GEULWANDSUPPLETIE OOSTGAT WESTERSCHELDE

Transcriptie

1 Voorstudie GEULWANDSUPPLETIE OOSTGAT WESTERSCHELDE VOORSTUDIE februari 2002 i

2 Voorstudie Afstudeerproject Deel I: Voorstudie Commissie: Ir. J. van de Graaff Ir. F. Bisschop Ir. ing. C.G. Israël Prof. dr. ir. M. J. F. Stive Prof. dr. ir. G. S. Stelling Technische Universiteit Delft Faculteit der Civiele Techniek ii

3 Voorstudie Voorwoord In het kader van het afstuderen aan de faculteit der Civiele Techniek verricht ik studie naar een geulwandsuppletie op de oostelijke geulwand van het Oostgat in de Westerschelde. De hoofddoelstelling van de afstudeeropdracht is het modelleren van het gedrag van deze suppletie over de geulwand. Een en ander wordt beschreven in een volgend rapport. Voorafgaande aan deze hoofdstudie is enige voorstudie verricht, waarbij onder andere de morfologische geschiedenis van het Oostgat in kaart is gebracht. De resultaten van de voorstudie zijn verwerkt in het rapport dat voor u ligt. Voor de totstandkoming van dit rapport wil ik een aantal mensen bedanken. Allereerst mijn begeleiders Jan van de Graaff (TU Delft), Rik Bisschop (Ballast Ham Nederland) en Cornelis Israël (RIKZ Den Haag) voor de verleende ondersteuning en gegeven adviezen. Verder wil ik Jan Maranus (RWS, directie Zeeland) bedanken voor het leveren van commentaar op de verrichte studie naar de geschiedenis van het Oostgat. Dennis Hordijk Werkendam, februari 2002 iii

4 Voorstudie Samenvatting In het kader van een tracerproef is in oktober 2001 een geulwandsuppletie uitgevoerd in het Oostgat van de Westerschelde. Hierbij is ter hoogte van Dishoek m3 glauconiethoudend zand op de oostelijke geulwand van het Oostgat gestort. De doelstelling van deze proef is tweeledig: 1) Bepalen van de netto sedimenttransportpaden van het Oostgat. Voor de beleidsontwikkeling van Directie Zeeland op het gebied van baggeren, storten en zandwinning is het van belang te weten of het Westerschelde-estuarium op langere termijn zand vast blijft houden. Daartoe is het noodzakelijk om van alle morfologische subsystemen, waarvan het Oostgat er één is, te weten of zij zandexporterend dan wel zandimporterend zijn. 2) Bepalen van het gedrag van de geulwandsuppletie: als gevolg van de uitschurende werking van het Oostgat erodeert de kust van zuidwest Walcheren, terwijl de kustlijn op zijn plaats wordt gehouden door strandsuppleties, palenrijen en plaatselijk door harde vooroeverbescherming. De door deze processen optredende versteiling van het kustprofiel kan in het ergste geval leiden tot afschuivingen. Directie Zeeland zoekt naar (innovatieve) grootschalige morfologische ingrepen om de versteiling van het kustprofiel tegen te gaan. Gekeken wordt of een geulwandsuppletie een mogelijke oplossing is om de kustversteiling van zuidwest Walcheren te verminderen of te voorkomen. Tijdens en na de uitvoering van de geulwandsuppletie is de verspreiding van het glauconiethoudend zand in beeld gebracht met behulp van de MEDUSA-meettechniek. Het principe van deze techniek berust op het meten van achtergrondstraling van sediment. Daar glauconiethoudend zand wordt gekenmerkt door een afwijkende achtergrondstraling in vergelijking met gewoon zand zoals dat in het Oostgat voorkomt, kan de verspreiding van dit materiaal gevolgd worden met het MEDUSA-systeem. In het kader van het afstuderen zal de verspreiding van glauconiethoudend zand over een geulwandhelling onder de belasting van de getijstromen gemodelleerd worden met behulp van het programma Delft 3D. Voorafgaande aan deze hoofdstudie is enige voorstudie verricht naar de geschiedenis van het Oostgat, de typen zandsuppleties, het MEDUSA-systeem en het tracermateriaal: Geschiedenis Oostgat: Teneinde het gedrag van het Oostgat van de afgelopen decennia in kaart te brengen zijn Jarkus-raaien (kustprofielmetingen) van de kust van zuidwest Walcheren bestudeerd. Zodoende is voor het gebied, afgebakend door de raaien en 30.84, de horizontale beweging van de oostelijke geulwand van het Oostgat in kaart gebracht. Hierbij bleek dat de oostelijke geulwand gedurende de periode richting de kust migreerde. De positie van de oostelijke geulwand fluctueerde sterk in genoemde periode. Ondanks deze sterke fluctuaties is er toch wel een zekere lineaire trend geconstateerd. De gemiddelde (kustwaartse) migratiesnelheid varieerde voor de verschillende raaien tussen 0.05 en 0.30 m per jaar met een gemiddelde van 0.20 m per jaar. Om na te gaan of de kustwaartse migratie van de oostelijke geulwand mogelijk samenhangt met een kustwaartse beweging van de westelijke geulwand is ook de beweging van de westelijke geulwand bekeken voor de periode De westelijke geulwand werd in deze periode gekenmerkt door een versteiling. Deze versteiling is onder andere het gevolg van erosie van de geulwand in combinatie met aanzanding van het direct achter de westelijke geulwand gelegen Bankje van Zoutelande. Naast erosie van de geulwanden vond er tussen de raaien en gedurende de periode een verdieping van het Oostgat plaats. Deze verdieping bedroeg gemiddeld ongeveer 2 m. Aangezien zowel de geulwanden als de bodem van het Oostgat eroderen zal de oorzaak van de kustwaartse migratie van de oostelijke geulwand van het Oostgat waarschijnlijk een vergroting van de eb- en/of vloeddebieten zijn. Een vergroting van het debiet leidt immers tot toenemende erosie met als gevolg een vergroting van het doorstroomoppervlak. iv

5 Voorstudie Typen zandsuppleties: Het bekendste en oudste suppletietype is de strandsuppletie. Sinds 1993 worden er naast dit type ook vooroeversuppleties uitgevoerd. Een tamelijk nieuwe vorm van suppleren, waarbij zand op een geulwand wordt gestort, is voor het eerst toegepast op de oostelijke geulwand van het Oostgat in oktober Het MEDUSA-systeem: Het MEDUSA-systeem bestaat uit een detectiesysteem dat aan een kabel achter een schip over de waterbodem wordt gesleept. Het principe van de MEDUSA methode berust op het meten van de natuurlijk voorkomende gammastraling die door sedimentdeeltjes wordt afgegeven. Het stralingsniveau is gekoppeld aan de sedimentsamenstelling en is tevens gecorreleerd aan de korrelgrootte van het sediment. Het tracermateriaal: Om de representativiteit van de tracer, het glauconiethoudend zand, te kunnen bepalen zijn de korrelgroottes en het transport van het tracermateriaal en van het in het Oostgat voorkomende sediment vergeleken. Voor de D 50 en de D 70 zijn vrijwel gelijke waarden gevonden van respectievelijk ca. 250 µm en ca. 310 µm. Doordat glauconietkorrels gekenmerkt worden door een iets lagere dichtheid en een minder hoekigere vorm in vergelijking met zandkorrels, zal het glauconiethoudend zand waarschijnlijk iets gemakkelijker getransporteerd worden dan het in het Oostgat voorkomende sediment. De mate van scheiding van het glauconiethoudend zand onder stromingsbelasting is beoordeeld middels beproevingen in een valpijp. Bij de bezinking van het glauconiethoudend zand in de valpijp vond scheiding naar korrelgrootte plaats, echter het zand en het glauconiet scheidden niet van elkaar. Gezien de resultaten van de uitgevoerde proeven en analyses lijkt het glauconiethoudend zand representatief te zijn voor het in het Oostgat (voor de kust van Dishoek) voorkomende sediment. v

6 Voorstudie INHOUDSOPGAVE 1 ALGEMEEN...IX 1.1 ACHTERGROND...IX 1.2 INLEIDING...IX 2 GEBIEDSOMSCHRIJVING... X 2.1 ALGEMEEN...X 2.2 BESCHRIJVING WESTERSCHELDEMONDING...X Algemene karakteristieken van een buitendelta... x Westerscheldemonding... x Getij... xi Morfologische ontwikkelingen... xi Menselijke ingrepen...xii 2.3 GEULEN VOOR DE KUST VAN ZW-WALCHEREN...XII Algemeen...xii Ontwikkeling Deurloo-Geul van de Rassen...xiii Ontwikkeling Oostgat en Bankje van Zoutelande...xiii 3 GEDRAG VAN HET OOSTGAT...XIV 3.1 ALGEMEEN...XIV Kustprofielmetingen... xiv Programma Winkust xiv Kustprofiel zuidwest Walcheren... xv 3.2 GEDRAG OOSTELIJKE GEULWAND...XV Afbakening analysegebied... xvi Afbakening in lengterichting van de geul... xvi Afbakening in dwarsrichting van de geul... xvi Vastleggen gedrag oostelijke geulwand... xvii Analyse gedrag oostelijke geulwand... xviii 3.3 GEDRAG WESTELIJKE GEULWAND...XVIII Afbakening analysegebied... xviii Afbakening in lengterichting van de geul...xviii Afbakening in dwarsrichting van de geul...xviii Vastleggen gedrag westelijke geulwand... xix Analyse gedrag westelijke geulwand... xix 3.4 CONCLUSIES...XX 4 SUPPLETIES...XXI 4.1 ALGEMEEN...XXI 4.2 TYPEN SUPPLETIES...XXI Strandsuppletie... xxi Vooroeversuppletie... xxi Geulwandsuppletie... xxii 5 HET MEDUSA SYSTEEM... XXIII 5.1 ALGEMEEN...XXIII 5.2 MEDUSA-SYSTEEM...XXIII 5.3 TECHNOLOGIE...XXIII 5.4 BETROUWBAARHEID... XXIV Metingen Haringvliet...xxiv Metingen Oostgat...xxiv 6 TRACERMATERIAAL... XXVI 6.1 ALGEMEEN... XXVI 6.2 GLAUCONIET... XXVI 6.3 REPRESENTATIVITEIT TRACER... XXVII Korrelgrootte...xxvii Glauconiethoudend zand... xxvii vi

7 Voorstudie Sedimentverdeling Oostgat... xxix Transport glauconiethoudend zand...xxix Vorm... xxix Dichtheid... xxix Scheiding glauconiethoudend zand...xxx Proefbeschrijving... xxx Proefresultaten... xxx Conclusies...xxxi LITERATUURLIJST BIJLAGEN BIJLAGE 1: BIJLAGE 2: BIJLAGE 3: OVERZICHTSKAARTJE STORTGEBIED MORFOLOGISCHE ONTWIKKELING WESTERSCHELDEMONDING JARKUS-RAAIEN RAAIGEBIEDEN BIJLAGE 4: PROFIELEN OOSTELIJKE GEULWAND 1969 EN 2000 BIJLAGE 5: GEDRAG OOSTELIJKE GEULWAND BIJLAGE 6: PROFIELEN WESTELIJKE GEULWAND 1969 EN 2000 BIJLAGE 7: BIJLAGE 8: BIJLAGE 9 FOTO S UITVOERING GEULWANDSUPPLETIE RESULTATEN ZEEFANALYSE SEDIMENTVERDELING OOSTGAT vii

8 viii

9 Algemeen Achtergrond In het kader van het project K2005*WSmond (deelproject van het programma KUST*2005) doet het RIKZ (Rijksinstituut voor Kust en Zee) onderzoek naar de morfologische interactie tussen de Westerscheldemonding en aangrenzende gebieden. Vanuit de doelstellingen voor dit onderzoek zullen oplossingsrichtingen aangegeven worden voor beheersproblemen van Directie Zeeland: Voor de beleidsontwikkeling van Directie Zeeland op het gebied van baggeren, storten en zandwinning is het van belang te weten of het Westerschelde-estuarium op langere termijn zand vast blijft houden. Daartoe is het noodzakelijk om van de verschillende morfologische subsystemen te weten of zij zandexporterend dan wel zandimporterend zijn. Daarnaast zoekt Directie Zeeland naar (innovatieve) grootschalige morfologische ingrepen om de kustversteiling van zuidwest Walcheren tegen te gaan. Als gevolg van de uitschurende werking van de geul het Oostgat erodeert de kust, terwijl de kustlijn op zijn plaats wordt gehouden door strandsuppleties, palenrijen en plaatselijk door harde vooroeverbescherming. De door deze processen optredende versteiling van het kustprofiel kan in het ergste geval leiden tot afschuivingen. Een geulwandsuppletie kan mogelijk een oplossing zijn om de kustversteiling te verminderen of te voorkomen. Teneinde inzicht te krijgen in de sedimenttransportpaden van het Oostgat is in oktober 2001 in het Oostgat een tracerproef in de vorm van een geulwandsuppletie uitgevoerd. De doelstelling van deze proef is tweeledig [RIKZ, februari 2000]: 1) Bepalen van de netto sedimenttransportpaden van het Oostgat; 2) Bepalen van het gedrag van de geulwandsuppletie. De geulwandsuppletie is uitgevoerd op de oostelijke geulwand van het Oostgat voor de kust van Dishoek (zie overzichtskaartje bijlage 1). Bij deze suppletie is met behulp van een splijtbak ca m 3 glauconiethoudend zand, dat vrijkwam bij het boren van de Westerscheldetunnel, in het Oostgat gestort. Foto s van de uitvoering van het project zijn terug te vinden in bijlage 7. Tijdens en na het storten is de verspreiding van het materiaal in beeld gebracht met behulp van het MEDUSA-meetinstrument. Het principe van de MEDUSAmeettechniek berust op het meten van de achtergrondstraling van sediment. Doordat glauconiet een andere achtergrondstraling heeft dan het in het Oostgat voorkomende sediment, is de beweging van het glauconiethoudend zand goed te volgen met de resultaten van de MEDUSA-metingen. Inleiding In het kader van het afstuderen zal de verplaatsing van het gestorte glauconiethoudend zand over de geulwand gemodelleerd worden met behulp van het programma Delft3D. Voorafgaande aan deze fase is enige voorstudie verricht naar de morfologische ontwikkelingen in de Westerscheldemond, het gedrag van het Oostgat gedurende de afgelopen decennia, de MEDUSA-meettechniek, de representativiteit van het tracermateriaal en naar de verschillende typen zandsuppleties. Een en ander is beschreven in dit rapport. De indeling van het rapport is als volgt. In hoofdstuk 2 wordt de Westerscheldemonding beschreven en wordt tevens extra aandacht besteed aan de direct onder de kust van zuidwest Walcheren gelegen geulen. In hoofdstuk 3 wordt het gedrag van het Oostgat van de afgelopen dertig jaar in kaart gebracht. Hoofdstuk 4 behandelt vervolgens de verschillende typen zandsuppleties. In hoofdstuk 5 wordt de MEDUSA-meettechniek besproken, waarna in hoofdstuk 6 de representativiteit van het tracermateriaal wordt bekeken. ix

