Verkenning ontwikkelingen aanbod natte informatie t.b.v. RWS. Waterbeweging, waterkwaliteit en bodemligging

Transcriptie

1 Verkenning ontwikkelingen aanbod natte informatie t.b.v. RWS Waterbeweging, waterkwaliteit en bodemligging

2

3 elt(jres Titel Opdrachtgever KPP 2014 Gerard Blom Project Kenmerk Pagina's ZKS Trefwoorden Innovatie, meten, monitoring, waterkwantiteit, waterkwaliteit, bodemligging. Samenvatting RWS wil haar inzicht verbeteren in innovatieve informatievoorziening voor de natte waterstaat, zodat ze de benodigde informatie de komende circa 10 jaar efficiënter en effectiever kan verkrijgen. Daarmee kan RWS ook beter anticiperen op nieuwe informatiebehoeften die voortkomen uit nieuwe beleidsvragen, nieuw gebruik van het systeem (denk aan energiewinning en voedselvoorziening etc.) en wijzigingen in de watersystemen. Voor de werkvelden waterkwantiteit, waterkwaliteit en bodemligging zijn door Deltares innovaties verkend voor de informatieverzamelstrategie bestaande uit de beschikbare databases, data-model geïntegreerde informatie en een inventarisatie van innovatieve of weinig gebruikte meetmethoden en technieken. Het grootste deel van het document is een inventarisatie, het uiteindelijke advies is op verzoek van RWS meer strategisch van aard. Referenties KPP2014 BI01 Basisinformatie Versie Datum Editor Paraaf Review Paraaf Goedkeuring Concept [uni2014 drs. M. SChmeve:;y dr.ing.r.e. drs. F.M.J. Hoozemans TrouWborr~ Definitief Juli 2014 IMARES1 Status definitief

4

5 Inhoud 1 Inleiding Kader Doel 2 2 Informatieverzamelstrategie RWS: vraag, aanbod en watersysteem. 5 3 Waterkwantiteit; veiligheid en economische belangen leidend in de vraag naar informatie Informatiebehoefte waterkwantiteit Vastleggen karakteristieken watersysteem Bepalen Hydraulische randvoorwaarden Internationale verplichtingen en afspraken Kustlijnhandhaving Interpreteren van gegevens van andere landelijke monitoringprogramma s Beheer en toetsing van waterkeringen Informatie voor landelijke berichtendiensten Ondersteunende variabele bij het meten van afvoeren en bodemligging (waterstand) Bepalen vrachten van verontreinigingen en sedimentlast Informatie benodigd voor onderzoek en voor ontwikkeling van modellen Regionale/lokale informatie voorziening: Operationeel waterbeheer: Sturing kunstwerken, al dan niet door een Beslissings Ondersteundend Systeem (BOS) Voorbereiden, volgen en evalueren van menselijke ingrepen/ grote projecten Emissie-immissie studies Gaten in de informatievoorziening waterkwantiteit Informatieverzamelstrategie waterkwantiteit van RWS: Ontwikkelingen bij RWS in de inwinstrategie en meetstrategie voor waterkwantiteit Ontwikkelingen in meetmethoden en technieken waterkwantiteit Watertemperatuur AIS: stromingsgegevens, golfbelasting en onderwatergeluid door scheepvaart Waterstanden: Laseraltimetrie vanuit een vliegtuig Waterstanden en golven: Satelliet radar altimetrie Waterstanden: Plaatsbepaling van een schip (z positie) Golven en stroming - Scheepsradar (navigatieradar) Golven en stroming HF VHF (coherente) radar en coherente navigatieradar Stroming en afvoeren: Rivierradar/ Ultra-high frequency Radar Stroming en afvoeren: K band radar Stroming en afvoeren: Meten vanaf veerponten met een ADCP Stroming en afvoeren: Horizontale ADCP van snelheidsmeting naar debiet Stroming, bodemligging en sediment transport Kleinere akoestische apparatuur met meer bundels en meer frequenties Stroming en afvoeren: Looptijdmeters, variatie op een bekend principe Stroming en afvoeren: Correlatiemethode (scintillatie methode) Stroming en afvoeren: Camera's voor meten bij hoge afvoer (LSPIV, Large Scale Particle Image Velocimetry) 40 i

6 Stromingsgegevens uit bestaande Dopplermeters aan boord van schepen Meten van afvoeren - het combineren van stroomsnelheidsmetingen Golven - golf ADCP Golven - puntstroommeters en de PUV methode Golven dataverwerking golfboeien Samenvattend advies meetmethoden waterkwantiteit Verwerking, opslag en beheer van waterkwantiteitsgegevens Overdracht van waterkwantiteitsgegevens 45 4 Waterkwaliteit, technische innovaties voor effectievere bepaling waterkwaliteit Informatiebehoefte waterkwaliteit Gaten in de informatievoorziening Waterkwaliteit Informatieverzamelstrategie waterkwaliteit Meetstrategie waterkwaliteit Meetmethoden en technieken waterkwaliteit Algemeen chemisch-fysische basisparameters Prioritaire stoffen Biologische parameters Meetmethoden en technieken waterbodemkwaliteit Hand held XRF Medusa under water sediment lab SOFIE Advies meetmethoden waterkwaliteit Overdracht van waterkwaltiteitsgegevens 81 Literatuur referenties 81 5 Bodemligging en bodemtype Informatiebehoefte bodemligging en type Gaten in de informatievoorziening bodemligging en type Informatieverzamelstrategie bodemligging en type Meetstrategie bodemligging en -type Algemene normen meetstrategie bodemligginginformatie en bevaarbaarheid Verbeteren nauwkeurigheid bodemligging metingen bij zachte slibbodems Meetstrategie in relatie tot baggerstrategie Verbetering efficiëntie metingen bodemligging Meetstrategie bodemtype Vergroten van de systeemkennis Inzicht in objecten onder water Ontwikkelingen in meetmethoden en technieken bodemligging en -type Achtergrond en soorten technieken Akoestische technieken: echosounders en verschillende types sonar Toepassingsvormen akoestische technieken Andere geofysische meettechnieken op water In-situ meettechnieken Dynamiekmetingen DTS (glasvezel) Indirecte technieken vanaf meetpalen, uit vliegtuigen en satellieten Ontwikkelingen in verwerking bodemliggingsgegevens Validatieonderzoek naar meetstrategie aan de hand van verwerkte bodemligging gegevens Plaatsbepalingen Correcties in hoogte en ligging 105 ii

7 5.6.4 Reductie van metingen Advies inwinning bodemliggings- en bodemtypegegevens Ontwikkelingen in overdracht bodemliggingsgegevens Referenties Algemene ontwikkelingen in meten in meetstrategie en platforms Algemene ontwikkelingen in meetstrategie, meetmethoden en meettechnieken: goedkoper en effectiever Meetplatforms, maar dan anders Ships of opportunity1: Commerciële schepen met vaste trajecten inzetten in zetten voor monitoring door plaatsing van extra sensoren Ships of opportunity 2. Ontsluiten van data van bestaande sensoren aan boord van schepen Citizen data, crowdsourcing, participatieve monitoring Onbemande vaartuigen onder water, AUV s Onbemande vaartuigen op het water Onbemande vliegtuigjes en heli s (drones) Flexibele meetplatforms, Jet ski Boeien als multi-parameter meetplatform Meetframes: nog steeds bruikbaar Combinatie van in situ metingen, remote sensing en modellen Optimale ontsluiting van modeldata Model & metingen gecombineerd voor monitoring van een systeem Slibverspreidingsonderzoek in het Markermeer (voor het voorspellen van het effect van ingrepen) Meten van afvoeren - combineren van nieuwe technieken en modellen Waterstanden en golven: het in de modellen combineren van satelliet radar altimetrie, scatterometers en in situ metingen Onzekerheidsanalyse verwachtingsmodellen door middel van stochastische modelering en metingen Onzekerheidsanalyse verwachtingsmodellen: Onzekerheidsschatting door middel van kwantiel regressie: Verwachtingsmodellen waarin online metingen worden geassimileerd Golven en stroming: combineren van HF radar en model CoBios/MoS2: combinatie model en satelliet remote sensing voor algaebloom Sedimentconcentratie voorspellingen (Model supported monitoring) HBR Rivierwaterkwaliteit voorspellingen: combineren van numeriek model en in-situ meetgegevens Real time dijkstabiliteit voorspellingen met gebruik van model en stijghoogte metingen via assimilatie Model en metingen gebruiken voor optimalisatie van meetnet of meetstrategie Meetnet evaluatie waterstanden Westerschelde Meetstrategie aan de hand van verwerkte bodemligging gegevens en morfologische modelering (project ODYN ) Overzicht van andere voorbeelden van meet en modelcombinaties Advies gebruik van combinaties meten en modellen Databases; een schat aan herbruikbare data NIOZ 144 iii

8 8.1.1 Data beleid NIOZ portals: CODIS, Corebase en Coulours Portalen van verschillende consortia ESA statelietdata Havenbedrijf Rotterdam Overzicht database: Data portalen Project data Rijkswaterstaat data die beter ontsloten en hergebruikt kan worden Sterkte en Belastingen Waterkeringen Wadden Ruwe data verder ontsluiten Advies databronnen Algemene ontwikkelingen in de overdracht van gegevens Samenvattend advies Adviezen in een notendop Advies ten aanzien van een vervolg op dit document Dank woord 166 Bijlage(n) A Bijlage Documenten over de informatiebehoefte van RWS 167 B Bijlage Technology Readiness Level 168 C Bijlage Overzicht databases 169 D Bijlage Overzicht gebiedsmodellen Rijkswateren 171 iv

9 1 Inleiding 1.1 Kader Rijkswaterstaat (RWS) speelt in Nederland een belangrijke rol in het voorzien van informatie op basis van kwantitatieve gegevens (data) over wegen, vaarwegen en watersystemen. Zowel voor haar eigen processen als voor andere ministeries, de markt en het publiek. Voor het efficiënt invullen van de benodigde informatie maakt RWS gebruik van de informatiecyclus zoals weergegeven in Figuur 1.1. Figuur 1.1 De informatiecyclus van Rijkswaterstaat met de focus van dit rapport in de ovaal. Deze cyclus kent 6 stappen. Bovenaan staat de vraag waarvoor RWS gesteld is en die aanleiding geeft tot de informatiebehoefte. Deze vraag kan een beheersmatige of beleidsmatige achtergrond hebben. Hij kan een incidenteel of permanent karakter hebben. De vraag wordt vervolgens geformuleerd in de informatiebehoefte. De volgende stap is het bepalen van een informatieverzamelstrategie. In de informatieverzamelstrategie wordt vastgelegd welke gegevens worden verzameld en op welke manier. RWS gebruikt hierbij een variant van het 3 pijlermodel van, Van Bracht uit 2001 en Laane uit Dit model gaat ervanuit dat bij het bepalen van een informatieverzamelstrategie kennis aanwezig moet zijn van: de vraag, het (natuurlijk)systeem en het aanbod. Deze 3 punten stellen de 3 pijlers uit het model voor (zie hoofdstuk 2 voor meer informatie over dit model en de toepassing ervan). 1 van 179

10 Wanneer de informatieverzamelstrategie is bepaald worden de gegevens en de informatie vervolgens daadwerkelijk verzameld en worden ze verwerkt, opgeslagen en beheerd. De interpretatie van alle opgeslagen gegevens bevredigt de informatiebehoefte en draagt bij aan de beantwoording van de vraag. Kennis over de informatiebehoefte van RWS aan de ene kant en kennis van het informatieaanbod en (natuurlijk) systeem aan de andere kant is noodzakelijk om nu en in de toekomst effectief en efficiënt data in te winnen en te beheren. RWS heeft Deltares gevraagd om een inventarisatie te doen waarmee we de aanbodpijler voor de onderwerpen waterkwantiteit, waterkwaliteit en bodemligging kunnen vullen. Aangezien ontwikkelingen van inwinmethoden en -technieken, en invoering in werkprocessen een doorlooptijd van jaren hebben, is het noodzakelijk om enkele jaren vooruit te kijken naar de ontwikkelingen op dit gebied. Om duidelijk te maken in welke staat van ontwikkeling de methode of techniek is heeft RWS gevraagd om bij elke methode en techniek een Technology Readiness Level (TRL) aan te geven. Deze classificatie bestaat uit 9 levels, waarin TRL 1 staat voor de start: de grondbeginselen zijn waargenomen en TRL 9 voor het eind: het systeem heeft zich bewezen in een operationele omgeving (zie bijlage B voor een toelichting over alle levels). In dit rapport hebben we TRL 8 en 9 opgeschaald: TRL 8 - systeem voltooit, gekwalificeerd en bewezen in operationele omgeving en TRL 9 - werkelijke systeem bewezen in verschillende omstandigheden en verschillende operationele omgevingen. 1.2 Doel Het inzicht verbeteren in innovatieve methoden en technieken voor het verkrijgen van informatie, zodat RWS de benodigde informatie de komende circa 10 jaar efficiënter en effectiever kan verkrijgen. Een aanzet maken tot een overzicht van innovaties over de gehele informatiecyclus vanuit het perspectief van de aanbodpijler. Afbakening Vanwege de omvang van het onderwerp informatievoorziening heeft het voorliggende document de volgende beperkingen. 1 Er was in 2012 voor gekozen om Deltares alleen om advies te vragen over de mogelijke vernieuwingen op het gebied van meetmethoden en technieken, maar wel in de context van de hele informatiecyclus en de toen geldende informatiebehoefte. In dit huidige document is de status van de meetmethoden en -technieken en de informatiebehoefte bijgewerkt en zijn er een aantal specifieke aanvullingen opgenomen: Databronnen en Data modelcombinaties. 2 Het document benoemt de hele informatiecyclus, maar beschrijft die niet in detail. Zo zijn de onderdelen, vraag, verwerking opslag en beheer en overdracht niet opgenomen in de opdracht. Daar waar die onderdelen wel zijn gevuld is dat gedaan op initiatief van Deltares. 3 De beschrijvingen beperken zich tot waterkwantiteit, chemische waterkwaliteit en bodemligging (waaronder objecten onder water). Ecologie, biologie, grondwater, ondergrond en constructies vallen nog buiten het bereik. Daar waar die wel benoemd zijn is dit wederom een kleine uitbreiding door Deltares. 2 van 179

11 4 De RWS informatiebehoefte is afgeleid uit de lijst op genomen in bijlage A. In dit document is de huidige informatiebehoefte indeling van RWS is gehanteerd, waarbij de bredere blik over het watersysteem en de blik op een geïntegreerde monitoring nog ontbreekt. Daar waar mogelijk zijn wel een aantal verbanden gelegd. 5 De verkenning naar innovaties is beschreven vanuit het perspectief van de aanbodpijler. Daarnaast heeft Deltares de volgende keuzes gemaakt om de opdracht te kunnen uitvoeren: 6 Innovatief is in dit rapport gedefinieerd als niet eerder of weinig in Nederland toegepast voor routinematige gegevensinwinning. In vergelijking tot 2012 zijn er wel een aantal meer exotische ideeën en een aantal onderwerpen op verzoek van de opdrachtgever toegevoegd. Sommige onderwerpen die als hype recent in opkomst zijn, zijn (nog) niet altijd goed te onderbouwen wat betreft werkelijke nut en haalbaarheid. 7 Innovatie in monitoring en informatievoorziening is vooral gericht op efficiëntie (betere prijs - kwaliteitverhouding), maar bovenal kostenreductie. Deltares heeft echter beperkt zicht in de kosten van monitoring van RWS en de kosten van implementatietrajecten van nieuwe technieken binnen RWS. De adviezen die Deltares kan geven zullen dan ook vooral kwalitatief van aard zijn. 8 Het document is en kan op dit moment niet volledig zijn en dat is ook niet de intentie. Het document geeft de trend weer en benoemt de (in de ogen van Deltares en een aantal van haar zusterorganisaties) meest kansrijke ontwikkelingen. Een lezer die goed op de hoogte is van de huidige ontwikkelingen in haar/zijn werkveld zal dus zaken missen. Werkwijze Op basis van de in de bijlage A genoemde documenten is de informatiebehoefte bepaald, waarna innovatieve methoden en technieken zijn geïnventariseerd die kunnen bijdragen aan het uitvoeren van de informatieverzamelstrategie. Voor de inventarisatie in 2012* en 2014 zijn binnen Deltares deskundigen geconsulteerd en hebben zij meegeschreven aan het rapport. Ook buiten Deltares zijn meerdere mensen actief benaderd voor input (zie dankwoord). De verkregen informatie is door de auteurs beoordeeld, geordend en eventueel aangevuld met informatie uit de literatuur. Eindredactie was in handen van Rinus Schroevers. De externe review is uitgevoerd door Robert Trouwborst van Imares. * In 2012 heeft RWS Deltares benaderd voor een overzicht van de ontwikkelingen in specifiek meetmethoden en -technieken voor water. Dit in de context van de informatiecyclus vanwege het besef dat iedere wijziging in één onderdeel van de informatiecyclus gevolgen kan hebben voor de andere delen van de cyclus. Deze inventarisatie is vastgelegd in ZKS v5-r-Verkenning ontwikkelingen natte informatievoorziening. Het voorliggende document is een actualisatie en uitbreiding op dat document. Leeswijzer Voorliggend document bestaat uit 9 hoofdstukken en beslaat drie werkvelden: waterkwantiteit, waterkwaliteit en bodemligging. Hoofdstuk 2 is een algemeen hoofdstuk over de nieuwe blik op informatieverzamelstrategie die RWS en Deltares sinds enkele jaren implementeren. In de hoofdstukken 3 t/m 8 wordt de informatiebehoefte beschreven en wordt er aangegeven met welke meetmethoden en 3 van 179

12 technieken, met welke data-model combinaties en met welke bestaande databronnen aan deze behoefte kan worden voldaan. De hoofdstukken 3, 4 en 5 gaan specifiek in op de informatiebehoefte en meetmethoden en technieken. Deze hoofdstukken starten met een samenvatting van de informatiebehoefte, zoals beschreven door RWS. Deze behoefte is hier en daar aangevuld met inzichten van Deltares, dit is apart benoemd. Vervolgens worden innovatieve meetmethoden en - technieken beschreven waarmee kan worden voldaan aan de meetinformatiebehoefte. De informatie over de methoden bestaan uit een beschrijving van de methode, de ervaring die met de techniek is opgebouwd en de mate van rijp of groen aangegeven in een Technology Readiness Level (zie onderstaand overzicht en bijlage B). Deze TRL is ingeschaald door Deltares op basis van eigen ervaring, informatie van informanten en uit literatuur. Ten slotte is per hoofdstuk een advies gegeven over welke methoden of technieken het meeste perspectief bieden. De hoofdstukken 6, 7 en 8 zijn algemeen geldig voor alle werkvelden en geven weer: generieke ontwikkelingen in meetinstrumenten en het gebruik van meetplatforms (inclusief crowd sourcing) (H6), een overzicht van datamodelcombinaties (H7) en een overzicht van voor RWS interessante datahouders en databronnen (H8). In hoofdstuk 9 is een samenvattend advies gegeven. Omdat de inhoud van het document breed is, is er voor gekozen om zoveel als mogelijk aan het eind van iedere paragraaf de betreffende literatuurverwijzingen op te nemen. Dit maakt het eenvoudiger voor de lezer die wil teruggrijpen naar onderliggende literatuur voor een specifiek onderdeel. 4 van 179

13 2 Informatieverzamelstrategie RWS: vraag, aanbod en watersysteem. RWS gebruikt bij het bepalen van de informatieverzamelstrategie het 3 pijler principe: vraag, aanbod en watersysteem. Het principe komt voort uit het optimaliseren van monitoringsnetwerken, zoals beschreven door Van Bracht in 2001 en Laane in Het principe gaat er vanuit dat er drie essentiële onderdelen (de pijlers) zijn waar bij het bepalen van een informatieverzamelstrategie in onderlinge samenhang rekening mee moet worden gehouden (zie Figuur 2.1). De informatie die vanuit het waterbeleid en beheer is vereist en is vertaald naar indicatoren, bv zuurgraad als indicator voor waterkwaliteit (de informatievraag) Het variabele gedrag van de indicator in het watersysteem die moet worden gemonitord, bv zout water is zwaarder dan zoet water en zorgt voor een gradiënt bij een riviermonding (systeemkennis) De mogelijke manieren om aan de informatiebehoefte te voldoen bv zuurgraad kan je meten met een in-situ ph-sensor en door middel van lab analyse van een watermonster. (het monitoringssysteem) Wanneer de kennis van de 3 pijlers compleet is kan de informatiestrategie bepaald worden binnen de geldende randvoorwaarden (beleid, beschikbaar budget en capaciteit, baten etc.). Dit is een vereenvoudiging ten opzichte van het principe zoals beschreven door van Bracht en Laane. Die gaan uit van een beschrijving van het hele systeem op ieder hoekpunt: dat wil zeggen het watermanagementsysteem is niet alleen de vraag, maar ook de organisatie die de vraag formuleert. Vergelijkbaar is de hoekpunt monitoringssysteem niet alleen het informatieaanbod, maar ook de organisatie waarmee dat aanbod gegenereerd wordt. Deze andere aanpak is gestoeld in de overtuiging dat niet de technische mogelijkheden, maar de organisatie, de mensen en bestaande beelden (al dan niet terecht) vaak leidend zijn bij het implementeren van innovaties in monitoring. Het is echter in de context van deze studie niet aan Deltares om de organisatie van RWS aan de orde te stellen. Daarom is in dit document het vereenvoudigde model gehanteerd. Figuur 2.1 De drie hoekpunten van de informatievoorziening: watersysteem, watermanagementsysteem en monitoringssysteem. 5 van 179

14 Wens: informatieverzamelstrategie per watersysteem Nu wordt in de praktijk natuurlijk niet om één parameter of indicator gevraagd, maar om vele parameters en indicatoren. Het drie pijler principe volledig doortrekken zou inhouden dat de informatiebehoefte van alle parameters is geaggregeerd per watersysteem. RWS is hier (nog) niet zo ver gegaan en deelt de informatiebehoefte op naar het eigen werkproces en vervolgens naar waterkwaliteit, waterkwantiteit en areaal. Dit houdt in de praktijk in dat informatievragen over de werkvelden over één en hetzelfde systeem soms lang gescheiden lopen en bij realisatie van een nieuw meetpunt pas naar boven komen. De wens om een informatieverzamelstrategie per watersysteem te bepalen is er wel. Een eerste aanzet om hiertoe te komen is gedaan aan de hand van watersysteemschetsen van rivieren meren en kustwateren, bezien vanuit biologie (watersysteemschetsen of watersysteembeschrijvingen is overigens geen nieuw concept binnen RWS). De gemaakte watersysteemschetsen (Noordhuis 2014) beschrijven op dit moment de fysica en morfodynamica en de impact op de biologie. In deze watersysteemschetsen is de samenhang tussen verschillende parameters benoemd en zijn vervolgens de te monitoren, parameters, locaties, en (meet)frequenties afgeleid. Om een geïntegreerde monitoring te kunnen afleiden voor meerdere doelen tegelijk is naast de watersysteemschetsen een relationele database gemaakt (voor waterkwaliteitsvraagstukken) waarbij de informatievragen worden gebundeld en gewogen met kennis van het systeem. Op dit moment wordt die database stapje voor stapje gevuld. Dit is nog een proces in wording waar veel aandacht aan besteed moet worden om geïntegreerd en daardoor efficiënter te kunnen monitoren. Het is niet vanzelfsprekend om aan een monitoringsproces iets toe te voegen waar niet om gevraagd wordt, zelfs al zijn de kosten laag. Toch kan met de watersysteembenadering en oog voor de beleidsontwikkelingen met grote mate van zekerheid aangegeven worden welke extra monitoring zich later zal terugbetalen. Dit geeft nogmaals de potentie van de aanpak waarbij de monitoring wordt beschouwd als bestaande uit drie pijlers: vraag, aanbod en watersysteem. 6 van 179

15 3 Waterkwantiteit; veiligheid en economische belangen leidend in de vraag naar informatie. 3.1 Informatiebehoefte waterkwantiteit Rijkswaterstaat heeft haar informatiebehoefte in het verleden afgeleid uit 15 gebruiksdoelen die hier verder benoemd en behandeld zullen worden. In 2013 is de opbouw anders geworden zie Figuur 3.1. Vanuit de primaire processen Watermanagement, aanleg, BOO (waterkeringen) BO (bodem en oevers) en BOA (beleidsondersteunend advies). De thema s die daarin worden gehanteerd zijn: waterkwaliteit-chemie, waterkwaliteit-ecologie-, waterkwantiteit, areaalgegevens en ICT. De achtergrond is echter niet heel anders dan het uitgaan van de gebruikersdoelen en de benoemde parameters zijn gelijk gebleven. Daarom is de oude indeling voorlopig nog gehanteerd. Bij de fysische monitoring zijn de volgende parameters benoemd die zijn afgeleid uit de informatiebehoefte: Actuele waterstand, golven, stroming, afvoer, watertemperatuur, saliniteit, troebelheid, zicht, meteo(wind) en hefhoogte van sluizen/kunstwerken. Verwachtingen van waterstand, golven en stroming, getij en wind. In de beschikbare documentatie zijn waterstand, golven, stroming en afvoer en zout behandeld. Dat zijn dan ook de parameters die zijn opgenomen in dit document. De informatiebehoefte van saliniteit als waterkwaliteitsparameter is benoemd in de waterkwaliteitsdocumenten en opgenomen in hoofdstuk 4. Informatiebehoefte van zoutgehalten voor hydrodynamica en zoutindringing is benoemd onder dit hoofdstuk. Troebelheid is niet expliciet terug te vinden in de informatiebehoefte documenten. Toch zijn abiotische troebelheid (zwevend sediment) en biotische troebelheid (algen) wel parameters die gemeten worden als maat voor de ecologische toestand van een systeem. In dit document worden daarom niet de informatiebronnen voor troebelheid benoemd, maar voor bepaling van zwevend stof en algenconcentraties (in het hoofdstuk waterkwaliteit). Opvallende afwezigen in de lijst parameters zijn de volgende: Sedimenttransport. Sediment transport staat niet specifiek benoemd in de informatiebehoefte van RWS terwijl die wel benoemd is in de Kaderrichtlijn Water en de Kaderrichtlijn Marien en de Natuurnota Kust. Het speelt dus een rol vanuit effecten op biologie en biodiversiteit. Daarnaast is het een verplicht onderdeel in de milieueffectrapportages bij aanleg van havens en kunstwerken zoals sluizen. Sedimentconcentratie en afvoeren zijn wel specifiek benoemd. Het sedimenttransport kan uit deze gegevens berekend worden. Maar door de informatiebehoefte niet expliciet te noemen is niet duidelijk of in de behoefte volledig wordt voldaan. Neerslag, run off (afvoer over het land naar de waterloop) en bodemvocht De totale hoeveelheid neerslag, de neerslagduur en hoe snel deze neerslag kan afvloeien naar het watersysteem, bepalen in belangrijke mate het debiet in de lokale watersystemen. Hoewel deze debietbijdragen klein zijn vergeleken met het debiet door de rivieren zijn ze 7 van 179

16 belangrijk voor de voorspelling van totale afvoeren en beheeracties, zoals het vasthouden van water rond een afvoergolf of als input bij het bepalen van nutriëntenvrachten in het systeem. Een deel van de debietinformatie kan bepaald worden uit de toestroming uit beken, kanaalpanden en het spuien van waterschappen op de Rijkswateren. Maar dan is het water al bijna in het hoofdwatersysteem en valt er weinig meer te voorspellen of te reageren. Een aantal markante hoofdpunten (prioriteiten) voor vernieuwing uit plan IV 2013 zijn de volgende: Landelijk meetnet water (LMW) o de nieuwe informatiestrategie wordt meer dan voorheen gebaseerd op (i) de eisen die missie kritisch gebruik stelt aan beschikbaarheid en nauwkeurigheid, (ii) maximale benutting van al beschikbare modelberekeningen, en (iii) bestaande operationele metingen bij stuwen en sluizen; o uitbreiding van het LMW: (i) plaatsing van een nieuw meetstation bij de Eemshaven, en (ii) plaatsing van debiet meetopstellingen op de splitsingspunten van de grote rivieren; Figuur 3.1 Informatiebehoefte waterkwantiteit. De informatie wordt over het algemeen gevraagd met een standaardfrequentie van 10 minuten. 8 van 179

17 De op dit moment geldende eisen aan de onzekerheden (plan IV 2013) zijn: Parameter onzekerheid Waterstand instantaan variërend van 2,5 tot 10 cm Waterstandverwachtingen hoog (5 cm) tot gemiddeld (10-15 cm) mede bepaald door kwaliteit van de beschikbare modellen. Afvoeren 5-10% Stroming Golven golfhoogte 5%, golfrichting 5 graden. Temperatuur missie kritische locaties 0,1 graad, andere locaties 1 graad. Zoutgehalte 1 ppt (PSU) in zoute gebieden en 5% in brakke en zoetwatergebieden* *ref Informatiebehoefte kennis- en modelontwikkeling zoutmonitoring 2014 Gebruikersdoelen van RWS 1. Vastleggen karakteristieken watersysteem 2. Bepalen hydraulische randvoorwaarden 3. Internationale verplichtingen en afspraken 4. Kustlijnhandhaving 5. Interpreteren van gegevens van andere landelijke monitoringprogramma s 6. Beheer en toetsing van waterkeringen 7. Informatie voor berichtendiensten 8. Ondersteunende variabele bij het meten van afvoeren en bodemligging 9. Bepalen vrachten van verontreinigingen en sedimentlast 10. Onderzoek en modellen 11. Regionale/lokale informatievoorziening 12. Operationeel waterbeheer 13. Voorbereiden, volgen en evalueren van menselijke ingrepen 14. Emissie-immissie studies 15. Grote projecten Vastleggen karakteristieken watersysteem De vastlegging geschiedt conform het Organiek Besluit Rijkswaterstaat, 1972, om tijdig ontwikkelingen te kunnen detecteren en er op in te kunnen spelen. Dit geldt voor alle Rijkswateren (de watersystemen, waarvoor Rijkswaterstaat verantwoordelijkheid draagt). Gekozen is voor de volgende waterstandsmonitoring: op de randen van de Noordzee evenals de locaties van de amfidromische punten (er is geen specifieke parameter, die de waterloopkundige toestand van de zee eenduidig karakteriseert). bij de splitsingspunten en op een aantal punten langs de loop van riviertakken en kanaalpanden langer dan 25 km (indicatief). in de meren 1 waterstands-meetpunt per bekken bij kleinere bekkens (indien het meetpunt voldoende dicht bij het zwaartepunt van het meer is gelegen); voor op- en afwaaien 2 à 3 punten aan de rand. Daarnaast vindt bepaling van afvoeren plaats waar de grote rivieren ons land binnen komen, op de splitsingspunten in de Rijntakken, de aanvoeren naar belangrijke deelsystemen en waar de grote rivieren of meren afvoeren naar zee. 9 van 179

18 Voor monitoring van ontwikkeling van zeespiegelstijging en klimaat is een beperkt aantal toets punten gedefinieerd: Vlissingen, Hoek van Holland, IJmuiden, Den Helder, Harlingen en Delfzijl. Mocht er verandering optreden in het watersysteem dan is de bovengenoemde monitoring net voldoende om die veranderingen te constateren, maar te beperkt om kennis over het hoe van de veranderingen vast te leggen. De extra gegevens die dan nodig zijn worden vermeld onder punt 11. onderzoek en modellen waar we ook de kennis van het systeem onder vangen Bepalen Hydraulische randvoorwaarden De hydraulische randvoorwaarden zijn de waterstanden en golven, die de waterkering conform de Wet op de Waterkeringen (vanaf 2010 opgenomen in de Waterwet) moeten kunnen keren. Voor het bepalen van de hydraulische randvoorwaarden wordt gebruik gemaakt van hydrodynamische modellen, waarmee extreme waterstanden worden berekend. Daarnaast wordt op de Noordzee gebruik gemaakt van de golfstatistiek van negen golfmeetlocaties en in de estuaria wordt gebruik gemaakt van een golfmodel. Voor de rivieren worden de golven berekend uit windverwachtingen en strijklengtes Internationale verplichtingen en afspraken Voor het nakomen van internationale verplichtingen en afspraken is o.a. waterstands- en afvoerinformatie nodig. Enerzijds wordt deze informatie gebruikt voor verplichte rapportages, anderzijds wordt - al dan niet operationeel - data en informatie uitgeleverd. Centrale Commissie voor de Rijnvaart Periodiek moet in samenspraak met Duitsland een OLR-vlak (Overeengekomen Lage Rivierstand) worden bepaald voor de Rijntakken. Hiervoor is de overeengekomen Lage Afvoer (OLA) op diverse punten nodig. Maasafvoerverdrag Door Nederland en Vlaanderen is een verdrag ondertekend, het Maasafvoerverdrag, waarin afspraken zijn gemaakt over een gelijke verdeling van het Maaswater over de Nederlandse en de Vlaamse kanalen bij lage afvoeren op de Maas met daarbij bijzondere aandacht voor de Grensmaas. Voor de uitvoering van het verdrag is een gemeenschappelijk besparingsscenario opgesteld waarin de meetpunten zijn vastgelegd. Nakomen van afspraken met OSPAR en ICES, vrachtberekeningen naar zee Nederland heeft rapportageverplichtingen betreffende vrachten naar de Noordzee aan OSPAR (Oslo Paris Convention: Verdrag betreffende de bescherming van het marine milieu in het Noordelijke deel van de Atlantische Oceaan) en ICES (International Council for the Exploration of the Sea). Voor deze vrachtbepaling zijn afvoeren onmisbaar. Kaderrichtlijn Water Voor de KRW dient Toestand- en Trendmonitoring (T&T) en Operationele Monitoring (OM) te worden uitgevoerd, daarbij dienen waterstanden en afvoeren als ondersteunende parameter. Europese Kaderrichtlijn Marine strategie De Kaderrichtlijn Mariene Strategie (KRM) verplicht elke Europese lidstaat tot het vaststellen van een mariene strategie, welke is gericht op bescherming, behoud en herstel van het mariene milieu (een goede milieutoestand, GMT, van de Noordzee) waarbij tevens een duurzaam gebruik van de Noordzee wordt gegarandeerd. Voor de KRM is het monitoren van de toestand van het mariene milieu noodzakelijk. Het KRM-monitoringsprogramma wordt 10 van 179

19 uiterlijk 15 juli 2014 vastgesteld. In 2015 volgt het daarbij behorende KRM maatregelenpakket, dat in 2016 operationeel moet zijn. Westerschelde Nakoming afspraken met België m.b.t. het registreren van waterstandsinformatie op een aantal punten langs de Westerschelde t.b.v. de scheepvaart en de bereikbaarheid van de haven van Antwerpen. Nakoming van het vastgelegde peil op NAP m op het Kanaal Gent-Terneuzen (tevens gekoppeld aan zoutindringing) Kustlijnhandhaving Kustlijnhandhaving vindt plaats op basis van de ontwikkeling in de bodemligging. Dit wordt behandeld in hoofdstuk Interpreteren van gegevens van andere landelijke monitoringprogramma s Informatie van waterstanden, golven afvoeren en stroming worden ingezet bij de interpretatie van (lokale) ontwikkelingen in morfologie, ecologie en waterkwaliteit. Een voorbeeld van gevraagde informatie waarvoor waterstanden worden gebruikt is de droogvalduur van platen ten behoeve van ecologische evaluaties Beheer en toetsing van waterkeringen Operationeel beheer van waterkeringen wordt besproken onder operationeel beheer in Voor toetsing van de kering wordt gebruik gemaakt van toetsinstrumenten, de zogeheten Hydra s. Voor het maken van de Hydra s wordt een groot deel van dezelfde informatie gebruikt en tussenproducten hergebruikt die nodig waren voor het bepalen van de hydraulische randvoorwaarden zoals al besproken in Deze informatie wordt aangevuld met de gesteldheid van de kering. Een parameter die wordt gebruikt in de toetsing, maar niet direct zichtbaar is bij de hydraulische randvoorwaarden, is de overschrijdingsfrequentie van waterstanden Informatie voor landelijke berichtendiensten Voorspellingen van waterstanden, stroming en golven op de Noordzee, bij de kust en op de rivieren vindt plaats ten behoeve van regulier beheer en calamiteiten (incl. de stormvloedwaarschuwingsdienst). De informatie wordt gevraagd en gegenereerd langs de hele Nederlandse kust en op de rivieren. Deze voorspellingen vinden plaats met behulp van stromingsmodellen en golfmodellen (zie paragraaf ). Voor de Noordzee vormen deze modellen een modeltrein van grof naar fijn vanaf oceaanniveau tot de estuaria. Voor de rivieren starten de modellen bovenin het stroomgebied van de Rijn en Maas. Deze modellen maken gebruik van neerslag, waterstandsmetingen en golfmetingen over de hele Noordzee en de stroomgebieden. Het nieuwste operationele systeem van RWS is RWSOS Noordzee (of FEWS Noordzee). Het bevat twee gekoppelde hydrodynamische modellen DCSMv6 en ZUNOv4 en een nieuw SWAN golfmodel. Deze modellen gebruiken de gemeten waterstanden van 8 locaties langs de Nederlandse kust voor aansturing van de modellen (data assimilatie). 11 van 179

20 3.1.8 Ondersteunende variabele bij het meten van afvoeren en bodemligging (waterstand) Dienst der Hydrografie van de Koninklijke Marine levert de zeekaarten voor de Noordzee en de kust. De benodigde bodemliggingsmetingen worden uitgevoerd door de dienst der Hydrografie en de Dienst Centrale Informatievoorziening (CIV) van RWS. Deze metingen worden uitgevoerd bij variërende waterstanden en moeten worden omgerekend naar een afgesproken referentievlak (chart datum) voor de Noordzee en naar het NAP vlak onder de kust. Deze omrekening, ook wel reductie genoemd, wordt uitgevoerd met behulp van het programma PREMO (Prediction Module water level). Dit programma wordt gebruikt door de dienst Hydrografie en RWS. In PREMO wordt hoofdzakelijk gebruik gemaakt van de waterstanden berekend met de Hydrodynamische voorspelmodellen van RWS. Voor de rivieren is de waterstand niet nodig als ondersteunende parameter voor bodemligging, maar wel voor het bepalen van afvoeren op de locaties genoemd onder vastleggen karakteristieken watersysteem. Afvoeren worden niet direct gemeten maar zijn een berekening uit de gemeten stroomsnelheden in een doorstroomoppervlak. Variatie in het doorstroomoppervlak wordt bij de vaste debietmeetopstellingen bepaald met behulp van de waterstand in combinatie met een of meerdere doorstroomprofielkalibraties Bepalen vrachten van verontreinigingen en sedimentlast Het gaat hier om de berekening van vrachten aan verontreinigende stoffen en sediment, van belang voor onder meer internationale afspraken, maar ook voor het landelijke emissiebeleid. Deze dienen op de volgende locaties te worden bepaald: De grote toevoeren naar Nederland, De belangrijke splitsingspunten, De toevoeren naar de grotere deelsystemen als IJsselmeer en Rijn-Maasmonding, De belangrijke sedimentatiegebieden. De afvoer naar zee Informatie benodigd voor onderzoek en voor ontwikkeling van modellen Informatie benodigd voor kennisontwikkeling en goede voorspellingsinstrumenten (modellen) Een groot deel van de informatievragen over waterkwantiteit en hydrodynamische toestand betreft informatie in de (nabije) toekomst in de vorm van voorspellingen van de waterstanden, afvoeren, golven en stroming. Daarin wordt, zoals eerder vermeld, voorzien door gebruik van hydrodynamische modellen. Voor de ontwikkeling van de hydrodynamische modellen is meer informatie nodig om deze te kunnen kalibreren en valideren of eventueel bij te stellen bij wijzigingen in het systeem, zoals de aanleg van de 2 de Maasvlakte of de ruimte voor de rivieren projecten. Ter illustratie: Voor de ontwikkeling en validatie van de hydrodynamische modellen DCSMv6/ZUNO en het golfmodel SWAN onder het nieuwe RWSOS Noordzee is gebruik gemaakt van 100 waterstandspunten, waarvan 42 Nederlandse waterstandspunten, en 30 golfmeetpunten. Het RWSOS heeft daardoor een gemiddelde onzekerheid van slechts 7 a 8 cm (RMSE) in de berekende waterstanden voor een voorspelhorizon van 6 uur. Voor deze validatie hoeven de meetpunten echter niet altijd en vele jaren achtereen aanwezig te zijn; er wordt gewoon gebruikt wat er is. Maar een periode van 2 jaar met een redelijk stabiele verdeling van meetpunten is wel noodzakelijk. Naast de vaste 12 van 179

21 waterstandsmeetpunten uit het landelijke meetnet water is ook gebruik gemaakt van de beschikbare altimeterdata op de Noordzee. De meerwaarde van deze data lag vooral in het controleren van de modelranden waar waterstandsdata schaars is. Belangrijk punt om te vermelden is dat de operationele hydrodynamische modellen niet gekalibreerd of gevalideerd worden op stroming, maar alleen op waterstand. Voor de off line modellen, met hogere resolutie, vindt wel validatie plaats op stroming, of de verdeling van het debiet over de stroomvoerende breedte in het geval van een rivier. Rijkswaterstaat vraagt om steeds nauwkeuriger waterstandsvoorspellingen voor de Noordzeekust en de rivieren voor het garanderen van de veiligheid en tijdig kunnen uitvoeren van maatregelen. Deze voorspellingen komen uit de hydrodynamische modellen. Deltares als ontwikkelaar van deze RWS modellen ziet dat de volgende stap om verder te kunnen komen met de hydrodynamische modellen betrekking heeft op het meenemen van de dichtheden. Dit zou kunnen leiden tot nieuwe 2D en 3D modellen. Dit leidt tot een behoefte aan gegevens van de dichtheden in de vorm van saliniteitsprofielen en aanvullende informatie over stroming en stromingsgelaagdheid. Informatie benodigd voor kennisontwikkeling: Zoals vermeld onder punt 1 (Vastleggen karakteristieken watersysteem ) is de informatie, die is gedefinieerd voor het vaststellen van de karakteristieken van het systeem te beperkt om goed te voorspellen hoe bepaalde trends zich zullen gaan ontwikkelen bij grote wijzigingen in het systeem. Daarom is het noodzakelijk om in de voorbereiding, uitvoering en evaluatie van grote ingrepen extra te monitoren. De monitoring betreft dan nagenoeg alle waterkwantiteitsparameters over het hele gebied waar invloed wordt verwacht van de ingreep. Typische ingrepen waar men aan moet denken zijn: Ruimte voor de rivieren projecten, aanleg Maasvlakte 2, uitbreiding sluizen IJmuiden, uitbreiding sluizen Terneuzen en wijziging waterbeheer Volkerak Zoommeer. Ook voor pure kennisontwikkeling die nodig is om gesteld te staan voor toekomstige ingrepen zijn extra gegevens nodig. Dit is vaak te combineren met de uitvoering van grote projecten als geanticipeerd wordt op hergebruik van data en kennis. Maar soms is een specifiek programma nodig. Zo is het SBW (Sterkte en Belastingen Waterkeringen) opgezet als project voor het ontwikkelen van kennis van golfgroei, golfindringing (in zeegaten), golfoploop en golf-stroominteractie. Daarvoor was extra gemeten informatie nodig over golven, stroming, waterstanden, bodemligging en wind (zie ook paragraaf 8.4.1). Twee onderwerpen binnen de waterkwantiteit waar nu aandacht voor is, en waar een vergelijkbaar programma voor nodig zou zijn om voldoende kennis te ontwikkelen, zijn: bepalen van afvoeren in estuaria bij hoge en lage afvoer in de rivieren en door spui en schutsluizen. Zoutindringing in estuaria en schutcomplexen. Daarnaast is er behoefte aan waterkwantiteitsinformatie ten behoeve van kennisontwikkeling op andere vlakken zoals morfologie en ecologie. Voor kennisontwikkeling op het gebied van o.a. morfologie is bijvoorbeeld de Zandmotor ingericht. Daar is golf- en stromingsinformatie nodig met een hoge ruimtelijke resolutie en dekking in de nabije omgeving. Het belang van fysische processen (hydrodynamica, morfodynamica) voor de mariene ecologie is groot. Kennisontwikkeling op dit gebied is noodzakelijk en vraagt om monitoring van vooral kleinschalige en grootschalige stroming en sedimentbewegingen om deze parameter te kunnen koppelen aan de aanwezigheid en dynamiek van bodemdieren en vis. 13 van 179

22 Dit vraagt om monitoring van stroming en golven (orbitaalsnelheden) en de bodemdynamiek. Maar ook zout en temperatuur zijn belangrijke parameters. De monitoring voor kennisontwikkeling onderscheidt zich van de reguliere monitoring in twee opzichten: het gaat om een relatief klein gebied vaak niet groter dan 30 bij 30 km, hoge inwinfrequenties, hoge ruimtelijke resolutie en een doorlooptijd van enkele jaren. Dit is enigszins vergelijkbaar met de informatie die nodig is voor modelontwikkeling Regionale/lokale informatie voorziening: Scheepvaartbegeleiding Voor de scheepvaartbegeleiding van en naar Rotterdam, IJmuiden, Vlissingen en Eemshaven is veel informatie nodig over hydrodynamische en meteorologische omstandigheden. Een belangrijk facet is de tijpoortregeling waarin, rekening houdend met de omstandigheden en de karakteristieken van het schip, de tijdvensters worden bepaald waarbinnen een diepliggend schip veilig door de geulen kan varen. Voor de tijpoortberekening wordt gebruik gemaakt van de PROTIDE-applicatie (PRObabilistic TIdal window DEtermination). Deze applicatie haalt verwachte waterstanden, stroomsnelheden, stroomrichtingen en 2D spectra van golven direct uit de databases van RWS (MATROOS). Daarna berekent Protide het resulterende stampen en slingeren per schip en de kans op bodemberoering. Naast de voorspellingen voor tijpoorten is er informatie nodig voor loodsen en wachtmeesters voor het beoordelen van de lokale situatie. Daar wordt nu gebruik gemaakt van de operationele voorspellingen, de beschikbare meteo metingen, golfmetingen en de gegevens van de stroommeetpalen Maasmond en IJmond. Verder zijn de voorspellingen en de metingen van belang voor het beheer van de toegangsgeulen, bijvoorbeeld voor de werkbaarheid voor baggerschepen. Op de rivieren zijn voornamelijk de verwachte minimale vaardiepte en doorvaarhoogten van belang. Zowel op de rivieren als op de Noordzee is op verschillende plaatsen de stroomsnelheid nodig om veilige doorvaart te kunnen verzekeren. In de centraal opgestelde informatiebehoefte van RWS is niet de informatie benoemd waarmee het effect van scheepvaart op het systeem en de veiligheid wordt bepaald. Dat die informatiebehoefte er wel is blijkt uit de studies die in opdracht van RWS zijn uitgevoerd voor: de Westerschelde ten aanzien van erosie, bij Vlissingen ten aanzien van veiligheid van badgasten en een studie naar aanleiding van een dodelijk ongeluk bij de Maeslantkering als gevolg van een scheepsgolf. Voor de Westerschelde is de informatiebehoefte opgenomen in de monitoringsaanvraag in het kader van de Lange Termijn Visie Westerschelde. Zoutindringing In de nabijheid van waterinnamepunten is behoefte aan informatie over zoutgehalten om te kunnen beslissen of de waterinname al dan niet gestaakt moet worden. Er is daarnaast behoefte aan informatie om verzilting van innamepunten te kunnen voorkomen bij droogte. Deze gegevens zijn nodig om de waterverdeling zo te sturen dat de indringing van het zoute zeewater zoveel mogelijk wordt tegengegaan. 14 van 179

23 In de informatiebehoefte (plan IV 2013) wordt gesproken van behoefte van het ontsluiten van zoutmetingen in plaats van een informatiebehoefte. Dit is waarschijnlijk omdat men bij droogte o.a. voorspelmodellen inzet om de effecten van geplande herverdeling van water (door bijregelen van stuwen en sluizen) door te rekenen voordat men werkelijk het water herverdeelt. Daar zijn de metingen voor nodig Operationeel waterbeheer: Sturing kunstwerken, al dan niet door een Beslissings Ondersteundend Systeem (BOS) De grote kunstwerken langs de kust zijn voorzien van een BOS. Deze worden gevoed met verwachte en actuele waterstanden en afvoeren. Grote en kleine stuwen maken gebruik van lokale waterstanden en afvoerwaarden. Het spuiregime wordt afgestemd op zowel de actuele situatie als de verwachte aanvoer van water Voorbereiden, volgen en evalueren van menselijke ingrepen/ grote projecten Ondanks het ontbreken van een gedetailleerd overzicht van de kosten van monitoring van RWS is de schatting dat in de informatievoorziening voor grootschalige projecten net zo veel geld om gaat als de reguliere informatievoorzienig van RWS (Plan IV 2013). RWS heeft op dit moment nog geen volledig overzicht van de informatievoorziening rond projecten en de samenhang met de reguliere monitoring (basisinformatie). Dit op orde krijgen is een onderwerp dat redelijk wat aandacht krijgt van RWS. Wel duidelijk is, dat met de grote projecten de behoefte aan informatie explosief stijgt. Ter illustratie: aan de aanleg van de 2 de Maasvlakte ging meer dan 15 jaar studie vooraf. Bijna alle invalshoeken zijn daarbij de revue gepasseerd: van effecten op stroming en sedimenttransport langs de kust tot invloed op de habitat in het Haringvliet. Het Project Mainport Rotterdam waarin uiteindelijk de aanleg werd gerealiseerd had eveneens een zeer uitgebreide monitoring op dezelfde parameters. Andere grote projecten zijn bijvoorbeeld Ruimte voor de rivieren en doorstroming en, wat kleiner, de Zandmotor. Deze projecten leunen op de al aanwezige informatievoorziening. Maar de monitoring wordt lokaal flink uitgebreid. De duidelijke trend in aanvullende monitoring van al deze projecten is dat meer ruimtelijke informatie wordt ingewonnen om de ruimtelijke impact van de ingreep goed te kunnen evalueren. Voor de grootschalige ingrepen die gepland staan in de sluizen van IJmuiden en Terneuzen zijn gegevens nodig van de huidige hydrodynamica en zoutgehalten direct in de sluizencomplexen en de nabije omgeving Emissie-immissie studies RWS heeft dit onderwerp niet gekoppeld aan een informatiebehoefte voor waterkwantiteit, maar het wordt wel genoemd onder vrachten. 15 van 179

24 3.2 Gaten in de informatievoorziening waterkwantiteit Hieronder wordt een aantal gaten benoemd die in de laatste jaren aan het licht zijn gekomen bij het vergelijken van de behoefte aan en de beschikbaarheid van informatie door zowel RWS als Deltares. Voor het vullen van deze gaten heeft RWS acties ondernomen of gedefinieerd. Afvoeren Er is door RWS in 2012 het volgende geconstateerd: om de waterverdeling over Nederland beter te sturen en te handhaven zijn nauwkeuriger en betrouwbaarder afvoermetingen nodig; (plan IV 2013). Dit heeft onder andere geleid tot de plaatsing van 2 nieuwe debietmeters bij Lobith en Hondsbroeksche Pleij. Deze dekken echter niet het hoge en lage bereik. In deze informatiebehoefte wordt voorzien door meetcampagnes bij hoge en lage afvoeren uit te voeren. Deze worden echter niet regelmatig genoeg herhaald voor het opbouwen en onderhouden van voldoende betrouwbare rekenmethoden (Evaluatie Lobith rekenmethode 2012). Daardoor blijft de behoefte bestaan tot (continue) metingen bij hoge en lage afvoeren om de genoemde doelstelling te halen. Zoutindringing. Het ontbreken van voldoende informatie voor het ontwikkelen van kennis en het afregelen van hydrodynamische modellen is benoemd als knelpunt voor het bepalen van zoutindringing in zowel Maasmonding als bij schutsluizen als spuicomplexen. Hierdoor is er een beperkt inzicht in efficiënte maatregelen tegen verzilting en zoutindringing en de effecten van wijzigingen zoals het uitbreiden van sluiscapaciteit op de zoutindringing 1. Dit is vertaald in een behoefte aan aanvullende informatie van afvoeren, afvoerverdeling, stromingsgelaagdheid en dichtheidsverloop (zout) in de kustzone, Maasmonding, Noordzeekanaal en een aantal andere wateren. Daarbij is geconstateerd dat de huidige vaste zoutmeetopstellingen (G&T) veelal aan de oever van de waterloop zijn geplaatst en in veel gevallen geen profiel meten. Die metingen zijn niet representatief voor de zoutindringing die juist plaats vindt door het diepste deel (in het midden en diepste deel van de waterloop). Deltares constateert dat de bovengenoemde aanvullende informatie van stroming en stromingsgelaagdheid en zout in de kustzone en estuaria ook nodig is voor: het bepalen van de ontwikkeling van de eutrofiering van de kustzone. ontwikkeling van nieuwe en toetsing van bestaande hydrodynamische voorspelmodellen die RWS o.a. inzet voor scheepvaartbegeleiding, zoals het geplande 3D voorspelmodel voor de Euro- en Maasgeul. Op dit moment is de vraag naar zoutgehalte informatie voor watergebruik vooral gericht op signalering, dus dicht bij de innamepunten en actueel en bedoeld voor onmiddellijk ingrijpen. Een preventieve in plaats van deze reactieve aanpak is gewenst. Dit vereist een goede voorspelling voor enkele uren of dagen, zodat passende maatregelen getroffen kunnen worden voordat een incident plaatsvindt. Stroming en golven op de vaarroutes naar havens Voor de havens zijn de volgende behoeftes geconstateerd: 1 Rijkswaterstaat en zoet-zout problematiek, behoefte aan onderzoek naar zoutindringing via het oppervlaktewatersysteem, presentatie, N. Kielen. 16 van 179

25 met verruiming van de toegang tot de Eemshaven groeit de behoefte aan tijpoorten, stromingsbeelden, golven en waterstanden. (Plan IV 2013). RWS heeft het voornemen om bij Eemshaven een meetpaal te plaatsen. Het is echter niet helder of hiermee ook de genoemde behoefte volledig gedekt wordt. Het Havenbedrijf Rotterdam vraagt om nauwkeuriger tijpoorten voor de havens, waardoor schepen niet onterecht de toegang tot de havens wordt ontzegd. Tevens bestaat de behoefte om de tijpoorten eerder beschikbaar (72 uur) te krijgen om de planning van de aankomst van schepen nauwkeuriger te krijgen waardoor ook de planning van het laden en lossen van schepen efficiënter kan gebeuren. Dit alles om de economische groei van de haven te garanderen. Dit leidt tot behoefte aan stroming en golven in en rondom de Maas- en Eurogeul. RWS heeft in 2012 een project gestart om in de informatie voor de Euro-Maasgeul te voorzien. Zie ook paragraaf Golven op rivieren Voor het bepalen van de Hydraulische randvoorwaarden en het ontwerpen van oeververdediging langs de rivieren worden de golven berekend uit windverwachtingen en strijklengtes. Het ontbreekt echter aan validatiemetingen voor deze berekende waarden. Hoge resolutie en ruimtelijke dekking voor projecten RWS meldt dat grote projecten vragen om uitgebreide aanvullende informatievoorziening (Plan IV 2013). Dit is benoemd, maar de informatiebehoefte van dit type projecten is nog niet centraal beschreven, en wordt per project gedefinieerd. Toch zijn er wel degelijk generieke elementen aan deze projecten. Zo zijn de recente voorbeelden van de aanleg van de 2 de Maasvlakte en de Zandmotor gericht op aanpassingen van de kust en de effecten daarvan op het systeem. Daar is dan ook een gelijkwaardige informatiebehoefte te verwachten, zoals een meer ruimtelijk dekkende informatie van de hydrodynamica, morfodynamica en sedimentverspreiding. RWS probeert hier grip op te krijgen door het opstellen van een handreiking voor indicatoren van marine projecten, maar deze richt zich juist op de biologische parameters en niet op de parameters die hiervoor benoemd zijn. Opmerking: Dit zijn typisch de projecten waarin ook nieuwe meet- en modeltechnieken worden uitgeprobeerd, hetzij om de kosten van monitoring te reduceren of om de bestaande monitoring met reguliere meettechnieken aan te vullen. 3.3 Informatieverzamelstrategie waterkwantiteit van RWS: De informatieverzamelstrategie van RWS op het gebied van waterkwantiteit is momenteel risico gestuurd. Dit houdt in dat bij doelen waar geen risico s geaccepteerd worden de eisen hoog zijn ( in zowel continuïteit als nauwkeurigheid) en daar waar wel risico s geaccepteerd worden de eisen lager zijn (vooral voor de continuïteit). Zo ver Deltares kan overzien is deze strategie nog in ontwikkeling voor de werkvelden waterkwaliteit en bodemligging. 17 van 179

