SEDIMENTATIE INVAAROPENING EN PLAS WAALWAARD IN BESTAANDE EN VERDIEPTE EN VERBREDE SITUATIE (VARIANT 0+)

Transcriptie

1 SEDIMENTATIE INVAAROPENING EN PLAS WAALWAARD IN BESTAANDE EN VERDIEPTE EN VERBREDE SITUATIE (VARIANT 0+) RIJKSWATERSTAAT 13 juni :0.2 - Concept, vertrouwelijk C

2 Inhoud 1 Inleiding Algemeen Doel Leeswijzer Methode Inleiding Sedimentatieproces invaaropening Invoergegevens Afleiding randvoorwaarden Verloop van Q-h over het jaar Stroomsnelheden ter hoogte van Waalwaard Stroomsnelheden ter hoogte van Kekerdom Bodemmateriaal Concentraties van fijn sediment (< 60 µm) Dimensies van havenmond en basin Kalibratie SED-HAR Aanzanding huidige situatie Resultaten kalibratie Resultaten Inleiding Sedimentatie Waalwaard Variant Conclusies en aanbevelingen Referenties :0.2 - Concept, vertrouwelijk ARCADIS 1

3 :0.2 - Concept, vertrouwelijk ARCADIS 2

4 1 Inleiding 1.1 ALGEMEEN 1.2 DOEL Doel van deze studie is de sedimentatie te berekenen voor de invaaropening bij Kekerdom. De berekeningen zijn uitgevoerd met het SEDHAR-Sand model gebaseerd op de formulering door Van Rijn (2013). Een gedetailleerde beschrijving van het model is opgenomen in de bijlage LEESWIJZER In hoofdstuk 2 van dit rapport worden allereerst de sedimentatieprocessen bij een invaaropening langs een rivier beschreven. Vervolgens worden de benodigde invoergegevens voor het model beschreven en de randvoorwaarden zoals deze voor de opzet van het model zijn afgeleid. In hoofdstuk 3 worden de modelresultaten beschreven voor 3 verschillende aannames voor de korrelgrootteverdeling van het zand in de rivier. In hoofdstuk 4 worden de conclusies en aanbevelingen uit dit onderzoek puntsgewijs benoemd :0.2 - Concept, vertrouwelijk ARCADIS 3

5 2 Methode 2.1 INLEIDING De sedimentatieberekeningen zijn uitgevoerd met het semi-empirische SEDHAR-Sand model (Van Rijn, 2013). Semi-empirisch wil zeggen dat het voor een deel is gebaseerd theorie en wiskundige wetten en voor een ander deel op experimentele resultaten. Een gedetailleerde beschrijving van het model is opgenomen in de bijlage 1. Dit hoofdstuk beschrijft in het algemeen het sedimentatieproces in een invaaropening, de benodigde invoergegevens voor het model en de randvoorwaarden zoals deze voor de opzet van het model zijn afgeleid. 2.2 SEDIMENTATIEPROCES INVAAROPENING Sedimentatie ter plaatse van de invaaropening (Vak A in figuur 1) in een rivier kan optreden door de volgende processen: Uitwisseling-stroming door de havenmond; in de havenmond ontstaat een grootschalige circulatiestroming waardoor sediment-rijk water vanuit de rivier naar het achterliggende basin wordt gebracht; de zand fractie van het sediment al zal in de mond (Vak A) bezinken, terwijl de slibfractie verder in het basin zal bezinken. Stroming over de kribvakken en uiterwaarden naar Vak A tijdens hoogwater. Indien er een toegangsgeul (zie Vak B in figuur 1) aanwezig is tussen de haveningang en de vaargeul van de rivier, zal er ook sedimentatie in de toegangsgeul (Vak B) optreden als gevolg van stroomvertraging in de toegangsgeul naar de havenmond. De normale rivierbodem boven- en benedenstrooms van de havenmond loopt geleidelijk op naar de oever toe; ter plaatse van de havenmond moet er een bepaalde vaardiepte zijn waardoor de rivierbodem daar lager zal moeten zijn; daardoor ontstaat er een korte geul dwars op de stroom (zie figuur 2) :0.2 - Concept, vertrouwelijk ARCADIS 4

