Opdrachtgever: Rijkswaterstaat RIZA. Zwevende Stof Rijn-Maasmonding. E. Meijers en J. Icke. Rapport. oktober WL delft hydraulics Q4201

Transcriptie

1 Opdrachtgever: Rijkswaterstaat RIZA Zwevende Stof Rijn-Maasmonding E. Meijers en J. Icke Rapport oktober 26 Q421 WL delft hydraulics

2 Opdrachtgever: Rijkswaterstaat RIZA Zwevende Stof Rijn-Maasmonding E. Meijers en J. Icke Rapport oktober 26

3 Inhoud 1 Inleiding Achtergrond Doelstelling van het onderzoek Gehanteerde werkwijze Leeswijzer Interpretatie meetresultaten zwevende stof Inleiding Rivierafvoer en de opdeling in afvoerperioden Zwevende stof concentratie bij drie afvoeren Korrelgrootteverdelingen volgens de Sedigraaf Methode Resultaten Conclusie Valsnelheidsbepaling van het zwevende stof Methode Resultaten Bepaling korrelgrootte uit de valsnelheidsverdeling Vergelijking en samenvatting meetresultaten Vergelijking korrelgrootte en valsnelheidsproeven Vertaling naar modelinstellingen WL Delft Hydraulics i

4 3 Zwevende stof modellering Modelopzet Beschouwde afvoersituatie Koppeling WAQUA - DELWAQ Het zwevende stof model Zwevende stof in DELWAQ Fractieverdelingen Procesconstanten Initiële condities Randvoorwaarden Kalibratie Kalibratieparameters Gevoeligheidsanalyse Simulaties Vergelijking fractieverdelingen Totaal zwevende stof op de meetlocaties Fractieverdeling van het zwevende stof Conclusies Gevoeligheidsanalyse voor bodeminitialisatie Overige parameters voor gevoeligheidsanalyse Systeemwerking Rijn-Maasmonding Processen Ruimtelijke spreiding van het zwevende stof Bodemopbouw Conclusie WL Delft Hydraulics ii

5 6 Conclusies en aanbevelingen Conclusies Metingen Modellering Systeemwerking Aanbevelingen Metingen Laagwater afvoeren Onderzoek naar de valsnelheden van fijn slib Erosie van slib Literatuur Bijlagen A B C D E Zwevende stof concentraties bij drie afvoermomenten...a 1 Resultaten valsnelheidsbepaling...b 1 Zwevende stof model van DELWAQ...C 1 Resultaten...D 1 Resultaten bodemgevoeligheid...e 1 WL Delft Hydraulics iii

6 1 Inleiding 1.1 Achtergrond In 25 heeft Rijkswaterstaat RIZA een haalbaarheidsonderzoek laten uitvoeren naar de modellering van zwevende stof. Voor twee gebieden is een model voor zwevende stof opgezet, te weten de nevengeulen van de Waal bij Gameren en de Rijn-Maasmonding. Deze modellen zijn bedoeld om de erosie- en sedimentatiepatronen in het gebied zichtbaar te maken, sedimentbalansen op te stellen en de verspreiding van diverse slibfracties te simuleren. Het onderzoek maakt deel uit van het Rijkswaterstaat stuurboordprogramma Ontwikkeling van de Morfologie van de Vaarweg. De casestudy voor de nevengeulen van de Waal is vorig jaar succesvol verlopen. Ten behoeve van de casestudy voor de Rijn-Maasmonding is de aanbeveling gedaan om méér meetgegevens van zwevende stof te verzamelen, om zo het model beter te kunnen kalibreren. In het voorjaar van 26 heeft Rijkswaterstaat RIZA een meetplan laten uitvoeren om deze gegevenslacune in te vullen. Conform het meetplan is het zwevende stofgehalte bepaald op vijftig locaties in de Rijn-Maasmonding, en bij drie verschillende rivierafvoeren. Op vier locaties heeft men ook de eigenschappen van het zwevende stof, zoals de korrelgrootteverdeling en het organisch stofgehalte, bepaald. De meetgegevens geven meer inzicht in het gedrag van zwevende stof en slib in de Rijn- Maasmonding. Op basis van deze nieuwe inzichten kan het model voor de Rijn- Maasmonding verder uitgebreid en verbeterd worden. Daarvoor is het onder andere wenselijk om meer inzicht te krijgen in de valsnelheden van het zwevende stof. 1.2 Doelstelling van het onderzoek De doelstelling van dit onderzoek was drieledig: 1. Het bepalen van de valsnelheidsverdeling van het zwevende stof in de Rijn- Maasmonding in aansluiting op het meetplan van Rijkswaterstaat RIZA, zodat in de informatiebehoefte van het simulatiemodel wordt voorzien. 2. Het kalibreren en valideren van het zwevende stof model voor de Rijn-Maasmonding voor drie verschillende afvoeren, op basis van de nieuwe meetgegevens over het gehalte en de eigenschappen van het zwevende stof. 3. Inzicht verkrijgen in de systeemwerking van de Rijn-Maasmonding. WL Delft Hydraulics 1 1