26 Daarnaast wordt bij iedere nieuwe aanvraag naar informatie, die meestal komt als vraag naar een nieuw meetpunt, gekeken of de informatie al dan niet geleverd kan worden uit de operationele modellen. Dit heeft het etiket meten met modellen meegekregen. Deze aanpak is vooralsnog bruikbaar gebleken voor de parameter waterstanden en kan breder ingezet worden. Het succesvol inzetten van deze techniek vergt wel een directe afstemming tussen modelontwikkeling en monitoring. Daar is op dit moment bij RWS nog winst te behalen. In het kort resulteert de huidige strategie in de volgende situatie in de informatie-inwinning: Er is voor waterstanden, afvoeren, golven, temperatuur en zout een meetnet opgezet dat voorziet in de bulk van de online gegevens en monitoringsverplichtingen (gedefinieerd in de paragraaf informatiebehoefte). Daarnaast worden de operationele verwachtingen voor veiligheid en scheepvaart geleverd door operationele modellen. Deze modellen worden weer gevoed door de genoemde metingen. Deze modellen leveren in sommige gevallen ook online gegevens voor andere doeleinden als er geen meetpunt aanwezig is. Voor de grote projecten wordt de monitoring van waterkwantiteit aangevuld met tijdelijke meetstations en specifiek afgeregelde hydrodynamische modellen. En tenslotte worden scenario berekeningen uitgevoerd met detailmodellen voor extremen en toekomstige ingrepen. Bij de hydrodynamische modellen wordt zoveel mogelijk gebruik gemaakt van bestaande modelsoftware en schematisaties. Een door Deltares en RWS gezamenlijk geconstateerd aandachtspunt is: De ontwikkeling van de genoemde modellen vraagt ook om extra gemeten informatie waarin niet voldaan wordt met het vaste meetnet. Deze informatie heeft overigens vaak veel lagere eisen wat betreft continuïteit en meetperiode (korter) en hoeft dus niet met dezelfde technieken dan wel infrastructuur te worden opgezet als het vaste meetnet. 3.4 Ontwikkelingen bij RWS in de inwinstrategie en meetstrategie voor waterkwantiteit Een meetstrategie dient ervoor om de huidige en toekomstige informatiebehoefte zo goed mogelijk te voeden. Dit houdt in dat de informatiebehoefte/informatieverzamelstrategie eisen stelt aan die meetstrategie. Die eisen beslaan zaken als type parameter, frequentie van metingen, mate van ruimtelijke spreiding, interactie met modellen etc. Een optimale meetstrategie beantwoordt zo veel mogelijk vragen (beter, sneller) tegen zo laag mogelijke kosten. Vooral vanuit kostenbeheersing is een meetstrategie dus niet alleen afhankelijk van wat er technisch mogelijk is, maar moet het ook optimaal gebruik maken van de mensen en middelen die ter beschikking staan. Heb je een schip dan gebruik je het, heb je instrumenten dan zet je die in. Bij een meetvraag zal dus altijd eerst gekeken worden of in de gevraagde informatie kan worden voldaan met de beschikbare instrumenten en de bestaande meetinfrastructuur. Bij RWS bestaat de meetinfrastructuur uit vaste meetpunten en mobiel materiaal (schepen, auto s, boeien, pontons etc.). In de groeiende vraag naar ruimtelijke informatie (vooral uit de grote projecten) kan echter slechts tegen hoge kosten voldaan worden door middel van schepen en vaste meetpunten. Daarom wordt voor deze vragen gekeken naar de mogelijkheden van een aantal ruimtelijke technieken die ingezet kunnen worden vanaf de wal of meetplatforms. Een aantal van deze 18 van 179

27 technieken zullen genoemd worden in de volgende hoofdstukken. Een dergelijke omslag in meten vergt ook een omslag in mens, materiaal en de expertise die men in huis heeft. Een groeiende tendens is dat RWS metingen inkoopt op onderdelen die de markt efficiënt en met voldoende kwaliteit kan leveren, of die niet behoren tot de kern van het meetbedrijf van RWS. Voorbeelden zijn het contract voor het leveren van afvoermetingen voor de Rijn bij variërende waterstanden en afvoeren en metingen met laseraltimetrie vanuit een vliegtuig voor het bepalen van waterstanden bij hoogwaters. Het is ons onbekend hoe RWS nu en in de toekomst wil voorzien in de kwaliteitsborging van deze producten. 3.5 Ontwikkelingen in meetmethoden en technieken waterkwantiteit Watertemperatuur Zie waterkwaliteit AIS: stromingsgegevens, golfbelasting en onderwatergeluid door scheepvaart Automatic Identification System of afgekort AIS is een systeem waarmee schepen onderling en met instanties aan de wal informatie uitwisselen. Gegevens die door de AIS-zender aan boord uitgezonden kunnen worden zijn onder andere: naam, lengte en breedte, scheepstype, IMO-nummer (scheepsidentificatie), actuele positie, actuele koers en snelheid, diepgang, lading, bestemming, verwachte tijd van aankomst. Doordat schepen elkaars positie, snelheid, koers en formaat kennen wordt de veiligheid van scheepvaart op zeeën en het binnenwater verhoogd. In Nederland is het gebruik van AIS verplicht voor beroepsmatige zeevaart. Twee webproviders, die wereldwijd scheepsbewegingen presenteren op het internet, zijn: marinetraffic.com, vesselfinder.com. Naast signalering en scheepvaartbegeleiding worden AIS gegevens wereldwijd gebruikt voor het analyseren van verkeersdoorstroom en verkeersveiligheid. Meer nieuwe toepassingen zijn de volgende: als bron van informatie voor het traceren van (illegale ) lozingen door scheepvaart. om een inschatting te maken van onderwatergeluid op basis van scheepslocaties en verkeersdichtheid. voor het afleiden van stroming uit het gedrag van de schepen, zie hieronder. voor het identificeren van locaties die belast worden door scheepsgolven en daardoor onderhevig zijn (of kunnen worden) aan erosie of potentieel gevaarlijk zijn voor aangemeerde schepen en badrecreatie, zie hieronder. Opm.: AIS is dus niet een meettechniek, maar een dataverzameling op basis van verschillenden meettechnieken en bronnen en had dus ook geplaats kunnen worden in hoofdstuk 8. AIS als bron van stromingsinformatie Als een schip in een dwarsstroomveld een, bij benadering, rechte baan vaart zonder dwarswind, zal de opstuurhoek het gevolg van de dwarsstroom zijn. De opstuurhoek is af te leiden uit de koers en de kompasrichting die beschikbaar zijn in de AIS. De dwarsstroming is te berekenen door de scheepsnelheid (ten opzichte van de bodem) te vermenigvuldigen met de sinus van de opstuurhoek. 19 van 179

28 α = opstuurhoek Ms = scheepssnelheid t.o.v. de bodem Vs = dwarsstroom component Door dit toe te passen op vele schepen en langs meerdere routes is uit vele dwarsstroombepalingen een schatting te maken van de stroomsnelheid en stroomrichting in een gebied. Dit principe is toegepast op AIS data van de Maasgeul. In de situatie van de Maasgeul werd voor de meeste data niet voldaan aan de voorwaarden die gelden voor het gebruik van de benadering: er was wel wind, schepen veranderden regelmatig van roerstand en het vermogen naar de schroeven wijzigde (afgeleid uit versnelling en koerswijzigingen van de schepen). Uit de AIS gegevens was daardoor wel de richting, maar niet de waarde van de dwarsstroming af te leiden. Toepassen van ruisfilters en combineren van data van vele schepen kan nog verbetering leveren, maar naar verwachting blijft de nauwkeurigheid beperkt. Maar ook stroomrichting is al van waarde, waardoor AIS gegevens een aanvullende informatiebron vormen op de stromingsmetingen van RWS voor het valideren van stromingsmodellen. AIS voor het bepalen van locaties met (gevaarlijke) scheepsgolven. AIS data zijn bruikbaar is voor het afleiden van een scheepsgeïnduceerd golfklimaat. Dit werkt als volgt. Uit AIS worden snelheid, positie, type, formaat en diepgang van het schip afgeleid. Door gebruik te maken van bathymetrie, waterstand en een schatting van de heersende stroming kunnen met eenvoudige rekenregels de golven die de schepen veroorzaken (aan de oever) worden berekend. Deze aanpak is in een masters traject met succes verkend (Rhamada 2014). Langs 10 km oever van de Westerschelde is een distributie gemaakt van scheepsgolven gebaseerd op AIS data. Daarbij lag de focus allereerst op het goed bepalen van de waterstandsdaling veroorzaakt door schepen. Voor de secundaire golven (boeggolf) is dezelfde methode te hanteren, maar deze is nog niet volledig uitgewerkt. 20 van 179

29 Figuur 3.2 Waterspiegeldaling (primair) en boeg- en hekgolven (secundair) veroorzaakt door een passerend containerschip op de oever van de Westerschelde. Het rode vak omvat de primaire golf en het blauwe en groene vak de secundaire golven.(schroevers et. al. 2011). Figuur 3.3 AIS tracks gebruikt voor het bepalen van scheepsgolven op de oever van het Nauw van Bath (Rhamada 2014). Validatie locatie Sheepstrajecten 21 van 179

30 Status Nederland. Naast scheepvaartbegeleiding wordt AIS in Nederland regulier gebruikt voor de volgende onderzoekstoepassingen: MARIN voert onderzoek uit naar het gebruik van AIS in nautische modellen, zowel verkeersdoorstromingsmodellen als verkeersveiligheidsmodellen. AIS gegevens worden ingezet in onderzoek naar aanvaringen, bijna aanvaringen, strandingen en andere scheepsincidenten. Het Marin speelt hierin een leidende rol en gebruikt daarbij o.a. AIS data, maar ook het scheepssimulatiemodel SHIPMA voor het traceren van de oorzaak van ongevallen. (Rijken Verkerk 2006). AIS worden door de kustwacht en RWS ingezet als bron van informatie voor het traceren van (illegale ) lozingen door scheepvaart. Daarnaast lopen de volgende verkenningen: AIS data wordt door IMARES/Deltares ingezet om een inschatting te maken van onderwatergeluid op basis van scheepslocaties en verkeersdichtheid. Dit om een mogelijke invloed van het geluid geproduceerd door scheepvaart op vis te bepalen. AIS data zijn gebruikt als hulpparameter voor het bepalen van belasting van een schor door scheepsgolven in het Nauw van Bath (Schroevers et. al. 2012). AIS als hulpparameter voor het bepalen van de oorzaak van het ontstaan van gevaarlijk golven op de badstranden van Walcheren (Schelde 2011). AIS is gebruikt in een pilot voor het afleiden van stroming (Schroevers, Gaytan, Rhamada 2014). AIS kan gebruikt worden voor het identificeren van locaties die onderhevig zijn (of kunnen worden) aan erosie door scheepsgolven en locaties die potentieel gevaarlijk zijn voor scheepvaart- en recreatiestroming (Rhamada 2014). Beschikbaarheid AIS data in Nederland: Schelde radarketen Gemeenschappelijke Nautische Autoriteit Schelde; Kustwacht; Havenbedrijf Rotterdam. In sommige gevallen zijn de ruwe data beschikbaar (iedere 15 seconden) en in andere gevallen een gecondenseerde set data of beiden. Technology Readiness Level AIS is volledig operationeel. TRL 9. De technology readiness van het gebruik van AIS data varieert per toepassing. Voor de benoemde reguliere toepassingen is de TRL 8 tot 9. Voor de verkenningen is sprake van een proof of concept in een echte situatie, variërend van ontwikkeling tot prototype operationeel TRL 5-7. Literatuur (Rhamada 2014) Rhamada A., Use of AIS to derive a Ship induced wave climat, msc thesis, IHE UNESCO (Rijken Verkerk 2006). Rijken Verkerk MARIN nautisch onderzoek stranding Fowairet, conceptrapport /1, 16 oktober Marin. (Schelde 2011) Ship waves at Vlissingen beach, Common Nautical Management Scheldt Region, (Schroevers et. al. 2011) Measuring Ship induced waves and currents on a tidal flat in the Western Scheldt Estuary, M. Schroevers, B.J.A. Huisman, M. van der Wal. J. Terwindt, 22 van 179

31 proceedings IEEE/OES Currents, Waves and Turbulence Measurement Workshop, IEEE, Monterey, March (Schroevers, Gaytan, Rhamada 2014) Boot als sensor, pilots , Gebruik van AIS data voor het afleiden van stroming en golven, Deltares rapport ZKS Waterstanden: Laseraltimetrie vanuit een vliegtuig Analoog aan de inwinning van landhoogte voor het AHN, kan ook waterstandsinformatie ingewonnen worden met lasertechnieken (LIDAR, LIght Detection And Ranging), zie ook hoofdstuk bodemligging. De laser, bevestigd aan een vaartuig, vliegtuig of helikopter, zendt hierbij licht uit dat weerkaatst op het wateroppervlak of een ander object. Uit het op het water weerkaatste signaal kan de locatie van het wateroppervlak afgeleid worden. In tegenstelling tot de bepaling van land kan de positie van het wateroppervlak slechts in een smalle band onder het vliegtuig worden bepaald, omdat alleen de reflectie van bijna recht onder het vliegtuig terugkomt in de ontvanger (spiegelende reflectie vs. diffuse reflectie). De methode lijkt zeer nauwkeurig. Brugelmann (2001) en Bollweg (2002) noemen een bias van ± 5 cm en een standaarddeviatie variërend van 3 tot 6 cm (op een oppervlak van 5 x 5 m). Die bias kan verwijderd worden aan de hand van meerdere waterstandstations in het meetgebied. De methode levert ruimtelijke informatie die bijna op geen enkele andere manier te evenaren is. Het lijkt vooral een goede methode om ruimtelijke variabiliteit in het wateroppervlak vast te leggen, maar het is ook ideaal om in 1 vlucht een gehele waterloop en de daarin optredende hoogwatergolf vast te leggen. De nadelen zijn dat een vliegtuig niet altijd kan vliegen vanwege het weer, bij laaghangend bewolking zijn geen metingen mogelijk, het is een moment opname, de gegevens komen achteraf pas beschikbaar en het is vrij kostbaar. De inzet van helikopters i.p.v. vliegtuigen is minder weersafhankelijk, omdat lager gevlogen wordt en er dus minder verstoring optreedt bij bewolking. Status in Nederland De techniek is voor het bepalen van het wateroppervlak onderzocht door de voormalige meetkundige dienst van RWS met goede resultaten uit de proeven. De methode staat in het draaiboek voor hoogwater op de Rijn, maar is nog niet uitgevoerd. Metingen ter bepaling van de ligging van kribben worden wel met enige regelmaat uitgevoerd. In deze data zitten ook de gegevens van het wateroppervlak tussen de kribben, maar deze worden niet verwerkt en gerapporteerd. Technology Readiness Level Prototype operationeel. TRL 7. Ondanks de eerste positieve resultaten zou de methode toegepast en geverifieerd moeten worden onder varierende omstandigheden. Literatuur Brugelmann, Bollweg, Laser altimetry for river management, ISPRS conference proceedings, Bollweg, Veassen, Waterbouwkundige toepassingen van Laseraltimetrie Meetkundige dienst van 179

32 3.5.4 Waterstanden en golven: Satelliet radar altimetrie. Vanaf eind jaren zeventig (SEASAT, 1978) zijn er satellieten gelanceerd met een altimeter aan boord. Sinds 1992 wordt door satellieten het wateroppervlak gescand als onderdeel van de Ocean Surface Topography Mission (OSTM), een samenwerking tussen NASA en het Franse CNEF. De gebruikte satellieten waren achtereenvolgens: Topex/Poseidon ( , zie 24 van 179

33 Figuur 3.4), Jason 1 ( nu), Jason 2 ( nu) en in de toekomst Sentinel 3 ( ). De satellieten zijn uitgerust met radaraltimeters en microgolf radiometers en scatterometers. De apparatuur aan boord van de Jason 2 voorziet in een verbeterde nauwkeurigheid ten opzichte van zijn voorgangers en kan waterstandsdata leveren vanaf 25 km uit kust, waar voorheen 50 km uit de kust het maximaal haalbare was. De onzekerheid in de bepaalde waterstanden is 2 cm (Wisse 1993). De waarde van de data uit dit programma is de grote dekking en de lange reeksen die al bestaan en verder worden vergroot. Daarnaast worden de bestaande reeksen steeds verbeterd na nieuwe inzichten. Dit zonder kosten voor de gebruikers van de data (die al betaald zijn uit de algemene middelen van o.a. de EU). De data hebben o.a. groot inzicht gegeven in de getijbeweging in de oceanen, de grootschalige oceaancirculaties inclusief wervelvorming en hoe de energie zich verdeelt over oceanen en continentale platen. Naast de bepaling van waterstanden is de altimeter ook geschikt om (significante) golfhoogte te meten of te schatten. Satelliet altimetriedata dient (nog) niet ter vervanging van de bestaande vaste waterstandsmeetstations of golfmeetstations op de Noordzee maar als aanvulling. De data kunnen gebruikt worden als informatie voor de kalibratie, validatie en assimilatie in de waterstandsmodellen, windmodellen en golfmodellen, zie hiervoor de voorbeelden in paragraaf 7.3. Het is raadzaam om bij discussies over nut en noodzaak van nieuwe en bestaande vaste waterstandsmeetlocaties op de Noordzee de beschikbaarheid van de satellietgegevens mee te nemen. Technology Readiness Level Operationeel voor waterstanden.trl 9. De data worden ingezet voor validatie van met name grootschalige moddellen. Status in Nederland De satelliet altimetrie data wordt volop gebruikt voor onderzoek door universiteiten, het NIOZ en Deltares. Daarnaast zijn de data een belangrijke bron van waterstanden gebleken voor het optimaliseren van één van de nieuwste Hydrodynamische modellen van Rijkswaterstaat: het Dutch Continental Shelf Model (DCSM versie 6). De beperking blijft de niet-continue dekking van Noordzee en de vaste omlooptijden van de satellieten, waardoor de meest interessante gebeurtenissen, de stormen op de Noordzee, niet altijd gevangen worden in de data. Literatuur (Wisse et al 1993) Wisse et al, Processing of ERS1 and Topex/Poseidon altimeter measurements, Report of the Netherelands Remore Sensing Board (BCRS), Delft University of Technology, van 179

34 Figuur 3.4 Dekking van Noordzee en het continentaal plat door altimetrie data va de ERS1 en Jason satellieten. Vooral de kruispunten in de paden zijn gebruikt voor de validatie Waterstanden: Plaatsbepaling van een schip (z positie) De waterstand kan afgeleid worden door de verticale positie in het water van een schip dat is uitgerust met een hoog precisie plaatsbepalingssysteem. Daarin zit echter een relatief grote onzekerheid door de onbekende locatie van het wateroppervlak t.o.v. de DPGS ontvanger als gevolg van de onzekerheid in de inzinking van het vaartuig in het water. Die onzekerheid van ongeveer cm in de waterstand is zo groot dat de meerwaarde ten opzichte van het bestaande meetnet altijd als minimaal is beschouwd. Maar als een schip bijvoorbeeld over de lengte van een rivier vaart en de berekende waterstand wordt gecorrigeerd aan hand van de waterstandswaarden gemeten op de vaste meetstations die worden gepasseerd kan deze onzekerheid drastisch worden teruggebracht naar 10 cm of minder. Daarmee is de methode een ruimtelijke aanvulling op de bestaande informatie. De beperking is, dat een schip tijd nodig heeft om van de ene naar de andere plek te komen en intussen zal de waterstand wijzigen met gevolgen voor de nauwkeurigheid van de aanpak. Inzet van een vliegtuig met een altimeter zoals besproken in paragraaf 3.5.3, heeft dan ook de voorkeur. Technology Readiness Level Operationeel. TRL 9. Status in Nederland In Nederland ingezet door RWS Oost Nederland op de Waal en Rijn bij hoogwaterpieken Golven en stroming - Scheepsradar (navigatieradar) Met navigatie/scheepsradars (micro golf, meestal X band) is het mogelijk om golfperiode, golfrichting en golflengte te bepalen. Dit kan zowel per beeld als per golf waardoor in tegenstelling tot de HF radar ook individuele golven (bijvoorbeeld freak waves) gevolgd kunnen worden. Uit deze informatie wordt indirect (via de dispersierelatie) informatie over stromingen aan het oppervlak en waterdieptes afgeleid. Golfhoogten kunnen niet bepaald worden uit het signaal waardoor de techniek altijd steunt op een lokale golfhoogte meter in het meetgebied. 26 van 179

35 Het lijkt ook mogelijk om uit een reeks opeenvolgende gemiddelde radarbeelden, waarin de golven niet meer te herkennen zijn, de stroming af te leiden uit zich verplaatsende persistente oppervlaktestructuren, zoals wervels. Deze methodiek is echter nog niet uitontwikkeld en is zeker nog niet operationeel. Ondanks de enorme potentie van de methode door de aanwezigheid van vele duizenden navigatieradars op kusten en eilanden en de aanwezigheid van meerdere leveranciers is de werkelijke inzet nog niet groot en staat deze in geen verhouding tot de inzet van de HF radars. De belangrijkste redenen die we hiervoor kunnen aandragen zijn: bestaande navigatieradars zijn geoptimaliseerd voor het meten van schepen en de instellingen zoals draaisnelheid en pulslengte zijn vaak niet gunstig voor het meten van stroming en golven. het afstandsbereik van een navigatieradar voor het gebruik voor stroming is beperkt (in de orde van 5 km). een microgolfradar is veel minder gevoelig dan bijvoorbeeld een HF radar en heeft enige wind (zeg meer dan 4 Bft.) en enige golfhoogte (zeg meer dan 1 m) nodig om stromingsinformatie te kunnen afleiden. de kosten voor het gebruik van de software is hoog, in de orde van honderdduizend euro (2013). In veel gevallen ligt plaatsing van een HF radar meer voor de hand. De werkelijke werkwijze van de berekeningen en de afhandeling van de datakwaliteit is niet openbaar en men moet vertrouwen op de leverancier. Op basis van beschikbare informatie van websites van gebruikers en producenten wordt het aantal locaties, waar vast opgestelde navigatie radars zijn uitgerust met een analysesoftware voor stroming en golven, geschat op 30 tot 50 wereldwijd. Beschrijving techniek Incoherente radarsystemen meten de snelheid van een object door uit een serie radarbeelden de verplaatsing van het object te bepalen als functie van de tijd. Stroomsnelheid en waterdiepte worden uit deze data afgeleid door de verplaatsingen van golfkammen te analyseren en de dispersierelatie toe te passen. Om te werken moet er voldoende kleinschalige ruwheid aan het oppervlak zijn en moeten er langere golven aanwezig zijn om de dispersierelatie te kunnen toepassen. Leverancier SeaDarQ geeft een onzekerheid in de stroomsnelheden van +/- 0.1 m/s en in de stromingsrichting van 5 tot 10 graden. SeaDarQ meldt ook dat er bij een golfhoogte van 0,5 m en hoger gemeten kan worden. Dit blijkt in de praktijk vaak te optimistisch. Bij Hoek van Holland bleek dat gedurende een aanzienlijk deel van de tijd (circa 40%) geen bruikbare stromingsinformatie door de SeaDarQ geleverd kon worden. Vanwege deze matige performance is de SeaDarQ bij Hoek van Holland weggehaald. Ontwikkelingen Bij Duck North Carolina is een test uitgevoerd met het analyseren van data van een draaiende coherente navigatieradar (vaste radars zijn al ingezet). Dat is nieuw en lijkt op wat nu voor HBR (coherente radars van Kelvin Hughes en Terma) gedaan wordt bij Hoek van Holland. Bij coherente navigatieradar kan voor het bepalen van stromingsmetingen, net als bij de HF radar, gebruik gemaakt worden van Doppler analyse van het gereflecteerde signaal. Er moeten dan wel, net als bij de HF radar, twee aparte stations op enige afstand van elkaar opgesteld worden, terwijl een incoherent systeem met slechts één station kan volstaan. Deze 27 van 179

36 techniek evenaart wellicht het niveau van de HF radar en maakt het ook mogelijk om golfspectra te meten. Als deze systemen ook qua prijs kunnen concurreren met de HF radar is dit een interessante ontwikkeling. Kanttekening is dat het in een onderzoeksfase is en nog een flinke weg te gaan heeft. Status in Nederland Rijkswaterstaat (Oudshoorn) heeft al vanaf de 60-er jaren geëxperimenteerd met navigatieradar! De ontwikkeling is in de jaren tachtig in samenwerking met TNO ter hand genomen. Gebruik van de navigatieradar is verder verkend in de jaren negentig maar sloeg niet aan, tot er een vraag kwam voor ruimtelijke verdeling van stroming en golven in het Waddengebied. Radars (en camera s) bleken de enige mogelijkheid om die gegevens te leveren. Dit heeft geleid tot een operationele radar in het Amelander Zeegat Er zijn momenteel twee locaties waar operationeel een navigatieradar wordt ingezet voor het meten van stroming en golven: Amelander Zeegat en de Zandmotor. Er is in Nederland een beperkte maar groeiende groep ervaringsdeskundigen (10 mensen verdeeld over Deltares, RWS, TNO en Nortek B.V). Nortek BV is momenteel leverancier van SeaDarq die op de twee genoemde locaties wordt ingezet. In het kader van het RWS CIP SMIT innovatieprogramma is een voorstel ingediend tot verdere verbetering van o.a. toepassing voor de coherente radar. Technology Readiness Level Incoherente radar. Het systeem is operationeel en er zijn meerdere leveranciers, waarbij het Duitse WAMOS marktleider is. TRL level 9. Coherente radar is op het niveau van operationeel prototype. TR Level 6. Literatuur Swinkels C, A. Bijlsma, Understanding the hydrodynamics of a North Sea tidal inlet by numerical simulation and radar current measurements, Third International Symposium on Shallow Flows (Iowa City, USA, 4-6 June 2012) Golven en stroming HF VHF (coherente) radar en coherente navigatieradar Naast de navigatieradar (incoherente X bandradar) kunnen met High Frequency (HF) en Very High Frequency (VHF) radar ruimtelijk oppervlaktestromingen en golven gemeten worden. Door de verschillende beschikbare frequenties van de radar kan men kiezen voor een groot bereik óf een hoge resolutie, waardoor zowel voor oceaantoepassingen als estuaria een passend HF of VHF radar systeem te vinden is. De te behalen nauwkeurigheid voor de Nederlandse kust ligt in de orde van 5-10 cm/sec voor de stroomsnelheid en 5 graden voor de stromingsrichting (Gurgel et al., 1999) en het is daarmee nauwkeuriger dan navigatieradar. Uit de HF-VHF radargegevens kunnen 2D golfspectra (golfrichting, golffrequentie en golfenergie) berekend worden over een tijdsinterval van bijvoorbeeld 20 minuten. Uit deze spectra kan o.a. de significante golfhoogte worden afgeleid. De techniek hoeft daarbij niet te steunen op een lokale golfmeter in het meetgebied voor het bepalen van de golfhoogte, wat wel het geval is bij een navigatieradar. 28 van 179

37 Korte beschrijving HF radar techniek Een HF radar zendt radarpulsen uit die gereflecteerd wordt op het wateroppervlak. De maximale reflectie vindt plaats op golven met een golflengte corresponderend met de helft van de golflengte van het uitgezonden radarsignaal. Dit noemt men Bragg reflectie. Dit gereflecteerde signaal is Doppler verschoven als de golf naar de bron toe beweegt of van de bron af beweegt. Hieruit wordt de stroming bepaald in de richting van de radar. Een enkele radar geeft slechts informatie over de snelheid van of naar die radar, voor een stroomsnelheid en richting zijn daarom Figuur 3.5 Stroomvectoren rond de Maasmond altijd minimaal 2 radars nodig op enige afgeleid uit data van 2 HF radars bij Arendsduin en Ouddorp afstand van elkaar. Zie hiervoor het (Gurgel et al, 1999). voorbeeld in Figuur 3.5, waar de resultaten van de laatste test in de Maasmond (1999) zijn getoond. Deze geslaagde test is uitgevoerd door de Duitse leverancier WERA. De omvang van de antenne kan variëren afhankelijk van de gebruikte frequentie en fabrikant, variërend van relatief kleine antennes (zie 29 van 179

38 Figuur 3.6 voor een afbeelding van de antenne) tot een volledige array van 100 meter lang. Het feit dat deze radartechniek gebruikmaakt van de coherente verstrooiing aan de Bragg golven, maakt dat deze techniek veel gevoeliger is dan de incoherente navigatieradar. De inzetbaarheid, ook bij wat lagere golfhoogten, is dus aanzienlijk beter. Beperkingen De meettechniek staat en valt met de aanwezigheid van golven van de juiste golflengte waarop de radar kan reflecteren. Zijn er niet voldoende van deze golven dan is er geen meting mogelijk. Bij hoge golven en ruw weer vermindert het bereik, enerzijds door aanwezigheid van spray die de radargolf dempt (uitspraak WERA) en anderzijds door verzadiging van het golfspectrum waardoor de Bragg piek niet meer goed te isoleren is uit het golfspectrum. De meetmethode meet in een groot gebied de stroming, maar alleen in de bovenlaag. Daarom is de techniek ook het nuttigst in combinatie met een 3D stromingsmodel. De techniek voor de berekening van de golfspectra uit HF radar is niet eenvoudig en men zal moeten vertrouwen op de leverancier voor de juiste aanpak, aangezien publicaties vanwege concurrentie overwegingen niet alle details weergeven. Dit geldt overigens ook voor verwerking van de gegevens van de navigatieradar. 30 van 179

39 Figuur 3.6 De 42 MHz SeaSonde antenne in San Franciso Bay, Stromingsvectoren op basis van 4 HF SeaSonde antennes, Locaties in groen Garfield et al Aanbod HF en VHF radar worden door een aantal marktpartijen aangeboden, waarbij het Amerikaanse CODAR marktleider is en het Duitse Helzel Messtechnik GmbH vooral vertegenwoordigd is in Europa met de WERA. Er zijn naar schatting tussen de 400 en 450 HF radarlocaties voor het meten van stroming wereldwijd. Ter vergelijking: het aantal navigatieradars dat hier operationeel voor ingezet wordt is ongeveer 30 tot 50 wereldwijd. De belangrijkste reden die we hiervoor kunnen aandragen is dat bestaande navigatieradars geoptimaliseerd zijn voor het meten van schepen. De instellingen, zoals draaisnelheid en pulslengte, zijn vaak niet gunstig voor het meten van stroming en golven. Zodra dat het geval is moet een aparte radar worden geplaatst zodat plaatsing van een HF radar meer voor de hand ligt. Fabrikant WERA heeft ook een mobiel systeem dat inzetbaar is voor meetcampagnes. Nadeel van de systemen zijn de kosten. Voor een opstelling met twee HF radars die nodig is om stromingsvectoren te kunnen construeren zijn al snel enkele honderdduizenden euro s gemoeid. Technology Readiness Level "proven technology" voor stroming. TRL 9. Operationeel voor golven, maar er loopt onderzoek naar verbetering. TRL8. Status in Nederland Al in 1999 kreeg de HF radar van RWS het predicaat "proven technology" voor het meten van stroming. Maar sindsdien zijn nog geen systemen operationeel geplaatst. Een belangrijke beperking voor inzet van de techniek was dat de meest gunstige frequenties in de militaire band lagen, waarvoor slechts tijdelijke vergunningen konden worden verkregen. Op dit moment zijn zendvergunningen in de benodigde banden wel te verkrijgen. RWS heeft besloten een aantal HF radars te laten plaatsen om de omgeving van Euro- en Maasgeul te dekken. Deze radars zullen gegevens leveren die worden gebruikt in een hydrodynamisch model voor het leveren van online stroming en stromingsverwachtingen voor de informatievoorziening rond de geulen. (zie ook paragraaf 7.3.1) 31 van 179

40 Literatuur (Gurgel et al., 1999) Gurgel, K.W., G. Antonischki, H.H. Essen and T. Schlick, (1999a), Wellen Radar (WERA): A new ground wave HF radar for remote sensing, Coast. Eng. Vol 37, Stroming en afvoeren: Rivierradar/ Ultra-high frequency Radar De Codar RiverSonde is een UHF-variant van Figuur 3.7 Patronen van stroomsnelheden gemeten de HF systemen en is special ontworpen voor met een UHF radar op de en de Hudson river toepassing op rivieren. Met het instrument wordt een ruimtelijk beeld van de oppervlakte NewYork. stroming gemeten. De rivierbreedte waarbij goede metingen uitgevoerd kunnen worden is tussen de 100 en 300 meter. De toepassing van de RiverSonde vereist aanwezigheid van golven met een lengte in de orde van 0,35 m. De verwachte golflengtes die op de Nederlandse rivieren gegenereerd worden door wind en schepen zijn over het algemeen langer, maar de benodigde golven kunnen optreden door interferentie van wind en scheepsgolven. Dat de metingen plaatsvinden op interferentie patronen zou kunnen resulteren in bias in de gemeten stroomsnelheden en stroomrichtingen, maar dit effect wordt niet besproken in de beschikbare literatuur. Ook voor dit systeem geldt, net als bij de HF radar, dat de kosten voor het systeem orde honderdduizend euro bedragen wat een drempel kan zijn voor de aanschaf. In tegenstelling tot een HF radar op zee is slechts 1 radar nodig omdat er van uitgegaan kan worden dat de stroomrichting in hoge mate vastligt (stroomafwaarts!). Complicatie voor gebruik in Nederland In de band en MHz zit veel smalbandige apparatuur. Hierdoor is het niet altijd mogelijk om een breedbandig systeem (RiverSonde) te plaatsen. Technology Readiness Level Het systeem wordt op een paar locaties in de wereld gebruikt. Maar het is nog te vroeg om te spreken van een operationeel systeem. Daarvoor zijn meer demonstraties onder variërende omstandigheden nodig. TR Level 6. Status in Nederland De methode is inmiddels bekend, maar nog niet uitgetest. Literatuur Dual-RiverSonde Measurements of Two-Dimensional River Flow Patterns 32 van 179

41 3.5.9 Stroming en afvoeren: K band radar. Een ander type radar die ook bruikbaar is gebleken voor het bepalen van stroming is de K band radar. In principe is dit dezelfde radar als door de politie gebruikt (radar gun) om auto s te controleren op snelheid. Door de radars onder een hoek te laten reflecteren aan het wateroppervlak (dit kan alleen bij voldoende ruwheid) is op basis van de Dopplerverschuiving de stroomsnelheid van het wateroppervlak op 1 punt te bepalen. De techniek is ontwikkeld voor het meten in (rioolwater) pijpen, maar blijkt ook bruikbaar in het open water. Met name inzet aan lage bruggen in kleine waterlopen en uiterwaarden en inzet in spuikokers en sluizen lijkt haalbaar. Een aantal bekende systemen is: de Flo-Dar, de Sommer (RG30/RQ30) en de Mutronics (MU2720). De Flodar is naast een radar uitgerust met een naar beneden gerichte akoestische bundel voor de bepaling van de waterstand. De Sommer gebruikt daarvoor een tweede radarbundel. De Sommer radar is operationeel in gebruik op een aantal locaties in de wereld waaronder op de Rijn in Oostenrijk (Voralberg). Figuur 3.8 Links het meetprincipe van de K bandradar (Flo Dar) en rechts een radar gemonteerd aan een brug (Sommer). De nauwkeurigheid voor de stroomsnelheid ligt rond de 5% en de maximale meetafstand varieert tussen 6 en 100 meter, afhankelijk van merk en type. Er is een minimale snelheid van rond de 30 cm/s vereist en de meting werkt alleen bij voldoende ruwheid van het oppervlak. Zware regen en mist vermindert de nauwkeurigheid van de radarmetingen met enkele cm/s. Status in Nederland Waterschap Rijn en IJssel heeft ervaring met de inzet van Flo-Dar systemen in effluentkanaal(tje) en een beek. TRL De techniek wordt ingezet voor open water, o.a. de USGS experimenteert er al enige tijd mee (Fulton 2008), maar evaluaties zijn schaars. TRL 8. Literatuur Paap Rutten Verheij, Possibilities of continuous discharge measurements under extreme situations using Radar and Numerical models, Deltaresrapport BGS-0011, Fulton J, Ostrowski J, Measuring real-time streamflow using emerging technologies: Radar, hydroacoustics and the probability concept, Journal of hydrology (2008) 357, van 179

42 Stroming en afvoeren: Meten vanaf veerponten met een ADCP Het is mogelijk om een veerpont uit te rusten met een volledig automatisch systeem om, zonder tussenkomst van een surveyor, nauwkeurige afvoermetingen uit te voeren. De methode draait volledig op bekende en beproefde meetconcepten, namelijk: ADCP metingen. De data worden verstuurd via telemetrie (bijv. gsm), waarna de data worden opgeslagen op remote data servers en vervolgens automatische verwerking en validatie plaatsvindt. De data worden uiteindelijk steekproefsgewijs nog gevalideerd door een medewerker. De voordelen van meten vanaf een veerpont zijn: Metingen met grote regelmaat; Stromingen(vectoren) over meer dan 50% van het doorstoomoppervlak; Eenvoudig te onderhouden; Geen onderwaterconstructies aan oever of bodem; Geen ijking nodig; Volledig automatisch te maken; Snel op te bouwen en af te breken. Nadelen: Veerpont vaart niet s nachts; Veerpont vaart niet bij extreem hoge afvoer. Technology Readiness Level Prototype operationeel. TRL 7. De methode is al 10 jaar in gebruik op de veerdienst van Den Helder naar Texel (Buijsman 2007). Toch krijgt het nog niet het predicaat pre-operationeel, omdat dit de enige locatie is waarvan bekend is dat er ook automatisch een debiet berekend wordt. Status in Nederland In navolging van de veerpont in het Marsdiep is in 2009 is een succesvolle pilot uitgevoerd naar afvoermetingen vanaf een veerpont in de Maas door RWS Dienst Limburg. Drijfveer was het continue capaciteits- en budgettekort voor het uitvoeren van afvoermetingen. De metingen werden automatisch uitgevoerd en overgezonden naar het kantoor van een consultant (Aqua Vision BV) die de gegevens bijna volledig automatisch verwerkte en doorgaf aan RWS. (Schroevers et al 2012). De pilot is nog niet vervolgd vanwege onderbezetting van het betrokken personeel van RWS Limburg. Ondanks de grote beschikbaarheid van veerponten over de hele wereld en de eenvoud die is gebleken in het automatiseren van de metingen hebben we geen vergelijkbare opzet kunnen vinden in de literatuur. Literatuur [Buijsman 2007] Long-term ferry-adcp observations of tidal currents in the Marsdiepinlet, Maarten Cornelis Buijsman, Herman Ridderinkhof, Journal of Sea Research 57 (2007). [Schroevers et al 2012] Automated discharge measurements from a car ferry on the river Meuse. HMEM 2012 conference. 34 van 179

43 Stroming en afvoeren: Horizontale ADCP van snelheidsmeting naar debiet Wereldwijd is de horizontaal opgestelde ADCP een geaccepteerde methode voor het meten van stroomsnelheden waaruit debieten worden berekend. De rekenmethode die daarbij gehanteerd wordt is als volgt: Q A v A( h) F( v, h) a v a F h mean a deeloppervlak waarin de snelheidsmetingen met de HADCP gedaan worden stroomsnelheid in een deelgebied a van A functie die stroomsnelheid in a relateert aan v mean heersende waterstand De meest gebruikelijke methoden om de functie F te bepalen zijn de Velocity Profiling Method (VPM) en de Index Velocity Method (IVM). Deze methoden zijn ook in gebruik voor de looptijdmeters en concurreren al met elkaar sinds de jaren tachtig van de vorige eeuw. De VPM gaat er van uit dat het mogelijk is om een verticaal stromingsprofiel en horizontaal stromingsprofiel te bepalen uit theorie dan wel metingen. Zo wordt in veel gevallen een logaritmisch profiel gebruikt als benadering voor het stromingsprofiel. De IVM gaat uit van een empirisch bepaalde relatie tussen de door de HADCP gemeten stroming en de gemiddelde stroming bepaald uit debietmetingen vanaf schepen, zie Figuur 3.10 voor een aantal voorbeelden van de empirische relaties. Hoe complex de IVM of VPM relaties zijn en of deze wijzigen met de waterstand hangt af van de locatie. Bij beide methoden kan de verleiding ontstaan om een te eenvoudige relatie op te stellen, die daardoor niet nauwkeurig is over het gehele bereik. Nadeel van de index methode is dat bij vervanging van de HACP door een model met andere eigenschappen de relatie waarschijnlijk opnieuw bepaald moet worden. Nadeel van de profiling methode is dat het profiel een te ruwe benadering is van de werkelijkheid. In Figuur 3.9 zijn verschillende mogelijke profielen gefit aan hetzelfde gemeten profiel. Een ander probleem van de methoden is dat de opgestelde relaties alleen geldig zijn voor het debietbereik waar ook validatiegegevens beschikbaar zijn. Al is in het geval van VPM de relatie soms te extrapoleren buiten het validatiebereik. Figuur 3.9 Stroomsnelheidsprofiel afgeleid uit ADCP data van 14 december 2011 in vergelijking met theoretische De Universiteit van Wageningen heeft een methode aannamen van het profiel. ontwikkeld die een combinatie is van indexing en Overgenomen uit [Alterra 2012]. profiling. De methode heeft zeker haar charme, maar is complexer dan de hiervoor genoemde methoden zonder dat goed is aangetoond dat de methode beter presteert op de Nederlandse rivieren. Toch opent de nieuwe aanpak wel een aantal deuren in het denken over het berekenen van debieten. 35 van 179

44 Technology Readiness Level De index velocity methode is operationeel voor gebruik met HADCP s en beschreven door de USGS. De methode is in gebruik in de VS en Groot Brittannië en door RWS (zie status). TRL 9 De Velocity profiling methode wordt gebruikt op enkele locaties in Frankrijk. Prototype operationeel. TRL 7. De methode van Wageningen is nog in ontwikkeling en op het niveau van een prototype. TRL 6. Status in Nederland RWS maakt al vele jaren gebruik van HACDP s in het Rijn-Maasmondgebied voor het bepalen van stroming, waar geen debietberekening aan is gekoppeld. In Lobith en de IJssel zijn in 2011 en 2013 debietmeters door RWS gerealiseerd op basis van HADCP. De fabrikant leverde de HADCP s met een rekenmethode gebaseerd op de index velocity methode. De eenvoudige relatie die is opgesteld voor Lobith, is voldoende nauwkeurig tot 4500 m3/s, maar vertoond daarboven een onderschatting. Dit zou opgelost kunnen worden door het opstellen van een iets geavanceerdere (maar nog steeds vrij eenvoudige) relatie. Er is een aanzet gedaan om de methode van de Universiteit Wageningen toe te passen, maar dit traject is gestaakt. De berekeningsmethode zoals gehanteerd door RWS voor akoestische looptijdmeters (ADM) is een VPM en is gebaseerd op een logaritmisch stromingsprofiel. De gebruikte logaritmische factor wordt vastgesteld op basis van de bodemruwheid en de vorm van de waterloop. Deze methode is niet overgenomen voor de HADCP. Literatuur Hoitink, A.J.F., F.A. Buschman & B. Vermeulen, 2009, Continuous measurements of discharge from a horizontal acoustic Doppler current profiler in a tidal river, Water Resources Research 45, W van 179

45 Figuur 3.10 Relaties tussen gemeten en gemiddelde snelheid voor een aantal HADCP locaties. A is een simpele lineaire relatie, in B is een tweede orde gebruikt om de relatie te beschrijven, in C is de situatie in een gebied met eb en vloed weergegeven en in D een locatie waarbij de verhouding verandert bij hogere afvoeren (typisch voor een rivier met winterbed). Bron: Ruhl, C.A., and Simpson, M.R., 2005, Computation of discharge using the index-velocity method in tidally affected areas: U.S. Geological Survey Scientific Investigations Report , 31 p. 37 van 179

46 Stroming, bodemligging en sediment transport Kleinere akoestische apparatuur met meer bundels en meer frequenties. De verkleining van elektronica en toename van rekenkracht van interne computers heeft 10 tot 15 jaar geleden gezorgd voor een nieuwe trend in de Doppler apparatuur voor snelheidsmetingen: Kleine en multifunctionele ADCP s. Voorbeelden zijn de Nortek Easy Q, haar opvolger de Ott SL met een akoestische sensor voor het bepalen van bodemligging (schuin naar beneden kijkend ) en wateroppervlak (naar boven kijkend) voor vaste opstellingen. En daarnaast de kleine TRDI Streampro voor het meten vanaf kleine drijvers (figuur4.11). De uitbreiding met de akoestische bundels voor het detecteren van bodem en wateroppervlak maken van de instrumenten een volledig pakket voor het bepalen van debieten in één klein apparaat. Daarbij blijkt de akoestische bundel voor het bepalen van het oppervlak (surface tracking) ook nog uiterst nauwkeurig (rmse 2 cm) en robuust. Deze techniek is gekopieerd in bijna alle horizontaal opgestelde ADCP s. Figuur 3.11 Het prototype van de streampro uit Een volwaardige meetkop van een ADCP met 4 bundels met een doorsnede van een 2 euro munt (foto:schroevers). De techniek heeft sindsdien niet stilgestaan en ook deze ontwikkeling is de afgelopen jaren nog verder gegaan door het toepassen van vele akoestische sensoren met verschillende frequenties in één apparaat. De meest extreme is op dit moment de Hydrosurveyor van Sontek die uitgerust is met een 5 bundel echosounder en een 4 bundel snelheidsprofiler en bottom tracking (zie figuur 4.12). Ook de competitie heeft instrumenten waarbij extra bundels opzij Figure 3.12 Sontek kijken en verschillende functies hebben. Hydrosurveyor (foto Sontek Met een instrument als de Hydrosurveyor, dat ook nog eens heel website). klein is, worden surveys met bijvoorbeeld jetski s en ander kleine platforms nog aantrekkelijker. De multifrequentiesystemen geven ook een opening naar een nauwkeuriger bepaling van sediment en sedimenttransport uit akoestische signalen. Voor deze toepassing worden in enkele sensoren ook beter de verhouding tussen uitgezonden en ontvangen signaal geregistreerd. Technology Readiness Level Kleine ADCP s met verschillende bundels zoals de Ott SL, Sontek SL en TRDI channelmaster worden al uitgebreid toegepast.tl 9. De allernieuwste generatie met nog meer bundels en mogelijkheden zoals de Hydro Surveyor en de TRDI V zijn te koop maar er zijn nog beperkt onafhankelijke testresultaten bekend. TRL 7. Status in Nederland De Nortek Easy Q wordt Veelvuldig ingezet door waterschappen als meetstation voor debiet (~+30 stations in Nederland). De status van de Sontek Hydrosurveyor is onbekend. 38 van 179

47 Stroming en afvoeren: Looptijdmeters, variatie op een bekend principe In Nederland zijn op veel locaties looptijdmeters in gebruik. De huidige inzet is beperkt door de inzichten van de jaren 80. Inmiddels kan meer met de instrumenten worden bereikt door technische ontwikkelingen die we hier benoemen Looptijdmeters inzetten in ondiep water De huidige Akoestische Debietmeters (ADM) van RWS zijn uitgerust met een looptijdmeting (meetlijn) op 1 of 2 hoogten in de waterkolom en met name in diep water (enkele meters). Gebruik in ondiep water kon in het verleden niet, omdat het gepaard gaat met een akoestisch signaal dichter bij het wateroppervlak of dichterbij de bodem. Dit leverde verstoring en daardoor onzekerheid in de looptijd en daarmee in de stroomsnelheid. Omdat de huidige signaalanalyse beter is dan 20 jaar geleden kan veel dichterbij deze verstorende oppervlakken en dus in veel ondieper water gemeten worden. Producent Ott geeft aan dat bij een minimale waterdiepte van 30 cm of meer gemeten kan worden en een bereik gehaald kan worden van 150 meter. Dit maakt de methode inzetbaar voor zowel nevengeulen als uiterwaarden waar kabels eenvoudig en tegen lage kosten ingegravenen kunnen worden. Het vereist wel vrij zicht tussen de transducenten, dus zal bij inzet in een uiterwaard een maaibeleid gehanteerd moeten worden. Technology Readiness Level: Operationeel. TRL 9. Status in Nederland: De methode wordt niet toegepast door RWS. Literatuur: Ott Sonicflow, Instromet, ISO. Looptijdmeters zonder kabels, veel goedkoper bij grotere wateren. Voor de looptijdmeters die RWS het meest toepast in de ADM s zijn kabels noodzakelijk voor het overbrengen van het timing signaal en de data van de ene naar de ander zijde van de waterloop. De timing is nodig om er voor te zorgen dat de akoestische zender en ontvanger exacte gelijk lopen zodat de looptijd van de akoestische pulsen tot op de picoseconde nauwkeurig gemeten kan worden. Kostenreductie in de looptijdmeters is te behalen door het niet aanbrengen van kabels onder de waterloop. Door het niet aanbrengen van kabels is het systeem ook gelijk een stuk flexibeler om in te zetten. Een nieuwe methode maakt gebruik van GPS signalen en een wireless Lan of bleutooth verbinding voor de synchronisatie van de zender en ontvanger van het akoestische signaal. De methodiek is ontwikkeld in Duitsland. Deze aanpak lost niet het probleem op van inzetbaarheid bij gekromde stroombanen of lage/hoge waterstanden. Technology Readiness Level Niveau niet goed bekend, inschatting: Protoype operationeel. TRL 7. De gebruikte technieken hebben een lange gebruiksgeschiedenis. Het nieuwe zit in het combineren van de technieken. Er is een marktpartij die het aanbiedt en claimt de instrumenten in te zetten in Venetië. Status in Nederland De methode is onbekend. Omdat de methode dichtbij de huidige praktijk ligt lijkt de stap naar inzet klein. Literatuur Lengricht et al, A novel Acoustic Transit Time Flowmeter, Hydraulic Measurements and experimental Methods conference van 179

48 Stroming en afvoeren: Correlatiemethode (scintillatie methode) De methode is gebaseerd op het vergelijken van akoestische signalen die naast elkaar over een waterloop worden verstuurd en daarna gecorreleerd. De opstelling bestaat uit een rij transducenten boven elkaar geplaatst die geluid overzenden naar een rij ontvangers aan de overzijde van een waterloop. Naast deze set transducenten staat nog een tweede set transducenten. Door het toepassen van correlatietechnieken en patroonherkenning wordt bepaald hoe lang het duurt voordat structuren die de eerste rij transducenten passeren bij de volgende rij aankomen. Dat de techniek uiterst solide is blijkt uit het feit dat de techniek wordt ingezet voor het ijken van de uitlaten van stuwdammen. Daar heerst een extreem turbulente stroming. Dat de waterenergiebedrijven gebruik maken van de techniek is eveneens reden om aan te nemen dat de methode erg nauwkeurig is. In deze wereld let men op iedere procent. Omdat de rijen transducenten zo dicht bij elkaar staan is schuine aanstroming helemaal geen probleem en ook gelaagde stroming vormt geen probleem. Daarmee lijkt de methode uitermate geschikt voor inzet in waterlopen die niet helemaal recht zijn en perfect voor inzet onder bruggen en in sluizen. De fabrikant levert standaardinstrumenten voor het overbruggen van maximaal 20 meter. Er is weinig ervaring met meten over grotere waterlopen. Dit zou wel eens te maken kunnen hebben met een technische of fysische beperking, zoals de resolutie van signalen in combinatie met de gebruikte akoestische frequenties. De methode is zeer de moeite waard om te bekijken in het kader van het bepalen van de afvoercoëfficiënten van spuisluizen en uitwateringssluizen. Dit gebeurt nu met behulp van ADCP s, maar die aanpak is voor deze applicatie onvoldoende nauwkeurig. Technology Readiness Level Operationeel voor ijking van stuwdammen. 1 fabrikant ASL. Onbekend of de methode ook continue inzetbaar is. Niet operationeel ingezet in grotere waterlopen. Status in Nederland: Niet in gebruik. Literatuur Electricité de France s study of the acoustic scintillation flow meter results in expanding its range and sensitivity. Candel, Reeb, Lemon Ionna, published in "Hydro Power and Dams Congress 2013, Innsbruck : Austria (2013) Stroming en afvoeren: Camera's voor meten bij hoge afvoer (LSPIV, Large Scale Particle Image Velocimetry) De inzet van camera s voor het meten van stroming van het oppervlak is mogelijk geworden door de huidige hoge resolutie van camera s, ontwikkelingen in de beeldherkenning en de steeds grotere rekenkracht van de gebruikte computers. Uit de camerabeelden worden structuren aan het oppervlak van het water of drijvend materiaal herkend en gevolgd over meerdere beelden. Hieruit wordt de stroomsnelheid aan het oppervlakte bepaald. Vroeger was het noodzakelijk het water te voorzien van drijvende deeltjes om te kunnen waarnemen op de camera s, maar dat is niet meer noodzakelijk als er maar enige structuur waarneembaar is. Met de camera's is het mogelijk om continu informatie te krijgen, of toch op z n minst bij hoge afvoeren waarbij zeker voldoende structuur en natuurlijke drijvende materialen aanwezig zijn. 40 van 179