10 Gebiedsomschrijving Algemeen Het afstudeerproject is gericht op een geulwandsuppletie op de oostelijke geulwand van het Oostgat. In dit hoofdstuk wordt de Westerscheldemonding, het systeem waarvan het Oostgat een subsysteem is, beschreven. Hierbij zal in detail worden ingegaan op de geulen, welke voor de kust van zuidwest Walcheren liggen. Beschrijving Westerscheldemonding Algemene karakteristieken van een buitendelta Een estuarium wordt gekenmerkt door de interactie van de afvoer van een rivier (de Schelde), het getij op zee (Noordzee) en de interactie tussen zoet- en zout water. Deze interactie tussen zee en rivier zorgt voor een kenmerkend gebied van eb- en vloedgedomineerde geulen met daartussen de intergetijdeplaten. Een estuarium kan worden verdeeld in de buiten- ofwel de ebdelta (de Westerscheldemonding) en de binnen- ofwel vloeddelta. De morfologie van een buitendelta wordt gekenmerkt door een ebgeul en een aantal vloedscharen. Hiertussen ligt een uitgestrekt platengebied met daarop een aantal banken. Westerscheldemonding De Westerschelde is het meest zuidelijk gelegen estuarium van Nederland en is gesitueerd tussen de kust van Walcheren/Zuid-Beveland en de kust van Zeeuwsch-Vlaanderen (zie figuur 2.1). Voor de grens tussen de Westerschelde en de Westerscheldemonding wordt over het algemeen de lijn Vlissingen-Breskens gehanteerd. De zeewaartse grens van de Westerscheldemonding wordt gedefinieerd als de NAP -20m lijn. Westkapelle Cadzand Figuur 2.1: overzichtsplaatje Westerscheldemonding [M.J. van der Slikke, 1999] x

11 De Westerscheldemonding vertoont over het algemeen grote overeenkomsten met het algemene beeld van de morfologie van een buitendelta. De Wielingen/Scheur is als duidelijke hoofdgeul aanwezig en heeft een oost-west oriëntatie. Een andere belangrijke geul, alhoewel deze qua getijvolume kleiner is dan de Wielingen/Scheur, is het Oostgat. Deze geul vervult een kortsluitfunctie tussen de Westerschelde en de Noordzee. Aan de westzijde van het Oostgat bevinden zich de Geul van de Rassen en de Deurloo-oost. Deze twee geulen worden van het Oostgat gescheiden door het Bankje van Zoutelande. De getijvolumes en de eb- en vloeddebieten, gemeten ter hoogte van Dishoek, zijn gegeven in tabel 2.1. Ebvolume Vloedvolume Q max (eb) Q max (vloed) [* 10 6 m 3 ] [*10 6 m 3 ] [*10 3 m 3 /s] [*10 3 m 3 /s] Oostgat Deurloo-oost Wielingen Tabel 2.1: getijvolumes herleid naar gemiddeld jaarlijks getij [bron: debietmeting Westerscheldemond, meetdienst Zeeland 1998] Tussen het geulencomplex Oostgat/Geul van de Rassen en de Wielingen/Scheur ligt een uitgestrekt platengebied (de Raan), waarop zich een aantal banken bevinden. De Raan wordt doorsneden door een aantal nevengeulen, zoals de Deurloo-west, Geul van de Walvischstaart en de Spleet. Getij Voor de beschrijving van het getij kan de Westerscheldemond in vier delen worden opgedeeld: de zeerand, Oostgat/Deurloo, Wielingen/Scheur en de Raan. De getijgolf loopt langs de Nederlandse kust van zuid naar noord, wat een faseverschil tussen de zuidgrens en de noordgrens van de Westerscheldemond veroorzaakt. Doordat de noordgrens (Westkapelle) invloed heeft op de stroming in het Oostgat/Deurloo en de zuidgrens invloed heeft op de stroming door de Wielingen/Scheur, is het getij in deze twee geulen uit fase. De stromingsrichting op de Raan wordt bepaald door de zeerand, Oostgat/Deurloo en Wielingen/Scheur. Een en ander leidt tot tijdverschillen voor hoog- en laagwater variërend voor verschillende locaties langs de kust van zuidwest Walcheren. Naast deze tijdverschillen treden er ook verschillen op in de hoogte van de hoog- en laagwaters. De tijverschillen zijn het grootst ter hoogte van Vlissingen en het kleinst ter hoogte van Westkapelle. De tijverschillen zijn gegeven in tabel 2.2. Gemiddeld springtij Gemiddeld tij Gemiddeld doodtij HW LW HW LW HW LW Vlissingen Westkapelle Cadzand Tabel 2.2: tijverschillen Westerschelde [bron: tienjarig overzicht RIKZ & RIZA] Morfologische ontwikkelingen De morfologische ontwikkeling van de Westerschelde is door de eeuwen heen geleidelijk verlopen. Het oppervlak aan intergetijdegebied in het estuarium is sinds 1800 afgenomen. De afname van de komberging werd gecompenseerd door een toename van de getijslag. Als gevolg hiervan nam de gemiddelde diepte van de geulen sterk toe. De ontwikkeling van de morfologie wordt gestuurd door de hydraulica, maar wordt mede bepaald door de geologische structuren en door menselijke ingrepen. In de Westerscheldemonding bevinden zich enkele resistente lagen, die de morfologische ontwikkeling mogelijk hebben vertraagd. Een belangrijke resistente laag in de Westerscheldemond is de Boomse klei uit het Tertiair. Een deel van deze laag is door baggerwerkzaamheden verwijderd, waardoor de Wielingen en de Scheur zich verder zouden kunnen verdiepen. xi

12 De grootste verandering, die in de afgelopen twee eeuwen in de monding van de Westerschelde heeft plaatsgevonden, is de migratie en de splitsing van de Deurloo en de daarmee verbandhoudende ontwikkeling van de Geul van de Rassen en de Geul van de Walvischstaart. In het begin van de vorige eeuw lagen in de Westerscheldemonding drie grote geulensystemen: het Oostgat, de Deurloo en de Wielingen. De Deurloo was de centrale geul van de monding. Het Oostgat en de Wielingen hadden in grote lijnen dezelfde ligging als nu (zie bijlage 2 [van der Slikke 1999]). De veranderingen in de Deurloo begonnen vanaf ca op te treden. Allereerst veranderde de oriëntatie van het noordelijke deel van de geul (meer oost-west). Als gevolg van deze migratie ontstond halverwege de Deurloo een knik in de geul-as. Daarnaast ontstond in het zuiden, ten noorden van de Wielingen, de Geul van de Walvischstaart. In de knik van de Deurloo ontstond de Geul van de Rassen. Deze twee ontstane geulen hebben bijgedragen aan de verdere splitsing van de Deurloo. De splitsing in een westelijke en oostelijke Deurloo zette zich door in de jaren 60. De Geul van de Rassen sneed verder in de Rassen en kwam in verbinding met het Oostgat. Menselijke ingrepen De belangrijkste menselijke ingrepen, die in de Westerscheldemonding hebben plaatsgevonden, zijn uitgevoerd in het kader van kustverdediging en voor verbetering van de vaarwegen. De baggerwerkzaamheden hebben vooral de afgelopen eeuw plaatsgevonden ter bevordering voor de scheepvaart van en naar Antwerpen en Zeebrugge. De kustverdediging langs de kust van Walcheren en Zeeuwsch-Vlaanderen wordt al een aantal eeuwen uitgevoerd, echter de wijze van verdediging is in de loop der eeuwen veranderd. In de 18 e eeuw werden langs beide kusten strandhoofden geplaatst. In de 19 e eeuw werden op verschillende locaties langs de kust van Walcheren duinvoetverdedigingen aangelegd. Tegenwoordig wordt de kust beschermd middels zandsuppleties, welke sinds 1952 worden uitgevoerd. Geulen voor de kust van ZW-Walcheren Algemeen Direct tegen de kust van zuidwest Walcheren liggen de geulen het Oostgat en de Sardijngeul, welke gescheiden worden door een ondiepte, de Galgeput. Aan de westzijde van het Oostgat ligt het Bankje van Zoutelande. Aan de westkant van dit bankje ligt in het noorden de Geul van de Rassen en in het zuiden de Deurloo-oost. De Geul van de Rassen sluit in het noorden aan op het Oostgat, terwijl de Deurloo-oost in het zuiden aansluit op de Galgeput. Aan de noordwest zijde van de Geul van de Rassen ligt de bank, de Rassen. Een en ander is gevisualiseerd in figuur 2.2. xii

13 Figuur 2.2: zuidwest kust Walcheren [M.J. van der Slikke, 1999] Ontwikkeling Deurloo-Geul van de Rassen Uit de opnames van 1823 en 1841 is af te leiden dat in deze periode een gelijksoortige situatie bestaan heeft als in het heden, waarin direct naast het Bankje van Zoutelande aan de westkant een geul ligt (zie bijlage 2). In 1860 verdwijnt deze doorgaande verbinding en neemt de ebschaar (verbonden met de Deurloo) in omvang af. Deze ebschaar snijdt zich zuidelijker in het Bankje van Zoutelande en de Rassen, dan de huidige geul van de Rassen. In de periode na 1920 verandert de loop van de Deurloo en ontstaat het begin van de Geul van de Rassen. Deze geul scheidt de twee banken (de Rassen en het Bankje van Zoutelande) en krijgt in de jaren 70 verbinding met het Oostgat. Rond die tijd is de Deurloo ook pas echt gesplitst in een oostelijk een westelijk deel. Het oostelijk deel heeft een meer noord-zuid oriëntatie gekregen en is versmald. Deze versmalling die ook bij de Geul van de Rassen optreedt is het gevolg van migratie van de banken aan de westzijde van de geulen. Ontwikkeling Oostgat en Bankje van Zoutelande In vergelijking met de ontwikkeling van de Deurloo en de Geul van de Rassen zijn de veranderingen van het Oostgat en het Bankje van Zoutelande gering. Het Oostgat en het Bankje van Zoutelande liggen al meer dan een eeuw tegen de kust van Walcheren. De vorm van het Oostgat wordt waarschijnlijk mede bepaald door intensieve kustverdedigingen. De knik in de kustlijn ter hoogte van Zoutelande en Dishoek is mede bepaald door de stormvloeden die in de Middeleeuwen zijn opgetreden, waardoor resistente afzettingen zijn geërodeerd. De veranderingen van het Bankje van Zoutelande zijn vooral het gevolg van de veranderingen van het geulensysteem aan de westzijde. Een groot deel (voornamelijk het zuidelijke deel) heeft de afgelopen eeuwen geen grote veranderingen ondergaan. Gedurende de vorige eeuw groeide het bankje aan de Rassen. Door het ontstaan van de Geul van de Rassen is het Bankje van Zoutelande aan de noordzijde versmald. xiii

14 Gedrag van het Oostgat In dit hoofdstuk worden Jarkus-raaien van de kust van zuidwest Walcheren geanalyseerd. Het doel van deze analyse is het in kaart brengen van de migratie van de oostelijke geulwand van het Oostgat. Daarnaast wordt ook gekeken naar het gedrag van de westelijke geulwand, teneinde na te gaan of de kustwaartse migratie van de oostelijke geulwand mogelijk het gevolg is van een kustwaartse beweging van de westelijke geulwand. Algemeen Kustprofielmetingen Sinds het midden van de 19 e eeuw worden langs de Nederlandse kust elk jaar de posities van de duinvoet en de hoog- en laagwaterlijn gemeten. Deze metingen worden uitgevoerd langs raaien. De raaien worden gemarkeerd door strandpalen, welke met onderlinge afstanden van 1000 meter langs de hele kust op het strand staan. Sinds 1963 wordt jaarlijks langs raaien met een onderlinge afstand van 200 à 250 meter het kustprofiel opgemeten (Jarkus-metingen). Hierbij wordt de hoogte-/diepteligging bepaald tot circa 800 meter zeewaarts van de strandpalen en tot circa 200 meter landwaarts van de eerste duinenrij. Eens in de 3 jaar worden om de 4 raaien doorlodingen uitgevoerd, waarbij de profielen in zeewaartse richting verlengd worden tot 2 à 3 kilometer. De dieptemetingen worden gedaan door vaartuigen van Rijkswaterstaat of van een waterschap. De hoogtemetingen worden uitgevoerd met behulp van een vliegtuig (zie figuur 3.1). De gegevens worden opgeslagen in DONAR (Digitale Opslag Natte Rijkswaterstaat). In de loop der jaren is een uiterst waardevolle hoeveelheid basisgegevens van de Nederlandse kust binnen dit computerbestand verzameld. Aan de hand van deze gegevens kan onder meer nagegaan worden waar en in welke mate sprake is van kustaanwas (sedimentatie) of kustachteruitgang (erosie). Figuur 3.1: hoogte- en dieptemetingen Programma Winkust 2000 Het gedrag van de oostelijke en de westelijke geulwand gedurende de afgelopen decennia is in kaart gebracht met behulp van het programma Winkust 2000, dat o.a. door Rijkswaterstaat wordt gebruikt voor kustlijnberekeningen en ter bepaling van duinafslag [Stowa, 2001]. In het programma kunnen de data van de Jarkus-metingen ingelezen worden. In Winkust 2000 zijn verschillende rekenonderdelen opgenomen, waaronder verticale kuberingen. Deze functie is gebruikt ter bepaling van het gedrag van het Oostgat gedurende de periode De berekening van verticale kuberingen berust op het berekenen van schijfvolumes (zandvolumes tussen handmatig in te voeren grenzen). xiv

15 Kustprofiel zuidwest Walcheren Teneinde het kustprofiel van zuidwest Walcheren in kaart te brengen, zijn de Jarkus-raaien (t.h.v. Westkapelle) tot en met (t.h.v. Vlissingen) bestudeerd. Hierbij zijn op basis van de kenmerken van de oostelijke geulwand vijf verschillende gebieden onderscheiden, te weten: Gebied 1 (raai t/m 26.35), gekenmerkt door een steile geulwandhelling van ca. 1:3. Gebied 2 (raai t/m 27.30), waarbinnen de helling van de geulwand in zuidoostelijke richting afneemt tot ca. 1:21. Gebied 3 (raai t/m 28.70), waarbinnen de helling van de geulwand in zuidoostelijke richting toeneemt tot ca. 1:7. Gebied 4 (raai t/m 30.10), gekenmerkt door een geulwandhelling van ca. 1:7. Gebied 5 (raai t/m 31.89), waarbinnen de helling en de hoogte van de geulwand sterk afnemen in zuidoostelijke richting. In raai en volgende raaien is geen duidelijke geulwand meer te onderscheiden. Ter visualisering zijn in figuur 3.2 de vijf genoemde gebieden ingetekend op een plattegrond van de zuidwest kust van Walcheren. Tevens is de locatie van de geulwandsuppletie aangegeven. De Jarkus-raaien van de verschillende gebieden zijn terug te vinden in bijlage 3. Figuur 3.2: visualisering raaigebieden Gedrag oostelijke geulwand xv

