Waterstanden langs de Rijn en zijn takken bij vijf herhalingstijden

Transcriptie

1 Directoraat-Ceneraal RijkswaU Waterstanden langs de Rijn en zijn takken bij vijf herhalingstijden ter bepaling van de urgentiecategorieen van te verbeteren dijken Notanr

2 ministerie van verkeer en waterstaat rijkswaterstaat Waterstanden langs de Rijn en zijn takken bij vijf herhalingstijden ter bepaling van de urgentiecategorieen van te verbeteren dijken riza rijksinstituut voor integraal zoetwaterbeheer en afvalwaterbehandeling tel fax doorkiesnummer NOTA auteur(s) ing. M.C. Burgdorffer datum 14 december 1993

3 nza Inhoud 0. SAMENVATTING 1. INLEIDING 2. AANPAK 2.1 Inleiding 2.2 Randvoorwaarden 2.3 Naverwerking 3. RESULTATEN 4. CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN REFERENTIES

4 riza BULAGEN Bijlage 1-1 Boven-Rijn en Waal Hoogwaterstanden bij vijf herhalingstijden Bijlage 1-2 Boven-Rijn en Waal Hoogwaterstanden bij vijf herhalingstijden Bijlage 1-3 Boven-Ryn en Waal Hoogwaterstanden bij vijf herhalingstijden Bijlage 2-1 Pannerdensch Kanaal, Neder-Rijn en I^ek Hoogwaterstanden bij vijf herhalingstijden Bijlage 2-2 Pannerdensch Kanaal, Neder-Rijn en Lek Hoogwaterstanden bij vijf herhalingstijden Bijlage 3-1 Ussel Hoogwaterstanden bij vijf herhalingstijden Bijlage 3-2 Ussel Hoogwaterstanden bij vijf herhalingstijden Bijlage 3-3 Ussel Hoogwaterstanden bij vijf herhalingstijden 3

5 nza 0. SAMENVATTING In augustus 1993 heeft de minister van Verkeer en Waterstaat, op basis van het advies van de commissie Boertien I, de nieuwe maatgevende hoogwaterstanden (MHW) voor de Nederlandse Rijn en zijn takken vastgesteld. De maatgevende hoogwaterstanden zijn de waterstanden die optreden met een gemiddelde herhalingstijd van 1250 jaar. Als gevolg van de wijziging van de maatgevende hoogwaterstanden dienen de betrokken provincies de urgentiecategorieen van de nog te verbeteren dijken langs de Rijn en zijn takken opnieuw te bepalen. Hiertoe moeten de waterstanden bij herhalingstijden van 750, 500, 100 en 50 jaar berekend worden. Voor het maken van deze berekeningen is gebruik gemaakt van het programma ZWENDL, het 66n-dimensionale waterbewegingsprogramma, dat in gebruik is bij Rijkswaterstaat/RIZA. Er is uitgegaan van stationaire afvoeren. Deze berekeningsmethode wijkt af van de methode die gevolgd is bij het maken van de MHW-berekeningen. Men is daarbij uitgegaan van een afvoergolf en er is voor het berekenen van de waterstanden gebruikt gemaakt van RIVCUR, een twee-dimensionaal waterbewegingsprogramma, in combinatie met ZWENDL. Als gevolg van de afwijkende berekeningsmethode sluiten de hier gemaakte berekeningen niet zonder meer aan op de MHW-berekeningen. Gezien de directe relatie, die deze berekeningen hebben met de MHW-standen, is het gewenst, dat ze te vergelijken zijn met de MHW-standen. Daarom is op de berekeningsresultaten een correctie toegepast. De correctie wordt berekend voor elke kilometerraai en is gelijk aan het verschil tussen de waterstand berekent met ZWENDL bij stationaire afvoer met een herhalingstijd van 1250 jaar en de waterstand berekent met RIVCUR-ZWENDL bij een afvoergolf met een herhalingstijd van 1250 jaar oftewel MHW. Op de overige herhalingstijden, 750, 500, 100 en 50 jaar, wordt bij elke kilometerraai dezelfde correctie toegepast. Het resultaat van de berekeningen is vastgelegd in de bijlagen waarin per kilometerraai de waterstanden bij de verschillende herhalingstijden afgedrukt zijn. Onzekerheden met betrekking tot de correctiemethode leiden tot een maximale onderschatting van de waterstanden van 0.15m op de Ussel en 0.10m op de Boven- Rijn en Waal tot 0.05m op de overige Rijntakken.