49 De voordelen zijn dat de camera s overdag volcontinu kunnen worden ingezet, ze een grote ruimtelijke dekking hebben, onderhoudsarm zijn, goedkoop en snel zijn op te zetten en vectorinformatie leveren van de stroming. De nadelen zijn dat het niet werkt als er geen structuren te detecteren zijn en het weer heel slecht is. Een ander nadeel is dat deze methode alleen het oppervlakte bemeet en dus ook gevoelig is voor verstoring van het verticale snelheidsprofiel bijvoorbeeld door wind of andere 3D effecten. Omdat de reguliere cameras niets kunnen registreren bij onvoldoende licht wordt (met succes) gewerkt aan de inzet van infrarood camera's, waarbij de warmte structuur van het oppervlak gevolgd wordt. Technology Readiness Level Juist omdat de camera s goed betaalbaar zijn wordt de techniek uitgeprobeerd voor allerlei toepassingen in de waterwereld. Dat geldt ook voor het meten van stroomsnelheden. De ervaring wordt met name opgedaan door universiteiten en onderzoeksinstituten. Het werkingsprincipe is aangetoond en ook op meerdere locaties, maar het zijn qua niveau toch prototypes. TRL 6. Status in Nederland Large PIV methoden zijn bekend in Nederland en er lijkt interesse om het in te zetten. Omdat de instrumenten en de methode heel dicht bij de Argus systemen liggen is de nodige ervaring aanwezig om snel met de techniek aan de slag te kunnen. De methode is al eens door Deltares toegepast voor het bepalen van de stroming in de Stevinsluizen tijdens een proef met bellenschermen tegen zoutindringing. Literatuur PIV-metingen Luchtbellenscherm Stevinschutsluis, Deltares 2011, rapport Monitoring Mediterranean flash floods using an imagebased Method- Acase study on the Ardèche watershed, France, Hauet et al. Airborne Passive Remote Sensing of Surface Currents in Rivers and Estuaries. Anders et al. HMEM Measurement of Extreme Flows with an Automated River-Estuary Discharge Imaging System, Bechle Wu, HMEM Stromingsgegevens uit bestaande Dopplermeters aan boord van schepen Een nog ongebruikte bron van stromingsinformatie zijn de Doppler stroomsnelheidsmeters aan boord van schepen. Vrachtschepen en veerdiensten worden tegenwoordig standaard uitgerust met Doppler stroomsnelheidsmeters, waarmee de snelheid ten opzichte van het water (speed through water) en de snelheid ten opzichte van de bodem (velocity over ground) gemeten kan worden. De nauwkeurigheid van Dopplermetingen aan boord van schepen ligt volgens de specificaties rond de 1 % van de snelheid ten opzichte van het water [Furono]. De data worden echter niet standaard ontsloten Technology Readiness Level Techniek is volledig operationeel. TRL 9. Toepassing buiten het schip zelf is echter nagenoeg nihil vanwege het feit dat de data niet intern worden opgeslagen of ontsloten. 41 van 179

50 Status in Nederland De schepen van rederij Wagenborg gebruiken de DS-70 of DS-80 van FURUNO. Voor gebruik op de Noordzee worden de specificaties niet gehaald (persoonlijke communicatie Wagenborg Shipping). De hoge snelheden waarmee de schepen varen (tot 10 m/s) en het rollen en stampen van de schepen beïnvloeden de metingen te sterk om een acceptabele nauwkeurigheid te krijgen. Dit soort zware omstandigheden heersen echter niet altijd en de kruissnelheden in de kustgebieden en estuaria liggen veel lager. Er is een hele goede kans dat daar de specificaties wel worden gehaald. Literatuur (Furono) FURONO Doppler Speed Log DS80, product folder Meten van afvoeren - het combineren van stroomsnelheidsmetingen Door inzet van meerdere stroommeetinstrumenten verdeeld over de waterloop kunnen nauwkeuriger afvoeren worden bepaald over een groter debiet- en waterstandsbereik. Denk daarbij aan inzet van meerdere puntmeters, looptijdmeters of HACPs, verdeeld over hoofdgeul en uiterwaard of nevengeul. Door inzet van meerdere stroommeetinstrumenten gebaseerd op verschillende technieken onstaan er nog meer interresante opties. Vooral het combineren van een HADCP met de rivierradar of camera's lijkt kansrijk en efficiënt (Spain et. al. 2006). De HADCP meet de stroming in de waterkolom en de radar en camera's meten de oppervlaktestroming. Daardoor is er altijd stromingsinformatie beschikbaar verdeeld over de waterloop. Doordat deze meetsystemen stromingsvectoren leveren zijn ze goed te combineren tot een stromingsbeeld over een rivierdoorsnede. De berekening van de afvoer vergt dan wel een goed inzicht in het te verwachten stromingsbeeld. Dit kan worden bepaald op basis van parate kennis (tekstboek benadering) of met behulp van een hydrodynamisch model, zie verder paragraaf Technology Readiness Level Het combineren van informatie uit verschillenden systemen, die op zichzelf volledig operationeel zijn, wordt veelvuldig toegepast. Voor afvoeren is het nu nog slechts een idee maar het is snel om te zetten naar een operationeel principe. Literatuur Spain P., D. Barrick en C. Teague, Remote Sampling of River Discharge Using Radar and Sonar, Combining RiverSonde Radar and Channel Master ADCP Provides a New Angle to an Old Measurement Problem Golven - golf ADCP. Het meten van golven met op de bodem opgestelde Acoustic Doppler Current Profilers is internationaal geaccepteerd. Op dit moment zijn er twee marktleiders: Teledyne RD Instruments en Nortek. Beiden hebben een iets andere aanpak. TRD Instruments golf- ADCP s kunnen een goed richtingsspectrum leveren vanwege een nauwkeuriger akoestische signaalprocessing (broadband) en slimme verwerkingssoftware. Nortek heeft nauwkeurige golfhoogten door een recht omhoog gerichte bundel en een speciaal akoestisch signaal dat het oppervlak nauwkeurig kan volgen (inverted echo sounding of well surface tracking). De verwachting was dat in de nieuwe generatie golf ADCP's de beide fabrikanten het beste van elkaar zouden gaan gebruiken mede vanwege het verlopen van de patenten op broadband. 42 van 179

51 Dat is nog niet gebeurd. Nortek geeft aan dat de meerwaarde van het gebruik van broadband te klein is. TRDI heeft inmiddels wel een omhooggerichte bundel toegevoegd, maar deze werkt als extra stromingssensor en niet echt als inverted echosounder. In de academische wereld wordt gekeken naar algoritmen waarmee de beste berekeningen voor golfrichtingen uitgevoerd kunnen worden. Voor Matlab gebruikers is er een toolbox beschikbaar waarin meerdere algoritmen naast elkaar gebruikt kunnen worden. Deze toolbox, DIWASP DIrectional WAve SPectra Toolbox, is ontwikkeld door de Coastal Oceanography Group, Centre for Water Research, University of Western Australia. Het wordt nu gedistribueerd en onderhouden door MetOcean Solutions Ltd., New Zealand ( Het meten van golven met ADCP s die naar boven kijken en gemonteerd zijn aan boeien die onder water hangen vergt speciale verwerking. Leverancier Teledyne RDinstruments faciliteert deze ontwikkeling met haar software. Het meten van golven vanaf oppervlakteboeien met ADCP s die naar beneden kijken is nog geen praktijk en zou een volgende stap kunnen zijn. Het meten van golven met horizontaal opgestelde ADCP's blijft een worsteling. Status in Nederland De golf-adcp kennis is in 2011 vastgelegd in een Nederlandstalig kennisdocument. De ervaring met de apparatuur en de data zijn nog beperkt en verspreid over RWS, Deltares, Universiteit Utrecht, Universiteit Wageningen, Aqua Vision BV en Nortek BV. Maar over de mogelijkheden en onmogelijkheden van de golf ADCP s is eigenlijk geen discussie. De gedeelde mening van de ervaringsdeskundigen is: vooral meer ervaring opdoen en iedere inzet evalueren, waarbij de grenzen van de techniek niet geschuwd hoeven te worden. Golf ADCP zijn ingezet voor meerdere projecten waaronder een windmolenpark, de uitbreiding van haven van IJmuiden, onderzoek naar windgolven en scheepsgolven in de Westerschelde en in het Amelander zeegat voor het SBW project. RWS heeft op dit moment nog geen ADCP s ingezet als online operationele golfmeter. De vaste ADCP s die nu al operationeel draaien bij de stroommeetpalen van de Maasmond en de IJmond kunnen ook golfhoogte- en golfrichtingsinformatie leveren. De grootste uitdaging daarbij zit niet in de beschikbare techniek, maar in de beperkingen van het Landelijk Meetnet Water en de daarin gebruikte hardware en software bouwstenen voor zowel aansturing van sensoren, datatransport als dataopslag. Technology Readiness Level Techniek is operationeel, maar verbetering is nog wel mogelijk. TRL 9. Literatuur Hoitink, A.J.F., Peters, H.C. and M. Schroevers (2007) Field verification of ADCP surface gravity wave elevation spectra. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology 24 (5): van 179

52 Golven - puntstroommeters en de PUV methode Bij puntstroommeters als golfmeter is er internationaal niets nieuws onder de zon. De sensoren worden vooral ingezet in ondiep water. Status in Nederland In Nederland wordt gewerkt aan het operationeel krijgen van het uitvoeren van golfmetingen met een puntsstroommeter en een PUV algoritme (S4 van Interocean). Dit betreft zowel reguliere golfrichtingmetingen (vergelijkbaar met een Directional Waverider) als golfreflectiemetingen op harde constructies. Technology Readiness Level Techniek is operationeel, maar verbetering lijkt nog wel mogelijk. TRL 9. Literatuur Wenneker I, Geschiktheid en advies golfverwerkingsmethoden PUV-methode - deel 1: datakwaliteit S4 Deltares Rapport ZKS Golven dataverwerking golfboeien De golfboeien van Datawell zijn één van de standaardmethoden voor golven van RWS. Onlangs is naar aanleiding van kennisontwikkeling van een aantal golfmeettechnieken (GolfADCP en PUV methoden) ook de standaardgolfverwerkingsmethode van RWS tegen het licht gehouden die is opgenomen in het verwerkingspakket WAVES en het Standard Waves Analysis Pakkage SWAP. Deze Engelse titel suggereert dat de methode wereldwijd gebruikt wordt, maar de methode is alleen in gebruik bij RWS en voor enkele boeien van derden op de Noordzee die data door leveren aan RWS. Door zowel Datawell als door Deltares wordt betoogd dat er met een meer geavanceerde aanpak dan de gebruikelijke vier coëfficiënten methode (A1, B1, A2, B2) nog betere golfrichtingsinformatie verkregen zou kunnen worden. Dit verdient nadere aandacht op een moment dat de SWAP en WAVES software aan een update toe is. 3.6 Samenvattend advies meetmethoden waterkwantiteit. Voor afvoeren ligt de focus van RWS de komende tijd op het bepalen van afvoeren. Voor die toepassing is een aantal technieken genoemd. De methoden die veel extra informatie kunnen opleveren over de stroming zijn de rivierradar en de camera s. Maar voor beide methoden zijn de grenzen niet duidelijk. Dit vergt een pilot, bij voorkeur bij Lobith en in samenhang met hydrodynamische modelering. Waterstanden meten kan nauwkeurig plaatsvinden met vliegtuigen, maar is ook kostbaar. De inzet is daarom interessant als een volledig ruimtelijke beeld gewenst is waarvoor het reguliere meetnet niet gedetailleerd genoeg is en de opzet van een gedetailleerd meetnet te kostbaar wordt. Typische voorbeelden zijn de hoogwaterpieken en het moment van overstromen van kribben of uiterwaarden. Een pilot om verdere ervaring op te doen met de aangeboden informatie, de verwerking en interpretatie wordt aanbevolen (wellicht liggen er al data op de plank). 44 van 179

53 Op het gebied van golven is het advies om geen nieuw onderzoek naar technieken op te starten, maar vooral de focus te leggen op het veelvuldig inzetten en evalueren van de nu voorhanden zijnde (en goed bevonden) nieuwste technieken: incoherente navigatie radar en golfadcp. Voor de parameter stroming is een duidelijk hiaat in de informatievoorziening ten aanzien van ruimtelijke stroming bij RWS. Daarvoor lopen ontwikkelingen met de HF radars. Deltares adviseert een kennisdocument van deze techniek te laten op stellen zodat de mogelijkheden en onmogelijkheden van de techniek beter bekend zijn binnen RWS. Daarnaast zou meer aandacht besteedt kunnen worden aan de inzet van kleine en goedkope instrumenten en dan vooral in een multisensor opzet vanuit flexibele platforms. Dit kan gestimuleerd worden via het Corporate Innovatie Programma van RWS onder het thema meten, en uitgezet worden bij universiteiten, kennisinstellingen en surveybedrijven. Zoutmetingen in het huidige vaste meetnet worden uitgevoerd aan de kant van de waterloop en op een beperkt aantal hoogten en zijn niet representatief voor de zoutindringing. Hiervoor zijn metingen nodig in het midden van de waterloop. Deltares adviseert een verkenning van technische mogelijkheden om hieraan te kunnen voldoen, bijvoorbeeld door inzet boeien of constructies langs brugpijlers en scheepvaartmarkeringen. Een aantal punten ten aanzien van dataverwerking, om te komen tot meer of nauwkeuriger informatie uit bestaande metingen, is gegeven in de volgende paragraaf. 3.7 Verwerking, opslag en beheer van waterkwantiteitsgegevens Dit onderdeel van de informatiecyclus wordt nog niet volledig beschreven. Er staat een aantal items genoemd onder hoofdstuk 8. Hier benoemen we de punten die direct volgen uit de instrumentverkenning: Verdere inzet van goedkope waterstandmetingen, zoals de GPS data van schepen, druksensoren voor hoogwater en druksensoren in projecten is een feit. De kennis om de data van deze bronnen onderling te combineren is echter beperkt. Deltares adviseert om hier in te gaan investeren. (zie ook hoofdstuk 2). In het verlengde hiervan wordt geadviseerd om een aanzet te maken met een (statistische) methode voor het bepalen van de ruimtelijke informatieinhoud van puntmetingen en ruimtelijk dekkende metingen voor waterstanden, temperatuur, stroming en golven. Daardoor zal een objectieve keuze mogelijk worden bij het inzetten van verschillende technieken. Op dit moment ontbreken golfmetingen op de rivieren. Dat maakt het bepalen van de (veranderende) belasting van het watersysteem door windgolven en scheepvaartgolven redelijk onzeker. Door ontsluiting van de ruwe metingen van waterstandsmeters die werken op basis van radars, zoals bij de Maeslantkering, Lobith en Honsbroeksepleij, komt voor dit doel bruikbare data vrij. 3.8 Overdracht van waterkwantiteitsgegevens Dit onderdeel van de informatiecyclus wordt nog niet beschreven. 45 van 179

54

55 4 Waterkwaliteit, technische innovaties voor effectievere bepaling waterkwaliteit. 4.1 Informatiebehoefte waterkwaliteit De informatiebehoefte voor waterkwaliteit zoals door RWS geformuleerd (RWS, 2012), bestaat uit een component chemie en een component biologie. Algemene informatiebehoefte chemie De behoefte aan informatie over waterkwaliteit (chemie) is de laatste jaren gewijzigd en afgenomen. Zo veranderde met de invoering van de Kaderrichtlijn Water de systematiek voor normtoetsing en daarmee veranderden ook de waterkwaliteits gegevens die voor toetsing nodig zijn. Bovendien zijn inmiddels alle directe lozingen op het oppervlaktewater (puntbronnen vanuit industriële lozingen (bijv. fosfaten en zware metalen) verwijdert. Daarmee is de waterkwaliteit zo verbeterd dat intensieve bewaking van de kwaliteit niet altijd en overal meer nodig is. Mede daardoor is de focus van de monitoring ook verplaatst van opsporen van (illegale) lozingen naar systeem begrip. Technische ontwikkelingen in het laboratorium maken het mogelijk om bijna alle relevante stoffen in water te meten in plaats van alleen maar in zwevend stof, wat overigens niet betekent dat de behoefte aan metingen in zwevende stof komt te vervallen. Toetsing aan de wettelijke waterkwaliteitsnormen en de internationale rapportages voor OSPAR, EURATOM, TMAP en de riviercommissies vormen verreweg de grootste vragers naar waterkwaliteitsinformatie. De informatie die hiermee beschikbaar komt, dekt over het algemeen ook de behoefte uit de overige primaire processen. In een enkel geval is de landelijke informatievoorziening (MWTL) onvoldoende specifiek in tijd en ruimte, met name waar het projecten betreft. De informatiebehoefte beperkt zich niet alleen tot oppervlaktewater, maar vraagt ook monitoring in sediment en biota. Vanwege positieve trends in de waterkwaliteit en waterbodemkwaliteit kan verwacht worden dat de vraag om informatie afneemt (is deels al het geval). Maar de doorwerking naar een versoepeling van de internationale verplichtingen zal lang duren. Aan de andere kant zal door intensivering van het gebruik van water (zoals windmolenparken op zee en wonen op het water) een extra informatiebehoefte met zich mee brengen. Algemene informatiebehoefte biologie De grootste informatievraag voor de landelijke informatievoorziening (MWTL) volgt uit de toetsing aan wettelijke waterkwaliteitsnormen, de internationale rapportages door RWS, en het kunnen evalueren en opstellen van beheerplannen. Ondergrens van de informatiebehoefte waterkwaliteit zijn de wettelijke eisen waaraan RWS moet voldoen. Daar bovenop komen: het evalueren van de effectiviteit van maatregelen op waterlichaamniveau, het evalueren van het eigen gebruik, politiek-bestuurlijke afspraken, dienstverlening aan het publiek, en referentie voor planvorming en beheer en onderhoud. Zowel voor biologie als voor chemie bestaat het streefbeeld van de informatievoorziening voor waterkwaliteit uit twee componenten. Enerzijds een stabiel rompnet dat is ontworpen op de wettelijk eisen en internationale rapportages. Anderzijds een flexibele schil waarin, in 47 van 179

56 aanvulling op de landelijke informatievoorziening (MWTL), tijdelijk vaker en op meer locaties projectmatig wordt gemeten. Overig Wat niet genoemd wordt in de documenten is onderwatergeluid. Dit is een parameter die de KRM als parameter voor een gezond ecosysteem meeneemt. In dit hoofdstuk (paragraaf ) zal kort aandacht besteedt worden aan de ontwikkelingen omtrent onderwatergeluid. Ook wordt er in dit hoofdstuk aandacht gegeven aan het onderwerp microplastics. Met behulp van de informatieverzamelstrategie wordt de informatiebehoefte vertaald naar een meetplan. 4.2 Gaten in de informatievoorziening Waterkwaliteit Hieronder worden een aantal gaten benoemd die in de laatste jaren aan het licht zijn gekomen bij het vergelijken van de informatiebehoefte en de beschikbare informatie door zowel RWS als Deltares. Voor het vullen van deze gaten heeft RWS acties ondernomen of gedefinieerd. Watertemperatuur Veel districten hebben behoefte aan een temperatuurverwachting bij dreigende ijsvorming en de lozing van koelwater. Dit laatste wordt in toenemende mate een knelpunt. Het temperatuurmodel is vooral gericht op lozingsvergunningen, maar niet op actuele temperaturen. Effect van Maaswerken en Ruimte voor de Rivier op de watertemperatuur is onvoldoende bekend. Verandering van stroomsnelheid, verblijftijd, diepte en oppervlak zijn immers van invloed op de temperatuur. In 2013 heeft RWS vastgesteld dat voor een update van systeemkennis tijdelijke extra temperatuurmetingen zouden moeten worden uitgevoerd, en de kennis vastgelegd moest worden in een temperatuur model. RWS heeft het temperatuur meetnet uitgebreid en een temperatuur model laten ontwikkelen. Of dit voldoet aan de behoefte is nog niet gedocumenteerd. KRM en Natura 2000 De informatiebehoefte en het monitoringprogramma voor N2000 zijn nog in ontwikkeling. I&M en EL&I hebben afgesproken om de informatiebehoefte en noodzakelijke gegevensinwinning voor KRM en N2000 samen en in samenhang uit te werken. Mogelijke vernieuwingen en aanpassingen waaraan voor de KRM in 2013 wordt gewerkt zijn: (i) onderwatergeluid, (ii) meting van verontreinigende stoffen in biota, (iii) zwerfvuil (microplastics). De belangrijkste mogelijke wijzigingen in informatiebehoefte voor N2000 betreft ruimtelijke verspreiding van bodemdieren en vogels. Zout en ecologie Dienst Zeeland behoefte aan nader inzicht in de ontwikkeling van de zoutlast en het ecologisch potentieel (met name blauwalgenoverlast en Quaggamossel) van het Volkerak Zoommeer Vegetatie De vegetatie in de uiterwaarden van de grote rivieren is in de loop der jaren hydraulisch ruwer geworden waardoor maatgevende hoogwaterstanden zijn toegenomen. De onderhoudsnorm voor vegetatie wordt vastgelegd in een vegetatielegger. Voor het maken en controleren van onderhoudsafspraken met beheerders dient de vegetatieruwheid met een 48 van 179

57 veel groter ruimtelijk detail te worden vastgelegd dan voorheen nodig was. Op hoogdynamische gedeelten is een hogere opnamefrequentie nodig dan de huidige (eens per zes jaar). 4.3 Informatieverzamelstrategie waterkwaliteit Zoals uit paragraaf 5.1 duidelijk werd, wordt de informatiebehoefte van RWS bepaald door normen die in verschillende wetgevingen (zoals OSPAR en KRW) opgesomd zijn. Monitoring voor deze verschillende informatievragers verschilt van elkaar in tijd, frequentie, ruimtelijke spreiding etc., hoewel er ook overlap bestaat (i.e. een meting voor bijvoorbeeld OSPARvrachten kan samenvallen met chemische monitoring voor normtoetsing conform KRW). In deze paragraaf wordt kort omschreven welke informatievrager (meestal wetgevingen) wat voor informatie nodig heeft en hoe frequent (voor zover mogelijk in te vullen): Watermanagement - planvorming Voor het opstellen van beheerplannen zijn chemische en biologische gegevens nodig. Voor chemie: eens per zes jaar de (getoetste) waterkwaliteit in de wettelijk vastgestelde waterlichamen en de ontwikkeling daarvan in de voorgaande periode(s). In het voor dat beheerplan maatgevende jaar wordt per waterlichaam vierwekelijks gemeten. IJsselmeer, Markermeer, IJmeer en Oosterschelde vertonen een autonome neerwaartse trend (krimpende populaties van aangewezen soorten). Daarvoor is het nodig ieder jaar vierwekelijks in hoge ruimtelijke dichtheid verschillende waterkwaliteitsparameters te meten. Voor de bemonstering kan gebruik worden gemaakt van bestaande MWTL-meetpunten. Daarnaast zijn voor de ANT en NMIJ projecten extra meetpunten ingericht, waarin alleen voor project-relevante informatie hoeft te worden verzameld. Dit gebeurt deels met andere technieken dan voor MWTL worden gebruikt (continu-metingen met YSI s aan meetpalen, remote sensing, ruimtelijke surveys). Monitoring en informatie-uitwisseling Voor de OSPAR/KRM is inzicht nodig in de toestand van het mariene milieu voor biodiversiteit, eutrofiëring en gevaarlijke stoffen onder andere voor de periodieke quality status reports. In zeegebieden waar (potentieel) eutrofiëringsverschijnselen optreden dienen jaarlijks met voldoende ruimtelijke spreiding gedurende het groeiseizoen algen, waterplanten en bodemdieren bepaald te worden.. Het is de ambitie van DG-MARE om de hele Noordzee te monitoren, gebruikmakend van een geïntegreerde, effectieve en efficiënte strategie voor alle landen om de Noordzee. Ambitie is om hierbij de meest innovatieve technieken en sensoren in te gaan zetten. Daarvoor moet de huidige monitoringsstrategie van Nederland geoptimaliseerd worden. Het OSPAR-verdrag verplicht lidstaten te rapporteren over de vrachten van verontreinigende stoffen die via rivieren het mariene milieu bereiken. TMAP: Trilateraal samenwerkingsverband tussen Duitse, Deense en Nederlandse overheden ter bescherming van de Waddenzee. Eens in de vier jaar verschijnt het Quality Status Report (QSR) over de toestand en trends (ruimtelijk en temporeel) van de kwaliteit van het water, sediment en biota op het Wad. Voor het opstellen van QSR s is het nodig om periodieke monitoring van eutrofiëring en gevaarlijke stoffen uit 49 van 179

58 te voeren. Voor chemische waterkwaliteit is TMAP geënt op het meetprogramma van OSPAR (strategie, stoffen, compartimenten, doelstelling). Normtoetsing KRW: RWS is wettelijk verplicht de chemische en biologische waterkwaliteit te beoordelen en te rapporteren aan de Europese commissie (KRW, Waterwet). Bij een onvoldoende waterkwaliteit moeten er maatregelen getroffen worden en dient het effect ervan gerapporteerd te worden. Trendmonitoring sediment en/of biota: artikel 3 van de richtlijn prioritaire stoffen (EG, 2008) stelt dat lidstaten regelingen treffen voor de analyse van lange termijn tendensen met betrekking tot de concentraties van de in deel A van bijlage I vermelde prioritaire stoffen die de tendens hebben te accumuleren in sediment en/of biota. De lidstaten stellen de meetfrequentie in sediment en/of biota zodanig vast dat zij voldoende gegevens voor een betrouwbare analyse van langetermijntendensen oplevert. Als richtsnoer geldt dat de monitoring elke drie jaar wordt uitgevoerd, tenzij technische kennis en het oordeel van deskundigen een andere tussenpoos rechtvaardigen. Nederland heeft er voor gekozen om deze trendmonitoring in biota uit te voeren. In 2012 is in binnenwateren alleen nog waterbodem gemonitord op meetpunt Steenbergen. Europese regelgeving schrijft voor de bacteriologische kwaliteit op zwemwaterlocaties te monitoren voor alle officieel aangewezen zwemlocaties. Het gaat hierbij om bacteriologie en plaagalgen. Drinkwaterproductie: Europese regelgeving schrijft voor dat oppervlaktewater dat wordt gebruikt voor de productie van drinkwater aan bepaalde chemische en biologische (bacteriologie, chlorofyl) kwaliteitseisen moet voldoen. Het Euratomverdrag (1957) bepaalt dat lidstaten radiochemie in het milieu moeten monitoren en rapporteren. Het verdrag stelt dat radiochemische parameters gemeten moeten worden die de natuurlijke achtergrondwaarde kunnen verhogen. In het meetplan is ervoor gekozen radiochemische parameters te meten op de belangrijkste in- en uitstroomopeningen en in zee. Systeemkennis. RWS heeft het initiatief genomen om, als onderdeel van de uit te werken informatieverzamelstrategie (par. 1.2), tot een bruikbare invulling van het begrip systeemkennis te komen en het vervolgens te kunnen gebruiken voor het verder optimaliseren van de meetnetten. Belangrijke vragen daarbij zijn: over welke mate van systeemkennis dient RWS te beschikken, levert dat een specifieke informatiebehoefte op die niet wordt gedekt door de informatiebehoefte zoals die tot nu toe is gespecificeerd, en heeft dit consequenties voor de data-inwinning? In 2012 is met Deltares en Imares en de Regionale Diensten een voorstel uitgewerkt. Dit voorstel (product) omhelst een stappenplan informatieverzamelstrategie en een access-tool die helpt bij prioritering en bundeling van informatievragen. In deze tool kan systeemkennis als vraag worden opgevoerd om leemtes in het pakket van de overige vragen te inventariseren. Systeemkennis is in deze benadering geen primair meetdoel. In het stappenplan wordt (bestaande) systeemkennis onder meer gebruikt bij het meetnetontwerp, bijv. voor representatieve locatiekeuze of de relatie tussen informatievraag en meetfrequentie. 50 van 179

59 Vergunningverlening en handhaving Waterwet emissie-immisietoets: Getoetst moet kunnen worden of een lozing effect zal hebben op de algehele waterkwaliteit. Om die effecten te beoordelen, moet de algemene meerjarige kwaliteit van het oppervlaktewater bekend zijn (de zogenaamde achtergrondconcentratie). Het is niet effectief om alle potentiële te lozen stoffen op voorhand structureel te bemonsteren. Daar waar het routinematige meetnet tekort schiet, kan incidenteel worden bij gemeten op specifieke locaties of stoffen. Opsporen van onbekende emissies en nieuwe probleemstoffen geschiedt via een periodieke kwalitatieve screening van al opgewerkte monsters. Uit die screening komt een top 15 van stoffen die vervolgens op alle locaties in het landelijk meetnet kwantitatief worden gemeten. De locaties zijn zo gekozen dat de belangrijkste in en uitstroomopeningen en innamepunten voor drinkwater zijn gedekt. Beheer, onderhoud en ontwikkeling Verzilting en stratificatie. Bij een combinatie van een hoge zeewaterstand en lage rivierafvoer, kan ver landinwaarts verzilting optreden. Daarom wordt in zes waterlichamen in Zuid Holland de saliniteit real time bepaald met vaste meetopstellingen (14 stations). Enerzijds om met gerichte maatregelen (spuien, beïnvloeding waterverdeling) de zouttong terug te dringen. Anderzijds om drinkwaterbedrijven en landbouw te kunnen waarschuwen. Verder worden (vnl. in Zeeland) verticaalmetingen uitgevoerd voor stratificatie en saliniteit. In de Noordzee worden verticaalmetingen uitgevoerd gericht op stratificatie (ook benoemd onder waterkwantiteit). Beheertaken zoals maaien, peilbeheer, of reparatie van dijkbekleding, vragen informatie over flora en fauna. Er is daarom een basisbehoefte aan kwalitatieve informatie over beschermde soorten in MWTL. Voor monitoring van de effectiviteit van (KRW-)maatregelen wordt er in MWTL kwalitatieve informatie over beschermde soorten opgeslagen. Indien er behoefte is aan kwantitatieve gegevens dan dient dat via projectmonitoring tot stand te komen. Uit politiek-bestuurlijke overwegingen wordt soms besloten tot chemische monitoring terwijl analyseresultaten daarvoor geen directe aanleiding vormen en de gegevens ook niet meer worden gebruikt in het primaire proces van RWS. Voorbeelden zijn metingen naar aanleiding van calamiteiten, of politieke besluiten over het herstel van het getij in de Grevelingen. Deze metingen vervallen op termijn. Voorbehoud hierbij is wel dat, indien de resultaten van de metingen hiertoe aanleiding geven, de metingen opgenomen kunnen worden in MWTL. Projectmonitoring kan immers leiden tot nieuwe inzichten, die ook vanuit landelijk perspectief belangrijk kunnen zijn. Uit de volgende tabel blijkt dat een groot deel van de monitoring plaatsvindt vanwege richtlijnen en verdragen. Deze monitoring draagt niet altijd bij aan een goed begrip van de waterkwaliteit. De gebruikelijke (tweewekelijkse tot maandelijkse) meetfrequentie in het waterkwaliteitsmeetnet van Rijkswaterstaat is niet per se representatief voor de periode tussen twee bemonsteringen in. Hierdoor is de onzekerheid over het verloop van de concentraties tussen monstername erg groot. De lage meetfrequentie heeft ook grote gevolgen voor de betrouwbaarheid van vrachtschattingen. Daarom is een goede meetstrategie nodig. 51 van 179

60 Tabel 4.1 Informatiebehoefte waterkwaliteit Informatievraag Parameter Frequentie Locatie Beheerplannen OSPAR/KRM/TMAP Normtoetsing KRW Chemie: normtoetsing conform KRW Biologie: landelijke monitoring N2000 gebieden op vis, vogels, waterplanten, oeverplanten, kweldervegetatie, zeezoogdieren, zeegras, bodemdieren Chemie: nutriënten, PAK, PCB, TBT, gebromeerde vlamvertragers, zware metalen, radiochemie, vrachten Biologie: algen, waterplanten, bodemfauna Chemie: normtoetsing conform KRW Biologie: vissen, oeverplanten, waterplanten, macrofauna, kwelders en fytobenthos, algen Vierwekelijks eens in de 6 jaar (Bij overschrijding norm volgt onderzoeksmonitoring) Vierwekelijks eens in de 6 jaar Nutriënten en algemene parameters hoogfrequent. Sediment 1x per 3 jaar. Chemische stoffen in biota: 1x per jaar. Vrachten: maandelijks. Jaarlijks, m.u.v. algen (frequenter in groeiseizoen) Eens in de 6 jaar, met frequentie van 4-12 keer per jr. vissen, oeverplanten, waterplanten, macrofauna, kwelders en fytobenthos eens per 3 jaar. Algen jaarlijks (groeiseizoen) Zwemwaterrichtlijn Bacteriologie en (blauw-) algen Tweewekelijks tijdens zwemseizoen. Drijflagen algen: wekelijks (ook evt. toxines) Gewenst: real-time Euratom radiochemie Minimale verplichting nakomen. Emissie en immissietoets Onbekende emissies en nieuwe probleemstoffen Verzilting en stratificatie Toxische stoffen algemeen ter bepaling van achtergrondconcentraties Onbekende stoffen Bij voorkeur regelmatig en langdurig, maar hoogfrequent is niet nodig. Screeningsonderzoek (signalering), frequentie niet relevant. Elk KRWwaterlichaam Elk KRWwaterlichaam Kust, zee en uitstroom van rivieren Kust en zee Elk KRWwaterlichaam Elk KRWwaterlichaam Alle zwemwaterlocaties Drinkwater Bacteriologie, chlorofyl maandelijks. Gewenst: realtime Drinkwaterlocaties? Zo verspreid mogelijk in NL Zo verspreid mogelijk in NL Zout en temp Wens: Real-time Diep water en overgangswater Beheertaken Flora en fauna Zeer laag frequent Effectiviteit maatregelen Beschermde soorten Zeer laag frequent Bij maatregelen systeembegrip Basisparameters, zoals ph, O2, nutriënten, chlorofyl, doorzicht, zwevend stof, DOC, temperatuur(stratificatie), alkaliniteit, zout, etc. Alleen zinvol als hoogfrequent wordt gemeten. Geselecteerde voor NL representatieve locaties 52 van 179

61 4.4 Meetstrategie waterkwaliteit Een meetstrategie dient ervoor om de informatiebehoefte zo goed mogelijk te voeden. Dit houdt in dat de informatiebehoefte/informatieverzamelstrategie eisen stelt aan die meetstrategie. Deze eisen bevatten onderwerpen als type parameter, frequentie van metingen, mate van ruimtelijke spreiding, interactie met modellen etc. Een optimale meetstrategie beantwoordt zo veel mogelijk vragen (beter, sneller) tegen zo laag mogelijke kosten. Momenteel staan vooral de kosten sterk in de belangstelling. In paragraaf 5.2 en tabel 5.1 is de huidige informatiebehoefte geformuleerd. Een goede meetstrategie zou echter tevens de basis moeten leveren voor toekomstige (niet voorspelde) vragen, die nu niet in de informatiebehoefte gedefinieerd zijn. Juist voor dat laatste aspect biedt monitoring die is erop is gericht om het systeembegrip te versterken, de beste kansen. Dit ook vanwege het brede aspect zoals het kijken naar vele parameters en rekening houden met tijd en ruimte. Vragen over gevolgen van nieuw opkomende onderwerpen zoals microplastics, kunnen met een betere systeemkennis beter beantwoordt worden en wellicht in een vroeg stadium al worden afgedaan. In Figuur 4.1 wordt geïllustreerd welke gevolgen monitoring gericht op richtlijnen en verdragen, met als gevolg een niet representatieve meetfrequentie, kan hebben voor de interpretatie van de meetgegevens. Figuur a en b laten zien hoe een opwaartse trend ten onrechte kan worden geïnterpreteerd als een dalende trend. Figuur c en d geven twee mogelijke oplossingen voor dit probleem; de meetfrequenties verhogen of gemiddelde concentraties meten. In het geval van steekmonsters is het verhogen van de meetfrequentie echter erg duur (bemonstering, transport, analyse). Er zijn echter ook alternatieve meettechnieken waarmee concentraties (semi-) continue gemeten kunnen worden. Enkele van deze technieken (sensoren) worden al ingezet bij Lobith, Bimmen en Eijsden. Ook kan gebruik gemaakt worden van ships of opportunity. Deze optie kan variëren van een ferry box die op een schip meevaart en volledig geautomatiseerd is, een tot een surveyor die op een schip meevaart (dat toch vaart), monsters neemt voor nadere analyse en op het schip eenvoudige metingen uitvoert. Naast het slimmer meten in het huidige meetnet, is het ook zinvol om te kiezen voor locaties waar een minimale verplichting wordt nagekomen, maar tegelijkertijd voor investering op locaties waar acute vragen (bescherming van recreanten, aquacultuur, drinkwater) moeten worden beantwoord en om systeembegrip te vergroten. Vooral voor dat laatste is het zinvoller om op een kleiner aantal locaties intensief te meten en dat te extrapoleren naar locaties waar minder wordt gemeten. Voor de extrapolatie is het wel essentieel dat deze systemen goed begrepen worden, waarvoor in eerste instantie extra aandacht dient te gaan naar systeem kennis ontwikkeling. 53 van 179

62 Figuur 4.1 Een stijgende trend (figuur a) kan door een te lage frequentie ten onrechte worden geïnterpreteerd als een dalende trend (figuur b). Mogelijke oplossingen zijn het verhogen van de meetfrequenties (figuur c) en het meten van gemiddelde concentraties (figuur d). Voor die locaties waar intensief gemonitord gaat worden is het van belang om integraal te meten en te modelleren. In Singapore gaat binnenkort het project NEPTUNE van start. Dit project bestaat uit een combinatie van 8 (onbemande) meetplatforms waar zoveel mogelijk in situ / on site wordt gemeten en waar ter validatie monsters worden genomen die in een lab kunnen worden geanalyseerd. Verder wordt er met remote sensing-beelden gewerkt. Tegelijkertijd wordt een model opgesteld. De metingen dienen als validatie van de modelberekeningen, maar met de modelberekeningen kunnen de metingen worden geëxtrapoleerd. Dat kan er toe leiden dat meetlocaties worden verplaatst of dat de meetfrequentie wordt aangepast. Bovenstaande betekent het invullen van de informatiebehoefte door binnen de voorgestelde kaders (kennis van het natuurlijke systeem, kennis en innovatie van meetstrategie en kennis van bewezen meettechnieken te integreren) te komen tot de juiste meetgegevens en informatie, zodat de informatiebehoefte kan worden ingevuld. Dit betekent dat innovatie gericht moet zijn op (a-d): a) kennis van de voor de informatiebehoefte van belang zijnde chemische en biologische processen in het natuurlijk systeem die de waterkwaliteit beïnvloeden (bijvoorbeeld inzet waterkwaliteitsmodellering en zicht op de sediment-oppervlaktewater processen). b) kennis en innovatie in meetstrategie (o.a. combinatie modellen-monitoring, efficiëntere bemonstering, passende inzet van instrumenten die de meetfrequentie verhogen of gemiddelde concentraties meten en het combineren van meetlocaties) c) kennis van sterkten en zwakten van bewezen meettechnieken en dus zicht op specifieke toepasbaarheid (besef van accuracy, precisie en analogie; hoe wordt er bewaakt 54 van 179

63 dat verkregen meetgegevens vergeleken kunnen worden, bijvoorbeeld bij gevarieerde systeemcondities; brak vs. zout en bij gebruik van verschillende methoden; remote sensing vs. in-situ sensor vs. laboratoriumanalyse) d) integratie van deze kennis tot een algehele aanpak die slimmer en kosten effectiever de informatiebehoefte beantwoordt, en waarmee ook nieuw opkomende integrale onderwerpen zoals de gevolgen van microplastics kunnen worden ondervangen Voor het geregeld toetsen van de algehele aanpak of verandering van de wettelijke kaders, veranderingen van het natuurlijk systeem en innovatie in meettechnologie en innovatie in meetstrategie is geen wijziging in de aanpak vereist. Voor waterkwaliteit moet in de meetstrategie moet ook (meer ) aandacht komen voor de koppeling met fysische monitoring. Het belang van fysische processen (hydrodynamica, morfodynamica) voor de mariene ecologie is groot, maar wordt maar beperkt begrepen. Dit gebrek aan inzicht in de fysische aansturing van de biologie in onze mariene wateren kan worden aangepakt door bestaande meettechnieken te optimaliseren voor ecologische doeleinden, en innovatieve technieken te operationaliseren. Het gaat dan vooral om technieken om kleinschalige en grootschalige stroming en sedimentbewegingen te kwantificeren en te koppelen aan voorkomen en dynamiek van bodemdieren en vis. Hierbij wordt in eerste instantie gedacht aan multibeam en side-scan sonar, LIDAR, X-Band radar, en glasvezelkabeltechnologie, in combinatie met bijgewerkte signaalverwerkingssoftware en datamanagement. Deze koppeling tussen behoefte en beschikbare technieken moet nog verder uitgewerkt worden. 4.5 Meetmethoden en technieken waterkwaliteit Uit de laatste alinea van paragraaf 5.3 volgt dat metingen ten behoeve van waterkwaliteit slimmer en sneller moeten. Echter, het is ongewenst dat er hierbij aan betrouwbaarheid van data ingeboet wordt. De afgelopen twee decennia heeft er wereldwijd veel werk plaatsgevonden om in situ instrumenten te ontwikkelen die sneller resultaten opleveren dan de klassieke methodieken (i.e. steekmonsters nemen in het veld en analyses uitvoeren in het lab). Deze in-situ instrumenten bestaan al langer voor fysische parameters, zoals temperatuur en worden in toenemende mate ontwikkeld voor chemische waterkwaliteitsparameters. Een recente ontwikkeling is dat er ook in situ instrumenten worden ontwikkeld voor biologische parameters. In situ instrumenten voor metingen in het veld is in 3 categorieën ingedeeld: in situ sensoren, passieve-sampling, auto-analyzers. In tabel 5.2 worden de voor en nadelen van de verschillende typen weergegeven. Tabel 4.2 Overzicht van meettechnieken en hun voordelen en nadelen (uit: Van Gils et al en aangepast). Techniek Principe Voordelen Nadelen Inzet alle watertypen Steekmonsters Conventionele monstername, analyse in laboratorium + veel ervaring en standaardisatie + analyse op veel chemische stoffen mogelijk uit dezelfde monster - momentopname - monstername, transport en analyse tijdrovend en duur - kans op verontreiniging / chemische veranderingen bij monstername, transport en analyse Ja 55 van 179

64 Techniek Principe Voordelen Nadelen Inzet alle watertypen Autosamplers Geautomatiseerde monstername + hogere meetfrequentie mogelijk + debietproportionele bemonstering mogelijk + analyse op veel chemische stoffen mogelijk met standaard methoden - Kans op verontreiniging / chemische veranderingen tussen monstername en analyse - Kans op uitval i.v.m. techniek / elektronica - Ook transport van monsters noodzakelijk (dus even hoge kosten als steekmonsters) - Specifieke kennis voor bediening en onderhoud/reparatie nodig - Regelmatig onderhoud nodig - Analyse in het lab Ja Sensoren Elektrisch signaal + continue meetsignaal - Relatief hoge startkosten (aankoop + Ja en ion- evenredig met + geen kosten voor installatie) selectieve parameter / analyse - Regelmatig onderhoud nodig elektrodes concentratie + directe meting, geen (schoonmaken/kalibreren) verontreiniging i.v.m. - Kans op uitval i.v.m. techniek / monstername en elektronica transport - alleen opgeloste chemische stoffen meetbaar Auto- Geautomatiseerde + zeer hoge frequentie - Relatief hoge startkosten (aankoop + Ja, analyzers on-site mogelijk installatie) voor monstername en + geen kosten voor - Kans op uitval i.v.m. techniek / Phosphax analyse analyse elektronica en + directe meting, geen - Specifieke kennis voor bediening en Q-Watch verontreiniging i.v.m. onderhoud/reparatie nodig onbekend monstername en - Regelmatig onderhoud nodig transport - Analysecapaciteit beperkt (in tijd en + voor veel chemische aantal parameters dat tegelijk stoffen mogelijk gemeten kan worden) (opgelost/particulair) Passieve Opname door + bijdrage van - opnamesnelheid verschilt per stof Ja Samplers partitie / variërende - opnamesnelheid afhankelijk van gemiddelde concentraties wordt stroomsnelheid, temperatuur, concentratie- geïntegreerd, beter speciatie; correctie door middel van meting dan momentopnames Performance Reference Compound + lage detectielimieten (PRC) + directe meting, geen - niet mogelijk voor particulaire verontreiniging tijdens. chemische stoffen / monstername en totaalconcentraties transport + sterke relatie met beschikbaarheid voor organismen 56 van 179

65 Waterkwaliteit kan worden uitgedrukt in vele verschillende parameters. Een combinatie van meerdere parameters is vaak nodig voor een juiste interpretatie van de waterkwaliteit. Innovaties en ontwikkelingen op het gebied van meetmethoden- en technieken wordt hier beschreven, uitgesplitst voor de verschillende parametergroepen: algemeen chemischfysische basisparameters (5.5.1), nutriënten (5.5.2), metalen, prioritaire stoffen (5.5.3), biologische parameters (5.5.4) Algemeen chemisch-fysische basisparameters In situ sensoren Voor veel chemische-fysische parameters zijn sensoren beschikbaar. De meest gebruikte sensoren zijn die voor temperatuur, algenpigmenten en troebelheid. Ion-selectieve elektrodes zijn beschikbaar voor bijvoorbeeld ph, redox condities,no 3, NH 4, Ca, Na, K, Cl en Mg. Er zijn vele apparaten op de markt die zijn uitgerust met één of meerdere sensoren en/of ionselectieve elektrodes (ISE s). Op de meetponton in de Rijn bij Lobith, bijvoorbeeld, wordt gebruik gemaakt van enkele sensoren voor het meten van de ph, geleidendheid (EC), troebelheid en de O 2 -concentratie. Sensoren en ion-selectieve elektrodes geven een praktisch continu meetsignaal. In een vaste meetopstelling kunnen ze daardoor een zeer gedetailleerd beeld opleveren van de variabiliteit van de waterkwaliteit. Sensoren en ion-selectieve elektrodes doen hun metingen direct in het water. Ervaringen Een nadeel van sensoren en ion-selectieve elektrodes is dat ze erg onderhoudsgevoelig zijn (dagelijks tot meerdere keren per week) waarbij iemand met kennis van zaken beschikbaar moet zijn. De relatie tussen het elektrische of analoge signaal van de elektrode en de concentratie van de te meten stof blijft niet constant en moet door middel van kalibraties en justering regelmatig worden gecorrigeerd. Zelfs bij een eenvoudige geleidendheidssensor kan door aangroei in productief water al na drie weken een afwijking van meer dan 10% worden gemeten. Aangroei en -slag van bijvoorbeeld algen of ijzeroxides zorgt ervoor dat de sensoren en elektrodes in vaste meetopstellingen regelmatig moeten worden schoongemaakt of zelfs vervangen (per maximaal 3-6 maanden). Door deze onzekerheden is er minder vertrouwen in de uitslagen van ion-selectieve elektrodes dan die van de gestandaardiseerde laboratoriumapparatuur. Technology Readiness Level Vooral in oppervlaktewater met een variërende zoutconcentratie, zoals estuaria, kunnen ISE electroden zeer afwijken, omdat variaties in de zoutconcentratie van het medium het transport over het membraan beïnvloedt. Metingen met optische meters kunnen overigens ook verstoord worden door andere factoren zoals humuszuren, troebelheid of stroomsnelheid (op fluorescentiemeters bijvoorbeeld). Sensoren: wereldwijd wordt hier veel mee gewerkt om verschillende parameters te meten. Sensoren zijn niet nieuw voor RWS. Hoewel veel sensoren op de markt verkrijgbaar zijn is hun inzet in buitenwater niet altijd even betrouwbaar en dient daarvoor onderzoek plaats te vinden om te zien of deze voldoet aan het beoogde doel. Het is raadzaam om niet de gegevens van de fabrikant te volgen, omdat de opgegeven meetnauwkeurigheid geldt bij perfecte laboratorium omstandigheden en de variatie in kalibratie, onderhoudsfrequentie of matrix niet is inbegrepen. 57 van 179

66 Watertemperatuur met glasvezel Glasvezelkabels kunnen dienen als temperatuursensor. Door de kabel rond bijvoorbeeld een paal te wikkelen kan een zeer gedetailleerd verticaal profiel van de temperatuur verkregen. Door de kabels als een patroon te weven bijvoorbeeld over de bodem of in de waterkolom kan een ruimtelijk beeld (2D en 3D) gecreëerd worden van de temperatuur. Ook kan deze techniek ingezet worden om kwel te volgen (verschil in temperatuur tussen oppervlaktewater en grondwater). De data verzameling en uitgifte kan real-time plaatvinden. De methode met kabels is duurder en kwetsbaarder dan de gewoonlijke kleine temperatuursensoren en dient dan ook met name als aanvulling op het reguliere meetnet van RWS op die locaties waar sterke behoefte aan 2D en/of 3D informatie is. De verkregen temperatuurdata uit glasvezel kan ook dienen voor het volgen van de bodemligging, zie hoofdstuk 5. Status in Nederland De techniek is toegepast in de Vlietlandplassen bij Leidschendam door het Hoogheemraadschap Rijnland en Deltares, voor een project van RWS bij de spuisluizen van Kornwerderzand (IJsselmeerzijde) en bij het building with nature project in het IJsselmeer voor de Friese kust. Technology Readiness Level Voor het volgen van de temperatuur van het open water is deze techniek inmiddels ingezet en bruikbaar gebleken op enkele locaties. Prototype operationeel TRL 7. Literatuur Hopman, Diaferia, Doornebal, Fibre Optics - potential applications for environmental monitoring, Deltares rapport BGS-0003-v2, jan Figuur 4.2 DTS equipment consists of basically 3 elements: an interrogator emitting a laser pulse and detecting the backscattered light; a fibre optic cable; a computer to analyse and present the data. (Sensornet, 2013) Watertemperatuur met infrarood camera s van satelieten en objecten. Satelliet data (infra rood) is een veel gebruikte bron voor oceaan en land temperatuur. Voor wateren met een kleinere oppervlakte is de ruimtelijke resolutie vaak te laag. Toch zijn inmiddels verkenningen gestart naar de bruikbaarheid van deze informatie voor het monitoren van rivieren en meren (Bundes anstalt fur Gewasserkunden (BfG), TUD en anderen). De Lansat EM+ data gebruikt (60m resolutie) zijn door de BfG gebruikt als aanvulling op de vaste meetpunten. 58 van 179

67 De door BfG afgeleide temperaturen verschilde 0.5 tot 1 graad (bias) van de insitu data met een standaardafwijking van 1 graad. Vergelijkbare resultaten zij gerapporteerd in de VS. De afgeleide data is ondanks de bias en onzekerheid heel geschikt voor het bepalen van het verloop van de watertemperatuur tussen meetpunten in het veld. Het bleek mogelijk het effect van de instroom uit zijrivieren op de Rijn vast te stellen, wat in het verleden nooit gelukt was. Aandachtspunten: De verwerking van de gegevens vergt correcties voor verschillen in verstrooiing en radiantie van land en water en atmosferische correcties. Voor online informatievoorziening is de satellietdata is near real time beschikbaar (KNMI), maar wordt beperkt door aanwezige bewolking. Een andere inzet met minder ruimtelijke dekking is de inzet van infraroodcamera s op vliegtuigen, drones of vaste meetpalen. Status in Nederland SST data (Sea Surface Temperature) wordt gebruikt voor analyse van de Noordzee en de Rijn pluimen. In 2014 is een verkenning uitgevoerd door een TUD student naar de watertemperatuur van het Rijn Maasmond gebied. De kleinste schaal waarop KNMI watertemperatuur levert is het IJsselmeer. TRL Voor zee en grote meren volledig operationeel. TRL 9 Voor rivieren in ontwikkeling: TRL 6. Inzet van infraroodcamera s voor watertoepassingen moet verder nagezocht worden (zie literatuur verwijzing). Literatuur Katharina Fricke and Björn Baschek, Temperature detection of tributaries and inflows along the Rhine River using thermal remote sensing from satellite and airplane, Federal Institute of Hydrology (BfG), EGU General Assembly Onderwater geluid Er zijn definities voor twee vormen van onderwater energie, namelijk impulsief onderwatergeluid en continu onderwatergeluid. Tot nu toe hebben internationale discussies zich vooral gericht op het eerste. Er is echter nog steeds geen goede norm gevonden waarboven men kan spreken van een significante impact op het mariene leven. Discussies in de EC Study Group richten zich momenteel op de volgende onderwerpen: - Hoe kunnen geluidsmetingen en eenheden gestandaardiseerd worden? - Hoe kunnen geluidsniveaus vertaald worden naar geluidsbronnenniveaus en hoe kunnen geluidsbronnenniveaus gemodelleerd worden naar receptorniveaus? - Welke geluidsaspecten veroorzaken wat voor effecten in organismen en wanneer wordt een geluidsniveau significant hoog, uitgedrukt in eenheden die nodig zijn voor beslissingen binnen de EC? Continu onderwatergeluid is nog geen onderwerp binnen de EC Study Group. In het algemeen spelen hier, net zoals bij impulsief onderwatergeluid, dezelfde vragen over meten en eenheden. 59 van 179

68 Figuur 4.3 Instrumentele opzet voor het meten van onderwatergeluid (uit Pizzuti et al. 2012). Voor het meten van onderwatergeluid bestaat geen specifiek monitoringsprogramma. Geluid wordt gemeten bij aanleg van projecten, zoals windmolenparken. Er is momenteel ook geen gestandaardiseerde methodiek voor het meten van onderwatergeluid, hoewel er vanuit de EC Study Group vorderingen op dit vlak te verwachten zijn. Voor het meten van onderwatergeluid wordt normaliter gebruik gemaakt van hydrofoons. Deze zetten geluidsgolven (die ze ontvangen op een membraan) om in een analoog elektriciteitssignaal. Dit signaal gaat op zijn beurt weer naar een data-acquisitie unit waar het digitaal wordt omgezet en leesbaar wordt op een computer (Figuur 5.2). Status in Nederland Deltares heeft beperkte kennis van het meten van onderwatergeluid. Meer informatie kan ingewonnen worden bij Renee Dekeling van Defensie en bij Frans Peter Lam van TNO Defensie. Beiden richten zich vooral op effecten van sonar aan boord van marineschepen op zeedieren. Technology readiness level Hydrophones zijn een bewezen technologie en volledig operationeel TRL Gelaagdheid en mixing in zoet-zout water Stappenbaak Informatie over zoutgelaagdheid in de kustzone, rivieren en kanalen die spuien of schutten op zout of brak water is van belang voor de bepaling van zoutindringing. Deze verticale verdeling kan gemeten worden met series geleidendheidsmeters. Deze techniek is wijd verbreid en in allerlei vormen te krijgen, zoals een rij sensoren langs een kabel, een paal of aan de binnenzijde van een buis. Een recent idee van RWS is om te zien of de stappenbaak, een waterstandsmeter die werkt op basis van een serie geleidingssensoren, ook in te zetten is voor de bepaling van het geleidendheids profiel onder water. Deltares verwacht dat dit mogelijk is door aanpassing van de interne elektronica en beschouwt dit als een interessant idee van breder gebruik van een bestaande meetopzet (Bas Blok). De verwachting is wel dat met de aanpassing het niet meer mogelijk is de baak als waterstandsmeter in te zetten. Glasvezel Met de eerder genoemde glasvezeltechnieken kan gelaagdheid in temperatuur worden geconstateerd. 60 van 179

