Waterweg. RWS heeft Deltares gevraagd dit project te begeleiden. De projectaanpak is als volgt: in een eerste Expert Workshop (EW I) is de effectiviteit onderzocht. Dit richtte zich m.n. op de fysische aspecten. Het resultaat van EW I is een lijstje van hypothesen over de mogelijke werking van de maatregel en ideeën en eisen om deze hypothesen snel en eenvoudig te onderzoeken. Deze verificatie van de hypothesen en een eerste kwantificatie gebeurt in een volgende projectstap, waarin de ingreep wordt onderzocht met behulp van een (eenvoudig) computer model. In een tweede Expert Workshop is de haalbaarheid onderzocht. Deze tweede workshop richtte zich m.n. op uitvoeringsaspecten, stakeholders en mogelijke neveneffecten van de ingreep. De voornaamste conclusie van EW II is dat er geen onoverkomelijke neveneffecten van de ingreep worden verwacht. Het voornaamste bezwaarlijke neveneffect lijkt te zijn het effect van dwarsstroming op de scheepvaart. De verwachting is echter dat als uit een eerste ontwerp van de ingreep bekend is hoe groot deze stroming zou worden, de invloed daarvan op de scheepvaart kan worden onderzocht en al te grote bezwaren middels kleine aanpassingen aan het ontwerp kunnen worden weggenomen. 1.2 Doel modelonderzoek en opzet verslag Deze memo heeft betrekking op het modelonderzoek. Het doel van deze modelexercitie is het verifiëren van de hypothesen naar voren gekomen in Expert Workshop I en het geven van een eerste kwantificatie van het effect van de ingreep. Centrale vragen hierbij zijn: 1) Kunnen we met een eenvoudig modelonderzoek bevestigen dat (meer of grotere) verbindingen tussen het Calandkanaal en de Nieuwe Waterweg leiden tot een beperking van de zoutindringing? 2) Zo ja, kunnen we uit de simulatieresultaten verklaren hoe deze beperking tot stand komt, en wat de rol is van de mechanismen genoemd in EW I? 3) Kunnen we komen tot een kwantificatie van het effect van de ingreep, b.v. in termen van concentratiereductie als functie van instroomoppervlak of toegevoerd debiet? De omvang van de modelexercitie is beperkt: Het gehele project (35kE) is een verkennende studie naar effectiviteit en haalbaarheid. Het modelonderzoek is daarvan een onderdeel (ong.

39 27 november /30 12kE). Onder andere vanwege het budget en het stadium van de innovatiecyclus waarin het idee nu is, is gekozen voor een eenvoudige en geïdealiseerde modelexercitie. De opzet van deze memo is als volgt: Eerst zetten we de hypothesen op een rij die naar voren kwamen in EW I. Daarbij beschrijven we ook de aannamen daarachter, die ook aannamen zijn voor deze modelstudie (hoofdstuk 2). Vervolgens beschrijven we de opzet van de modelschematisatie die is geselecteerd voor deze studie, en de aanpassingen daaraan in het kader van dit project (hoofdstuk 3.1), respectievelijk de opzet van de uitgevoerde testsimulaties (hoofdstuk 3.2). In hoofdstuk 3.3 beschrijven we de bijbehorende resultaten. In de discussie in hoofdstuk 0 proberen we de centrale vragen van deze modelexercitie te beantwoorden. Dit mondt uit in conclusies en aanbevelingen in hoofdstuk 5.

40 27 november /30 2 Aannames en hypothesen 2.1 Hypothesen uit Expert Workshop I Mechanismen voor aandrijving stroming Calandkanaal-NWW In output van OSR-modelsimulaties is gevonden dat er tijdens opkomend tij en hoogwater over het algemeen een stroming plaatsvindt van het Calandkanaal naar de NWW. Mogelijke verklaringen hiervoor die ook in EW I naar voren kwamen, zijn: 1) Drukgradiënten ten gevolge van waterstandsverschil 2) Drukgradiënten ten gevolge van dichtheidsverschil Deze mechanismen zouden alleen verklaring kunnen zijn als (1) de waterstand in het Calandkanaal tijdens opkomend tij en hoog water hoger is dan in de NWW, (2) de saliniteit in het Calandkanaal op dat moment groter is dan in de NWW Mechanismen voor reductie zoutindringing NWW De vraag via welke mechanismen een dergelijke uitwisselingsstroming (van water, zout en impuls) tussen NWW en Calandkanaal zoutindringing via de NWW zou kunnen beïnvloeden, leverde de volgende hypothesen: 1) remming van de zouttongpropagatie door toevoer van water zonder impuls in de richting van de propagatie van de zouttong 2) toename van de menging door toevoer van zwaarder water bovenin de waterkolom 3) toename van de menging door (brekende) interne golven ontstaan als gevolg van de obstructie van de stroming in de NWW door de laterale stroming Alle hier genoemde mechanismen werden waarschijnlijk genoeg geacht om nader te onderzoeken. Daarbij werden 1 en 3 het meest waarschijnlijk geacht. 2.2 Aannames / vertrekpunten Waterstanden In Expert Workshop I is naar voren gekomen dat de ervaring is dat de waterstandsuitwijking in het Calandkanaal 20 minuten voor loopt op de NWW en dat het maximum vaak tot 10 cm hoger is. Naar aanleiding hiervan zijn ook resultaten voor het waterstandsverschil van eerdere sommen met het OSR-model bestudeerd (Figuur 2.1). Deze resultaten tonen duidelijk hogere waterstanden in het Calandkanaal ten opzichte van de Nieuwe Waterweg op en rond hoogwater en lagere waterstanden in het Calandkanaal op en rond laagwater, met verschillen in de orde van 5 tot 10 cm. Samenvallen van de fase van het waterstandsverschil met dat van de waterstanden zelf wijst erop dat het waterstandsverschil vooral het gevolg is van verschil in amplitude, en niet zozeer van verschil in fase.