6 'EWmm riza 1.1NLEIDING In augustus 1993 heeft de minister van Verkeer en Waterstaat, op basis van het advies van de commissie Boertien I, de nieuwe maatgevende hoogwaterstanden (MHW) voor de Nederlandse Rijn en zijn takken vastgesteld (Brief HW/AK dd ). Gekozen is voor het altematief 'Boertien-natuur' uit de nota 'Maatgevende hoogwaterstanden langs de Rijn en zijn takken' [1]. In dit altematief wordt geen rekening gehouden met de bodemdaling van het zomerbed van de rivier, die tussen en 1992 opgetreden is. De maatgevende hoogwaterstanden worden dientengevolge hoger vastgesteld dan op grond van de huidige bodemligging nodig zou zijn. Hierdoor ontstaat speelruimte, die kan worden gebruikt voor natuurontwikkeling of plaatselijke verlegging van een dijktrace\ Als gevolg van de wijziging van de maatgevende hoogwaterstanden dienen de betrokken provincies de urgentiecategorieen van de nog te verbeteren dijken langs de Rijn en zijn takken opnieuw te bepalen. Hiertoe moeten de waterstanden bij herhalingstijden van 750, 500, 100 en 50 jaar berekend worden. De directie Gelderland van Rijkswaterstaat heeft het RIZA verzocht deze berekeningen uit te voeren. In dit document worden de aanpak en de resultaten van de berekeningen beschreven.

7 nza 2. AANPAK 2.1 Inleiding De aanleiding voor deze nota is de vaststelling van de nieuwe maatgevende hoogwaterstanden. Voor een juist begrip van het vervolg is een korte uitleg met betrekking tot de maatgevende hoogwaterstanden op zijn plaats. De maatgevende hoogwaterstanden zijn de waterstanden die optreden met een herhalingstijd van 1250 jaar. Met andere woorden: het niveau dat gemiddeld eens in de 1250 jaar bereikt wordt. Deze maatgevende waterstanden worden berekend met het twee-dimensionale waterbewegingsmodel RIVCUR en het 66n-dimensionale waterbewegingsmodel ZWENDL[2,8]. Met RIVCUR zijn alleen stationaire (constante) afvoeren doorgerekend. Bij de vaststelling van de maatgevende hoogwaterstanden wordt echter uitgegaan van een afvoergolf. Bij een afvoergolf met een bepaalde piekafvoer worden lagere waterstanden bereikt dan bij eenzelfde stationaire afvoer. Om dit effect ( het zogenaamde topvervlakkingseffect 1 ) te berekenen wordt ZWENDL gebruikt. Voor de berekeningen ten behoeve van deze nota is uitgegaan van stationaire afvoeren. Het gebruikte model is het e^n-dimensionale waterbewegingsmodel ZWENDL. Dit model berekent waterstanden, afvoeren en snelheden in een geschematiseerd net van waterlopen. Om te kunnen rekenen moeten aan de randen van de schematisatie afvoeren of waterstanden worden opgegeven; de zogenaamde randvoorwaarden. Met ZWENDL zijn waterstandsberekeningen voor de herhalingstijden van 1250, 750, 500, 100 en 50 jaar gemaakt. Analoog aan de MHW-berekeningen zijn de berekeningen beperkt tot het traject kmraai op de Waal, kmraai op de Lek en kmraai op de Ussel. Het ZWENDL-model van de Rijntakken is geijkt op betrekkingslijnen van de waterstandsmeetstations langs de Rijntakken. In het hoge bereik is het verloop van de betrekkingslijnen ontleend aan de resultaten van de RIVCUR-berekening ten behoeve van de vaststelling van de MHW-standen in 1986 (topafvoer Lobith m 3 /s). In het lagere bereik zijn de betrekkingslijnen (en dus ook de ijking van ZWENDL) ontleend aan waarnemingen. Een berekening met RIVCUR, om de resultaten van dit model te vergelijken met de opgetreden waterstanden tijdens drie hoogwaterperioden (topafvoeren Lobith tot m 3 /s), hebben vertrouwenwekkende resultaten opgeleverd [9]. Dit impliceert dat een ZWENDL-berekening en een RIVCUR-ZWENDLberekening, die beiden op dezelfde uitgangspunten gebaseerd zijn, dezelfde resultaten opleveren. Hierbij wordt ervan uitgegaan, dat wat voor een afvoer van m 3 /s en een afvoer van m 3 /s geldt, ook voor de tussenliggende niveaus opgaat. Verschillen in de opgetreden waterstanden worden dan niet veroorzaakt door verschillen tussen de modellen, maar door verschillen in uitgangspunten. Een voorbeeld van een verschillend uitgangspunt is het rekenen met een stationaire afvoer in deze nota ten Met het topvetvlakkingeffect wordt het vcrschijnscl aangeduid, dat de maximum afvoer van de afvoergolf en dus ook de bijbchorende watcrdicpte in de Icngtcrichting van de rivier, o.a. door het instromen van uitcrwaardcn. afneemt.