16 Afbakening analysegebied Afbakening in lengterichting van de geul Om de kustwaartse migratie van de oostelijke geulwand van het Oostgat ter hoogte van Dishoek (locatie geulwandsuppletie) in kaart te kunnen brengen dient een voldoende groot aantal raaien bekeken te worden. Verder dient in de te analyseren raaien een duidelijke geulwand aanwezig te zijn zoals te zien is in de raaien in gebied 4 (zie bijlage 3). Gebied 3 wordt gekenmerkt door een verflauwing van de geulwandhelling in noordwestelijke richting. Ter afbakening van het analysegebied is een minimale geulwandhelling van 1:15 gekozen, waardoor het analysegebied aan de noordwestzijde is begrensd ter hoogte van raai (met een geulwandhelling van 1:14). In gebied 5 is duidelijk te zien dat zowel de hoogte als de helling van de geulwand in zuidoostelijke richting afnemen. Hier is het analysegebied afgebakend ter hoogte van raai Voor het vastleggen van de beweging van de oostelijke geulwand zijn dus de raaien tot en met bestudeerd. Dit zijn totaal 14 raaien over een kustlengte van 2.7 km. Dit gebied is voldoende groot om iets zinvols te kunnen zeggen over de beweging van de oostelijke geulwand gedurende de afgelopen decennia. Afbakening in dwarsrichting van de geul Teneinde het gedrag van de oostelijke geulwand van het Oostgat in kaart te brengen, is naast een afbakening van het analysegebied in lengterichting van de geul ook een afbakening in dwarsrichting van de geul gemaakt. Dit houdt in dat er in de Jarkus-raaien een vast gebied gekozen is, waarbinnen het gedrag van de geulwand bestudeerd is. Gekozen is voor de afbakening zoals gegeven in figuur 3.3 (zie het gearceerde gedeelte binnen de Jarkus-raai). Deze afbakening is in Winkust 2000 gemaakt door de volgende grenzen in te voeren: Verticale grenzen: de begrenzingen van de geulwand t.o.v. het raainulpunt. Deze grenzen zijn zo gekozen dat de helling van de geulwand tussen deze grenzen vrijwel constant is. Horizontale grens: het niveau NAP 20 m. Het voordeel van deze afbakening is dat de met behulp van Winkust 2000 berekende verschillen in zandvolumes (uitgedrukt in m 3 per m geullengte) tussen verschillende jaren meteen omgerekend kunnen worden in horizontale migratie van de geulwand door het verschilvolume te delen door de hoogte van de geulwand, zie figuur 3.4. In deze figuur wordt het verschilvolume tussen twee jaren gezien als parallellogram. Dit is mogelijk doordat de geulwandhelling constant is in de tijd; er treedt alleen een verschuiving (migratie) van de geulwand richting de kust op. Opgemerkt wordt dat het voor de berekening van de geulwandmigratie logischer zou zijn om horizontaal te kuberen. Er is met behulp van Winkust 2000 echter verticaal gekubeerd, daar op deze wijze het beoogde resultaat sneller wordt bereikt. xvi

17 Beweging oostelijke geulwand Figuur 3.3: begrenzing schijfvolume Figuur 3.4: berekening migratie oostelijke geulwand Vastleggen gedrag oostelijke geulwand De beweging van de oostelijke geulwand gedurende de periode is vastgelegd door voor iedere geanalyseerde raai de ingemeten profielen (Jarkus-raaien) van 1970 tot en met 2000 te vergelijken met het ingemeten profiel van Zodoende is voor de raaien tot en met de positie van de oostelijke geulwand bepaald ten opzichte van de positie van deze geulwand in het jaar Een en ander is weergegeven in bijlage 5. In deze bijlage is de kustwaartse beweging (erosie van de oostelijke geulwand) negatief uitgezet. Omdat in de raaien 28.50, en meetgegevens van het jaar 1990 ontbreken (hoogte- en dieptemetingen overlappen niet), is voor deze raaien voor het jaar 1990 geen positie van de geulwand gegeven. In bijlage 4 zijn voor de raaien tot en met de ingemeten profielen (Jarkus-raaien) van de jaren 1969 en 2000 gegeven. In deze bijlage is tevens per raai de afbakening in dwarsrichting van de geul gegeven (zie omkadering in de Jarkus-raaien). De geulwand is zodanig afgebakend dat de geulwandhelling constant is binnen de afbakening. Uit vergelijking van de profielen van 1969 en 2000 volgt bovendien dat voor alle raaien (met uitzondering van xvii

18 de raaien en 30.33) de geulwandhelling vrijwel constant is in de tijd. Hieruit volgt dat de in figuur 3.4 gevisualiseerde rekenmethode toegepast kan worden. Voor de raaien en is het niet geheel juist om de migratie uit te rekenen via het parallellogram-principe (zie figuur 3.4). De afbakening in deze raaien is echter zodanig gemaakt, dat via de toegepaste rekenmethode (parallellogram-principe) toch een soort van gemiddelde migratie wordt berekend. Analyse gedrag oostelijke geulwand Bijlage 5 geeft de gemiddelde positie van de oostelijke geulwand als functie van de tijd ten opzichte van zijn positie in In deze bijlage is te zien dat de positie van de oostelijke geulwand gekenmerkt wordt door sterke fluctuaties tussen de verschillende jaren. Ondanks deze sterke fluctuaties is er toch wel een zeker gemiddeld verloop te zien. Dit gemiddelde verloop is voor iedere raai gevisualiseerd middels een lineaire trendlijn. Voor alle raaien (met uitzondering van raai 30.10) geeft deze trendlijn een goede benadering van de positie van de oostelijke geulwand gedurende de periode In raai is een mogelijke trendbreuk aanwezig in Deze trendbreuk is echter zeer klein en zeer lokaal en zal waarschijnlijk het gevolg zijn van meetonnauwkeurigheden. Een andere mogelijke verklaring voor de trendbreuk in 1991 zou (in 1991 beginnende) lokale uitbochting van het Oostgat als gevolg van circulatiestromen in dwarsrichting van de geul kunnen zijn. Uit de resultaten van bijlage 5 volgt voor iedere raai een gemiddelde waarde voor de kustwaartse migratie van de oostelijke geulwand gedurende de periode De gemiddelde (kustwaartse) migratiesnelheid varieert voor de verschillende raaien tussen 0.05 en 0.30 m per jaar en bedraagt gemiddeld 0.20 m per jaar. Gedrag westelijke geulwand Afbakening analysegebied Afbakening in lengterichting van de geul Ter bepaling van de beweging van de westelijke geulwand gedurende de periode zijn dezelfde Jarkus-raaien als voor de bepaling van de beweging van de oostelijke geulwand bekeken, namelijk de raaien tot en met Aangezien er in de raaien tot en met en in de raaien en geen duidelijke westelijke geulwand te herkennen is (zie bijlage 3), zijn deze raaien niet verder geanalyseerd. Afbakening in dwarsrichting van de geul In dwarsrichting van de geul is een soortgelijke afbakening gemaakt als voor de bepaling van het gedrag van de oostelijke geulwand, zie figuur 3.5. Direct achter de westelijke geulwand (dus ten zuidwesten van het Oostgat) ligt het Bankje van Zoutelande, zie figuur 2.1. Dit zandbankje is duidelijk terug te zien in de in figuur 3.5 gegeven doorloding. xviii

19 Bankje van Zoutelande Oostelijke geulwand Westelijke geulwand Geulbodem Figuur 3.5: afbakening in dwarsrichting van de geul Vastleggen gedrag westelijke geulwand Teneinde het gedrag van de westelijke geulwand vast te leggen zijn van de raaien tot en met de ingemeten profielen bestudeerd. Hierbij bleek de helling van de westelijke geulwand te zijn toegenomen gedurende de periode Bijlage 6 geeft de ingemeten profielen van 1969 en In deze bijlage is naast de westelijke geulwand ook de geulbodem te herkennen. Analyse gedrag westelijke geulwand Bijlage 6 laat voor alle bestudeerde raaien erosie van de westelijke geulwand zien. De gedurende de periode opgetreden horizontale migratie van de westelijke geulwand varieert tussen ca. 10 m (van de kust af) ter hoogte van raai en ca. 60 m (van de kust af) in raai Verder blijkt het Bankje van Zoutelande aan te zanden aan de zijde van het Oostgat. Mede hierdoor vindt er een versteiling van de westelijke geulwand plaats, zie raaien tot en met Naast de morfologische verandering van de westelijke geulwand is ook gekeken naar de verandering van het bodemprofiel van het Oostgat. In bijlage 6 is duidelijk te zien dat het Oostgat zich in de periode heeft verdiept. Deze verdieping, die gemiddeld ca. 2 m bedraagt, draagt mee aan de versteiling van de westelijke geulwand. xix

20 Conclusies De positie van de oostelijke geulwand fluctueert sterk in de periode Ondanks deze sterke fluctuaties is er toch wel een zekere lineaire trend te constateren. De gemiddelde kustwaartse (horizontale) migratie gedurende genoemde periode varieert in lengterichting van het Oostgat (in het gebied afgebakend door de raaien en 30.84) tussen 0.05 en 0.30 m per jaar met een gemiddelde van 0.20 m per jaar. Gezien deze snelheden valt de kustwaartse migratie van de oostelijke geulwand van het Oostgat mee. De westelijke geulwand versteilt gedurende de periode Deze versteiling is onder andere het gevolg van erosie van de geulwand in combinatie met aanzanding aan de oostzijde van het direct achter de westelijke geulwand gelegen Bankje van Zoutelande. Naast erosie van de geulwanden vindt er tussen de raaien en gedurende de periode een verdieping van het Oostgat plaats. Deze verdieping bedraagt ongeveer 2 m. Gezien bovenbeschreven bevindingen kan geconcludeerd worden dat de kustwaartse migratie van het Oostgat niet het gevolg is van een kustwaartse beweging van de westelijke geulwand. De horizontale bewegingen van beide geulwanden zijn immers tegengesteld van richting. Aangezien zowel de geulwanden als de bodem van het Oostgat eroderen zal de oorzaak van de kustwaartse migratie van de oostelijke geulwand van het Oostgat waarschijnlijk een vergroting van de eb- en/of vloeddebieten zijn. Een vergroting van het debiet leidt immers tot toenemende erosie met als gevolg een vergroting van het doorstroomoppervlak. xx

21 Suppleties Algemeen Stroming en golven zijn er de oorzaak van dat er langs de Nederlandse kust een netto zandtransport plaatsvindt in noordwestelijke richting, naar de ebdelta s van de zeegaten tussen de waddeneilanden. Vanuit die ebdelta s spoelt het zand de Waddenzee in. Het zandgebrek op de vooroever wordt weer aangevuld vanaf het strand. Als gevolg van het zandtransport langs de Nederlandse kust ging er tot 1990 jaarlijks zo n 20 tot 30 hectare duingebied verloren. Sinds 1990 compenseert Rijkswaterstaat de kustafslag middels zandsuppleties. Gemiddeld wordt per jaar ongeveer 7 miljoen m 3 zand gesuppleerd. Daarmee konden de zandverliezen in de kustzone tot zo n 7 meter onder NAP worden gecompenseerd en is op de meeste plaatsen de kusterosie tot staan gebracht. In de praktijk blijkt dat een zandsuppletie de belangrijkste methode van kustverdediging is. Op langere termijn gezien vormt het herhaald suppleren van zand een goede oplossing voor het zandtekort in de kustzone. Typen suppleties Strandsuppletie Het bekendste en oudste suppletietype is de strandsuppletie. Het zand wordt met behulp van sleephopperzuigers gewonnen en getransporteerd naar de locatie waar de suppletie plaatsvindt. Daar wordt het zand via persleidingen op het strand opgespoten en met behulp van shovels onder profiel gebracht (zie figuur 4.1). Figuur 4.1: strandsuppletie Vooroeversuppletie Naast strandsuppleties worden er sinds 1993 ook vooroeversuppleties uitgevoerd. Hierbij wordt een hoeveelheid zand voor de kust aangebracht. Ook een dergelijke slijtlaag vangt de achteruitgang van de kust voor een bepaalde periode (bijvoorbeeld 5 jaar) op, waardoor het oorspronkelijke strand en de duinen intact blijven. In figuur 4.2 is een overzicht gegeven van een strand- en een vooroeversuppletie. In vergelijking met een strandsuppletie is voor een vooroeversuppletie meer zand nodig, omdat onder invloed van de getijstromen en golfwerking een gedeelte van het op de vooroever aangebrachte zand richting dieper water zal verdwijnen. Een voordeel van een vooroeversuppletie is dat de kosten veel lager zijn, omdat de schepen het zand direct kunnen lossen zonder dat dit eerst door een pijpleiding wordt geperst. xxi

22 Figuur 4.2: overzicht strand- en vooroeversuppletie Geulwandsuppletie Strand- en vooroeversuppleties zijn over het algemeen goede methodes van kustverdediging als het gaat om het tegengaan van de achteruitgang van het duingebied. Echter genoemde methodes zijn geen goede oplossing voor het richting de kust migreren van een geul. Als gevolg van de uitschurende werking van de geul het Oostgat erodeert de kust van zuidwest Walcheren. De uitgevoerde strandsuppleties en aangebrachte vooroever-bescherming (palenrijen) houden de kustlijn op zijn plaats, echter de oostelijke geulwand beweegt zich richting de kust. Door deze ontwikkeling versteilt het kustprofiel van zuidwest Walcheren. In het kader van het programma Kust2005 wordt gezocht naar grootschalige morfologische ingrepen in de Westerscheldemond ter voorkoming van verdere migratie van de oostelijke geulwand van het Oostgat. Omdat de onomkeerbare harde beheersmaatregelen minder goed passen binnen het beleid om de kustlijn dynamisch te handhaven, heeft het de voorkeur te zoeken naar innovatieve (zandige) beheersmaatregelen. Zodoende is het idee van een geulwandsuppletie ontstaan. Deze methode houdt in dat op de geulwand een hoeveelheid zand, welke fungeert als slijtlaag, wordt aangebracht. Deze vorm van suppleren is voor het eerst toegepast in oktober 2001 in het Oostgat van de Westerschelde ter hoogte van Dishoek (zie foto s bijlage 7). xxii

23 Het MEDUSA Systeem Algemeen MEDUSA (het Multi-Element Detector systeem for Underwater Sediment Activity) is een systeem waarmee op een efficiënte manier de samenstelling van bodemmateriaal in kaart kan worden gebracht. Het systeem integreert data afkomstig van een aantal sensoren, zoals een detector van gammastraling, een trillingsmeter, GPS, temperatuur en waterdruk. MEDUSA-Systeem Het MEDUSA systeem bestaat uit een detectiesysteem dat aan een kabel achter een schip over de waterbodem wordt gesleept (zie figuur 5.2). Het detectiesysteem, geplaatst in een aluminium buis, wordt hierbij beschermd door een PVC-omhulsel (zie figuur 5.1). Figuur 5.1: MEDUSA-detectiesysteem [Tönis, 2001] Figuur 5.2: MEDUSA meettechniek [Tönis, 2001] Technologie Het principe van de MEDUSA methode berust op het meten van de natuurlijk voorkomende gammastraling die door sedimentdeeltjes in de waterbodem wordt afgegeven [Tönis, 2001]. De straling is afkomstig van drie verschillende nucliden (instabiele elementen die vervallen en daarbij straling uitzenden), die van nature in sediment voorkomen, te weten: Kalium, Uranium en Thorium. De concentraties, waarin deze elementen in sediment voorkomen, zijn afhankelijk van het type sediment. In tabel 5.1 zijn voor verschillende sedimenttypen de activiteitsconcentraties weergegeven. Deze xxiii

