HYDRAULISCH FUNCTIONEREN VISPASSEERBARE CASCADES

Transcriptie

1 F ina Final l rereport p ort Stationsplein 89 POSTBUS CD AMERSFOORT HYDRAULISCH FUNCTIONEREN VISPASSEERBARE CASCADES TEL FAX HYDRAULISCH FUNCTIONEREN VISPASSEERBARE CASCADES 2011 RAPPORT

2 HYDRAULISCH FUNCTIONEREN VISPASSEERBARE CASCADES rapport ISBN TEL FAX Stationsplein LE Amersfoort POSTBUS CD AMERSFOORT Publicaties van de STOWA kunt u bestellen op

3 COLOFON UITGAVE Amersfoort, augustus 2011 STOWA, Amersfoort Auteurs Matthijs Boersema Wageningen University Bart Vermeulen Wageningen University Paul Torfs Wageningen University Ton Hoitink Wageningen University, projectleider Gerry Roelofs - Waterschap Rijn en IJssel, projectleider Gert van den Houten Waterschap Rijn en IJssel Opdrachtgever Waterschap Rijn en IJssel Opdrachtnemer Wageningen University and Research Centre (WUR) Environmental Sciences Group Hydrology and Quantitative Water Management Group (HWM) Projectteam Gerry Roelofs - Waterschap Rijn en IJssel, projectleider Gert van den Houten Waterschap Rijn en IJssel Frank Weerts Waterschap De Dommel Ton Hoitink Wageningen University, projectleider Paul Torfs Wageningen University Bart Vermeulen Wageningen University Matthijs Boersema Wageningen University Laboratorium Kraijenhoff van de Leur Laboratory for Water and Sediment Dynamics ( DRUK Kruyt Grafisch Adviesbureau STOWA STOWA ISBN II

4 ten geleide In diverse stroomgebieden in Nederland worden in beken en kleine rivieren vispasseerbare kunstwerken aangelegd ter vervanging van stuwen. Dit om vismigratie mogelijk te maken en de ecologie van het systeem te verbeteren. Vispasseerbare kunstwerken zijn er in vele soorten en maten. Een veel voorkomende vispassage is de zogenaamde vispasseerbare stortsteenbekkenpassage. Vanwege het uiterlijk van dit type passage wordt in de praktijk ook wel gesproken over een vispasseerbare cascade, of kortweg cascade vistrap. Cascade vistrappen kunnen een opstuwende werking hebben die met name bij hoge afvoeren van belang is om te weten, zeker als de passage in de hoofdwaterloop gelegen is. Door waterschappen worden in de regel modelberekeningen uitgevoerd om het hydraulisch functioneren van het kunstwerk vooraf in te kunnen schatten. De wijze waarop dit gebeurt verschilt tussen waterschappen. Waterschap Rijn en IJssel heeft in samenwerking met Waterschap De Dommel het initiatief genomen om de stortsteen-bekkenpassage (cascade) in een schaalmodel nader te onderzoeken. Het schaalonderzoek is uitgevoerd in het Kraijenhoff van de Leur Laboratory for Water and Sediment Dynamics aan de Wageningen Universiteit. Het voorliggende rapport doet verslag van een fysisch schaalexperiment gericht op het kwantificeren van de invloed van een cascade vistrap op de waterstand. De laboratoriumresultaten zijn mathematisch beschreven en geparametriseerd zodat het ontwerp op een juiste manier kan worden gemodelleerd. Vanwege het belang van het onderzoek voor de waterschappen worden de resultaten van de studie als STOWA rapport uitgebracht. We rekenen erop dat de kennis van deze studie de waterschappen ondersteunt bij het modelleren van vispasseerbare stortsteen-bekkenpassages. Amersfoort, augustus 2011 De directeur van de STOWA ir. J.M.J. Leenen

5 Lijst met symbolen A doorstroomoppervlak (m²) B breedte (m) d waterdiepte (m) h 1 h 2 hx L x z R waterstand bovenstrooms t.o.v. kruinhoogte (m) waterstand benedenstrooms t.o.v. kruinhoogte (m) waterstand t.o.v. referentie op locatie x (m) lengte eenheid (m) lengte in stroomrichting (m) hoogte (m) hydraulische straal (m) S 0 bodemhelling (-) Q debiet totaal (m³/s) Q mg q u g debiet maatgevend (m³/s) debiet per breedte eenheid (m²/s) gemiddelde stroomsnelheid in doorstroomoppervlak (m/s) gravitatie versnelling (m/s²) N schaalfactor (-) Fr Froudegetal (-) C Chézy coëfficiënt (m 1/2 /s) n Manning s n (s/m 1/3 ) 1/n Strickler coëfficiënt, ook aangeduid met: km (m 1/3 /s) C d afvoercoëfficiënt (-) C w correctiecoëfficiënt (-) f reductiefactor voor gestuwde afvoer (-) Het subscript p, staat voor prototype. Het subscript m, staat voor model.

6 De STOWA in het kort De Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer, kortweg STOWA, is het onderzoeks plat form van Nederlandse waterbeheerders. Deelnemers zijn alle beheerders van grondwater en oppervlaktewater in landelijk en stedelijk gebied, beheerders van installaties voor de zuive ring van huishoudelijk afvalwater en beheerders van waterkeringen. Dat zijn alle water schappen, hoogheemraadschappen en zuiveringsschappen en de provincies. De waterbeheerders gebruiken de STOWA voor het realiseren van toegepast technisch, natuur wetenschappelijk, bestuurlijk juridisch en sociaal-wetenschappelijk onderzoek dat voor hen van gemeenschappelijk belang is. Onderzoeksprogramma s komen tot stand op basis van inventarisaties van de behoefte bij de deelnemers. Onderzoekssuggesties van der den, zoals ken nis instituten en adviesbureaus, zijn van harte welkom. Deze suggesties toetst de STOWA aan de behoeften van de deelnemers. De STOWA verricht zelf geen onderzoek, maar laat dit uitvoeren door gespecialiseerde in stanties. De onderzoeken worden begeleid door begeleidingscommissies. Deze zijn samengesteld uit medewerkers van de deelnemers, zonodig aangevuld met andere deskundigen. Het geld voor onderzoek, ontwikkeling, informatie en diensten brengen de deelnemers sa men bijeen. Momenteel bedraagt het jaarlijkse budget zo n 6,5 miljoen euro. U kunt de STOWA bereiken op telefoonnummer: Ons adres luidt: STOWA, Postbus 2180, 3800 CD Amersfoort. stowa@stowa.nl. Website:

7

8 HYDRAULISCH FUNCTIONEREN VISPASSEERBARE CASCADES INHOUD TEN geleide Lijst met symbolen STOWA IN HET KORT 1 Inleiding Onderzoeksvragen 2 2 Prototype 3 3 Schaalmodel Geometrische schaalfactor Froude schaalfactor Ontwerp schaalmodel 5 4 Metingen Meetmethode Meetlocaties Meetplan 9

9 5 Methode Overlaat binnen SOBEK Universal weir (Methode 1) River weir (Methode 2) Vistrap als ruwoppervlak (Methode 3) Data analyse voor bepaling invoerparameters Universal weir (Methode 1) River weir (Methode 2) Vistrap als ruwoppervlak (Methode 3) 15 6 Resultaten Qh-relaties Qh-realties voor de verschillende ontwerpen Invloed bodemhelling op Qh-relatie Vergelijking Qh-relaties verschillende ontwerpen Profielen waterspiegel over vistrappen Resultaten invoerparameters Effectieve kruinhoogte Cascade vistrap invoerparameters voor SOBEK Enkele rechte drempel invoerparameters voor SOBEK Enkele V-vormige drempel invoerparameters voor SOBEK Samenvatting methodes 32 7 Samenvatting en Conclusies 33 Referenties 35 BIJLAGEN 1 ONTWERP 37 2 MEETPLAN 41 3 Qh-RELATIES PROTOTYPE WAARDEN 43 4 WATERSTANDSPROFIEL IN OVER CONSTRUCTIE, VOOR 12 DEBIETEN (1-120 L/S) EN 5 BENEDENSTROOMSE SCHUIFHOOGTES 47 5 METHODE VOOR DE OMZETTING VAN PROTOTYPE WAARDEN NAAR MODELWAARDE EN OMGEKEERD 57