8 nza opzichte van een berekening met een afvoergolf bij de MHW-berekeningen. Om de relatie met de MHW-standen toch in stand te houden, is een naverwerkingsmethode gebruikt, die wordt beschreven in paragraaf Randvoorwaarden Voor de bovenrand van de modelschematisatie bij Lobith zijn de afvoeren gehanteerd zoals vermeld in tabel 2.1. Deze getallen zijn ontleent aan het rapport Toetsing uitgangspunten rivierdijkversterkingen' [6].De afvoer bij een herhalingstijd van 750 jaar wordt hierin niet vermeld en is berekend met de, in hetzelfde rapport beschreven, formules (1) en (2). Q = * ln(t) 10 < T < 500 (1) Q = * ln(t) 500 < T < (2) waann: Q = piekafvoer T = herhalingstijd (m 3 /s) (jaren) Met behulp van deze formules kan voor een herhalingstijd van 750 jaar een piekafvoer van m 3 /s worden afgeleid. Afgerond op 5 m 3 /s geeft dit de tabelwaarde van m 3 /s. Herhalingstijd (jaar) Tabel 2.1 Afvoer bij Lobith bij vijf herhalingstijden Afvoer Lobith (m 3 /s)

9 riza De schematisatie heeft drie benedenranden: ter hoogte van Vuren (Waal), Hagestein (Lek) en Schokkerhaven (Ussel/Ketelmeer). Voor het berekenen van de waterstand op de benedenranden is gebruik gemaakt van de betrekkingslijnen [3]. Omdat van Schokkerhaven geen betrekkingslijn bekend is, is gebruik gemaakt van de betrekkingslijn voor Kampen. Om deze reden is tevens de schematisatie van de Ussel ingekort tot Kampen. De afgeleide gegevens staan vermeld in tabel 2.2. Herhalingstijd (jaar) Waterstand Vuren (km ) (m + NAP) Waterstand Hagestein (km ) (m + NAP) Tabel 2.2 Waterstand op benedenranden bij vijf herhalingstijden Waterstand Kampen (km ) (m + NAP) Afgezien van de afvoer en waterstanden op boven- en benedenranden wordt er rekening gehouden met zijdelingse instroming op de Ussel door de Oude Ussel en het Twentekanaal. De gebruikte waarden zijn vermeld in tabel 2.3. Herhalingstijd (jaar) Oude Ussel (km ) (m 3 /s) Tabel 2.3 Zijdelingse instroming Ussel bij vijf herhalingstijden Twentekanaal (km ) (m 3 /s) 2.3 Naverwerking Zoals gezegd worden de maatgevende hoogwaterstanden, die ten grondslag liggen aan de bepaling van de dijkhoogten, berekend met de modellen RIVCUR en ZWENDL. Aangezien de waterstanden die nu met ZWENDL bij een stationaire afvoer berekend worden, bij maatgevende afvoer van m 3 /s niet overeenkomen met die van RIVCUR-ZWENDL is de volgende nabewerking van de ZWENDL-rekenresultaten 8