24 gegevens laten zien dat glauconiethoudend zand gekarakteriseerd wordt door hoge activiteitsconcentraties van kalium en een karakteristieke verhouding van uranium/thorium van 3:1. Sedimenttype Activiteitsconcentratie (Bq/kg) Kalium Uranium Thorium Glauconiethoudend zand Zand IJzerslakken Klei Tabel 5.1: activiteitsconcentraties van verschillende sedimenttypen [Tönis, 2001] Het stralingsniveau, gemeten door MEDUSA, is gekoppeld aan de sedimentsamenstelling [Koomans, 2001]. Hierdoor is het mogelijk om de samenstelling van de bodem te bepalen uit de door MEDUSA gemeten straling. Doordat de activiteitsconcentratie van Kalium gecorreleerd is aan de korrelgrootte (o.a. aan de D 70 ) van het sediment is het mogelijk om uit de gemeten activiteitsconcentratie de korrelgrootte (D 70 ) van het sediment te bepalen. Naast de mogelijkheid om de korrelgrootte van het sediment met behulp van de natuurlijke radioactiviteit te meten, kan de korrelgrootte ook bepaald worden uit het gemeten geluidsniveau. Het geluidsniveau wordt gemeten met een microfoontje in de MEDUSA-detector en is een maat voor de korrelgrootte en de ruwheid van het bodemmateriaal. MEDUSA is gevoelig voor de bovenste 30 centimeter van de waterbodem en kan laagjes glauconiethoudend zand van één centimeter dikte op een onderlaag van zand detecteren. Betrouwbaarheid Metingen Haringvliet Teneinde de met het MEDUSA-systeem gemeten activiteitenconcentraties te valideren zijn sedimentmonsters (afkomstig van de Haringvliet) vergeleken met de in situ MEDUSA-metingen (zie figuur 5.3). Hierbij bleek dat voor lage radionuclideconcentraties van uranium, thorium en kalium de met het MEDUSA-systeem gemeten waarden goed overeenkomen met de radionuclideconcentraties gemeten aan de sedimentmonsters. Voor hogere activiteitsconcentraties onderschat het MEDUSAsysteem de activiteiten. Deze onderschatting wordt toegeschreven aan de verandering van de dichtheid van het sediment. Aangezien de activiteitsconcentraties worden uitgedrukt in Becquerel (Bq) per massaeenheid (kg) zorgt een verhoging van de dichtheid van het sediment voor een verdunning van de activiteitsconcentraties van de nucliden bij de in-situ metingen. Figuur 5.3: vergelijking activiteitsconcentraties MEDUSA-sedimentmonsters [Tönis, 2001] Metingen Oostgat Om de tracerstudie in het Oostgat succesvol te laten verlopen is het van belang dat de radiometrische eigenschappen van de tracer voldoende verschillen van de radiometrische eigenschappen van het xxiv

25 sediment dat in het onderzoeksgebied voorkomt. Teneinde de radiometrische eigenschappen van het in het Oostgat voorkomende sediment in kaart te brengen is een T o -meting met het MEDUSA-systeem uitgevoerd. Aan de hand van de resultaten van deze T o -meting is de locatie van de uit te voeren tracerproef bepaald. Naast de MEDUSA meting in het Oostgat zijn ook een aantal bodemmonsters genomen. Teneinde de met het MEDUSA-systeem gemeten activiteitsconcentraties te valideren zijn de sedimentmonsters vergeleken met de in situ MEDUSA-metingen. Hieruit bleek dat de activiteitsconcentraties gemeten met het MEDUSA-systeem goed overeenkwamen met de activiteitsconcentraties van de monsters. Alleen in gebieden waar veel grof materiaal (puin, steenslag) op de bodem lag werden (lokaal) grote afwijkingen gevonden in de radiometrie. Dit had geen nadelige gevolgen voor het slagen van de tracerproef, aangezien deze proef uitgevoerd is op een locatie waar geen grof materiaal op de bodem aanwezig is, namelijk voor de kust van Dishoek. xxv

26 Tracermateriaal Algemeen Voor de geulwandsuppletie in het Oostgat van de Westerschelde is glauconiethoudend zand gebruikt, dat vrijkwam bij het boren van het gedeelte van de Westerscheldetunnel onder de Everingen. De ligging van de aangeboorde glauconiethoudende zandlaag is gegeven in figuur 6.1. Figuur 6.1: ligging glauconiethoudende zandlaag onder de Everingen Doordat glauconiethoudend zand andere radiometrische eigenschappen heeft dan het bodemmateriaal van het Oostgat is het mogelijk om het in het Oostgat gestorte glauconiethoudend zand te detecteren met de MEDUSA-meettechniek. Door deze meting gedurende een bepaalde periode (enkele weken) meerdere malen uit te voeren kan de beweging van de tracer in kaart worden gebracht. De beweging van de tracer in de tijd kan vertaald worden in de netto transportrichting en de transportsnelheid van het in het Oostgat voorkomende sediment. Hiertoe dient bepaald te worden in hoeverre het tracermateriaal representatief is voor het in het Oostgat voorkomende sediment. Glauconiet Glauconiet is een zwart tot groen gekleurd mineraal dat ontstaat in de bodem van de zee [GeoDelft, 1995]. Het heeft de sedimentologische eigenschappen van fijn zand, wat inhoudt dat het de korreleigenschappen heeft van gewoon fijn zand. Mineralogisch gezien behoort het mineraal glauconiet tot de mica-groep. Deze mica-groep behoort tot de zogenaamde phyllosilicaten (mineralen met een plaatvormig kristalrooster), waartoe onder andere ook de kleimineralen behoren. Glauconiet mineralen zijn relatief zacht, worden gekenmerkt door een soortelijk gewicht van 2400 kg/m 3 en bezitten een zekere mate van flexibiliteit of zelfs elasticiteit. xxvi

27 Representativiteit tracer Om de representativiteit van de tracer te kunnen bepalen zijn de korrelgroottes en het transport van het in het Oostgat voorkomende sediment en van het glauconiethoudend zand vergeleken. Tevens is gekeken naar de mate van scheiding van het glauconiethoudend zand onder stroming. Korrelgrootte Glauconiethoudend zand Uit boringen in de glauconiethoudende zandlaag onder de Everingen bleek dat het glauconiethoudend zand naast voornamelijk kwarts gemiddeld 30% glauconiet bevat [GeoDelft, 1995]. De korrelgrootte varieerde van 50 µm tot circa 300 µm. De gemiddelde korrelgrootte bedroeg circa 175 tot 210 µm, wat wees op een overwegend matig fijn zand, met een vrij geringe spreiding in korrelgrootte. In figuur 6.2 is een monster, afkomstig uit de genoemde boringen, te zien. Figuur 6.2: glauconiethoudend zand Tijdens de uitvoering van de geulwandsuppletie zijn uit het beun van de splijtbak monsters van het glauconiethoudend zand genomen. Door middel van zeefanalyses is de korrelgrootteverdeling van deze monsters bepaald. De zeefanalyse is uitgevoerd voor een viertal monsters, afkomstig uit verschillende vrachten van de splijtbak. Proefbeschrijving: Teneinde het materiaal droog te kunnen zeven zijn de monsters gedroogd in een oven bij een temperatuur van 75 C. Na ca. 48 uur drogen zijn de zeefanalyses uitgevoerd. Hierbij is gebruik gemaakt van 11 zeven met een maaswijdte variërend van 63µm tot 2mm. De zeven zijn geschud met behulp van een mechanische zeefschudder. Na zeving van het materiaal, zijn de verschillende zandfracties gewogen. De proefopstelling is te zien in figuur 6.3. xxvii

28 Figuur 6.3: proefopstelling zeefanalyse Proefresultaten: De zeefkrommes zijn gegeven in figuur 6.4. De uitgebreidere resultaten van de zeefanalyse zijn terug te vinden in bijlage 8. Duidelijk is te zien dat het glauconiethoudend zand gekenmerkt wordt door een steile zeefkromme. Uit de resultaten van de zeefanalyse volgt een D 50 van ca. 250µm en een D 70 van ca. 310µm. Figuur 6.4: resultaten zeefanalyse Aangezien voor de verschillende monsters een soortgelijke zeefkromme werd gevonden (m.u.v. monster 2), mag geconcludeerd worden dat het in het Oostgat gestorte glauconiethoudend zand een homogene samenstelling heeft. Opgemerkt wordt dat in de zeefkromme van monster 2 een knik aanwezig is. Bij deze zeving is waarschijnlijk iets mis gegaan. xxvii i

29 Bevindingen: Zowel voor als na de droging waren de donkere glauconietkorrels duidelijk te herkennen in het bemonsterde zand. Na het zeven van het materiaal viel op dat bij het fijner worden van het materiaal het glauconietpercentage toenam. Voor het materiaal op de zeef met een maaswijdte van 250µm (materiaal 250 tot 355µm) was het glauconietpercentage het hoogst (zie figuren 6.5a en 6.5b). Figuur 6.5a: materiaal 500 tot 710µm Figuur 6.5b: materiaal 250 tot 355µm Bij een verdere verfijning van het materiaal nam het percentage glauconiet sterk af. In het materiaal fijner dan 125µm waren geen glauconietkorrels meer te zien. Uit deze bevindingen is geconcludeerd dat het glauconiet gekenmerkt wordt door een iets steilere korrelverdeling en een iets grotere D 50 dan het zand waarin het glauconiet aanwezig is. De D 50 van het glauconiet wordt geschat op 250 tot 300µm. Sedimentverdeling Oostgat Aan de hand van de resultaten van de met het MEDUSA-systeem in het Oostgat uitgevoerde t o -meting [Tönis, 2001] is de sedimentverdeling van het Oostgat in kaart gebracht (zie bijlage 9). Vlak na de MEDUSA-meting zijn bovendien een dertiental bodemmonsters gestoken. Deze monsters (gemengd over de bovenste 20 cm) zijn geanalyseerd op korrelgrootte. De resultaten (D 70 ) zijn verwerkt in de op basis van de MEDUSA-meting opgestelde sedimentverdelingskaart [Koomans, 2001], zie bijlage 9. In deze bijlage is duidelijk te zien dat er voor de kust van Dishoek (locatie tracerproef) een grote spreiding in korrelgrootteverdeling aanwezig is. In het diepe gedeelte van het Oostgat ten zuidoosten van de stortlocatie (aangegeven met een blauw vierkantje) is grof sediment gevonden. Ten noordwesten van de stortlocatie is het sediment fijner. In de omgeving van de stortlocatie ligt de gemiddelde D 70 tussen de 250 en 375 µm. De D 50 van het sediment varieert tussen de 200 en 300 µm. Transport glauconiethoudend zand Vorm Zandkorrels worden gekenmerkt door een hoekige vorm, terwijl glauconietkorrels worden gekenmerkt door een rondere (minder hoekigere) vorm. Een minder hoekigere korrelvorm leidt tot afname van de stabiliteit van korrels onder stroming, hetgeen leidt tot gemakkelijker transport. Dichtheid Glauconiet heeft een dichtheid van 2400 kg/m 3, terwijl gewoon zand, zoals dat voorkomt in het Oostgat, gekenmerkt wordt door een iets hogere dichtheid van 2650 kg/m 3. Door de iets lagere dichtheid van glauconiet zal het glauconiethoudend zand iets gemakkelijker xxix

30 getransporteerd worden dan gewoon zand. Dit verschil is echter zeer klein, aangezien het dichtheidsverschil zeer gering is. Uitgaande van een glauconietpercentage van 30% bedraagt het massieve dichtheidsverschil tussen glauconiethoudend zand en gewoon zand 3%: {1 (ρ ghz / ρ s )} * 100 (6.1) waarin: ρ ghz = dichtheid glauconiethoudend zand (0.70 * 2650 kg/m * 2400 kg/m 3 = 2575 kg/m 3 ) ρ s = dichtheid gewoon zand, 2650 kg/m 3 Invullen van deze dichtheden in de gegeven formule geeft een dichtheidsverschil van 3%. Scheiding glauconiethoudend zand Voor het slagen van de tracerproef in het Oostgat is het van belang dat het glauconiethoudend zand als één bulk reageert, wat wil zeggen dat het zand en het glauconiet onder stromingsbelasting niet van elkaar scheiden. Eén van de proeven om te bekijken of scheiding optreedt is de bezinkproef in een valpijp. Middels deze proef is de mate van scheiding van het tracermateriaal bepaald. Proefbeschrijving De proefopstelling bestond uit een 2 meter lange plastic pijp met een inwendige diameter van 81 mm. Nadat deze aan de onderzijde afgedichte pijp gevuld was met water, zijn hierin verschillende bezinkproeven uitgevoerd. Bij de beproevingen is meerdere malen een hoeveelheid glauconiethoudend zand in de pijp laten vallen. Tijdens en na bezinking van het glauconiethoudend zand is de samenstelling van dit materiaal visueel beoordeeld. Zodoende is de mate van scheiding van glauconiet- en zandkorrels bepaald. De bezinkproeven zijn zowel met gedroogd als met nat glauconiethoudend zand uitgevoerd. Proefresultaten Voor de eerste proef is gedroogd glauconiethoudend zand gebruikt. Opgemerkt wordt dat een zodanig kleine hoeveelheid materiaal is gebruikt dat het materiaal niet als één dichte wolk naar beneden viel (hindered settling), zie figuur 6.6. Bij de bezinking van het materiaal bleken het glauconiet en het zand niet van elkaar te scheiden, zie figuur 6.7. Wel vond een duidelijke scheiding naar korrelgrootte plaats. Voor de grofste korrels is een valsnelheid van ca. 10 cm per seconde gemeten. Voor de fijnere glauconiet- en zandkorrels werden valsnelheden lager dan 1 cm per seconde gevonden. Boven het glauconiethoudend zand zetten zich fijne slibdeeltjes af. Dit sliblaagje is te zien in figuur 6.7. xxx

31 Sliblaagje Afname korreldiameter Figuur 6.6: bezinking glauconiethoudend zand Figuur 6.7: glauconiethoudend zand na bezinking Nadat het materiaal was bezonken is een tweede hoeveelheid gedroogd glauconiethoudend zand in de valpijp gebracht. Ook hierbij is geen scheiding van glauconiet en zand waargenomen. Na de bezinking van het materiaal is tenslotte een derde hoeveelheid materiaal in de valpijp gebracht. Het materiaal voor deze derde bezinkingsproef bestond echter uit nat enigszins geklonterd glauconiethoudend zand, zoals dat op de oostelijke geulwand van het Oostgat is gestort. De klonten vielen tijdens de bezinking meteen uiteen. De bezinking verliep verder analoog aan de bezinking van gedroogd glauconiethoudend zand, zie figuur 6.8. Ook in deze figuur zijn de eerder genoemde sliblaagjes weer duidelijk terug te vinden. Proef 3 Grof materiaal Sliblaagje Proef 2 Fijn materiaal Proef 1 Figuur 6.8: glauconiethoudend zand na bezinking van tweede en derde hoeveelheid Conclusies Gezien de resultaten van de uitgevoerde proeven en analyses lijkt het glauconiethoudend zand representatief te zijn voor het in het Oostgat (omgeving Dishoek) voorkomende sediment: Het in het Oostgat voorkomende sediment en het gestorte glauconiethoudend zand komen qua korrelverdeling overeen. De D 50 en D 70 zijn ter vergelijking gegeven in tabel 6.1. D 50 D 70 [µm] [µm] Sediment Oostgat 200 tot tot 375 Glauconiethoudend zand Tabel 6.1: vergelijking korrelgrootte xxxi