10 1 Inleiding Figuur 1 1 Inleiding In diverse stroomgebieden worden in beken en kleine rivieren vispasseerbare cascades (vistrappen) aangelegd ter vervanging van stuwen. De cascades worden doorgaans uitgevoerd in stortsteen. Uit herberekeningen van extreem hoge afvoeren die in augustus 2010 zijn opgetreden in stroomgebieden Oost Nederland, is worden gebleken in dat beken modelberekeningen en kleine rivieren met SOBEK vispasseerbare Channel Flow, cascades In diverse (vistrappen) leiden tot aangelegd een onrealistische ter vervanging opstuwing van bovenstrooms stuwen. De van cascades een cascade. worden Het Waterschap doorgaans Rijn uitgevoerd en in stortsteen. Uit herberekeningen van extreem hoge afvoeren die in augustus 2010 zijn IJssel heeft onvoldoende vertrouwen in de gesimuleerde opstuwing om op basis hiervan een opgetreden in Oost Nederland, is gebleken dat modelberekeningen met SOBEK Channel kadeverhoging door te voeren. Er is een gebrek aan kennis omtrent de relatie tussen de waterstand en afvoer, tot 2,5 keer de maatgevende afvoer. Flow, leiden tot een onrealistische opstuwing bovenstrooms van een cascade. Het Waterschap Rijn en IJssel heeft onvoldoende vertrouwen in de gesimuleerde opstuwing om op basis hiervan een kadeverhoging door te voeren. Er is een gebrek aan kennis omtrent de relatie Wanneer de waterstand bovenstrooms en benedenstrooms van een cascade oploopt, als gevolg tussen de waterstand en afvoer, tot 2,5 keer de maatgevende afvoer. van een afvoergolf, zal de constructie verdrinken. Dit betekent dat de benedenstroomse waterstand de Wanneer de bovenstroomse waterstand bovenstrooms waterstand beïnvloed en benedenstrooms eventuele opstuwing van een in de cascade benedenloop oploopt, als gevolg ook van bovenstrooms een afvoergolf, van de cascade zal constructie van invloed is. verdrinken. De stroming Dit over betekent de constructie dat de gaat benedenstroomse tijdens waterstand de verdrinking de bovenstroomse over van schietend waterstand (Froude beïnvloed getal > 1) en naar eventuele stromend water opstuwing (Froude in de benedenloop getal <1). ook bovenstrooms van de cascade van invloed is. De stroming over de constructie gaat tijdens de verdrinking over van schietend water (Froude getal > 1) naar stromend In Figuur water 1 is (Froude schematisch getal het <1). effect van een vistrap op de waterstand weergegeven. De cascade bestaat uit een serie drempels en heeft een relatief ruw oppervlak wat kan leiden tot In Figuur bovenstroomse 1 is schematisch opstuwing. Tijdens het effect laagwater van een kan alleen vistrap de op bovenstroomse de waterstand drempel weergegeven. resulteren in bestaat een lichte uit opstuwing een serie bovenstrooms, drempels en aangezien heeft een het relatief Froudegetal ruw oppervlak over de treden wat kan groter leiden tot De cascade bovenstroomse is dan één (schietend opstuwing. water). Tijdens Het modeleren laagwater van kan de alleen volledige de bovenstroomse complexe stroming drempel inclusief resulteren in een turbulentie lichte opstuwing over deze vistrap bovenstrooms, zou een toepassing aangezien van het de Froudegetal drie dimensionale over Navier-Stokes de treden groter vergelijking met vrije randvoorwaarde met zich meebrengen. Omdat dit niet haalbaar is, is er is dan één (schietend water). Het modeleren van de volledige complexe stroming inclusief turbulentie over deze vistrap zou een toepassing van de drie dimensionale Navier-Stokes vergelijking met voor gekozen om de globale gevolgen van de vistrap binnen SOBEK te conceptualiseren hetgeen een herinterpretatie van de betrokken parameters met zich meebrengt. Er zijn tot op vrije randvoorwaarde met zich meebrengen. Omdat dit niet haalbaar is, is er voor gekozen om de globale gevolgen van de vistrap binnen SOBEK te conceptualiseren hetgeen een heden geen algemeen geldende parameterisaties beschikbaar die geijkt zijn om de ruwheid herinterpretatie van de betrokken parameters met zich meebrengt. Er zijn tot op heden geen te kwantificeren, of de bestaande overlaatformules met de juiste correctie factoren aan te algemeen geldende parameterisaties beschikbaar die geijkt zijn om de ruwheid te passen. Daarom is een schaalexperiment uitgevoerd om voor de specifieke vistrap van deze kwantificeren, of de bestaande overlaatformules met de juiste correctie factoren aan te passen. Daarom studie is de een parameters schaalexperiment te bepalen. uitgevoerd om voor de specifieke vistrap van deze studie de parameters te bepalen. Schets van verhanglijnen over een cascade vistrap Figuur 1. Schets van verhanglijnen over een cascade vistrap. Het voorliggende rapport doet verslag van een fysisch schaalexperiment gericht op het kwantificeren van de invloed van een cascade vistrap op de waterstand. Het gesimuleerde prototype is een cascade met acht drempels die een hoogteverschil van 0.7 meter overbrugt. 1