6 Figuur 1. Bovenaanzicht van één van de varianten voor de invaaropening (A) en toegangsgeul (B) Het volume van de toegangsgeul is ca tot m 3. Gezien dit kleine volume en het grote aanbod (orde van m 3 per maand) van sediment door de rivierstroming, zal een dergelijke toegangsgeul zeer snel worden opgevuld. Dit is geen werkbare oplossing. Mogelijk kan door lokale ingrepen de stroom voldoende worden versneld om de bodem over ca 1 m te verlagen door erosie (stroomvernauwing) :0.2 - Concept, vertrouwelijk ARCADIS 5

7 Figuur 2. Schematisatie van uitwisseling rivier-haven 2.3 INVOERGEGEVENS Het SEDHAR-Sand model gebruikt de volgende invoergegevens: Vaste gegevens: Bodemligging van het gebied; D50 en D90 van het bovenmateriaal in de rivier bovenstrooms van de havenmond; Sedimentgrootte van slib fractie en silt fractie in suspensie van het rivier water; Dichtheid van rivier water en rivier sediment; Breedte van de havenmond; Oppervlakte van het achterliggende basin; Eventuele onttrekking in het basin Variabele gegevens (in een aantal blokken; weken of maanden): Dieptegemiddelde stroomsnelheid net bovenstrooms van de havenmond (gemiddeld over een aantal dagen, bijv een week/maand); Waterdiepte in de havenmond als functie van de tijd; Waterstand in de rivier ten opzichte van referentiepeil (volgens Q-h verloop over een jaar); Waterdiepte in het achterliggende basin als functie van de tijd; :0.2 - Concept, vertrouwelijk ARCADIS 6

8 2.4 AFLEIDING RANDVOORWAARDEN VERLOOP VAN Q-H OVER HET JAAR De afvoer van de Waal bedraagt ongeveer 2/3 van de afvoer van de Bovenrijn bij Lobith. Het verloop van de afvoer en de waterstand van de Waal bij Dodewaard over het jaar is benaderd aan de hand van de afvoerhydrograaf getoond in figuur 3 en de Q-h relatie getoond in figuur 4. Onderstaande vergelijking benadert de Q-h relatie. ( ) Vergelijking 1 Figuur 3. Afvoer hydrograaf Waal (Bron: Le Thai Binh, 2010) Figuur 4. Gehanteerde Q-h relatie voor de Waal ter hoogte van Dodewaard (Bron: Le Thai Binh, 2010) :0.2 - Concept, vertrouwelijk ARCADIS 7

9 2.4.2 STROOMSNELHEDEN TER HOOGTE VAN WAALWAARD De stroomsnelheid in de rivier is maatgevend voor de circulatie in de havenmond. Figuur 5 t/m Figuur 9 tonen de met het SIMONA-model berekende stroomsnelheden in de Waal ter hoogte van Waalwaard bij afvoeren van 2000 t/m 4690 m 3 /s. Figuur 5. Stroomsnelheden in de Waal ter hoogte van Waalwaard bij een Waalafvoer van 2000 m 3 /s (Bovenrijnafvoer 3000 m 3 /s) Figuur 6. Stroomsnelheden in de Waal ter hoogte van Waalwaard bij een Waalafvoer van 2680 m 3 /s (Bovenrijnafvoer 4000 m 3 /s) :0.2 - Concept, vertrouwelijk ARCADIS 8

10 Figuur 7. Stroomsnelheden in de Waal ter hoogte van Waalwaard bij een Waalafvoer van 3350 m 3 /s (Bovenrijnafvoer 5000 m 3 /s) Figuur 8. Stroomsnelheden in de Waal ter hoogte van Waalwaard bij een Waalafvoer van 4020 m 3 /s (Bovenrijnafvoer 6000 m 3 /s) :0.2 - Concept, vertrouwelijk ARCADIS 9

11 Figuur 9. Stroomsnelheden in de Waal ter hoogte van Waalwaard bij een Waalafvoer van 4690 m 3 /s (Bovenrijnafvoer 7000 m 3 /s) Figuur 10. Stroomverdeling over de breedte van de rivier de Waal ter hoogte van Waalwaard bij verschillende afvoeren. De locatie van de doorsnede is als een rode lijn weergegeven in figuur 5 t/m figuur :0.2 - Concept, vertrouwelijk ARCADIS 10