41 27 november /30 De figuur toont ook de uitwisselingsstroming. Deze is in de modelresultaten vrij nauwkeurig in fase met de waterstandsverschillen. Beter dan te zeggen dat de uitwisselingsstroming samenvalt met opkomend tij, is dus om te zeggen dat de stroming van Calandkanaal naar Nieuwe Waterweg samenvalt met uitwijkingen boven de middenwaterstand. Gezien het lopende golf karakter van het getij op de Nieuwe Waterweg, valt dit ongeveer samen met het inkomend tij (i.p.v. het opkomend tij). Samenvallen van uitwisselingsstroom en waterstandsverschil lijkt erop te wijzen dat drukgradiënten door waterstandsverschil (in de hier gebruikte modelresultaten) de voornaamste verklaring zijn voor de uitwisselingsstroming, belangrijker dan verschillen in saliniteit. Figuur 2.1. Boven): waterstand in het Breeddiep, en in de Nieuwe Waterweg en het Calandkanaal en ter hoogte van de Beneluxhaven; (onder): waterstandsverschillen tussen Calandkanaal en Nieuwe Waterweg (blauw) en Noord-Zuid uitwisselingsstroming door het Breeddiep (positief is van Calandkanaal naar Nieuwe Waterweg). Bron: OSR-modelsimulaties voor december 2011, zie rapport Evaluatie I voor specificaties Saliniteit Verschillen in saliniteit zijn dan misschien niet de belangrijkste aandrijver van de uitwisselingsstroming, ze lijken wel te zorgen voor enige verschillen in de uitwisselingsstroming over de diepte. Bijvoorbeeld rond 7/12, 00:00 uur is te zien dat de stroming onderin (hier laag 8 van 10) eerder van zuid naar noord gaat stromen dan hoger in de waterkolom. Dit zou passen bij een situatie waarin de saliniteit in het Calandkanaal hoger is dan in de Nieuwe Waterweg.

42 27 november /30 Dit is een aannemelijke situatie: de Nieuwe Waterweg is immers de weg waarlangs zoeter rivierwater wordt afgevoerd. In Expert Workshop I is daarbij het beeld geschetst van saliniteitsprofielen zoals afgebeeld in Figuur 2.2., met bijgaand drukverschil. Ter vergelijking is naar aanleiding hiervan ook gekeken naar saliniteitsprofielen voor het Calandkanaal in de resultaten van eerder genoemde OSR-sommen (zie Figuur 2.3). Deze resultaten tonen saliniteitsprofielen waarin de waarde bovenin varieert tussen 24 en 29 psu en ondering tusen 32 en 34 psu. Figuur 2.2. Schets van de gebruikelijke dichtheids- en drukprofielen in NWW en Calandkanaal Figuur 2.3. Willekeurig verzameling saliniteitsprofielen voor het observatiepunt in het Calandkanaal ter plaatse van de Beneluxhaven.

43 27 november / Vertrekpunten voor de modeleerexercitie Vertrekpunten voor de modeleerexercitie zijn op grond van het voorgaande: 1) Er is sprake van een uitswisselingsstroming tussen Calandkanaal en Nieuwe Waterweg. De grootte en fasering wordt met name bepaald door waterstandsverschillen en in mindere mate door saliniteitsverschillen. 2) Het Calandkanaal kent hogere hoogwaters en lagere laagwaters dan de Nieuwe Waterweg 3) Het Calandkanaal kent een hogere saliniteit dan de Nieuwe Waterweg We willen het effect van de uitwisselingsstroming onderzoeken. Dat kan door direct een stroming in te brengen in een model van de Nieuwe Waterweg. In eerste instantie zijn we ook zo begonnen in de modelexercitie. Maar omdat de grootte en fase van de uitwisselingsstroming en veranderingen daarin bij aanpassing van de geometrie (verbreding Breeddiep, aanbrengen openingen) worden bepaald door de situatie in het Calandkanaal, hebben we er uiteindelijk voor gekozen Calandkanaal te betrekken in de modelering en zo het model zelf de grootte en timing van de uitwisselingsstroming te laten bepalen. Daarvoor is het dan noodzakelijk dat het model voor de basis case (d.w.z. zonder verbreding van het Breeddiep of aanbrengen van extra openingen) waterstandsverschillen laat zien vergelijkbaar met de resultaten van de eerdere OSR sommen.

44 27 november /30 3 Modelbeschrijving 3.1 Opzet schematisatie Basisschematisatie Als startpunt voor de modelschematisatie voor deze studie is gebruik gemaakt van de modelschematisatie toegepast in Friocourt et al. (2010): Kwantificering effect zoutbeperkende maatregelen Rijnmond. In die studie is een aantal zoutbeperkende maatregelen met elkaar vergeleken gebruikmakend van een vrij sterk geschematiseerd numeriek model. Dit model is feitelijk een naar prototype-schaal opgeschaalde versie van een numeriek model van de Getijgoot. De Getijgoot is een vroegere experimentele faciliteit die juist bedoeld was als een geschaalde versie van de Nieuwe Waterweg. De modelschematisatie in genoemde studie bestond uit een zee-deel van 10 bij 10 km en een kanaal van 400 m in dwarsrichting en 104,5 km in lengterichting, met als diepteprofiel een trapjeslijn-achtige configuratie. De toevoer vanaf de Oude Maas is gemodelleerd als een lozing over de volledige breedte van de Nieuwe Waterweg. Aan de zeerand wordt een waterstandsvariatie opgelegd, aan de rivierrand een debiet. Om het model in te kunnen zetten voor het onderling vergelijken van verschillende maatregelen, heeft het rooster rondom de locatie van de verwachte maximale zoutindringing roostercellen van 50 m breed. De breedte loopt op tot 500 m aan uiteinden. In eerdere studies is het model gevalideerd tegen Getijgoot metingen. Daarbij is vooral gekeken naar minimale en maximale zoutindringingslengte en reproductie van het gedrag bij verandering van getijamplitude, rivierdebiet en bodemhoogte van de Nieuwe Waterweg. Zie Friocourt et al. (2010) voor een samenvatting hiervan Aanpassingen De voornaamste aanpassing aan het rooster is de toevoeging van een kort kanaal parallel aan het lange kanaal als schematisatie van het Calandkanaal. Op 3 km van de zeerand is een verbinding aangebracht tussen de twee kanalen als modelering van het Breeddiep. In de nabijheid van dit Breeddiep zijn de roostercellen ook verkleind tot 50 m brede cellen. Dit om een goede schematisatie van de geometrie mogelijk te maken (het huidige Breeddiep is orde 50 m breed), maar ook om lokale stromingsverschijnselen nabij de opening enigszins realistisch te kunnen modelleren. Ook hier loopt de roostercelbreedte naar beide zijden op, waarbij een groeifactor is toegepast van maximaal Figuur 3.1 geeft de lokale roostercelbreedte als functie van de afstand vanaf de zeerand, zowel voor het originele als het aangepaste rooster. Bij de ontwikkeling van een voor deze studie geschikte modelschematisatie zijn diverse configuraties de revue gepasseerd. Deze zijn weergegeven in Figuur 3.2. Allereerst is het kanaal aangebracht met een lengte van 15,2 km, een breedte van 350 m, een diepte van 22 m, een open verbinding aan zeezijde en een gesloten rand aan de landzijde, en is een opening van 50 m breedte toegevoegd tussen de twee kanalen. Met deze configuratie zijn testsommen gedaan (meer over de forceringen in de volgende sectie). Daaruit bleek dat er wel een uitwisselingsstroming tot stand kwam, maar dat deze in ieder geval boven in de waterkolom voornamelijk van de Nieuwe Waterweg naar het Calandkanaal was gericht. Inspectie van de waterstanden liet zien dat we met deze configuratie nog niet het gewenste waterstandsverschil reproduceerden. Gedurende het grootste deel van de getijcyclus was de waterstand op de Nieuwe Waterweg hoger dan op het Calandkanaal. Rond hoogwater werd dit verschil wel