11 6 STOWA HYDRAULISCH FUNCTIONEREN VISPASSEERBARE CASCADES Het voorliggende rapport doet verslag van een fysisch schaalexperiment gericht op het kwantificeren van de invloed van een cascade vistrap op de waterstand. Het gesimuleerde prototype is een cascade met acht drempels die een hoogteverschil van 0.7 meter overbrugt. De drempels bestaan uit stortsteen en hebben een recht aanstroomprofiel (de kruin is horizontaal). De cascade bevindt zich in een waterloop met een breedte van 10 meter en een maatgevende afvoer (Q mg ) van 20 m³/s. De maatgevende afvoer is gedefinieerd als de afvoer die gemiddeld één keer per jaar wordt overschreden. De maximale bodemhelling van de waterloop bedraagt 1/1000. Het schaalexperiment is uitgevoerd in een stroomgoot van 14.9 meter lang en 1.16 meter breed. Op basis van de maten van de stroomgoot en het prototype is een schaalfactor van 1:15 gekozen. Naast de invloed van een cascade vistrap op de waterstand is het tevens een vergelijking gemaakt met een enkele rechte drempel (horizontale kruin) en een enkele V-vormige die gemiddeld één keer per jaar wordt overschreden. De maximale bodemhelling van de waterloop bedraagt 1/1000. drempel. Ook voor deze ontwerpen zijn parameters opgesteld voor het gebruik in een hydraulisch is model. uitgevoerd in een stroomgoot van 14.9 meter lang en 1.16 meter Het schaalexperiment breed. Op basis van de maten van de stroomgoot en het prototype is een schaalfactor van 1:15 gekozen. Naast de invloed van een cascade vistrap op de waterstand is het tevens een vergelijking gemaakt met een enkele rechte drempel (horizontale kruin) en een enkele V- vormige 1.1 Onderzoeksvragen drempel. Ook voor deze ontwerpen zijn parameters opgesteld voor het gebruik in een hydraulisch model. Het doel van het schaalexperiment is tweeledig. Ten eerste verschaffen de meetresultaten 1.1 Onderzoeksvragen kennis over het functioneren van een cascade vistrap, enkele rechte drempel en enkele V-vormige drempel, bij verschillende afvoeren (5%-250%Q mg ) en verschillende benedenstroomse Het doel van het waterstanden. schaalexperiment Bovendien is tweeledig. is een Ten vergelijking eerste verschaffen mogelijk de tussen meetresultaten de verschillende ontwerpen. kennis over het functioneren van een cascade vistrap, enkele rechte drempel en enkele V- Ten tweede heeft het onderzoek als doel om de resultaten mathematisch te beschrijven en te vormige drempel, bij verschillende afvoeren (5%-250%Q mg ) en verschillende benedenstroomse waterstanden. Bovendien parametriseren, een vergelijking zodat in SOBEK mogelijk het tussen onderzochte verschillende cascade ontwerpen. op Ten een juiste manier kan tweede heeft het worden onderzoek gemodelleerd. als doel om Dit de geldt resultaten tevens mathematisch voor de enkele te rechte beschrijven drempel en en te de V-vormige drempel. Voor parametriseren, zodat in SOBEK het onderzoek het onderzochte zijn de cascade volgende ontwerp onderzoeksvragen op een juiste geformuleerd: manier kan worden gemodelleerd. Dit geldt tevens voor de enkele rechte drempel en de V-vormige drempel. Voor het onderzoek zijn de volgende onderzoeksvragen geformuleerd: 1 Hoe zien de Qh-relaties eruit van een cascade vistrap, enkele rechte drempel en een enkele 1. Hoe zien V-vormige de Qh-relaties drempel, eruit van bij verschillende een cascade vistrap, benedenstroomse enkele rechte waterstanden drempel en een en een afvoerbereik van enkele V-vormige 5%-250% drempel, Q mg? bij verschillende benedenstroomse waterstanden en een afvoerbereik van 5%-250% Q mg? 2. Hoe verschilt 2 Hoe de verschilt Qh-relatie de Qh-relatie tussen de cascade tussen de vistrap, cascade een vistrap, enkele een rechte enkele drempel rechte en drempel en een enkele een enkele V-vormige drempel? 3. Wat is 3 de Wat invloed is de van invloed de bodemhelling van bodemhelling (helling 1/1000) (helling op de 1/1000) Qh-relaties? op de Qh-relaties? 4. Welke parameters (zoals in SOBEK worden toegepast) kunnen gebruikt worden om de 4 Welke parameters (zoals in SOBEK worden toegepast) kunnen gebruikt worden om de drie drie ontwerpen te simuleren? 5. Wat is de ontwerpen Manning s n te en simuleren? Chezy coëfficiënt van het onderzochte cascade vistrap, zodat 5 deze Wat kan is worden Manning s toegepast n en in SOBEK. Chezy coëfficiënt van het onderzochte cascade vistrap, zodat deze 6. Wat is een kan geschikte worden kruinhoogte? toegepast in Aangezien SOBEK. de keuze voor een kruinhoogte van grote invloed is op de gebruikte overlaat formules. 6 Wat is een geschikte kruinhoogte? Aangezien de keuze voor een kruinhoogte van grote invloed is op de gebruikte overlaat formules. 2

12 2 Prototype De Groenlose Slinge en de Buurserbeek, die benedenstrooms overgaat in de Schipbeek, kunnen beschouwd worden als de prototypebeken voor dit schaalonderzoek. Het prototype wordt gekenmerkt door onderstaande gegevens. Het fysische schaalmodel is gebaseerd op deze maten. De breedte van het prototype is niet op schaal nagebouwd. Voor de cascade vistrap en de rechte drempel levert dit geen probleem op, aangezien het ontwerp zich over de hele breedte van de rivier/beek uitstrekt en het profiel rechthoekig is. De opstuwende werking van een V-vormig overlaat is wel gevoelig voor de breedte, omdat de waterdiepte en de hydraulische ruwheid, breedte afhankelijk zijn. Waterloop Doorstroomprofiel is rechthoekig Breedte (B) = 10 m Bodemhelling (S 0 ) = 0 en 1/1000 Maatgevende afvoer (Q mg ) = 20 m³/s Maatgevende afvoer per breedte eenheid (Q mg ) = 2.0 m²/s Cascade vistrap Kruinlengte = 0.3 m Kruinbreedte = 10 m (gelijk aan breedte waterloop) Kruinafstand (in de stromingsrichting) = 10 m Drempelhoogte t.o.v. lokale bodem = 1.0 m Voetbreedte = 2.3 m Talud = 1:1 Verval cascade vistrap = 1:100 Totaal hoogte verschil over cascade vistrap = 0.7 m Aantal drempels = 8 Gemiddelde diameter stortsteen = 0.3 m Enkele rechte drempel Maten drempel identiek aan cascade vistrap Aantal drempels = 1 Enkele V-vormige drempel Kruinlengte = 0.3 m Kruinbreedte = 10 m (gelijk aan breedte waterloop) Drempelhoogte op diepste punt V-vorm t.o.v. lokale bodem = 1.0 m Voetbreedte = 2.3 m Talud op diepste punt V-vorm = 1:1 Helling V-vorm (aanstroomprofiel) = 1:7 Totaal hoogte verschil over enkele V-vormige drempel = 0.7 m Gemiddelde diameter stortsteen = 0.3 m 3