7 1.3 Gehanteerde werkwijze De studie bestaat grofweg uit vier hoofdcomponenten. Deze zijn: 1. Analyse van de meetgegevens; 2. De valsnelheidsproeven van het zwevende stof; 3. De modellering van de Rijn-Maasmonding; en 4. Systeembeschrijving van de Rijn-Maasmonding. Analyse van de meetgegevens Allereerst zijn metingen van het zwevende stof de Rijn-Maasmonding geanalyseerd. Dit geeft een duidelijk ruimtelijk beeld van de verdeling van het zwevende stof. Tevens zijn de korrelgrootteverdelingen van een aantal monsters geanalyseerd. Uit de analyse van de meetgegevens zijn een aantal kenmerken en processen naar voren gekomen die van belang zijn bij de modellering. Hierbij kan gedacht worden aan de effecten van de afvoer en het getij op het zwevende stof. Valsnelheidsproeven Parallel aan de analyse van de meetgegevens zijn met 12 monsters valsnelheidsproeven uitgevoerd. De monsters zijn genomen op vier locaties op drie tijdstippen tijdens de beschouwde afvoerperiode. Hiermee is de relatie tussen korrelgrootte en valsnelheid beschouwd. De valsnelheid en de fractieverdeling zijn belangrijke invoergrootheden het model. Modellering van het zwevende stof Op basis van de meetgegevens ten aanzien van het zwevende stof en de valsnelheden kan het zwevende stof model verbeterd worden. Een WAQUA model voor de Rijn- Maasmonding van RIZA vormt de basis voor de modellering. De resultaten van het model zijn worden vergeleken met de meetgegevens van het zwevende stof in het oppervlaktewater. Systeembeschrijving De systeembeschrijving richt zich op de vergelijking van de modelresultaten met de metingen. Het doel is het beschrijven van het gebied op basis van de metingen en de modelresultaten. Daarbij is aandacht besteed aan de belangrijkste processen die een rol spelen in de zwevende stof huishouding in de Rijn-Maasmonding. WL Delft Hydraulics 1 2

8 1.4 Leeswijzer Hoofdstuk 1 geeft het plan van aanpak en het doel van de studie weer. In hoofdstuk 2 worden de meetresultaten van het meetprogramma en de valsnelheidsproeven van het zwevende stof geïnterpreteerd en bediscussieerd. Hoofdstuk 3 beschrijft de opzet van het model en hoofdstuk 4 de simulatieresultaten die met het gekalibreerde model zijn verkregen. In hoofdstuk 5 worden de meetresultaten en de modelresultaten vergeleken en aaneengesmeed tot een synthese. Ten slotte worden in hoofdstuk 6 de conclusies en aanbevelingen die uit deze studie volgen vermeld. WL Delft Hydraulics 1 3