45 27 november /30 kleiner, maar ontstond er nog geen naar de Nieuwe Waterweg gericht verhang. In een poging dit te verbeteren, zijn diverse aanpassingen verricht. Allereerst is het Calandkanaal verbreed tot 500 m in de overtuiging dat dit een realistischer weergave van de werkelijkheid is. Vervolgens is een bergend oppervlak toegevoegd aan het uiteinde van de Nieuwe Waterweg. Ook dit lijkt een meer realistische weergave van de werkelijkheid, en deze is toegevoegd vanuit het vermoeden dat dit bergende oppervlak van invloed kan zijn op het waterstandsverschil ter plaatse van het Breeddiep. Dit zou dan waarschijnlijk eerder gevolg zijn van verandering van de fase van het getij dan van wezenlijke aanpassing van de maximale uitwijking. Bergingsgebieden van verschillende grootte zijn onderzocht. Deze aanpassingen hadden echter niet het gewenste effect op de waterstanden, waterstandsverschillen en uitwisselingsstroming. Uiteindelijk is het extra bergend oppervlak dan ook weer afgesloten van de rivier (Figuur 3.2, rechter plaatje). Figuur 3.1. Lokale roostercelbreedte als functie van de afstand vanaf de zeerand. Merk op dat de strekdam ongeveer 3 km lang is. Het Breeddiep valt daarmee op 13 km vanaf de zeerand. Om toch het gewenste waterstandsverschil en de daarbij behorende uitwisselingsstroming te bereiken, is er uiteindelijk voor gekozen om in het Calandkanaal halverwege de afstand Breeddiep zee een open rand aan te brengen en daar een enigszins gemanipuleerd waterstandssignaal op te leggen (daarover meer in de volgende paragraaf). Voor deze verkennende studie levert deze ingreep een bruikbaar onderzoeksinstrument. We bevelen echter aan om bij toepassing van het model in eventueel vervolgonderzoek verder te zoeken naar manieren om het model zelf het gezochte waterstandsverschil te laten produceren. Er is voor gekozen het effect en de werking van extra uitwisseling tussen Calandkanaal en Nieuwe Waterweg in eerste instantie te onderzoeken aan de hand van verbreding en verdieping van het Breeddiep. Uiteindelijk, in het bijzonder voor kwantificatie van het effect, zullen ook extra openingen en openingsdieptevariaties moeten worden onderzocht. Maar voor onderzoek naar de werking denken we dat de vergelijking tussen een smalle, ondiepe versus een brede, diepe opening de essentiële elementen bevat. Om dit te kunnen onderzoeken zijn extra cellen aangebracht tussen het Calandkanaal en de Nieuwe Waterweg, die weer kunnen worden afgesloten met dunne dammen, zie Figuur 3.3.

46 27 november /30 Figuur 3.2. Onderzochte modelschematisaties

47 27 november /30 Figuur 3.3. Uitsnede van het rooster, met verbinding tussen Calandkanaal (zuid) en Nieuwe Waterweg (noord). Rode cellen: verbreding. De twee situaties waar tijdens het onderzoek de meeste aandacht naar is uitgegaan, zijn de situaties met een opening van 50 x 6 m en van 350 x 12 m (breed x diep). Het Calandkanaal is 22 m diep, de Nieuwe Waterweg ter plaatse van het Breeddiep 16 m. Dat betekent dat een dwarsdoorsnede over beide kanalen door het Breeddiep een grote bodemhoogtevariatie kent, in het bijzonder bij een openingsdiepte van 6 m. In eerste instantie is het onderzoek uitgevoerd met een model met 10 σ-lagen van elk 10% van de waterdiepte. De grote bodemhoogtevariatie rond het Breeddiep, maar ook de modelresultaten nabij enkele trappen in de bodemhoogte van de Nieuwe Waterweg, zijn aanleiding geweest uiteindelijk te kiezen voor simulaties met z-lagen met vaste laagdiktes van 1,0 m. Dit met name om uit te sluiten dat zout van de grotere dieptes op het Calandkanaal onterecht over de drempel wordt getild of het zout ter plaatse van de drempels onrealistisch wordt opgemengd. 3.2 Opzet simulatie Oorspronkelijke forcering Het basismodel (zie Friocourt et al., 2010) werd geforceerd met de volgende waterstandsranden en rivierdebieten: - Zeerand: een dubbeldaags getij (30 deg/h) met een amplitude van 0.8 m (ongeveer het gemiddelde getij bij Hoek van Holland) - Rivier debiet Nieuwe Maas: 252 m 3 /s - Rivier debiet Oude Maas (opgelegd als lozing): 412 m 3 /s Deze rivierdebieten behoren bij een Bovenrijnafvoer van 800 m 3 /s, waarvan 740 m 3 /s wordt afgevoerd via de Nieuwe Waterweg en het Hartelkanaal. (In dit geval wordt dus verondersteld