13 3 Schaalmodel 3 Schaalmodel 3 Schaalmodel Schaalmodel 3.1 Geometrische schaalfactor 3.1 Geometrische schaalfactor 3.1 Geometrische schaalfactor De schaalexperimenten zijn uitgevoerd in een stroomgoot met een lengte van 14.9 m en een 3.1 Geometrische De breedte schaalexperimenten schaalfactor van 1.16 m. Gezien zijn uitgevoerd de dimensies in een van stroomgoot het prototype met (Hoofdstuk een lengte 2) van en 14.9 de afmetingen m en een De schaalexperimenten zijn uitgevoerd in een stroomgoot met een lengte van 14.9 m en een breedte van De schaalexperimenten de van stroomgoot 1.16 m. Gezien in zijn het uitgevoerd de Kraijenhoff dimensies in een van stroomgoot van de het Leur prototype met Laboratorium een lengte (Hoofdstuk van 14.9 is 2) m gekozen en de een afmetingen voor een breedte van 1.16 m. Gezien de dimensies van het prototype (Hoofdstuk 2) en de afmetingen van geometrische breedte de van stroomgoot 1.16 schaalfactor m. Gezien in het de die dimensies Kraijenhoff gelijk is van aan het van 15. prototype de Leur (Hoofdstuk Laboratorium 2) en de is afmetingen gekozen voor een van de stroomgoot in het Kraijenhoff van de Leur Laboratorium is gekozen voor een geometrische geometrische van de stroomgoot schaalfactor schaalfactor in het Kraijenhoff die gelijk die gelijk van de is is Leur aan aan Laboratorium is gekozen voor een geometrische schaalfactor Lp die gelijk is aan 15. N L 15 [1] p N Lm L p 15 [1] L Lm 15 [1] [1] m N L geometrische schaalfactor voor de lengte eenheid (-) N L geometrische NL p L geometrische lengte-eenheid schaalfactor schaalfactor van voor het de prototype lengte voor eenheid de (m) lengte (-) eenheid (-) L p lengte-eenheid NL L geometrische van het prototype schaalfactor (m) voor de lengte eenheid (-) p m lengte-eenheid van het prototype model (m) (m) p lengte-eenheid van het prototype (m) L m lengte-eenheid L m lengte-eenheid van het model van het (m) model (m) lengte-eenheid van het model (m) L m 3.2 Froude schaalfactor Froude schaalfactor Froude schaalfactor 3.2 Froude schaalfactor In open waterlopen is er onder natuurlijke omstandigheden altijd sprake van een turbulente In stroming. open waterlopen De mate is van er is onder turbulentie onder natuurlijke natuurlijke wordt uitgedrukt omstandigheden door altijd het sprake Reynoldsgetal altijd van sprake een turbulente van (de ratio een turbulente tussen de In open waterlopen is er onder natuurlijke omstandigheden altijd sprake van een turbulente stroming. traagheidskrachten De mate van van en turbulentie de viskeuze wordt wordt krachten). uitgedrukt De door overgang door het het Reynoldsgetal van een (de laminaire ratio (de tussen ratio stroming tussen naar de stroming. De mate van turbulentie wordt uitgedrukt door het Reynoldsgetal (de ratio tussen de traagheidskrachten een de turbulente stroming en en de de in viskeuze een open krachten). waterloop, De De ligt overgang ongeveer van van een bij laminaire een laminaire Reynoldsgetal stroming stroming van naar 800. traagheidskrachten en de viskeuze krachten). De overgang van een laminaire stroming naar een Onder naar turbulente een turbulente turbulente stroming stroming omstandigheden een in een open open waterloop, wordt waterloop, de ligt vloeistofbeweging ligt ongeveer bij bij een Reynoldsgetal gedomineerd van door 800. de een turbulente stroming in een open waterloop, ligt ongeveer bij een Reynoldsgetal van 800. Onder zwaartekracht van 800. turbulente Onder turbulente kan omstandigheden de omstandigheden schaalregel wordt van wordt Froude de vloeistofbeweging worden toegepast gedomineerd gedomineerd (Yalin, 1971). door door Wanneer de Onder turbulente omstandigheden wordt de vloeistofbeweging gedomineerd door de zwaartekracht echter de stroming zwaartekracht de zwaartekracht en en en kan laminair kan kan de de schaalregel is spelen schaalregel van van ook van Froude Froude viskeuze Froude worden worden krachten worden toegepast toegepast een rol. toegepast (Yalin, 1971). (Yalin, Dus (Yalin, Wanneer 1971). voor een Wanneer juiste 1971). Wanneer echter vergelijking echter de de de stroming tussen prototype stroming laminair laminair en laminair is spelen is model spelen moet is spelen ook ook de ook viskeuze viskeuze stroming viskeuze krachten krachten in het model krachten een rol. een een Dus rol. turbulent rol. voor Dus Dus een juiste voor zijn. een juiste voor een juiste vergelijking tussen prototype en model moet de stroming in het model turbulent zijn. vergelijking tussen prototype en en model model moet moet de stroming de stroming het in model het model turbulent turbulent zijn. Om te voldoen aan dynamische gelijkheid tussen het prototype en het model zijn. wordt onder Om turbulente te voldoen omstandigheden aan dynamische de stroomsnelheid gelijkheid tussen en het afvoer prototype geschaald en het volgens model wordt de Froude onder Om te voldoen aan aan dynamische gelijkheid gelijkheid tussen tussen het prototype het prototype en het model en het wordt model onder wordt onder turbulente schaalregel. omstandigheden Het Froudegetal de (Fr) stroomsnelheid geeft aan wanneer en afvoer sprake geschaald is van volgens stromend de (Fr<1) Froude of turbulente omstandigheden de de stroomsnelheid en afvoer en geschaald afvoer volgens geschaald de Froude volgens schaal-de Froude schaalregel. schietend water Het (Fr>1). Froudegetal Het Froudegetald (Fr) geeft aan moet wanneer in model er en sprake prototype is gelijk van stromend zijn: (Fr<1) of schaalregel. Het Froudegetal Het Froudegetal (Fr) geeft aan (Fr) wanneer geeft aan er sprake wanneer is van er stromend sprake (Fr<1) is van of schietend stromend (Fr<1) of schietend water (Fr>1). Het Froudegetald moet in model en prototype gelijk zijn: schietend water (Fr>1). water Het Froudegetal (Fr>1). Het moet Froudegetald in model en moet prototype in model gelijk en zijn: prototype gelijk zijn: p N 1 [2] Fr p N Fr Frm Fr p 1 [2] [2] [2] N Fr Fr Fr m m 1 N Fr Froude schaalfactor (-) N Fr Froude schaalfactor (-) N Fr p Froudegetal schaalfactor van het (-) model (-) Fr m Froudegetal N van het schaalfactor model (-) (-) p m Froudegetal van het model prototype (-) (-) Fr p Froudegetal Fr p Froudegetal van het prototype van het model (-) (-) m Froudegetal van het prototype (-) Fr m Froudegetal van het prototype (-) Het Het Froudegetal Froudegetal kan kan uitgedrukt uitgedrukt worden worden in de in ratio de van ratio de van stroomsnelheid de stroomsnelheid en de loopsnelheid en de loopsnelheid Het van Het van een Froudegetal een oppervlakte Froudegetal oppervlakte kan verstoring: kan verstoring: uitgedrukt worden in de ratio van de stroomsnelheid en de loopsnelheid uitgedrukt worden in de ratio van de stroomsnelheid en de loopsnelheid van een oppervlakte verstoring: van een u oppervlakte Q verstoring: Fr [3] [3] ugd gd Q A Fr [3] Fr gd gd A [3] gd gd u gemiddelde stroomsnelheid (m/s) u g gemiddelde gravitatie constante stroomsnelheid (m/s²) (m/s) 4 g u d gravitatie gemiddelde waterdiepte constante stroomsnelheid (m) (m/s²) (m/s) d g Q waterdiepte gravitatie debiet (m³/s) constante (m) (m/s²) Q d A debiet waterdiepte doorstroomoppervlak (m³/s) (m) (m²) A Q doorstroomoppervlak debiet (m³/s) (m²) A doorstroomoppervlak (m²)