69 Ondersteuning door ADCP data Gebrek aan informatie over gelaagdheid ( van zout, temperatuur en stroming) en mixing wordt door Deltares aangeduid als één van de belangrijkste kennisleemten om de ontwikkeling van de toestand van de Noordzee te kunnen bepalen. Het zijn namelijk de parameters die bepalen hoe zout, sediment, nutriënten en ook algen zich verspreiden over de Noordzee. Om temperatuur en zoutgelaagdheid te bepalen worden verticale profielen genomen over raaien op de Noordzee. Deze verticale profielen zeggen echter weinig zonder dat de hydrodynamische omstandigheden bekend zijn. Daarvoor zijn stromingsprofielen nodig en bij voorkeur zelfs turbulentieprofielen. Deze worden zelden gelijktijdig gemeten met de zout- en temperatuur profielen, maar bij benadering verkregen uit modellen, maar bij gebrek aan 3D modellering schieten deze nog tekort. Deze informatie kan aangevuld worden met stromingsprofielen metingen, hetzij vanaf schepen dan wel door meten op vaste locaties. Technology Readiness Level ADCP's zijn volledig operationeel maar men dient goed de schaal van de gewenste informatie af te stemmen met de keuze van instrument. TRL 9 CTD s zijn operationeel. TRL 9 Status in Nederland Combinaties van ADCP s met geleidendheid profielen worden niet regulier ingezet, maar wel op projectbasis. In kader van het PUTMORE project door RWS Noordzee zijn bijvoorbeeld simultaan ADCP metingen vanaf een schip uitgevoerd met een ADCP op een gesleepte meetvis en geleidendheidsprofielen met een tweede ondulerende meetvis In situ sensoren Voor veel chemische-fysische parameters zijn sensoren en ion-selectieve elektrodes (meten specifieke ionen) beschikbaar. De meest gebruikte sensoren zijn die voor temperatuur, algenpigmenten en troebelheid. Ion-selectieve elektrodes zijn beschikbaar voor bijvoorbeeld ph, geleidendheid, redox condities, zuurstof, NO 3, NH 4, Ca, Na, K, Cl en Mg, maar zijn eigenlijk niet bruikbaar vanwege het intensieve onderhoud en kalibratie eisen. Een uitzondering hierop is de nutriëntsensoren bv: SensorNet-NitraVis-700-Series-IQ-Sensors-189. Dit is een nitraatsensor die gebruikt maakt van extinctie in het UV bereik. Sensoren en ion-selectieve elektrodes geven een praktisch continu meetsignaal. In een vaste meetopstelling kunnen ze daardoor een zeer gedetailleerd beeld opleveren van de variabiliteit van de waterkwaliteit. Sensoren en ion-selectieve elektrodes doen hun metingen direct in het water. Ervaringen Een nadeel van sensoren en ion-selectieve elektrodes is dat ze erg onderhoudsgevoelig zijn. De relatie tussen het elektrische of analoge signaal van de elektrode en de concentratie van de te meten stof blijft niet constant en moet door middel van kalibraties en justering regelmatig worden gecorrigeerd. Zelfs bij een eenvoudige geleidendheidssensor kan door aangroei in productief water al na drie weken een afwijking van meer dan 10% worden gemeten. Aangroei en -slag van bijvoorbeeld algen of ijzeroxides zorgt ervoor dat de sensoren en elektrodes in vaste meetopstellingen regelmatig moeten worden schoongemaakt of zelfs vervangen. Door deze onzekerheden is er minder vertrouwen in de uitslagen van ionselectieve elektrodes dan die van de gestandaardiseerde laboratoriumapparatuur. 61 van 179

70 Status in Nederland De laboratoria van Rijkswaterstaat in Lelystad hebben enige jaren ervaring met een UV- Nitraat sensor. Op de meetponton in de Rijn bij Lobith, bijvoorbeeld, wordt gebruik gemaakt van enkele sensoren voor het meten van de ph, geleidendheid (EC), troebelheid en de O 2 -concentratie. Technology Readiness Level Vooral in oppervlaktewater met een variërende zoutconcentratie, zoals estuaria, kunnen ISE electroden zeer afwijken, omdat variaties in de zoutconcentratie van het medium het transport over het membraan beïnvloedt. Optische meters kunnen overigens ook beïnvloed worden door andere factoren zoals humuszuren op fluorescentiemeters bijvoorbeeld. Dit samen met het intensieve onderhoud en kalibratie schema maakt ISE sensoren op dit moment niet geschikt om als monitoringstool in te zetten. De optische (zuurstof en de Nitraat-UV) sensoren zijn een uitzondering hierop. De onnauwkeurigheid van de optische turbidity en de fluorescentiesensoren zit voornamelijk in het doorvertalen van het ruwe meetsignaal (NTU of RFU) naar de geïnterpreteerde output, turbidity, chlorofyl, blauwalg etc. Sensoren: wereldwijd wordt hier veel mee gewerkt om verschillende parameters te meten. Hoewel veel sensoren op de markt verkrijgbaar zijn is hun inzet in buitenwater niet altijd even betrouwbaar en dient daarvoor onderzoek plaats te vinden om te zien of deze voldoet aan het beoogde doel. Het is raadzaam om niet de gegevens van de fabrikant te volgen, omdat de opgegeven meetnauwkeurigheid geldt bij perfecte omstandigheden en de variatie in kalibratie, onderhoudsfrequentie of matrix niet is inbegrepen Adsorptiesensor Voor nutriënten kan een gemiddelde concentratie over langere tijd worden bepaald door gebruik te maken van adsorptiesensoren. Er zijn meerdere aanbieders van dergelijke sensoren, maar de meest bekende zijn SorbiCells: door het Deense bedrijf SorbiSense ontwikkelt (De Jonge & Rothenberg, 2005). Bij variërende concentraties leveren gemiddelde concentratiemetingen veel betere vrachtschattingen op dan die via enkele steekmonsters (momentane metingen) in conventionele bemonstering (Rozemeijer et al., 2010b). Voor zover bekend zijn SorbiCells nog niet toegepast in brak of mariene condities, waardoor de toepasbaarheid in zout water tot op heden niet bekend is. Figuur 4.4 Basiscomponenten van een SorbiCell. 62 van 179

71 De SorbiCell is een doorstroomcel of kolom met daarin een adsorbent reservoir en een tracer reservoir waar het te bemonsteren water langzaam doorheen stroomt (zie Figuur 4.4). De stroming wordt bijvoorbeeld bewerkstelligd door een vacuüm reservoir via een weerstand capillair te koppelen aan de uitgang van de kolom. Terwijl het monster door de SorbiCell sijpelt, wordt de te meten stof vastgelegd in het adsorbent reservoir en lost de tracer, een zout met een bekende oplosbaarheid, deels op. Na de bemonsteringsperiode wordt de SorbiCell gewisseld en meegenomen naar het laboratorium. Hier wordt de te meten stof geëxtraheerd uit het adsorbent en het extract geanalyseerd. Dit levert de totale hoeveelheid (massa) van de stof in het bemonsterde water op. Aan de hand van de gewichtsafname van de hoeveelheid tracer wordt het volume van het bemonsterde water vastgesteld. Uit deze twee getallen (massa en volume) wordt een gemiddelde concentratie in het bemonsterde water over de installatieperiode berekend. Er zijn nog geen toepassingen in zout water bekend. De aanwezigheid van zout kan de adsorptie van het sorbent beïnvloeden maar ook de oplosbaarheid van de tracer kan afnemen. De SorbiCell is geen passive sampler maar neemt stoffen op uit water dat door advectieve stroming door de sampler stroomt. Dit principe is geschikt voor het meten van gemiddelde concentraties in water met variabele concentraties. SorbiCells geven geen tijdsprofilel van de concentratie zoals sensoren en auto-analysers (zie beneden) dat wel kunnen. SorbiCells zijn echter veel eenvoudiger op veel locaties te installeren en er is geen elektriciteit nodig. De analysekosten van SorbiCell metingen zijn vergelijkbaar met de analysekosten voor steekmonsters. De particulaire fractie die wordt meegenomen bij de SorbiCell metingen is afhankelijk van de poriegrootte van het filter bij de instroomopening (links in Figuur 4.4). De poriegrootte zou kunnen worden gevarieerd en daarmee de fractie die de SorbiCell in kan wordt meegenomen in de meting. In de praktijk zal dat anders uitpakken omdat zodra deeltjes op het filter achterblijven er ook steeds meer kleinere deeltjes zullen worden tegengehouden. Status in Nederland Tal van toepassingen bij waterschappen. Technology Readiness Level Validatie-onderzoek is nog een belangrijk punt bij deze techniek. Qua Technology readiness zit dit daarom op niveau Ontwikkeling, maar wel inzetbaar binnen 10 jaar (niet Sorbisense). TRL On site analyes: Auto-analyzers Beschrijving Er komen voor steeds meer chemische stoffen auto-analyzers op de markt. Auto-analyzers kunnen on-site watermonsters voorbereiden en vervolgens analyseren. Er kunnen in autosamplers ook destructiemethoden worden toegepast (verhitting, zuur toevoegen) wat de analyse van totaalconcentraties mogelijk maakt. De Phosphax Sigma van Hach Lange (Figuur 5.4) doet bijvoorbeeld na verhitting een titratie en daarna een kleurmeting om totaal-p concentraties te meten. De Sigmatax (links van de Phosphax in Figuur 5.4) zorgt voor de monstername en de monstervoorbereiding met ultrasone trillingen. Voor zover bekend is de Phosphax nog niet toegepast in zout water. Q-Watch technologie van het Nederlandse bedrijf Capilix maakt online analyse van meerdere ionen in één analyse run (simultaan) mogelijk door gebruik te maken van Capilaire Electroforese (CE) technologie op een microchip. 63 van 179

72 Auto-analysers worden nu vooral ingezet voor industriële toepassingen (proceswater) en bij waterzuiveringsinstallaties. In enkele wetenschappelijke studies zijn ze ook toegepast in oppervlaktewater (Jordan et al., 2007; Rozemeijer et al., 2010a). Het gaat hier dan om volautomatische auto-analyzers (niet automatische varianten (analyse na sampling) worden al ongeveer 50 jaar ingezet in milieuonderzoek). Auto-analyzers kunnen zeer goede (semi-) continue meetreeksen opleveren zonder dat er veel tijd nodig is voor kalibratie en/of onderhoud. Veel auto-analyzers hebben een reinigingsroutine en een ijkingsroutine waardoor ze vaak wekenlang autonoom kunnen doormeten. Het pompsysteem van auto-analyzers kan overigens wel verstopt raken. Het is een voordeel dat de monsters direct na de monstername geanalyseerd worden. Er is daardoor nauwelijks kans op verontreiniging of chemische verandering tijdens de monstername en monstertransport. De aanschafprijs van auto-analyzers ligt tussen de De meeste autoanalyzers meten één of twee chemische stoffen, Dit heeft als gevolg dat de inzetbaarheid van auto-analyzers ter vervanging van alle te meten componenten, moeilijk te realiseren is. Bij grootschalige inzet van auto-analyzers dienen er dus keuzes gemaakt te worden welke componenten/ nutriënten geanalyseerd dienen te worden. De Q-watch meet echter wel meerdere specifieke ionen simultaan (NH 4 +, NO 3 -, H 2 PO 4 -, Fe 3+, Ca 2+, Mg 2+,). De autoanalyzers moeten worden geïnstalleerd in een beschermde omgeving met elektriciteit. Evenals bij de autosamplers en de sensoren/ion-selectieve elektrodes is er kans op uitval van de apparatuur door stroomstoringen of elektronische defecten. Figuur 4.5 De Hach Lange Phosphax (rechts) en Sigmatax (links) in een meetcontainer boven de Hupselse beek tussen Groenlo en Eibergen. Status in Nederland Aquatische onderzoeksinstellingen (universiteiten, Deltares, NIOZ, NIOO) maken veelvuldig gebruik van auto-analysers voornamelijk in een laboratorium omgeving of op schepen met een gespecialiseerd bemanning voor het meten van vooral nutriënten. De ervaringen hiermee van die instellingen zijn goed. Technology Readiness Level Auto-analyzers worden wereldwijd veel gebruikt, vooral in de industrie en bij universiteiten en onderzoekslaboratoria en kunnen als operationeel geclassificeerd worden. Bij aanschaf van een auto-analyzer kan er niet meteen gemeten worden maar dient er eerst geijkt te worden. TRL van 179

73 Ion Chromatografie IC Ionenuitwisselingschromatografie (IC) is een chromatografische methode ontwikkeld midden jaren zeventig. IC is gebaseerd op het scheiden van stoffen door middel van ladingsverschillen. Anionen/ Kationen met een hoge ladingdichtheid worden langer vastgehouden en kunnen zo gescheiden worden van stoffen met een lage ladingdichtheid. De detectie vindt plaats d.m.v. geleidbaarheids bepalingen. Het voordeel van IC-techniek, met een standaard kolom, is dat meerdere anionen (nitraat, nitriet, sulfaat, chloride, fluoride, fosfaat e.a.) simultaan gemeten kunnen worden. Eventueel bestaat ook de mogelijkheid om een beperkt aantal kationen (calcium, ammonium, kalium, magnesium, natrium e.a.) te meten. Met andere IC-kolommen kunnen andere metalen of organische verbindingen gemeten worden. Met de IC wordt de opgeloste anionen/ kationen concentratie bepaald. Dit kan in een aantal gevallen sterk afwijken van de reactieve concentraties die met een auto-analyzer wordt bepaald, dit is o.a. voor fosfaat het geval. In een laboratorium setting zijn er continue commerciële systemen beschikbaar. Door recente ontwikkelingen is het nu mogelijk om de hoeveelheid eluent vloeistof terug te brengen van 600L tot ~6L per jaar bij continu gebruik. Hierdoor is het mogelijk om deze laboratoriumtechniek potentieel gedurende lange tijd stand alone op locatie in te zetten. De detectielimieten van de een IC voor de verschillende anionen en kationen variëren tussen mg/l. De detectielimieten kunnen voor nitraat en nitriet verlaagd worden, d.m.v. een UV detector. Langdurige blootstelling van de kolom aan zoutwater leidt tot problemen, dit kan opgelost worden door chloride te verwijderen tijdens de voorbehandeling van de monsters. In het veld echter is er beperkte kennis opgedaan bij het inzetten van deze techniek. Wellicht heeft dat ook iets met de kosten te maken (Ic ~ euro, exclusief sample voorbehandeling). Maar voor het veld is het een goedkopere oplossing dan inzet van auto analyzers, omdat vaak meerdere autoanalyzers nodig zijn voor het bepalen van de benodigde range van stoffen. Status in Nederland Ion Chromatografie is een standaard analyse in de milieulaboratoria in Nederland. Binnen Deltares en RWS is hier de afgelopen tientallen jaren veel ervaring mee opgedaan. In het veld zijn nog geen ervaringen. Technology readiness level Volledig operationeel voor toepassing in het laboratorium. TRL 9. Bij een bestaande infrastructuur in een bekende omgeving zoals de meetplatforms in Lobith of Eijsden is de methode direct inzetbaar. Voor inzet op meetplatforms op zee, als alternatief voor monstername met schepen, zou nog uitgebreid getest moeten worden. Voordat deze techniek ingezet kan worden in het veld dient de stabiliteit en langdurige inzetbaarheid onderzocht te worden. TRL van 179

74 Figuur 4.6 Analyse resultaat van Ionchromatografie Figuur 4.7 DionexIon Chromatograaf van Thermo Fisher Scientific Microchips chemie Monitoring van waterkwaliteit op basis van lab-on-a-chip technologie maakt het mogelijk om een kwalitatief hoogwaardige analyse voor nutriënten concentraties on-site uit te voeren op relatief kleine monster volumes en op korte tijdsschaal. Lab-on-a-chip technologie wordt momenteel veelvuldig toegepast in de medische en farmaceutische industrie op microchips. In deze sectoren is een snelle, eenvoudige maar kwalitatief hoogwaardige analyse van specifieke nutriënten de initiator geweest van de ontwikkeling van de technologie. Momenteel vinden op basis van de microchip-technologie al commerciële spin-offs plaats voor medische thuis-tests (bijv. lithium-gehalte in bloed), figuur 5.5. Ook worden microchips reeds gebruikt in de hierboven beschreven autosamplers van Capilix. Parameters die met behulp van microchips gemeten kunnen worden zijn NH 4 +, NO 3 -, H 2 PO 4 -, Fe 3+, Ca 2+, Mg 2+,, maar ook geleidbaarheid en saliniteit. Het is ook goed denkbaar dat microchip worden ontwikkeld voor detectie/monitoring van specifieke metalen, zoals As, Se, Cd, Ni, Cu, Zn, etc. Status in Nederland Deltares is in samenwerking met het bedrijf Micronit Microfluidics bv bezig met een verkenning naar de toepassing van microchips voor zoet oppervlaktewateren. De focus ligt bij deze testen op het meten van PO 4 2+, NO 3 2-, en NO 2 -. Technology Readiness Level Validatie-onderzoek is nog een belangrijk punt bij deze techniek. Qua Technology readiness zit dit daarom op niveau Ontwikkeling, maar naar verwachting routinematig inzetbaar binnen 10 jaar. TRL 6. Figuur 4.8 Microchip zoals nu gebruikt voor ion-specifieke metingen in bloed, kunnen ook toegepast voor waterkwaliteit. 66 van 179

75 Total Reflection XRF (TXRF) (Bv S2 Picofox, Bruker) Deze röntgen fluorescentie techniek is geschikt voor zowel waterige als sediment monsters. Het voordeel van deze röntgentechniek is dat mineralogische effecten geminimaliseerd worden. De TXRF dient in een beschermde omgeving met meerdere 230 Volt aansluitingen te staan, tevens is een autosampler en een verwarminsplaat nodig. Deze techniek kan simultaan met zeer lage detectielimieten (in sommige gevallen <0.1ppb) totaal metaal, totaal P en Si analyseren. De analyseduur is ~15 minuten en heeft als bijkomend voordeel dat de monsters bewaard kunnen blijven zodat bij afwijkende waardes deze in het laboratorium bevestigd kunnen worden. Het apparaat is intern gekalibreerd en kwantificatie vindt plaats door middel van het toevoegen van één interne standaard. De aanschafprijs is ~ EURO, waarna de analysekosten vrijwel gratis zijn. Ervaring Verschillende internationale instituten en universiteiten maken gebruik van een TXRF. Voornamelijk door de snelle data generatie, de geschiktheid voor sediment en water, de ongevoeligheid van de matrix (zoet zout) en de mogelijkheid om in het veld te gebruiken. Toepassingsmogelijkheden voor monitoring van industrieelafvalwater, zeewater en rioolwaterzuiveringsinstallaties zijn beschreven. Technology Readiness Level Zover bekend wordt TXRF nog niet gebruikt in milieu monitoringsprogramma s. Verder is er ook niks bekend over lange termijn stabiliteit van het systeem Intelligente nieuwe (laboratorium) analyse technieken (tracers) In de afgelopen periode is binnen het laboratorium van Deltares veel aandacht geweest voor het gebruiken en toepassen van tracers. Een tracer is een in water opgeloste of gesuspendeerde stof of een fysische eigenschap van water die gebruikt wordt om de herkomst en de stroming van water of daarin voorkomende verontreinigingen te achterhalen. Tracers worden in diverse onderzoeksdisciplines (paleontologie, geologie, geneeskunde, biologie, forensisch onderzoek, etc.) gebruikt om meer begrip te krijgen van allerlei processen. In de hydrologie gebruiken we tracers om het inzicht in bronnen en routes van water en de daarin voorkomende verontreinigingen te vergroten. Elke meetbare eigenschap van water kan mogelijk als tracer worden ingezet. Niet alleen in water voorkomende stoffen en gassen, maar ook bijvoorbeeld temperatuur, kleur, EC, radioactiviteit, etc. kunnen als tracer dienen. Een bijzonder voorbeeld van een tracer is grote partij van een zeeschip gevallen badeendjes die gebruikt zijn om oceaanstromingen te bestuderen. (Rozemeijer, Memo tracers4, Deltares internstuk) Status in Nederland Binnen Deltares en Universiteiten is er veel aandacht voor het toepassen van tracers. Hierbij wordt veel essentiële systeem kennis opgedaan die van grote waarde kan zijn binnen monitorings strategie. De grote toegevoegde waarde zit voornamelijk in de koppeling van deze innovatieve analyses met modelontwikkelingen. Technology Readiness Level Vele tracers hebben zich in het (Nederlandse) milieu bewezen en zijn direct op grote schaal toepasbaar. TRL van 179

76 4.5.2 Prioritaire stoffen Passive sampling Er zijn vele varianten passive samplers waarmee voor veel chemische stoffen tijdsgeïntegreerde concentraties in water gemeten kunnen worden. Huckins et al (2006) en Greenwood et al (2007) geven een uitgebreid overzicht over de werking en de (on-) mogelijkheden van passive samplers. Enkele voorbeelden van veel toegepaste passive samplers zijn de SPMD (Semi Permeable Membrane Device), de Chemcatcher (Emporedisk) en siliconenrubbers. Figuur 5.6. laat de praktische uitvoering zien van passive sampling siliconenrubber-samplers in een beschermende kooi. De opname van alleen vrij opgeloste chemische stoffen door diffusie maakt verder dat passive samplers zeer geschikt voor de ecologische risicobeoordeling van met name apolaire verontreinigingen, want opname concentraties in organismen zijn ook vaak aan de vrij opgeloste concentraties gerelateerd. Figuur 4.9 Het neerlaten van een passive sampler kooi met daarin siliconenrubber passive samplers. Er zijn twee belangrijke hoofdtypen passive samplers. Partitie samplers en adsorptie samplers: Partitie samplers zijn samplers waarin de opgenomen chemische stoffen, hydrofobe stoffen, oplossen totdat evenwicht is bereikt tussen de concentratie in de sampler en in het omringende water. Als dat is gebeurd kan uit de opgenomen concentratie de vrij opgeloste concentratie in water worden bepaald met behulp van de verdelingscoëfficiënt die vooraf in het lab zijn gemeten (Smedes et al 2009). Partitie samplers werken tijdsintegrerend (tijdsgemiddeld) voor doelstoffen die tijdens de bemonsteringsperiode geen evenwicht bereiken. Fluctuaties in concentratie worden dan in het gemiddelde meegenomen. Adsorptie samplers zijn samplers die sorptie materiaal bevatten waaraan de te meten chemische stoffen adsorberen (oppervlaktebinding). Deze samplers worden geacht geen evenwicht te bereiken door de hoge bindingscapaciteit van het adsorptiemateriaal en daarmee geschikt voor tijd geïntegreerde bemonstering. Het opname proces, diffusie door de verschillende barrières (grenslaag, membraan, het 68 van 179

77 sorptie bed), van adsorptie samplers is nog niet goed begrepen waardoor er geen grip is op de samplingrate (Harman et al 2011). Wel is gebleken dat met behulp van dit type samplers, stoffen in het water worden gedetecteerd die met steekmonsters niet zijn waargenomen. Een voordeel van passive samplers is dat een grote hoeveelheid water wordt bemonsterd en de matrix zoveel mogelijk achterblijft. Bij een vloeistof extractie van een volume even groot als bemonsterd door de passive sampler zou mee geëxtraheerde matrix waarschijnlijk de analyse bemoeilijken. Ten opzichte van een steekmonster kan met dezelfde analyse methode een hogere gevoeligheid (lage detectielimieten) worden bereikt voor veel chemische stoffen. Dat alleen de vrij opgeloste chemische stoffen worden gemeten is een voordeel voor ecologische risicobeoordelingen, maar vrij opgelost is niet geschikt voor de schattingen van totaalvrachten. Voor vrachtschattingen in de grote rivieren zouden passive samplers kunnen worden toegepast in combinatie met een sedimentval (sediment trap) voor een tijdsgeïntegreerde bemonstering van zwevend stof. In getijde gebieden is het uiteraard niet eenvoudig daar de netto vracht van particulair materiaal uit af te leiden. Status in Nederland Er lopen meerdere projecten, niet enkel in Nederland (RWS maar ook 11 waterschappen) maar ook internationaal (Engelse kust, Rhone estuarium, Baku Bay en Mangrove project in Singapore). De RWS projecten 2 zijn: - passive sampling in relatie tot monitoring bestrijdingsmiddelen (contactpersoon WVL: Dennis Kalf). - passive sampling als vervanger van monitoring in biota (contactpersoon WVL: John Hin) - doorontwikkeling passive sampling voor polaire stoffen (contactpersonen WVL: Marcel Kotte en Sander van Vliet). Voor hydrofobe stoffen wordt passive sampling al sinds 2001 door RWS toegepast (Smedes 2007). Er is al veel validatie onderzoek verricht en calibratie parameters bepaald voor veel stoffen. Toepassing van silicone rubber samplers in een internationaal ringonderzoek (Smedes et al. 2007a,b,c) gaf zeer bemoedigende resultaten (ook voor sediment overigens). Tussen laboratoria was de variatie niet slechter dan bij gangbare ringonderzoeken. Technology Readiness Level Qua Technology readiness zit passive sampling voor hydrofobe stoffen op niveau inzetbaar (Lohman et al 2012), zeker afgezet tegen de huidige metingen in steekmonsters die vaker niet dan wel een resultaat geven. Ondertussen de methodes verder uitontwikkelen (invloed temperatuur en saliniteit) om de kwaliteit verder te verbeteren. TRL 8 T.a.v. vrachten kan de methode de berekening daarvan alleen ondersteunen. Voor de samplers bedoeld voor polaire organische stoffen geldt dat deze al toepasbaar zijn voor screening maar doorontwikkeling nodig is om de kwantitatieve mogelijkheden te verbeteren. Waarschijnlijk routinematig inzetbaar binnen 10 jaar. TRL 6. 2 Deze zijn enkel meten en portefeuilles. 69 van 179

78 Monitoring microplastics Kunststof zwerfafval blijken overal ter wereld in het water voor te komen. Vooral effluenten van rioolwaterzuivering bevatten veel van deze zogenaamde microplastics. In Europa bestaan momenteel geen monitoringsprogramma s die specifiek microplastics meten. Wel zijn er in een aantal landen onderzoeksactiviteiten opgestart waarin microplastics gemeten worden (bijvoorbeeld AS-MADE in België, Leslie et al. 2011). Omdat microplastics overal in kunnen gaan zitten en/of overal aan kunnen hechten moeten verschillende compartimenten bemonsterd worden (niet enkel het water zelf maar ook sediment en organismen). Nadat ze in het lab gescheiden zijn van de verschillende matrices, worden microplastics op massa en aantal per grootte-eenheid). Het is ook mogelijk na te gaan uit welk polymeer de gevonden microplastics bestaan. Dit gebeurd door middel van Fourier-Transform-Infrarood (FT-IR; alternatieve methode om infrarood spectra op te nemen) spectroscopie of RAMAN spectroscopie. De laatste heeft als voordeel t.o.v. de eerste dat kleinere deeltjes nauwkeuriger gemeten kunnen worden en minder monster voorbewerking vereist. Technology Readiness Level Bewezen technologie voor zowel FT-IR als RAMAN spectroscopie. TRL 8 Status in Nederland In Nederland hebben het IVM, TU Delft, WS Hollandse Delta en Deltares een verkennende studie naar microplastics uitgevoerd op monsters van de Noordzee met behulp van Raman spectroscopie en aangetoond dat microplastics overal in voorkwamen en waarschijnlijk voor een groot deel uit de cosmetica afkomstig zijn (Leslie et al. 2012) Biologische parameters Remote sensing: het verzamelen van gegevens van het aardoppervlak door middel van bijvoorbeeld satellieten, luchtballonen en schepen. Toepassing van remote sensing voor waterkwaliteit is meestal het bepalen van chlorofylconcentraties en gesuspendeerd materiaal in water door middel van satellietbeelden. Een voorbeeldproject is Resmon-OK ( Ocean color remote sensing). Andere voorbeelden zijn CoBios (in dit EU project wordt een voorspellingssystem gemaakt voor algen langs de kust waarbij in een combinatie van modellen en remote sensing de parameters chl-a, totaal zwevend stof en licht (Kd) bepaald wordt), het EU programma Copernicus (the european earth observation programme), en MOS^2 (monitoren van zwevend stof als gevolg van baggerwerkzaamheden waarbij, net zoals bij CoBios, gebruikt wordt gemaakt van de combi modellen en remote sensing (zie paragraaf 7.3.2). Remote sensing in het verleden ook ingezet om uiterwaardvegetatiedata te verzamelen en automatisch te analyseren, ten behoeve van cyclisch beheer in riviertrajecten. Geerling (2008) gebruikte een combinatie van een spectrale sensor (Compact Airborne Spectrographic Imager (CASI)) en een Light Detection and Ranging (LIDAR) sensor om lichtreflectie van vegetatie (via de CASI) te koppelen aan de 3D structuur (via de LIDAR) van diezelfde vegetatie. Hierdoor verbeterde de classificatie van hydraulisch belangrijke klassen (ooibos, struweel) aanzienlijk en bleek de vegetatiestructuur in de schaduw van bomen of struweel herkenbaar te zijn. 70 van 179

79 In getijdegebieden wordt remote sensing ook ingezet om bijvoorbeeld vegetatiestructuren en biomassa, sedimentkarakteristieken (korrelgrootte, hoeveelheid modder) en microfytobenthos te meten (van der Wal et al. 2008a,b). Status in Nederland Vooral toegepast op Noordzee door onderzoeksinstellingen als VU-IVM, NIOO, NIOZ en Deltares. Daarbij wordt vooral naar de ruimtelijke verspreiding van chlorofyl, temperatuur, zuurstof, zwevend stof, troebelheid en zoutconcentratie (Laane 2012), maar ook vegetatie, sediment en bodemchlorofyl in estuaria kan onderzocht worden (van der Wal et al. 2008a,b). In het EU project REVAMP (REgional VAlidation of MERIS chlorophyll Products in North Sea coastal waters)is een atlas gemaakt van de chlorofyl-a concentratie in de Noordzee (Peters et al. 2005). De chlorofyl-concentratiebeelden die het IVM vervaardigt op basis van satellietbeelden zoals hierboven beschreven, worden door RWS gebruikt om het algenbulletin te vervaardigen. Dit komt tweemaal per week uit en fungeert als waarschuwingsdienst, op basis waarvan bijvoorbeeld de Oosterscheldekering kan worden gesloten om de mosselculturen in de delta te beschermen. Dit product is inmiddels operationeel. In binnenwateren is remote sensing beperkt tot IJsselmeergebied (als het gaat om algen) omdat bij kleine waterlichamen er teveel interferentie is van de omliggende landvegetatie. Technology Readiness level Bewezen technologie maar nieuwe data moeten wel steeds gekalibreerd en gevalideerd worden met data in het veld (zie hst over de WISP hieronder). TRL qpcr (Quantitative Polymerase Chain Reaction) Determinatie en kwantificering van (micro)-organismen op basis van DNA. Door specifiek voor een bekend stukje DNA van organismen een primer en probe combinatie te maken is het mogelijk om die organismen op te sporen en te kwantificeren. qpcr wordt al jaren succesvol toegepast binnen de Life Sciences. Momenteel wordt deze methodiek ook gebruikt in de drinkwatersector en wordt voor zwemwatercontrole (blauwalgen) sinds 2014 door een commercieel analyse-lab (Intertek Life Sciences) aangeboden. De techniek is betrouwbaar en kan specifiek worden ingezet voor elk gewenst (groep van) organismen en heeft een detectiebereik dat uiteenloopt van enkele tot vele miljarden individuen per monster. De monstername en verwerking gebeurt momenteel nog klassiek in een laboratorium, maar er wordt gekeken of het niet on site kan (in Nederland staat Deltares daar voor aan de lat). Indien DNA gegevens gecombineerd worden met diverse milieuparameters, zoals temperatuur en nutriënten, kunnen er ook voorspellingen over bijvoorbeeld blauwalgenbloeien worden gedaan. Dit kan omdat de milieuparameters bepalen of genen tot expressie komen of niet (BE-Basic project uitgevoerd door UvA en NIOO opgestart in 2012). Dit is vooral van belang bij het screenen van toxine-genen. De combinatie van detecteren toxine-genen en informatie over milieuparameters geeft aan of de dragers van deze genen over zullen gaan tot daadwerkelijke toxine-productie. Of juist niet, bijvoorbeeld als er wel toxine-genen gedetecteerd zijn maar de temperatuur is nog laag en weersvoorspellingen laten zien dat die niet zal toenemen dan is de kans op toxine-productie niet hoog). Dit is betere informatie dan enkel het meten van toxines zelf omdat het daarmee onbekend blijft hoe de situatie over een aantal dagen zijn zal (dus als er weinig toxines aanwezig zijn maar de temperatuur zal gaan stijgen dan lopen zwemmers de komende dagen risico s). qpcr kan worden ingezet voor alle denkbare (pathogene) micro-organismen, specifieke genen of indicator soorten. Ook bij opkomende vraagstukken rondom bijvoorbeeld het voorkomen antibiotica-resistentie in het milieu kan qpcr een belangrijke rol spelen in de monitoring van verspreiding van deze microbiologische agentia. 71 van 179

80 Status in Nederland Voor detectie van blauwalgen of de aanwezigheid van ziekteverwekkende bacteria werken in Nederland de Universiteit van Amsterdam, Deltares en KWR in verschillende projecten met qpcr ten behoeve van oppervlaktewaterkwaliteit. De meeste waterbeheerders laten nog geen qpcr uitvoeren, waarschijnlijk vanwege het feit dat het nog niet ingebed is in de richtgevende protocollen (bijv. Zwemwaterrichtlijn). Wel is qpcr ten behoeve van waterkwaliteit inmiddels door het commerciële laboratorium Intertek Life Sciences ten behoeve waterkwaliteit in gebruik genomen. Amplino BV is een jong innovatief bedrijf dat draagbaar en mobiel qpcr systeem (figuur 5.7) heeft ontwikkelt voor bloed analyses. Momenteel wordt de toepasbaarheid van dit Amplinosysteem voor on site qpcr op microbiologische parameters in oppervlakte- en grondwater onderzocht. Technology Readiness level qpcr is een bewezen technologie en in Nederland ook operationeel in diverse laboratoria. TRL 9. De technologie voor on site qpcr is bewezen in het lab, maar nog niet getest met buitenwater. TRL 6. Figuur 4.10 mobiele qpcr systeem van Amplino BV voor on site qpcr Environmental DNA (edna) Met behulp van edna kan de aanwezigheid van organismen in het water worden vastgesteld met qpcr aan de hand van het DNA dat door organismen in het water is achtergelaten via urine, faeces, en huidcellen. Met de methode kan in principe gericht worden gezocht naar de aanwezigheid van een of enkele (zeldzame) soorten die in een watersysteem aanwezig zijn. De methode wordt inmiddels toegepast door verschillende partijen voor onderzoeksdoeleinden (o.a. RAVON, Koeman&Bijkerk, KWR, Naturalis, Alterra) om moeilijk vindbare organismen te traceren. Bij deze onderzoeken zijn monstervolume, frequentie en locatie nog belangrijke aandachtspunten voor een representatieve analyse middels edna. Ook kwantificering van het aantal individuen dat overeenkomt met een bepaalde hoeveelheid DNA bevind zich in een beginfase. Met edna kan ook een beeld worden verkregen van de totale soortensamenstelling met de nieuwe sequence technieken, en kan bijvoorbeeld de aanwezigheid van invasive species in een vroeg stadium herkend worden. De kosten voor deze analysen zijn relatief hoog, met name door de biostatistische analyse die na de analyse uitgevoerd dient te worden. In Herder et al worden enkele nuances rondom toepassing van edna nader uitgewerkt. 72 van 179

81 Status in Nederland edna in Nederlandse wateren wordt op dit moment uitgevoerd door verschillende partijen, met name gericht op het opsporen van zeldzame of moeilijk te vangen soorten. Aangezien er nog belangrijke vragen spelen op het gebied van de juiste bemonsteringsstrategie voor edna, zijn er diverse initiatieven (pilots) gestart om deze vragen te beantwoorden. Technology Readiness level Bewezen technologie. Om het voor RWS behoeften operationeel te maken is er nog onderzoek nodig. Het DNA in het water heeft een bepaalde levensduur van ongeveer drie weken. Uitgezocht moet worden welke factoren hierop met name van invloed zijn. TRL Spectrometer De WISP (ontwikkeld door Water Insight) is een hand-held instrument waarmee oppervlaktewaterkwaliteit gemeten kan worden, en o.a. een beeld geeft van de hoeveelheid algen in het water. In het instrument zijn drie spectrometers samengebracht (WISP-3) waarmee de kleur van het oppervlaktewater kan worden vastgelegd en waarmee vervolgens via algoritmische berekeningen de waterkwaliteit kan worden bepaald. Parameters die het water kleuren, zoals algen, slib, humuszuren etc. worden door de WISP gedetecteerd en concentraties ervan worden berekend. Labanalyse is niet nodig volgens Water Insight. Deltares adviseert echter om altijd monsters te verzamelen van locaties waar de WISP is ingezet zodat eventuele afwijkingen gecorrigeerd kunnen worden. Status in Nederland Hoewel het hier gaat om een meetinstrument dat in Nederland door een Nederlands bedrijf is ontwikkeld, wordt het vooral in het buitenland toegepast. Zo wordt de WISP-3 momenteel ingezet in het EU FP7 onderzoeksproject FRESHMON om de atmosferische en radiometrische correctie van MERIS-beelden te verbeteren. De WISP-3 slaat hiermee een brug tussen in situ metingen en satellietdata, want beide meten exact dezelfde spectra, maar de WISP-3 is (volgens Water Insight) nauwkeuriger omdat die geen last heeft van de atmosfeer. In Nederland vinden metingen met de WISP enkel plaats bij onderzoeksinstellingen. Volgens Water Insight willen Nederlandse waterbeheerders eerst kijken wat de resultaten en voordelen zijn die de Nederlandse onderzoeksinstellingen met de WISP bereiken alvorens ze zelf ermee aan de slag gaan. Technology Readiness level Bewezen technologie en operationeel. TRL Microchips biologie Lab-on-a-Chip technologie wordt momenteel uitvoerig toegepast in de medische wetenschappen, maar Deltares ziet ook goede kansen voor toepassing van microchips voor on-site analyse voor microbiologische parameters in (milieu)watermonsters. Eerste testen met microchips op oppervlaktewater monsters heeft Deltares laten uitvoeren voor het meten van toxische blauwalgen in het water op basis van qpcr welke op de microchip plaats vindt. Hierbij bleek de zogenaamde sample preparation het belangrijkste punt van aandacht voor de toepassing van microchips voor milieumonsters. Ook deze voorbewerking kan op een microchip plaatsvinden, en de eerste resultaten om dit voor elkaar te krijgen zijn hoopgevend. 73 van 179

82 Het gebruik van microchips voor monitoring van biologische parameters zal met name tijdswinst en personele kosten kunnen reduceren, aangezien de analyse door de monsternemer kan worden ingezet. De analysetijd zal ca. 30 minuten zijn. De tijdswinst ten opzichte van qpcr bij een analyse laboratorium laten uitvoeren zal met name belangrijk zijn voor analyse van pathogene micro-organismen, of ad hoc analyses. Het Amerikaanse bedrijf Spyglass, spinn-off Monterey Bay Aquarium Research Institute, heeft het EPSsysteem (Environmental Sample Processor) ontwikkeld waarmee volautomatisch microbiologische parameters met qpcr in situ worden geanalyseerd (figuur 5.8). Met het EPS worden ook chemische en fysische waterkwaliteitsparameters geanalyseerd. De ontwikkeling van EPS is vanwege academische interesse gebeurd, maar wordt nu vermarkt door Spyglass aan onderzoeksinstellingen. Een nadeel van het EPS-systeem is dat het vrij kostbaar is (enkele honderd duizenden euro s) en de metingen locatie gebonden zijn. Dit laatste zou kunnen worden opgelost door het systeem op bijvoorbeeld een varende drone te plaatsen. Figuur 4.13 Status in Nederland geïntegreerd met analyse van andere Deltares ziet veel kansen voor het toepassen van waterkwaliteitsparameters microchips in monitoring van biologische waterkwaliteit en wil fungeren als intermediair tussen het bedrijfsleven dat microchips ontwikkelt en waterbeheerders (o.a. Rijkswaterstaat) om beter/sneller/goedkoper te kunnen monitoren. Technology readiness level Het EPS systeem van EyeSpy is proven technology en commercieel beschikbaar voor locatie gebonden analysen. Optimalisatie voor een specifieke toepassing is nodig. TRL 7 Het gebruikt van losse microchips voor biologische waterkwaliteitsmetingen is in ontwerp en testfase. TRL Kleur van water; eenvoudiger en goedkoper gebruik van de Forel-Ule Schaal. schematisch overzicht van het EPS systeem (Spyglass Inc.) voor volautomatische insitu qpcr analyse met een microchip, Met alle nieuwe technieken zou je haast vergeten dat er soms nog te winnen valt met oude technieken. De Forel-Ule Schaal is een methode waarbij de kleur van water wordt geschat De kleurschaal wordt gemaakt door het mengen van verschillende chemische componenten waarmee een kleurpallet word gemaakt in glazen buisjes. De kleurindex van het water is een maat voor de transparantie, waarmee ruwweg de biologische activiteit wordt bepaald. De bepaling wordt op het oog gedaan en meestal samen met een bepaling van een Secchi schijf op halve zichtdiepte. De glazen buisjes zijn echter kwetsbaar. Er is nu een kunststof versie uitgebracht die ook nog eens veel goedkoper is. Deze kunststof versie kan met de honderden tegelijk uitgegeven worden (bijvoorbeeld standaard aan boord van ieder RWS schip) voor waarnemingen. 74 van 179

83 Opm. Het andere uiterste voor het bepalen van de optische eigenschappen van water is de inzet van hyperspectrale camera s. De camera s kosten natuurlijk wat meer (8 ke per stuk) dan een kunststof kaartje met strookjes, maar er is weinig omkijken naar. De hyperspectraal sensoren worden momenteel in gezet op de TESO en crusies van NIOZ en zijn direct inzetbaar op RWS schepen. Figuur 4.11 De oude schaal met glazen buisjes en de nieuwe met gekleurde kunststof velletjes. Status in Nederland De nieuwe kunststof schaal wordt ingezet door NIOZ Technology readiness level De nieuwe kunststof schaal wordt op dit moment uitgetest. Prototype operationeel. TRL 7 Literatuur Wernand, M. R. and van der Woerd, H. J. (2010). Spectral analysis of the Forel-Ule Ocean colour comparator scale. Journal of the European Optical Society - Rapid Publications, 5: 10014s. 4.6 Meetmethoden en technieken waterbodemkwaliteit Verschillende methoden die zijn beschreven in de voorgaande paragrafen de bepaling van waterkwaliteit kunnen ook gebruikt worden voor de waterbodemkwaliteit. Dat geldt voor passive sampling, qpcr, edna en de detectietechnieken voor microplastics. Deze technieken zijn afhankelijk van sedimentmonsters. Er is wel geprobeerd om passive samplers in het sediment te drukken, maar omdat de omstandigheden niet goed gecontroleerd kunnen worden, is de interpretatie van de meetdata zeer onzeker. Uitvoering in het laboratorium geeft wel prima resultaten, maar daarvoor moet wel langdurig (3-6 maanden) geschud worden. De andere genoemde methoden worden sowieso in het lab uit gevoerd. Het belangrijkste verschil is de opwerking van het monster. Naast de al benoemde methoden zijn er nog enkele methoden die zijn gebruikt voor het bepalen van sedimentkwaliteit Hand held XRF Met een hand-held XRF (X-Ray fluorescentie meter) kan in het veld in het veld het gehalte (zware) metalen in grond in mg/kg worden gemeten. Het is wel nodig om een monster te nemen. Vervolgens kan direct gemeten worden. Wel is de meting gevoelig voor het vocht-, mineralogie, korrelgrote, analyse duur en humusgehalte, in theorie kan hiervoor bij een select aantal elementen voor gecorrigeerd worden (Walraven, 2007). In 2007 was het alleen mogelijk om met een specifiek hiervoor gekalibreerde mobiele XRF betrouwbaar Zn, Pb, Cu en As gehaltes te meten in veldvochtige waterbodemmonsters.. Voor de overige elementen is de detectiegrens te hoog. Met name de lichtere elementen zoals silica en aluminium zijn zeer onbetrouwbaar, voornamelijk is dit een gevolg van de detectiemethode. Deze techniek is vooral bruikbaar om snel en wijd verspreidt een inschatting te maken van de 75 van 179

84 situatie, concentratierange en welke elementen een rol spelen, waarna een select aantal monsters naar het laboratorium gestuurd moeten worden te verificatie.. Dit kan vooral interessant bij het bepalen van de omvang van de verontreiniging in sediment. De aanschaf van het instrument kost (incl. vochtmeter) ca , maar de analyses kosten nagenoeg niets. Als kwantificatie van lichte elementen (lager dan ijzer) gewenst is dient het apparaat met Helium geflused te worden. Helium is duur en recentelijk beperkt beschikbaar. Status in Nederland. Er is beperkte ervaring in sediment, maar die wijst er op dat het instrument voor een aantal elementen bruikbaar is. Technology Readiness Level Operationeel, algemeen gebruikt voor bodemmonsters. TRL Medusa under water sediment lab Bij deze meetmethode wordt de samenstelling van de waterbodem bepaald op basis van meting van radionucliden: (40K, 238U, 232Th, 137Cs). Deze radionucliden zijn indicator voor textuur (klei-zand), en mineralogie (aanwezigheid veldspaat), en verontreinigingen, maar de relatie moet wel eerst op basis van standaard analyses worden vastgesteld. Als relaties tussen radionucliden en verontreinigingen zijn aangetoond, kan de Medusa-techniek worden gebruikt om een vlakdekkende kaart te maken. De radionucliden worden gemeten met behulp van een sonde die over de waterbodem wordt gesleept. Het Medusa systeem is ingezet voor het in kaart brengen van de bodemsamenstelling en het slibgehalte. Technology Readiness Level Het systeem is operationeel en een aantal projecten gebruikt ( TRL 9. Status in Nederland Medusa Explorations is een Gronings bedrijf dat in de afgelopen 10 jaar voor diverse waterbeheerders heeft gewerkt, meestal ten aanzien van bepaling van slibdikte en textuur. Het bekendste voorbeeld waarin verontreinigingen zijn gekarteerd zijn, is het benedenrivierengebied (Koomans, 2003). 76 van 179

85 4.6.3 SOFIE SOFIE is een systeem waarmee in ondiepe wateren onverstoorde (en anders verstoorde) bodemmonsters onder aerobe en anaerobe condities kunnen worden genomen voor nadere analyse in het laboratorium. Het bemonsterde materiaal (sediment en water) in een SOFIE-cel blijft ongestoord. In de tijd kunnen poriewatermonsters worden genomen die verder geanalyseerd kunnen worden. Een dergelijk systeem is vooral nuttig om veranderende omstandigheden in microniches te volgen. Figuur 4.12 Een SOFIE-cel. Technology Readiness Level Het system is operationeel en in een groot aantal projecten gebruikt (zie TRL 9. Status in Nederland. SOFIE-cellen zijn ontwikkeld door Jos Vink (Deltares) en bij de inzet van SOFIE-cellen is het zinvol om met hem contact op te nemen. 4.7 Advies meetmethoden waterkwaliteit RWS wil weten of meettechnieken die ze nog niet gebruiken een goed alternatief zijn op huidige meettechnieken en wat de winst voor de verschillende informatievragers is over de inzet van die alternatieven ten opzichte van huidige meettechnieken. Daarnaast wil RWS ontwikkeling, validatie en accreditatie van nieuwe analysemethodieken zodat RWS en marktpartijen gesteld staan voor nieuwe meetverplichtingen vanuit bijvoorbeeld de KRW en KRM richtlijnen (plan IV2012). In tabel 5.3 worden de huidige meettechnieken voor informatie-inwinning, alternatieven en winst van alternatieven versus huidige meettechnieken getoond. Voor de meeste informatievragers zijn er alternatieven die meestal leiden tot meer informatie maar niet tot kostensparing. Een enkele keer lijken de kosten ook lager te zijn maar dit is moeilijk te beoordelen omdat het type informatie dat de verschillende instrumenten opleveren anders kan zijn. Niet enkel nauwkeurigheid en/of betrouwbaarheid van metingen is belangrijk maar ook (juist) het inzicht in processen. 77 van 179

86 Tabel 5.3 Informatievraag Beheerplannen Informatievraag OSPAR/KRM/ TMAP Normtoetsing KRW Voorstel alternatieven op huidige meettechnieken behorende bij bestaande informatiebehoeftevragers. Een - betekent dat huidige meettechnieken of alternatieven niet van toepassing zijn. Parameter Huidige meettechniek Alternatief Winst Chemie: normtoetsing conform KRW Biologie: landelijke monitoring N2000 gebieden op vis, vogels, waterplanten, oeverplanten, kweldervegetatie, zeezoogdieren, zeegras, bodemdieren Steekmonsters + laboratorium analyse Menselijke waarnemingen Bij een select aantal elementen Auto-analyzers, Remote sensing t.b.v. bijvoorbeeld vegetatie. Parameter Huidige meettechniek Alternatief Winst Chemie: nutriënten, PAK, PCB, TBT, gebromeerde vlamvertragers, zware metalen, radiochemie, vrachten Chemie: sediment Biologie: algen, waterplanten, bodemfauna Chemie: normtoetsing conform KRW Biologie: vissen, oeverplanten, 1. Nutriënten en algemene parameters: auto-analyzers en/of sensoren. 2. Sediment: steekmonsters. 3. Chemische stoffen in biota/ sediment: steekmonsters Monsters worden gezeefd voor <63µm waarna labanalyse steekmonsters steekmonsters 1. op termijn: SorbiCells. Ook: laserfluorescentie vliegtuigen voor chlorofyl en ruwe classificatie oliesoorten Passive sampling 1. Vlakdekkend: radionucliden 2. steekmonsters + XRF Algen: on site qpcr Auto-analyzers TXRF Tracing steekmonsters edna (wel onderzoek nodig) Bij overschrijdingen norm kan er hoogfrequenter gemeten worden Sneller informatie en meer. Ook betere koppeling met andere data waardoor beter inzicht in processen. 3. goedkoper informatie, maar niet bruikbaar voor norm overschrijding Meting goedkoper, beter vlakkdekkend beeld, maar minder relevant omdat de bodem voor 95% uit kwarts bestaat. Real-time data en mogelijkheden om informatie uit te breiden (bijv. potentiële toxiciteit (nieuwe parameter!)) Meer data of intelligentere data. Sneller, completer beeld 78 van 179

87 Zwemwaterric htlijn Drinkwater waterplanten, macrofauna, kwelders en fytobenthos, algen Bacteriologie (blauw-) algen Bacteriologie, chlorofyl en Steekmonsters (voor celtellingen en chl) steekmonsters Euratom radiochemie Nucleaire meettechnieken Emissie en immissietoets Informatievraag Onbekende emissies en nieuwe probleemstoff en Verzilting en stratificatie Hydrochip (kiezelwieren) qpcr, (WISP) On site autoanalyzers of qpcr camera s Toxische stoffen algemeen ter bepaling van achtergrondconcentra ties steekmonsters - Parameter Huidige meettechniek Alternatief Winst Onbekende stoffen Screeningsonderzoek (op evt. al bemonsterde monsters) Zout en temp ADCP en CTD s - Beheertaken Flora en fauna n.v.t. Effectiviteit maatregelen Systeembegri p - Betrouwbaardere resultaten, goedkoper, nieuwe parameter (potentiële toxiciteit (PCR)) Real-time data Beschermde soorten steekmonsters edna Grotere pakkans Basisparameters, zoals ph, O2, nutriënten, chlorofyl, doorzicht, zwevend stof, DOC, temperatuur (stratificatie, alkaliniteit, zout, etc. Vaak nog met steekmonsters Auto-analyzers en/of sensoren, temperatuurkabels, Microchips, Tracing Correcte informatie inwinning waardoor de juiste stuurknoppen voor maatregelen geïdentificeerd worden, data sneller beschikbaar Bovenstaande tabel is moeilijk compleet te maken. Er zijn nog talloze andere technieken zoals de inzet van sonar voor visonderzoek (geen soorten onderscheid mogelijk, enkel dichtheden) en oester en mosselbanken ( one sweep survey, zie paragraaf ), Daarnaast vindt er op modelleringsgebied ook veel plaats (zoals het modelleren voor emissietoetsen, maar aangezien het hier over meettechnieken gaat zijn modellen buiten beschouwing gelaten. 79 van 179

88 Of voorgestelde alternatieve meetmethoden verder uitgewerkt moeten worden door RWS heeft o.a. te maken met het kunnen inzetten van de juiste methode op het juiste moment, om zo de informatiebehoefte zo goed mogelijk te voeden. Pas daarna zou het kostenaspect (is alternatief goedkoper?) aan bod kunnen komen. Indien het alternatief duurder is dan de huidige methodiek dan dient nagegaan te worden of de winst van het alternatief (bijvoorbeeld een nieuwe parameter) opweegt tegen de extra kosten. Tenslotte dient opgemerkt te worden dat alternatieve technieken niet perse de huidige technieken kunnen vervangen. Huidige en alternatieve technieken kunnen en zullen complementair zijn aan elkaar. Onder de voorwaarde dat alternatief goedkoper moet zijn, volgt uit bovenstaande tabel dat passive sampling bij OSPAR/KRM/TMAP en qpcr bij zwemwaterrichtlijn beter uitgewerkt zouden moeten worden. Voor passive sampling kan voor de verdere ontwikkeling mogelijk voldoende informatie ingewonnen worden bij de projecten die nu lopen (zie paragraaf 5.4 onder Passive sampling ). Passive sampling zal zich beperken tot met name apolaire stoffen en stoffen buiten KRW. Met de SorbiCell kunnen ook nutriënten worden bepaald, al geeft dit geen goed beeld van eventuele norm overschrijding aangezien de techniek een tijdsgemiddelde concentratie representeert. TXRF is een interessante techniek om verder te onderzoeken, al is deze techniek minder geschikt voor (stikstofhoudende) nutriënt onderzoek. Deltares een aantal zaken aan. Deze punten worden hier nader beschreven. Het is goed om een discussie te voeren over de nutriënten die gemeten dienen te worden. Op dit moment worden er enige tientallen nutriënten gemeten, deze kunnen niet allemaal vervangen worden door alternatieve analytische technieken. Daardoor kan de innovatie stokken, omdat het invoeren van een alternatief geen grote reductie in kosten met zich meebrengt als ook niet het aantal veldbezoeken en/of het aantal analyses afneemt. Tevens dient in de discussie ruimte te zijn voor de minimale nauwkeurigheid, detectielimieten, range, tolerantie zoet-zout, onderhoud/kalibratie schema, etc. etc. Op basis van een dergelijke discussie zou een kleinere relevante set van nutriënten gemeten kunnen worden die ook eenvoudiger of goedkoper is te meten. Onderzoek aan qpcr t.b.v. zwemwaterkwaliteit heeft de afgelopen paar jaren inmiddels zijn meerwaarde bewezen en laten zien dat het betrouwbaar is. Een wens van RWS is om hier een on site tool voor te ontwikkelen. Deze bestaat in prototype al onder voorbehoud dat ze nog niet in buitenwater getest zijn. Hier zou onderzoek naar verricht kunnen worden, ook om te zien hoe het zich verhoudt t.o.v. de methode met nemen van steekmonsters. Voor de duurdere alternatieven (waar dus het argument geldt weegt extra informatie op tegen extra kosten ) lijken vooral aquacultuur, drinkwater en effectiviteit maatregelen gebaat te zijn bij een nieuwe meetmethodiek. Ook voor de baggerindustrie is het belangrijk om nieuwe in situ methodieken te kunnen toepassen, zodat ze kunnen aangeven of hun werkzaamheden wel of niet tot verstoring van het milieu leiden. De informatievragers aquacultuur en drinkwater hebben behoefte aan real-time informatie vanwege gezondheidsrisico s en betere afstemming tussen optreden calamiteiten en daadwerkelijk werkzaamheden moeten stilleggen. De toepassing van microchips voor nutriënten biedt hen de mogelijkheid om op een snelle en betrouwbare manier de vinger aan de pols te houden voor veranderingen in de chemische waterkwaliteit. Met edna is er een grotere pakkans op zeldzame soorten. RWS heeft inmiddels een positief gesprek gehad met RAVON over edna waarbij duidelijk werd dat edna o.a. een alternatief kan zijn voor het passieve meetnet voor vissen, echter nader onderzoek is nodig voordat het geïmplementeerd kan worden. 80 van 179