48 27 november /30 dat 664 m 3 /s wordt afgevoerd via de Nieuwe Waterweg). Dit is dus een situatie met een extreem lage afvoer. Het rivierwater krijgt een saliniteit mee van psu, het zeewater van 33 psu. De simulaties worden gerund voor 10 dagen en worden opgestart vanuit een restart met initiële condities afkomstig uit een eerdere simulatie voor een langere periode Aanpassingen De zee- en rivierrandvoorwaarden zijn ongewijzigd toegepast. Er is echter een extra rand bijgekomen door het toepassen van een open rand in het Calandkanaal halverwege de afstand Breeddiep zee. Aan deze rand wordt een tijdserie opgelegd voor de waterstandsvariatie. Deze tijdserie is als volgt bepaald: Eerst is een simulatie gerund met een klein Breeddiep waarin deze open rand nog niet was toegepast. Uit de resultaten van deze run zijn de resultaten voor de waterstand op de locatie van de open rand uitgelezen. Vervolgens is deze tijdserie vermenigvuldigd met 1,1 en opgelegd op de open rand. Zodoende is de situatie bereikt dat er een waterstandsverschil tussen Calandkanaal en Nieuwe Waterweg ontstaat dat een stroming aan kan drijven van Calandkanaal naar Nieuwe Waterweg. Vermenigvuldiging met een factor van 1,1 levert waterstandsverschillen op in de range van de waarden gevonden in de eerdere resultaten van het OSR-model (tot 10 cm). We merken nogmaals op dat we aanbevelen deze wijze van forcering te verbeteren bij eventuele toekomstige modeltoepassingen voorbij het niveau van verkenning. Aan de open rand is een saliniteit opgelegd iets lager dan die van het zeewater. Er zijn simulaties uitgevoerd met 27 psu en met 31 psu aan de rand (daarover meer bij resultaten ). Ook is een Thatcher-Harleman time lag toegepast, wat betekent dat bij begin van instroom het instromende water niet meteen de waarde krijgt van de opgelegde randvoorwaarde, maar langzaamaan daarheen ontwikkelt vanuit de saliniteit van het kort daarvoor nog uitstromende water. De hierboven beschreven randvoorwaarde wordt ook gebruikt voor de simulaties met een breed en diep Breeddiep. In die gevallen blijkt de (grotere) uitwisselingsstroming significante invloed te hebben op de waterstanden, en ook op de laterale variatie van de waterstand in het Calandkanaal. Voor deze situatie ligt de (lateraal uniforme) open rand eigenlijk te dicht bij het Breeddiep, waardoor lokaal onrealistisch grote horizontale snelheden kunnen ontstaan. Dit is opgelost door de viscositeit in de nabijheid van de open rand lokaal te verhogen. 3.3 Overzicht De diverse stappen in de hierboven beschreven schematisatieontwikkeling zijn terug te vinden in de reeks van uitgevoerde simulaties. De verschillende simulaties hebben een grote verzameling modelresultaten opgeleverd. Naar verwachting kan nadere bestudering van de onderlinge verschillen tussen de diverse tussenstappen nog nuttige inzichten opleveren. We denken hierbij aan nader inzicht in de verschillen tussen σ- en z-lagen voor zoutindringing. Maar ook aan inzicht in de verschillen tussen hydrostatisch en niet-hydrostatisch rekenen, want ook dat is in de loop van het traject een keer onderzocht. Bij de bespreking van de resultaten zullen we ons echter beperken tot bespreking van de resultaten met de uiteindelijke schematisatie en forcering.

49 27 november /30 De namen van de uiteindelijke simulaties en enkele onderscheidende kenmerken zijn op een rij gezet in Tabel 3.1. Tabel 3.1 Naam en belangrijkste kenmerken van de uiteindelijke simulaties Naam Opening Breeddiep [m] RVW CLNDKNL Waterlevel [m] RVW CLNDKNL Saliniteit [psu] Z17 50 x 6 Tijdserie * Z18 50 x 12 Tijdserie * Z19 50 x 6 Tijdserie * Z20 50 x 12 Tijdserie *

50 27 november /30 4 Modelresultaten Hieronder bespreken we voor de simulaties met de uiteindelijke schematisaties en forceringen achtereenvolgens de resultaten voor (1) waterstanden en uitwisselingsdebieten, (2) dieptegemiddelde saliniteit en zoutindringingslengte, en (3) langs- en dwarsdoorsneden voor snelheid en saliniteit. Het eerste is hoofdzakelijk bedoeld als controle: hebben we inderdaad de (waterstands)condities bereikt die we nastreefden, en levert dat ook de verwachte uitwisselingsdebieten op? De tweede categorie resultaten zijn met name geschikt om het algemene effect van de ingreep in kaart te brengen. Met de derde categorie resultaten kijken we in meer detail naar wat er ter plaatse van de ingreep gebeurt, om zo inzicht te verwerven in de mechanismen waarlangs het effect wordt bewerkstelligd. 4.1 Waterstanden en uitwisselingsdebieten Figuur 4.1 toont modelresultaten voor de waterstanden in het Calandkanaal en de Nieuwe Waterweg, en het waterstandsverschil tussen beide. Deze resultaten zijn afkomstig uit simulatie z17, dat is dus een simulatie met een kleine Breeddiep opening van 50 x 6 m. De resultaten laten zien dat met de hier gebruikte schematisatie en forcering, resultaten worden verkregen voor het waterstandsverschil in dezelfde orde als gevonden in eerdere OSR-model resultaten, zie Figuur 2.1. Figuur 4.1. Modelresultaten voor waterstanden in het Calandkanaal (rood) en de Nieuwe Waterweg (zwart), en het waterstandsverschil tussen beide (blauw). Zie bijlage voor figuur met exacte locatie van de observatieputenten in Calandkanaal en Nieuwe Waterweg waarvoor deze tijdseries zijn verkregen. Figuur 4.2 toont modelresultaten voor het uitwisselingsdebiet tussen het Calandkanaal en de Nieuwe Waterweg. Deze resultaten zijn verkregen voor simulaties z18 en z17, met een Breeddiep van respectievelijk 350 x 12 m en 50 x 6 m. Voor de kleine opening wordt een debiet verkregen met een maximum van zo n m 3 /s. Voor de grote opening is het maximum zo n 2700 m 3 /s. Ook de debieten vergelijken willen we vergelijken met de eerdere OSR-modelresultaten. In Figuur 2.1 zijn stroomsnelheden door het Breeddiep gevonden met maxima van ongeveer 0,7 m/s. Bij een doorstroomoppervlak van 50 x 6 m zou dit resulteren in een debiet van maximaal 210 m 3 /s. Dat betekent dat het in Figuur 4.2 gevonden debiet wellicht wat groot, maar van dezelfde orde is als debieten in de OSR-resultaten.