14 u gemiddelde stroomsnelheid (m/s) g gravitatie constante (m/s²) d waterdiepte (m) Q debiet (m³/s) A doorstroomoppervlak (m²) Wanneer voldaan is aan de Froude schaalregel (Fr p = Fr Fr m ) geldt: geldt: Wanneer voldaan Wanneer is aan voldaan de Froude is aan schaalregel de Froude schaalregel (Fr p = Fr m )(Fr geldt: p = Fr m ) geldt: u u p m L L p m q p L L & q L & [4] q m p m [4] [4] Hierin is de gemiddelde stroomsnelheid, de afvoer per eenheid van breedte en een Hierin Hierin is is u de de gemiddelde gemiddelde stroomsnelheid, stroomsnelheid, q de q afvoer de afvoer per eenheid per eenheid van breedte van breedte en L een lengtemaat. Bij een geometrische schaalfactor van 15 geldt: u p en L een Hierin is u de lengtemaat. Bij een geometrische schaalfactor van 15 geldt: 3.87 en 58.1 lengtemaat. gemiddelde Bij stroomsnelheid, een geometrische q schaalfactor de afvoer van per 15 eenheid geldt: u = 3.87 p = van 3.87 breedte u en m en qen 58.1 q p = 58.1 L een q m. m. lengtemaat. Bij een geometrische schaalfactor van 15 geldt: u p = 3.87 u m en q p = 58.1 q m. Aangezien de breedte van de stroomgoot groter is dan de geschaalde breedte van het Aangezien de breedte van de stroomgoot groter is dan de geschaalde breedte van het Aangezien de prototype Aangezien geldt de breedte voor een van berekening de stroomgoot van het groter debiet is dan in het prototype de volgende van relatie: prototype breedte geldt van voor de een stroomgoot berekening groter van het is debiet dan de in het geschaalde prototype de breedte volgende van relatie: het het prototype voor geldt een voor berekening een berekening van het van debiet het debiet in het in prototype het prototype de volgende relatie: Lp Qm Q [5] prototype geldt p Bp L [5] m Bm [5] [5] Hierin is het totale debiet, de breedte en een lengte maat. Hierin is Q het totale debiet, B de breedte en L een lengte maat. Hierin is Q het totale debiet, B de breedte en L een lengte maat. Hierin is Q het totale debiet, B de breedte en L een lengte maat Ontwerp schaalmodel Binnen het onderzoek wordt het hydraulisch functioneren van drie verschillende ontwerpen 3.3 Binnen het onderzoek wordt het hydraulisch functioneren van drie verschillende ontwerpen 3.3 Ontwerp onderzocht: schaalmodel onderzocht: Binnen het onderzoek wordt het hydraulisch functioneren van drie verschillende ontwerpen Binnen het onderzoek wordt het hydraulisch functioneren van drie verschillende ontwerpen onderzocht: 1. Cascade vistrap met trappen (ontwerp A) onderzocht: 1. Cascade vistrap met 8 trappen (ontwerp A) 1 Cascade 2. Enkele vistrap rechte met 8 drempel trappen (ontwerp A) B) 2. Enkele rechte drempel (ontwerp B) 2 Enkele 3. rechte Enkele drempel V-vormige (ontwerp drempel B) (ontwerp C) 1. Cascade vistrap 3. Enkele met V-vormige 8 trappen drempel (ontwerp (ontwerp A) C) 3 Enkele V-vormige drempel (ontwerp C) 2. Enkele Een rechte schets drempel van de (ontwerp experimentele B) opstelling voor cascade vistrap (ontwerp A) is weergegeven Een schets van de experimentele opstelling voor cascade vistrap (ontwerp A) is weergegeven 3. Enkele in V-vormige Figuur 2. De drempel enkele (ontwerp drempels C) van de twee andere ontwerpen (B en C) liggen op dezelfde in Een Figuur schets 2. van De de enkele experimentele drempels opstelling van de twee voor andere cascade ontwerpen vistrap (ontwerp (B en locatie als de eerste drempel van de cascade vistrap. De kruinhoogte A) C) van is liggen weergegeven op dezelfde de enkel rechte in locatie als de eerste drempel van de cascade vistrap. De kruinhoogte van de enkel rechte Een schets van drempel Figuur 2. is De gelijk enkele aan drempels de kruinhoogte van de van twee andere eerste ontwerpen cascade vistrap. (B en C) Het liggen diepste op dezelfde punt van locatie als de eerste drempel is tevens van gelijk de cascade aan vistrap. kruinhoogte De kruinhoogte van de eerste van de drempel enkel rechte van drempel cascade de V- drempel de experimentele is gelijk aan de opstelling kruinhoogte voor van cascade de eerste vistrap cascade (ontwerp vistrap. A) Het is diepste weergegeven punt van de V- in Figuur 2. De vormige vormige enkele drempel drempels is tevens van de gelijk twee aan andere kruinhoogte ontwerpen van (B de en eerste C) liggen drempel op dezelfde van cascade locatie als de vistrap. vistrap. eerste gelijk drempel aan de kruinhoogte van de cascade van eerste vistrap. cascade De vistrap. kruinhoogte Het diepste van punt de enkel van de rechte V-vormige drempel is gelijk drempel aan de is kruinhoogte tevens gelijk aan van de kruinhoogte eerste cascade van de vistrap. eerste drempel Het diepste van de punt cascade van vistrap. de V- vormige drempel is tevens gelijk aan de kruinhoogte van de eerste drempel van de cascade vistrap. Figuur 2 opstelling van de cascade vistrap in de stroomgoot. De tekening is niet op schaal: de verticale schaal is 4x vergroot, h1 en h2 zijn respectievelijk bovenstroomse en benedenstroomse waterstanden Figuur 2. Opstelling van de cascade vistrap in de stroomgoot. De tekening is niet op schaal: de Figuur 2. Opstelling van de cascade vistrap in de stroomgoot. De tekening is niet op schaal: de verticale schaal is 4x vergroot, 1 en 2 zijn respectievelijk bovenstroomse en benedenstroomse verticale schaal is 4x vergroot, h 1 en h 2 zijn respectievelijk bovenstroomse en benedenstroomse waterstanden. waterstanden. De bodem van de goot bestaat uit hout beplakt met grof zand (D 50 mm). De wanden van De bodem van de goot bestaat uit hout beplakt met grof zand (D 50 = 1 mm). De wanden van Figuur 2. Opstelling de goot van zijn de cascade bekleed met vistrap glad in materiaal de stroomgoot. over de De gehele tekening lengte is niet van op de schaal: goot, de waardoor de de goot zijn bekleed met glad materiaal over de gehele lengte van de goot, waardoor de verticale schaal ruwheid is 4x vergroot, van de hwanden 1 h 2 zijn verwaarloosd respectievelijk kan bovenstroomse worden (Figuur en 3). benedenstroomse De drempels bestaan uit ruwheid van de wanden verwaarloosd kan worden (Figuur 3). De drempels bestaan uit waterstanden. 5 De bodem van de goot bestaat uit hout beplakt met grof zand (D 50 = 1 mm). De wanden van de goot zijn bekleed met glad materiaal over de gehele lengte van de goot, waardoor de ruwheid van de wanden verwaarloosd kan worden (Figuur 3). De drempels bestaan uit 9

15 Figuur 3 De bodem van de goot bestaat uit hout beplakt met grof zand (D 50 = 1 mm). De wanden van de goot zijn bekleed met glad materiaal over de gehele lengte van de goot, waardoor de ruwheid van de wanden verwaarloosd kan worden (Figuur 3). De drempels bestaan uit basaltsplit met diameter mm (gemiddelde diameter 24 mm) die vastgeplakt zitten op een houten kern. Ook de bekkens tussen de trappen zijn bekleed met basaltsplit (Figuur 3). Een correct basaltsplit verschaalde met diameter diameter van de stortstenen mm (gemiddelde is 0.3/15*1000 diameter = 20 mm. 24 Het mm) gebruikte die vastgeplakt basaltsplit zitten is op een houten kern. Ook de bekkens tussen de trappen zijn bekleed met basaltsplit (Figuur 3). Een dus iets groter, echter bij de aanleghoogte is rekening gehouden met de gebruikte diameters, correct verschaalde diameter van de stortstenen is 0.3/15*1000 = 20 mm. Het gebruikte zodat de hoogte van de drempels bij benadering overeenkomen met het geschaalde prototype basaltsplit is dus iets groter, echter bij de aanleghoogte is rekening gehouden met de gebruikte (Figuur 4). diameters, zodat de hoogte van de drempels bij benadering overeenkomen met het geschaalde prototype (Figuur 4). detail cascade vistrap Figuur 4 Figuur 3. Detail cascade vistrap. doorsnede rechte drempel. Blauwe lijn geeft de ontwerphoogte weer, deze ligt op de gemiddelde hartlijn van het basaltsplit. Onder de doorsnede staan de prototypematen en de modelmaten bij de geometrische schaalfactor 15 Figuur 4. Doorsnede rechte drempel. Blauwe lijn geeft de ontwerphoogte weer, deze ligt op de In BIJLAGE 1 zijn foto s opgenomen van de verschillende ontwerpen. De maten van het gemiddelde hartlijn van het basaltsplit. Onder de doorsnede staan de prototypematen en de modelmaten model zijn gebaseerd bij de geometrische op de prototypematen schaalfactor en schaalfactor (zie Hoofdstuk 2). 6 In BIJLAGE 1 zijn foto s opgenomen van de verschillende ontwerpen. De maten van het model zijn gebaseerd op de prototypematen en schaalfactor 15 (zie Hoofdstuk 2).