9 2 Interpretatie meetresultaten zwevende stof 2.1 Inleiding Voor modelstudies zijn meetgegevens van groot belang om het model op te zetten en te ijken. Meetgegevens worden gebruikt als invoer op bijvoorbeeld de modelranden, maar ook voor de kalibratie en de validatie van het model. In de vorige modelstudie waren beperkt meetgegevens beschikbaar voor de Rijn-Maasmonding (WL, 25a). In plaats van metingen van het zwevende stof is destijds een relatie tussen de afvoer en de zwevende stof concentratie gebruikt. Een belangrijke aanbeveling voorafgaand aan deze studie was dan ook om de Rijn-Maasmonding beter te bemonsteren. Naar aanleiding van deze aanbeveling heeft RIZA een meetcampagne uitgevoerd voor zwevende stof in de Rijn-Maasmonding (RIZA 26). In totaal zijn drie typen metingen uitgevoerd: 1. Gesuspendeerd zwevende stof op tal van locaties. Doel: kalibratie van het model, input voor de bovenstroomse modelranden. Daarnaast worden de metingen gebruikt om inzicht te krijgen in de relatie tussen zwevende stof en getij en afvoer. 2. Korrelgrootteverdeling. Doel: fractieverdeling van het zwevende stof achterhalen. 3. Valsnelheidsproeven. Doel: het bepalen van de valsnelheid van verschillende fracties van het zwevende stof. In de volgende paragrafen worden de meetresultaten beschreven. 2.2 Rivierafvoer en de opdeling in afvoerperioden De metingen zijn uitgevoerd op verschillende tijdstippen binnen een afvoerperiode. Bij de analyse van de meetresultaten zijn de exacte tijdstippen dan ook vervangen door een afvoermoment. Op deze manier kunnen de ruimtelijke metingen makkelijker onderling vergeleken worden. In Figuur 2-1 zijn de afvoeren van de Maas en de Waal weergegeven tijdens deze meetperiode. De gekleurde balken geven de drie verschillende afvoermomenten weer. WL Delft Hydraulics 2 1

10 Debiet (m3/s) mrt Afvoeren Maas en Waal (26) 27-mrt 29-mrt 31-mrt 2-apr 4-apr 6-apr Afvoer 1 Afvoer 2 Afvoer 3 Waal - Tiel Maas - Megen dorp 8-apr 1-apr Figuur 2-1 Afvoer van Waal en Maas in de periode van 26 maart 26 tot en met 1 april 26. De gekleurde balken geven de drie afvoerperioden weer De afvoermomenten worden gebruikt bij de analyse van de meetdata en de valsnelheidsproeven om te kijken of er een relatie bestaat tussen de hoeveelheid en fractieverdeling van het zwevende stof. 2.3 Zwevende stof concentratie bij drie afvoeren Metingen Tijdens deze meetcampagne zijn op drie momenten zwevende stof concentraties in de waterkolom bepaald. Hierbij is gebruik gemaakt van oppervlaktewater monsters, waar via een dompelpomp op 1 meter onder het wateroppervlak monsters zijn genomen. In totaal zijn op 51 locaties tijdens drie afvoeren oppervlaktemonsters genomen. Per afvoer moment zijn de zwevende stof concentraties gegroepeerd en in een kaart afgebeeld. In Figuur 2-2 zijn de zwevende stof concentraties op deze drie afvoermomenten weergegeven. De schaalverdeling is in alle figuren hetzelfde, zodat deze onderling goed vergeleken kunnen worden. In bijlage A zijn dezelfde figuren op groot formaat opgenomen. WL Delft Hydraulics 2 2

11 Figuur 2-2 Zwevende stof concentratie in het oppervlaktewater bij drie afvoermomenten WL Delft Hydraulics 2 3

12 Als deze drie situaties bekeken worden vallen een aantal fenomenen op. Deze fenomenen zijn kort samengevat op te delen in drie categorieën, namelijk: Afvoereffecten; Stroomvertraging; en Stroomversnelling. Afvoereffecten Bij het interpreteren van Figuur 2-3 valt op dat er een relatie bestaat tussen het zwevende stof concentratie en het tijdstip in de afvoergolf. Bij een toenemende afvoer is een toename in het zwevende stof te zien. Vooral het verschil tussen het eerste en het tweede afvoermoment laat dit fenomeen zien. Zwevend stof concentraties bij drie afvoeren ZS (mg/l) afvoer 1 afvoer 2 afvoer Locatienummer Figuur 2-3 Zwevende stof concentratie op drie afvoer tijdstippen, voor verschillende locaties op het traject Boven Merwede tot de locatie Hellegatsplein Stroomvertraging Wat daarnaast opvalt, is dat de verwijding van het stroomprofiel in grote lijnen zorgt voor een daling van het zwevende stof gehalte. Op het traject Boven Merwede, Nieuwe Merwede, Hollandsch Diep is het effect van de daling van de stroomsnelheid goed zichtbaar. In het Hollandsch Diep en het Haringvliet worden daarom lagere zwevende stof concentraties gevonden. De wat grovere fracties zwevende stof (fijn zand en slib) zijn in het Hollandsch Diep al gesedimenteerd. Stroomversnellingen Naast de stroomvertragingen zijn er ook effecten van stroomversnelling op de zwevende stof concentratie zichtbaar. Een mooi voorbeeld treedt op in de Dordtse Kil, waar door de indringing van het getij veel zwevende stof in oplossing blijft. Een andere locatie waar dit optreedt, is de Amer. Ook hier varieert de stroomsnelheid door de invloed van het getij. Dit heeft effecten op de bodemschuifspanning waardoor bodemmateriaal in resuspensie komt. WL Delft Hydraulics 2 4