51 27 november /30 Op grond van de resultaten voor waterstanden en uitwisselingsdebieten in geval van een kleine Breeddiep opening, achten we het huidige model geschikt als instrument voor dit verkennend onderzoek naar de effecten van extra openingen en de mechanismen daarachter. Het maximale uitwisselingsdebiet in geval van een vergrote opening is zo n 10 keer zo groot als het debiet voor de kleinere opening. De opening zelf is (350x12)/(50x6) = 14 keer zo groot. Het valt te verwachten dat het debiet toeneemt met toenemende openingsgrootte, maar dat deze toename niet lineair zal zijn: een groeiend uitwisselingsdebiet zal op den duur ook de waterstanden in Calandkanaal en Nieuwe Waterweg significant beïnvloeden, en daarmee het waterstandsverschil dat de uitwisselingsstroming aandrijft. Met het oog op te verwachten effect is het nuttig na te gaan hoe groot deze uitwisselingsdebieten zijn ten opzichte van het getijdebiet door de Nieuwe Waterweg waarmee ook het zout binnendringt. Uitgaande van een breedte van 400 m, een diepte van 15 m en een pieksnelheid van zo n 1,5 m/s, is een ruwe schatting van het maximale getijdebiet ongeveer 400x15x1.5 = 9000 m 3 /s. Dat zou betekenen dat met de hier toegepaste vergroting van het uitwisselingsoppervlak de laterale instroom vanuit het Breeddiep toeneemt van 1/30 ste tot 1/3 e van het getijdebiet. Hiervan mag wel effect worden verwacht, want dit is te zien als een toename van nagenoeg verwaarloosbaar ten opzichte van het getijdebiet tot significant. Figuur 4.2. Modelresultaten voor uitwisselingsdebieten tussen het Calandkanaal en de Nieuwe Waterweg. Rood: voor simulatie z18, i.e. Breeddiep van 350x12m, blauw voor simulatie z17, i.e. Breeddiep van 50x6m. Positief is debiet in noordelijke richting.

52 27 november / Dieptegemiddelde saliniteit en zoutindringingslengte Figuur 4.3 tot Figuur 4.5 tonen momentopnames van de dieptegemiddelde saliniteit langs de as van de Nieuwe Waterweg en Nieuwe Maas. Figuur 4.3 hoort ongeveer bij het moment van maximale instroom door de opening tussen Calandkanaal en Nieuwe Waterweg. Dit valt ongeveer samen met hoogwater ter plaatse, zie en bovenste panel van Figuur 4.3. Figuur 4.4 en Figuur 4.5 horen respectievelijk bij het moment van maximale en minimale zoutindringingslengte. De vergelijking van de resultaten voor een grote en een kleine uitwisselingsopening in Figuur 4.3 laat duidelijk effect zien van de vergroting van de opening: met een vergrote opening is de dieptegemiddelde concentratie direct zeewaarts van het Breeddiep hoger en direct landinwaarts van het Breeddiep lager dan voor een kleine opening. Rondom het Breeddiep is dit verschil in deze simulatie maximaal 2 psu. Dit is ongeveer 7 % van de saliniteit ter plaatse. Ook verder landinwaarts is waarneembaar dat de saliniteit lager is voor de simulatie met een vergrote opening. Het verschil is verder landinwaarts echter wel kleiner. Figuur 4.3 Onder: dieptegemiddelde saliniteit als functie van de afstand vanaf de zeerand, ongeveer op het moment van maximale instroom vanuit het Calandkanaal naar de Nieuwe Waterweg. Rood: voor simulatie z18 (grote uitwisselingsopening), zwart: voor simulatie z17. Boven: waterstanden bij de monding van de Nieuwe Waterweg en bij Brienenoord. Ook in Figuur 4.4, behorend bij het moment van maximale zoutindringing, is waarneembaar dat de dieptegemiddelde saliniteit in geval van vergrote opening landinwaarts van het Breeddiep lager is dan voor de kleine opening. Het is echter opvallend dat dit verschil zich niet uitstrekt tot de locatie van maximale zoutindringing: aan de landinwaartse zijde vallen de lijnen nagenoeg samen. Voor de minimale zoutindringingslengte, Figuur 4.5, zijn er wel verschillen te zien: op het moment van minimale zoutindringing is het zout vanuit zee in geval van een vergrote opening ongeveer 800 m minder ver de rivier opgekomen.