12 Afvoer Waal (m 3 /s) Gemiddelde snelheid ter hoogte van Waalwaard (m/s) , , , , ,21 Tabel 1. Afvoer Waal en gemiddelde stroomsnelheid berekend uit afvoer/natte doorsnede ter hoogte van Waalwaard STROOMSNELHEDEN TER HOOGTE VAN KEKERDOM Figuur 11 t/m figuur 15 tonen de met het SIMONA-model berekende stroomsnelheden in de Waal bij Kekerdom bij afvoeren van 2000 t/m 4690 m 3 /s. Figuur 11. Stroomsnelheden in de Waal ter hoogte van Kekerdom bij een Waalafvoer van 2000 m 3 /s (Bovenrijnafvoer 3000 m 3 /s) :0.2 - Concept, vertrouwelijk ARCADIS 11

13 Figuur 12. Stroomsnelheden in de Waal ter hoogte van Kekerdom bij een Waalafvoer van 2680 m 3 /s (Bovenrijnafvoer 4000 m 3 /s) Figuur 13. Stroomsnelheden in de Waal ter hoogte van Kekerdom bij een Waalafvoer van 3350 m 3 /s (Bovenrijnafvoer 5000 m 3 /s) :0.2 - Concept, vertrouwelijk ARCADIS 12

14 Figuur 14. Stroomsnelheden in de Waal ter hoogte van Kekerdom bij een Waalafvoer van 4020 m 3 /s (Bovenrijnafvoer 6000 m 3 /s) Figuur 15. Stroomsnelheden in de Waal ter hoogte van Kekerdom bij een Waalafvoer van 4690 m 3 /s (Bovenrijnafvoer 7000 m 3 /s) Figuur 16 toont de berekende stroomverdeling over de breedte van de rivier bij verschillende afvoeren en tabel 2 toont de gemiddelde snelheid (afvoer/natte doorsnede) in de rivier ter hoogte van Kekerdom bij verschillende afvoeren :0.2 - Concept, vertrouwelijk ARCADIS 13

15 Figuur 16. Stroomverdeling over de breedte van de rivier de Waal ter hoogte van Kekerdom bij verschillende afvoeren. De locatie van de doorsnede is als een rode lijn weergegeven in figuur 11 t/m figuur 15. Afvoer Waal Gemiddelde snelheid (m 3 /s) ter hoogte van Kekerdom (m/s) , , , , ,29 Tabel 2. Afvoer Waal en gemiddelde stroomsnelheid berekend uit afvoer/natte doorsnede ter hoogte van Waalwaard en ter hoogte van Kekerdom :0.2 - Concept, vertrouwelijk ARCADIS 14

16 Figuur 17. Afgeleide relatie tussen afvoer en dwarsdoorsnedegemiddelde stroomsnelheid voor de Waal ter hoogte van Kekerdom BODEMMATERIAAL Informatie over bodemsamenstelling van de Waal wordt gepresenteerd door Ten Brinke (1997). Tabel 3 toont de afgeronde getallen voor rivierkilometer 897, 898 en 899. Hieruit blijkt dat de hoeveelheid slib, fijn zand en matig fijn zand (< 250 µm) in het zomerbed verwaarloosbaar is. km <63 µm µm µm µm µm > 2000 µm Tabel 3. Korrelgrootteverdeling zomerbed Waal ter hoogte van Waalwaard (afgerond). Bron: Ten Brinke (1997) Op basis van bovengenoemde korrelgrootteverdeling zouden we een D50 van ruim 1 mm kunnen hanteren. Het is echter niet aannemelijk dat de uitwisselingssnelheden tussen de invaaropening en de rivier voldoende groot zijn om deze grove fractie in suspensie te houden. We maken daarom 3 berekeningen. De eerste met een D50 van 1 mm als ondergrens, de tweede met een D50 van 375 µm als bovengrens en de derde met gewogen optelling met de volgende verdeling: 15% van 190 µm, 50% 375 µm en 35% 1250 µm CONCENTRATIES VAN FIJN SEDIMENT (< 60 µm) Figuur 18 toont in de gemeten concentratie zwevend stof bij Lobith ponton (bijna 40 km stroomopwaarts) in het bovenste paneel en die bij Ochten (bijna 8 km stroomafwaarts) in het onderste paneel. De langste en meeste recente tijdseries is die van Lobith ( ). In de figuur is duidelijk zichtbaar dat het gemiddelde eind jaren tachtig omlaag is gegaan en eind jaren negentig verder omlaag. De concentraties bedragen van 1 januari 1989 t/m 31 december 2012 gemiddeld 23 mg/l met een standaard deviatie van 20 mg/l :0.2 - Concept, vertrouwelijk ARCADIS 15