32 Ter vergelijking van het transport van glauconiethoudend en gewoon zand zijn de korrelvorm en de dichtheid bekeken. Een iets lagere dichtheid en een rondere korrelvorm van glauconiet leiden er waarschijnlijk toe dat glauconiethoudend zand iets gemakkelijker getransporteerd wordt dan gewoon zand. Bij de bezinking van glauconiethoudend zand in een valpijp vond scheiding naar korrelgrootte plaats, echter het zand en het glauconiet scheidden niet van elkaar. Gezien deze resultaten mag geconcludeerd worden dat het in het Oostgat gestorte glauconiethoudend zand als één bulk reageert onder stromingsbelasting. xxxii

33 Literatuurlijst GeoDelft (juni 1995) Westerschelde oeververbinding, geotechnische opinie glauconiethoudende zanden Koomans, R.L. (augustus 2001) Sedimentverdeling in het Oostgat Meetdienst Zeeland (1998) Debietmeting Westerscheldemond RIKZ (6 februari 2000) Projectplan K2005*Wsmond RIKZ & RIZA (1991) Tienjarig overzicht Slikke, M.J. van der (1999) Invloed van stormen op de zuidwest kust van Walcheren Stowa (maart 2001) WinKust2000 Gebruikershandleiding Tönis, R. (april 2001) T o -meting Oostgat m.b.v. Medusa xxxii i

34 Afstudeerproject Deel II: Modellering gedrag geulwandsuppletie Commissie: Ir. J. van de Graaff Ir. F. Bisschop Ir. ing. C.G. Israël Prof. dr. ir. M. J. F. Stive Prof. dr. ir. G. S. Stelling Technische Universiteit Delft Faculteit der Civiele Techniek xxxi v

35 Voorwoord In het kader van het afstuderen aan de Faculteit der Civiele Techniek is er een studie gedaan naar het gedrag van een op de oostelijke geulwand van het Oostgat aangebrachte zandsuppletie. Hierbij is allereerst onderzoek gedaan naar de morfologische geschiedenis van het Oostgat en in detail naar het gedrag van de oostelijke geulwand gedurende de afgelopen 30 jaar. Daarnaast is studie verricht naar onder andere de eigenschappen van het suppletiemateriaal en naar de Medusa-meettechniek, een meetmethode om het bodemsediment te traceren. De resultaten van deze voorstudie zijn verwerkt in het eerder verschenen rapport ", Voorstudie ", februari Na de voorstudie is het gedrag van de geulwandsuppletie gemodelleerd in Delft3D, een softwarepakket voor de modellering van onder andere stroming en sedimenttransport. De stapsgewijze modellering, de analyse van de modelresultaten en een vergelijking van deze resultaten met de resultaten van in het Oostgat uitgevoerde echolood-metingen en Medusametingen, zijn beschreven in dit rapport. Het afstudeerverslag wordt gevormd door zowel deel I (voorstudie) als deel II (hoofdstudie) dat voor u ligt. Graag wil ik Edwin Elias (TU Delft) en Dano Roelvink (WL Delft Hydraulics) bedanken voor de verleende ondersteuning bij de modellering in Delft3D. Ook wil ik de leden van de afstudeercommissie en in het bijzonder Jan van de Graaff (TU Delft), Rik Bisschop (Ballast Ham Nederland) en Cornelis Israël (RIKZ) bedanken voor hun advies en begeleiding bij mijn afstudeeronderzoek. Tevens wil ik Ronald Koomans bedanken voor het verstrekken van de resultaten van de Medusa-surveys. Dennis Hordijk Werkendam, juni 2002 xxx v

36 Samenvatting Als gevolg van de uitschurende werking van de onder de kust van zuidwest Walcheren gelegen getijgeul Oostgat, migreert de oostelijke geulwand van deze geul in kustwaartse richting met een snelheid van gemiddeld 0.20 m per jaar. Doordat de kustlijn op zijn plaats wordt gehouden door middel van strandsuppleties en palenrijen versteilt het kustprofiel, wat in het ergste geval kan leiden tot afschuivingen. Een mogelijke oplossing om deze kustversteiling tegen te gaan is het onder water suppleren van zand op de oostelijke geulwand. De effectiviteit van zo'n geulwandsuppletie hangt sterk af van de snelheid waarmee het suppletiezand verdwijnt. Door de hoge stroomsnelheden in de geul bestaat de kans dat het suppletiezand op korte termijn enerzijds langs de geulwand naar beneden 'rolt' en anderzijds in lengterichting van de geul getransporteerd wordt. Om inzicht te krijgen in het gedrag van zo n geulwandsuppletie is in oktober 2001 in het kader van het onderzoeksprogramma KUST2005 van Rijkswaterstaat/RIKZ een tracerproef uitgevoerd in het Oostgat. Hierbij is met behulp van een splijtbak ca m³ glauconiethoudend zand, dat vrijkwam bij het boren van de Westerscheldetunnel, op de oostelijke geulwand van het Oostgat gestort. Tijdens en na de uitvoering van de geulwandsuppletie is de verspreiding van dit tracermateriaal in beeld gebracht met behulp van de Medusa-meettechniek. Hieruit is gebleken dat het grootste gedeelte (70%) van het op de oostelijke geulwand van het Oostgat gesuppleerde materiaal na 14.5 weken nog binnen het stortvak lag. De verschuiving van het zwaartepunt bedroeg ca. 10 m in vloedrichting en de suppletiehoogte was afgenomen met naar schatting 0.20 m in vergelijking met de oorspronkelijk aangebrachte suppletiehoogte. In het kader van het afstuderen is het gedrag van de geulwandsuppletie gemodelleerd met behulp van het programma Delft3D, een softwarepakket voor de modellering van onder andere stromingen en sedimenttransporten. Om de stabiliteit van de geul in het model in beeld te brengen is eerst de geul zonder geulwandsuppletie gemodelleerd. Het model bestond uit een 20 km lange geulsectie met constante dwarsdoorsnede. Door op de open modelranden variërende waterstanden op te leggen is een getijstroom door de geulsectie geïnduceerd. De uit deze getijstroom volgende stroomsnelheden zijn geijkt aan de in het kader van een stroomsnelheidsmeting (ADCP) in het Oostgat gemeten stroomsnelheden. Na de modellering van de geulsectie en de analyse van het stroomgedrag en het gedrag van het geulprofiel, is vervolgens de geulwandsuppletie in het model geïmplementeerd. Om het gedrag van de geulwandsuppletie in kaart te brengen is het model gerund voor een rekenperiode van 12 maanden. Uit de resultaten van de modellering van de geulwandsuppletie in Delft3D blijkt het suppletiemateriaal iets sneller te verplaatsen dan in werkelijkheid. De verplaatsing van het zwaartepunt van de suppletie bedraagt volgens het model na 14.5 weken ca. 20 m en na één jaar ca. 70 m in vloedrichting. Bovendien vindt er enige verplaatsing van suppletiemateriaal in hellingafwaartse richting plaats. Naast de verplaatsing van de suppletie vindt er volgens het model ook een afname van de suppletiehoogte plaats, waarbij de initiële hoogte van 2 m binnen een periode van één jaar halveert. Uit bovenstaande volgt dat het suppletiemateriaal zowel in werkelijkheid als in het model vrij goed op de oostelijke geulwand met een helling van 1:7 blijft liggen. Op basis van deze resultaten zou eventueel overwogen kunnen worden om in de toekomst de kustwaartse migratie (als gevolg van de eroderende werking van het Oostgat) tegen te gaan door middel van grootschalige zandsuppleties op de oostelijke geulwand. xxx vi

37 INHOUDSOPGAVE 1 ALGEMEEN ACHTERGROND INLEIDING PROBLEEMANALYSE PROBLEEMBESCHRIJVING DOELSTELLING PROCESSEN IN DE PRAKTIJK TOEPASSING MODEL DELFT3D PROGRAMMA DELFT3D TRANSPORTRICHTINGEN SUPPLETIEMATERIAAL HELLINGSEFFECTEN IN DELFT3D MODELLERING GEUL ALGEMEEN GEOMETRISCHE SCHEMATISATIE Afmetingen model Numeriek grid Diepteprofiel RANDVOORWAARDEN Algemeen Stroomcondities Transportcondities BEGINVOORWAARDEN SEDIMENTPARAMETERS MORFOLOGISCHE PARAMETERS OVERIGE INVOERPARAMETERS Ruwheid Viscositeit AKS-factor BED-factor SIMULATIE Numerieke stabiliteit en rekentijdstap Rekenperiode BESPREKING RESULTATEN Stroomsnelheden Gedrag van de geul Conclusies MODELLERING GEULWANDSUPPLETIE ALGEMEEN IMPLEMENTATIE GEULWANDSUPPLETIE Afmetingen en locatie Sedimentparameters SIMULATIE Tijdstap Rekenperiode BESPREKING RESULTATEN Stroming Gedrag geulwandsuppletie Conclusies...65 xxx vii

38 6 VERGELIJKING MEDUSA-METINGEN ALGEMEEN ANALYSE GLAUCONIETHOUDEND ZAND GLAUCONIETVERDELING STUDIEGEBIED BATHYMETRIE STORTGEBIED DISCUSSIE CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN CONCLUSIES AANBEVELINGEN LITERATUURLIJST BIJLAGEN BIJLAGE 1A: BIJLAGE 1B: BIJLAGE 1C: BIJLAGE 1D: BIJLAGE 2: BIJLAGE 3A: BIJLAGE 3B: BIJLAGE 4: BIJLAGE 5A: BIJLAGE 5B: BIJLAGE 6A: BIJLAGE 6B: BIJLAGE 6C: LOCATIE ADCP-METING BEPALING STROOMSNELHEDEN OOSTELIJKE GEULWAND DWARSPROFIELEN LANGSSTROMING DWARSPROFIELEN DWARSSTROMING GEDRAG VAN DE GEUL GEDRAG GEULWANDSUPPLETIE GEDRAG GEULWANDSUPPLETIE (INGEZOOMD) TOELICHTING FOUT IN DELFT3D DWARSDOORSNEDEN SUPPLETIE DWARSDOORSNEDEN GEULBODEM FRACTIE GLAUCONIETHOUDEND ZAND IN STORTGEBIED BATHYMETRIE STORTGEBIED DOORSNEDEN STORTGEBIED xxx viii

39 Algemeen Achtergrond Vlak onder de kust van zuidwest Walcheren ligt de diepe geul "Oostgat", zie figuur 1.1. Onder invloed van de getijstroom erodeert deze geul, waardoor een verruiming van het dwarsprofiel plaatsvindt (zie rapport 'Voorstudie', februari 2002). Als gevolg van de uitschurende werking van het Oostgat migreert de oostelijke geulwand van deze geul met een snelheid van gemiddeld 0.20 m per jaar richting de kust van zuidwest Walcheren. Doordat de kustlijn op zijn plaats wordt gehouden door middel van strandsuppleties en palenrijen versteilt het kustprofiel, wat in het ergste geval kan leiden tot afschuivingen. Een mogelijke oplossing om deze kustversteiling tegen te gaan is het onder water suppleren van zand op de oostelijke geulwand, welke ter hoogte van het studiegebied (Dishoek) een gemiddelde helling van ca. 1:7 heeft. De effectiviteit van zo'n geulwandsuppletie hangt sterk af van de snelheid waarmee het suppletiezand verdwijnt. Door de hoge stroomsnelheden in de ter hoogte van Dishoek ca. 17 m diepe geul bestaat de mogelijkheid dat het suppletiezand op korte termijn enerzijds langs de geulwand naar beneden 'rolt' en anderzijds in lengterichting van de geul getransporteerd wordt. Om inzicht te krijgen in het gedrag van een geulwandsuppletie is in oktober 2001 in het kader van het onderzoeksprogramma KUST2005 van Rijkswaterstaat/RIKZ een tracerproef uitgevoerd. Hierbij is met behulp van een splijtbak ca m³ glauconiethoudend zand, dat vrijkwam bij het boren van de Westerscheldetunnel, op de oostelijke geulwand van het Oostgat gestort. Tijdens en na de uitvoering van de geulwandsuppletie is de verspreiding van dit tracermateriaal in beeld gebracht met behulp van de Medusa-meettechniek. Het principe van deze techniek berust op het meten van de natuurlijke achtergrondstraling van sediment. Doordat glauconiethoudend zand een andere achtergrondstraling heeft dan het in het Oostgat voorkomende sediment, is de verspreiding van het glauconiethoudend zand te traceren met het Medusa-meetinstrument. Figuur 1.1: ligging Oostgat onder de kust van zuidwest Walcheren [Bron: Medusa] 39

40 Inleiding In het kader van het afstuderen is een studie gedaan naar de morfologische ontwikkelingen in de Westerscheldemond, het gedrag van het Oostgat gedurende de afgelopen decennia, de Medusa-meettechniek, de representativiteit van het tracermateriaal en de verschillende typen zandsuppleties. Voor de resultaten van deze voorstudie wordt verwezen naar het rapport "Voorstudie, geulwandsuppletie Oostgat Westerschelde, februari 2002". Na de voorstudie is het gedrag van de geulwandsuppletie onder invloed van de getijstroom gemodelleerd in Delft3D, een softwarepakket voor de modellering van onder andere stromingen en sedimenttransporten. De indeling van dit rapport, waarin de modellering van de geulwandsuppletie wordt beschreven, is als volgt. In hoofdstuk 2 wordt allereerst een probleemanalyse gegeven. Hoofdstuk 3 behandelt vervolgens het voor de modellering van de geulwandsuppletie gebruikte softwarepakket, waarbij vooral wordt ingegaan op de wijze waarop in het betreffende pakket de invloed van hellingseffecten op het sedimenttransport in rekening is gebracht. In hoofdstuk 4 wordt de geul zonder suppletie gemodelleerd om inzicht te krijgen in het gedrag van de geul in het model. Hierbij wordt eerst aandacht besteed aan de geometrische schematisatie van de geul, rand- en beginvoorwaarden en aan de fysische, morfologische en overige parameters, waarna vervolgens de simulatie en de resultaten van deze simulatie besproken worden. In hoofdstuk 5 wordt de implementatie van de geulwandsuppletie in de gemodelleerde geul beschreven, waarna het gedrag van deze suppletie onder de belasting van getijstroming gesimuleerd en besproken wordt. In hoofdstuk 6 worden deze resultaten vervolgens vergeleken met de resultaten van de Medusa-surveys en multibeam echolood-metingen. Tenslotte worden in hoofdstuk 7 de conclusies samengevat en worden tevens enkele aanbevelingen gedaan. 40