53 27 november /30 Figuur 4.4 Onder: dieptegemiddelde saliniteit als functie van de afstand vanaf de zeerand, op het moment van maximale zoutindringingslengte. Rood: voor simulatie z18 (grote uitwisselingsopening), zwart: voor simulatie z17. Boven: waterstanden bij de monding van de Nieuwe Waterweg en bij Brienenoord. Figuur 4.5 Onder: dieptegemiddelde saliniteit als functie van de afstand vanaf de zeerand, ongeveer op het moment van minimale zoutindringingslengte. Rood: simulatie z18; zwart: simulatie z17. Boven: waterstanden bij de monding van de Nieuwe Waterweg en bij Brienenoord. Naast bovenbeschreven waarnemen valt op dat er in alle drie de figuren een dip aanwezig is in de dieptegemiddelde saliniteit ter plaatse van punt OM, dat is de locatie van instroom vanuit de Oude Maas. In het model vindt hier een continue instroom van zoet water plaats met een

54 27 november /30 constant debiet, waarmee de toestroom vanuit de Oude Maas wordt gesimuleerd. In werkelijkheid is deze toestroom niet constant in de tijd, maar vindt er tijdens vloed ook stroming plaats de Oude Maas op. Daarnaast is de saliniteit ten tijde van instroom (ebstroom) onder omstandigheden van lage rivierafvoer waarschijnlijk ook een stuk hoger dan de achtergrondswaarde, omdat er een gedeelte van de eb zeewater terugstroomt dat bij vloed is ingestroomd. Voor eventuele toekomstige modeltoepassing zou het goed zijn de modelering van de Oude Maas aan te passen. In de hier uitgevoerde testen lijkt het echter de relatieve effecten op de Nieuwe Maas niet te verstoren. Maken we aan de hand van deze figuren de balans op, dan concluderen we dat er sprake is van een duidelijk effect ter plaatse van de opening, dat ook meer landinwaarts de saliniteit afneemt bij vergroting van de uitwisselingsopening, maar dat er niet of nauwelijks sprake is van effect op de maximale zoutindringingslengte. De observatie dat het effect lokaal groter is dan verder landinwaarts is ook van belang voor het verklaren van de werking van de ingreep. Twee hypothesen in paragraaf komen er op neer dat zoutindringing mogelijk verminderd wordt door toename van de menging ter plaatse van de zijdelingse instroom. In afwezigheid van andere mechanismen, zou toename van menging ervoor zorgen dat de dieptegemiddelde concentratie lokaal niet of nauwelijks zou veranderen, terwijl deze verderop en later in de tijd lager zou worden doordat het zout in geval van een beter gemengd systeem minder ver doordringt. Kortom, Figuur 4.3 tot Figuur 4.5 wijzen er niet op dat lokale beïnvloeding van de menging het dominante mechanisme is. 4.3 Langs- en dwarsdoorsneden voor saliniteit en snelheid Om meer inzicht te krijgen in de totstandkoming van het effect kijken we vervolgens naar langs- en dwarsdoorsneden voor saliniteit en snelheid. Figuur 4.6 tot Figuur 4.9 tonen langsdoorsneden van de saliniteit in de Nieuwe Waterweg en Nieuwe Maas. De eerste twee tonen de doorsnede ten tijde van de maximale instroom vanuit het Calandkanaal (00:00 / 12:00), respectievelijk voor simulatie z18 en z17. Figuur 4.8 en Figuur 4.9 tonen de langsdoorsnede ongeveer voor het moment van maximale zoutindringing (02:30), ook voor respectievelijk z18 en z17. Het beeld dat hieruit naar voren komt, is goed te rijmen met de dieptegemiddelde saliniteitsprofielen uit de vorige paragraaf: in de resultaten behaald met de vergrote opening (z18) liggen de contouren van gelijke saliniteit bv. nabij Botlek, Lekhaven en Waalhaven allemaal iets verder zeewaarts. Op het moment van maximale instroom vinden we ter plaatste en direct landinwaarts van het Breeddiep een lagere concentratie terug, in elk geval onder z=- 4m. Op het moment van maximale zoutindringing is dit ook terug te vinden in het gebied van Breeddiep tot Maassluis. In Figuur 4.6 is ook te zien dat voor simulatie z18 op het moment van maximale instroom de saliniteit ter plaatse van de instroom lokaal aanzienlijk uniformer over de diepte is dan verderop langs de raai. Elders blijft de gelaagdheid echter goed in stand, ook later (02:30). Ook dit is een aanwijzing dat toename van de menging niet het dominante mechanisme is. Het lijkt er eerder op dat de saliniteit landinwaarts van het Breeddiep in het geval van een vergrote opening iets lager is dan bij een kleine opening door een toevoer van water met een saliniteit die lager is dan op dat moment in de Nieuwe Waterweg het geval is.

55 27 november /30 Figuur 4.6 Onder: langsdoorsnede van de saliniteit in de Nieuwe Waterweg en Nieuwe Maas, ongeveer op het moment van maximale instroom vanuit het Calandkanaal naar de Nieuwe Waterweg (12:00), voor simulatie z18. Boven: waterstanden in Calandkanaal (rood) en Nieuwe Waterweg (zwart) en waterstandsverschil (blauw). Figuur 4.7 Onder: langsdoorsnede van de saliniteit in de Nieuwe Waterweg en Nieuwe Maas, ongeveer op het moment van maximale instroom vanuit het Calandkanaal naar de Nieuwe Waterweg (12:00), voor simulatie z17. Boven: waterstanden in Calandkanaal (rood) en Nieuwe Waterweg (zwart) en waterstandsverschil (blauw).

56 27 november /30 Figuur 4.8 Onder: langsdoorsnede van de saliniteit in de Nieuwe Waterweg en Nieuwe Maas, ongeveer op het moment van maximale zoutindringing (14:30), voor simulatie z18. Boven: waterstanden in Calandkanaal (rood) en Nieuwe Waterweg (zwart) en waterstandsverschil (blauw). Figuur 4.9 Onder: langsdoorsnede van de saliniteit in de Nieuwe Waterweg en Nieuwe Maas, ongeveer op het moment van maximale zoutindringing (14:30), voor simulatie z17. Boven: waterstanden in Calandkanaal (rood) en Nieuwe Waterweg (zwart) en waterstandsverschil (blauw).