16 4 Metingen 4.1 Meetmethode 4 Metingen 4.1 Meetmethode De waterstand in de stroomgoot wordt gemeten met een magnetostrictive position sensor. De sensoren meten buiten de stroomgoot in een peilbuis de waterstand met behulp van een vlotter. De In de waterstand stroomgoot in wordt de stroomgoot de waterstand wordt doorgegeven gemeten met naar een de peilbuizen magnetostrictive d.m.v. Pitotbuizen, position sensor. De sensoren waarin de meten statische buiten waterdruk de stroomgoot wordt gemeten. in een Het ontwerp peilbuis van de een waterstand Pitotbuis zorgt met behulp ervoor van een vlotter. dat geen In sprake de stroomgoot is van opstuwing wordt wanneer de waterstand de buis in het doorgegeven stromend water naar wordt de geplaatst. peilbuizen d.m.v. Pitotbuizen, Tevens worden waarin de korte de statische golven in de waterdruk waterspiegel wordt uitgedempt. gemeten. De Het meetnauwkeurigheid ontwerp van een Pitotbuis van zorgt ervoor meetopstelling dat er geen bedraagt sprake ± 0.2 mm. is van opstuwing wanneer de buis in het stromend water wordt geplaatst. Tevens worden de korte golven in de waterspiegel uitgedempt. De meetnauwkeurigheid van meetopstelling bedraagt ± 0.2 mm. Om het effect van staande golven uit te middelen, welke ontstaan tussen de drempels, is ervoor gekozen om de waterstand te meten in een vlak. Op vier punten in de lengterichting Om het effect van staande golven uit te middelen, welke ontstaan tussen de drempels, is wordt de waterstand gemiddeld en doorgegeven aan de peilbuis buiten de goot, volgens het ervoor gekozen om de waterstand te meten in een vlak. Op vier punten in de lengterichting principe van communicerende vaten (zie Figuur 5). De waterstanden in de peilbuizen worden wordt de waterstand gemiddeld en doorgegeven aan de peilbuis buiten de goot, volgens het gemeten t.o.v. een referentievlak dat 0.5 m onder de gootbodem ligt, bij een horizontale gootbodem (zie principe van communicerende vaten (zie Figuur 5). De waterstanden in de peilbuizen worden gemeten t.o.v. Figuur een 6). referentievlak dat 0.5 m onder de gootbodem ligt, bij een horizontale gootbodem (zie Figuur 6). Figuur 5 pitotbuizen in stroomgoot. Tussen de drempels (cascade vistrap) wordt de waterstand gemiddeld over 4 meetpunten Figuur 5. Pitotbuizen in stroomgoot. Tussen de drempels (cascade vistrap) wordt de waterstand gemiddeld over 4 meetpunten. 4.2 Meetlocaties De meetlocaties in de lengterichting van de stroomgoot zijn voor alle drie de ontwerpen gelijk en weergegeven in Figuur 6 en Figuur 7. De bodemhoogte (Z) op de betreffende meetlocaties 7 (X) zijn opgenomen in Tabel 1.

17 4.2 Meetlocaties De meetlocaties in de lengterichting van de stroomgoot zijn voor alle drie de ontwerpen gelijk en weergegeven in Figuur 6 en Figuur 7. De bodemhoogte (Z) op de betreffende meetlocaties (X) zijn opgenomen in Tabel 1. Figuur 6 meetlocaties a t/m h meetlocaties waterstanden Z (m) Figuur trappen trap a b c d e f g h x (m) Figuur 6. Meetlocaties a t/m h. Figuur 6. Meetlocaties a t/m h. meetlocaties a t/m h Figuur 7. Meetlocaties a t/m h Figuur 7. Meetlocaties a t/m h Tabel 1. Meetlocaties in de lengterichting (X) en bodemhoogte (Z) voor meetpunten a t/m h. De meetlocaties voor de V-vormige drempel zijn identiek aan de rechte drempel. cascade cascade enkele trap enkele trap Tabel 1. Meetlocaties in de lengterichting (X) en bodemhoogte (Z) voor meetpunten a t/m h. De helling = 0 hellilng = 1/1000 helling = 0 helling = 1/1000 meetlocaties meetpunt voor de X V-vormige drempel Z zijn identiek Z aan de rechte Z drempel. Z (m) (m) (m) (m) (m) tov begin goot tov referentie tov referentie tov referentie tov referentie a b c d e f g h

18 Figuur Figuur 7. Meetlocaties 7. Meetlocaties Figuur a t/m 7. h a Meetlocaties t/m h a t/m h Tabel 1 meetlocaties in de lengterichting (X) en bodemhoogte (Z) voor meetpunten a t/m h. De meetlocaties voor de V-vormige drempel Tabel Tabel 1. Meetlocaties 1. Meetlocaties Tabel in de 1. lengterichting in Meetlocaties de lengterichting in (X) de lengterichting (X) bodemhoogte bodemhoogte (X) (Z) en voor bodemhoogte (Z) meetpunten voor meetpunten (Z) a t/m voor h. a t/m meetpunten De h. De a t/m h. De zijn identiek aan de rechte meetlocaties meetlocaties voor de voor meetlocaties V-vormige de V-vormige drempel voor drempel de zijn V-vormige identiek zijn identiek drempel aan de aan zijn rechte de identiek rechte drempel. drempel. aan de rechte drempel Meetplan 4.3 Meetplan De Qh-relaties De Qh-relaties voor voor de verschillende ontwerpen ontwerpen worden worden onderzocht onderzocht binnen binnen het bereik het bereik van 5- van 5- De Qh-relaties voor de verschillende ontwerpen worden onderzocht binnen het bereik van 250%Q 250%Q mg. Tabel mg. Tabel 2 bevat 2 bevat voor voor verschillende 12 percentages 12 van 12 de van maatgevende afvoer, afvoer, de de 5-250%Q mg. Tabel 2 bevat voor verschillende percentages van de maatgevende afvoer, de debieten in het prototype en het model. Om het te onderzoeken bereik ruim te nemen, is ervoor debieten debieten in het in prototype het prototype en het en model. het model. Om het Om te het onderzoeken te bereik bereik ruim ruim te nemen, te nemen, is is ervoor ervoor gekozen gekozen om het om debiet het debiet in in stroomgoot de stroomgoot te variëren te variëren tussen tussen 1 l/s en 1 l/s 120 en l/s. 120 l/s. gekozen om het debiet in de stroomgoot te variëren tussen 1 l/s en 120 l/s. Tabel 2 maatgevende totale afvoer (Q mg ) en afvoer per breedte eenheid (q mg ) Tabel Tabel 2. Maatgevende 2. totale totale afvoer afvoer (Q mg) (Q en mg) afvoer en afvoer per breedte per breedte eenheid eenheid (q mg). (q mg). Voor alle drie de ontwerpen wordt de waterstand gemeten op de acht meetlocaties. Bij elk Voor Voor alle drie alle de drie ontwerpen de ontwerpen wordt wordt bij wordt een de afvoer waterstand de waterstand van 1 t/m gemeten 120 gemeten l/s de op waterstand de op acht de acht meetlocaties. gemeten over de Bij constructie. elk Bij elk ontwerp ontwerp wordt wordt bij Daarnaast een bij afvoer een wordt afvoer van per 1 van afvoerreeks t/m 1120 t/m l/s 120 (1-120 de l/s waterstand l/s) de de waterstand schuifhoogte gemeten gemeten t.o.v. over de benedenstroomse over constructie. constructie. bodemhoogte per afvoerreeks per gevarieerd afvoerreeks om (1-120 de verschillende (1-120 l/s) de l/s) schuifhoogte de mate van verdrinking t.o.v. t.o.v. de te simuleren. benedenstroomse De volgende vijf Daarnaast Daarnaast wordt wordt bodemhoogte gevarieerd schuifhoogtes gevarieerd om de om zijn verschillende tijdens de experimenten mate mate van verdrinking van toegepast: verdrinking te simuleren. te simuleren. De volgende De volgende vijf schuifhoogtes vijf zijn tijdens zijn tijdens experimenten de toegepast: toegepast: Schuifhoogte 1 = 0.06 m Schuifhoogte 1 = = 0.06 m m Schuifhoogte 2 = 0.09 m Schuifhoogte 2 = = 0.09 m m Schuifhoogte 3 = 0.12 m Schuifhoogte 3 = = 0.12 m m Schuifhoogte 4 = 0.16 m Schuifhoogte 4 = = 0.16 m m Schuifhoogte 5 = 0.20 Schuifhoogte 5 = 0.20 m m 5 = 0.20 m In onderstaande In tabel In onderstaande tabel zijn zijn verschillende tabel zijn de ontwerpen verschillende ontwerpen weergegeven ontwerpen bij weergegeven een bij helling een bij helling van een 0 helling van en 0 en van 1/ / en 1/1000. Tabel Tabel 3. Ontwerpen 3. Ontwerpen gecombineerd met bodemhelling. met 9