41 Probleemanalyse Probleembeschrijving Op de oostelijke geulwand van het Oostgat is in het kader van een tracerproef een zandsuppletie uitgevoerd. De effectiviteit van deze suppletie wordt bepaald door de snelheid waarmee het gesuppleerde glauconiethoudend zand verplaatst. Door de hoge stroomsnelheden in het Oostgat zou het suppletiemateriaal op korte termijn enerzijds langs de geulwand naar beneden kunnen bewegen en anderzijds evenwijdig aan de geul getransporteerd kunnen worden. Daar het suppleren op een geulwand een tamelijk nieuwe vorm van suppleren is, is er nog weinig bekend over de invloed van de geulwandhelling op het gedrag van de suppletie. Doelstelling De hoofddoelstelling van de in het Oostgat uitgevoerde tracerproef is het inzicht krijgen in het gedrag van een suppletie op een geulwandhelling onder belasting van getijstroming. Hieruit volgde de doelstelling van de hoofdstudie van het afstudeeronderzoek: Het modelleren van de geulwandsuppletie in een daarvoor geschikt model om theoretisch inzicht te ontwikkelen in het gedrag van een suppletie op een geulwand onder de belasting van getijstroming. In deze modellering is de geul geschematiseerd tot een rechte geulsectie met contante dwarsdoorsnede. Het ging er niet om, om het autonome gedrag van het Oostgat, zoals dat in de voorstudie in kaart is gebracht, na te rekenen. Het beoogde doel van de modellering was het in beeld brengen van het gedrag van een op een geulwand (met een helling van ca. 1:7) aangebrachte bult zand onder stroombelasting. Processen in de praktijk In werkelijkheid wordt het gedrag van de in het Oostgat uitgevoerde geulwandsuppletie (GWS) hoofdzakelijk bepaald door de eb- en vloedstromen door de getijgeul. Tevens is het mogelijk dat er als gevolg van dwarsstroming enig sedimenttransport in dwarsrichting van de geul plaatsvindt (hierover meer in bijlage 1D). Door de ligging van het Bankje van Zoutelande aan de westzijde van het Oostgat (zie figuur 2.1) wordt de geul afgeschermd tegen golven vanuit (zuid)westelijke richting. De invloed van de golven op het sedimenttransport in het Oostgat (in de schaduwzone van het zandbankje) zal hierdoor waarschijnlijk klein zijn. 41

42 N LOCATIE GWS Figuur 2.1: visualisering ligging Bankje van Zoutelande Toepassing model Voor de modellering van het gedrag van de geulwandsuppletie diende een model (softwarepakket) te worden toegepast, waarin in ieder geval het effect van bodemhellingen (geulwandhelling) op het sedimenttransport in rekening zou worden gebracht. Gekozen is voor Delft3D, een veel toegepast softwarepakket voor de modellering van onder andere stromingen en sedimenttransporten. Omdat het Oostgat een getijdominante geul is, is bij de modellering van de geulwandsuppletie in Delft3D alleen getijstroming meegenomen. De eventuele invloed van golven op het sedimenttransport is in het model niet in rekening gebracht. Tevens is bij de modellering dwarsstroming niet meegenomen. 42

43 Delft3D Programma Delft3D Delft3D is een door WL Delft Hydraulics ontwikkeld softwarepakket bestaande uit meerdere samenwerkende modules en gekoppelde programma's. Met dit pakket kunnen onder andere twee- en driedimensionale stromingen, golven, sedimenttransporten en bodemontwikkelingen gesimuleerd worden. Transportrichtingen suppletiemateriaal Door de hoge stroomsnelheden in het Oostgat zal het gesuppleerde zand op termijn enerzijds langs de geulwand naar beneden bewegen en anderzijds evenwijdig aan de geul getransporteerd worden. Aangezien de effectiviteit van een geulwandsuppletie bepaald wordt door zowel het transport in langs- als in dwarsrichting van de geul, zijn beide transportbewegingen in de modellering van de geulwandsuppletie meegenomen. Hellingseffecten in Delft3D In Delft3D wordt het sedimenttransport opgedeeld in suspensie- en bodemtransport [WL Delft Hydraulics, 2001]. Het bodemtransport vindt plaats in een dunne laag direct boven de bodem. Het in deze laag getransporteerde sediment is vrijwel continu in contact met de bodem. Het sediment dat via suspensietransport verplaatst wordt is daarentegen niet in contact met de bodem en ondervindt geen bodemwrijving. Voor de berekening van het sedimenttransport (suspensie- en bodemtransport) worden in Delft3D de formules van 'Van Rijn' toegepast [WL Delft Hydraulics, 2001]. Voor zowel het suspensie- als voor het bodemtransport wordt het effect van de bodemhelling op het sedimenttransport in rekening gebracht. Hellingseffect in suspensietransport: Het effect van bodemhellingen wordt in het suspensietransport meegenomen via diffusievergelijkingen. Wanneer sediment door stroming over een helling (geulwand) in suspensie wordt gebracht, zal dit gesuspendeerde sediment als gevolg van een concentratiegradiënt langs de geulwand naar beneden bewegen. Hellingseffect in bodemtransport: Het bodemtransport over een hellende bodem wordt in drie stappen bepaald. Eerst wordt het bodemtransport via de formule van Van Rijn voor een vlakke bodem bepaald. Vervolgens wordt het effect van de bodemhelling in langsrichting van de stroom in rekening gebracht door het eerder voor een vlakke bodem bepaalde transport te vermenigvuldigen met een factor α s. Deze factor wordt bepaald uit de helling van de bodem in langsrichting van de stroom en de inwendige wrijvingshoek van het bodemsediment. Tenslotte wordt het effect van de bodemhelling in dwarsrichting (normaalrichting) van de stroom in rekening gebracht door het voor de helling in langsrichting van de stroom aangepaste bodemtransport (grootte en richting) samen te stellen met een vector α b. Deze vector wordt bepaald uit de bodemhelling dwars op de stroom, de stroomsnelheid aan de bodem en de kritische stroomsnelheid. Het feit dat in Delft3D rekening is gehouden met hellingseffecten maakt dit programma zeer geschikt voor de modellering van de geulwandsuppletie op de oostelijke geulwand van het Oostgat. 43

44 Modellering geul Algemeen Het Oostgat wordt ter hoogte van de locatie van de geulwandsuppletie gekenmerkt door een rechte ligging. Iets ten noordwesten en ten zuidwesten van dit studiegebied (voor de kust van Dishoek) bevinden zich flauwe bochten in het Oostgat. Een en ander is te zien in figuur 4.1. Aangezien het niet het doel van de modellering was om het huidige (autonome) gedrag van het Oostgat na te rekenen, is de geul in het model ter vereenvoudiging over de gehele lengte recht gedacht (zonder bochten). Zodoende is het gedrag van de geulwandsuppletie op de oostelijke geulwand met een helling van 1:7 gemodelleerd. Uit vooronderzoek is gebleken dat het dwarsprofiel van het Oostgat in het studiegebied (op grotere tijdschaal, (decennia)) verwijdt. Een mogelijke verklaring hiervoor zou een toename van de getijslag kunnen zijn (zie rapport voorstudie). De op de oostelijke geulwand uitgevoerde suppletie is een ingreep op veel kleinere tijdschaal. Om het gedrag van deze suppletie goed te kunnen simuleren was het gewenst dat de geulsectie in het model op kleine tijdschaal (enkele maanden tot een jaar) stabiel was. Dit houdt in dat de geometrie van de geul binnen de simulatietijd weinig verandert. Om de stabiliteit van de gemodelleerde geulsectie in kaart te brengen is in eerste instantie alleen de geul zonder suppletie gemodelleerd. Vervolgens is de geulwandsuppletie in dit model geïmplementeerd. N STUDIEGEBIED Figuur 4.1: visualisering Oostgat in studiegebied Bij de modellering is gebruik gemaakt van verschillende modules en gekoppelde programma's. Het modelgrid is gecreëerd met behulp van een gekoppeld grid-programma, waarna vervolgens met een gekoppeld bathymetrie-programma het diepteprofiel op het aangemaakte modelgrid is ingevoerd. Dit diepteprofiel diende als input voor de stromingsmodule (FLOW-module), waarmee de getijstromen en het gedrag van de geul(wandsuppletie) gesimuleerd zijn. In de stromingsmodule zijn stroming, sedimenttransport en bodemverandering aan elkaar gekoppeld, waardoor in de simulatie de stroming continu wordt aangepast aan de bodemveranderingen. De terugkoppeling van bodemverandering naar stroomcondities is schematisch weergegeven in figuur 4.2. Voor de in Delft3D toegepaste formules voor stroming en sedimenttransport wordt verwezen naar de usermanual van dit softwarepakket [WL Delft Hydraulics, 2001]. 44

45 BODEMTOPOGRAFIE STROMING SEDIMENTTRANSPORT TIJDSTAP MECHANISME SEDIMENTBALANS BODEMVERANDERING OUTPUT Figuur 4.2: terugkoppeling van bodemverandering naar stroomcondities 45

46 Geometrische schematisatie Afmetingen model Het model bestaat uit een geulsectie met een lengte van 20 km. Gezien de omvang van de geulwandsuppletie (100 x 50 x 2m) zou een geulsectie met een lengte van enkele kilometers voldoende lang zijn om het gedrag van de zandsuppletie te simuleren. Echter om eventuele randeffecten (afwijkende stroming en sedimenttransporten bij de modelranden) op voldoende afstand van de suppletie te houden is gekozen voor een modellengte van 20 km. In dwarsrichting van de geul heeft het model een lengte van 1 km. Deze lengte is zodanig gekozen dat het gehele kustprofiel van de duinvoet tot en met de westelijke geulwand van het Oostgat binnen het modelgebied valt. Numeriek grid Na de keuze van de modelafmetingen is een numeriek grid aangemaakt, waarop vervolgens alle locatiegerelateerde parameters waaronder het bodemprofiel (de bathymetrie) gedefinieerd zijn. Over het algemeen leidt een verfijning van het grid tot een toename van de nauwkeurigheid van de simulatie, echter ook tot een toename van de rekentijd. Deze toename van de rekentijd is enerzijds het gevolg van een toename van de hoeveelheid gridpunten en anderzijds het gevolg van een toename van het aantal rekentijdstappen: om numerieke stabiliteit van het model te garanderen, dient de verhouding van de rekentijdstap t en de gridafmeting x voldoende klein te blijven ten opzichte van de voortplantingssnelheid van het getij (zie paragraaf 4.8.1, numerieke stabiliteit en rekentijdstap). Een verfijning van het grid kan zodoende leiden tot een verkleining van de tijdstap en dus tot een toename van het aantal tijdstappen bij gelijkblijvende rekenperiode. Het model ter simulering van het gedrag van de geulwandsuppletie is in eerste instantie opgezet op een grof numeriek grid. Om de rekennauwkeurigheid ter plaatse en in de directe omgeving van de geulwandsuppletie te verhogen, is het grid hier lokaal verfijnd tot gridpuntafstanden van 12.5 m in zowel de lengte- als dwarsrichting van de geulwandsuppletie. Het zodanig verkregen numeriek grid is gegeven in figuur 4.3. In deze figuur is een geleidelijke overgang van het grove grid (bij de modelranden) naar het fijne grid (ter plaatse van de geulwandsuppletie) te zien. Deze geleidelijke overgang is toegepast uit het oogpunt van numerieke stabiliteit. Om het model driedimensionaal te laten rekenen is op het numerieke grid een lagensysteem ingevoerd. Hierbij zijn in verticale richting zes lagen, uitgedrukt in percentages van de waterdiepte, gedefinieerd. De gedefinieerde waterlagen uitgedrukt in een percentage van de totale waterdiepte hebben gezien vanaf de bodem tot aan de waterspiegel diktes van 2%, 4%, 8%, 16%, 30% en 40% van de totale waterdiepte. 46

47 20 km OOSTELIJKE GEULWAND 1 km WESTELIJKE GEULWAND LOCATIE GEULWANDSUPPLETIE 4 x 12.5 m 8 x 12.5 m Figuur 4.3: gedefinieerd numeriek grid Diepteprofiel De geulwandsuppletie is uitgevoerd tussen kilometrering en (lengte 100 m). Jarkusraai 30.33, die binnen deze kilometrering valt is gekozen als representatief diepteprofiel voor de gehele geulsectie binnen het modelgebied. Zodoende is in het model het dwarsprofiel van de geul en dus ook de helling van de oostelijke geulwand constant over de lengterichting van de geul. Raai wordt gekenmerkt door een maximale geuldiepte van ongeveer 17 m ten opzichte van de gemiddelde waterstand en een helling van de oostelijke geulwand van ca. 1:7. Het in het model ingevoerde diepteprofiel is gegeven in figuur 4.4, waarbij het referentievlak overeenkomt met het NAP in de praktijk. Aangezien het gehele achterliggende gebied aan de zuidwestzijde van de geul nauwelijks of geen invloed heeft op de verspreiding van het gesuppleerde zand, is de westelijke geulwand in het model doorgetrokken tot boven de hoogwaterlijn. 47

48 NW OOSTELIJKE GEULWAND WESTELIJKE GEULWAND ZO Figuur 4.4: gedefinieerd diepteprofiel (dieptes in meters t.o.v. NAP) Randvoorwaarden Algemeen Om in Delft3D een simulatie te kunnen uitvoeren dienen onder andere op alle open modelranden (de randen waardoor stroming en transport plaatsvinden) de stroom- en transportcondities gedefinieerd te worden. Deze condities beogen de invloed van de buitenwereld aan te geven, het gebied rondom het modelgebied dat niet gemodelleerd is. Het model ter bepaling van het gedrag van de geul(wandsuppletie) kent vier randen, te weten: een gesloten rand aan de noordoostzijde gevormd door de kust van zuidwest Walcheren; een gesloten rand aan de zuidwestzijde gevormd door de boven water doorgetrokken westelijke geulwand (Bankje van Zoutelande); een open rand aan de noordwestzijde van de geulsectie; een open rand aan de zuidoostzijde van de geulsectie. Bovengenoemde randen zijn gevisualiseerd in figuur 4.5. De op de open randen opgelegde stroom- en transportcondities worden hierna besproken. 48

49 GESLOTEN RAND (LANDZIJDE) NW ZO OPEN RAND OPEN RAND GESLOTEN RAND (WESTELIJKE GEULWAND) Figuur 4.5: visualisatie modelranden Stroomcondities Om in het model een getijstroming te generen, is op de noordwestelijke modelrand een harmonische in de tijd variërende waterstand opgelegd. Op de zuidoostelijke modelrand is dezelfde harmonische waterstand opgelegd, echter met een faseverschuiving ten opzichte van de waterstand op de noordwestelijke rand. De harmonische waterstand is in eerste instantie bepaald op basis van het ter hoogte van Vlissingen optredende (dubbeldaags) M2- getij. Beter zou zijn geweest om met het zogenaamde morfologische getij te rekenen. Op deze wijze zou de invloed van het springtij namelijk meegenomen worden. Door in het model te rekenen met het M2-getij is deze invloed verwaarloosd. Gemakshalve is gerekend met een afgeronde getijperiode van 12.5 uur. De frequentie van het M2-getij, volgend uit deze getijperiode, bedraagt 29 graden per uur (360 /12.5 uur). Opgemerkt wordt nog dat de werkelijk optredende waterstand in het Oostgat als gevolg van onder andere de invloeden van andere getijcomponenten dan het M2-getij, getijvervorming door de geometrie van het Oostgat en stormen enigszins afwijkt van het opgelegde getij. De in het model op de open modelranden opgelegde harmonische waterstanden zijn in de volgende vorm opgelegd: H(t) = A cos(2π f t) (aan de noordwestkant) (4.1) H(t) = A cos(2π f t - ϕ) (aan de zuidoostkant) (4.2) waarin: H(t) A f t φ = in de tijd variërende waterstand [m t.o.v. referentieniveau] = amplitude van de waterstand [m] = frequentie [graden per uur] = tijd [uur] = faseverschuiving [graden] De faseverschuiving φ tussen de waterstanden op beide open randen is bepaald op basis van de voortplantingssnelheid van de getijgolf in ondiep water: c = gh (4.3) waarin: c g h = voortplantingssnelheid van de getijgolf [m/s] = zwaartekrachtsversnelling [9.81 m/s²] = waterdiepte [m] Met bovenstaande formule is voor het getij in het Oostgat (diepte ca. 17 m) een voortplantingssnelheid van 12.5 m/s berekend. De tijd die de getijgolf met deze snelheid 49