17 De tijdserie bij Ochten is korter en van oudere datum ( ). Halverwege de jaren zeventig is het gemiddelde hier omlaag gegaan. Het gemiddelde vanaf 1 januari 1975 t/m 9 december 1981 bedraagt hier 35 mg/l en de standaard deviatie 36 mg/l. Voor het doel van deze studie maken we gebruik van de meeste recente tijdserie bij Lobith (1 januari december 2012) met een gemiddelde concentratie fijn sediment van 23 mg/l. Figuur 18. Concentraties zwevend stof bij Lobith ponton (boven) en bij Ochten (onder). De rode lijn toont het gemiddelde vanaf de trendbreuk. Bron: live.waterbase.nl DIMENSIES VAN HAVENMOND EN BASIN Figuur 19 toont de dimensies van de invaaropening Waalwaard in de huidige situatie. De breedte bedraagt ongeveer 50 meter. De lengte waarover aanzanding plaatsvindt bedraagt ongeveer 100 m. Het oppervlak van de plas achter de invaaropening is ongeveer 1x10 6 m 2. Figuur 19. Dimensies invaaropening Waalwaard in de huidige situatie :0.2 - Concept, vertrouwelijk ARCADIS 16

18 Figuur 20 toont de dimensies van de plas en invaaropening bij Kekerdom. De plas heeft een oppervlakte van ongeveer m 2 en een bodemhoogte op ongeveer NAP +4,5 m. De invaaropening heeft een lengte van ongeveer 95 m, een breedte van 43 m en een bodemhoogte op ongeveer NAP +4,5 m. Figuur 20. Dimensies van plas en invaaropening bij Kekerdom 2.5 KALIBRATIE SED-HAR AANZANDING HUIDIGE SITUATIE Het SED-HAR model is gekalibreerd op basis van de voorlopige resultaten uit het onderzoek naar de ontwikkeling van de drempelhoogte in de invaaropening bij Waalwaard (Zoon, 2014). Figuur 21 toont deze ontwikkeling met een bovengrens, een ondergrens en een meest waarschijnlijke ontwikkeling. Tabel 4 toont de minimale, beste schatting en maximale ontwikkeling van de drempelhoogte op basis van de baggerinspanning in de jaren tot aan de eerste peiling in november Op dit moment is niet duidelijk wanneer er precies is gebaggerd. Daarom zijn er een aantal scenario s uitgewerkt. Uit de analyse door Zoon (2014) blijkt dat een sedimentatie van ongeveer 0,9 m per jaar heeft plaatsgevonden tot 1997, uitgaande van een baggerinspanning in 1995 tot een diepte van NAP +1,4 m. De verschillende scenario s variëren tussen ongeveer 0,4 m/jaar en 1,3 m/jaar. De evenwichtsdiepte van de geul ligt op circa NAP +4,5 m. Voor de horizontale dimensies van de aanzanding wordt de lxb = 100 m x 50 m gehanteerd (zie figuur 19). Tabel 5 toont de resulterende ontwikkeling van het drempelvolume in de invaaropening. Dit varieert tussen 2000 en 6500 m 3 /jaar met een beste schatting van 4500 m 3 /jaar :0.2 - Concept, vertrouwelijk ARCADIS 17