89 Systeembegrip kan sterk verbeterd worden door het toepassen van tracers en de stratificatie goed bekend is (zowel zout- als temperatuurstractificatie). Tracers zouden door hun specifieke waarde en de mogelijkheid om deze direct te koppelen aan modelinnovaties sterk kunnen bijdragen aan een verbeterd systeembegrip. ADCP en temperatuurkabels bieden de mogelijkheid om dit beter in de vingers te krijgen. In het algemeen dragen alle methoden, die met hoge frequentie meten of vlakdekkend meten sterk bij aan systeembegrip. Effecten van onderwatergeluid op zeedieren en welke bronnen hieraan bijdragen is naar ons weten nog niet goed onderzocht o.a. omdat nog niet bekend is welke meettechnieken hiervoor geschikt zijn. Dit zou in de vorm van een literatuurstudie onderzocht moeten worden. 4.8 Overdracht van waterkwaltiteitsgegevens Dit onderdeel van de informatie cyclus wordt nog niet beschreven. Zie hoofdstuk 2 voor de algemene indruk. Literatuur referenties Booij, K., Smedes, F., An improved method for estimating in situ sampling rates of nonpolar passive samplers. Environ. Sci. Technol. 44, De Jonge, H., and G. Rothenberg New device and method for flux-proportional sampling of mobile solutes in soil and groundwater. Environ. Sci. Technol., 39, EG, RICHTLIJN 2008/105/EG inzake milieukwaliteitsnormen op het gebied van het waterbeleidgeerling, G.W Changing rivers: analysing fluvial landscape dynamics using remote sensing. Proefschrift Radboud Universiteit Nijmegen, 190 pp. Greenwood, R., Mills G., and Vrana, B., (2007) Passive Sampling Techniques in Environmental Monitoring Volume 48, Pages 1-453: ISBN: Harman, C. H, Allan, I., J., ; Bauerlein, P.S., (2011) The Challenge of Exposure Correction for Polar Passive Samplers The PRC and the POCIS, Environ Sci & Technol 45, 21 Harmel, R.D., R.J. Cooper, R.M. Shade, R.L. Haney, J.G. Arnold, Cumulative uncertainty in measured streamflow and water quality data for small watersheds. T. ASABE 49, Herder, J. E. et al.environmental DNA - Toepassingsmogelijkheden voor het opsporen van (invasieve)soorten. Stichting RAVON, Nijmegen. Rapport Huckins, J.N., Petty, J.D., Booij, K., Monitors of Organic Chemicals in the Environment: Semipermeable Membrane Devices. Springer, New York, p Jordan, P., A. Arnscheidt, H. McGrogan, S. McCormick, Characterizing phosphorus transfers in rural catchments using a continuous bank-side analyser. Hydrol. Earth Syst. Sc., 11, Koomans, R. L., 2003, Amer, Merwede, Bergse Maas, Verontreiniging van de waterbodem, Medusa Project: 2002-P027. Laane, R., Roadmap for innovative monitoring of the water quality in the Dutch coastal part of the North Sea. I: vision and recommendations. Deltares-rapportnummer Leslie, H., M. van der Meulen, F. Kleissen en D. Vethaak Microplastic litter in the Dutch marine environment. Deltares rapportnummer Leslie, H., M. Moester, M. de Kreuk & D. Vethaak Verkennende studie naar lozing van microplastics door rwzi s. H 2 O 14/15: van 179

90 Lohmann, R., Booij, K., Smedes, F., Vrana, B., Use of passive sampling devices for monitoring and compliance checking of POP concentrations in water. Environ. Sci. Pollut. Res. DOI: /s Peters, S.W., M. Eleveld, R. Pasterkamp, H. van der Woerd, M. Devolder, S. Jans, Y. Park, K. Ruddick, T. Block, C. Brockmann, R. Doerffer, H. Krasemann, R. Röttgers, W. Schönfeld, P.V. Jørgensen, G. Tilstone, V. Martinez-Vicente, G. Moore, K. Sørensen, J. Høkedal, T.M. Johnsen, E.R. Lømsland, E. Aas, Atlas of Chlorophyll-a concentration for the North Sea based on MERIS imagery of ISBN Pizzuti, L., C. dos Santos Guimarães, E. G. Iocca, P.H., Salles de Carvalho & C. Aparecida Martins Continuous analysis of the acoustic marine noise: a graphic language approach. Ocean Engineering 49: RWS, 2012 BIJLAGE bij DO-nat memo Actualisatie informatiebehoefte waterkwaliteit: geactualiseerde informatiebehoefte 2011 per primair proces, 5 april Rode, M., U. Suhr, Uncertainties in selected river water quality data. Hydrol. Earth Syst. Sci., 11, Rozemeijer, J.C., Y. Van der Velde, F.C. Van Geer, G.H. De Rooij, P.J.J.F. Torfs H.P., Broers, 2010a. Improving Load Estimates for NO3 and P in Surface Waters by Characterizing the Concentration Response to Rainfall Events. Environ. Sci. Technol., 44, Rozemeijer, J.C., Y. Van der Velde, H. De Jonge, F.C. Van Geer, H.P. Broers, M.F.P. Bierkens, Application and evaluation of a new passive sampler for measuring average solute concentrations in a catchment-scale water quality monitoring study. Environ. Sci. Technol., 44, Rusina, T.P., Smedes, F., Koblizkova, M., Klanova, J., Calibration of silicone rubber passive samplers: experimental and modeled relations between sampling rate and compound properties. Environ. Sci. Technol. 44, Smedes, F., Monitoring of Chlorinated Biphenyls and Polycyclic Aromatic Hydrocarbons by Passive Sampling in Concert With Deployed Mussels. In R. Greenwood, G.A. Mills, and B. Vrana (Eds.): Passive Sampling Techniques in Environmental Monitoring., Ch. 19. Elsevier, Amsterdam. Smedes, F., Geertsma, R.W., van der Zande, T., Booij, K., Polymer-water partition coefficients of hydrophobic compounds for passive sampling: application of cosolvent models for validation. Environ. Sci. Technol. 43, Van der Wal, D., A. Wielemaker-Van den Dool, P.M.J. Herman, 2008a. Spatial patterns, rates and mechanisms of saltmarsh cycles (Westerschelde, The Netherlands). Estuarine, Coastal and Shelf Science 76 : Van der Wal, D., P.M.J. Herman, R.M. Forster, T. Ysebaert, F. Rossi, E. Knaeps, Y.M.G. Plancke & S.J. Ides, 2008b. Distribution and dynamics of intertidal macrobenthos predicted from remote sensing: response to microphytobenthos and environment. Marine Ecology Progress Series 367 : Walraven, N., Onderzoek naar de mogelijkheid om Pb, Cu, Zn, As, Cd, Hg, Ni, Cr, Mo, Ba, Sn, V en Se gehaltes te meten in waterbodems met behulp van Röntgen Fluorescentie. Geoconnect Rapportrnummer GC van 179

91 5 Bodemligging en bodemtype 5.1 Informatiebehoefte bodemligging en type Een essentieel onderdeel van de natte informatievoorziening is bodemligging, waarmee in dit rapport wordt bedoeld bodemhoogte of bathymetrie, maar ook de samenstelling van deze bodem (bijv. korrelgrootte, sedimenttype bodem). Nauwkeurige bepaling van de bodem is noodzakelijk voor het garanderen van de functionele eisen aan de vaarwegen, met name de veilige doorgang van schepen. Omdat voor een veilige doorgang gebaggerd moet worden, is deze informatie ook van belang voor de baggerindustrie. Een zeer uitgebreide beschrijving van de informatiebehoefte bodemhoogte is gegeven in het rapport Informatiebehoefte en programmering bodemhoogte (HWS en HVWN) (Rijkswaterstaat, 2011). Tabel 6.1, met een voorbeeld uit genoemd rapport, geeft de verschillende informatiebehoeften weer. In hetzelfde rapport is een gedetailleerd overzicht te vinden van de programmering voor de verschillende diensten en gebieden, welke is weergegeven in Tabel 6.2. Tabel 5.1 Voorbeeld van de functionele eisen behorend bij een informatiebehoefte. (Rijkswaterstaat, 2011). Tabel 5.2 Gedeelte van het overzicht informatiebehoeften zoals gegeven in het rapport Informatiebehoefte en programmering bodemhoogte (HWS en HVWN) (Rijkswaterstaat, 2011). 83 van 179

92 In dit rapport is geen informatie opgenomen met betrekking tot de informatiebehoefte voor bodemtype. In de overige officiële door RWS aangeleverde stukken is de informatiebehoefte ten aanzien van bodemtype niet gedefinieerd. Deltares ziet echter toepassingen bij RWS voor informatie over bodemtype die gekoppeld zijn aan het beheer. De samenstelling van de bodem (korrelgrootte, sedimenttype) is van belang voor bodemdynamiek, morfologie, bevaarbaarheid (slib). Dit komt tot uitdrukking in het baggerbeleid voor voldoende vaardiepte en het bepalen van de erosiegevoeligheid (stabiliteit van de waterbodem in vaargeulen, stabiliteit bodem bij kunstwerken). In de kustzone is informatie over bodemtype noodzakelijk voor het begrip van het kustsysteem en voor het suppletiebeleid. Bij ingrepen in de kust en suppletiebeleid in kust en estuaria, wordt steeds meer via modellering de effecten van de ingrepen voorspeld en beoordeeld. Zeker bij kleine ingrepen vraagt dit om een steeds nauwkeuriger modelering en het gescheiden modeleren van zand en slibdynamiek. De in het veld bepaalde verhouding tussen zand en slib (bodemtype) is een informatiebehoefte van deze modellen. 5.2 Gaten in de informatievoorziening bodemligging en type Er zijn op dit moment geen gaten gedefinieerd. In de huidige informatieverzamelstrategie worden in de behoeften voor bodemligging, beschreven in het rapport Informatiebehoefte en programmering bodemhoogte (HWS en HVWN) (Rijkswaterstaat, 2011) voorzien. Er is wel behoefte aan de optimalisatie en het reduceren van kosten. Met betrekking tot bodemtype zijn er vanwege het ontbreken van een gedefinieerde informatiebehoefte geen gaten gedefinieerd. 5.3 Informatieverzamelstrategie bodemligging en type De kaders voor de inwinning van bodemhoogtegegevens bij RWS worden gesteld door RWS WVL. De uitvoering van het werk gebeurt door RWS CIV zelf of via uitbesteden aan gespecialiseerde survey bedrijven. De meet- en informatiediensten zijn bij de laatste reorganisatie ondergebracht bij RWS CIV. Bij de RWS bestaat de wens om de informatiebehoefte centraal te regisseren in een meerjarig monitoringsprogramma. Bij de implementatie van deze centrale strategie is geen ontwikkeling in meettechnieken voorzien, wel in de processen, contracten en dergelijke (Rijkswaterstaat, 2011). In het plan IV 2013 wordt het volgende gesteld: Voor lodingen wordt de mate van bodemdynamiek meer sturend voor de meetfrequentie. Daarom worden de scheepvaartgeulen op zee en de kust aan de oostzijden van de Waddeneilanden minder vaak gemeten dan tot nu toe. De vaarweg Lemmer-Delfzijl en de nieuw gegraven nevengeulen (Ruimte voor de rivier) worden aan het MWTL-programma toegevoegd. 84 van 179

93 Tabel 5.3 geeft een representatie van de jaarlijkse kosten gemoeid met de inwinning van bodemhoogtegegevens (gegevens 2011, nieuwere gegevens niet bekend). Tabel 5.3 Overzicht van kosten en manuren (fte) informatievoorziening bodemhoogte. Rijkswaterstaat, 2011 In dit document is al eerder gerefereerd naar het COVADEM initiatief (coöperatieve vaardieptemetingen) waarbij bodemligging wordt bepaald uit echo lood data van binnenvaartschepen, zie paragraaf Dit principe is nog niet opgenomen in de informatieverzamelstrategie voor bodemligging van RWS en wordt nog niet op geanticipeerd. Toch vormt echolood data van binnenvaartschepen een zeer waardevolle bron. Het vergt echter wel de nodige aanpassing in de rest van de informatiecyclus om deze bron goed te kunnen gebruiken. De informatieverzamelstrategie voor bodemtype is niet verder vastgelegd vanwege het ontbreken van de definitie van de informatiebehoefte. Vooralsnog is bekend dat RWS hier nu deels (wellicht helemaal) in voorziet door het nemen van bodemmonsters (happers). 5.4 Meetstrategie bodemligging en -type Algemene normen meetstrategie bodemligginginformatie en bevaarbaarheid In Nederland worden hydrografische opnamen (metingen van de bodemligging) gemaakt door meerdere partijen, waaronder de Dienst der Hydrografie (ministerie van Defensie), door Rijkswaterstaat en door survey bedrijven. De Dienst der Hydrografie en Rijkwaterstaat zijn verenigd in het Nederlands Hydrografisch Instituut (NHI). Het NHI heeft de Nederlandse Normen voor Hydrografische opnemingen opgesteld (NHI, 2009). In dit document zijn de eisen aan metingen van bodemligging opgenomen, die zijn gebaseerd op de internationale normen gesteld door de International Hydrographic Organisation (IHO). De Nederlandse normen leggen de minimale eisen aan gebiedsdekking en nauwkeurigheid vast in verschillende klassen. De normen geven eisen voor de verticale en horizontale meetnauwkeurigheden, maar niet voor meetfrequentie en meettechnieken. De 85 van 179

94 meetfrequentie in relatie tot de bodemdynamiek is onderzocht door Deltares (Deltares, 2011, 2012b). Zandgolfmigratie is de belangrijkste factor in de verticale dynamiek van de Noordzeebodem. Op specifieke locaties op de Noordzee was de standaard meetfrequentie voldoende hoog om de dynamiek van de zandgolven in kaart te brengen. Een voorbeeld van bodemligging en dynamiek is weergegeven in Figuur 5.1. De hoog-dynamische rivierduinen op de Waal daarentegen, kunnen onvoldoende worden gemonitord met halfjaarlijkse metingen. Zelfs de tweewekelijkse metingen kunnen de dynamiek van de individuele duinen niet vangen. Voor zachte slibbodems zoals in de haven van IJmuiden en in de Maasmond geldt de ligging van 1.2 kg/l als de definitie van de nautische bodem. Deze definitie is gebaseerd op protocollen van PIANC. RWS hanteert een meetfrequentie van eenmaal per ca. 4 weken voor de vaststelling van de actuele bodemligging in deze gebieden. Voor een efficiëntieslag in vastlegging van de bodemligging is de meetfrequentie een van de aspecten die de kosten bepalen. Met nieuwe, mogelijk gebiedsdekkende metingen zou mogelijk de bodemligging efficiënter bepaald kunnen worden. Hiervoor is in essentie data nodig over verticale trends in de bodemdynamiek op basis van diverse metingen. Figuur 5.1 Verticale bodemligging (boven) en de verticale trend (onder) zijn data die in essentie voldoende aanwezig moeten zijn voor een goede bepaling van de risico s op scheepvaartroutes. 86 van 179

95 5.4.2 Verbeteren nauwkeurigheid bodemligging metingen bij zachte slibbodems Bij harde bodems is het bepalen van de bodemligging eenvoudig te realiseren door standaard hydrografische metingen met bijvoorbeeld MBES. Voor slibbodems is de bepaling van de nautische diepte ingewikkelder. Bij de aanwezigheid van slib dient in ogenschouw genomen te worden waar de reflectie van het akoestische signaal vandaan komt. Over het algemeen is de reflectie van het signaal afhankelijk van de frequentie. Een hydrografische opname met een standaard MBES geeft de bovenkant van de sliblaag weer, terwijl de nautische diepte is gedefinieerd als de ligging van het 1.2 kg/l vlak. Om de nautische dieptekaart te maken wordt het MBES grid gecorrigeerd met de slibdikte die verkregen is uit puntmetingen van de dichtheid. Nationaal en internationaal wordt de definitie van de nautische diepte bepaald door enkel en alleen de dichtheid ter discussie gesteld. Niet alleen de dichtheid, maar ook de viscositeit bepalen in hoeverre een schip in staat is door een zachte sliblaag heen te varen. In het kader van het SMIT project Nieuwe meettechnieken voor vaargeuldiepte bij zachte slibbodems is Deltares in opdracht van Rijkswaterstaat bezig met het onderzoeken van de problematiek rondom de nautische diepte in slibrijke gebieden. De eerste fase, een enquête onder eindgebruikers onder baggeraars, scheepvaart en marktpartijen (Deltares, rapport 2012b), heeft geleid tot de conclusie dat een verbetering van de definitie van de operationele en meettechnische definitie van bevaarbaarheid gewenst is. In de tweede fase is een overzicht gegeven van de stand van zaken met betrekking tot meettechnieken en het definiëren van de kennisvragen (Deltares, rapport 2013a). De derde fase bestond uit het uitvoeren van een pilottest met een nieuwe aanpak in de haven van IJmuiden (Deltares, rapport 2014a). Momenteel overweegt RWS de bruikbaarheid van de nieuwe aanpak voor het operationele beheer. Tevens volgt RWS de ontwikkelingen op het gebied van zachte slibbodems bij bijvoorbeeld Port of Rotterdam, Groningen Seaports, Waterbouwkundig Laboratorium Borgerhout (België) Meetstrategie in relatie tot baggerstrategie Bij havenbedrijven en baggeraars zijn experimenten gaande met vernieuwende baggerstrategieën. Hierbij wordt het slib niet weggehaald, maar bijvoorbeeld omgeroerd, opgepompt of belucht. In het ODYN onderzoek is vastgesteld dat na baggeren er versneld herstel optreedt baar de oorspronkelijke situatie die afwijkend is van de normale morfologische verandering (Deltares rapport, 2014b). Weer andere, innovatieve baggerstrategieën zullen leiden ander herstel en daarmee tot andere meet- en monitoringsstrategieën. De aanpassing van meet- en monitoringsstrategieën bij veranderingen in baggerstrategie valt buiten de scope van dit rapport Verbetering efficiëntie metingen bodemligging Een terugkerende vraag is of de efficiëntie van de metingen verbeterd kan worden zonder dat de minimaal benodigde hoeveelheid of kwaliteit van de data wordt aangetast. Hierbij lijken de grootste kansen te liggen in het sneller uit kunnen voeren van metingen, met kleiner/minder materieel en/of met minder mankracht. Gedacht kan worden aan de inzet van autonome vaartuigen of aan snel inzetbare, mogelijk trailerbare, boten. De configuratie van het meetsysteem op een dergelijk kleine boot dient wel goed afgestemd te zijn zodat voldaan blijft worden aan de eisen aan de kwaliteit van de data. Ook zou het gebruik van satellietdata in de toekomst mogelijk een nuttige bron van efficiënt in te winnen data zijn. Er is echter nog geen onderzoek gedaan naar de mogelijke efficiëntieverbetering door inzet van ander materieel of satellietdata. 87 van 179

96 5.4.5 Meetstrategie bodemtype Het uitvoeren van metingen voor de informatievoorziening met betrekking tot bodemtype is nog niet standaard in RWS protocollen opgenomen. In de in 2012 uitgevoerde studie naar de mogelijkheden van sedimentklassificatie op rivieren (KPP project, Deltares rapport 2013b) zijn aanbevelingen gedaan voor dergelijke metingen. Een van de aanbevelingen betreft bijvoorbeeld het aankaarten van het belang van een goede kalibratie bij de leveranciers van de multibeam apparaten voor de goede bruikbaarheid het multibeam signaal voor sedimentklassificatie. De ontwikkelingen in meetmethoden en technieken voor bodemtype zijn wel beschreven in dit document ( ) Vergroten van de systeemkennis Een beter begrip van het sedimentaire systeem kan ervoor zorgen dat er meer gerichte metingen worden gedaan en dat de risico s van een te lage inwinfrequentie worden geminimaliseerd. Rijkswaterstaat en de Dienst Hydrografie hebben al projecten lopen om het begrip van sedimentaire fenomenen zoals zandgolven beter te begrijpen en zodoende het gedrag van het systeem beter te kunnen voorspellen. Indien niet alleen bodemhoogte, maar ook bodemtype meegenomen wordt in de analyse, kan dit het begrip van het systeem vergroten Inzicht in objecten onder water Het opsporen en detectie van de objecten onder water gebeurt grotendeels met de technieken die in dit hoofdstuk worden besproken. Het betreft hier veelal akoestische technieken voor bijvoorbeeld detectie van wrakken, damwanden, verloren lading, ontgronding kabels en leidingen, ontgronding rond infrastructurele objecten en stabiliteit van stortsteen constructies (vooroevers, kribben). Deels betreft het onderzoek aan objecten gerichte zoekacties, bijvoorbeeld bij verloren lading. Deels betreft het monitoring, zoals bij damwanden of ontgrondingen bij kustwerken. Indien ontwikkelingen in technieken specifiek voor deze doeleinden toepasbaar zijn, zal dit worden vermeld. 5.5 Ontwikkelingen in meetmethoden en technieken bodemligging en -type Achtergrond en soorten technieken Dit hoofdstuk geeft een kort overzicht van de huidige operationele praktijk. Als startpunt is het TNO rapport Technologieverkenning Hydrografie (TNO, 2006), vervaardigd in opdracht van RWS gebruikt. Vervolgens heeft een ruime aanvulling plaatsgevonden met andere potentieel bruikbare technieken. Daarnaast wordt ingegaan op de ontwikkelingen sinds de verschijning van genoemd rapport. In de huidige operationele praktijk wordt voornamelijk gebruik gemaakt van drie groepen technieken: akoestische technieken of echolodingen ( en 5.5.3), andere geofysische technieken ( 5.5.4) en in situ metingen ( 5.5.5). De akoestische technieken bestaan uit single beam echosounders (SBES) en multibeam echosounders (MBES), Side Scan Sonars (SSS), interferometrische systemen en scanning sonar. In het algemeen is de meeste ontwikkeling op operationeel gebied de laatste jaren gericht op het efficiënter maken van de al gebruikte technieken, door het vergroten van de flexibiliteit, meetsnelheid en toepassingsdiepte. Nieuwe technieken te vinden in toepassingen van glasvezel ( 5.5.6) en in de remote-sensing hoek te vinden ( 5.5.7). Satelliet metingen kunnen bijvoorbeeld in potentie vlakdekkende informatie geven. Daarnaast zijn ontwikkelingen gaande op het gebied van bodembepalingen bij slibbodems en meer op maat meetstrategieën voor scheepvaartroutes. 88 van 179

97 Ook heeft RWS-CIV systemen nodig voor toepassing nabij de bodem voor het detecteren van objecten (met sonar) Akoestische technieken: echosounders en verschillende types sonar Akoestische of seismische technieken zijn operationeel beschikbaar in een verscheidenheid aan toepassingen. We beperken ons nu vooral tot de technieken voor onderzoek aan zeer ondiepe zeebodem, rivierbodems en eerste bodemlaag. Waar in deze paragrafen zeebodem staat, kan ook de bodem van binnenwateren gelezen worden Single beam en multi beam echosounders In de huidige praktijk wordt voornamelijk gebruik gemaakt van Single en Multi Beam Echosounders (SBES en MBES) voor bathymetrische metingen. MBES geeft vlakdekkende informatie en is over het algemeen de standaard techniek om de bodemligging te bepalen. De breedte van de MBES opname dwars op de raairichting is gerelateerd aan de bodemdiepte. Voor zeer ondiep water, bijvoorbeeld in de surfzone, is het voordeel van een MBES ten opzichte van een SBES gering. In deze situatie is wordt met een jetski uitgerust met SBES de bathymetrie ingewonnen, in aanvulling op de Jarkus raaien. Het systeem met jetski en SBES is wendbaar en data kan snel en praktisch verzameld worden. Tussen de meetlijnen wordt de bathymetrie geïnterpoleerd. Deze metingen worden niet door RWS zelf uitgevoerd, maar via inhuur. De leverancier dient nog aan te tonen dat hun metingen voldoen aan de hydrografische norm. RWS zet SBES ook in op patrouilleboten op o.a. de Waal en Rijn voor het bepalen van de Minst Gepeilde Diepte (MGD). Ook op diverse ondiepe wateren in Zeeland wordt nog steeds SBES gebruikt. Vooralsnog worden dus zowel MBES als SBES data gebruikt door RWS. MBES kan ingezet worden voor een aantal toepassingen: 1. Bodemligging: Gebruik makend van looptijden van het akoestische signaal kan de bathymetrie worden vastgesteld. Dit is de klassieke toepassing van MBES. 2. Bodemtype: Gebruik makend van back scatter informatie: a. Constructie van een Side Scan Sonar achtige afbeelding, bijvoorbeeld met de snippets functie van bepaalde leveranciers (Reson). b. Sedimentklassificatie. Recent is voor de Kongsberg MBES een routine ontwikkeld voor sedimentclassificatie door TU Delft en Deltares (Deltares, rapport 2013b). Deze methode is nog in ontwikkeling. Mogelijk kan met de snippets van Reson ook sedimentclassificatie worden toegepast. Dit is echter niet onderzocht. 3. Waterkolom afbeeldingen. Uit het MBES signaal dat terugkomt bij de ontvanger vóórdat de waterbodem gedetecteerd wordt kunnen obstakels in het water worden gedetecteerd, bijvoorbeeld een mast van een wrak. Dit is real-time in beeld op het opnamesysteem gedurende de meting. Indien de gegevens opgeslagen dienen te worden voor latere interpretatie, dan gaat het om erg grote hoeveelheden data. De optie om waterkolomdata op te nemen staat daarom standaard uit en wordt alleen in specifieke gevallen aangezet. Bij echolood wordt meestal de puls opgewekt door een piëzo-elektrisch systeem. Voor ondiep water (< 200 m) is dat over het algemeen een korte puls van één, meestal instelbare, frequentie (Continueous Wave puls, CW). Vanwege de korte puls lengte hebben CW pulsen een kort bereik. Voor dieper water (> 200 m) wordt er derhalve gebruik gemaakt van een Frequency Modulated (FM) puls. 89 van 179

98 Om de reikwijdte van MBES te vergroten zijn door diverse leveranciers dual head MBES systemen ontwikkeld. Voor voldoende dekking in de vaarrichting is het nodig om met beide heads (dus aan beide kanten van het schip) gelijktijdig te kunnen schieten. Om interferentie te voorkomen, maakt Kongsberg gebruik van twee net van elkaar verschillende pulsen. Reson heeft voor een andere aanpak gekozen. Zij zetten ook op ondiep water FM pulsen in om interferentie te voorkomen. Om met deze langere puls voldoende diepteresolutie te behalen wordt het gereflecteerde signaal gefilterd (match filtering). Er zijn meerdere leveranciers van MBES op de markt. Recent is bijvoorbeeld door leverancier Norbit een kleine MBES ontwikkeld. Deze kan ingezet worden op ROV, AUV en andere mobiele platforms. De Norbit MBES gebruikt zowel CW als FM pulsen. Technology readiness level TRL 9 operationeel (toepassingen voor bodemtype worden nog wel ontwikkeld). Status in Nederland SBES en MBES worden gebruikt Side scan sonar Side scan sonar (SSS) beeldt de topografie en textuur van de zeebodem uit en daarop aanwezige obstakels. Voorbeelden van obstakels zijn scheepswrakken en verloren ankers. Voorbeelden van textuur zijn bijv. stroomribbels en zeebodem habitat (bijv. mossels, oesters). SSS is gebaseerd op dezelfde akoestische principes als de SBES en MBES: alle drie hebben een akoestische zender en ontvanger. Bij SSS wordt echter niet de aankomsttijd gemeten maar de sterkte van het gereflecteerde akoestisch signaal bij de ontvanger. SSS is zeer geschikt om grote stenen ( boulders ), scheepswrakken en andere middelgrote tot grote objecten (orde enkele meters) te detecteren. Een voorbeeld van een scheepswrak is te zien in Figuur 5.2. Figuur 5.2 Links: Side scan sonar maakt gebruik van de schaduwwerking van objecten voor de beeldvorming. Rechts: Een side scan sonargrote weergave van een wrak (bron NOAA). 90 van 179

99 Technology readiness level TRL 9 operationeel. Status in Nederland SSS wordt gebruikt Interferometrische sonar Bathymetrische opnamen met een brede strook kunnen tegenwoordig niet alleen met MBES systemen worden gemaakt, maar ook met interferometrische sonars of swath bathymetry sonar systems. Bij een MBES systeem wordt de strook aan dieptes opgebouwd uit informatie van een waaier aan bundels. Iedere bundel hoort bij een bepaalde hoek ten opzichte van het apparaat. Bij een interferometrische sonar zijn twee (of meer) transducers op enige afstand van elkaar geplaatst. De hoek wordt bepaald uit het faseverschil tussen de twee signalen, vandaar de naam interferometrie. Zoals gebruikelijk wordt de diepte bepaald uit de looptijd. Samen leveren ze de bathymetrie. Het voordeel van een interferometrische sonar is dat deze zowel een Side Scan Sonar afbeelding levert als de bathymetrie. In hoeverre de interferometrische sonars voldoen aan de hydrografische eisen is voor dit rapport echter niet onderzocht. In theorie is uit de back scatter van de interferometrische sonar volgens dezelfde principes als voor MBES sedimentklassificatie mogelijk. Een algoritme voor sedimentclassificatie voor interferometrische sonar systemen is echter (voor zover bekend bij de schrijvers van dit rapport) niet beschikbaar of in ontwikkeling. Verschillende leveranciers brengen interferometrische sonar systemen op de markt. Technology readiness level TRL 9 operationeel (SSS en bathymetrie) Status in Nederland Interferometrische sonar wordt gebruikt voor SSS afbeeldingen en bathymetrie D imaging sonar RWS beschikt over een Echoscope van Coda Octopus. De echoscope is een 3D imaging sonar. Het levert een 3D plaatje van back scatter van het sonar signaal. In tegenstelling tot een SSS die een platte waaier uitzendt, heeft de Echoscope bundels per ping. In figuur 5.3 is een voorbeeld van een Echoscope afbeelding opgenomen. 91 van 179

100 Figuur 5.3 Voorbeeld van een ACCROPODE TM afbeelding gegenereerd met Echoscope (Bron: Coda Octopus in Marine Construction, april 2014). RWS zet de Echoscope niet direct voor bodemligging in, maar voor inspectiedoeleinden. Vanwege het ontbreken van nauwkeurige plaatsbepaling voldoet de Echoscope van RWS (nog) niet aan de hydrografische eisen. Coda Octopus heeft recent een Echoscope ontwikkeld met plaatsbepaling. Of deze plaatbepaling nauwkeurig genoeg is om te voldoen aan de Nederlandse of IHO normen is nog niet bekend. Indien het nieuwe type Echoscope zou voldoen aan de normen kan het in potentie ingezet worden als bathymetrisch systeem voor bodemligging Sector Scanning sonar systemen RWS beschikt over sector scanning sonar systemen voor ROHP en ROV. Deze wordt ingezet als inspectiemiddel en bij het opsporen van objecten. Er bestaan verschillende soorten sector scanning sonars: handhelds voor duikers, systemen voor op ROV s en systemen voor op een tripod. Sector scanning sonars geven een plaatje, dus geven geen data op x, y en z positie. De nieuwere types kunnen dit mogelijk wel. In hoeverre dat instrument voldoet aan de Nederlandse hydrografische normen is in het kader van dit rapport niet onderzocht. Aangezien Sector scanning sonar systemen niet worden niet gebruikt voor het bepalen van de bodemhoogte is dit instrument hier slechts beknopt beschreven Synthetic Aperture Sonar Om de resolutie in de vaarrichting te vergroten, wordt bij Synthetic Aperture Sonar (SAS) gebruik gemaakt van opeenvolgende pings. Hierdoor kunnen zeer hoge resolutie afbeeldingen worden gemaakt, van cm resolutie bij een range van honderden meters. Deze systemen zijn al enige jaren op de markt (bijv. Kongsberg), maar volgens RWS erg prijzig. Er dient aanzienlijke post-processing van de data plaats te vinden om de hoge resolutie te halen. 92 van 179

101 Figuur 5.4 SAS afbeelding van een aak van 3 bij 10 m, gemeten bij een range van 60 m. Op deze afbeelding is een klein rechthoekig gat van 30 bij 40 cm nog te onderscheiden. Bron: Kongsberg, site: Technology readiness level TRL 9 operationeel Status in Nederland Het is onbekend bij RWS en Deltares of SAS in Nederland wordt ingezet Bodempenetrerende akoestische systemen De tot nu toe beschreven systemen detecteren de bovenkant van de zeebodem. Indien de frequentie van het akoestische signaal verlaagd wordt, kan het signaal in de bodem doordringen en op structuren in de bodem reflecteren. Er zijn verschillende bodempenetrerende systemen die hieronder kort beschreven worden. Pingers Een laag-frequent echolood dat penetreert onder de zeebodem wordt ook wel penetrerend echolood of pinger genoemd. Een pinger kan worden gebruikt voor bijvoorbeeld detectie van ondiep begraven pijpleidingen. Technology readiness level TRL 9 operationeel Status in Nederland Pingers worden in Nederland gebruikt. Chirp Sub-bottom Profiler Een chirp sub-bottom profiler zendt een signaal uit met een bepaalde tijdsduur (bijvoorbeeld 40 msec) waarbinnen de frequentie lineair toeneemt. In de akoestiek wordt dit signaal een sweep of chirp genoemd. Het signaal wordt opgewekt door een piëzoelektrische bron en opgevangen door korte in het sleeplichaam verwerkte hydrofoonstreamer(s). Het verwerkte resultaat is een bodemprofiel alsof er met een zeer goed penetrerend echolood onder ruisarme omstandigheden is gemeten. De penetratie op de Noordzee is meestal m (vaak beperkt door de multiple). Het systeem kan ook een bodemclassificatie van de zeebodem opleveren die gebaseerd is op de reflectiesterkte (maximum amplitude binnen een klein tijdsvenster) van de bodemecho. In theorie zouden ook 93 van 179

102 onderliggende reflecties geclassificeerd kunnen worden. Dit is echter vanwege de complexiteit nooit gedaan. Zoals bij alle bodemclassificatietechnieken geldt ook hier dat het resultaat gekalibreerd dient te worden met bodemmonsters. Technology readiness level TRL 9 operationeel. Status in Nederland Chirp sub-bottom profilers worden in Nederland gebruikt. Parametrisch Echolood Het parametrisch echolood is een niet-lineaire transducer die tegelijkertijd twee signalen met verschillende frequenties uitzendt. Door niet-lineaire interactie in het water vlakbij de transducer worden nieuwe frequenties gegenereerd, die gebruikt kunnen worden voor bodempenetratie. Het hoogfrequente signaal heeft doorgaans een frequentie van 100 khz, het laagfrequente signaal tussen 6 en 12 khz. Het nieuwe signaal heeft een grote bandbreedte, korte signaal lengte en zeer kleine bundelhoek. De penetratie is sterk afhankelijk van het type sediment. In zachte sedimenten is het dieptebereik enkele tientallen meters. Het parametrisch echolood kan ingezet worden vanaf een kleine boot, waardoor meten in ondiep water mogelijk is. De smalle bundelhoek vereist een dicht grid van metingen om een vlakdekkend resultaat te bereiken. In hoeverre het parametrisch echolood voldoet aan de Nederlandse hydrografische normen is in het kader van dit rapport niet onderzocht. Technology readiness level TRL 9 operationeel Status in Nederland Parametrisch Echolood wordt in Nederland gebruikt. SILAS SILAS is het akoestische systeem met bijbehorende acquisitie en processing software van Stema Systems dat ingezet kan worden bij zachte slibbodems. SILAS kan een ruimtelijk beeld geven van een gewenste dichtheid (bijv. 1.2 kg/l) van de vloeibare sliblaag. Hierbij worden twee verschillende grootheden gekoppeld, namelijk de sterkte van het akoestische signaal en de dichtheid van de sliblaag. De 1.2 kg/l is de waarde van dichtheid die gehanteerd wordt als de grens waarbij een schip hinder ondervindt van de sliblaag. De ligging van deze laag wordt gehanteerd als nautische en navigeerbare diepte. Het SILAS systeem maakt gebruik van een penetrerend echolood met een frequentie van bijv. 24 of 33 khz, afhankelijk van de te verwachten dikte van de sliblaag. Het gehele akoestische signaal wordt opgeslagen en verwerkt, dus niet alleen de eerste aankomst (top slib). Het gereflecteerde akoestische signaal wordt omgerekend naar akoestische impedanties. Na kalibratie van de impedantie aan puntmetingen van de dichtheid kan de ligging van het gewenste dichtheidsniveau worden weergegeven ter plaatse van alle gemeten SILAS lijnen. Hiermee ontstaat een 2D beeld van de ligging van een dichtheidsniveau in plaats van slecht ter plaatse van de puntmetingen. De puntmetingen die nodig zijn voor de kalibratie kunnen bestaan dichtheidsprofielen gemeten met bijv. de Navitracker of een ander instrument. 94 van 179

103 Figuur 5.5 Voorbeeld van SILAS data uit de Maasmond: blauwe lijn geeft de bovenkant van de sliblaag weer, de oranje lijn is de ligging van het 1.2 kg/l niveau bepaald na kalibratie. (Deltares rapport, 2013c). In 2013 heeft Deltares voor RWS een validatie studie voor SILAS uitgevoerd (Deltares rapport 2013c). RWS paste het namelijk niet toe omdat het te veel als een black box beschouwd werd en er onvoldoende inzicht was in de nauwkeurigheid van het systeem. Uit de validatiestudie die uitgevoerd is in de Maasmond bleek dat voor dichtheden van 1.16 tot 1.25 kg/l de ligging van het dichtheidsniveau in de SILAS profielen met eenzelfde nauwkeurigheid aangegeven kan worden als de ligging van het dichtheidsniveau in de puntmetingen van de dichtheid die gebruikt zijn in de kalibratie van het systeem. In figuur 6.5 is een voorbeeld opgenomen van de ligging van de 1.2 kg/l lijn in een SILAS profiel. Technology readiness level TRL 9 - operationeel. Status in Nederland Port of Rotterdam zet SILAS al enige tijd in om de ligging van het 1.2 kg/l vlak te bepalen. De kalibratie wordt uitgevoerd met een Beeker sampler om het slib te bemonsteren. Vervolgens wordt met een Anton Paar dichtheidsmeter iedere 10 cm langs de buis de dichtheid gemeten en daarmee de dikte van de sliblaag tot 1.2 kg/l bepaald. RWS beschikt over meerdere SILAS systemen, op de ARCA en de Zirfaea. SILAS wordt vooralsnog niet gebruikt om de ligging van het 1.2 kg/l vlak te bepalen. RWS is echter wel voornemens om SILAS metingen op reguliere basis uit te voeren om ervaring op te doen en historie op te bouwen (mondelinge informatie dhr. I. Hagendoorn, CIV). Incidenteel wordt het SILAS systeem gebruikt door RWS, bijvoorbeeld in de innovatieve proef voor de waarneming van een interne slibgolf in de haven van IJmuiden in december 2013 (Deltares rapport 2014a). 95 van 179

104 5.5.3 Toepassingsvormen akoestische technieken One sweep survey Zoals eerder gemeld, is de ontwikkeling van technieken de laatste jaren vooral gericht op de toepassingsvormen van de akoestische meettechnieken. Hierin is de belangrijke trend waar te nemen, dat combinatie van technieken vaak het beste antwoord geven. Continue meettechnieken zoals SSS en MBES kunnen worden gecombineerd met in-situ samples om een beter inzicht te krijgen, bijvoorbeeld in sedimenttype. Het beschouwen van akoestische technieken als deeloplossing of deel van de puzzel wordt de laatste jaren vaker onderkend door Rijkswaterstaat, Deltares en consultants. Een voorbeeld hiervan is de RESMON workshop in 2009 (Deltares, RESMON OK-2, 2009). One-sweep survey. De meeste akoestische methoden zijn al meer dan 10 jaar operationeel, maar blijven ook allemaal voor verbetering vatbaar. De nieuwste ontwikkelingen van de methodieken liggen vooral in betere apparatuur en slimme combinaties van technieken. Deltares noemt deze ontwikkeling de One sweep survey : meerdere technieken toepassen tijdens één survey. Deze One sweep survey is vooral geschikt bij onderzoeksprojecten om te bepalen welke combinatie van technieken in dat geval het beste antwoord geeft op de vraag. Voor reguliere monitoring kan een bewezen combinatie van een beperkt aantal technieken worden in gezet. Voorbeelden van one-sweep survey op water zijn: Door de combinatie van meerdere grootheden (akoestiek en dichtheid) en kalibratie met puntmetingen kan ruimtelijk inzicht worden verkregen in de slibdikte; zie voorbeeld SILAS in SSS metingen kunnen met behulp van nieuwe dataverwerkingstechnieken automatisch worden omgezet naar dichtheid van habitat (oester- en mosselbanken). Hierbij wordt dus meer dan alleen het kale SSS beeld gebruikt. Door combinatie van SBES/MBES met sub-bottom profiler gegevens kan door kennis van het onderliggende sediment meer inzicht in oorzaken van zeebodem dynamiek worden verkregen. Door uitbreiding van gebruik van ander type golven gedurende reguliere reflectie- of refractie seismiek. Door ook de Scholte golven (golven die langs de zeebodem lopen) te analyseren (voorheen beschouwd als ruis) kan de sterkte van de ondiepe lagen onder de waterbodem lagen beter worden bepaald, zowel op zee als op rivieren. De techniek is in ontwikkeling en wordt getest door Deltares. Verwacht wordt dat de proeven in 2014/2015 afgerond zijn. Door het gebruik van meer informatie die verstopt is in signalen van verschillende apparaten. Een voorbeeld hiervan is bodemclassificatie op basis van akoestische systemen als MBES. Dit is nader uitgewerkt in paragraaf Bij het one sweep survey initiatief hoort ook het automatisch verwerken van data zodat de tijd van data-acquisitie tot levering korter wordt gemaakt. Technology readiness level TRL 7 of 8 deels prototype operationeel en deels in ontwikkeling. 96 van 179

105 Status in Nederland Rijkswaterstaat is betrokken bij de projecten waarin de slimme combinatie van technieken op water wordt ingezet (o.a. De Maaswerken) Bodem classificatie met behulp van echosterkte data uit echosounders In de afgelopen jaren zijn methoden ontwikkeld waarmee aan de hand van echosterkte in het signaal van singlebeam en multibeam-echoloodmetingen het sediment op de zee- en rivierbodem geclassificeerd kan worden. Door de TU Delft is er een methode ontwikkeld gebaseerd op multibeam-echoloodmetingen. Multibeam-echoloden hebben ten opzichte van singlebeam-echoloden een smallere bundelbreedte, resulterend in een betere resolutie. Verder kunnen met een multibeam-echolood in korte tijd grote gebieden worden ingemeten. Een door de echoloden uitgezonden akoestische puls wordt aan de bodem gereflecteerd en verstrooid. De sterkte van de verstrooiing van het signaal bevat informatie over het sedimenttype. Dit laatste is geïllustreerd in Figuur 5.6, waarin de back scatter strength als maat voor de intensiteit van de verstrooiing is weergegeven als functie van de hoek. Dat de intensiteit van het signaal afhangt van het sedimenttype is het uitgangspunt voor de verschillende akoestische sedimentclassificatiemethodes op basis van de echoloodmetingen. De methode, die is ontwikkeld door de TU Delft, maakt gebruik van het gereflecteerde multibeam-signaal per hoek, en houdt daarmee rekening met de hoekafhankelijkheid van de verstrooiing (Eleftherakis, 2012). Figuur 5.6 Back scatter strength als functie van de hoek (grazing angle of incidence), voor vier verschillende sedimenttypes Figuur 5.7 Voorbeeld van een classificatie uitgevoerd op de Waal bij Sint Andries. Terwijl bij singlebeam-echoloden het gehele gereflecteerde signaal per puls beschikbaar is, is voor multibeam-echoloden normaal gesproken alleen de maximale sterkte van het ontvangen signaal beschikbaar. Het gehele gereflecteerde signaal moet dan ook extra worden opgeslagen. Echter hebben de multibeam-echoloden het voordeel dat ze ook onder schuine hoeken meten. Voor deze schuine hoeken is het onderscheidend vermogen voor verschillende sedimenttypes beter dan voor de signalen afkomstig onder een rechte hoek, zoals gemeten door een singlebeam-echolood. Met de multibeam-classificatiemethode van de TU Delft is vanwege de beperkte beschikbaarheid van echodata alleen een relatieve classificatie mogelijk, dat wil zeggen dat onderscheid kan worden gemaakt in grof of fijn materiaal in een paar gradaties. 97 van 179

106 Een voorbeeld van de Waal is te zien in Figuur 6.5 met drie klassen sediment. Voor het maken van een absolute classificatie zijn enkele bodemmonsters nodig voor ijking. Het aantal monsters met MBES sedimentclassificatie kan echter worden beperkt ten opzichte van sedimentclassificatie zonder MBES. Niet voor alle toepassingen is daarentegen een absolute classificatie nodig, zoals voor het monitoren van een zandsuppletie. Grote voordelen van deze techniek zijn, dat het multibeam-echolood al gebruikt wordt in de operationele praktijk en dat het sediment met een 100 % dekkingsgraad kan worden geclassificeerd. Dit zou ten opzichte van reguliere bodembemonstering een grote efficiëntieslag betekenen. Er hoeven minder bodemmonsters genomen te worden en in plaats van puntmetingen wordt vlakdekkende informatie verkregen. De verkregen informatie is relevant voor het monitoren van maatregelen zoals zandsuppleties en slib-stortplaatsen, het verkrijgen van inzicht in de dynamiek van de rivierbodem en als invoer voor morfologische modellen. Bovendien zijn er wellicht mogelijkheden om deze methoden in te zetten voor mosselkartering en het in kaart brengen van de ruwheden. De methode van TU Delft is toegespitst op de CW signalen van Kongsberg MBES. RWS beschikt over deze MBES systemen waarmee de sedimentclassificatie is uitgevoerd. In hoeverre de methode ook toepasbaar is op FM signalen van Reson en backscatter signalen van interferometrische sonars is in het kader van dit rapport niet onderzocht. Ook andere commercieel verkrijgbare systemen als RoxAnn, QTC-View, Quester Tangent en Geocoder zijn in dit rapport niet beschouwd. Technology readiness level De TU-Delft heeft de afgelopen jaren deze methode op een groot aantal rivierdelen en in Nederlandse kustgebieden getest, die zeer variëren in diepte en sediment klasse. De stap naar een operationele toepassing moet nog gemaakt worden: TRL 6 prototype. Voor ecologische kartering is het nog in de ontwikkelfase (TRL4), maar lopen geen concrete activiteiten. Toekomst: Een absolute classificatie met MBES kan mogelijk worden gemaakt als alle echosterkte data per puls wordt opgeslagen met een gekalibreerde transducer. Dit vergt een aanpassing in de apparatuur. Dit zal in overleg moeten met de leveranciers van het echolood. Status in Nederland De door TU Delft uitgevoerde onderzoeken zijn uitgevoerd in samenwerking met RWS en op data van RWS van de Waal, Maas, Bovenrijn en de Dordtse Kil Ripple profiler Een ripple profiler is een single beam echosounder die draait en zodoende de bodem aftast (zie Figuur 5.8). Door gebruik van 2 ripple profilers die onder een hoek van 90 graden van elkaar de bodem scannen is een volledig 3D beeld te krijgen van een klein stuk bodem. De ripple profiler kan met hoge herhalingsfrequentie een beeld maken van de bodem en is daarom uitermate geschikt voor het bepalen van de beweging van kleine zandgolven. De profiler wordt ingezet op meetframes ten behoeve van morfodynamisch onderzoek in kustzones. Figuur 5.8 Sand ripple profiler 98 van 179

107 Technology readiness level De ripple profiler is operationeel en wordt o.a. in gebruik door het Proudman Oceanographic Laboratory en de sediment transport group van de USGS in Woodshole. TRL 9. Status in Nederland Universiteit Utrecht Fysische geografie zet een ripple profieler in op haar meetframes Andere geofysische meettechnieken op water Magnetometrie. De methode meet de veldsterkte van het aardmagneetveld. Hierbij wordt een magnetometer achter het schip door het water gesleept waarbij de afstand tot het schip zo ver moet zijn dat het schip zelf geen meetbare invloed heeft op het magneetveld bij het sleeplichaam. Er wordt hiermee een vrij smal pad onder het instrument gemeten. Voor het scannen van een heel gebied is een relatief dicht meetnet aan vaarlijnen nodig. Naast de gebruikelijke passieve variant, bestaat er nog een actieve variant. In de actieve variant legt het instrument met een spoel een magnetisch veld aan dat vervolgens weer uitgeschakeld wordt. De in het medium opgewekte wervelstromen worden gemeten. Voordeel is dat daarmee niet alleen de zogenaamde ferromagnetische (ijzer, nikkel kobalt) metalen, maar ook alle andere goed geleidende (maar dus niet ferromagnetische) metalen opgespoord kunnen worden. Over het algemeen wordt de magnetische methode gebruikt voor het opsporen van ijzerhoudende lichamen zoals wrakken, obstakels e.d. op en in de bodem. Radiometrie. De methode meet de natuurlijke radioactiviteit (gammastraling) van het zeebodemmateriaal. De radioactieve deeltjes zijn voornamelijk gebonden aan klei en aan zware mineralen van het zand zodat de methode geschikt is voor het bepalen van de verschillende typen sediment in de bovenste decimeters. De methode is niet geschikt voor het onderscheid tussen fijn en grof zand, maar het gehalte aan zware mineralen zegt wel iets over de herkomst van het zand. Het apparaat bevat geen actieve ioniserende stralingsbron, wat de aanschaf vergemakkelijkt. Mariene meetapparatuur wordt o.a. gebruikt door Medusa BV, deze methode is gebaseerd op van Wijngaarden et al. (2012). Geo-elektrische metingen. Bij deze methode wordt met behulp van een multi-elektrode kabel, die over de bodem of onder het wateroppervlak gesleept wordt, een elektrische stroom de bodem (en het water) in gestuurd en worden op alle elektroden de potentialen gemeten. De metingen worden dan met een computerprogramma omgezet in een bodemprofiel van de elektrische weerstand als functie van de diepte en afstand langs de vaarlijn. Deze weerstand is afhankelijk van sedimenttype, porositeit en waterkwaliteit. De methode werkt alleen op zoet water. Grondradar. Hierbij zendt een zendantenne een elektromagnetische puls uit die door reflecterende lagen in de ondergrond wordt teruggekaatst en door een ontvangantenne geregistreerd wordt. Beide antennes worden achter het schip gesleept aan het wateroppervlak of op enkele meters diepte. Het resultaat van een serie metingen langs een raai is een echogram van de ondergrond waarbij reflecties worden bepaald door discontinuïteiten in de di-elektrische constante en de soortelijke weerstand. De methode werkt alleen op zoet water. In verband met de uitdoving van het signaal in water dient de grondradar dichtbij de waterbodem gebracht te worden tijdens de metingen. Onderwater grondradar is geschikt voor de kartering van ondiepe gelaagdheidspatronen, maar minder geschikt voor onderscheid tussen fijn en grof zand. Grondradar en penetrerende akoestische methoden geven allebei reflecties van de lagen onder de waterbodem. 99 van 179

108 Het signaal heeft echter een andere oorsprong (elektromagnetisch of drukgolf). De reflecties worden veroorzaakt door andere contrasten (di-elektrische constante of akoestische impedantie). Laseraltimetrie / LiDAR. Analoog aan de inwinning van landhoogte voor het AHN, kan ook bathymetrische informatie ingewonnen worden met laser technieken (LiDAR). De laser, bevestigd aan een vaartuig, vliegtuig of helikopter, zendt hierbij licht uit op twee frequenties, één die weerkaatst op het wateroppervlak en één die in het water door kan dringen. Inzet van het systeem wordt beperkt door eventuele troebelheid van het water en verminderde reflectie op de waterbodem door de aanwezigheid van slib of vegetatie. Hierom is LiDAR voornamelijk geschikt voor de zandige kuststrook en minder voor dieptebepalingen in vaargeulen. In hoeverre LiDAR voldoet aan de Nederlandse hydrografische normen is in het kader van dit rapport niet onderzocht. Inzet van LiDAR vanaf een vast punt, voertuig of schip (terrestrial LiDAR) geeft de mogelijkheid om snel een detailopname te maken van een gebied waarin men geïnteresseerd is. In het buitenland wordt dit nog wel eens gebruikt om de drooggevallen delen van de rivier in detail op te nemen en daarmee bijvoorbeeld bodemruwheid te bepalen. De terrestrial LiDaR is in Nederland in een geslaagde test ingezet op een 4-wiel-aangedreven auto die over het strand reed voor het bepalen van duinprofielen. Hiermee kunnen profielen aan de strandzijde vlak voor een storm en direct na een storm bepaald worden om de duinafslag te bepalen. Laseraltimetrie wordt gebruikt bij Rijkswaterstaat. Een voorbeeld is het aanvullen van de Jarkus raaien op land. Er zijn meerdere commerciële partijen die de service kunnen leveren, waaronder BMT (voorheen Fugro Geoss). Technology readiness level Alle genoemde technieken zijn operationeel. TRL 9. Status in Nederland Alle technieken worden in Nederland gebruikt In-situ meettechnieken Bij aanwezigheid van slibbodems is enkel het uitvoeren van akoestische metingen niet voldoende om de bevaarbare bodem vast te stellen en dienen vaak in-situ metingen uitgevoerd te worden. Deze in-situ metingen dienen om het 1.2 kg/l vlak vast te stellen dat als nautische diepte wordt gehanteerd. Een aantal in-situ methoden die daarvoor geschikt zijn, zijn hieronder benoemd. Het principe van de nucleaire sonde berust op de absorptie van zwak nucleaire straling door slib. Rijkswaterstaat gebruikt al reeds langere tijd nucleaire sondes (Navitracker en de nieuwere D2Art). Het vermogen van de nucleaire sondes vermindert met de tijd. Bij de aanschaf is hiermee rekening gehouden. Door kalibraties voor iedere meetreeks wordt de vermindering verdisconteerd. RWS onderzoekt momenteel of een apparaat dat geen actieve bron heeft, maar een in en uit te schakelen Röntgenbron (DensX) voldoet voor het meten van de dichtheid. 100 van 179