13 2.4 Korrelgrootteverdelingen volgens de Sedigraaf Naast oppervlaktewatermonsters voor het zwevende stof zijn op vier punten op het traject Boven Merwede Hollandsch Diep centrifugemonsters genomen waaruit de korrelgrootteverdeling en de valsnelheid is bepaald. Voor deze centrifugemetingen is ongeveer 15 liter water gebruikt om in totaal 5 gram droge stof te verkrijgen. Ook deze metingen zijn op drie afvoermomenten uitgevoerd. In deze paragraaf worden de resultaten van de korrelgrootteanalyse op basis van de Sedigraafproeven besproken Methode De korrelgrootteverdelingen zijn bepaald met behulp van een Sedigraaf in het laboratorium van RIZA in Lelystad. Voordat het materiaal in de Sedigraaf wordt gebracht, wordt het eerst gedeflocculeerd en wordt het organische materiaal verwijderd. Vervolgens wordt het materiaal gezeefd door een 75 μm zeef. Uit de analyse van de korrelgrootte van het zwevende stof met behulp van de Sedigraaf komen over het algemeen twee dominante fracties naar voren. De verklaring kan gezocht worden in de behandeling van het materiaal. Door de deflocculatie zullen de samengekitte slibdeeltjes losgeslagen worden tot fijne slibdeeltjes. Het fijne zand blijft daarnaast bestaan. De twee dominante fracties zijn dan ook de zeer fijne fractie van gedeflocculeerd slib en een fractie van fijn zandig materiaal. De tussenliggende fracties van grotere slibdeeltjes zijn niet significant meer aanwezig Resultaten Op het traject Boven Merwede Hollands Diep zijn op vier locaties korrelgrootte verdelingen bepaald voor drie verschillende afvoermomenten. In Figuur 2-4 zijn de verdelingen voor de vier locaties in één figuur weergegeven. Ook hier is weer gebruikt gemaakt van de drie afvoer momenten. Definitie Korrelgrootte In dit rapport wordt bij de fractieverdeling gesproken over de fractie tot een bepaalde korrelgrootte, bijvoorbeeld de fractie tot 2 μm. Hiermee wordt in feite bedoeld: de fractie tussen 16 en 2 μm. In onderstaande tabel wordt aangegeven welke grenzen voor de korrelgrootteverdeling gehanteerd worden. Fractienaam, gebruikt in rapport Korrelgrootte van de fractie < 2 μm < 2 μm < 1 μm tussen 2 en 1 μm < 16 μm tussen 1 en 16 μm < 2 μm tussen 16 en 2 μm < 5 μm tussen 2 en 5 μm < 63 μm tussen 5 en 63 μm > 63 μm tussen 63 en 75 μm WL Delft Hydraulics 2 5

14 verdeling (%) Boven Merwede Afvoer 1 Afvoer 2 Afvoer 3 verdeling (%) Nieuwe Merwede Afvoer 1 Afvoer 2 Afvoer 3 < 2 um < 1 um < 16 um < 2 um < 5 um < 63 um > 63 um < 2 um < 1 um < 16 um < 2 um < 5 um < 63 um > 63 um Hollandsch Diep Hellegats plein verdeling (%) Afvoer 1 Afvoer 2 Afvoer 3 verdeling (%) Afvoer 1 Afvoer 2 Afvoer 3 < 2 um < 1 um < 16 um < 2 um < 5 um < 63 um > 63 um < 2 um < 1 um < 16 um < 2 um < 5 um < 63 um > 63 um Figuur 2-4 Korrelgrootteverdelingen op vier locaties tijdens de drie afvoertijdstippen Uit Figuur 2-4 blijkt duidelijk dat op alle vier de locaties de fractie kleiner dan 1 µm en de fractie groter dan 63 µm dominant aanwezig zijn. In de volgende paragrafen worden de resultaten van de korrelgrootteverdelingen verder uitgediept. Kleine fractie < 1 μm Wat aan de korrelgrootteverdeling opvalt, is dat een groot aandeel van het zwevende stof bestaat uit zeer fijn materiaal < 2 µm. Het gaat hier om ongeveer 4% van het zwevende stof in de bovenstroomse meetpunten (Boven Merwede, Nieuwe Merwede en Hollandsch Diep). Op de locatie Hellegatsplein is het aandeel zelfs opgelopen tot 5% (zie ook Figuur 2-5). De reden hiervoor is dat het grovere materiaal sedimenteert in het Hollandsch Diep. Slechts het fijne materiaal blijft in suspensie, waardoor het aandeel fijn materiaal toeneemt. De fractie < 1 µm ligt op alle vier de meetpunten constant op ongeveer 2%. Fractie < 2 µm Fractie < 1 µm 6 6 korelgroote fractie (%) Boven Merwede Nieuwe Merwede Hollands Diep HellegatsPlein korelgroote fractie (%) Boven Merwede Nieuwe Merwede Hollands Diep HellegatsPlein Afvoer 1 Afvoer 2 Afvoer 3 Afvoer 1 Afvoer 2 Afvoer 3 Figuur 2-5 Korrelgrootteverdelingen voor de fracties tot 2 en 1 µm. WL Delft Hydraulics 2 6