57 27 november /30 De verschillen tussen saliniteit in het Calandkanaal en de Nieuwe Waterweg, maar ook tussen Nieuwe Waterweg met kleine en grote instroom, zijn terug te vinden in Figuur 4.10 en Figuur Deze figuren tonen een dwarsdoorsnede over het Calandkanaal, het Breeddiep en de Nieuwe Waterweg voor saliniteit en snelheden in het vlak voor een moment tegen het einde van de instroming vanuit het Calandkanaal. Figuur 4.10 Onder: dwarsdoorsnede over Calandkanaal (links), Breeddiep (midden) en Nieuwe Waterweg (rechts) met saliniteit (kleuren) en snelheden in het vlak (vectoren), tegen het einde van de instroom (1:00), voor simulatie z18. Boven: waterstanden in Calandkanaal (rood) en Nieuwe Waterweg (zwart) en waterstandsverschil (blauw). Figuur 4.11 Onder: dwarsdoorsnede over Calandkanaal (links), Breeddiep (midden) en Nieuwe Waterweg (rechts) met saliniteit (kleuren) en snelheden in het vlak (vectoren), tegen het einde van de instroom (1:00), voor simulatie z17. Boven: waterstanden in Calandkanaal (rood) en Nieuwe Waterweg (zwart) en waterstandsverschil (blauw).

58 27 november /30 Vergelijking laat zien dat de saliniteit in de Nieuwe Waterweg voor simulatie z18 veel uniformer is dan voor simulatie z17. Daar is nog sprake van een vrij sterke gelaagdheid. Het valt niet direct op grond van de grafiek uit te sluiten dat dit komt door extra menging. Wel is te zien bij een grotere opening een dichtheidsverschil ontstaat in het Calandkanaal: aan de bodem verschijnt zouter water. Uit voorgaande momentopnamen valt op te maken dat dit afkomstig is uit de Nieuwe Waterweg (zie ook de bij het rapport geleverde filmpjes). Overeenkomstig lijkt de aanvoer van zoeter water vanuit het Calandkanaal het verantwoordelijke mechanisme voor afname van de gelaagdheid en de saliniteit onder z=-4 m in de Nieuwe Waterweg. 4.4 Gevoeligheid van de resultaten voor aangepaste saliniteit in het Calandkanaal Op grond van het voorgaande is het relevant te onderzoeken wat de gevoeligheid is van de resultaten voor aangepaste saliniteit in het Calandkanaal. Een grote gevoeligheid zou bevestigen dat aanvoer van water met afwijkende saliniteit een belangrijk mechanisme is, belangrijker dan de in veel mindere mate aan de saliniteit van het toegevoerde water verbonden mechanismen als remming van de getij-instroom door toevoer van water zonder impuls in getij-instroomrichting of extra menging door interne golven ten gevolge van stromingsblokkade. Tegelijk geeft gevoeligheidsonderzoek aan hoe belangrijk goede informatie over de saliniteit in het Calandkanaal is voor conclusies en zekerheid over de effectiviteit van openingen tussen Calandkanaal en Nieuwe Waterweg als maatregel ter beperking van zoutindringing. Figuur 4.12 Onder: dwarsdoorsnede over Calandkanaal (links), Breeddiep (midden) en Nieuwe Waterweg (rechts) met saliniteit (kleuren) en snelheden in het vlak (vectoren), tegen het einde van de instroom (1:00), voor simulatie z20. Boven: waterstanden in Calandkanaal (rood) en Nieuwe Waterweg (zwart) en waterstandsverschil (blauw). Om een waterstandsverschil te bewerken waarmee de uitwisselingsstroming zou worden aangedreven, hebben we er in hoofdstuk 3 voor gekozen een open rand aan te brengen in het Calandkanaal en daar het model te forceren met een enigszins gemanipuleerde tijdserie voor de waterstanden. Daarmee werd het noodzakelijk ook een saliniteit in te geven voor het water dat gedurende een deel van de tijd aan die rand binnenstroomt. In simulatie z17 en z18 is gekozen voor een waarde van 27 psu. Simulatie z19 en z20 zijn uitgevoerd met een saliniteit

59 27 november /30 van 31 psu (zie Tabel 3.1, en ook Figuur 2.3 voor een vergelijking van deze waarden met eerdere resultaten van het OSR-model). Figuur 4.12, Figuur 4.13 en Figuur 4.14 tonen resultaten behorend bij simulatie z20, dus een saliniteitsrandvoorwaarde van 31 psu op de open rand in het Calandkanaal en een vergroot Breeddiep. De dwarsdoorsnede in Figuur 4.12 laat zien dat bij hogere saliniteit van het Calandkanaal de saliniteit van de Nieuwe Waterweg tegen het einde van de instroom door het Breeddiep ook meer in die richting is aangepast. De langsdoorsnede op het moment van maximale instroom in Figuur 4.13 laat zien dat bij hogere saliniteit van het Calandkanaal de saliniteit nabij het Breeddiep ook iets hoger wordt en dat de contouren van de saliniteit tussen Maassluis en Brienenoord iets naar het oosten opschuiven. De grafiek in Figuur 4.14 van de dieptegemiddelde saliniteit langs de Nieuwe Waterweg op het moment van maximale zoutindringing laat zien dat er bij gebruik van de hogere waarde voor de saliniteit op de rand in het Calandkanaal nagenoeg geen sprake meer is van effect van de vergrote opening op de dieptegemiddelde saliniteit in de Nieuwe Waterweg. Figuur 4.13 Onder: langsdoorsnede van de saliniteit in de Nieuwe Waterweg en Nieuwe Maas, ongeveer op het moment van maximale instroom vanuit het Calandkanaal naar de Nieuwe Waterweg (12:00), voor simulatie z20. Boven: waterstanden in Calandkanaal (rood) en Nieuwe Waterweg (zwart) en waterstandsverschil (blauw). Kortom, de modelresultaten laten zien dat de effectiviteit van de maatregel in niet onbelangrijke mate bepaald wordt door de saliniteit op het Calandkanaal. Op grond hiervan concluderen we dat aanvoer van water met afwijkende saliniteit een belangrijk mechanisme is waarlangs openingen in de langsdam tussen Calandkanaal en Nieuwe Waterweg de zoutindringing zou kunnen beïnvloeden. Dat brengt met zich mee dat, om de effectiviteit verder in te kunnen schatten en eventueel vervolgstappen te kunnen zetten in het ontwerp, informatie over de saliniteit in het Calandkanaal, of beter gezegd over het verschil in saliniteit tussen Calandkanaal en Nieuwe Waterweg, essentieel is. Dat geldt overigens ook voor informatie over het waterstandsverschil. In deze studie is dat verschil aangenomen als vertrekpunt van deze studie.