109 Het stemvorkprincipe berust op het inbrengen van een stemvork in de sliblaag, het in trilling brengen van één van de vorktanden en het meten van de resonantie in de andere vorktand. De mate van resonantie wordt hierbij indicatief geacht voor de dichtheid van het medium (het slib). Het stemvorkprincipe is onderzocht door Rijkswaterstaat en er is geconcludeerd dat het geen oplossing is voor de informatiebehoefte van Rijjkswaterstaat. RWS heeft test uitgevoerd met andere apparaten die de dichtheid meten, zolang de dichtheid beschouwt wordt als parameter waarop de nautische diepte bepaald wordt. De resultaten van deze test zijn niet in dit rapport opgenomen. RWS gaat vooralsnog uit van instrumenten die gebaseerd zijn op de absorptie van radioactieve straling. Technology readiness level TRL 9 De methoden zijn alle operationeel. Wel wordt er nog aan de wetenschappelijke validatie van de genoemde methoden gewerkt. Status in Nederland Rijkswaterstaat verricht in-situ metingen met sondes die gebaseerd zijn op de absorptie van radioactieve straling en onderzoekt de mogelijkheden van sondes gebaseerd op Röntgenstraling. Port of Rotterdam gebruikt het stemvork principe en een aangepaste Beeker sampler met Anton Paar dichtheidsmeter om de slibdikte tot 1.2 kg/l te bepalen Dynamiekmetingen DTS (glasvezel) Een specifieke techniek waar in Nederland veel onderzoek naar gedaan wordt is DTS - Distributed Temperature Sensing. De techniek maakt gebruik van glasvezel techniek. Door gebruik te maken van het temperatuurdempende effect van sediment kan in hoogdynamische kustnabije en riviergebieden in-situ de sedimentdikte en bodemdynamiek gemeten worden. De informatie die daarmee verkregen wordt draagt bij aan een beter begrip van de dynamiek van het systeem. Onderhoud en beheer kunnen in principe worden geoptimaliseerd met deze informatie. De ruimtelijke resolutie van veel glasvezelkabels is 1 m en kan worden uitgevoerd met enkele kilometers kabel. Nieuwere glasvezelsystemen hebben een ruimtelijke resolutie van 12 cm. De kabel kan om een paal gewikkeld worden en daarmee een hoge verticale resolutie geven van het temperatuurprofiel. Door het temperatuursprofiel in de tijd te monitoren, kan de hoeveelheid materiaal dat geërodeerd of gesedimenteerd is worden vastgesteld (Deltares rapport 2014c). Uit het temperatuurprofiel kan tevens de bodemligging worden afgeleid: de overgang tussen water en bodem is goed aan te geven. Een voorbeeld van een glasvezelmeting rond een paal is weergegeven in Figuur 6.6. De kabel kan ook in een patroon over de bodem worden gelegd en bedekt worden door een laag materiaal. De bodemdynamiek wordt vervolgens bepaald uit de temperatuur in de bodem. De nauwkeurigheid in bodemdynamiek is in dat geval de orde van meters afhankelijk van hoe dicht het gebruikte het patroon is. Onderzoek over welke nauwkeurigheid in sedimentdikte er gehaald kan worden vindt plaats in het huidige strategisch onderzoeksbudget van Deltares. Een voorbeeld van een glasvezelmeting voor de monitoring van een zandsuppletie is weergegeven in Figuur 6.7. De verspreiding van het gesuppleerde zand en de vorming van zandgolven is duidelijk in de data terug te zien. 101 van 179

110 Depth Depth ZKS-0003, Versie 1, 3 augustus 2014, definitief Figuur 5.9 Schematische weergave van een paal met een glasvezelkabel eromheen gewikkeld. Door de wikkeling ontstaat er een verticale resolutie op centimeter schaal. Door het temperatuursprofiel in de tijd te monitoren, kan de hoeveelheid materiaal dat geërodeerd of gesedimenteerd is worden vastgesteld (Deltares rapport 2014c). Before erosion After erosion Air Air Seabed Seabed Temperature Temperature Figuur 5.10 Geïnterpreteerd resultaat van een DTS (glasvezel-) meting. Rode kleuren geven aan dat de kabel aan het oppervlak ligt, wit = nabij het oppervlak, blauw = kabel begraven onder sediment (suppletie). Technology readiness level Prototype operationeel. TRL 7 In de ruimtelijk dekkende vorm is deze techniek nog in ontwikkeling. Status in Nederland De techniek is getest in Building With Nature projecten, zoals onlangs de zandmotor in het IJsselmeer voor de Friese kust. In de vorm waarbij de kabel om een paal is gewikkeld is de techniek is inmiddels toegepast in het IJsselmeer bij de sluizen van Kornwerderzand om zowel de temperatuursverdeling als de dynamiek in de overgang tussen verschillende media (lucht, water en bodem) te monitoren door de tijd heen. Naast de temperatuur profielen, lieten de resultaten lieten zien dat de overgang water-lucht goed te volgen was en de getijden 102 van 179

111 gevolgd konden worden. Ook de overgang water-bodem (modder) kon in kaart gebracht worden. Dit gaf inzichten in verschillen in bodemhoogte die tot stand kwamen door sedimentatie en erosie processen Indirecte technieken vanaf meetpalen, uit vliegtuigen en satellieten Indirecte technieken zijn gebaseerd op de correlatie tussen wateroppervlakte-karakteristieken en bodemligging. Bij deze technieken dringt dus geen signaal (diep) het water in, maar worden golf-karakteristieken met behulp van kennis van lokale hydrodynamica vertaald naar een verwachte ligging van het bodemprofiel ARGUS ARGUS is een land-based video systeem dat meestal bestaat uit 8 camera s. Het systeem monitort de surfzone en kan de ligging en dynamiek van de bodem in de surfzone hieruit afleiden. Technology readiness level TRL 9 - operationeel. Status in Nederland ARGUS stations van RWS staan opgesteld lang de Nederlandse Kust onder ander nabij Kijkduin en Noordwijk. Tijdelijke opstellingen worden voornamelijk door TU Delft en Deltares ingezet. Er staat nu één systeem op de Zandmotor. Er stonden meerdere systemen langs de Zuid Hollandse. Na positieve resultaten met een survey met behulp van een radiografisch bestuurbare multicopter uitgerust met een camerazijn deze plannen van de baan. Deltares is samen met Oregon State University wereldleider in de kennisontwikkeling en toepassing van het Argus principe. Figuur 5.11 De 40 meter hoge Argusmast op de zandmotor, met bovenin het camera platform SAR Synthetic Aperture Radar (SAR) wordt ingezet voor indirecte bepaling van de zeebodemtopografie, althans de relatieve gradiënt hiervan. Het concept van radar gebaseerd op hoe de dieptegradiënt via de stroming wordt vertaald in ruwheidverschillen van het wateroppervlak. Hoewel de zeebodemtopografie ook in conventionele airborne/spaceborne radarsystemen (SLAR) kan worden waargenomen wordt hiervoor over het algemeen SAR toegepast. De reden is dat de resolutie van SAR in de vliegrichting van het platform beter is dan voor SLAR. SAR systemen worden al sinds twintig jaar toegepast op zowel vliegtuigen (en helikopters) als op satellieten. Een voordeel van vliegtuigen is de betere operationele inzetbaarheid. Voor satellieten is deze veel slechter en kan de tijdsduur tussen twee opnamen van het zelfde gebied een aantal weken bedragen. Bij de in april 2014 door ESA gelanceerde Sentinel-1A satelliet is de tijdsduur tussen twee opnamen veel korter, namelijk 12 dagen. Als in de nabije toekomst ook de tandemsatelliet Sentinel-1B gelanceerd is, bedraagt de tijd tussen twee opnamen slechts 6 dagen. 103 van 179

112 Een ander voordeel van vliegtuigradarsystemen is dat deze een betere ruimtelijke resolutie hebben. Voor vliegtuigradar kan dit een halve meter of beter zijn terwijl voor de meeste satellieten de resolutie hooguit een paar meter bedraagt. Omwille van deze redenen zal dan ook de voorkeur worden gegeven aan vliegtuigradar voor het bepalen van de zeebodemtopografie. Met vliegtuig-sar kan de zeebodemtopografie worden bepaald met een verticale nauwkeurigheid van ongeveer 0.5 m bij een ruimtelijke resolutie van 0.5 m. De strookbreedte die hierbij wordt opgenomen is aanzienlijk en bedraagt doorgaans 5-10 km. Hiermee lijkt vliegtuig-sar te voldoen aan de eisen voor gebieden voor IHO 1a. Voor hedendaagse satelliet-sar bedraagt de verticale nauwkeurigheid ongeveer 0.5 m bij een ruimtelijke resolutie van 10 m. De strookbreedte bedraagt echter 100 km of meer. Of een SAR-opname zal leiden tot een succesvolle inversie van de zeebodemtopografie is sterk afhankelijk van de momentane windsterkte en stromingssnelheid. Condities voor een betrouwbare schatting van de zeebodemtopografie voldoen meestal aan: 5-10 m/s voor windsnelheid en 0.5 m/s of meer voor stroomsnelheid (Jackson en Apel, 2004). Onder deze condities kan de zeebodemtopografie soms worden bepaald tot op een diepte van 50 m. Technology readiness level TRL 9 operationeel. Status in Nederland Het RWS Bathymetry Assessment System (BAS) is ontwikkeld door ARGOSS en maakt gebruik van satellietradarbeelden van Envisat. RWS heeft dit nooit ingezet, omdat de huidige nauwkeurigheden die met deze methoden gehaald worden voldoen niet aan de IHO of Nederlandse normen voor hydrografie. Op dit moment kunnen dit soort technieken dus niet ingezet worden voor de operationele bepaling van bodemligging. Dit wordt ook bevestigd door testen die Rijkswaterstaat met deze systemen heeft laten doen (RWS/Swartvast, 2008). 5.6 Ontwikkelingen in verwerking bodemliggingsgegevens Validatieonderzoek naar meetstrategie aan de hand van verwerkte bodemligging gegevens In projecten voor Dienst der Hydrografie en voor Rijkswaterstaat is door Deltares de laatste jaren onderzoek gedaan naar de meetstrategie van bodemligging en bodemeigenschappen (Deltares, 2011 en Deltares, 2012b). In deze projecten zijn alle beschikbare data verwerkt op een ruimtelijke resolutie van meters tot tientallen meters en vervolgens gecombineerd met meerjarige voorspellingen. Deze resultaten hebben geleid tot een advies voor een verbeterde en meer op-maat meetstrategie voor scheepvaartroutes, kustzone, rivieren en Nederlands Continentaal Plat Plaatsbepalingen Om de juiste absolute bodemligging te bepalen, is een accurate bepaling van de positie van het meetinstrument noodzakelijk. Afhankelijk van de hydrografische eisen wordt bepaald welk plaatsbepalingssysteem voldoet. Voor de binnenwateren is over het algemeen Nl Norm A vereist. Om dit te bereiken is een Real Time Kinematic (RTK) GPS nodig, met een nauwkeurigheid in de orde van centimeters. Op de Noordzee is de IHO norm special of IHO Norm 1a vereist. Hiervoor is DGPS voldoende. 104 van 179

113 De onzekerheden in de plaatsbepaling werken door in de totale onzekerheid van de bodemligging. Andere bronnen zijn de correcties voor de bewegingen van het schip, de geometrie van de meetopstelling op het schip, geluidssnelheid, etc. Met het programma A Priori Multibeam Uncertainty Simulation Tool (AMUST) kan de totale onzekerheid voor multibeam systemen worden afgeleid Correcties in hoogte en ligging Meetsystemen die continu meten terwijl ze worden voortgesleept, krijgen te maken met bewegingen die worden veroorzaakt door golven of koersveranderingen. Apparatuur zoals chirp-sub bottom profiler worden vaak achteraf gecorrigeerd met een software-matige heave removal. Hoewel golfbewegingen terug te zien zijn in SSS opnamen, wordt het SSS zelden gecorrigeerd voor deze bewegingen. Dit is omdat bij SSS opnamen de bodemligging over het algemeen niet van belang is en het gaat om het identificeren van objecten etc. De plaatsbepaling van de gesleepte meetvis wordt over het algemeen afgeleid uit de positie van de GPS antenne ten opzichte van het frame/kraan en de kabellengte. Voor een nauwkeurigere plaatsbepaling zou USBL ingezet kunnen worden. Dit wordt niet standaard gedaan. Metingen van systemen die vast aan he schip gemonteerd zijn, zoals MBES, kunnen via een motion sensor gecorrigeerd worden voor de bewegingen van het schip ( heave, pitch, roll en yaw ). Niet alle SBES systemen kunnen deze correctie toepassen. Als er geen RTK GPS is gebruikt kunnen ook getijdebewegingen achteraf worden gecorrigeerd Reductie van metingen. Waterstanden uit de operationele voorspelmodellen voor de Noordzee worden gebruikt voor reductie van lodingen naar referentievlak. Dit als alternatief voor inzet van getijmeters. Dit wordt gedaan met een module genaamd PreDictionModule PREMO. De huidige versie van PREMO maakt gebruik van de inmiddels uitfaserende modellen DCSMv4 en Kuststrook. Naar verwachting zal vanaf 2015 gebruik gaan worden van de nieuwe modellen (DCSMv6/ZUNO) die al enige tijd operationeel zijn. 5.7 Advies inwinning bodemliggings- en bodemtypegegevens Uit de eerste paragrafen van dit hoofdstuk blijkt dat de informatiebehoefte met betrekking tot de bodemligging goed in kaart is gebracht. De informatiebehoefte voor bodemtype is echter niet duidelijk. Deltares adviseert om deze informatiebehoefte te definiëren om zo een advies voor de inwinning van bodemtypegegevens mogelijk te maken. Ook de informatiebehoeften en daarbij horende inwinning voor andere hydrografische inspanningen, zoals inspecties van kademuren, zouden in een volgende update van dit rapport opgenomen kunnen worden. Het voorgaande overzicht van meettechnieken is met name bedoeld om Rijkswaterstaat een verbeterd inzicht te geven in het scala van bruikbare meettechnieken voor bodemtype en ligging. Deltares adviseert daarbij niet gebruik van één specifiek meettechniek. Wat Deltares wel adviseert is om meer gebruik te maken van op maat oplossingen. 105 van 179

114 Door de kennis van het sedimentaire systeem te benutten kan de meetstrategie worden aangepast en worden de risico s op een veel te lage (of hoge) inwinfrequentie worden geminimaliseerd. Om die systeemkennis te vergaren en te behouden zal het nodig zijn om metingen gericht op bodemdynamiek en bodemsamenstelling te (blijven) uitvoeren. Deltares stelt daarbij voor om meer gebruik te maken van handige combinaties van methodieken, zoals: SSS/MBES met in situ sensoren en validatie door beperkt aantal bodemmonsters; SBES met in situ metingen voor slibbodems (SILAS systeem); Satellietdata met in situ sensoren; Model uitkomsten met remote sensing en in/situ data; Meerdere geofysische technieken ( one sweep survey ). Dit advies is terug te vinden in onder andere Deltares rapporten (2011 en 2012b). Onderzoek naar de optimale monitoring wordt voortgezet in opdracht van RWS. Deltares adviseert Rijkswaterstaat alert te blijven op initiatieven zoals het COVADEM, daarin te participeren en op te nemen in haar strategie. 5.8 Ontwikkelingen in overdracht bodemliggingsgegevens Dit onderdeel van de informatie cyclus wordt nog niet beschreven. 106 van 179

115 5.9 Referenties De Boer, G. J., Baart, F., Bruens, A., Damsma, T., van Geer, P., Grasmeijer, B., den Heijer, K. and van Koningsveld, M.: OpenEarth: using Google Earth as outreach for NCK s data, University of Twente, Department of Water Engineering & Management. [online] available from: (accessed 27 March 2012), Deltares rapport VEB-0004 (2012a). Enquete De bevaarbare waterdiepte bij zachte slibbodems. Auteurs: Pauline Kruiver, Sophie Vermooten, Guido Rutten. Deltares rapport BGS-0005, RWS zaaknummer (2012b). Onderzoek Meetstrategie en Bodemdynamiek. Auteurs: dr. T.A.G.P. van Dijk, dr. ir. C.F. van der Mark, drs. P.J. Doornenbal, P.J. Menninga, B.Sc., ing. J.F. Keppel, dr. D. Rodriguez Aguilera, drs. V. Hopman, dr. G. Erkens. Deltares rapport BGS-0008 (2011). The scientific validation of the hydrographic survey policy of the Netherlands Hydrographic Office, Royal Netherlands Navy. Auteurs: dr. T.A.G.P. van Dijk, ir. C. van der Tak, W.P. de Boer, MSc, ir. M.H.P. Kleuskens, drs. P.J. Doornenbal, R.P. Noorlandt, MSc, ing. V.C. Marges. Online op BGS-0008_DEF_ValHYD%20report_tcm pdf Deltares rapport ZKS-0007 (2009), Ondersteuning Validatie Ocean Color Remote Sensing. Auteurs: Rogier Westerhoff, Marco Kleuskens, Tamara van de Ven, Meinte Blaas. Deltares rapport VEB-0008-v4 (2013a), Navigable waterdepth in waterways with muddy water bottoms - Parameters, models and measurement techniques. Auteurs: P.P. Kruiver, B.F. Paap, V. Hopman, J.C. Winterwerp, J.G.S. Pennekamp, A.A. van Rooijen. Deltares rapport ZWS-0006 (2013b), Bodemblues: echoclassificatie van rivierbodems - naar de praktijktoepassing. Auteurs: Ymkje Huismans, Erik Mosselman, Dimitrios Eleftherakis & Mirjam Snellen. Deltares rapport Deltares rapport BGS-0006 (2013c), Validation study of SILAS - Study area: Maasmond (The Netherlands). Auteurs: G. Diaferia, P.P. Kruiver, T. Vermaas. Deltares rapport BGS-0001 (2014a), Results of pilot survey to detect navigation induced dynamics in fluid mud. Auteurs: dr. P.P. Kruiver, prof. dr. ir. J.C. Winterwerp, drs. C.S. Mesdag, G.Diaferia MSc, dr. A.P. Wiersma. Deltares rapport (2014b), Sedimentbudget van de Maasgeul, baggeren en sedimentatie. Auteurs: M. Hijma, T. Vermaas. Deltares rapport BGS-0003 (2014c). Fibre Optics - potential applications for environmental monitoring. Autuers: V. Hopman, G. Diaferia, P. Doornebal. Eleftherakis, D., A. Amiri-Simkooei, M. Snellen and D.G. Simons (2012a), Improving riverbed sediment classification using backscatter and depth residual features of multi-beam echosounder systems, Journal of the Acoustical Society of America, 131, pp , IMARES rapport (2007). Ontwikkeling gebruik Side Scan Sonar ten behoeve van onderzoek naar ontwikkeling van individuele mosselbanken en oesterriffen in de Waddenzee. Ook in te zien op van 179

116 Ivanov, J., Park, C.B., Miller, R.D., Xia, J., Hunter, J.A., Good, R.L., Burns, R.A. (2000). Joint analysis of surface-wave and refraction events from river-bottom sediments, SEG 2000 Expanded Abstracts. Ook in te zien op PDF. Medusa sensor: NHI Rapport (2009). Nederlandse normen voor hydrografische opnemingen. Uitgegeven door Rijkswaterstaat, Dienst der Hydrografie en Periplus Consultancy. Online op Rijkswaterstaat/Swartvast rapport (2008). Toepassingen van ruimtevaart bij Rijkswaterstaat: statusrapport aardobservatie en plaatsbepaling. Auteurs: L.M.Th. Swart, I.M.H. Janssen, R.C. van Oort, K.I. van Onselen. Rijkswaterstaat (2011). Informatiebehoefe enprogrammering bodemhoogte(hws en HVWN). Auteurs: A. Mansholt, N.A. Kinneging, J.U. Brolsma. Synnes, Stig A., Hansen, Roy E., Saebo, Torstein O. (2009). Assessment of shallow water performance using Interferometric sonar coherence. Van TNO (2006a). Sidescan sonar metingen over een vijftal schelpdierbanken in het Balgzand (Waddenzee). TNO rapport 2006-U-RO199/A. Auteur: Overmeeren, R.A. TNO (2006b). TNO-rapport TNO-DV 2006 C295, Technologieverkenning Hydrografie. Auteurs: Lam, FPA, Simons, DG, Lindenbergh, RC, Kleijweg, J.C.M. & Snellen, M (2006). TNO (2003). TNO-rapport NITG C. Onderzoek karakterisatie zeebodemsedimenten met behulp van seismische technieken. Deel 1: Data-acquisitie. Opdrachtgever: RWS Directie Noordzee. Van Wijngaarden, M, Venema, L.B., De Meijer, R.J. Zwolsman, J.J.G. Van Os, B., Gieske, J.M.J., (2002). Radiometric sand mud characterisation in the Rhine Meuse Estuary, Geomorphology, Vol. 43, No (February 2002), pp , doi: /s x(01) van 179

117 6 Algemene ontwikkelingen in meten in meetstrategie en platforms. In dit hoofdstuk komen een aantal algemene ontwikkelingen aan de orde in meetstrategie, meetmethoden en meettechnieken en de daarvoor ontwikkelde platforms 6.1 Algemene ontwikkelingen in meetstrategie, meetmethoden en meettechnieken: goedkoper en effectiever. Wat betreft de algemene verwachtingen in ontwikkeling op het gebied van meetmethoden en -technieken zijn de conclusies uit het EU platform WSSTP illustratief (WSST bestaat uit gebruikers, wetenschappers en leveranciers in de waterindustrie, het Water supply and sanitation Technology Platform ( WSSTP stelt dat met betrekking tot sensoren drie trends zijn waar te nemen: Er kunnen meer en meer parameters worden gemeten in real time, zowel fysische, chemische als biologische parameters. Het formaat, de kosten, het energieverbruik, de onderhoudsfrequenties en kalibratiefrequentie van sensoren nemen drastisch af. Mini- en micro-batterijen en draadloze communicatie worden steeds krachtiger en efficiënter. De door WSSTP genoemde ontwikkelingen over formaat en energieverbruik vertalen zich in het kleiner worden van bestaande sensoren. Bijna iedere fabrikant levert een kleinere goedkoper versie van zijn/ haar instrumenten. Dit geeft de mogelijkheden om daar te meten waar het in het verleden niet mogelijk was of het combineren van metingen in een enkele verpakking. Een aantal voorbeelden zijn benoemd verspreid over de inventarisatie. Daarnaast is de nieuwe microtechnologie vaak relatief goedkoop, omdat ze voortkomen komen uit massaproductie. Denk daarbij aan de bewegingssensoren uit gameconsoles, dgpsontvangers in mobiele telefoons enzovoorts. Dat levert een flinke besparing op ten opzichte van de nu in gebruik zijnde sensoren, als ze net zo nauwkeurig en betrouwbaar blijken. Wat soms het geval blijkt. Het levert ook de mogelijkheid op om goedkoop te experimenteren met de mogelijkheden. Zo heeft de TU Delft heeft projecten lopen waarin Figuur 6.1distrometer van de TU Delft gekeken wordt hoe de massa-geproduceerde sensoren ingezet kunnen worden voor goedkope acquisitie van hydrometrie data. Dit met het idee om het mogelijk te maken data in te winnen in ontwikkelingslanden. Deze projecten die vooral bedoeld waren als leerprojecten voor studenten hebben tot nog toe geleid tot de ontwikkeling van een goedkope regenmeter ($200 marktproduct) op basis van een piëzo elementje. Verdere vermarktbare spin off uit dit project is ons niet bekend. Eveneens een ontwikkeling uit het onderwijs is een volwaardige computer ter grootte van een creditcard met kostprijs van 30 euro. Een voorbeeld is de rapsberry pi. Deze creditcard computers worden dankbaar gebruikt door universiteiten en andere techneuten om prototype sensoren en meetopstellingen mee te bouwen. 109 van 179

118 Een ander voorbeeld van inzet van microtechnologie is het plaatsen van dgps ontvangers op zeevogels, waarmee het vlieggedrag in beeld werd gebracht, in plaats van gebruik te maken van visuele waarneming. Vaak levert het gebruik van dit soort nieuwe methoden ook weer hele andere inzichten op andere vlakken. Zo bleken de genoemde meeuwen te rusten op open water en werd en passant een neer in de stroming in beeld gebracht 3 (zie Error! Reference source not found.). Maar bij genoemde ontwikkelingen moet wel de volgende kanttekening geplaats worden: Voor effectieve inzet van financiële middelen om nieuwe technologieën te implementeren moet die implementatie ook in zicht zijn. Vanuit dat oogpunt is het in veel gevallen efficiënter nieuwe technologie van bedrijven te testen op toepasbaarheid en minder het toetsen van vindingen uit de academische wereld, omdat deze laatste zich doorgaans veel verder van toepassing bevinden. Het WSSTP stelt tevens dat meer online te meten, ook kan zorgen voor data overflow. Vooral in de waterkwaliteit is men ingesteld op het binnenhalen en individueel afhandelen van watermonsters. Met het binnenkomen van een bijna continue stroom van metingen voldoen de oude werkwijzen van verwerken, controleren, distribueren en presenteren daar niet meer. Tenslotte benadrukt het WSSTP de absolute noodzaak om R&D activiteiten op het gebied van sensoren en modellen te coördineren, een stelling die Deltares steunt. Figuur 6.2 Trajecten van op zee rustende kleine mantelmeeuwen uitgerust met GPS sensor, waaruit stromingspatronen zijn af te leiden. 3 Shamoun-Baranes, J., W. Bouten, C.J. Camphuysen, E. Baaij (2011) Riding the tide: intriguing observations of gulls resting at sea during breeding. ibis Volume 153, Issue 2, pages , April 2011 DOI: /j X x 110 van 179

119 Gevolgen van sensorontwikkeling: van wat je kunt meten naar wat je moet weten. De eerder genoemde ontwikkeling in het compacter en goedkoper worden van sensoren en datacommunicatie heeft tot gevolg dat meer parameters online gemeten kunnen worden. Het gevolg daarvan is dat men direct de parameters kan bepalen die men werkelijk wil weten. Het compacter worden van sensoren heeft ook een boost gegeven aan compacte multiparameterplatforms op zee en onder water. Door gebruik van kleinere energiearme sensoren kan meer tegelijk gemeten worden met dezelfde energiebron (zonnepaneel en/of accu). Zie voor meer voorbeelden hoofdstuk 6. Een voorbeeld is de ontwikkeling van compacte sensoren voor waterkwaliteit. Als voorheen online ruimtelijke waterkwaliteitsinformatie werd gevraagd, werd vanwege de kosten met enkele sensoren gemeten op enkele locaties of werden watermonsters genomen en kwamen de gegevens achteraf ter beschikking. In beide gevallen werd niet voldaan aan de vraag. Met de goedkopere sensoren en de vlucht in de datacommunicatie kan met sensoren verspreid over een groot aantal meetlocaties on line worden gemeten en direct voldaan worden aan de vraag. Een praktijkvoorbeeld is het near real time meten van temperatuur- en saliniteitsverdeling in de oceanen. Dit werd voorheen uitgevoerd vanaf schepen en enkele boeien, maar leverde te weinig informatie. Op dit moment worden de metingen uitgevoerd met 3000 onderwater drijvers die via satellietcommunicatie data oversturen als ze aan het oppervlak komen (Argo-project argo.net). Toch is de feitelijke ontwikkeling en toepassing van microtechnologie voor toepassingen in de monitoring van water en bodem nog beperkt. Maar we hebben weinig zicht op wat er zoal in de wereld geëxperimenteerd wordt op dit gebied. Het is met spanning afwachten wat deze ontwikkelingen veder zullen brengen. Life cycle analyse: Beperking door mens en materieel. In veel gevallen is bij monitoring niet de meetapparatuur de grote kostenfactor, maar mankracht en infrastructuur (schepen en gebouwen). De totale kosten van metingen moeten daarom altijd in beschouwing genomen worden, niet alleen het instrument. Maar hier schuilt ook weer een gevaar in: daar waar veel mankracht en materieel nodig is lijkt het eenvoudig besparen. Maar voor sommige parameters is nog geen alternatief mogelijk waardoor de mankracht en infrastructuur noodzakelijk blijft. Dit is soms op te lossen door parameters te schrappen of te vervangen door parameters die goedkoper in te winnen zijn. Maar het devies blijft: wijzigingen hebben gevolgen voor mankracht en infrastructuur, die meegenomen moeten worden in zowel de kosten als de strategische overwegingen, maar dat mag geen belemmering zijn voor innovatie. 111 van 179

120 6.2 Meetplatforms, maar dan anders Onder meetstrategie valt ook de keuze van het meest geschikte meetplatform. In de volgende paragrafen worden een aantal flexibele platforms genoemd die in Nederland (in de ogen van Deltares) meer potentie heen dan waar ze nu worden ingezet. Dit zijn: Ships of opportunity1: Commerciële schepen met vaste trajecten inzetten in zetten voor monitoring door plaatsing van extra sensoren. Ships of opportunity 2. Ontsluiten van data van bestaande sensoren aan boord van schepen. De individuele burger als observator ( citizen data, crowd sourcing ) Onbemande vaartuigen onder water (AUV) Onbemande vaartuigen op het water Onbemande vliegtuigen en heli s Kleine bemande vaartuigen: Jet ski Boeien als multi-parameter meetplatform Deze lijst is niet onuitputtelijk, er zullen nog nieuwe ontwikkelingen zijn die bij ons nog niet bekend zijn, of de komende jaren mogelijk nog beschikbaar komen. De beschrijvingen hierna richten zich op het platform, de meettechnieken en de informatie waar in kan worden voorzien. Innovaties wat betreft energie voorziening (zonnepanelen, benutten stroming of waterkracht) en innovaties op het gebied van communicatie worden niet belicht Ships of opportunity1: Commerciële schepen met vaste trajecten inzetten in zetten voor monitoring door plaatsing van extra sensoren. Het principe om commerciële schepen te vragen waarnemingen te doen voor het algemeen belang is al meer dan honderd jaar oud. Op dit moment zijn er ongeveer 3000 schepen aangesloten bij het wereldwijde " Voluntary Observing Ships (VOS)" programma. De data van deze schepen staan ter beschikking van alle leden van de World Meteorological Organization (WMO). Een ontwikkeling van de laatste 10 jaar is dat de inwinning en verzending van die informatie volledig automatisch gaat. Het doel van stimulering van automatisch meten is daarbij efficiency winst en grotere dekking in data schaarse gebieden. Een andere ontwikkeling in dit programma is dat meer parameters worden ingewonnen, zoals het meten van stroming met ADCP's en volledig automatische sampling en analyse. Wat betreft het automatisch meten van waterkwaliteit zijn twee belangrijke partijen te noemen, het Helmholtz-Zentrum Geesthacht Centre for Materials and Coastal Research (HZG, voormalig GKSS) als trekker en ontwikkelaar van de Europese versie van de Ferry box en de International Seakeepers Society die haar naam heeft verbonden aan de door YSI ontwikkelde SeaKeeper Beide systemen verzamelen volautomatisch waterkwaliteitsdata en atmosferische data. De NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) gebruikt de SeaKeeper 1000 op veel van haar schepen. en de Europese ferry box wordt ingezet op Noordzee, Baltische zee en de Middellandse zee van 179

121 Figuur 6.3 Routes van schepen die verbonden zijn aan het initiatief van de SeaKeepers Society. Atmosferische, hydraulische en waterkwaliteitsdata data kan zo volledig automatisch ingewonnen worden zonder in te boeten op de kwaliteit. Er bestaat echter nog wat twijfel over het volledig automatisch meten van sommige waterkwaliteitsparameters, vanwege de complexiteit van sommige inwintechnieken. Een oplossing voor dit probleem wordt toegepast in Noorwegen: een surveyor gaat mee op de reis van het ingezette schip om het onderhoud en kalibraties uit te voeren en watermonsters af te tappen en mee te nemen voor laboratoriumanalyse. Daarmee is de winst in mankracht kleiner dan bij volledig automatisch meten, maar de kwaliteit van de data gegarandeerd en zijn de kosten nog steeds vele malen lager dan bij inzet van een survey schip. Maar het kan juist ook nog eenvoudiger: zo is het idee geopperd om een zoutmeter te plaatsen in de koelwateraanvoer van enkele honderden schepen(r. Uittenbogaard). Status in Nederland In Nederland zijn er (commerciële) schepen uitgerust met meetapparatuur, zij het soms tijdelijk. Hierbij enkele recente voorbeelden uit de Noordzee en rivieren: Drie routes van de schepen uitgerust met de Duitse ferry box kruisen het Nederlandse deel van de Noordzee. Het survey schip de Zirfea van RWS Noordzee is uitgerust met een Ferry box. Waterkwantiteitsmetingen in het Marsdiep met de TESO veerboot (Buijsman 2007) Afvoermetingen van een veerpont op de Maas Sensoren op schepen van een reder op de routes van Rotterdam naar Noorwegen (Rederij Wagenborg, Joint Industry Project onder penvoering van het Marin) In het Continuous Plankton Recorder (CPR) programma slepen privevaartuigen en vrachtschepen een CPR achter het schip. Dit programma dekt de Noordzee en de Noordelijke Atlantic. Nederland is momenteel vertegenwoordigd door het Greenpeace schip ESPERANZA. Technology readiness level Als principe is het gebruik van ships of opportunity ingeburgerd. Er is echter continu ontwikkeling in wat er wel en niet mogelijk is om te meten vanaf schepen. Per parameter verschilt de TRL van de eerste ideeën tot volledig operationeel. De hierboven genoemde voorbeelden zijn volledig allen voorbij het proof of concept. 113 van 179

122 Literatuur [Buijsman 2007] Long-term ferry-adcp observations of tidal currents in the Marsdiepinlet, Maarten Cornelis Buijsman, Herman Ridderinkhof, Journal of Sea Research 57 (2007). C.D. Erdbrink, Definition study of smart waterways [Schroevers, Verheij 2010] Evaluatie praktijkproef debietmeten met een ADCP onder een veerboot, Deltares report , Meinte Blaas, Gerben de Boer, Jasper Dijkstra, Anna de Kluijver (2014) SPA Eutrotracks: Evaluatie RWS scheepssensordata voor eutrofieringsmonitoring , Deltares, Feb Figuur 6.4 Routes over de Noordzee van schepen uitgerust met een ferry box Ships of opportunity 2. Ontsluiten van data van bestaande sensoren aan boord van schepen. De hiervoor genoemde ships of opportunity nemen actief deel aan een programma en moeten daarvoor een set extra sensoren aan boord plaatsen. Maar er zijn veel sensoren standaard aan boord van schepen. Zonder volledig te (kunnen) zijn gaat het om: GPS, AIS, radio, kompas, doppler, bewegingssensoren, temperatuursensoren, monitoringssystemen voor de motoren (brandstof, koeling), meetapparatuur t.b.v. saliniteitsmetingen, (dual frequency) echolood, radar etc. Uit deze individuele sensoren of combinatie daarvan kan informatie afgeleid worden over de omgeving waarin de schepen varen. De potentie van gebruik van scheepsdata zit in twee zaken: het betreft duizenden sensoren (de schepen) en de schepen precies daar varen waar grootte behoefte is aan informatie: de vaarroutes. Daarnaast zijn alle schepen voorzien van plaatsbepaling apparatuur zodat de locaties van de metingen ook bekend zijn. Het afleiden van bodemligging, stroomsnelheden en temperatuur uit deze gegevens liggen daarbij het meest voor de hand. De drempel die daarbij overwonnen moet worden is de ontsluiting van de informatie. In sommige gevallen zit de benodigde informatie al in de informatiestroom van de AIS of is er in ieder geval de optie om de informatie op te nemen in die informatiestroom. Maar in veel gevallen zal een extra module met een zender geplaatst moeten worden. Een voorbeeld van het afleiden van stroomsnelheden is gegeven in paragraaf van 179

123 Status in Nederland Binnen het COVADEM initiatief (coöperatieve vaardieptemetingen) wordt bodemligging bepaald uit echo lood data van binnenvaarderschepen. (project gestart onder RWS programma Impuls Dynamisch Verkeersmanagement Vaarwegen en inmiddels een stichting). Binnenvaartschepen worden uitgerust met een eenvoudige computer om bestaande sensoren zoals het echolood, beladingsmeter, GPS en optioneel ook brandstofverbruikmeters uit te lezen, te combineren naar een bericht en naar de wal te verzenden. Uit deze metingen wordt de actueel gemeten kielspeling omgerekend naar een actuele waterdiepte op de gevaren route. Deze actuele vaardieptemetingen worden ter beschikking gesteld aan de schippers. Op dit moment participeren 12 schepen in het initiatief en is uitbreiding naar 52 schepen gepland. Technology readiness level Op dit moment zijn we alleen bekend met de operationele toepassing voor bodemligging. Prototype operationeel TRL Citizen data, crowdsourcing, participatieve monitoring De begrippen citizen data, crowdsourcing, participatieve monitoring zijn de laatste jaren sterk in opkomst en worden afwisselend gebruikt voor vergelijkbare concepten: het inwinnen van meetgegevens door anderen dan de autoriteiten of professionals die voor het inwinnen van de metingen traditioneel verantwoordelijk zijn. Conceptueel sluit het aan bij een bredere toepassing van gedistribueerd en opportunistisch meten zoals met ships of opportunity of het ontginnen ( mijnen ) van data ingewonnen voor andere doeleinden (zie bijv. de toepassing van AIS in paragraaf 3.5.2). Voor de inzet van de gewone burger als sensor zijn ontwikkelingen op het gebied van gedistribueerde en online databases, data mining en apps voor mobiele telefoons belangrijke drivers. USGS Een voorbeeld van burger participatie in waterkwanteit is het project CrowdHydrology van de USGS. Burgers kunnen met behulp van een sms bericht de waterstand (af te lezen van een peilschaal) doorgeven op een bepaalde locatie. De toelicht staat op een bord bij de peilschaal. Ervaring van de USGS is dat ze heel wisselend respons krijgen. Juist daar waar je active participatie verwacht, zoals een jachthaven komt geen respons, terwijl daar waar je het niet verwacht, zoals een afgelegen gebied, juist wel hoge respons is door wandelaars.het kiezen van de locatie en participerende doelgroep is dus van belang. Nauwkeurigheid van de verkregen data was vergelijkbaar met een regulier meetstation (rmse ± 2 cm). De hoeveelheid data was ook groot, maar miste de perioden met veel neerslag omdat er dan niemand buiten was. Hierdoor werden en daardoor de flashfloods gemist. Dat zou in Nederland geen probleem zijn. We kennen hier geen flashfloods en bij hoge waterstand krijgen we juist veel kijkers naar hoog water. 115 van 179

124 EU initatieven De laatste jaren zijn er door de Europese Commissie verscheidene subsidieprojecten binnen het 7 e Kaderprogramma (FP7) uitgeschreven om de toepassingen van citizen data te stimuleren en te onderzoeken. Ook in aankomende subsidierondes (Horizon 2020) staan citizen data weer als thema benoemd. Ervaringen met betrekking tot citizen data voor natte informatievoorziening zijn tot nu toe vooral gestoeld op deze EU projecten en enkele pilots voor waterschappen binnen Nederland. Van een aantal citizen-data-projecten dat momenteel loopt binnen het FP7 is een overzicht te vinden bij de EC. Binnen dit cluster zijn twee projecten die zich op water richten: WeSenseIT dat zich op droogte en overstroming richt en CITCLOPS dat zich op optische waterkwaliteit richt. WeSenseIT: Unesco IHE in Delft is een van de partners binnen WeSenseIT met een focus op hydrologisch waterbeheer (beheer van stuwen, waterpeil in steden en polders etc.) in een pilot met Hoogheemraadschap Midden Delfland. Burgers en professionals kunnen visuele waarnemingen van peilstanden doorgeven via hun smartphone aan een centrale database waarmee het peilbeheer kan worden aangestuurd of gemodelleerd (ook via integratie met voorspelmodellen). De citizen data zullen moeten worden gevalideerd en geharmoniseerd om ze te kunnen combineren met de traditionele peildata en modellen. Het project biedt in principe ook mogelijkheid tot uitbreiding richting meer contextuele informatie die door burgers kan worden aangeleverd, zoals de staat van bepaalde kunstwerken (schade, eventuele blokkade aan stuwen, bruggen, duikers etc.) die voor waterbeheerders relevant kan zijn. Voor meer informatie, zie Citclops: Deltares is partner in het Citclops project (naast o.a. NIOZ, MARIS en VU). Citclops richt zich op het meten van optische waterkwaliteit door burgers en professionals met enerzijds smartphone technologie anderzijds met eenvoudige doe-het-zelf meetinstrumenten (Arduino open source hardware). Optische waterkwaliteit omvat variabelen zoals troebelheid en algenbloei. De toepassingen van de data liggen in het dagelijks beheer van oppervlaktewater (zwemwatermonitoring, early warning voor mogelijk schadelijke blauwalgenbloei etc.) als wel in beleidsgerichte monitoring voor bijvoorbeeld eutrofiering van kustwateren, meren, plassen en rivieren. De Citclops smartphone app biedt gebruikers de mogelijkheid de waterkleur te kwantificeren in termen van Forel-Ule (FU) waarden (zie ook Wernand et al. 2010). Binnen het project wordt gewerkt aan de vertaling van FU naar meer gangbare grootheden zoals concentraties chlorofyl en zwevend stof. Daarnaast biedt CITCLOPS de mogelijkheid om burgers Secchidiepten en fluorescentie te laten meten en in dezelfde online database te uploaden. Binnen de architectuur van de database worden de aangeleverde citizen data gevalideerd aan de hand van historische veldmetingen en remote sensing data. Gebruikers zullen uiteindelijk een kaart te zien krijgen met alle citizen data in de omgeving en eventueel aanwezige validatiedata. Voor meer informatie zie www. citclops.eu, waar ook de app kan worden gedownload. 116 van 179

125 Figuur 6.5 Toepassing van de Citclops app (Forel-Ule classificering), hier in combinatie met Secchi-schijf. (zie ook Validatie afhankelijk van toepassing Bij alle door burgers uit eigen beweging verzamelde data is een sleutelvraag hoe deze informatie te gebruiken in het werkproces van een instantie als RWS. Omdat burgers vermoedelijk vooral de afwijkende omstandigheden zullen rapporteren en zij zelden getraind zijn in het doen van waarnemingen, is de vraag hoe gebiased de data zijn en hoe precies (reproduceerbaar) elke individuele meting. Deze aspecten moeten worden afgezet tegen het doel waarvoor de informatie wordt gebruikt: voor rapid response of early warning gelden andere criteria dan voor systematische trend-monitoring (zie ook Bouma et al., 2009). Toch kunnen ook deze ruizige en wellicht gebiasde data bruikbare informatie opleveren, bijvoorbeeld over lokale variaties of events in grootheden die met de reguliere meetinspanning niet te bepalen zijn. De genoemde EU projecten besteden uitgebreid aandacht aan validatie, maar zijn op dit moment nog gaande. Bij losse initiatieven vanuit de technische sector bestaat het risico dat een bepaalde tool of app wel op precisie gekalibreerd en gevalideerd wordt maar dat de nauwkeurigheid van de uiteindelijk ingewonnen dataset door menselijke bias over het hoofd wordt gezien. RWS en andere potentiele gebruikers kunnen dit laatste aspect (laten) inbrengen in pilotprojecten. Voor de burger als passieve informatiebron (door bijvoorbeeld het traceren van het gebruik van mobieltjes of media) hebben we nog geen voorbeelden gevonden die toepasbaar zijn voor de onderwerpen waterkwantiteit-waterkwaliteit of bodemligging. Status Nederland In een workshop over participatieve monitoring voor waterschappen (Utrecht, 13 Maart 2014) bleek interesse te bestaan bij waterbeheerders verantwoordelijk voor (zwem)waterkwaliteit om burgers via apps contextuele data op te laten nemen zoals het voorkomen van algendrijflagen, zwerfvuil, dode vissen etc. Initiatieven zoals tonen aan dat dit mogelijk is. Er zijn diverse apps voorhanden zoals de Marine Litter App van de EEA: ( maar vooralsnog zijn er geen Nederlandse resultaten bekend waarbij de ervaringen door beheerders geëvalueerd zijn. 117 van 179

126 RWS heeft wel positieve ervaring met citizen data op een heel ander terrein: de locatie van grenspalen is ingemeten door wandelaars (mondelinge informatie Peter Bernhard). Een initiatief vergelijkbaar met Citclops is iqwtr, waar het Nederlandse Blue Leg Monitor samen met het Finse SYKE een doe-het-zelf pakket voor troebelheidsmetingen van oppervlakte water heeft ontwikkeld: een plastic IKEA bewaardoos waarin een watermonster genomen kan worden, een kunststof insteek-element met contrasterende-zwart-witte velden en een app op de telefoon om de foto gemaakt van de zwart-witte velden in de IKEA doos om te rekenen naar troebelheid. De hardware is gereed, maar de app is momenteel (mei 2014) nog in ontwikkeling. Een eerste evaluatie door Deltares van een iqwtr prototype in Vietnam in voorjaar 2014 bracht nog een aanzienlijk aantal praktische beperkingen aan het licht, zoals risico op verstorende beschadiging van de IKEA doos, nat worden van de smartphone en het feit dat slechts één grootheid te meten is met deze inspanning. Het Centrum publieksparticipatie (Rijksoverheid) heeft een whitepaper over crowd sourcing opgesteld. Het geeft wat handreikingen over wanneer wel en niet crowd sourcing in te zetten. Technology Readiness Level Ontwikkeling TRL 4 tot 5 Literatuur CrowdHydrology: Crowdsourcing Hydrologic Data and Engaging Citizen Scientists, Christopher S. Lowry and Michael N. Fienen, Groundwater, method notes Bouma, J. A., Van der Woerd, H. J., and Kuik, O. J. (2009). Assessing the value of information for water quality management in the North Sea. J. Environmental Management, 90(2), Wernand, M. R. and van der Woerd, H. J. (2010). Spectral analysis of the Forel-Ule Ocean colour comparator scale. Journal of the European Optical Society - Rapid Publications, 5: 10014s Onbemande vaartuigen onder water, AUV s De grotere flexibiliteit en het kleiner worden van meetsystemen creëert mogelijkheden voor nieuwe inzetvormen van deze technieken. Onbemande, autonome vaartuigen zijn hier een voorbeeld van. Internationaal gezien is de ontwikkeling van onbemande onderwatervaartuigen (Autonomous Underwater Vehicles AUV s) in volle gang. Deze vaartuigen kunnen worden uitgerust met meerdere verschillende meetsystemen. De nieuwste generatie AUV s kan tot 24 uur opereren in ofwel volledig autonome ofwel op afstand bestuurde modus. Bekende producten zijn de Hugin productlijn van Kongsberg en de Remus (Remote Environmental Monitoring UnitS) van het Woods Hole Oceanographic Institution (ref. WHOI Remus). Deze technieken worden zowel ingezet in de diepzee als op het continentale plat. Er bestaat een zeer grote diversiteit van sensorplatforms die drijven (boeien of floats), profielen maken door te zinken en weer op te stijgen (de al eerder genoemde Argo), tot aan de geavanceerde systemen die een geprogrammeerde route volgen, en zelfs systemen die hun route en meetfrequentie aanpassen aan eigen observaties. 118 van 179

127 Figuur 6.6 Schematische weergave van Remus AUV met sensoren. Status in Nederland De Koninklijke Marine zet de REMUS in voor het detecteren van mijnen. Inzet in een volledig autonome modus is voor de druk bevaren Noordzee een risico, zie ook de ervaringen in de volgende paragraaf met onbemande vaartuigen op het water. Technology Readiness Level Operationeel in open zeetrl 9. Pre operationeel in kustzone TRL 8. Literatuur referenties (USGS walrus) (WHOI Remus) Onbemande vaartuigen op het water Op rivieren en meren wordt voor hydrografische metingen wel eens gebruik gemaakt van radiografisch bestuurbaar bootjes. RWS Oost Nederland heeft bijvoorbeeld zo n bootje ingezet. Inzet op open zee van op afstand bestuurbare of volledige autonoom handelende vaartuigen staat nog in de kinderschoenen. Vanwege het stevige marketingbeleid en een hoog gadget gehalte springt één onbemand vaartuig er momenteel uit: de wave glider. Deze is hier als voorbeeld uitgelicht. The autonomous wave glider, US firm Liquid Robotics. De 2 meter lange wave glider bestaat uit een surf board met een knik punt waardoor het board kan meebewegen met de golven. De glider wordt aangedreven door een set vleugeltjes onder water die de golfbeweging omzetten in voorwaartse beweging. De waveglider wordt van afstand bestuurd en is voorzien van een Automatic Identification System waardoor het zichtbaar is voor schepen met een AIS ontvanger (zie ook paragraaf 3.5.2). De glider heeft batterijen aan boord voor de benodigde spanning voor de meetinstrumenten. Deze baterijen die worden opgeladen door zonnecellen. 119 van 179

128 De wave glider kan worden voorzien van een scala aan meetinstrumenten variërend van waterkwaliteits sensoren en een weerstation tot een ADCP of een echo sounder. De data van de sensoren worden near real time verstuurd via satelliet telecommunicatie. De wave glider kan worden uitgezet vanaf een klein schip. Het grootte voordeel van de glider is dat hij ruimtelijke dekking geeft over een relatief groot gebied dat de gebruiker zelf kiest ( in tegenstelling tot een drijver). Figuur 6.7 Links: Wave glider met vleugels onder de drijver. Rechts: inzet wave glider Status voor de Noordzee LR voerde in 2013 een actieve marketingcampagne voor het Noordzeegebied. Daarbij hebben zowel het MUMM als CEFAS meegedaan aan proeven met de glider. De proef van CEFAS is gedocumenteerd in [CEFAS 2013]. De conclusies waren als volgt: De proef was over het geheel genomen succesvol. De waveglider had ruim voldoende ruimte voor inzet van verschillenden sensoren en was eenvoudig in te zetten en weer op te halen. De golven op de Noordzee zijn ideaal voor het voortstuwen van de wave glider. De stromingscondities zijn echter ook zodanig sterk dat het glider niet altijd daar kwam waar hij heen moest. De glider werd bestuurd door mensen van LR en moest bijna continue in de gaten gehouden worden en veelvuldig bijgestuurd worden vanwege scheepvaart en energie beheer. Deze mate van aandacht is door CEFAS betiteld als intensief en lastig om te realiseren met het eigen personeel. De personele kosten zijn dan ook benoemd als grootste nadeel van de glider bij inzet in de kustzone. Status in Nederland De wave glider is nog niet ingezet. Inzet zonder waakzaam oog lijkt in Nederland niet mogelijk, wat de inzet van dit soort systemen niet erg aantrekkelijk maakt. Technology Readiness Level Prototype operationeel op open zee TRL 7 Prototype testing in kustzone TRL6 Literatuur referenties Wave Glider trial, final report; Sept 2013, Tom Hull, Dave Sivyer, CEFAS Onbemande vliegtuigjes en heli s (drones) Met de introductie van de microtechnologie is ook een nieuwe ontwikkeling gestart in de remote sensing.:meten vanaf radiografisch bestuurbare vliegtuigjes en helikopters of te wel 120 van 179

129 drones. De meest extreme is de Delfly micro van TU Delft, een mechanische vlieg van 3 gram uitgerust met een camera. De drones die we op de markt zien hebben een relatief klein formaat en daardoor een beperkt draagvermogen (pay load). Daarom beperkt de uitrusting van drones zich tot lichtgewicht camera s. Daardoor zien we een nog geen grote inzet voor monitoring van water en waterbeheer. De enige bekende toepassing zijn foto en video opnames van dijken. Echter, met het gebruik van kleurfilters, infrarood camera s en bestaande beeldverwerkingstechnieken zijn deze beelden direct toepasbaar voor het monitoren van water (zie de voorbeelden van optische remote sensing in de volgend en hoofdstukken). Grote drones die andere apparatuur kunnen dragen bestaan natuurlijk wel, denk aan drones voor militaire toepassingen, maar zijn ook prijzig. Figuur 6.8 Onbemande helikopter van E-producties en Miramap, waarmee van lage hoogte snel gedetailleerde beelden kunnen worden gemaakt. ( Miramap) Figuur 6.9 Onbemande mulitkopter van TU Delft voor het NEMO project Status in Nederland Naast Delft Dynamics heeft Miramap (zie foto) ervaring en kennis van de inzet van onbemande helikopters. In het verleden heeft Delft Dynamics een project uitgevoerd voor het Innovatietestcentrum van Rijkswaterstaat DWW om vanuit een gestabiliseerde onbemande helikopter verkeersbeelden van boven een snelweg op te nemen en te analyseren. In kader van de projecten rondom de Zuid Hollandse kust, NEMO (Nearshore Monitoring and Modelling: Interscale coastal behaviour) heeft TU Delft (groep van Marcel Stive) een kleine multikopter aangeschaft voor het maken van video-opnamen. Een eerste vlucht over de zandmoter is uitgevoerd. Een spin off bedrijf van TUDelft (naam?) heeft plannen voor het ontwikkelen van een single wing drone met een pay load van 30 kg. Dan wordt het mogelijk om kleine radarapparatuur mee te nemen. Er wordt op woensdag 11 juni 2014 Themadag Drones georganiseerd door STOWA en Rijkswaterstaat er wordt ingegaan in op wensen, verwachtingen, mogelijkheden en onmogelijkheden van onbemande vliegende platformen (UAV s of drones). Technology Readiness Level Voor toepassing in het waterbeheer in ontwikkeling en in veel gevallen nog niet meer dan een ideetrl 3-4. Literatuur Swartvast, Remote sensing voor inspectie van waterkeringen. Testvlucht TUD multikopter: van 179

130 6.2.7 Flexibele meetplatforms, Jet ski Een meetplatform dat meer en meer gebruikt wordt voor binnenwateren en de kustzone is de jetski. De jetski s zijn snel ter plaatse te krijgen, kunnen sneller meten dan reguliere schepen en kunnen in ondieper water en kleinere wateren opereren dan reguliere meetschepen. De beperking van de jetski zijn voornamelijk: de inhoud van de bezinetank, het uithoudingsvermogen van de bestuurder en eventuele golfslag. De grote tweezitter-versies kunnen worden uitgevoerd met een echolood voor de bathymetrie, of een ADCP voor het meten van stroomprofielen, en/of met een automatische samplinginstallatie voor het bepalen van waterkwaliteit. Een voorbeeld van een ervaren gebruiker van jetski s in de kustzone is de US Geological Survey te Santa Cruz. [USGS Walrus]. Voor waterkwaliteitsmetingen maakt de University van Alabama gebruik van een jetski uitgerust met een verkleinde versie van de eerder genoemde Seakeeper van YSI (zie foto s [Webb 2012]). Figuur 6.10 Jetski met een draagbare Seakeeper sampling installatie. Foto s Brett Webb, University of South Alambama. Status in Nederland In Nederland is het bedrijf Shore monitoring actief met jetski s voor het meten van bathymetrie bij de zandmotor. Op dit moment is Shore monitoring druk bezig om met deze meetopzet te kunnen voldoen aan de Nederlandse hydrografische normen. Stromingsmetingen en waterkwaliteitsmetingen met jetski s worden nog niet uitgevoerd in Nederland. Technology Readiness Level Prototype operationeel TRL7. Literatuur referenties [Webb 2012] Near-Synoptic Measurements of Surface Water Characteristics in a Reservoir Using a Personal Watercraft-Based Mapping System, HMEM conference van 179