50 erover doet om de gemodelleerde geulsectie met een lengte van 20 km te doorlopen bedraagt 1600 sec. De faseverschuiving is berekend met onderstaande formule. t golf ϕ = 360 T 3600 (4.4) waarin: φ t golf T = faseverschuiving [graden] = looptijd van de golf door de geulsectie [sec] = getijperiode [uur] Met een (aangenomen) getijperiode van 12.5 uur en de eerder berekende looptijd van de golf volgde een faseverschuiving van 13.3 graden. Tijdens de simulatiefase bleken de stroomsnelheden bij deze faseverschuiving aanzienlijk groter te zijn dan de in werkelijkheid gemeten stroomsnelheden ter plaatse van de oostelijke geulwand. Om de werkelijkheid beter te benaderen is het model zodanig aangepast dat lagere stroomsnelheden worden berekend. Een verlaging van de stroomsnelheden kon onder andere bereikt worden door de bodemruwheid te verhogen of de faseverschuiving te verkleinen. Gekozen voor een verkleining van de faseverschuiving tot 10 graden. Bij deze faseverschuiving worden betere waarden voor de stroomsnelheden gevonden. Door deze aanpassing is het model gekalibreerd. Transportcondities De transportcondities op de open modelranden zijn opgelegd in de vorm van evenwichtsconcentraties, wat inhoudt dat de in het model binnenkomende stroming op de randen een bij die binnenkomende stroom passende sedimentconcentratie draagt [WL Delft Hydraulics, 2001]. Het voordeel van dit type transportconditie is dat de in het model binnenkomende stroom gedurende de gehele getijcyclus een voor die stroom kenmerkende sedimentconcentratie heeft, waardoor bij de instroomrand nauwelijks aanpassing van sedimentconcentratie plaatsvindt. Randeffecten in de vorm van sterke erosie of sedimentatie worden op deze wijze geminimaliseerd. Beginvoorwaarden Naast de stroom- en transportcondities op de open modelranden zijn de waterstands- en transportcondities op het begintijdstip van de simulatie ingevoerd. Voor de beginwaterstand is het hoogwaterniveau van +1.80m (amplitude van het M2-getij) ten opzichte van het referentieniveau gekozen. Voor de initiële sedimentconcentraties zijn in het gehele modelgebied waarden van 0 kg/m³ gekozen. Deze sedimentconcentraties zouden zich na het starten van de simulatie zeer snel aanpassen aan de stromingscondities en de evenwichtsconcentraties bereiken. Sedimentparameters Dichtheid Voor de specifieke dichtheid van het in het Oostgat voorkomende zand is een waarde van 2650 kg/m 3 ingevoerd in het model. Korreldiameter Het sediment in de omgeving van de geulwandsuppletie wordt gekenmerkt door een vrij grote spreiding in korrelgrootteverdeling met een gemiddelde d 50 van 250 µm [Tönis, 2001]. Deze gemiddelde korreldiameter is gekozen ter karakterisering van het bodemsediment in het model. 50

51 Bodemlaagdikte In het model is een bodemlaagdikte van één meter ingevoerd, wat inhoudt dat de bodem maximaal 1 m kan eroderen ten opzichte van de initiële ligging. Bij de bespreking van de resultaten van de simulatie zal het nut van de invoer van een bodemlaagdikte duidelijk worden. Morfologische parameters Om een morfodynamische simulatie te kunnen uitvoeren, dienen in Delft3D enkele morfologische parameters gespecificeerd te worden. Voor de uitleg over de wijze waarop deze parameters in de berekeningen meegenomen worden, wordt verwezen naar de gebruikershandleiding van Delft3D [WL Delft Hydraulics, 2001]. De belangrijkste morfologische parameters zijn: Morfologische factor: Een van de complicaties bij de uitvoering van morfologische berekeningen is dat de morfologische bodemontwikkeling op een veel grotere tijdschaal plaatsvindt dan de verandering van de stroomcondities (getijperiode). Om de morfologische ontwikkelingen op langere termijn te bepalen, dient een groot aantal tijdstappen doorgerekend te worden, wat vaak leidt tot zeer lange rekentijden. Een in Delft3D toegepaste methode om dit probleem te benaderen is de invoer van een morfologische tijdschaalfactor, welke de snelheid van de bodemveranderingen opschaalt. Dat betekent dat simpelweg voor iedere rekentijdstap de erosie- en sedimentatiefluxen van de stroming naar de bodem en andersom vermenigvuldigd worden met de morfologische tijdschaalfactor. Op deze wijze worden versnelde bodemveranderingen teruggekoppeld naar de stroomcondities, waarbij wel het dynamisch karakter van het systeem (zie figuur 4.2) gehandhaafd blijft. Gezien de verhouding tussen de zeer kleine rekentijdstap van 12 seconden (zie paragraaf 4.8.1) en de rekenperiode van enkele maanden (zie paragraaf 4.8.2), is besloten om in het model van het gedrag van het Oostgat een morfologische tijdschaalfactor met een waarde 6 toe te passen. Evenwichtsconcentraties: Zoals eerder genoemd zijn op de open modelranden evenwichtsconcentraties opgelegd om randeffecten te minimaliseren. Overige invoerparameters Ruwheid De bodemruwheid kan in Delft3D berekend worden volgens de methoden van Manning, White-Colebrook of Chèzy. Gekozen is voor de diepteafhankelijke formule van Manning: C = 1/6 H n (4.5) waarin: C = wrijvingscoëfficiënt [m 1/2 /s] H = waterdiepte [m] n = Manningcoëfficiënt [m -1/3 s] Voor de Manningcoëfficiënt is een gebruikelijke uniforme waarde van m -1/3 s gekozen in zowel de dwars- als lengterichting van het model. 51

52 Viscositeit Daar de werkelijke viscositeitcoëfficiënten niet bekend waren, zijn deze coëfficiënten net als de Manningcoëfficiënt in zowel dwars- als lengterichting van het model uniform over het gehele modelgebied gekozen. Door de waarde van de viscositeitparameters te variëren en vervolgens de simulatieresultaten te vergelijken, zijn voor dit model gebruikelijke waarden bepaald. Voor de turbulentieviscositeit (bepalend voor de uitsmering van turbulentie) is een waarde van 0.1 m 2 /s gekozen en voor de turbulentiediffusiteit (bepalend voor de uitsmering van sedimentconcentraties) een waarde van 1.0 m 2 /s. AKS-factor De AKS-factor is een parameter, die in het model gebruikt wordt ter bepaling van de referentiehoogte. De referentiehoogte is een parameter die door Van Rijn wordt toegepast in de berekening van het bodemtransport [WL Delft Hydraulics, 2001]. Voor de dimensieloze AKS-factor is een gebruikelijke waarde van 0.5 ingevoerd. BED-factor Het suspensietransport wordt in de stroomberekening berekend over de gehele waterdiepte van bodem tot wateroppervlak. Dit stemt niet geheel overeen met de aanpak van Van Rijn, waarin aangenomen wordt dat het bodemtransport onder een bepaalde referentiehoogte plaats vindt. Dit leidt tot een kleine overschatting van het totaaltransport, daar het gedeelte van het suspensietransport onder deze referentiehoogte reeds in het bodemtransport meegerekend wordt. De BED-factor (met een maximale waarde 1) is een factor waarmee het bodemtransport vermenigvuldigd wordt om dubbeltellingen in het totale sedimenttransport zoveel mogelijk te voorkomen [WL Delft Hydraulics, 2001]. Voor deze factor is in het model een voor de gemodelleerde situatie gebruikelijke waarde van 1.0 aangehouden. Simulatie Numerieke stabiliteit en rekentijdstap Om numerieke stabiliteit van het model te garanderen diende aan een tweetal Courantvoorwaarden voldaan te worden: Courantgetal voor stroming: σ FL = c t x < 15 (4.6) waarin: σ FL = courantgetal voor stroming [-] c = voortplantingssnelheid van de getijgolf [m/s] t = rekentijdstap [s] x = ruimtestap (gridgrootte) [m] Met de in paragraaf berekende voortplantingssnelheid van de getijgolf van 12.5 m/s en de kleinste afstand tussen de gridpunten van 12.5 m volgt uit formule 4.6 een maximale 52

53 rekentijdstap van 15 seconden. Op basis van deze eis is gekozen voor een rekentijdstap van 12 seconden. Courantgetal voor bodemverstoring: σ B= n Sb t MF H x 1 (4.7) waarin: σ B = courantgetal voor bodemverstoring [-] n = macht van de stroomsnelheid in de transportformule [-] S b = grootte van het bodemtransport [kg/ms] H = waterdiepte [m] t = rekentijdstap [s] MF = morfologische tijdschaalfactor [-] x = ruimtestap (gridgrootte) [m] Wanneer over het algemeen op een bepaald moment tijdens de simulatie niet aan deze Courantvoorwaarde wordt voldaan, wordt de simulatie afgebroken. De gekozen tijdstap van 12 seconden bleek tijdens de simulatie voldoende klein om ook aan de tweede Courantvoorwaarde te voldoen. Rekenperiode Om het gedrag van de geul (zonder suppletie) in kaart te brengen is een morfologische periode (met verrekening van de morfologische tijdschaalfactor) van 6 maanden doorgerekend. 53

54 Bespreking resultaten Stroomsnelheden Stroomsnelheden in model Om een beeld te krijgen van de stroomsnelheden over de oostelijke geulwand zijn tijdens de simulatie de per laag gemiddelde stroomsnelheden in de in paragraaf gedefinieerde zes waterlagen (in percentages van de waterdiepte) boven een vast punt op de oostelijke geulwand bijgehouden. De locatie van dit observatiepunt is zodanig gekozen dat de oostelijke geulwand op dit punt op een diepte van 10 m ten opzichte van het referentieniveau (NAP) ligt. De gemiddelde diktes van de waterlagen bij deze waterdiepte zijn gegeven in tabel 4.1. Laag Gedeelte van waterdiepte Diepteligging Dikte [%] [m] [m] 1 (aan wateroppervlak) Totaal: Tabel 4.1: gemiddelde diepteligging en dikte van de waterlagen bij een waterdiepte van 10m De stroomsnelheidsverdelingen in de verschillende waterlagen zijn weergegeven in figuur 4.6, waarin een positieve snelheid overeenkomt met de vloedstroom (in het model van links naar rechts). De verschillende curven zijn bepaald uit de stroomsnelheden die tijdens de simulatie met een interval van 5 minuten (in rekenperiode) zijn weggeschreven. De kleine treden in de curven in figuur 4.6 zijn te verklaren uit het feit dat de stroomsnelheden tijdens de simulatie in tijdsintervallen (en dus niet continu) worden weggeschreven. In de figuur is duidelijk te zien dat de stroomsnelheden afnemen naarmate de waterlaag dichter bij de bodem ligt. Dit is te verklaren uit de invloed van de bodemwrijving op de stroomsnelheid. In figuur 4.6 is tevens te zien dat de maximale vloedsnelheden iets hoger zijn dan de maximale ebsnelheden. Stroomsnelheden in verschillende waterlagen Stroomsnelheid (m/s) u (model,water laag 1) u (model, waterlaag 2) u (model,water laag 3) u (model, waterlaag 4) u (model, waterlaag 5) u (model, waterlaag 6) Tijd (min) Figuur 4.6: stroomsnelheden over de oostelijke geulwand 54

55 Vergelijking gemeten stroomsnelheden Ter controle van het stroombeeld in de Westerschelde en mede ten behoeve van het onderzoeksprogramma KUST2005 is op 15 juni 2000 (tijdens springtij) een ADCP-meting (stroomsnelheidsmeting) uitgevoerd in de monding van de Westerschelde [Meetinformatiedienst Zeeland, juni 2000]. Hierbij is onder andere een meetraai iets ten noordwesten (ca. 1 km) van de locatie van de geulwandsuppletie doorgemeten (deelraai-1 in bijlage 1A). Uit de resultaten van deze meting is de verdeling van de stroomsnelheden over de oostelijke geulwand bepaald (1 à 2 m boven de bodem), zie bijlage 1B en 1C. De hieruit verkregen stroomsnelheidsverdeling is gebruikt ter controle van de stroomsnelheidsverdeling in de gemodelleerde geulsectie. Daar de stroomsnelheden uit de resultaten van de ADCPmeting zijn afgelezen voor het niveau van ca. 1 à 2 m boven de waterbodem, is besloten om de op basis van de ADCP-meting bepaalde stroomsnelheidsverdeling te vergelijken met de uit het model volgende stroomsnelheidsverdeling in de derde en de vierde waterlaag (gemiddeld 0.60 m tot 3.00 m boven de bodem). In figuur 4.7 zijn de betreffende stroomsnelheidsverdelingen weergegeven. Aangezien de ADCP-meting tijdens een springtij is uitgevoerd, waarbij de getijslag en de stroomsnelheden hoger zijn dan bij gemiddeld tij, dienen voor een goede vergelijking de gemeten stroomsnelheden verlaagd te worden. Aangenomen is dat de verhouding van gemeten stroomsnelheden en de stroomsnelheden in het model evenredig is met de verhouding van de bijbehorende waterstandvariaties. Uit ervaring is gebleken dat dit over het algemeen een vrij goede aanname is. De waterstandsvariatie tijdens de ADCP-meting is afgelezen uit figuur 1 in bijlage 1B en bedraagt 4.35 m. De waterstandsvariatie in het model is bepaald uit de verdubbeling van de amplitude van het ingevoerde getij en bedraagt 3.60 m. De waterstandverhouding A model /A springtij bedraagt ongeveer 0.80 ( 3.60/4.35). Op basis van deze verhouding zijn de tijdens springtij gemeten stroomsnelheden verlaagd met 20%. Vergelijking stroomsnelheden Stroomsnelheid (m/s) u (80% debietmeting) u (model, waterlaag 3) u (model, waterlaag 4) Tijd (min) Figuur 4.7: vergelijking stroomsnelheden model en stroomsnelheden ADCP-meting In figuur 3.6 is te zien dat de in het model ter plaatse van de oostelijke geulwand voorkomende ebsnelheden (negatief weergegeven in de figuur) in laag 3 en 4 vrijwel overeenkomen met de op basis van de ADCP-meting bepaalde ebsnelheden. De vloedsnelheden (positief weergegeven in de figuur) wijken enigszins af: de knik in de uit de ADCP-meting bepaalde snelheidskromme komt niet terug in de snelheidskromme uit het model, wat ook logisch is, daar gerekend is met een symmetrisch getij (het M2-getij). Afgezien van dit verschil, komen de snelheidskrommen aardig overeen. Dit leidt waarschijnlijk tot enige overschatting van het vloedtransport in het model. 55