10 nza toegepast: De ZWENDL-berekeningen bij een herhalingstijd van 1250 jaar zijn vergeleken met de MHW-resultaten, die met RIVCUR-ZWENDL verkregen zijn. De verschillen zijn verrekend met de waterstanden, die ZWENDL berekent, ook bij de overige herhalingstijden. De methodiek wordt aan de hand van een voorbeeld verduidelijkt: Voorbeeld De MHW-waterstand voor kmraai van de Neder-Rijn bedraagt m + NAP. Met ZWENDL wordt voor een herhalingstijd van 1250 jaar op deze locatie een waterstand berekend van 14.65* NAP. Een verschil van 0.15 m. Door nu ook bij de andere herhalingstijden 0.15 m van de, door ZWENDL berekende, waterstanden af te trekken, worden de waterstanden voor elke herhalingstijd gerelateerd aan MHW-niveau. In de ZWENDL-berekeningen is van een stationaire afvoer uitgegaan. Hierdoor wordt geen rekening gehouden met topvervlakking. Bij de bepaling van de maatgevende hoogwaterstanden in [1] is wel rekening gehouden met de topvervlakking. Door de ZWENDL-resultaten te relateren aan de RIVCUR-resultaten, zoals hiervoor beschreven, is dit effect toch in rekening gebracht. Op theoretische gronden mag worden verwacht dat bij lagere topafvoeren, de topvervlakking minder groot is. De waterstanden zullen bij lagere topafvoeren dus iets hoger zijn dan aan de hand van de hiervoor beschreven methode berekend wordt, omdat de topvervlakking behorende bij een topafvoer Lobith van m 3 /s ook wordt toegekend aan lagere topafvoeren. In [7] wordt echter geconstateerd, dat de topvervlakking op de Boven-Rijn, Waal,Neder-Rijn, Lek en het Pannerdens Kanaal niet of nauwelijks wordt beinvloed door de hoogte van de afvoertop. Hierbij is gerekend met afvoertoppen van 13650, 15200, en m 3 /s. Op de Ussel neemt de topvervlakking bij lagere topafvoeren af. Op grond hiervan is alleen voor de Ussel gezocht naar een correctiemethode. Een eenvoudige methode is het interpoleren op basis van de afvoer bij Lobith tussen twee afvoerniveaus waarvoor de topvervlakking bekend is. Hiervoor zijn de gegevens van de topvervlakkingberekening [4], die gemaakt is bij de bepaling van de MHW-standen, beschikbaar als bovengrens. Bovendien zijn er resultaten bekend van een topvervlakkingsmeting tijdens het hoogwater van 1980 [5], toen bij Lobith een topafvoer van 8811 m 3 /s is bereikt. Bij die meting heeft men op de Ussel geen topvervlakking kunnen vaststellen. Gezien de meetnauwkeurigheid en andere onzekerheden is de waarde van deze meting twijfelachtig. Het lijkt niet verstandig een berekening te corrigeren op basis van dergelijke onzekere uitgangspunten. Op de waterstanden van de Ussel is daarom g66n correctie toegepast. Als, in tegenstelling met wat hier wordt verondersteld, g6en topvervlakking optreedt, dan worden in het meest ongunstige geval de waterstanden op de Waal 0.10m, op het Pannerdens Kanaal, Neder-Rijn en Lek 0.05m en op de Ussel 0.15m onderschat.

11 nza 3. RESULTATEN In bijlage 1-1 tot en met 3-3 zijn de berekende waterstanden per kilometerraai langs de Rijn en zijn takken weergegeven. In de meeste linkse kolom zijn de maatgevende hoogwaterstanden vermeld. Daarnaast zijn in volgorde van aflopende herhalingstijd de overige resultaten afgedrukt. Op de Neder-Rijn en de Ussel ontbreken een aantal kilometerraaien, die door bochtafsnijdingen verdwenen zijn. Voor de benedenloop van de Ussel is ervan uitgegaan dat de Usselafvoer en niet de waterstand op het Ketelmeer, de bepalende parameter voor de waterstanden is. Voor de MHW-situatie is dit juist in het hier beschouwde traject (tot kmraai ). Voor de andere herhalingstijden blijkt dit ook te kloppen. 10

12 nza 4. CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN - Met behulp van het waterbewegingsmodel ZWENDL zijn de waterstanden langs de Rijn en zijn takken berekend voor vijf herhalingstijden. Hierbij zijn de uitkomsten van de berekeningen gecorrigeerd met behulp van de MHW-berekeningen. Door uit te gaan van een gelijke topvervlakking bij de verschillende herhalingstijden wordt de waterstand bij afvoeren beneden MHW-niveau enigszins onderschat. Dit effect wordt sterker bij afnemende herhalingstijden. Op grond hiervan moet voor de Ussel rekening worden gehouden met onderschatting tot maximaal 0.15m. Voor de Boven-Rijn en Waal bedraagt de onderschatting maximaal 0.10m. Voor de overige Rijntakken blijft de onderschatting beperkt tot ca. 0.05m. - Een nauwkeuriger bepaling van de gevraagde waterstanden zou mogelijk zijn als rekening werd gehouden met de golfvorm van de afvoer. Onzekerheden met betrekking tot de topvervlakking zouden dan geminimaliseerd kunnen worden. - Een berekening met zowel RIVCUR als ZWENDL bij een afvoerniveau Lobith tussen de en m 3 /s kan de veronderstelling toetsen dat deze modellen in dit bereik dezelfde uitkomsten geven. 11