131 6.2.8 Boeien als multi-parameter meetplatform. Op de Nederlandse markt zijn al jaren boeien beschikbaar die als platform dienen voor het meten van zowel waterkwantiteit- als waterkwaliteitsparameters. In de Noordzee wordt bijvoorbeeld de SMART buoy van CEFAS ingezet. Een sterke marktleider in dit gebied is FUGRO Oceanor. Ze leveren meerdere typen boeien, waaronder de Wavescan en de Seawatch. Met deze boeien kunnen, afhankelijk van de toegepaste sensoren, vele parameters gemeten worden. De beschikbare parameters zijn onder andere golfhoogte en golfrichting, stroming, wind, luchttemperatuur, watertemperatuur en saliniteits(profielen). De Seawatch kan onder andere worden uitgerust met een Nortek AquaDopp stroomsnelheidsprofielmeter die naar beneden kijkt (zie Figuur 6.11). De Seawatch wordt ingezet door de organisatie van Spaanse havens (Puertos Estada), maar ook voor onderzoek rond windmolenparken in de Noorse Zee. Leveranciers van meetsensoren leveren doorgaans hun meetsystemen ook op eigen meetboeien, zoals Nortek/OTT en Observator B.V. Boeien zijn flexibel omdat ze vrij eenvoudig zijn uit te zetten. Boeien zijn echter wel kwetsbaarder dan een meetplatform en bewegen rond hun ankerplaats, waardoor de boei niet continu exact op dezelfde plaats ligt. Dit kan en probleem vormen bij inzet langs vaargeulen. Status in Nederland. Er is bij RWS ervaring met het uitzetten van de Smart buoy van CEFAS. Deltares gebruikt een deel van de data van deze boeien. RWS gebruikt een boei van YSI voor het meten van meerdere waterkwaliteits parameters in het IJsselmeergebied en een markeringsboei voor zoutgehalte metingen bij de haringvlietsluizen. RWS Zee en Delta heeft boeien laten ontwikkelen die er uitzien als een markeringsboei, maar in werkelijkheid hol zijn en voorzien is van een stromingsmeter (ADCP) die ook temperatuur registreert. Dit is niet echt een multiparameter boei, maar wel een mooie illustratie van de mogelijkheden. Deze ADCP boeien zijn inmiddels operationeel in de Westerschelde en de Maasmonding. Deltares stelt multi-parameter boeien samen voor waterkwaliteitsmetingen voor klanten, zoals de haven van Singapore. Technology Readiness Level Operationeel TRL 9. Figuur 6.11 Seawachtboei met een Nortek stroomsnelheidsmeter 123 van 179

132 6.2.9 Meetframes: nog steeds bruikbaar Meetframes zijn niet weg te denken uit de dagelijkse praktijk van het meten in zee en kustwateren. Door het lanzaam aan kleiner worden van reguliere meetapparatuur en het beter worden van batterijen en vergroten van dataopslagcapaciteit blijft dat ook zo. Met meetframes kan langdurig, maar toch flexibel, gemonitord worden. Meetframes kunnen daarbij worden opgetuigd met allerlij meetapparatuur geheel naar gelang de vraag van het moment. Een voorbeeld is het frame van USGS met optische en akoetsische sensoren voor het bepalen sedimenttransport en de vertroebeling ten gevolge van zwevend stof. Het frame uitgerust met een beweegbare arm om sensoren (met een relatief klein meetbereik) de eerste 2 meter boven te bodem te kunen laten meten (zie Figuur 6.12). Figuur 6.12 USGS sediment meet frame met bewegende arm. Links schematische weergave en rechts een foto. Bron USGS. Status in Nederland. Met name Universiteit Utrecht maakt gebruik van meetframes in de kustzone. RWS had in het verleden veel ervaring met meetframes, maar past de meetframes niet veelvuldig meer toe. Technology Readiness Level Meetframes zijn een volledig bekend principe (TRL), maar de kennis en ervaring met nieuwe instrumenten die men wil gebruiken in een meetframe vergt telkens weer een (her)verkenningsslag. Literatuur USGS nieuwsbrief over meetframe : 124 van 179

133 7 Combinatie van in situ metingen, remote sensing en modellen In dit hoofdstuk worden projecten beschreven waarin combinaties worden gemaakt van mathematische modellen, in-situ metingen en remote sensing gegevens. Het is voornamelijk ter illustratie van wat er allemaal mogelijk is en al gedaan wordt en bevat daarnaast nog enkele nieuwe ideeën. Daarbij zijn grofweg de volgende categorieën te onderscheiden (andere indelingen zijn ook mogelijk): Model & metingen gecombineerd voor monitoring van een systeem Informatiebehoefte in het watersysteem heeft altijd een ruimtelijke en temporele component. Voor veel verschijnselen is de ruimtelijke variabiliteit hoog en kan met in-situ metingen de staat van het systeem niet voldoende nauwkeurig worden weergegeven. Voorbeelden van verschijnselen waar dit typisch voor geldt zijn sedimentverspreiding, algenbloei, zoutverdeling en stroming. In dat geval worden vaak ruimtelijke mathematische modellen ingezet voor de bepaling van de toestand van het systeem. Deze modellen worden gevalideerd op series van puntmetingen, maar is door de beperkte ruimtelijke dekking van de puntmetingen de juistheid van het model niet altijd te toetsen. Om dan tot voldoende betrouwbare informatie te komen is remote sensing een sterke informatiebron. Een uitgangspunt bij het combineren van de informatie uit verschillende bronnen is om de metingen en het model te beschouwen als geen absolute waarheid, maar te combineren met een eigen onzekerheid per bron (dwz assimileren). Vijf voorbeelden zijn gegeven in paragraaf 7.2 Verwachtingsmodellen waarin online metingen worden geassimileerd Voor het maken van toekomst verwachtingen (variërend van het weer tot het effect van een infra structurele ingreep) is het altijd noodzakelijk gebruik te maken van een model. Dit kan een analytisch of empirisch model zijn zoals een getijde tabel, maar vaker is het een mathematisch model. Ook daar is validatie met en/of assimilatie van in situ en remote sensing data is sterk in ontwikkeling. Nederland heeft daarbij een sterke positie met de instituten: TUD, TNO, Deltares en UU. Vier voorbeelden zijn gegeven in paragraaf 7.3 Model en metingen gebruiken voor optimalisatie van meetnet of meetstrategie. Bij het ontwerpen van meetnetten of meetcampagnes is kennis nodig van hydrodynamica, hydromorfologie, chemie en ecologie. Deze specifieke theoretische kennis moet aangevuld worden met kennis van het systeem waaraan men wil meten (bijvoorbeeld een rivier of zee). Het mobiliseren van deze kennis voor het ontwerpen of evalueren van een meetnet is niet altijd eenvoudig of mogelijk. Maar de kennis van zowel het systeem als de processen is ook vastgelegd in mathematische modellen. Het is gebleken dat vooral de operationele modellen zich goed lenen voor meetnetontwerp en kostenminimalisatie van monitoring. Dit komt doordat deze modellen continu aan de praktijk getoetst worden, de prestaties vastgelegd zijn en de data eenvoudig beschikbaar is. De nadelen zijn ook bekend; de modellen zijn niet altijd afgeregeld voor het hele bereik waar het meetnet of meetcampagne op gericht is of niet altijd gericht op dezelfde informatiebehoefte. Twee voorbeelden zijn gegeven in paragraaf van 179

134 7.1.1 Optimale ontsluiting van modeldata Ontsluiting van modeldata is een streven binnen de vernieuwde informatie verzamelstrategie van RWS. Daarvoor is allereerst natuurlijk een overzicht van beschikbare modellen nodig en de toepassing waarvoor ze ontwikkeld zijn dan wel toepasbaar zijn. Een dergelijk overzicht is in ontwikkeling en een eerste overzicht is beschikbaar via onderstaande wikipagina. Dit bevat het overzicht van hydrodynamische modellen die toegepast worden voor waterkwaliteit en ecologie. Deze lijst (de status van 2014) is opgenomen als bijlage D. (De werkelijke lijst van beschikbare moddellen is nog veel langer). cology Modellen en modelontwikkeling zijn verder geen onderwerp van deze inventarisatie. 7.2 Model & metingen gecombineerd voor monitoring van een systeem Slibverspreidingsonderzoek in het Markermeer (voor het voorspellen van het effect van ingrepen) Een voorbeeld van de combinatie van informatie uit remote sensing, in-situ puntdata en een hydrodynamisch en slib model is het slibverspreidingsonderzoek in het Markermeer. De figuur rechts toont het beeld van model en in-situmetingen, de sterretjes stellen de locaties van meetpalen voor. Metingen uit de twee in-situ stations werden voor het kalibreren van het model gebruikt, omdat de metingen met hoge frequentie beschikbaar waren (elke tien minuten). Een hoge frequentie is belangrijk om de korte termijn response van slib als reactie op de korte termijn variatie in de wind te kunnen monitoren. De ruimtelijke verdeling van sediment (die varieert met de tijd) kan echter niet in beeld gebracht worden met de 2 meetlocaties, maar ook niet met een veelvoud daarvan locaties. De modeluitkomst is dus niet te verifiëren met alleen de puntmetingen. Het linkerbeeld is afkomstig uit de satellietdata en gekalibreerd op langjarige metingen (watermonsters). Met dit beeld is het model te verifiëren en valt onmiddellijk op dat het op puntmetingen gevalideerde model de waarheid nog onvoldoende vat (van Kessel, et al, 2009). Status in Nederland Het slibmodel is gebruikt om een aantal inrichtingsmaatregelen te evalueren voor wat betreft de werveling en verspreiding van slib in bodem en in het water (Vijverberg, 2008). Technology Readiness Level Hoewel er nog ruimte is om het model te verbeteren is het model al gebruikt om inrichtingsmaatregelen te evalueren. De techniek van valideren van slibverspreiing met remote sensing is inmiddels opmeerdere loacties ingezet. TRL 8. Literatuur Van Kessel, T., G. de Boer, and P. Boderie, 2009, Calibration suspended sediment model Markermeer, Deltares report no , 98 pages Vijverberg, T., 2008, Analyse scenarioberekeningen Markermeer, Deltares report no. Q4613, 8 pages. 126 van 179

135 Figuur 7.1 Concentraties van gesuspendeerd materiaal (mg/l) in het Markermeer, links een gekalibreerd satellietbeeld, rechts een gekalibreerd model Meten van afvoeren - combineren van nieuwe technieken en modellen Afvoeren van rivieren worden klassiek bepaald met twee methoden een meting van een waterstand en berekening door middel van een Q h relatie door middel van debietmeters die zowel een stroomsnelheid als waterstand meten, wederom met een rekenformule om te komen tot debiet. Beide methoden worden gekalibreerd dan wel gevalideerd door onafhankelijke afvoer metingen met schepen. In sommige gevallen innovatieve gevallen wordt gebruik gemaakt van een hydrodynamisch model om de benodigde omrekenformules van waterstanden en snelheid naar debiet te bepalen. Wat deze methoden in de praktijk beperkt is dat ze bijna allemaal uitgaan van installatie van één waterstandmeter en/of debietmeter/stroomsnelheidsmeter in een enkele riviersectie (raai). Hierdoor is het zelden mogelijk om een opzet te maken die het gehele debietbereik bemeet, zeker niet als de rivierstroom verandert als gevolg van het meestromen van uiterwaarden en nevengeulen. Tevens is er geen data als het instrument uit valt. De neiging naar standaardisatie beperkt de mogelijkheden nog verder. Niet iedere opstelling is geschikt voor alle voorkomende omstandigheden. Denk daarbij aan het lastig te bemeten gelaagde stroming in een estuarium, versus de stroming in een rivier 127 van 179

136 Een deel van de oplossing is om met meerdere (vaste) instrumenten te meten over een waterloop. Dat kan dwars over de waterloop zijn en/of in stroom op of afwaartse richting. Dit is benoemd in paragraaf Maar dan moeten deze metingen nog steeds gekoppeld worden tot een afvoer. Dit zou kunnen door uit modelsimulaties een rekenformule op te stellen. Maar dit is een intensief proces en moet gewijzigd worden na ieder wijziging in de opstelling of de geometrie. De oplossing is om de gedachtegang om te draaien en het model leidend te laten zijn en de metingen van stroming en waterstand te assimileren (meer conform de aanpak in de Noordzee modellen). Het grote voordeel van deze aanpak is dat een data-modelsysteem opgezet kan worden ingezet voor allerlei configuraties van metingen. Aanpassingen kunnen eenvoudig worden gedaan. Ook is het systeem onafhankelijk van de keuze van meetinstrument. In principe kunnen waterstanden en of stroomsnelheden van allerlei bronnen geïntegreerd worden. Daardoor wordt het systeem inzetbaar over het gehele debietbereik en onder zeer wisselende situaties. Status in Nederland RWS heeft het probleem van de bepaling nauwkeurige afvoeren bij hoge afvoeren en in complexe situaties geprioriteerd (plan IV 2013). Aangezien een reguliere aanpak niet voldoet heeft RWSin 2012 een vooronderzoek laten doen naar mogelijke oplossingen. Er zijn ideeën voor een aantal proeven op locaties waar nu problemen zijn met de bepaling van hoge afvoeren, te weten Lobith en Eijsden. Daarbij is modelinzet een optie. Technology Readiness Level Het combineren van metingen met verschillende meettechnieken voor het bepalen van eeen parameter is niet nieuw, Het gebruik van een on-line model gevoed door verschillende metingen is ook niet nieuw,maar wel in de opzet zoals hier bedoeld: metingen van waterstanden en stromingen verspreid over een complex maar relatief klein gebied gebruiken in een kleinschalig 3D model d.m.v. assimilatie. Het principe is als idee getoetst (TRL 2) en vanwege beschikbare componeneten (zowel meetapparatuur als modellen als assimilatie techniken genoemd in de andere paragrafen) en beschikbare kennis snel naar prototype niveau te brengen (TRL6) Literatuur USGS Deltares Cooperation agreement Waterstanden en golven: het in de modellen combineren van satelliet radar altimetrie, scatterometers en in situ metingen Zoals vermeld in hoofdstuk 3 kan altimeter data gebruikt worden voor het bepalen van waterstanden, maar ook voor het afleiden van significante golfhoogte. Scatterometerdata kan gebruikt worden voor het afleiden van wind aan het zeeoppervlak. Het European Center for Medium range Weather Forecast maakt gebruik van de satelliet altimeter data om significante golfhoogte te bepalen en te assimileren in hun golfverwachtingen voor onder andere de Noordzee. Dit kan omdat het ECMWF een globaal model gebruikt waardoor altijd één of meerdere van de satellieten een stuk van het model bestrijken en data geassimileerd kan worden. Tevens heeft het ECMWF on line toegang tot de data. 128 van 179

137 Als bron voor golfspectra en stroming is de data ook interessant. Er lopen 2 onderzoeksprojecten waarin de mogelijkheid van data assimilatie van de satellieten direct in de Noordzee modellen wordt bekeken: MyOcean voor stromingen en MyWave voor golven. Maar ook validatie van het nieuwe golfmodel SWAN voor de Noordzee ligt in de mogelijkheden. Waarbij natuurlijk met name meerwaarde aan de randen van het continentaal plat te verwachten valt. De beperking blijft de niet continue dekking van Noordzee en de vaste omlooptijden, waardoor de meest interessante gebeurtenissen, de stormen op de Noordzee, niet altijd gevangen worden in de data. Status in Nederland De data is gebruikt als aanvullende informatie voor het optimaliseren van één van de Hydrodynamische modellen van Rijkswaterstaat: het Dutch Continental Shelf Model (DCSM versie 6) (Zijl 2009). Dit model is sinds 2012 door RWS in gebruik voor de dagelijkse voorspellingen van de waterstanden op de Noordzee en de Nederlandse kust. Door de verwerkingstijd die nu nog ligt tussen metingen en oplevering van de waterstandsgegevens kunnen de satellietdata nu nog niet door RWS gebruikt worden om direct te assimileren in de datastroom van de voorspellingen van waterstanden in de Noordzee. Technology Readiness Level Operationeel voor waterstanden, significante golfhoogte en wind aan het zee oppervlak.trl 9. In onderzoeksfase voor golfspectra en stroming TRL 5 Literatuur (Zijl 2009) DCSM v6 model setup and calibration of tidal propagation, F. Zijl, Rapportnummer Z4632, Deltares Onzekerheidsanalyse verwachtingsmodellen door middel van stochastische modelering en metingen. Data-model combinatie kan gebruikt worden om voorspellingsonzekerheden van een model te schatten. Voor de Noordzee is het Dutch Continental Shelf Model (DCSMv5) van RWS gebruikt voor het voorspellen van waterstanden op allerlei locaties. Het operationele DCSMv5 is gekoppeld met een data assimilatie techniek (steady state Kalman filter) om de waterstandsvoorspellingen te verbeteren. Het Kalman filter is ontwikkeld op basis van een uitgebreide versie van het onderliggende model die zowel de waterstanden en stromen als de bijbehorende onzekerheden voorspelt. Op basis van dit model zijn de lange termijn onzekerheden van de DCSMv5 waterstandsvoorspellingen bepaald (Figuur 7.2). De geschatte onzekerheden zijn gevalideerd tegen model- en meetgegevens. Het ruimtelijke patroon van de geschatte onzekerheden is consistent met de werkelijke onzekerheden. Ze zijn echter iets te laag geschat en liggen voor de meeste locaties binnen 20% van de werkelijke onzekerheden (Sumihar, et al, 2009). Deze resultaten kunnen gebruikt worden als eerste schatting, maar voor een nauwkeuriger schatting van onzekerheden is meer onderzoek nodig. 129 van 179

138 Figuur 7.2 Geschatte lange termijn onzekerheden van DCSMv5 waterstandsvoorspellingen (RMSE in meters). Status in Nederland De onzekerheid schattingen voor het DCSMv5 is operationeel gebruikt in het PREMO (PREdiction Module) van de Hydrografiedienst, Ministerie van Defensie. Technology Readiness Level Zoals eerder genoemd zijn deze technieken al operationeel gebruikt. TRL 9. Literatuur Sumihar, J., M. Verlaan, A. Weerts, and R. Schroevers, 2009: Uncertainty analysis on waterlevels and discharges produced by data model integrated systems, Deltares report no , 43 pages Onzekerheidsanalyse verwachtingsmodellen: Onzekerheidsschatting door middel van kwantiel regressie: Op de Nederlandse rivieren werd tot voor kort voor de voorspellingen geen gebruik gemaakt van ensemble voorspellingen. Daardoor was de hierboven beschreven methode niet toepasbaar en is een ander methode toegepast die ook door Deltares is ingezet in Groot Brittannië (Weerts, et al, 2011). Voor de Rijn, Maas en IJssel zijn de onzekerheden van waterstands- en debietsvoorspellingen geschat met gebruik van de kwantiel-regressiemethode. Deze methode geeft schattingen van de kwantielen van voorspellingsonzekerheden op basis van de model-minus-metingen residuen. Deze methode werkt goed zowel voor de waterstand als voor de afvoer. Hij werkt echter alleen voor locaties van de metingen. Op bepaalde locaties tussen twee meetstations kunnen onzekerheidsschattingen met behulp van lineaire interpolatie verkregen worden (Sumihar, et al, 2009, Roscoe et. al. 2012). 130 van 179

139 Figuur 7.3 Waterstandsvoorspellingen (18 uur voorspelstermijn) en de bijbehorende geschatte 95% betrouwbaarheidsintervals op locatie Nijmegen Haven in het jaar Status in Nederland De resultaten van de kwantiel-regressiemethode worden operationeel gebruikt in RWsOS- Rivieren. Technology Readiness Level Zoals eerder genoemd zijn deze technieken al operationeel gebruikt. TRL 9. Literatuur Roscoe K.L., Weerts A,. Schroevers M., 2012: Estimation of the uncertainty in water level forecasts at ungauged river locations using quantile, International Journal of River Basin Management. - Vol. 10 no. 4 ; p van 179

140 7.3 Verwachtingsmodellen waarin online metingen worden geassimileerd Golven en stroming: combineren van HF radar en model Met HF radars kunnen oppervlakte stromingen worden gemeten. Deze stromingen kunnen worden geassimileerd in een hydrodynamisch voorspelmodel. Deze voorspellingen kunnen vervolgens gebruikt worden voor meerdere toepassingen zoals scheepvaart en verspreiding van (giftige) stoffen. Figuur 1.9 geeft de uitvoer van oppervlakte stroming van 3 HF-radars in de Duitse bocht. Het Helmholtz Zentrum Geesthacht (HZG) gebruikt deze data om te assimileren met een 2D hydrodynamisch model. Het overlappend gebied van de radars beslaat meer dan 100 km 2. Figuur 7.9 Stroomvectoren van het gebied in de Duitse bocht. Links de dekking van de individuele radars, rechts de samengestelde stromingsvectoren uit de overlappende gebieden. In Malta zijn eveneens een set HF radars geplaatst ten behoeve van operationele voorspelling voor de scheepvaart en voor aansturing van olieverspreidingsmodellen bij een calamiteit. Figuur 7.9 Schematische weergave van de dekking van de HF radars in de straat van Malta. 132 van 179

141 Uit de HF radar gegevens kunnen 2D golfspectra (golfrichting, golffrequentie en golfenergie) berekend worden over een tijdsinterval van bijvoorbeeld 20 minuten. Uit deze spectra kan o.a. de significante golfhoogte worden afgeleid. Voorbeelden van assimilatie van deze gegevens met golfmodellen is ons niet bekend. Status in Nederland Voor de scheepvaartbegeleiding van en naar Rotterdam, IJmuiden, Vlissingen en Eemshaven is veel informatie nodig over hydrodynamische en meteorologische omstandigheden. In 1998 zijn de eerste geslaagde pogingen gedaan om stromingen uit HF radars te assimileren in een hydrodynamisch model. De tijd was echter niet rijp (en de computers niet krachtig genoeg) om deze strategie door te zetten. In 2012 is de mogelijkheid van HF radar in combinatie met een model benoemd als de meest toekomstbestendige oplossing voor de informatievoorziening in en rond de Euro en Maasgeul. In 2013 is begonnen met de planningen en nodige aanschaf van apparatuur en modelsoftware. Het model zal een 3D model zijn, vanwege de complexe stroming in de monding van de Rijn. Gemeten waterstanden en oppervlakte stromingen ( Hf radar) zullen geassimileerd worden in het model. De gewenste nauwkeurigheid voor de voorspellingen van de combinatie HF radar- 3D model is 20 cm/s in de component dwars op de vaargeulen. Literatuur Helmholtz Zentrum Geesthacht HZG, COSYNA project Malta, Calypso project, CoBios/MoS2: combinatie model en satelliet remote sensing voor algaebloom Op het gebied van waterkwaliteit wordt model-data combinatie gebruikt bijvoorbeeld voor het monitoren van algenconcentratie in de Noordzee. In het EU project CoBios (Coastal Biomass Observatory Services) is een portal ontwikkeld waarop informatie over algenconcentratie in de Noordzee real time beschikbaar wordt gemaakt. De informatie over algenconcentratie komt uit zowel waterkwaliteitsmodellen als satellietobservaties van verschillende instellingen. Figuur 7.4 toont een screenshot van de CoBios portal aan die algenconcentratie op 08 april 2014 weergeeft. Zoals te zien in de figuur dekt modeldata het hele gebied van de Noordzee, terwijl satellietdata op die tijdstip alleen een gedeelte van de Noordzee dekt. Dit komt omdat de dekking van satellietobservatie afhankelijk is van de toestand van het weer (wolk). Satelliet data alleen zijn dus niet voldoende om informatie over alle willekeurige locaties in de Noordzee te kunnen voorzien. Modellen zijn hier ook gebruikt om algenconcentratie drie dagen vooruit te voorspellen. Op die manier geeft de combinatie tussen model en metingen de best mogelijke informatie over algenconcentratie. 133 van 179

142 Figuur 7.4 Algenconcentratie in de Noordzee: modelverwachtingen (links) en satelliet data (rechts) live op de CoBios portal. Status in Nederland De CoBios portal is beschikbaar. Technology Readiness Level TRL 9. Literatuur Blaas, M., J. Sumihar, S.G. Aguilar, G. el Serafy, K. Cronin, J. Dijkstra, and N. Villars, 2014, Model-supported trend analysis of SPM in the southern North Sea, Deltares report no van 179

143 7.3.3 Sedimentconcentratie voorspellingen (Model supported monitoring) HBR. Monitoring van het effect van de aanleg van Maasvlakte 2 In het project (Model-supported monitoring of SPM, MoS2), om de invloed van de zandwinning en de aanleg van de Maasvlakte-2 (MV2) te bestuderen zijn verschillende bronnen van informatie over Suspended Particulate Matter (SPM, zwevend slib) concentraties gebruikt: in-situ observaties, slib profieler, satelliet data (Medium Resolution Imaging Spectrometer/MERIS), en een numeriek hydrodynamisch-transport model. Het model is gekalibreerd om de autonome ontwikkeling van de SPM toestand op dit gebied te voorspellen, d.w.z. hoe de SPM zou variëren als MV2 niet aangelegd was. Het is gebleken dat het gebruik van in-situ metingen alleen niet voldoende is om de invloed van MV2 te kunnen bepalen. MERIS data heeft een enorme bijdrage gegeven aan ruimtelijke informatie van de SPM concentraties die belangrijk is voor zulke ecologische studie. De combinatie tussen het numerieke model en MERIS data heeft tot nauwkeuriger schattingen van de invloed van MV2 geleid dan analyse op basis van in-situ en/of MERIS data alleen (Blaas, et al, 2014). Figuur 7.5 Geschatte toename van SPM concentratie in de zuidelijke Noordzee als invloed van de zandwinning voor en aanleg van MV2. Status in Nederland Het MoS2 studie is klaar en de rapporten daarover zijn aan het Haven Bedrijf van Rotterdam geleverd. Technology Readiness Level TRL van 179

144 7.3.4 Rivierwaterkwaliteit voorspellingen: combineren van numeriek model en in-situ meetgegevens. In Zuid Korea heeft een restoratieproject van de vier grootste rivieren plaatsgevonden. Als een deel van dit project werden 16 sluizen en stuwen in de rivieren opgebouwd om de waterstromen te beheren. De aanwezigheid van de sluizen en stuwen heeft invloed op de waterkwaliteit: het water blijft langer in de rivier en dat kan tot een hoger risico van algenbloei leiden (Loos, et al, 2012). Om het operationeel gebruik van de sluizen en stuwen te ondersteunen en ook voor het informeren van het publiek over de waterkwaliteit van de rivieren is een waterkwaliteitsvoorspelsysteem ontwikkeld op basis van een numeriek model dat waterbewegingen en waterkwaliteitsprocessen in de rivieren simuleert. Figuur 7.6 Verschillende sluizen en stuwen in de grootste rivieren in Zuid Korea. Het is gewenst om de nauwkeurigheid van de voorspellingen te verbeteren door een techniek van data assimilatie te gebruiken. De techniek combineert in-situ waterkwaliteitsmeetgegevens en het numerieke model om een meer nauwkeurige, optimale schatting van de initiële toestand van het model te krijgen. Een nauwkeuriger initiële toestand leidt ook tot nauwkeuriger voorspellingen. De eerste stap naar de toepassing van data assimilatie voor dit systeem is al genomen (Sumihar et al, 2013). Daar zijn een aantal basis experimenten met gebruik van synthetische metingen gedaan om de werking van de data assimilatie techniek voor dit systeem te verkennen en te begrijpen. Experimenten op basis van echte metingen zijn ook gedaan en hebben de potentie van data assimilatie gedemonstreerd voor het verbeteren van de nauwkeurigheid van korte termijn waterkwaliteitsvoorspellingen. Zoals aangetoond in Figuur 7.7 zijn de korte termijn voorspellingen met data assimilatie nauwkeuriger dan het onderliggende deterministische model. Dit geldt niet alleen op het assimilatie station, waarop metingen geassimileerd worden, maar ook op validatie stations, benedenstroom van het assimilatie station, waar metingen niet geassimileerd worden. Status in Nederland Er is nog niets vergelijkbaars in Nederland. 136 van 179

145 Technology Readiness Level OpenDA en FEWS technology apart volledig operationeel, maar nog beperkt in combinatie gebruikt. Er zit nog iets aan ontwikkeling en optimalisatie in. TRL 7. Figuur 7.7 Eerste resultaten van data assimilatie experimenten met echte metingen van alg concentratie: op het assimilatie station (boven) en op een benedenstroom validatie station (beneden). Blauwe lijnen zijn deterministische voorspellingen, rode band, licht groene en lichte blauwe lijnen zijn de percentiel en de maximum en minimum voorspellingen met data assimilatie, en rode vierkanten zijn metingen. Literatuur Loos, S., K. Kim, M. Lemans, E.H. Na, A. Kockx, and D. Twigt, 2012: Water quality forecasting at 16 weirs in the four major river basins of Korea in an OpenDA environment, International Conference of Hydroinformatics Sumihar, J., S. Loos, and A.H. Weerts, 2013, Application of Ensemble Kalman Filtering for water quality forecasting in Han River, Deltares Report, ZWS-0016, 59 pages Real time dijkstabiliteit voorspellingen met gebruik van model en stijghoogte metingen via assimilatie Er is een numeriek model ontwikkeld om de stabiliteit van een dijk te kunnen voorspellen (Esch, 2012). Het model bestaat uit twee componenten: een grondwater model en een dijksstabilitiet model (DAM FLOW). Het grondwater model simuleert de dynamiek van de stijghoogte onder een dijk. Op basis van de distributie van de stijghoogte over de breedte van het dijkprofiel bepaalt het dijksstabiliteit model de stabiliteit van de dijk. Voor een aantal dijken zijn gemeten stijghoogten beschikbaar op een aantal locaties onder een dijk (gemeten met gemeten piezometers). In die gevallen is het mogelijk om de gemeten waarden te gebruiken voor data assimilatie en daarmee de nauwkeurigheid van het model te verbeteren. Een eerste stap hiervoor is genomen zowel voor het kalibreren van het model als het verbeteren van de toestand van het model (Cruz, 2012). Een nauwkeuriger grondwatermodel zal, zo is te verwachten, tot een nauwkeuriger beoordeling van dijksstabiliteit leiden. Met gebruik van synthetische metingen is het gebleken dat data assimilatie de nauwkeurigheid van het grondwater model kan verbeteren (Figuur 7.8). 137 van 179

146 Figuur 7.8 Schema van een dijk gebruikt in de eerste studie (links) en stijghoogte op locatie 1 (rechts). Data assimilatie brengt het model dichterbij de ware stijghoogte dan het onderliggende deterministische model. Status in Nederland Onderzoek wordt nog gedaan naar de toepasbaarheid van de data assimilatie technieken in realistischer toestanden. Technology Readiness Level Het model is nog in ontwikkeling. Momenteel wordt in een ander project aan een 3D versie van het model gewerkt. Data assimilatie wordt gedaan met gebruik van OpenDA. In een ander project wordt momenteel in OpenDA een nieuw algoritme toegevoegd en voor dit model getest. TRL 5. Literatuur Cruz, J. de la, 2012, Data assimilation for real time stability of dikes and dams, Flood Control 2015 report, 42 pages Esch, J., 2012, Modeling groundwater flow through dikes and levees for real time stability assessment, XIX International Conference on Water Resources, CMWR Model en metingen gebruiken voor optimalisatie van meetnet of meetstrategie Meetnet evaluatie waterstanden Westerschelde. observatie gevoeligheid analyse- Observation sensitivity analysis Een procedure voor meetnetevaluatie en optimalisatie is vastgelegd voor een data-modelgeïntegreerd (DMI) waterstandsmonitoringssysteem (Schroevers, et al, 2013). In een DMI systeem worden meetgegevens geassimileerd om de nauwkeurigheid van het onderliggende model te verbeteren. De bijdrage van verschillende metingen naar de nauwkeurigheidsverbeteringen is verschillend en afhankelijk van o.a. locaties en karakteristieken van het meetinstrument en de dynamiek van het fysische systeem. In de context van een DMI systeem is een optimaal meetnetwerk gedefinieerd als een kleinste set van meetstations waardoor het DMI systeem nog aan de gespecificeerde nauwkeurigheidseisen voldoet. De procedure is ontwikkeld op basis van een techniek die de bijdrage van elke meetlocatie aan de nauwkeurigheidsverbeteringen van een DMI systeem schat zonder het DMI systeem zelf op te bouwen (Sumihar en Verlaan, 2010). Een demonstratie van de procedure is voor het waterstandsmeetnet in de Westerschelde gedemonstreerd met gebruik van het KustZuidv3 model (Schroevers, et al, 2013). Het is 138 van 179

147 gebleken dat uit een meetnet van 33 stations, 12 stations nodig zijn om een DMI waterstandsmonitoringssysteem te bouwen dat aan een nauwkeurigheidcriterium van RMSE 10 cm voldoet. Figuur 7.9 Geschatte onzekerheden van waterstanden zonder (blauwe bars) en met assimilatie van metingen uit 12 meetstations (rode bars). Stations met asterisk zijn assimilatie stations die met gebruik van de optimalisatie procedure geselecteerd waren. Status in Nederland De techniek van observatie gevoeligheid analyse werd gebruikt in het selecteren van assimilatie meetstations in het nieuwe stormvloedvoorspellingssysteem DCSMv6 - ZUNOv4. Technology Readiness Level Meer onderzoek is nodig om het gereedschap van observatie gevoeligheid analyse verder te valideren. (Wordt de geschatte nauwkeurigheids verbetering ook echt gehaald?). TRL8. Literatuur M. Schroevers, J. Sumihar, and S.G. Aguilar, 2013: Assessment Zealand water level measurement network, creating a method for evaluating measurement networks using hydrodynamic models, Deltares report no , 55 pages. Sumihar, J. and M. Verlaan, 2010: Observation sensitivity analysis: developing tools to evaluate and improve monitoring networks, Deltares report no ZWS van 179

148 7.4.2 Meetstrategie aan de hand van verwerkte bodemligging gegevens en morfologische modelering (project ODYN ) Voor bodemliggingsmeetstrategie wordt een risico-gestuurd monitoringsproces beoogd. Hiermee wordt bedoeld dat de herhaal frequentie van de monitoring van een gebied bepaald wordt afhankelijk van welke gebeurtenissen kunnen optreden en wat daarvan de gevolgen zijn op dat gebied. Om deze strategie te kunnen maken is een morfologisch model nodig dat een voorspelling moet doen van de bodemhoogte en rekening houdt met de invloed van scheepvaart. Om tot een dergelijk model te kunnen komen wordt fundamenteel onderzoek aan morfologische processen gedaan. Op basis van metingen zijn verschillende analyses gemaakt. Voor karakterisatie van offshore en kustgebieden is een verticale trend-methode ontwikkeld en factoren die hypothetisch de natuurlijke bodemdynamiek bepalen zijn geïdentificeerd (van Dijk et al, 2012). Wanneer de minimale trend die men wil kunnen vastleggen wordt gegeven, kan de benodigde monitoringsfrequentie worden afgeleid. Over het algemeen zullen gebieden waar gebaggerd wordt niet in evenwicht zijn en niet voldoen aan de natuurlijke trend. De morfologische veranderingen verlopen sneller dan in de natuurlijke situatie. Ook voor deze gebieden wordt getracht de karakteristieke ontwikkeling vast te leggen als functie van de baggerfrequentie. Hieruit kunnen en vervolgens de bodem ontwikkeling en monitoringsfrequentie worden af geleid. Een eerste analyse is gemaakt van de baggerdata voor de Maasgeul (Hijma en Vermaas, 2013). Deze morfologische processen worden verder onderzocht om tot een goede voorspelling te komen. Status in Nederland Fundamenteel onderzoek wordt in het project SMARTSEA gedaan met verschillende onderwerpen zoals volgt: (1) invloed van golven op zandgolfdynamiek, (2) feedback tussen bodemdynamiek en vaarwegonderhoud, en (3) het ontwikkelen van een risico-gestuurd opnemingsplan. Verder wordt in het KPP-programma 2014 aan de volgende onderwerpen in 2014 gewerkt: (1) verdere uitwerking van de effecten van baggeractiviteiten op de bodemdynamiek, (2) advies over de monitoringsstrategie voor de Maasgeul, (3) inpassen van bodemdynamiek als relevante systeemkennis in de algemene monitoringsstrategie, (4) verkenning van de inpassing van deze technieken bij de rivieren. Technology Readiness Level Het model is nog in ontwikkeling. TRL 5. Literatuur Van Dijk, T.A.G.P., C.F. van der Mark, P.J. Doornenbal, P.J. Menninga, J.F. Keppel, D. Rodriquez Aguilera, V. Hopman, G. Erkens, 2012, Onderzoek Meetstrategie en Bodemdynamiek, Deltares report no Hijma, M.P., Vermaas, T., 2013, Sedimentbudget van de Maasgeul, Noordzee Baggeren en sedimentatie, Deltares report no van 179

149 7.5 Overzicht van andere voorbeelden van meet en modelcombinaties Hierbij een overzicht nog enkele andere RWS en Deltares projecten en onderzoeksvoorstellen waar modellen en metingen nauw samen worden gebruikt voor het verkrijgen van informatie: In de modellen die dagelijks draaien bij Rijkswaterstaat (de RWS Operationele Systemen) voor de bepaling van de waterbeweging en golven op de Noordzee, rivieren en meren worden gemeten waterstanden en afvoeren gebruikt of geassimileerd. Deze data wordt daarna hergebruikt voor meerdere toepassingen. Stromingsgegevens assimileren in een hydrodynamisch model voor water kwaliteit voorspellingen (Osaka bay Japan). Optimalisatie grondwater meetnet waterschap Regge en dinkel op bais van metingen en model. Dimmie Hendriks,Marijn Kuijper,Wiebe Borren, Rob van Dongen, Integrale en innovatieve grondwatermeetnet, H2O no juni 2012, pg Forecasting, monitoring en bron bepaling (Inverse modelling) van olie spil, Search & Rescue en verloren lading op basis van een hydrodynamisch model en navigatieradar Singapore, voorstel met gebruik van SeaDarq. Binnen het COVADEM initiatief wordt bodemligging bepaald uit echo lood data van binnenvaarderschepen. Op basis van deze data kunnen updates gemaakt worden van de bodemliggingskaart. Er is een voorstel om aansluitend met een morfologisch model een verwachting maken van bodemdynamiek. SMART Waterways voorstel. 7.6 Advies gebruik van combinaties meten en modellen. Deltares adviseert RWS om nog sterker in te zetten op het combineren van metingen en modellen, maar ook metingen met metingen. Bij voorkeur van al bestaande metingen en modellen. In een aantal hiervoor genoemde projecten blijft het namelijk bij een eenmalige inzet of de inzet voor de duur van een project. RWS heeft de bronnen al voorhanden. Nieuwe vragen om informatie kunnen vaak vervuld worden door het combineren van bestaande gegevens. Vanuit de informatiebehoefte zijn een aantal gaten geïdentificeerd in de beschikbare gegevens. RWS neemt op de meeste van die gaten al actie en daarbij kunnen datamodel combinaties een goed rol vervullen. We doen de volgende voorstellen, in volgorde van prioriteit: Afvoeren. Er is behoefte aan meer en nauwkeurigere informatie van afvoeren. In het midden bereik is dit voor de bovenrivieren goed gedekt, maar niet voor hogere afvoeren (bijv. > 5000 m 3 /s in de Rijn). Deltares stelt voor om een datamodelcombinatie uit te testen voor Lobith op basis van de aanwezige meetapparatuur (HADCP en waterstandsmeters), een 3D model (bij voorkeur een bestaand model) en eventueel aangevuld met een extra meting in een uiterwaard (bijv. een extra ADCP of HADCP). Het bereik waar dit op getoetst zou worden is m 3 /s. 141 van 179

150 Temperatuur. Er is behoefte aan meer temperatuur informatie en verwachtingen van temperatuur, zowel bij lage afvoeren en hoge temperaturen, als bij vorst in t.b.v. het beheer van stuwen. Hiervoor zijn operationele temperatuurmodellen in ontwikkeld (onder het verwachtingsinstrument RWS OS Waterbeheer) en uitbreidingen gedaan op het temperatuur meetnet. De voorspelkracht van de modellen en de ruimtelijke informatievoorziening van temperatuur kunnen verbeterd worden als deze ontwikkelingen gekoppeld en afgestemd worden. Daarvoor is ontsluiting van bovenstroomse buitenlandse temperatuurmetingen in de Rijn en Maas nodig. Daarbij is de inzet van de beschikbare data-assimilatietechnieken een optie die we voorstellen om te verkennen. Bij voorkeur uitgebreid met een evaluatie van het temperatuurmeetnet op basis van data-modelintegratie technieken. Daarnaast stellen we voor het voorspelsysteem uit te breiden met een ijsgroei model, waardoor de informatie voor het beheer van de stuwen optimaal wordt. Zoutindringing. In verband bepalen van de effecten van ingrepen in de watersystemen en dan met name sluizen is informatienodig of zoutindringing en verwachte wijziging in zoutindringing. Daarvoor worden modellen ingezet die gevoed moeten worden met metingen. Het benodigde meetnet moet worden aangepast op basis van de tekortkomingen van de modellen. Daar is een aanzet voor gedaan, maar dit kan voortgezet worden. Daarbij zal direct rekening gehouden kunnen worden met de verwachting dat men op korte termijn gaat vragen om operationele verwachtingen van zoutindringing om de zoutindringing te kunnen beheersen met maatregelen. Dit kan worden verwezenlijkt door de huidige operationele modellen meer te gaan afstemmen en toetsen op zout en een verkenning van het toepassen van data-assimilatie van zout. Dit vraagt meetlocaties afgestemd op een verwachtingssysteem, niet op signalering (Dit betreft eveneens de modellen en metingen zoals gebruikt in RWS OS waterbeheer en mogelijk op termijn ook RWS OS IWP). Vrachten en transport van stoffen. De KRW en KRM vragen om rapportage van transporten (fluxen) van zowel slib als chemische stoffen in de rivieren en Noordzee. Dit gebeurt nu op basis van bemonstering. De data model combinatie zoals toegepast voor MOS 2 is toepasbaar om hier efficiënt de passende informatie voor te genereren. Een pilot om dit toepasbaar te maken voor de KRM rapportage lijkt ons opportuun. In volgorde van uitvoerbaarheid is het voorstel voor temperatuur het snelst te realiseren gevolgd door afvoeren en zoutindringing. Tevens wordt geadviseerd om aanzet te maken met een (statistische) methode voor het bepalen van ruimtelijke informatie inhoud van puntmetingen en ruimtelijk dekkende metingen. Daardoor zal een objectieve keuze mogelijk worden bij het inzetten van verschillende technieken en de optimale combinatie van metingen en modellen. 142 van 179

151 8 Databases; een schat aan herbruikbare data Dit hoofdstuk beschrijft een verkenning van databases die een potentiele meerwaarde kunnen hebben voor RWS. Dit betreft data in de werkvelden waterkwantiteit, waterkwaliteit en bodemligging vanuit zowel de mariene sector als de binnenwateren. Deze data is afkomstig uit zowel de private sector, kennis instellingen als overheidsinstanties zowel nationaal als internationaal en bevat zowel meetdata als modeldata. Onderscheidend naar beschikbaarheid kunnen de databronnen onderverdeeld worden in de volgende typen: Via het internet beschikbare data databases die niet direct toegankelijk zijn Data portalen die een overzicht geven en door linken naar andere databases Data die niet beschikbaar is via internet, maar wel opvraagbaar is. Afgesloten data Een overzicht van interessante organisaties is gegeven in appendix B. Daarin is vermeld welke organisatie het betreft, van welk werkveld de data beschikbaar is en voor welk gebied, inclusief een beschrijving in enkele woorden en een weblink. Het overzicht bevat 16 vermeldingen van kennisorganisaties, 10 uit buurlanden en ongeveer 20 databases van Rijksoverheden waaronder RWS zelf. Het overzicht geeft daarbij ook enige links naar data grenzend aan de werkvelden waterkwantiteit, waterkwaliteit en bodemligging. Het overzicht is niet compleet, maar geeft wel een redelijk beeld van de beschikbare data. Uit de lijst zijn de volgende organisatie geselecteerd die verder zijn behandeld. De nadruk is gelegd op de beschrijving van de data en de originele data bron, met een actuele weblink (anno juni-2014) naar de originele dataset dan wel een replica van de originele dataset. NIOZ ESA Havenbedrijf Rotterdam Rijkswaterstaat Het criterium voor deze selectie was dat de datasets, in ieder geval deels, publiekelijk toegankelijk zijn, welke een directe relevantie hebben voor RWS en (zover Deltares dat kan zien) nog niet ten volle gebruikt worden door RWS. Daarnaast is via deze organisaties weer een aantal andere databases en partijen te vinden. Daarnaast is in de inventarisatie van databronnen naar voren gekomen dat RWS zelf veel data tot haar beschikking heeft die beter kan worden hergebruikt of nog niet volledig is ontsloten. Relatief gezien is dit zelfs de grootste bron van ongebruikte data die RWS kan aanboren. Een deel van deze databronnen binnen RWS wordt nu aangepakt/ontsloten in het project data management mariene projecten dat beschreven staat in paragraaf van 179

152 8.1 NIOZ Het Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ) verricht zowel fundamenteel als toegepast wetenschappelijk onderzoek. Dit onafhankelijk instituut voert onderzoek uit in het werkveld van oceanografie, biologie, toxicologie, biochemie en geologie. Deze wetenschappelijke kennis ondersteund het onderwijs maar vindt ook een toegepast in het bedrijfsleven. De datasets welke in dit hoofdstuk zijn toegelicht beslaan de publiekelijk toegankelijke databases van het NIOZ welke een directe relevantie hebben voor Rijkswaterstaat op het gebied van waterkwantiteit, waterkwaliteit en bodemligging. Het webportaal van NIOZ ontsluit datasets van zowel eigen onderzoeksresultaten als resultaten vanuit verschillende nationale- en internationale consortia waar het NIOZ bij is aangesloten. In de beschrijving van de publiekelijke datasets van het NIOZ zal hier een onderscheidt in gemaakt worden. Een overzicht van deze portaals is te vinden op de volgende website Naast de openbare data heeft NIOZ ook datasets die niet openbaar zijn. De data die wordt ingewonnen aan boord van de veerdienst tussen Den Helder en Texel is daar een voorbeeld van. Een overzicht van deze niet publieke dat ontbreekt. Figuur 8.1 NIOZ webportaal Data beleid Het NIOZ streeft naar een gestandaardiseerde archiveringswijze en uitwisseling. Hierbij wordt de ISO normering voor metadataformaten en de Europese SeaDataNet normen voor datauitwisseling gehanteerd. Dit komt ten goede van het databeheer waarin het terugzoeken van datasets wordt vergemakkelijkt. Voor het beheren van de datasets en het waarborgen van de datastandaards, heeft het NIOZ een zogenaamde Data Management Group (DMG) aangewezen. De voornaamste doelstellingen van het DMG zijn om de data zo open- en toegankelijk mogelijk te maken voor 144 van 179

153 derden en de kwaliteit van de datasets te waarborgen. Daarin hebben zij tevens een ondersteunde- en adviserende taak in het uitwisselen van datasets aan derden NIOZ portals: CODIS, Corebase en Coulours Een drietal specifieke databases van het NIOZ zijn te bevragen via het webportaal. Deze databases bevatten voornamelijk gemeten resultaten van oceanografisch- en marine onderzoek. Het NIOZ heeft deze databases ondergebracht onder de naam CODIS, CoreBase en Colours, welke hieronder nader worden toegelicht CODIS, data uit vaartochten en mooring data Centralized Oceanographic Data Information System of als CODIS, is een database opzet door het NIOZ welke marine data ontsluit die is voortgekomen uit wetenschappelijke vaartochten sinds Dit bevat zowel biologische- als chemische en fysische meetgegevens die worden samengevat onder: CTD- en mooring data. Met behulp van het CTD meetinstrument kunnen karakteristieken van het zeewater gemeten worden als bijvoorbeeld de temperatuur, diepte en saliniteit van het water. Maar door de cluster van sensors uit te breiden kunnen vervolgens chemische- en biologische parameters gemeten worden als de opgeloste zuurstof of chlorofylfluorescentie en zo vele andere parameters welke relevant zijn voor het onderzoek. Figuur 8.2 CODIS zoek-wizard De routes van de vaartochten waar de metingen zijn uitgevoerd zijn tevens gedocumenteerd. Via het webportaal is het mogelijk om per individuele vaartocht de geacquireerde datasets op te vragen. Een individuele vaartocht kan met behulp van filters relatief snel worden opgezocht, waarna vervolgens de data gestandaardiseerd en overzichtelijk wordt weergeven. Daarnaast is er een zoek-wizard aanwezig om relatief snel datasets samen te stellen en op te vragen. De data kan direct gevisualiseerd worden in grafieken of gedownload worden voor eigen gebruik. 145 van 179

154 Figuur 8.3 Vaartocht van geacquireerde dataset van Noordzee monitoring juni CoreBase, samples van sedimentcores Het NIOZ onderhoudt een database waar samples van sediment cores in beschreven staan. De samples bestaan voornamelijk uit marien zand die afkomstig zijn van delta gebieden, zeebodem en oceaan bodem op zowel nationaal als internationale wateren. De datasets zijn gesorteerd per locatie, project, vaartocht en schip. Figuur 8.4 Ruimtelijke verdeling marine samples. Het archief geeft een relatief uitgebreide achtergrond van de sample opnames waar via een contactpersoon additionele informatie opgevraagd kan worden. De database bevat naast voldoende metadata, een foto en ontleding van de sediment cores. 146 van 179

155 Figuur 8.5 Foto opname van sample opname Colours, kleur van water Vlak voor het instituut van NIOZ staat de zogenaamde NIOZ-Jetty waar een optische sensor meetgegevens inwint van de Wadden Zee en dit archiveert in de database Colours (Wernand, 2002). Het instrument is voorzien van 3 optische hyper-spectrale sensors om de respons van variërende weercondities waar te nemen, waarbij de focus ligt op radiatie vanuit het water. Het instrument is sinds augustus 2001 operationeel en archiveert de data met een interval van 15minuten. De gemeten digitale beelden van het zeeoppervlak en de lucht worden vertaald naar een intensiteitsspectrum en gearchiveerd in Colours. Figuur 8.6 NIOZ-Jetty met optische sensoren. September Portalen van verschillende consortia Het NIOZ is betrokken bij verschillende nationale- en internationale organisaties ten behoeve van databeheer en data uitwisseling om het delen van kennis te bevorderen. Voorbeelden hiervan zijn: ZKO (Zee- en Kust Onderzoek) NODC-NL (Nationaal Oceanografische Data Commissie) Het Pan-Europese SeaDataNet project Het Europese EMODNet project WaLTER SC-ADM Resultaten van deze samenwerkingsbanden zijn beschikbaar gesteld in verschillende databases welke ontsloten zijn onder het webportaal: De nationale portalen welke nader toegelicht zullen worden zijn ZKO en NODC-NL. 147 van 179

156 ZKO Het Nationaal programma Zee- en Kust Onderzoek is tot stand gekomen om de samenhang en samenwerking binnen het nationale mariene onderzoeksveld te versterken. Dit programma maakt onderdeel uit van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) en de Aard- en Levenswetenschappen (ALW). NWO ALW richt zich op de wetenschappelijke analyse van maatschappelijke relevante uitdagingen in verband met een duurzaam gebruik van zee- en kustgebieden. Bron: Verwijzing: Categorie: Korte beschrijving: Partners: NIOZ Water kwaliteit/bodemligging Database tbv zee- en oceaan onderzoek NIOZ, RWS, Deltares, IMARES, RUG, NAM Het doel van het nationale onderzoeksprogramma van ZKO is een structuur te formeren en op te zetten waarin het totale Nederlandse zee- en kustonderzoek een plaats vindt, en aan te geven hoe door de betrokken instellingen middels gebundelde programma's gezamenlijk kan worden bijgedragen aan maatschappelijk georiënteerd onderzoek. Een goed en toegankelijk datasysteem is hierbij voor ZKO van groot belang om de gedocumenteerde kennis te archiveren en verzamelde gegevens te faciliteren. Relevante onderzoeksresultaten worden aangeboden en ontsloten via het web portaal van ZKO. Alvorens het publiceren van de datasets wordt een standaardisering uitgevoerd die in lijn is met de nationale NODC Data Policy, waarbij de dataset voorzien wordt van voldoende metadata om kwaliteitsgarantie te garanderen. Het databeleid van de ZKO projecten streeft ernaar dat de verzamelde data tevens publiekelijk beschikbaar wordt gesteld via het toegangsportaal van het Nationaal Oceanografisch Data Comité (NODC) NODC Het NODC ( is de Nederlandse tak van het netwerk SeaDataNet (SDN). Dit is een breed Europees netwerk van het Europees Marine Data centers ( Deze web-portals geven beide toegang tot uitgebreide databases die onder meer gegevens bevatten betreffende waterkwantiteit, waterkwaliteit en bodemligging. Om de focus af te bakenen tot nationale datasets, zal de database van NODC- NL nader worden toegelicht. Bron: Verwijzing: Categorie: Korte beschrijving: Partners: NIOZ Water kwantiteit/water kwaliteit/bodemligging Web-portal die oceanografische- en marine data onsluit. NIOZ, RWS, Deltares, EU, TNO, IMARES, MARIS, NIOO, Dienst der Hydrografie v/d Koninklijke Mariene Het NODC-NL is een nationaal platform voor uitwisseling van oceanografische en mariene data en informatie. De doelstelling van het NODC is om deze dataproducten overzichtelijk en toegankelijk aan te bieden. Om dit te garanderen is het NODC aangesloten bij diverse instellingen en data protocollen, die veelal op een Europees niveau fungeren. 148 van 179

157 De website van NODC is een vrij uitgebreide overkoepeling van vrij uiteenlopende databases. Deze informatie heeft betrekking tot fysische oceanografische parameters welke ondersteund worden voor diverse activiteiten, zoals havenactiviteiten, scheepsvaart, offshore-industrie, en samen met chemische-, biologische- en geologische monitoring van milieu- en kustbeheer. De voornaamste doelgroep van het NODC zijn medewerkers van de deelnemende organisaties die gebruik maken van oceanografische en mariene gegevens. Daarnaast richt het NODC zich op alle professionele gebruikers van deze gegevens. Om dit te realiseren biedt het NODC een publiekelijk toegankelijk platform, waar verschillende diensten van kunnen profiteren. Het is niet een open systeem in de zin van dat je data direct toegankelijk hebt. Je kunt op metadata zoeken, en het daarna laten thuisbezorgen (winkelmandjes systeem). Het is een stuk moeilijker om direct aan de data te zitten, maar wel mogelijk. 8.2 ESA statelietdata Bron: Verwijzing: Categorie: Korte beschrijving: Partners: ESA Water kwantiteit/water kwaliteit Satelliet data van Europese ruimtevaartorganisatie ESA, CSA, JAXA, Roscosmos, NASA De Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA) houdt zich in Europees verband bezig met projecten op het gebied van ruimtevaart, aard onderzoek, ruimteonderzoek en technologische ontwikkeling van satellietsystemen. Verschillende missies voor verschillende doeleinden zijn uitgevoerd door ESA waar grote hoeveelheden data uit beschikbaar is gekomen. Een overzicht van de ESA Earth Observation missies met de gerelateerde data type en gebruikte instrumenten, is weergeven in bijgevoegde tabel. Voor de missie Envisat, welke van 2002 tot 2012 heeft gelopen, zijn grote hoeveelheden data beschikbaar gekomen voor water- en hoogte metingen. Hier zijn de volgende instrumenten voor gebruikt: SAR: Hoogte meting RA: Radar Altimeter MERIS: Spectrometer Voor de ERS missies zijn Wind Scatterometers (WS) gebruikt, waarvan data beschikbaar is gekomen over de periode tot en met Zoals beschreven in paragraaf 3.5.4, wordt vanuit deze radar die het zee oppervlak scant wind informatie onttrokken. Deze data is ontsloten via de website van ESA en voor een groot deel vrij toegankelijk. ESA heeft een eigen datapolicy en vraagt daarom om een registratie. Afhankelijk van het type data en de omvang van de datasets stelt ESA haar mate van toegankelijkheid op. Een overzicht in hoeverre in hoeverre men kan spreken van Open data en de vigerende datapolicy van ESA is terug te vinden op de volgende weblink: van 179