19 drempelhoogte [m +NAP] Sedimentatie invaaropening en plas Waalwaard in bestaande en verdiepte en verbrede situatie Op basis van deze gegevens hanteren we een onzekerheidsmarge van 50% rondom het aanzandingsvolume bovengrens drempelhoogte 2 ondergrens drempelhoogte 1 waarschijnlijke drempelhoogte 0 19/09/ /09/ /09/ /09/ /09/ /09/ /09/2015 datum van peiling Figuur 21. Ontwikkeling van de drempelhoogte bij Waalwaard in de tijd Minimaal (m/jaar) Geschatte ontwikkeling (m/jaar) Maximaal (m/jaar) Gebaggerd ,4 0,5 0,7 Gebaggerd ,5 0,6 0,9 Gebaggerd ,7 0,9 1,3 Tabel 4. Ontwikkeling drempelhoogte Waalwaard na baggeren tot november Minimaal (m/jaar) Geschatte ontwikkeling (m/jaar) Maximaal (m/jaar) Gebaggerd Gebaggerd Gebaggerd Tabel 5. Ontwikkeling drempelvolume Waalwaard na baggeren tot november 1997, uitgaande van l x b = 100 m x 50 m RESULTATEN KALIBRATIE De stroomsnelheid in de rivier is maatgevend voor de circulatie in de havenmond. Daarnaast spelen ook de verdeling van de stroomsnelheid over de breedte van de rivier en andere tweedimensionale aspecten een rol. Deze effecten worden niet expliciet in het model berekend maar meegenomen door middel van twee kalibratiecoëfficiënten. Verder kunnen scheepsgolven het sediment opwoelen waardoor het gemakkelijker wordt getransporteerd. De eerste kalibratiecoëfficiënt is die op de gemiddelde snelheid in de rivier α1. Het SED-HAR model is door middel van een automatisch algoritme gekalibreerd op een sedimentatie van 4500 m 3 /jaar in de invaaropening waarbij α1 werd gevarieerd. De standaardwaarde voor α1 is 1,00. Kalibratie op de sedimentatie in de invaaropening resulteerde α1 = 1, :0.2 - Concept, vertrouwelijk ARCADIS 18

20 De tweede kalibratiecoëfficiënt α2 beïnvloed de uitwisselingssnelheid tussen de rivier en de invaaropening. Kalibratie op de aanzanding in de invaaropening resulteerde in α2 = 1,84 (uitgaande van α1 = 1,00). Ten derde is de invloed van de golfhoogte op bovengenoemde kalibratiecoëfficiënten getest. Een golfhoogte van 0,2 m resulteerde in α1 = 1,07 bij α1 = 1,00 of α1 = 1,00 bij α1 = 1,37. Een golfhoogte van 0,45 m resulteerde in α1 = 1,00 bij α1 = 1,00. Tot slot is een kalibratie uitgevoerd uitgaande van een aanzandingsvolume van m 3 /jaar en m 3 /jaar. Tabel 6 vat de kalibratieresultaten samen. Kalibratie Volume α 1 (-) α 2 Golfhoogte (-) (m) ,13 1,00 0, ,00 1,84 0, ,07 1,00 0, ,00 1,37 0, ,00 1,00 0, ,96 1,00 0, ,23 1,00 0,00 Tabel 6. Variatie kalibratiecoëfficiënten en invloed golven Figuur 22 toont als voorbeeld de uitwisselingssnelheid tussen invaaropening en rivier, het volume fijn sediment dat zich in de plas afzet en het volume zand dat zich in de invaaropening afzet als functie van de tijd in dagen, zoals berekend met het gekalibreerde model volgens kalibratie :0.2 - Concept, vertrouwelijk ARCADIS 19

21 Figuur 22. Uitwisselingssnelheid (boven), aangeslibt volume klei en silt (midden) en aanzanding in toegang (onder) voor de plas en invaaropening bij Waalwaard na kalibratie :0.2 - Concept, vertrouwelijk ARCADIS 20

22 3 Resultaten 3.1 INLEIDING Dit hoofdstuk beschrijft de resultaten van de berekeningen met het SEDHAR-Sand model. Hierbij zijn de randvoorwaarden uit hoofdstuk 2 gehanteerd. De berekeningen zijn gemaakt met een verdeling van 15% 190 µm, 50% 375 µm en 35% 1250 µm. 3.2 SEDIMENTATIE WAALWAARD VARIANT 0+ Figuur 23 toont voor variant 0+ de berekende uitwisselingssnelheid tussen de rivier en de invaaropening, het berekende volume klei en silt dat zich in de toegang en het basin afzet en het berekende volume zand dat zich in de toegang afzet, uitgaande van α1 = 1,13 (beste schatting). Figuur 24 en Figuur 25 tonen hetzelfde maar dan voor respectievelijk α1 = 1,23 (bovengrens) en α2 = 0,96 (ondergrens). Tabel 7 vat de sedimentatievolumes samen. Figuur 23. Uitwisselingssnelheid (boven), aangeslibt volume klei en silt (midden) en aanzanding in toegang (onder) voor de plas en invaaropening variant 0+ bij Waalwaard, kalibratie coëfficiënt α1 = 1,13 (beste schatting) :0.2 - Concept, vertrouwelijk ARCADIS 21