56 Gedrag van de geul Grafische weergave Het gedrag van de geul kan op verschillende manieren grafisch weergegeven worden. Zo kan het gedrag van de geul in beeld gebracht worden door voor verschillende tijdstippen het bodemprofiel te geven. Het gedrag van de geul is echter in kaart gebracht met behulp van opnames van de dikte van de bodemlaag in plaats van opnames van de bodemligging. Het voordeel van deze grafische weergave is dat op deze wijze de erosie- en sedimentatiepatronen zeer duidelijk naar voren komen. Randeffecten Zoals eerder al is toegelicht, zijn op de randen van het model evenwichtsconcentraties opgelegd om mogelijke randeffecten zoals sterke erosie of sedimentatie te minimaliseren. Uit de resultaten van de simulatie ter bepaling van het gedrag van de geul bleek alleen aan de noordwest-rand (linker modelrand) van het model een randeffect op te treden, zie bijlage 2. In deze bijlage, waarin op de assen de modelcoördinaten in kilometers zijn gegeven, is de dikte van de bodemlaag weergegeven na een rekenperiode van respectievelijk drie en zes maanden. Op het begintijdstip van de simulatie heeft de bodemlaag over het gehele modelgebied een dikte van 1 m. In bijlage 2 is te zien dat na drie maanden de bodemlaag bij de linker modelrand ten gevolge van erosie afgenomen is tot een dikte van ongeveer 0.90 m. Er is dan ongeveer m 3 zand bij de betreffende rand verdwenen. Na zes maanden is er bij de linker modelrand ongeveer m 3 zand verdwenen en bedraagt de dikte van de bodemlaag hier ongeveer 0.85 m. Op basis van deze bevindingen is geconcludeerd dat het randeffect vrij klein is en daarnaast met een zodanig kleine snelheid het model binnenloopt, dat dit randeffect geen invloed zal hebben op het gedrag van het middengebied (en de later in te voeren geulwandsuppletie). Stabiliteit geulprofiel Uit de resultaten van de simulatie bleek het gedrag van de geul in het model vrij stabiel te zijn. In bijlage 2 is met name in detail B duidelijk te zien dat de dikte van de bodemlaag na drie maanden ca tot 1.05 m bedraagt en dus nauwelijks veranderd is. Zelfs na zes maanden zijn de veranderingen van de bodemlaagdikte zeer klein en is de helling van de oostelijke geulwand onveranderd gebleven. De bodemlaagdikte varieert dan tussen ca tot 1.10 m. In de bijlage is een smalle erosieband (in de figuur bruin gekleurd) over de gehele lengte van het model te zien. Deze erosieband bevindt zich op de oostelijke geulwand op een diepte van ca. 10 m en loopt dus ook over de locatie van de geulwandsuppletie. De erosie is echter zo klein dat dit waarschijnlijk weinig invloed heeft op het gedrag van de geulwandsuppletie. 56

57 Conclusies Stroming De in het model voorkomende stroomsnelheden ter plaatse van de later geïmplementeerde geulwandsuppletie komen aardig overeen met de tijdens een ADCPmeting gemeten stroomsnelheden. Gedrag geul Uit de resultaten van de simulatie blijkt dat er alleen aan de linker modelrand (noordwest) een randeffect optreedt. Dit effect is echter zo klein dat dit geen gevolgen heeft voor het gedrag van het middengebied van het model. Hieruit is geconcludeerd dat de lengte van het model voldoende groot gekozen is. Het gedrag van de geul ter hoogte van de stortlocatie blijkt op kleine tijdschaal (tijdschaal suppletie) stabiel te zijn onder stromingsbelasting. Het profiel verandert binnen een rekenperiode van een half jaar nauwelijks. De opzet om een model te maken waarin het dwarsprofiel van de geul op korte termijn stabiel is onder stromingsbelasting is hiermee geslaagd. 57

58 Modellering geulwandsuppletie Algemeen Na de modellering van de geul en de analyse van het stroomgedrag en het gedrag van het geulprofiel, is vervolgens de geulwandsuppletie in het model geïmplementeerd. Het grid was ter plaatse van deze suppletie in de gemodelleerde geulsectie al verfijnd tot een voldoende fijn grid, met afstanden tussen de gridpunten van 12.5 m, om het gedrag van de suppletie in beeld te kunnen brengen. Implementatie geulwandsuppletie Afmetingen en locatie De op de oostelijke geulwand van het Oostgat uitgevoerde suppletie met een omvang van m 3 had een lengte van 100 m (in langsrichting van de geul), een breedte van 50 m (in dwarsrichting van de geul) en een gemiddelde hoogte van 2 m. De oorspronkelijke diepte waarop deze suppletie is aangebracht varieerde van NAP-7.5 m (bovengrens) tot NAP-15 m (ondergrens). Het modelgrid is zodanig verfijnd dat de suppletie op dezelfde diepte en met gelijke afmetingen van 100m x 50m in het model ingevoerd kon worden. Voor de hoogte van de suppletie is in het model een uniforme waarde van 2 m gespecificeerd. Ter visualisering is het diepteprofiel van een gedeelte van de gemodelleerde geulsectie inclusief de geulwandsuppletie weergegeven in figuur 5.1. Opgemerkt wordt dat het in deze figuur lijkt alsof de suppletiehoogte aan de zijkanten van de suppletie geleidelijk afneemt, waardoor het volume van de suppletie groter lijkt te zijn dan de genoemde m 3. Een en ander is het gevolg van lineaire interpolatie (in de grafische weergave) van de bodemhoogte tussen de gridpunten. In de berekeningen is de suppletie echter als blok met afmetingen van 100 m x 50 m x 2 m en dus met een volume van m 3 in rekening gebracht. Sedimentparameters Uit vergelijking van de resultaten van zeefanalyses is gebleken dat het ter plaatse van de geulwandsuppletie voorkomende bodemmateriaal en het suppletiemateriaal gekenmerkt worden door een zelfde d 50 -korreldiameter van 250 µm. Verder bleek het verschil in specifieke dichtheid zeer gering te zijn, namelijk 3% (zie rapport 'Voorstudie', februari 2002). Gezien de sterke overeenkomst in korreldiameter en specifieke dichtheid van het bodemsediment en het suppletiemateriaal en tevens uit programmatechnische overwegingen, is ervoor gekozen om voor het suppletiemateriaal dezelfde sedimentparameters in te voeren als voor het bodemsediment. Het suppletiemateriaal in het model is hiermee gekarakteriseerd door een specifieke dichtheid van 2650 kg/m 3 en een korreldiameter van 250 µm. Voor de bodemlaag van de geul is wederom een dikte van 1 m ingevoerd. Echter ter plaatse van de geulwandsuppletie is deze dikte vergroot met de hoogte van de suppletie (2 m), waardoor hier plaatselijk een bodemlaagdikte van 3 m voorkomt. 58

59 OOSTELIJKE GEULWAND WESTELIJKE GEULWAND Figuur 5.1: diepteprofiel inclusief geulwandsuppletie (dieptes in meters t.o.v. NAP) 59

60 Simulatie Tijdstap Zoals eerder toegelicht, wordt de grootte van de tijdstap hoofdzakelijk bepaald door het fijnste grid. Aangezien bij de implementatie van de geulwandsuppletie in de eerder gemodelleerde geulsectie het rekengrid onveranderd is gebleven, is voor de simulatie van de suppletie een zelfde tijdstap gespecificeerd als voor de modellering van de geul zonder suppletie. Deze tijdstap bedroeg 12 seconden. Rekenperiode Om het gedrag van de geulwandsuppletie in kaart te brengen is een morfologische periode (met verrekening van de morfologische tijdschaalfactor) van 6 maanden doorgerekend. Op basis van de resultaten van deze simulatie is later besloten om de simulatie te herhalen voor een periode van 12 maanden. Deze periode bleek voldoende lang te zijn om het gedrag van de geulwandsuppletie in het model in beeld te brengen. Bespreking resultaten Stroming Door de implementatie van de geulwandsuppletie op de oostelijke geulwand, is het doorstroomprofiel van de geulsectie plaatselijk verkleind. Hierdoor vindt er aan de bovenstroomse zijde van de suppletie stroomcontractie plaats, waardoor de stroomsnelheden en de sedimenttransporten plaatselijk toenemen. Aan benedenstroomse zijde van de suppletie nemen de stroomsnelheden als gevolg van een verwijding van het doorstroomprofiel weer af. Een en ander leidt tot erosie aan bovenstroomse zijde en sedimentatie aan benedenstroomse zijde van de suppletie. Bovenstroomse en benedenstroomse zijde wisselen met het getij. Over het algemeen zal dominantie van vloed dan wel eb logischerwijs een verschuiving van het zwaartepunt van de suppletie tot gevolg hebben. Gedrag geulwandsuppletie Bodemlaagdikte Het gedrag van de geulwandsuppletie is, net als het gedrag van de geul zonder suppletie, in kaart gebracht met behulp van figuren van de bodemlaagdikte in de tijd. Doordat, zoals eerder beschreven, in de modelinvoer de bodemlaagdikte ter plaatse van de geulwandsuppletie verhoogd is met de suppletiehoogte (2 m), is op deze grafische manier het gedrag van de suppletie goed te volgen. De ontwikkeling van de bodemlaag gedurende twaalf maanden, waarbij ingezoomd is op de locatie van de geulwandsuppletie, is in bovenaanzicht weergegeven in bijlage 3A. In bijlage 3B is een en ander in detail weergegeven. In figuur 5.2 zijn de opnames van de bodemlaagdikte voor respectievelijk 0, 6 en 12 maanden overgenomen uit bijlage 3. Met betrekking tot de grafische weergave wordt het volgende opgemerkt: Tijdens het werken met Delft3D is gebleken dat er in dit softwarepakket een fout zit in de inlezing van de bodemlaagdikte. Deze fout heeft ertoe geleid dat er in alle opnames van de bodemlaagdikte aan één rand van de geulwandsuppletie een plaatsvaste donkerblauwe rand te zien is. In bijlage 4 wordt deze fout, die verder geen gevolgen heeft 60

61 voor de sedimenttransporten en bodemontwikkelingen in het model, maar wel voor de grafische weergave van de bodemlaag, nader toegelicht. Momenteel wordt er op het WL Delft Hydraulics aan het herstel van de gevonden fout gewerkt. Om het gedrag van de geulwandsuppletie zo duidelijk mogelijk in beeld te brengen is de kleurenschaal zodanig gekozen dat de bodemlaag rondom de suppletie (ook na kleine bodemveranderingen) wordt weergegeven met een witte kleur. De figuren geven de dikte van de bodemlaag in meters aan. Op de assen staan de modelcoördinaten in kilometers (x-coördinaat horizontaal en y- coördinaat verticaal). In bijlage 3B en in figuur 5.2 is in iedere opname de initiële ligging van de suppletie gestippeld weergegeven. In bijlage 3 en in figuur 5.2 is duidelijk te zien dat de geulwandsuppletie in langsrichting van de geul (in vloedrichting) verplaatst, waarbij het zwaartepunt naar rechts (zuidoostelijke richting) beweegt. Uit deze netto transportrichting volgt dat de geul in het model gekenmerkt wordt door vloeddominantie. Naast de verplaatsing in lengterichting van de geul vindt er bovendien enige (minimale) verplaatsing in dwarsrichting plaats. 20 KM NW-rand OOSTELIJKE GEULWAND ZO-rand GEUL-AS WESTELIJKE GEULWAND = GEULWANDSUPPLETIE t = 0 maanden t = 6 maanden t = 12 maanden N Figuur 5.2: gedrag geulwandsuppletie (bodemlaagdikte in m) 61

62 Doorsneden suppletie Om de verplaatsing van de geulwandsuppletie in langsrichting van de geul inzichtelijker te maken, is de bodemlaag over de lengte van de suppletie doorsneden, zie figuur 5.3. De langsdoorsnede is voor verschillende tijdstippen (T0 = 0 maanden, T1 = 1 maand, T2 = 2 maanden, etc.) gegeven in figuur 5.4. Opgemerkt wordt dat het in deze figuur in de T0- opname net als in figuur 5.1 lijkt alsof de suppletiehoogte aan de randen van de suppletie geleidelijk afneemt. Net als in figuur 5.1 is dit het gevolg van interpolatie tussen gridpunten (in de grafische weergave). In figuur 5.4 is duidelijk te zien dat na één maand (T1) de hoogte van de zandbult iets is toegenomen in het centrum van de suppletie. In de daaropvolgende opnamen (T2 t/m T12) neemt de hoogte van de suppletie geleidelijk af tot een waarde van ongeveer 1 m na 12 maanden. Naast deze afname van de suppletiehoogte vindt er zoals reeds eerder genoemd een verschuiving van het zwaartepunt plaats naar rechts (in zuidoostelijke richting). Na een jaar (T12) is het zwaartepunt ongeveer 70 m in langsrichting van de geul verschoven. N NW ZO LANGSDOORSNEDE OVER SUPPLETIE Figuur 5.3: visualisering locatie langsdoorsnede (coördinaten in km) Langsdoorsnede GWS Dikte bodemlaag (m) T0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T X-coordinaat (m) Figuur 5.4: langsdoorsnede bodemlaag ter plaatse van suppletie 62

63 Om de verplaatsing van de suppletie ook in dwarsrichting inzichtelijker te maken is de bodemlaag tevens in dwarsrichting van de geul doorsneden (over en iets ten zuidoosten van de suppletie). De locaties van de doorsnijdingen in dwarsrichting van de geul zijn gevisualiseerd in figuur 5.5. Dwarsdoorsnede is voor verschillende tijdstippen (T0 = 0 maanden, T1 = 1 maand, T2 = 2 maanden, etc.) gegeven in figuur 5.6. In bijlage 5A zijn deze doorsnede en de overige in figuur 5.5 gevisualiseerde doorsneden in detail terug te vinden. In bijlage 5B zijn dezelfde dwarsdoorsneden gegeven, echter nu over het geulprofiel in plaats van over de bodemlaagdikte. In de over de suppletie gemaakte dwarsdoorsneden (zie onder andere figuur 5.6) is een afname van de suppletiehoogte te zien, terwijl de ten zuidoosten van de suppletie gemaakte doorsneden (zie bijlage 5A en 5B) gekenmerkt worden door een toename van de zandhoogte. Hieruit volgt weer de verschuiving van de suppletie in zuidoostelijke richting. In de dwarsdoorsneden is bovendien enige verplaatsing van de zandbult in dwarsrichting van de geul te zien, waarbij de verschuiving van het zwaartepunt van de suppletie in dwarsrichting van de geul minimaal is. N DSN DSN DSN DSN Figuur 5.5: visualisering locaties dwarsdoorsneden Dwarsdoorsnede (9.951 km) Dikte bodemlaag (m) T0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T Y-coordinaat (m) Figuur 5.6: dwarsdoorsnede

64 3-dimensionale visualisatie In deze paragraaf is het gedrag van de geulwandsuppletie tenslotte driedimensionaal weergegeven. Om het gedrag van de suppletie zo duidelijk mogelijk weer te geven, is de helling van de oostelijke geulwand uit de resultaten gefilterd. In figuur 5.7 zijn, naast een opname van de suppletie in initiële toestand, opnamen gegeven van respectievelijk 1, 6 en 12 maanden. Ter oriëntatie is in genoemde figuur de vloedrichting aangegeven met een zwarte pijl. In de eerste opname (0 maanden) heeft de blokvormige suppletie een hoogte van 2 m. In de tweede opname (1 maand) is te zien dat de suppletie ten gevolge van enige inzakking gestroomlijnder van vorm is. De derde en vierde opnamen (resp. 6 en 12 maanden) geven de verdere al eerder besproken verplaatsing van het zwaartepunt en de afname van de suppletiehoogte weer. T = 0 MAANDEN T = 1 MAAND T = 6 MAANDEN T = 12 MAANDEN Figuur 5.7: driedimensionale visualisatie gedrag geulwandsuppletie 64