19 In onderstaande tabel zijn de verschillende ontwerpen weergegeven bij een helling van 0 en STOWA HYDRAULISCH FUNCTIONEREN VISPASSEERBARE CASCADES 1/1000. Tabel 3 3. Ontwerpen ontwerpen gecombineerd met bodemhelling met bodemhelling. A1_ 011 Elke meting heeft een eigen meetreeksnummer. Hierin varieert het schuifnummer tussen 1 en 5 (zie de schuifhoogtes hierboven) en het debietnummer varieert tussen 1 en 12; respectievelijk heeft 1 een l/s en eigen 120 l/s. meetreeksnummer. In verschillende figuren Hierin kan varieert verwezen het worden schuifnummer naar het meetreeksnum- tussen 1 en Elke meting 5 (zie de mer schuifhoogtes of code van het hierboven) ontwerp. In en BIJLAGE het 2 debietnummer is het volledig meetplan varieert opgenomen tussen 1 en Tabel en 12; 4 respectievelijk geeft 1 als l/s voorbeeld en 120 het l/s. meetplan In verschillende voor A1, hierin figuren is het kan meetreeks-nummer verwezen worden is als volgt naar opgebouwd: of code van het ontwerp. In BIJLAGE 2 is het volledig meetplan het meetreeksnummer A1_ opgenomen A1_ en Tabel 4 geeft als voorbeeld het meetplan voor A1, hierin is het meetreeksnummer is als volgt opgebouwd: A1_ 011 A = ONTWERPTYPE A = A = ONTWERPTYPE (A,B,C) (A,B,C) (A,B,C) 1 = HELLING 1 = NUMMER HELLING 1 = HELLING NUMMER (1 of NUMMER 2) (1 of (1 2) of 2) A = ONTWERPTYPE (A,B,C) DEBIETNUMMER DEBIETNUMMER (01 t/m 12) (01 t/m (0112) t/m 12) 1 = HELLING NUMMER (1 of 2) SCHUIFNUMMER SCHUIFNUMMER 13 (1 t/m 5) (1 t/m (15) t/m 5) DEBIETNUMMER (01 t/m 12) SCHUIFNUMMER (1 t/m 5) 4 voorbeeld voor cascade vistrap bij bodem Tabel 4. Voorbeeld Tabel Tabel 4. Voorbeeld meetplan 4. Voorbeeld voor meetplan meetplan cascade voor vistrap voor cascade cascade bij vistrap een vistrap horizontale bij een bij een bodem. horizontale bodem. bodem. Tabel 4. Voorbeeld meetplan voor cascade vistrap bij een horizontale bodem. A1 schuif_nr helling = 0 schuifhoogte (cm) debiet_nr Q_model l/s 1 1 A1-011 A1-012 meetreeksnummer A1-013 A1-014 A A1-021 A1-022 A1-023 A1-024 A A1-031 A1-032 A1-033 A1-034 A A1-041 A1-042 A1-043 A1-044 A A1-051 A1-052 A1-053 A1-054 A A1-061 A1-062 A1-063 A1-064 A A1-071 A1-072 A1-073 A1-074 A A1-081 A1-082 A1-083 A1-084 A A1-091 A1-092 A1-093 A1-094 A A1-101 A1-102 A1-103 A1-104 A A1-111 A1-112 A1-113 A1-114 A A1-121 A1-122 A1-123 A1-124 A

20 5 Methode In dit hoofdstuk is beschreven welke methodes en parameters kunnen worden toegepast binnen SOBEK om de effecten van een cascade vistrap te simuleren (of één van de andere twee onderzochte ontwerpen).ten eerste biedt SOBEK de mogelijkheid om een vistrap te simuleren als één overlaatobject (weir) of meerdere overlaatobjecten. Daarnaast kan de opstuwende werking van een vistrap worden gesimuleerd door op de locatie van de vistrap, een verhoogde ruwheid toe te kennen aan de bodem. In paragraaf 5.2 is beschreven hoe de verschillende parameters (die als invoer dienen voor het hydraulische model) zijn bepaald op basis van de experimenten. Voor de beschrijving van de methodes binnen SOBEK (paragraaf 5.1) is gebruik gemaakt van: SOBEK documentation , deze handleiding is online beschikbaar. In de onderstaande tekst wordt steeds het doorstroomoppervlak als rechthoekig beschouwd. Bovendien is de overlaat even breed als de waterloop, dus een contractiecoëfficiënt wordt niet toegepast. In de onderstaande methodes wordt de afvoer per eenheid van breedte (q) gebruikt, in plaats van de totale afvoer, omdat de breedte van de waterloop als constant is verondersteld. Voor de V-vormige drempel geldt dit niet en is het totale debiet Q gebruikt in de berekening. 5.1 Overlaat binnen SOBEK In een waterloop kan binnen SOBEK verschillende objecten (structures) worden geselecteerd. Het uitgangspunt is om de cascade trappen te simuleren als één overlaatobject, dus niet per trede een aparte overlaat. De waterstand over een overlaat wordt in SOBEK berekend met de standaard overlaatformules voor een lange overlaat, die gebaseerd zijn op de Wet van Bernoulli. Er kunnen zich drie situaties voordoen: niet-verdronken afvoer (free flow), verdronken afvoer (submerged flow) en een situatie zonder afvoer (no flow). In de niet-verdronken situatie heeft de benedenstroomse waterstand (h 2 ) geen invloed op de bovenstroomse waterstand (h 1 ), er is dus sprake van een vrije overstort. In de verdronken situaties wordt h 1 wel beïnvloed door h 2. Voor beide stromingscondities wordt in SOBEK de waterstand verschillend berekend. Het moment van verdrinking is uit te drukken in een bepaalde verdrinkingsgraad (h 2 /h 1 ), die voor elke overlaat verschillend is. De verdrinkingsgraad op het moment van verdrinking wordt het modular limit genoemd (ml). In SOBEK kan onder andere gekozen worden tussen de volgende overlaat-objecten: weir, universal weir, river weir en advanced weir. De weir en universal weir gebruiken dezelfde overlaatformules en coëfficiënten, de river weir maakt gebruik van de standaard overlaatformule voor een lange overlaat, inclusief een reductiefactor die afhankelijk is van de verdrinkingsgraad. De advanced weir wordt in deze studie buiten beschouwing gelaten. 11