23 Figuur 24. Uitwisselingssnelheid (boven), aangeslibt volume klei en silt (midden) en aanzanding in toegang (onder) voor de plas en invaaropening variant 0+ bij Waalwaard, kalibratie coëfficiënt α1 = 1,23 (bovengrens) Figuur 25. Uitwisselingssnelheid (boven), aangeslibt volume klei en silt (midden) en aanzanding in toegang (onder) voor de plas en invaaropening variant 0+ bij Waalwaard, kalibratie coëfficiënt α1 = 0,96 (ondergrens) :0.2 - Concept, vertrouwelijk ARCADIS 22

24 Run Aanslibbing plas (m 3 /jaar) Aanzanding invaaropening (m 3 /jaar) 1 (beste schatting) (bovengrens) (ondergrens) Tabel 7. Berekende sedimentatie in plas en invaaropening voor variant :0.2 - Concept, vertrouwelijk ARCADIS 23

25 4 Conclusies en aanbevelingen In dit rapport zijn de opzet en de resultaten beschreven van een semi-empirische sedimentatiemodel voor de berekening van de sedimentatie in variant 0+ van een invaaropening langs de Waal ter hoogte van Waalwaard. De conclusies en aanbevelingen zijn hieronder puntsgewijs samengevat: Conclusies Het model is gekalibreerd op basis van de voorlopige resultaten uit het onderzoek naar de ontwikkeling van de drempelhoogte in de invaaropening bij Waalwaard (Zoon, 2014). Uit deze analyses blijkt dat een sedimentatie van ongeveer 0,9 m per jaar heeft plaatsgevonden tot 1997, uitgaande van een baggerinspanning in 1995 tot een diepte van NAP +1,4 m. De verschillende scenario s variëren tussen ongeveer 0,4 m/jaar en 1,3 m/jaar. Voor de horizontale dimensies van de aanzanding in de bestaande situatie is de lxb = 100 m x 50 m gehanteerd. De resulterende ontwikkeling van het drempelvolume in de invaaropening in de bestaande situatie varieert tussen 2000 en 6500 m 3 /jaar met een beste schatting van 4500 m 3 /jaar. Wanneer de invaaropening wordt verbreedt tot 150 m en verdiept tot NAP+1,00 m dan leidt dit tot een berekende aanzanding van m 3 /jaar uitgaande van 15% van 190 µm, 50% 375 µm en 35% 1250 µm. De berekende aanslibbing klei en silt in het basin bedraagt ongeveer m 3. Wanneer de invaaropening met 0,5 m minder wordt verdiept leidt dit tot 5-10% minder aanzanding in de invaaropening :0.2 - Concept, vertrouwelijk ARCADIS 24

26 Referenties Le Thai Binh, Effects of groyne lowering along the Waal River (MSc thesis). Unesco-IHE, Delft, The Netherlands. Ten Brinke, W.B.M., De bodemsamenstelling van Waal en IJssel in de jaren 1966, 1976, 1984 en 1995 (No ). Rijksinstituut voor integraal Zoetwaterbeheer en Afvalwaterbehandeling (RIZA), Arnhem, The Netherlands. Ten Brinke, W.B.M., De sedimenthuishouding van kribvakken langs de Waal (No ). Rijksinstituut voor Integraal Zoetwaterbeheer en Afvalwaterbehandeling (RIZA), Arnhem, The Netherlands. Van Rijn, L.C., Principles of sedimentation and erosion engineering in rivers, estuaries and coastal seas. Aqua Publications, The Netherlands. Zoon, A., Tijdlijn geschatte drempelhoogte Waalwaard. DOD7-3_ _mem-tijdlijn geschatte drempelhoogte.pdf, Witteveen en Bos, 12 juni :0.2 - Concept, vertrouwelijk ARCADIS 25