158 Tabel 8.1 Data type from ESA EO missions - De afkortingen in deze tabel dienen alsvolgt gelezen te worden: ASAR: Advanced Synthetic Aperture Radar MERIS: MEdium Resolution Imaging Spectrometer GOMOS: Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars MIPAS: Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding RA: Radar Altimeter AATSR: Advanced Along-Track Scanning Radiometer SCIAMACHY: SCanning Imaging Absorption spectrometer for Atmospheric CHartographY GOME: Global Ozone Monitoring Experiment WS: Wind Scatterometer MWR: MicroWave Radiometer EGG: Gravity-Gradient Tensor SSTI: Satellite-to-Satellite Tracking - high/low CHRIS: Compact High Resolution Imaging Spectrometer HRC: High Resolution Camera MIRAS: Microwave Imaging Radiometer with Aperture Synthesis 150 van 179

159 Figuur 8.7 Data opname van een wind scatterometer. ESA heeft in de periode van 2014 tot en met 2016 een reeks Sentinel missie gepland welke ontwikkeld zijn vanuit het Copernicus programma. Deze Sentinel missies zijn de zogenaamde next-generation Earth Observation missies die verouderde aardobservatie missies moeten gaan vervangen, zoals de Landsat, ERS, en Envisat missies. De Sentinel satellieten worden uitgevoerd met vergelijkbare instrumenten als zijn voorgangers, waarmee ESA streeft naar een continuïteit in de datasets. Daarnaast krijgt ieder satelliet een tweeling satelliet in dezelfde baan, waardoor de revisiting time verkleind. Deze hogere opname frequentie en het feit dat de instrumenten van de nieuwe satellieten technisch hoogwaardiger zijn uitgevoerd dan de voorgangers, zorgt dat er met een hogere resolutie en hogere frequentie (en hogere continuïteit) gemonitord kan worden. Met behulp van radar en multi-spectrale imaging instrumenten focussen de Sentinel missies zich op verschillende aardobservatie themas; atmosfeer-, oceaan-, land monitoring. Daarnaast, als onderdeel van het ESA's Living Planet Programme, zijn de projecten Earth Explorers en Earth Watch onderdeel van de ESA missies. Binnen Earth Explorers wordt een sterke focus gelegd op klimaatmonitoring en natuurrampen. Het project Earth Watch focust zich op het tot stand brengen van operationele aardobservaties services voor instituten en commerciële doeleinden. De data van de Sentinel missies zal recenter (sneller na inwinning) en frequenter beschikbaar komen, waar operationele services van kunnen profiteren en zich vervolgens kunnen door ontwikkelen. Figuur 8.8 ESA's Living Planet Programma. 151 van 179

160 Copernicus/GMES programma Copernicus programma bestaat uit een complexe reeks van systemen die gegevens uit meerdere bronnen verzamelen: aardobservatie met satellieten, in-situ sensoren en grondstations die lucht, zee aarde waarnemen. Het verwerkt deze gegevens en voorziet gebruikers van betrouwbare en actuele informatie via een reeks van diensten met betrekking tot landmonitoring, milieu en veiligheid. De belangrijkste gebruikers van Copernicus diensten zijn beleidsmakers en overheidsinstanties die de informatie gebruiken om milieuwetgeving en beleid te ontwikkelen of belangrijke beslissingen moeten nemen in geval van een noodsituatie, zoals een natuurramp of een humanitaire crisis. Ieder Sentinel missie is geënt op de diensten die Copernicus levert aan deze gebruikers (zie tabel). Daarnaast stimuleert het programma het ontwikkelen van nieuwe diensten voor breed gebruik. Zo is in juni is door ESA de vraag uitgezet aan app ontwikkelaars om een week door te brengen bij ESA voor ontwikkelen van nieuwe ideeën en concepten voor mobiele apps met behulp van satelliet aardobservatiegegevens. Hoe dit zal resulteren in nieuwe producten is enerzijds afwachten, maar kan ook actief gestuurd worden als men deel neemt of financiert. Een voorbeeld van voor RWS relevante ontwikkeling op basis van Copernicus is het onlangs gestarte EU project FAST (Foreshore Assessment using Space Technology). Dit project is gericht op het ontwikkelen van een nieuwe GMES/Copernicus dienst voor evaluatie van vooroevers op basis van Sentinel gegevens. Sentinel missies. Bron Sateliet lancering Instrumenten aan boord Doel van de missie Sentinel-1 03 April 2014 C-SAR (C-band Synthetic Aperture Radar) Sentinel-2 April 2015 MSI (Multispectral Imager) Resolution and Swath Width: 290 km 10 m, 20 m and 60 m spatial resolution Sentinel-3A Mid-2015 Ocean and Land Colour Instrument (OLCI) Sea and Land Surface Temperature Radiometer (SLSTR) SAR Radar Altimeter (SRAL) MicroWave Radiometer (MWR) Precise Orbit Determination (POD) instruments. Sentinel - 4 Sentinel 5 Sentinel 6 UVN (Ultraviolet Visible Near-infrared) spectrometer IRS (InfraRed Sounder) UVN (Ultraviolet Visible Near-infrared) spectrometer IRS (InfraRed Sounder) VII (Visible Infrared Imager) 3MI (Multi-viewing Multi-channel Multipolarisation Imager) Radar altimeter Land en oceaan monitoring Land en kust monitoring Monitoring van zeeoppervlak, zee- en landtemperatuur, oceaan- en landkleur Monitoring van Atmosfeer Monitoring van Atmosfeer Monitoring zeeoppervlak voor operationele oceanografie en klimaatstudies 152 van 179

161 8.3 Havenbedrijf Rotterdam Overzicht database: Bron: Verwijzing: Categorie: Korte beschrijving: Partners: Havenbedrijf Rotterdam Water kwantiteit, waterkwaliteit en bodemligging Nautisch operationeel informatie platform RWS, Havenbedrijf Rotterdam Data portalen Het Havenbedrijf van Rotterdam heeft een aantal databases in gebruik die gemeten- en voorspelde hydro-meteo condities bevatten. Deze data is toegankelijk gesteld via data portalen welke beheerd worden door het Havenbedrijf: WebAmethyst Internet Amethyst Het Operationeel Stromingsmodel Rotterdam (OSR) WebAmethyst bevat actuele informatie afkomstig van het meetnet van het HbR en RWS. De applicatie is slechts toegankelijk voor medewerkers van het HbR. De dataset van Internet Amethyst bevat grotendeels dezelfde (actuele) informatie als WebAmethyst. De data van Internet Amethyst staat verder toegelicht op het volgende webadres: Het Operationeel Stromingsmodel Rotterdam (OSR) is een database die voornamelijk getijtabellen bevat met zowel voorspelde- als gemeten hydrodynamische informatie. Dit omvat zowel waterstandsinformatie als stromingsinformatie. Deze data in het beheer van het Havenbedrijf Rotterdam N.V. en is beschikbaar gesteld onder Het meest in het oog springend zijn het grote aantal continue stromingsmetingen dat beschikbaar is. Een deel daarvan wordt door het HbR zelf ingewonnen. Te weten: in de Nieuwe Maas (ter hoogte Waalhaven), de Botlekbrug, Brienenoordbrug en de Hartelbrug de Suurhoffbrug. Daarnaast laat HbR ook gemeten stroomsnelheden van andere locaties zien, van RWS: in oude Maas (ter hoogte van het Duivelseiland),, de Noord (ter hoogte van Alblasserdam), de Dordtse Kil (ter hoogte van Wieldrecht) en Spijkenissebrug Project data Naast deze actuele hydro-meteo datasets, zijn er tal van projectstudies uitgevoerd in opdracht van het Havenbedrijf Rotterdam. In de opeenvolgende studies van T_0 Total Suspended Matter (TNulTSM), Model-Supported Monitoring of SPM (MoS2), MoS2-II en MoS2-III zijn bijvoorbeeld grote datasets uit naar voren gekomen. Dit omvat zowel uitgebreide survey s naar de bathymetrie en hydrodynamica als zwevendstofverdeling en zoutgehalten. Daarnaast zijn er ook gesimuleerde datareeksen van gekalibreerde modellen met uitbreide scenario-sommen. Er is data aanwezig van de gehele periode van de voorbereiding en aanleg van de 2 de Maasvlakte ( ). Het dekkingsgebied loopt daarbij grofweg van Schouwenduivenland tot aan het Marsdiep. 153 van 179

162 Tabel 8.2 Overzicht monitoring voor de aanleg van de 2 de Maasvlakte. Figuur 8.9 overzicht metingen van sedimentprofielen in 2007 genomen door het HbR. 154 van 179

163 Figuur 8.10 Silt-profiler van HbR gebouwd en onderhouden door Deltares. Uit: Borst, Vellinga en van Tongeren, Terra et Aqua 130, maart Voor de genoemde slibmetingen is gebruik gemaakt van de silt-profiler waarmee verticale zijn gemeten op een groot aantal locaties meestal gelijktijdig met ADCP metingen. Naast deze grootschalige projectmetingen voert het HBR incidentele stromingsmetingen uit ter validatie van het OSR. Potentie van de projectdata HbR voor RWS Naast dat deze metingen direct toepasbaar zijn voor de bepaling van de toestand van het systeem zijn ze ook bruikbaar voor het valideren van mathematische modellen van RWS voor hydrodynamica, morfologie, ecologie en waterkwaliteit (met name verspreiding). Dit concept is al toegepast door Deltares voor het HbR (zie paragraaf 7.3.3). 155 van 179

164 Daarbij moet men ook buiten de reguliere validatie mogelijkheden denken. Zo zijn naast de stroombeeldmetingen ook de luchtfoto s bruikbaar voor het verifiëren van een hydrodynamisch model van het gebied, vanwege zichtbaarheid van de stroomnaad (scheiding tussen zoet en zout water aan het oppervlak). Literatuur -Wil Borst, Tiedo Vellinga and Onno van Tongeren, Terra et Aqua 130, March Monitoringsplan aanleg Maasvlakte 2, deel A, Royal Haskoning, Rijkswaterstaat data die beter ontsloten en hergebruikt kan worden Rijkswaterstaat heeft grote hoeveelheden data die beperkt ontsloten zijn. Tevens is de data die wel ontsloten is niet altijd eenvoudig toegankelijk, waardoor de data niet eenvoudig kan worden hergebruikt. Het gaat dan om projectdata, en ruwe data uit de monitoringsnetwerken. Voor het opslaan en ontsluiten van projectdata lopen bij Rijkswaterstaat een aantal initiatieven waaronder het project datamanagement Mariene projecten en deelname aan de Digitale delta. (Digitale delta is een initiatief van markt en waterschappen om het open data beleid van het Rijk concreet te maken.) In deze volgende paragraaf wordt één project nader besproken waar veel herbruikbare data aanwezig is die nog niet goed ontsloten is: het Sterkte en Belastingen Wadden project. In de paragraaf daarna worden een aantal voorbeelden genoemd waarbij ruwe data informatie bevat die bruikbaar is voor andere toepassing dan waar de data oorspronkelijk bedoeld was. Dit is al aan de orde gekomen in de vorige paragrafen en is daarom kort. Grootschalige projecten PMR-Natuurcompensatie Voordelta (Maasvlakte 2) Zandmotor Windmolenparken op zee Offshore zandwinning Sterkte en Belastingen Wadden project Ruimte voor de rivieren Building with nature projecten Lange termijn visie wester schelde (LTV) IJsselmeer en Markermeer (ANT) Etc. Studieprojecten: Winterdoorspoeling VolkerakZoom-meer Trapjeslijnmethode (zout indringing NWW) Etc. etc. Zie ook de volgende website voor een overzicht van RWS projecten en plannen (niet alleen gerelateerd aan water) van 179

165 8.4.1 Sterkte en Belastingen Waterkeringen Wadden Om meer inzicht te krijgen in de sterkte van de Nederlandse waterkeringen en de belastingen daarop, is het project Sterkte & Belastingen Waterkeringen (SBW) uitgevoerd door Rijkswaterstaat in opdracht van het ministerie van Verkeer en Waterstaat. In het kader van dit onderzoeksprogramma zijn grootschalige metingen uitgevoerd in onder andere het Wadden gebied. De metingen beslaan een periode van ongeveer 7 jaar. Deze metingen zijn niet bij iedereen bekend en zeker niet goed ontsloten. De meeste data staat verspreid bij verschillende onderdelen van RWS. Naast de reguliere meetpunten van waterstand lagen er in totaal twintig meetboeien in de Waddenzee. Deze maten de golven tijdens het stormseizoen. De locaties van de boeien zijn flexibel waardoor de boeien op vele locaties zijn ingezet. Omdat meetboeien vooral geschikt zijn voor diep water is dicht bij de dijk gebruik maakt van meetpalen. Deze zijn ook uitgerust met extra wind meters. De metingen zijn aangevuld met stromingsmetingen (ADCP s ) die in de geulen zijn geplaatst. Om goede golf en hydrodynamica modelring te krijgen is vanuit SBW naast golven en stroming ook uitgebreid de bodem gemonitord. Tevens werden de signalen van de navigatieradar op Ameland gebruikt voor het bepalen van een ruimtelijk beeld van golven en stroming in het Amelander zeegat. Deze data is gebruikt voor kennisontwikkeling van golf- en stromingsprocessen in zeegaten en het ontwikkelen en het verifiëren van golfmodellen en hydrodynamische modellen van het Wadden gebied. Deze modellen zijn vervolgens ingezet voor het bepalen van de extremen condities waaraan de dijken moeten voldoen. Figuur 8.11 SBW meetcampagne Westelijk deel van de Wadden bron: Meetopstellingen in de Waddenzee, Strekte en Belastingen Waterkeringen, Rijkswaterstaat uitgave van 179

166 Hergebruik van SBW data De data van SBW Wadden beslaat een lange periode en een groot gebied voor alle relevante meteorologische en hydrodynamische parameters. De data uit dit project is aangeduid als zeer belangrijk voor het project Kustgenese II waar nu de verkenningen voor lopen in opdracht van het Ministerie van Infrastructuur en Mileu. Waar SBW zich richtte op de belasting door stroming en golven bij extreme situaties, richt Kustgenese zich op morfo-dynamica onder gemiddelde omstandigheden in zeegaten. Omdat voor SBW niet alleen is gemeten tijdens stormen, maar bijna volcontinue, zijn de voor Kustgenese belangrijke situaties ook bemeten. Ook zijn de ADCP metingen die uitgevoerd zijn voor SBW meervoudig bruikbaar voor morfo-dynamicische studies. Naast dat ze een stromingsprofiel geven waaruit een lokale bodemschuifspanning uit is af te leiden, is de backscatter data ook bruikbaar om een indicatie te geven van de re-suspensie van zand Ruwe data verder ontsluiten. RWS wint veel data in die wordt verwerkt tot tijdsgemiddelden of geaggregeerde informatie, waarvan de brondata, die nog zeer nuttig gebruikt kan worden, niet meer beschikbaar is. Maar de ene z n ruis is de ander zijn data, en data die niet beschikbaar is kan ook niet hergebruikt worden. Hier worden vanuit de ervaring van de auteurs een aantal voorbeelden genoemd. Een aantal van deze voorbeelden is in andere hoofdstukken al benoemd. Stromingsmetingen niet centraal ontsloten Voor het bepalen van debieten worden zogeheten Qf relaties opgesteld, waarbij het debiet kan worden bepaal aan de hand van heersende waterstanden, waterstand verloop en de activiteit van de stuwen in de grote rivieren. Voor het opstellen van deze Qf relaties worden debietmetingen uitgevoerd met behulp van stroomsnelheidsmetingen vanaf schepen. Van deze debietmetingen worden alleen de debieten uiteindelijk doorgegeven naar de centrale informatie van RWS. Hetzelfde geldt voor debietmetingen die worden uitgevoerd in het kader van projecten zoals het project ruimte voor de rivier. De onderliggende metingen staan over het algemeen op een lokale schijf en soms op een netwerk schijf van de CIV, maar overzicht ontbreekt. Deze onderliggende stromingsmetingen zijn waardevol voor het bepalen van stromingsbeelden en stromingsprofielen in het kader van bijvoorbeeld morfologie (erosie), rivierontwikkeling, belasting van rivierstructuren (geulverdediging) en het valideren van hydrodynamische modellen zoals de waterveiligheidsmodellen. Iets vergelijkbaars geldt voor de stromingsmetingen die plaats vinden in het Rijn Maasmond gebied. Daar zijn een aantal Horizontale ADCP s opgehangen die een stroomverdeling over een deel van de waterloop meten. Deze verdeling is niet beschikbaar buiten het meetnet, in veel gevallen wordt maar één stromingswaarde gegeven. Waterstanden uit het meetnet middelen fenomenen weg. RWS wint steeds vaker waterstanden in door het gebruik van radars die direct het wateroppervlak bemeten. De metingen van het oppervlak wordt uitgevoerd met een hoge frequentie en de data wordt gemiddeld naar een 10 minuten gemiddelde. Indien de radar ook gebruikt wordt voor het bepalen van golven wordt de data ook verwerkt tot golfparameters en golfspectra. Slechts in enkele gevallen blijft de ruwe meting ook beschikbaar. Zodoende komt het voor dat informatie waarvan men van tevoren niet bedacht had dat men die wilde hebben (maar wel in de data zit) niet meer te herleiden is. 158 van 179

167 Een bekend voorbeeld is het afleiden van seisches en frontpieken (Aangeduid als zeebeer, niet te verwarren met het dier). Een frontpiek is een snelle waterstandsoploop ten gevolge van drukvelden op de Noordzee. Het effect is nog net zichtbaar in de tien minuten gemiddelden. Voor bepaling van seiches is een aanpassingen gemaakt in de dataverwerking, Maar voor het identificeren van frontpieken is de ruwe of 1 minuuts gemiddelde data nodig. Een ander voorbeeld is het afleiden van scheepgolven. Een waterspiegeldaling ten gevolge van een schip duurt in de orde van 30 seconden. Waterstandsmeters in peilkelders dempen deze daling grotendeels en golfboeien van RWS (Datawell) kunnen de golf niet detecteren. Uit de data van de golf radars is deze daling wel te achterhalen als de data niet gemiddeld wordt. Iets vergelijkbaars geldt voor de hek en boeggolf. Door de middeling naar 10 minuten worden deze niet gezien en in het golfspectrum vallen ze alleen op als uitbijter. Opslag en ontsluiting van ruwe data van de waterstandsradars wordt aanbevolen. Echosounder data In het hoofdstuk over bodemligging is al benoemd dat uit het echosterkte signaal van single beam en multibeam echosounders bruikbaar is voor het bepalen van bodemruwheid. Ook deze data wordt nu niet standaard opgeslagen. 8.5 Advies databronnen. Met betrekking tot het gebruik en ontsluiten van data bronnen adviseert Deltares om de eerste prioriteit te leggen bij het beter ontsluiten van eigen meetdata van RWS. Zowel van projecten als uit de meetnetten. Daarnaast is een aantal interessante datahouders geïdentificeerd waarvoor geldt dat de behoefte van RWS bepaalt welke organisatie interessant is. Geredeneerd vanuit de innovatiebehoefte die is benoemd in het plan IV, kunnen we daar de volgende voorbeelden bij geven: Zoutgehalte gegevens en stromingsmetingen ontsluiten van het Havenbedrijf Rotterdam voor het ontwikkelen van zoutindringingsmodellen en verbeteren van andere hydrodynamische modellen. Waterkwaliteitsgegevens van de Noordzee ten behoeve van de KRM onttrekken uit ZKO. Watertemperaturen inwinnen uit de meetnetten van Duitse, Belgische en Franse bovenstromen. Data mining In dit hoofdstuk is een overzicht gegeven van een aantal belangrijke databronnen en databases waarin data zit die direct toepasbaar is voor RWS. Wat niet aan de orde is gekomen is het principe van datamining. Datamining is het gebruik van veelal statistische technieken om nieuwe typen data te creëren uit bestaande databronnen. Veel toegepaste technieken voor Data mining zijn: Geo statistiek, Neurale netwerken, Patroonherkenning,Vullen van gaten,trend analyse In dit document zijn we er niet aan toegekomen om de mogelijkheden van datamining voor RWS te belichten. We zien dit als een gemis en zouden adviseren om hier aandacht aan te gaan besteden. 8.6 Algemene ontwikkelingen in de overdracht van gegevens Dit onderdeel van de informatie cyclus wordt nog niet volledig beschreven. Hier wordt een aantal, in de ogen van Deltares, belangrijke ontwikkelingen genoemd ten aanzien van data. 159 van 179

168 RWS heeft een aantal functionele eisen algemeen van aard gesteld aan de data die wordt ingewonnen via de meetnetten: gebruikers hebben behoefte aan snelle en eenvoudige toegang tot de data, zowel voor eigen gebruik, als voor de dienstverlening naar gebruikers buiten Rijkswaterstaat. Dat betekent dat data volgens standaarden worden opgeslagen en via internet ontsloten (raadplegen en downloaden). Die wens sluit aan op het open-data-beleid van Binnenlandse zaken en de EU-inspire-richtlijn. Data opslag en data overdracht De laatste ontwikkelingen in data van vooral waterkwaliteit en bodemdynamiek is de verstrekking van de data in nieuwe geogerefereerde formats. De laatste jaren maakt het NetCDF file formaat zijn opmars en het daarmee gepaarde uitwisselingsprotocol OPeNDAP. Het NetCDF formaat wordt internationaal geaccepteerd door organisaties alshet Open Geospatial Consortium (OGC), is compatibel met de Europese INSPIRE richtlijnen, en is inmiddels gebruikelijk voor uitwisseling van aardobservatiedata. Ook lijn- en puntinformatie wordt verstrekt in NetCDF. Met het OPeNDAP protocol zijn data eenvoudig op te vragen en ook subsets van grote datasets kunnen worden gedownload, om zo download tijd te besparen. Onder andere gebruik makend van NetCDF en OPeNDAP, maakt het OpenEarth initiatief ook zijn opmars. Het is een open en gratis initiatief om met data, modellen en tools in marien en kustonderzoeksprojecten om te gaan. Vandaag de dag besteden projecten in onderzoek, consultancy en constructie een significant deel van hun budget om een IT-infrastructuur aan te leggen voor data- en kennisbeheer, welke weer verdwijnt na afloop van het project. Als een alternatief op deze ad-hoc aanpak probeert OpenEarth een effectiever data- en kennisbeheer op te zetten. Het bevat een platform om hoge kwaliteitsdata, state-of-the-art modelsystemen en geteste tools te archiveren, te hosten en te presenteren. Door deze projectoverstijgende aanpak kunnen werkzame ingenieurs en wetenschappers in marien- en kustonderzoek leren van elkaars ervaringen, hetgeen kan leiden tot een verhoging van de efficiëntie, zowel in tijd als geld. De tools die toegankelijk zijn via OpenEarth zijn vooral handig voor snelle visualisatie in Google Earth. Het OpenEarth initiatief is onder andere beschreven in De Boer et al. (2012) en is toegankelijk via Gebruik maken van bestaande initiatieven als OpenEarth kan leiden tot een eenvoudiger proces voor INSPIRE compatibele disseminatie van meetdata. Open data voor Rijkswaterstaat. In het streven naar het generiek kunnen hergebruiken van mariene projectdata heeft Rijkswaterstaat opdracht versterkt voor het project Pilot datamanagement mariene projecten. Dit pilot project onderzoekt een datamanagementsysteem waarbinnen de data van twee grote, lopende mariene monitoringsprojecten op uniforme wijze opgeslagen, beheerd en uitgegeven kunnen worden. Het datamanagementsysteem wordt aanvullend getoetst met behulp van twee offshore projecten. Hiervoor worden in de pilot vier specifieke projecten uitgewerkt: PMR-Natuurcompensatie Voordelta (PMR-NCV) Zandmotor Windmolenparken op zee Offshore zandwinning De data uit het mariene project PRM-NCV legt de nadruk op de aanleg en ontwikkelingen rondom de Maasvlakte 2 en wat de effecten op de natuurwaarden zijn. Deze dataset staat dus los van de beschreven databronnen onder het Havenbedrijf Rotterdam (zie Figuur 8.12 voor een impressie van de data dichtheid). 160 van 179

169 De dataset van de zandmotor beschrijft een groot scala aan meetgegevens van hydrodynamica-, morfodynamica-, ecologische- en biologische parameters die over de afgelopen jaren gemonitord en gearchiveerd zijn. Het datamanagement project wordt uitgevoerd in het kader van Protocol Mariene Data dat een samenwerking is van de ministeries van Infrastructuur en Milieu (RWS) en Economische Zaken, Deltares en Imares. In dit protocol zijn Europese afspraken opgenomen dat resultaten (data) uit gesubsidieerd onderzoek, openbaar beschikbaar moet worden gesteld volgens open data standaards wat het hergebruik van resultaten (generieke data) toegankelijker moet maken. Figuur 8.12 Overzicht van meetpunten uit PMR-NCV met biotische informatie. Het datamanagement onderzoek is een direct resultaat van het Protocol Mariene Data dat eind 2014 opgeleverd dient te worden. Het web portaal met ontsloten data zal een vorm aannemen als bijvoorbeeld de huidige website en De bedoeling is dat dit protocol helpt om steeds meer Noordzeedata gemakkelijk te ontsluiten en beschikbaar te stellen voor iedereen. Deze data zal zowel op de portals van de deelnemers als de portals voor de publieke sector beschikbaar worden gesteld hetzij openbaar toegankelijk, hetzij achter een wachtwoord. Archivering en ontsluiting data van de zandmotor Het unieke experiment van de Zandmotor ( zie foto) stelt onderzoekers in staat om op grote schaal de morfologische en ecologische veranderingen nauwkeurig te monitoren om deze processen vervolgens te kunnen bestuderen. Deze kennisontwikkeling speelt zich af binnen kennisprogramma s zoals NatureCoast en NEMO (Nearshore Monitoring and Modelling). In het kader van Protocol Mariene Data zal de monitoringsdata van de Zandmotor centraal worden beheerd volgens een zogenaamd OpenEarth data-lab. Vanuit deze centrale plek zal de data generiek toegankelijk worden gesteld voor leden van het Zandmotor monitoringsteam (onder leiding van RWS), NEMO en STW NatureCoast. Dit data-lab wordt beheert door 3TU.Datacentrum dat een samenwerkingsverband is tussen TU Delft, de Universiteit Twente en de TU Eindhoven. 161 van 179

170 Figuur 8.13 Luchtfoto van de Zandmotor, Ref Royal HaskoningDHV (2014), Beleidsevaluatie de Zandmotor 2013, Rijkswaterstaat. Onzekerheid als meta informatie bij data. De frequentie waarmee Rijkswaterstaat data inwint (sample frequentie) is bijna altijd hoger dan de uitgeleverde data. Er wordt gemiddeld over tijd en/of ruimte. Wat Deltares opvalt, is dat statistische gegevens van die onderliggende data (zoals de standaarddeviatie) veelal niet wordt meegegeven met de uiteindelijk gemiddelde data. Zou dit wel gedaan worden dan kan zowel de gebruiker als RWS inzicht krijgen in de onzekerheid en representativiteit van de geleverde data. Ook als een vaste onzekerheid wordt aangenomen, zoals bij waterstandsmetingen, wordt die onzekerheid niet altijd meegegeven in de meta informatie van de data. Ook dat zou een nuttige aanvulling zijn op de dataverstrekking. 162 van 179

171 9 Samenvattend advies 9.1 Adviezen in een notendop Aan de hand van RWS-documenten is de huidige informatiebehoefte samengevat voor de drie werkvelden. a) waterkwantiteit, b) waterkwaliteit, c) bodemligging en objecten onder water. Op basis van deze behoefte zijn door Deltares innovaties aangemerkt in de informatieverzamelstrategie en in onderdelen van de aanbodpijler: meetmethoden en technieken, beschikbare databases en data-model geïntegreerde informatie. Het document streeft daarbij geen volledigheid na. Het advies van Deltares naar aanleiding van deze inventarisatie is als volgt: Watersysteem en geïntegreerd monitoren Om een slag te kunnen maken in de efficiëntie van het monitoren is het noodzakelijk om de RWS procesmatige splitsing in de primaire processen en de werkvelden waterkwantiteit waterkwaliteit en bodemligging weer ongedaan te maken bij het opzetten van de inwinning. De fysica, morfologie en ecologie zijn te sterk met elkaar verweven om efficiënt als aparte monitoring te definiëren. Deltares adviseert om in het opstellen en vertalen van de informatiebehoefte naar een informatieverzamelstrategie de indeling naar watersystemen leidend te maken (conform de KRW indeling naar waterlichamen) en de kennis in te zetten van het watersysteem en de gewenste en ongewenste ontwikkeling daar in. Een aanzet daartoe is gemaakt met de watersysteemschetsen en een informatiebehoeftedatabase. Het vullen en gezamenlijk toetsten van de bruikbaarheid van die database wordt sterk aangeraden. (Als het niet voldoet zal een andere oplossing gezocht moeten worden.) Meetstrategie RWS zou meer aandacht moeten besteden aan de inzet van simpele flexibele platforms zoals veerponten, boeien en jetski s met gebruik van kleine en betaalbare instrumenten (zowel aanschaf als onderhoud) die volledig technologisch af zijn. De winst van deze inzet zit enerzijds in de flexibiliteit van monitoring op locaties die anders lastig of niet te bemeten zijn met de reguliere systemen van RWS, en anderzijds in relatief hoge continuïteit (bij veerponten en boeien) waar anders alleen monsters/metingen genomen kunnen worden door schepen. Daarnaast zijn ships of opportunity initiatieven zoals COVADEM en ferrybox trajecten zeer de moeite waard om bij aangesloten te blijven. De data komt tegen relatief lage kosten binnen, maar belangrijker, de data heeft grote ruimtelijke dekking en herhalingsfrequentie die niet gehaald kan worden met de meetvloot van RWS. Programma s voor ontwikkeling van kennis over inwinmethoden en technieken en de werkelijke inwinning van specifieke informatiebehoeften. Van niet alle genoemde gaten in de informatie behoefte is direct duidelijk wat de beste oplossing is om die in te vullen met de voorhanden zijnde kennis, modellen, meettechnieken, datamining, etc. Voor een aantal van deze gaten stelt Deltares voor om een kennis traject voor monitoring in te zetten (of door te zetten): afvoeren in estuaria, bij hoge en lage afvoer in de rivieren en door spui en schutsluizen. RWS heeft behoefte aan afvoerinformatie, maar de nu gebruikte meettechnieken leveren niet altijd een goed of volledig resultaat. Deltares ziet vooral heil in het inzetten 163 van 179

172 van verschillende metingen en deze data combineren door middel van een hydrodynamisch model. Zoutindringing (dit is deels gekoppeld aan afvoeren) Vanwege grote ingrepen die gepland staan voor spuien, sluizen en waterwegen in de kustzone staan is veel kennis nodig van zoutindringing. De nu beschikbare kennis wordt onvoldoende geacht om de effecten van de ingrepen goed te kunnen voorspellen. Hiervoor is meer meetinformatie nodig specifiek gericht op zouttransport. Het uitvinden hoe die metingen het beste plaats kunnen vinden, in de complexe hydrodynamische spuien sluizen en waterwegen met de veel scheepvaart, is uitdaging. Bodemligging., Deltares adviseert het continueren van het onderzoeksprogramma ten behoeve van risico gestuurde monitoring. Het programma is gericht op kostenreductie door alleen te monitoren als dit noodzakelijk is voor een specifiek gebied. Daarnaast adviseert Deltares een traject te starten zodat de bodempeilingen van derden (binnenvaart en kustvaart) geïntegreerd kunnen worden als informatiebron. Monitoring waterkwaliteit Noordzee (continueren bestaande onderzoek naar het inzetten van verschillenden informatiebronnen voor rapportages). De informatievoorziening rondom de waterkwaliteit van de Noordzee voldoet op dit moment niet. Door beter gebruik te maken van al bestaande bronnen en mogelijkheden kan RWS op termijn wel voldoen aan die behoefte. Meettechnieken Het overzicht van meettechnieken is vooral bedoeld om Rijkswaterstaat een verbeterd inzicht in het scala van bruikbare meettechnieken te geven. Deltares heeft daarbij in de adviezen per werkveld enkele meettechnieken benoemd, waarvan Deltares denkt het efficiënt is om deze (meer) in te zetten. Deltares adviseert niet het gebruik van één specifieke meettechniek, maar om nog meer gebruik te maken van op maat oplossingen of slimme combinaties gericht op een specifieke locatie of een specifiek doel. Dit vergt een extra investering in iedere meetopzet, hetzij door inzet van eigen mensen, hetzij door inschakelen van externen. Deze investering verdiend zich terug doordat de juiste informatie met de juiste nauwkeurigheid verkregen wordt, wat niet altijd het geval is als men in zet wat men op de plank heeft liggen. Inwintechnieken in het algemeen Vanwege de ontwikkelingen in de informatiebehoeften en het gebruiksklaar worden van nieuwe technieken is het raadzaam om deze inventarisatie met enige regelmaat te vernieuwen. Data ontsluiting Met betrekking tot het gebruik en ontsluiten van data adviseert Deltares om de eerste prioriteit te (blijven) leggen bij het beter ontsluiten van eigen data van RWS. Zowel van projecten als ruwe data uit de meetnetten. Hiermee kunnen nieuwe informatievragen snel en tegen lage kosten worden beantwoord. Directe toepassingen die zijn benoemt zijn (grote schaal) de ontsluiting van het SBW project voor de onderzoek naar kustdynamiek en (kleine schaal) de ruwe data van waterstandsmeters voor het bepalen van scheepsgolven. Datafusie Gebruik van data van verschillende bronnen met verschillende onzekerheden is deels een feit en ook een wens om optimaal inwinmethoden te kunnen inzetten tegen lage kosten. Deltares propageert dan ook innovatieve combinaties van methodieken, op alle werkvelden. 164 van 179

173 Dus combinaties van verschillende meettechnieken gebaseerd op andere meetmethoden, combinaties van punt data en ruimtelijke data, in-situ data en remote sensing, modeluitkomsten en meetdata en alle mogelijke variaties daarop. In het verlengde hiervan wordt geadviseerd een aanzet te maken met een (statistische) methode voor het bepalen van informatie inhoud van verschillende bronnen, te beginnen met puntmetingen en ruimtelijk dekkende metingen. Daardoor zal een objectieve keuze mogelijk worden bij het inzetten van verschillende technieken en databronnen. Datamining Deltares adviseert een verkenning te starten met enkele kennisinstituten voor toepassing van datamining voor RWS op basis van bestaande dataminingtechnieken en tools. (RWS heeft zelf voor een aantal parameters deze tools in het verleden ingezet). De onderwerpen die op dit moment voor zo n verkenning het meest voor de hand liggen vanwege de prioriteiten van RWS zijn de hierboven genoemde onderwerpen afvoeren en zoutindringing en waterkwaliteit parameters voor de Noordzee. Maar ook het toepassen op lopende monitoring levert aanzienlijke meerwaarde. Daarbij denken we bijvoorbeeld aan de verschillende typen waterstandmetingen en het combineren van hoogwaardige en laagwaardige waterkwaliteitsmetingen. Data modelintegratie: Voor de temperatuurmonitoring van de rivieren adviseren we om in de huidige temperatuur modellen meetinformatie te gaan assimileren (onder het verwachtingsinstrument RWS OS Waterbeheer). Hierdoor ontstaan betrouwbare temperatuurverwachtingen waar steeds meer vraag naar zal zijn. Daarbij is ontsluiting van bovenstroomse buitenlandse temperatuurmetingen in de Rijn en Maas nodig. Voor de beheersing van zoutindringing is vraag naar verwachtingen/voorspellingen van zoutgehalte en is een uitbreiding van de modeluitvoer en data-integratie gewenst (eveneens RWWS OS waterbeheer en mogelijk ook onder RWS OS IWP). Dit vraagt ook om een evaluatie of de huidige meetlocaties wel afgestemd zijn op een verwachtingssysteem in plaats van signalering. 9.2 Advies ten aanzien van een vervolg op dit document De rol van het huidige document is dat het de aanbodpijler voor de water gerelateerde informatiebehoefte zo goed mogelijk dekt. Ontbrekende onderdelen of zeer summier beschreven onderdelen zijn: Informatiebehoefte voor bodemtype en hydrografisch werk anders dan bodemligging. De daaraan gerelateerde beschrijving van meetstrategie is onvolledig. De onderdelen grondwater, dijken en kunstwerken ontbreken. Tevens is het onderdeel biologie/ecologie maar beperkt opgenomen. Het onderdeel mathematische modellen is summier, maar hierin zou volstaan kunnen worden met verwijzing naar inventarisaties (die nog lopen). De onderdelen dataopslag, verwerking en ontsluiting zouden verder gevuld moeten worden (aanbeveling van reviews 2012 en 2014). Voor de structuur van het document valt het te overwegen om een volgende versie volledig te herverdelen naar de informatiecyclus of naar watersystemen in plaats van naar werkveld. 165 van 179

174 De informatiebehoefte is geherstructureerd door RWS. In deze geherstructureerde informatiebehoefte is meer aandacht voor onzekerheden en betrouwbaarheid. Bij de beschrijving van het informatieaanbod zouden in een vervolg de haalbare onzekerheden en haalbare betrouwbaarheid beter vermeldt en in relatie gebracht kunnen worden met de wensen. Het is nogmaals niet het doel om alle ontwikkelingen te benoemen en dat moet zo blijven. Ook wordt het moeilijker om nieuwere onderwerpen te wegen en te onderbouwen bij gebrek aan onafhankelijk toets materiaal. 9.3 Dank woord Met speciale dank aan Robert Trouwborst (Imares), Ghada el Serafy (Deltares), Willem Stolte (Deltares) voor het uitvoeren van de interne toets op dit document. De volgende personen hebben bijgedragen bij het tot stand komen van deze inventarisatie. Wij danken hen voor hun medewerking en excuseren ons als we iemand vergeten zijn te noemen. TU Delft Kerstin Siemes, prof Huub Savenije, prof Wim Uijtewaal. Universiteit Utrecht Marcel van Maarseveen. NIOZ Marcel Wernand, Eric Waagemakers. USGS Marinna Martini, John Fulton, Kirk Thibodeaux en Janice Fulworth. RWS Kees Boogaard, Herman Peters, Simon Bicknese. Deltares Meinte Blaas, Bas Blok, Pascal Boderie, David Burger, Miguel Dionisio Pires, Caroline Gautier, Bob Hogendoorn, Ymkje Huismans, Marco Kleine, Pauline Kruiver, Remi Laane, Ruurd Noordhuis, Sofia Nunes de Caires, Leonard Osté, Bob Paap, Simon Paul, Joachim Rozemeijer, Guido Rutten, Rinus Schroevers, Foppe Smedes, Bas Stengs, Julius Sumihar, Marc Verheul, Rogier Westerhoff en Bas van der Zaan. Wij bedanken daarnaast de volgende personen van Rijkswaterstaat voor het leveren van commentaar op de conceptversies: Martijn Andernach, Michel Ausems, Simon Bicknese, Kees Boogaard, Frans Buschman, Jan van Doorn, Ilke Hagendoorn, Marc Hartogs, Andrea Houben, Peter Heinen, Petra Jeurissen, Mando de Jong, Paul Jonk, Jos Kokke, Stephany de Maaijer, Herman Peters en Arnold Veen. 166 van 179

175 Bijlage A Documenten over de informatiebehoefte van RWS voor de verkenning van 2012 zijn de volgende documenten gebruikt: Informatiebehoefte en programmering bodemhoogte (HWS en HVWN), Uitgave Rijkswaterstaat 13 april 2011, wd0411zh039. Actualisatie Informatiebehoefte Waterkwaliteit, RWS memo, directeuren overleg nat, 26 oktober Actualisatie informatiebehoefte waterkwaliteit: geactualiseerde informatiebehoefte 2011 per primair proces, RWS memo, directeuren overleg nat, 5 april Informatie behoefte totaal LMW, P. Heinen, 2011 Excel bestand. Specifieke gebruiksdoelen Landelijk meetnet golven, D.Dillingh, HYE-0004, Deltares. Uitwerking informatiebehoefte waterstanden, Behrens, RWS RWS WVL, rapport Informatiebehoefte afvoeren Rijkswateren, Vermeulen, Behrens HKV, PR1049, 2005 Informatiebehoefte stromingen Rijkswateren, Vermeulen, Behrens HKV voor de verkenning van 2014 zijn daar de volgende documenten aan toegevoegd Jaarplan Informatievoorziening 2013, RWS Concept Rapport in-situ meettechnieken V a PJ, RWS 2012 (niet voor verspreiding) Jaarplan Informatievoorziening 2014, RWS RWS meetplan mwtl 2014, RWS PvE LMW versie 1.0 oktober 2013 Watersysteemschetsen rivieren, PowerPointpresentatie Deltares 2013 Watersysteemschetsen meren, PowerPointpresentatie Deltares 2013 Rijkswaterstaat en zoet-zout problematiek, behoefte aan onderzoek naar zoutindringing via het oppervlaktewatersysteem, presentatie, N. Kielen RWS 2013 Informatiebehoefte kennis en modelontwikkeling zoutmonitoring, Deltares rapport , Stroming in de Westerschelde, Deltares rapport, , 2013 Visie informatievoorziening Euro Maasgeul, Deltares rapport , van 179

176 Bijlage B Technology Readiness Level Technology Readiness Levels in the Department of Defense (DOD) (Source: DOD (2006), Defense Acquisition Guidebook) 1. Basic principles observed and reported. 2. Technology concept and/or application formulated 3. Analytical and experimental critical function and/or characteristic proof of concept 4. Component and/or breadboard validation in laboratory environment 5. Component and/or breadboard validation in relevant environment Ontwikkeling 6. System/subsystem model or prototype demonstration in a relevant environment Prototype 7. System prototype demonstration in an operational environment Prototype operationeel 8. Actual system completed and 'flight qualified' through test and demonstration Pre operationeel 9. Actual system 'flight proven' through successful mission operations Lowest level of technology readiness. Scientific research begins to be translated into applied research and development. Example might include paper studies of a technology's basic properties. Invention begins. Once basic principles are observed, practical applications can be invented. The application is speculative and there is no proof or detailed analysis to support the assumption. Examples are still limited to paper studies. Active research and development is initiated. This includes analytical studies and laboratory studies to physically validate analytical predictions of separate elements of the technology. Examples include components that are not yet integrated or representative. Basic Technology components are integrated to establish that the pieces will work together. This is "low fidelity" compared to the eventual system. Examples include integration of 'ad hoc' hardware in a laboratory. Fidelity of breadboard technology increases significantly. The basic Technology components are integrated with reasonably realistic supporting elements so that the technology can be tested in a simulated environment. Examples include 'high fidelity' laboratory integration of components. Representative model or prototype system, which is well beyond the breadboard tested for TRL 5, is tested in a relevant environment. Represents a major step up in a technology's demonstrated readiness. Examples include testing a prototype in a high fidelity laboratory environment or in simulated operational environment. Prototype near or at planned operational system. Represents a major step up from TRL 6, requiring the demonstration of an actual system prototype in an operational environment, such as in an aircraft, vehicle or space. Examples include testing the prototype in a test bed aircraft. Technology has been proven to work in its final form and under expected conditions. In almost all cases, this TRL represents the end of true system development. Examples include developmental test and evaluation of the system in its intended weapon system to determine if it meets design specifications. Actual application of the technology in its final form and under mission conditions, such as those encountered in operational test and evaluation. In almost all cases, this is the end of the last "bug fixing" aspects of true system development. Examples include using the system under operational mission conditions. Toegepast in verschillende omgevingen Operationeel In vet zijn de Nederlandse termen neergezet die in dit document gebruikt voor de verschillende niveaus. 168 van 179

177 bodemligging water kwaliteit water kwantiteit Databronnen databases buurlanden ZKS-0003, Versie 1, 3 augustus 2014, definitief Bijlage C Overzicht databases Bron Verwijzing Sector Regio Type data Korte Beschrijving ZKO (NIOZ) Waterbeheer Noordzee Datacentrum yes yes Database tbv zee- en oceaan onderzoek NODC (NIOZ) Marine data Noordzee Datacentrum yes yes yes (National Oceanographic Data Committee) is een Nederlandse tak van Waterbeheer Wadden Zee Verzamel yes yes (Wadden Sea Long-Term Ecosystem Research) WaLTER (NIOZ) platform ESA Geo info Europa Datacentrum yes yes Satelliet data van Europese ruimtevaartorganisatie Havenbedrijf R'dam Hydro-Meteo Haven van Actuele yes Nautisch operationeel informatie platform info R'dam dataset Deltares wiki Waterbeheer Nationaal Verzamel yes yes Een openbaar platform met dataset tbv OpenEarth servers documentation en kennis platform Remotesensing Geo info Europa Datacentrum yes OpenDAP server met remote sensing data (satelliet data) OpenDAP OPeNDAP Deltares Geo info Nationaal Datacentrum yes yes yes OpenDAP server met geo-informatie + waterbeheer DINO Geo info Nationaal Datacentrum yes Data en informatie van de Nederlandse ondergrond WaterInsight Geo info Noordzee Datacentrum yes yes Bevat operationele waterkwaliteits data gebaseerd op remote sensing technieken (satelliet data) Limno database Ecologische Nationaal Datacentrum yes Nationaal ecologische database: info 3TU Datacenter Wetenschap Globaal Datacentrum yes yes yes Wetenschappelijke datasets met een voornamelijk historische meetgegevens MARIN Marine data Nationaal Datacentrum yes yes Maritieme data tbv onderzoek (Onbereikbaar van buitenaf) en kennis MyOcean Waterbeheer Globaal Datacentrum yes yes yes Globaal monitorings- en model data platform GMDB Geo info Nationaal Datacentrum yes yes Database tbv grondwater en oppervlakte water (Grondwater Model Data Bank) Marine Traffic Nautische sector Globaal Actuele dataset AIS data voor plaatsbepaling van schepen Wallonie Geo info Wallonie Catalogus yes yes Openbaar geo catalogus van Wallonie Geo Brussel Geo info Brussel Datacentrum yes yes Openbaar geo portaal van Brussel Vlaanderen Geo info Vlaanderen Datacentrum yes yes yes Uitgebreide geo portaal van Vlaanderen (zie ook Vlaams Instituut Marine data Vlaanderen Verzamel yes yes yes Coördinatie- en informatieplatform voor zeewetenschappelijk onderzoek in voor Zee en kennis platform Vlaanderen Geo Duitsland Geo info Duitsland Datacentrum yes yes Openbaar geo portaal van Duitsland BODC Waterbeheer Groot- Brittannië Datacentrum yes yes yes Beheren van biologische, chemische en geo-fysische marine data (Britisch Oceanographic Data Center) EMECO Waterbeheer Europa Datacentrum yes yes Europees monitorings- en toetsings platform van marine ecosystemen (European Marine Ecosystem Observatory) WISE Waterbeheer Europa Verzamel platform yes yes yes Europees dataplatform op het gebied van water (Water Information Systems for Europe) EMODNET Geo info Europa Verzamel platform yes yes yes Europees platform om marine data op te slaan (The European Marine Observation and Data Network). 169

178 bodemligging water kwaliteit water kwantiteit Rijks databases ZKS-0003, Versie 1, 3 augustus 2014, definitief Bron Verwijzing Sector Regio Type data Korte Beschrijving KNMI Meteo info Globaal Datacentrum Historische meteo datasets van het KNMI DONAR (MWTL) Waterbeheer Nationaal Datacentrum yes yes yes Historische hydro datasets van RWS ( +documentation+mwtl Nautische autoriteit Nautische Schelde Datacentrum yes yes Actuele en historische datasets: AIS data mbt nautische informatie Schelde sector MATROOS Waterbeheer Nationaal Datacentrum yes yes yes Gemeten + gemodelleerde hydro datasets van RWS WTZ - Waterbeheer Nationaal Datacentrum yes yes Gesloten database. Bevat alleen scalaire data. Voor HMCZ en HMCN LMW Waterbeheer Nationaal Datacentrum yes yes yes Gemeten + gemodelleerde hydro datasets van RWS RWS intranet ory/verkenning_meetmethoden_technieken/inter essante%20links/introductiepagina.aspx Waterbeheer Nationaal Verzamel platform IHM Waterbeheer Noordzee Verzamel platform yes yes yes Gesloten database. Portaal voor delen van data yes yes yes Portaal voor delen van data mbt bodem, ecologie en water (Informatie Huis Marien) Digitale Delta Waterbeheer Noordzee Verzamel yes yes yes Een open platform tav waterbeheer (pilot) en kennis platform Vaarweginformatie Waterbeheer Nederland Actuele yes Actuele hydro datasets van RWS dataset Meetadviesdienst Hydro-Meteo Nederland Actuele yes yes Actueel hydro-meteo informatie platform info dataset data.overheid.nl Overheids Nederland Datacentrum Openbare overheidsdata data Ws: Waterschaps Overheids Nederland Uitwisselings Uitwisselingsplatform voor individuele waterschappen huis data platform Ws: IHW Overheids data Nederland Uitwisselings platform yes yes Uitwisselingsplatform voor individuele waterschappen via Aquo (Informatie Huis Water) Ws: UvW Overheids data Nederland Uitwisselings platform yes yes yes Uitwisselingsplatform voor individuele waterschappen via Sharepoint (Unie van Waterschappen) NSO Geo info Nederland Datacentrum yes Satelliet monitoring tbv o.a. bodembewegingen, algenmonitoring en waterbeheer (Nederlands Space Office) NGR Geo info Nederland Datacentrum yes yes yes Database tbv geo-informatie + waterbeheer (Nationaal Geo Register) PDOK Overheids data Nederland Datacentrum Openbare overheidsdata 170

179 Bijlage D Overzicht gebiedsmodellen Rijkswateren De tabellen zijn voorzien van een kleurcodering die de status van het gebiedsmodel aangeeft. Er worden drie coderingen onderscheiden: groen Beschikbaar voor gebruik Gebiedsmodel kan voor studies worden ingezet die binnen het toepassingsgebied vallen. geel In ontwikkeling - Gebiedsmodel is nu in ontwikkeling, wat wil zeggen dat er subtantiële aanpassingen en/of verbeteringen worden aangebracht. - Als een model (nog) niet aan de eisen voor B&O voldoet (zoals het ontbreken van een kalibratierapport of een niet uitgevoerde validatie ten opzichte van metingen) wordt ook een gele codering toegekend. rood Verouderd Gebiedsmodel is in het verleden toegepast, maar is niet meer geschikt voor huidige toepassingen. Voor een toepassing is eerst ontwikkeling nodig, waarbij eventueel het gebiedsmodel als startpunt kan dienen. Gebiedsmodellen in B&O voor Rijkswaterstaat (per ): Basismodel (software) Delft3D-Flow (2D/3D) TRIWAQ (3D) WAQUA (2D) SOBEK (1D) DELWAQ DELWAQ DELWAQ DELWAQ DELWAQ DELWAQ HABITAT Toepassingsgebied\modelconfiguratie Hydrodynamica: transport stroomsnelheid stratificatie (3D) zout/chloride temperatuur Slib: doorzicht vertroebeling lichtklimaat Waterkwaliteit: tracers zout temperatuur Waterkwaliteit: nutriënten Waterkwaliteit, Ecologie: nutriënten(bodem-water) algen primaire productie zuurstofloosheid Waterkwaliteit, Ecologie: draagkracht schelpdieren Waterkwaliteit, Ecologie: Realtime Algenbloei Ecologie: habitats ecotopen soorten Eems-Dollard 3-D incl Wave model 3-D 3-D gedetaill. bodem 2012 Grevelingenmeer 3-D 3-D Grevelingen-Volkerrak-Zoommeer 3-D 3-D Haringvliet-Hollandsch Diep (z-lagen) 3D IJsselmeergebied (alle wateren) 2D Landelijke Sobek schematisatie (B&O Hydraulische schematisaties) 1-D Markermeer - IJmeer 3-D 3-D Noordzee ZUNO DD (MER Zandwinning 2011) Noordzee ZUNO DD (MOS2 2013) 3-D 3-D 3-D 3-D 3-D Noordzee ZUNO grof 3-D 3-D 3-D Noordzeekanaal en Amsterdam-Rijnkanaal 3-D Westerschelde (incl. Bovenschelde) 3-D 3-D 3-D Waddenzee, Westelijke (PACE schematisatie) 3-D Zuidwestelijke Delta 1-D 1-D 171

180 Gebiedsmodellen bij Deltares die niet in B&O voor Rijkswaterstaat zijn (versie ): Basismodel (software) Delft3D-Flow (2D/3D) TRIWAQ (3D) WAQUA (2D) SOBEK (1D) DELWAQ DELWAQ DELWAQ DELWAQ DELWAQ DELWAQ HABITAT Toepassingsgebied\modelconfiguratie Hydrodynamica: transport stroomsnelheid stratificatie (3D) zout/chloride temperatuur Slib: doorzicht vertroebeling lichtklimaat Waterkwaliteit: tracers zout temperatuur Waterkwaliteit: nutriënten Waterkwaliteit, Ecologie: nutriënten (bodem-water) algen primaire productie zuurstofloosheid Waterkwaliteit, Ecologie: draagkracht schelpdieren Waterkwaliteit, Ecologie: Realtime Algenbloei Ecologie: habitats ecotopen soorten Benedenrivierengebied 2012? Bovenrivierengebied 2012? Biesbosch 2009 Eemmeer 3-D 3-D Gooi-Eemmeer 3-D 3-D Haringvliet (huidig beheer) (onderdeel RMM) 2009 Haringvliet (Kierbesluit) (onderdeel RMM) Hollandsch Diep (onderdeel RMM) 2009 IJsselmeer 3-D 3-D 2-D IJsselmeer/Afsluitdijk 3-D Markermeer - IJmeer (In B&O RWS) (In B&O RWS) 2-D 2D Nieuwe Waterweg (onderdeel RMM) 2009 Rijn-Maas monding (RMM) 3-D (Zeedelta) NB: 1D Sobek modellen onder B&O Hydraulische schematisaties 3-D (RMM) Noordzee SCREMOTOX 2-D s 2-D s Noordzee ZUNO DD MER Zandwinning (In B&O RWS) (In B&O RWS) (In B&O RWS) 3-D Noordzee ZUNO DD Egmond 3-D 3-D 3-D Noordzee ZUNO grof (In B&O RWS) (In B&O RWS) (In B&O RWS) 3-D 3-D Oosterschelde 3-D 2-D 2009 Randmeren 1-DV 1-DV 2D Randmeren: Drontermeer 0-D Randmeren: Veluwemeer 0-D Randmeren: Wolderwijd - Nuldernauw 0-D Westerschelde (incl. Bovenschelde) (In B&O RWS) (In B&O RWS) (In B&O RWS) 2009 Veerse Meer 3-D 3-D

181 Veluwemeer (research versie ) 2-D gedetaill. bodem Volkerak-Zoommeer 2D zoet 2-D 2-D 2-D 2008 Volkerak-Zoommeer 3D zoet 3-D Volkerak-Zoommeer 3D zout 3-D 3-D 3-D 2008 Waddenzee 2009 Waddenzee, Westelijke 3-D 3-D Waddenzee, Westelijke (PACE schematisatie) Waddenzee, Westelijke (research versie) (In B&O RWS) 3-D 3-D 2-D+B Zandmotor Noordzee Delfland 3-D 3-D 2D Samenhang van de verschillende modellen: 173