60 27 november /30 Figuur 4.14 Onder: dieptegemiddelde saliniteit als functie van de afstand vanaf de zeerand, op het moment van maximale zoutindringingslengte. Rood: voor simulatie z20 (grote uitwisselingsopening), zwart: voor simulatie z19. Boven: waterstanden bij de monding van de Nieuwe Waterweg en bij Brienenoord.

61 27 november /30 5 Conclusies en aanbevelingen 5.1 Conclusies Op grond van het modelonderzoek zijn de volgende conclusies te trekken: 1) Kunnen we met een eenvoudig modelonderzoek bevestigen dat (meer of grotere) openingen tussen het Calandkanaal en de Nieuwe Waterweg leiden tot een beperking van de zoutindringing? In de modelresultaten zijn inderdaad effecten waargenomen van een vergroting van de opening tussen Calandkanaal en Nieuwe Waterweg. Dit betrof een vermindering van de saliniteit direct landinwaarts van de opening met ongeveer 2 psu (is ongeveer 7% van de waarde ter plaatse). De afname blijft ook verder landinwaarts bestaan, maar wordt wel kleiner. Voor de onderzochte condities is geen effect vastgesteld op de maximale zoutindringingslengte. Deze resultaten horen bij een vergroting van de opening van 50 x 6 m tot 350 x 12 m, en zijn behaald met een vereenvoudigd model waarin de waterstand en saliniteit op het Calandkanaal nabij de opening sterk bepaald worden door de opgelegde randvoorwaarden op een open modelrand halverwege Breeddiep en einde strekdam, te weten een gemanipuleerde tijdserie en een waarde van 27 psu voor de saliniteit bij instroming. 2) Zo ja, kunnen we uit de simulatieresultaten verklaren hoe deze beperking tot stand komt, en wat de rol is van de mechanismen genoemd in EW I? Bepalende factoren voor het effect van grotere / extra openingen tussen Calandkanaal en Nieuwe Waterweg op de zoutindringing via de Nieuwe Waterweg zijn het waterstandsverschil tussen Calandkanaal en Nieuwe Waterweg en de saliniteit in het Calandkanaal. Het eerste is de voornaamste bepalende factor voor het uitwisselingsdebiet, het tweede voor de saliniteit van de stroming de Nieuwe Waterweg in. Het mechanisme waarlangs de mate van zoutindringing wordt beïnvloedt is voor zover we dat met de huidige modelresultaten hebben kunnen beoordelen vooral verandering van de saliniteit door toevoer van water met een afwijkende saliniteit. Grotere/meer openingen leiden tot toevoer van meer water en daardoor, bij verschillen in saliniteit tussen Calandkanaal en Nieuwe Waterweg, tot een grotere beïnvloeding. Er zijn in de simulatieresultaten geen significante effecten van de instroom vanuit het Calandkanaal op menging of op propagatie van de zouttong ten gevolge van een vergrote laterale toevoer van water zonder longitudinale impuls teruggevonden 3) Kunnen we komen tot een kwantificatie van het effect van de ingreep, b.v. in termen van concentratiereductie als functie van instroomoppervlak of toegevoerd debiet? Het is op dit moment nog niet mogelijk kwantitatieve uitspraken te doen over het effect van de ingreep als functie van ontwerpparameters.

62 27 november / Aanbevelingen Naar aanleiding van het modelonderzoek bevelen we verder het volgende aan: Nadere en nauwkeurige informatie te verwerven over verschillen in waterstand en saliniteit tussen het Calandkanaal en de Nieuwe Waterweg. Het eerste bij voorkeur via vaste metingen in het Calandkanaal en de Nieuwe Waterweg op gelijke afstand vanaf zee. Voor het tweede bevelen we aan een nulmeting uit te voeren naar saliniteiten in Calandkanaal en Nieuwe Waterweg voorafgaand aan de op handen zijnde verbreding van het Breeddiep en daarin ook snelheden van de stroming door het huidige Breeddiep te betrekken. Bij vervolgonderzoek naar de mechanismen waarlangs openingen in de strekdam zoutindringing zouden kunnen beïnvloeden en de nauwkeurigheid van de aannamen toegepast in deze studie, ook de oorspronkelijke simulatieresultaten van het Havenbedrijf Rotterdam te betrekken. Zij vormen immers de basis voor het innovatieve idee en leveren mogelijk nog nadere informatie over effecten, omstandigheden en mechanismen. Tot slot merken we op over het model zelf: Dat het in deze studie ontwikkelde vereenvoudigde model voor deze verkennende studie een geschikt onderzoeksinstrument is geweest, en dat ook in vervolgonderzoek diverse ontwerpaspecten met dit model kunnen worden bestudeerd. Wel bevelen we daarvoor aan het model verder te ontwikkelen. Het is nu eigenlijk nog te eenvoudig om dat wat is waargenomen in de oorspronkelijke simulatieresultaten van het Havenbedrijf Rotterdam te reproduceren. Een eerste belangrijke ontwikkeling zou zijn het zeewaarts verplaatsen van de open rand in/aan het Calandkanaal. Liever nog wordt deze rand volledig overbodig gemaakt, waarbij waterstandsverschil en saliniteit in het Calandkanaal door het model zelf kunnen/moeten worden berekend.

63 27 november /30 Referenties Friocourt, Y.F., T. van der Kaaij, C. Kuijper, G.H. Keetels, K. Cronin; Kwantificering effect zoutbeperkende maatregelen Rijnmond, Deltares rapport , 2010

64 27 november /30 Bijlagen Figuur Bijlage 1. Observatiepunten in Nieuwe Waterweg en Calandkanaal