21 In SOBEK kan onder andere gekozen worden tussen de volgende overlaat-objecten: weir, universal weir, river weir en advanced weir. De weir en universal weir gebruiken dezelfde overlaatformules en coëfficiënten, de river weir maakt gebruik van de standaard STOWA HYDRAULISCH FUNCTIONEREN VISPASSEERBARE CASCADES overlaatformule voor een lange overlaat, inclusief een reductiefactor die afhankelijk is van de verdrinkingsgraad. De advanced weir wordt in deze studie buiten beschouwing gelaten Universal weir (Methode 1) Universal weir (Methode 1) De meest eenvoudige manier om een overlaat te simuleren binnen SOBEK is door gebruik te maken van het object weir of universal weir. Tijdens een niet-verdronken situatie en een maken van het object weir of universal weir. Tijdens een niet-verdronken situatie en een rechthoekig doorstroomoppervlak geldt de volgende rechthoekig doorstroomoppervlak geldt de volgende relatie: relatie: d 2 3 2/3 2/3 1 hgcq [6] [6] Bij Bij een verdronken situatie geldt: geldt: d 2 hhghcq 21 )(2 15 [7] [7] Bij een verdronken situatie geldt: Bij q een afvoer verdronken q afvoer per breedte situatie per breedte eenheid geldt: eenheid (m²/s) (m²/s) C d afvoercoëfficiënt (-) C d afvoercoëfficiënt (-) d h2 1 bovenstroomse hhghcq 21 )(2 waterstand t.o.v. kruinhoogte (m) [7] h 1 bovenstroomse d h2 hhghcq 2 benedenstroomse 21 waterstand )(2 waterstand t.o.v. kruinhoogte t.o.v. kruinhoogte (m) (m) [7] h 2 benedenstroomse q g afvoer gravitatie per breedte versnelling waterstand eenheid (m/s²) t.o.v. (m²/s) kruinhoogte (m) g gravitatie Cq d afvoercoëfficiënt versnelling per breedte (-) (m/s²) eenheid (m²/s) Ch Een verdronken 1 d afvoercoëfficiënt bovenstroomse waterstand (-) t.o.v. kruinhoogte (m) overlaat geldt vanaf: h 2 /h 1 2/3, deze waarde is als standaardwaarde h 21 bovenstroomse benedenstroomse waterstand t.o.v. t.o.v. kruinhoogte (m) (m) opgenomen Een verdronken hg 2 gravitatie benedenstroomse in het overlaat model. versnelling geldt waterstand (m/s²) vanaf: ht.o.v. 2 /h 1 kruinhoogte 2/3, deze waarde (m) is als standaardwaarde opgenomen in het model. g gravitatie versnelling (m/s²) Voor Een verdronken een V-vormig overlaat doorstroomoppervlak geldt vanaf: h 2 /h 1 2/3, kan deze binnen waarde SOBEK is als de standaardwaarde universal weir methode worden opgenomen Een verdronken gebruikt, in het overlaat model. geldt vanaf: h door de hoogte van 2 /h 1 2/3, deze waarde is als standaardwaarde de overlaat per punt aan te passen. De volgende opgenomen Voor een V-vormig in het model. doorstroomoppervlak kan binnen SOBEK de universal weir methode worden formulering wordt gebruikt voor een niet-verdronken situatie (SOBEK-manual): Voor gebruikt, een door V-vormig de hoogte doorstroomoppervlak van de overlaat kan per punt binnen aan SOBEK te passen. de universal De volgende weir formulering methode worden Voor wordt een gebruikt, V-vormig voor door doorstroomoppervlak een de niet-verdronken hoogte van de situatie kan overlaat binnen (SOBEK-manual): per SOBEK punt aan de te universal passen. weir De volgende methode formulering worden gebruikt, wordt d gacq gebruikt door mlde )1 hvoor hoogte een niet-verdronken van de overlaat 1 (2 situatie per punt (SOBEK-manual): aan te passen. De volgende formulering wordt gebruikt voor een niet-verdronken situatie (SOBEK-manual): [8] [8] d gacq ml)1 h 1 (2 2 [8] d IF: gacq ml)1 h 1 1 Ahh (2 ml 1 v Bhh [8] Bij een verdronken situatie geldt: Bij een verdronken situatie geldt: Q afvoer (m³/s) (m³/s) Q afvoer CQ d (m³/s) afvoercoëfficiënt (m³/s) d (-) (-) A C d doorstroomoppervlak afvoercoëfficiënt (-) (m²) C d afvoercoëfficiënt doorstroomoppervlak (-) (m²) ha 1 doorstroomoppervlak bovenstroomse waterstand (m²) t.o.v. kruinhoogte, kruinhoogte ligt op laagste punt V-vorm (m) A doorstroomoppervlak h 1 21 bovenstroomse benedenstroomse waterstand (m²) waterstand t.o.v. t.o.v. kruinhoogte, t.o.v. kruinhoogte, kruinhoogte kruinhoogte ligt ligt op op laagste laagste ligt punt op punt laagste V-vorm V-vorm punt (m) V-vorm (m) (m) h 2 waterstand t.o.v. kruinhoogte, kruinhoogte ligt op laagste punt V-vorm h 1 bovenstroomse 2 benedenstroomse waterstand t.o.v. kruinhoogte, ligt op laagste punt V-vorm waterstand t.o.v. kruinhoogte, kruinhoogte ligt op laagste punt V-vorm (m) (m) ml modular limit (-) h 2 benedenstroomse hml v verticale modular limit hoogte limit waterstand (-) V-vorm (-) (m) t.o.v. kruinhoogte, kruinhoogte ligt op laagste punt V-vorm g h v gravitatie verticale v (m) hoogte verticale versnelling V-vorm hoogte V-vorm (m/s²) (m) (m) g gravitatie versnelling (m/s²) ml modular gravitatie limit (-) versnelling (m/s²) h v g ml verticale hoogte V-vorm (m) gravitatie versnelling (m/s²) v )1 ( ) ( 1 v Ahh ml )5 Bhh. 0 ( 2 IF: ELSE: ml 1 v Ahh ml 1 1 v)1 Bhh v ( ) ( 5. 2 IF: ml 1 v Ahh ml 1 v)1 Bhh ( ) ( 5. ELSE: ml 1 v Ahh ml 1 v)5 Bhh. 0 Bij een ELSE: verdronken mlsituatie 1 v geldt: Ahh ml 1 v)5 Bhh. 0 ( d d d IF: IF: IF: ELSE: ELSE: 21hhgACQ )(2 [9] 21hhgACQ )(2 [9] [9] 21hhgACQ )(2 [9] 2 v 2 2 1(5.0 v) BhhAhh v 2 1(5.0 v) BhhAhh 2 v 2 v 2 1(5.0 v) BhhAhh 2 BhhAhh 0( 2 v 2 v)5. 0( 2 v 2 v)5 BhhAhh. 0( 12 Figuur 8. Doorstroomoppervlak V-vormige drempel, hv is de hoogte van de V-vorm, h1 en h2 zijn Figuur de bovenstroomse 8. Doorstroomoppervlak of benedenstroomse V-vormige waterstand. drempel, hv is de hoogte van de V-vorm, h1 en h2 zijn de bovenstroomse of benedenstroomse waterstand. Figuur 8. Doorstroomoppervlak V-vormige drempel, hv is de hoogte van de V-vorm, h1 en h2 zijn