13 nza REFERENTIES [1] Silva, W. en Hartman, J. Maatgevende hoogwaterstanden langs de Rijn en zijn takken(1993) op basis van het advies van de commissie Boertien Rijkswaterstaat/RIZA, Nota [2] Struijk, R. ZWENDL gebruikersdocumentatie Rijkswaterstaat/RIZA, april 1992 [3] Anonymus Betrekkingslijnen Boven-Rijn en Waal Betrekkingslijnen Pannerdens Kanaal, Neder-Rijn en Lek Betrekkingslijnen Ussel tekening t/m Rijkswaterstaat/Directie Gelderland [4] Burgdorffer, M.C. Topvervlakking op de Rijntakken bij een MHW-afvoer van m 3 /s Rijkswaterstaat/RIZA, Werkdocument X [5] Veraart, A. en Stuurman, T.J. Hoogwater Rijn en -takken Directie Waterhuishouding en Waterbeweging district zuidoost, Nota WWZO [6] Passchier, R.H. Toetsing uitgangspunten rivierdijkversterkingen Aanvullend rapport 2: Werklijn Rijn en Maas Waterloopkundig Laboratorium, Q1664 [7] Schropp, M.H.I, en van der Veen, R. Hoogwaterstanden langs Rijn en Maas bij enkele topafvoeren Rijkswaterstaat/RIZA, Werkdocument X [8] Ubels, J. en *t Hoen, J.P.F. Schematisatie en ijking van de Nederlandse Rijntakken ten behoeve van ZWENDL Rijkswaterstaat/RIZA, nota [9] Ubels, J.W. MHW Verantwoording van het hoogwateronderzoek op de Boven-Rijn, de Waal, het Pannerdensch Kanaal, de Neder-Rijn, de Lek en de Ussel Dienst Binnenwateren/RIZA, nota 86.35, September

14 Bijlage 1-1 Boven-Ryn en Waal Hoogwaterstanden bij vijf herhalingstijden (m+ NAP) km-raai en MHW plaatsaanduiding T=1250 T=750 T=500 T=100 T= Lobith Millingen Ooy Nijmegen Oosterhout Ewijk Deest Dodewaard Druten

15 Bijlage 1-2 Boven-Rijn en Waal Hoogwaterstanden bij vijf herhalingstijden (m+ NAP) km-raai en MHW plaatsaanduiding T=1250 T=750 T=500 T=100 T= Ochten Ben. Leeuwen Tiel Dreumel St-Andries Opijnen Zaltbommel Haaften Herwijnen

16 Bijlage 1-3 Boven-Rijn en Waal Hoogwaterstanden bij vijf herhalingstijden (m+ NAP) km-raai en plaatsaanduiding MHW T=1250 T=750 T=500 T=100 T= Vuren

17 Bijlage 2-1 Pannerdensch Kanaal, Neder-Ryn en Lek Hoogwaterstanden bij vijf herhalingstijden (m+ NAP) km-raai en MHW plaatsaanduiding T=1250 T=750 T=500 T=100 T= Pan. Kop Angeren Huissen Usselkop Arnhem Oosterbeek Driel Heteren Renkum Wageningen Opheusden Rhenen

18 Bijlage 2-2 Pannerdensch Kanaal, Neder-Rgn en Lek Hoogwaterstanden bij vijf herhalingstijden (m+ NAP) km-raai en plaatsaanduiding MHW T=1250 T=750 T=500 T=100 T= Elst Eck en Wiel Amerongen A'dam-Rijnkan. Beusichem Culemborg

19 Bijlage 3-1 Ussel Hoogwaterstanden bij vijf herhalingstijden (m+ NAP) km-raai en MHW plaatsaanduiding T=1250 T=750 T=500 T=100 T= Usselkop Westervoort Velp Rheden Doesburg Dieren Bronkhorst Zutphen

20 Bijlage 3-2 Ussel Hoogwaterstanden bij vijf herhalingstijden (m+ NAP) km-raai en MHW plaatsaanduiding T=1250 T=750 T=500 T=100 T= Gorssel Deventer Olst Wijhe Windesheim

21 Bijlage 3-3 Ussel Hoogwaterstanden bij vijf herhalingstijden (m-t- NAP) km-raai en plaatsaanduiding MHW T=1250 T=750 T=500 T=100 T= Hattem Katerveer