15 Daarnaast is het opmerkelijk dat tijdens een verhoogde afvoer de korrelgrootteverdeling in de kleine fractie nauwelijks verandert. Voor zowel de fractie < 2 µm als de fractie < 1 µm zijn de verschillen nauwelijks waarneembaar. Midden fractie < 63 μm De middenfracties zijn nauwelijks aanwezig in de korrelgrootteverdelingen. In Figuur 2-6 zijn de korrelverdelingen van de fracties < 16 µm, < 2 µm, < 5 µm en < 63 µm weergegeven, waarbij de schaal loopt van tot 1%. De fractie tot 16 µm heeft een aandeel van ongeveer 4%. In het Hellegatsplein is het aandeel een stukje lager rond 2%. De verschillen tussen de drie afvoeren zijn niet significant voor de bovenstroomse locaties. In het Hollandsch Diep en het Hellegatsplein is een kleine invloed van de afvoer waar te nemen. Op de top van de afvoer is het grootste aandeel < 16 µm waar te nemen. De verschillen met de andere afvoeren zijn echter minimaal. Fractie < 16 µm Fractie < 2 µm 1 1 korelgroote fractie (%) Boven Merwede Nieuwe Merwede Hollands Diep HellegatsPlein korelgroote fractie (%) Boven Merwede Nieuwe Merwede Hollands Diep HellegatsPlein Afvoer 1 Afvoer 2 Afvoer 3 Afvoer 1 Afvoer 2 Afvoer 3 Fractie < 5 µm Fractie < 63 µm korelgroote fractie (%) Boven Merwede Nieuwe Merwede Hollands Diep HellegatsPlein korelgroote fractie (%) Boven Merwede Nieuwe Merwede Hollands Diep HellegatsPlein Afvoer 1 Afvoer 2 Afvoer 3 Afvoer 1 Afvoer 2 Afvoer 3 Figuur 2-6 Korrelgrootteverdelingen voor de fracties tot 16, 2, 5 en 63 µm. Het aandeel van de fractie < 2 µm is met 2% op alle locaties klein. In het Hellegatsplein is deze fractie zelfs nauwelijks terug te vinden. Net als bij de andere fracties zijn afvoereffecten niet significant aanwezig. Opvallend is het aandeel < 5 µm, wat met 2% tot 3% weer iets groter is dan de fractie < 2 µm. Ook hier is op de bovenstroomse meetpunten nauwelijks een afvoer effect waar te nemen. Met andere woorden, voor alle drie de afvoersituaties bestaat de fractie voor ongeveer 2.5% uit materiaal < 5 µm. Op de locatie Hellegatsplein is deze fractie nauwelijks terug te vinden in het watersysteem. De fractie < 63 µm is op alle vier de meetpunten niet significant aanwezig. WL Delft Hydraulics 2 7

16 Grove fractie > 63 μm In Figuur 2-7 is de grove fractie > 63 µm weegegeven. Hier is een duidelijk verschil te zien tussen de bovenstroomse meetpunten en het Hellegatsplein. Het aandeel neemt af van ongeveer 32% op de Boven Merwede tot ongeveer 25% op de locatie Hellegatsplein. Ook voor deze fractie zijn geen significante afvoereffecten waarneembaar. Fractie > 63 um korelgroote fractie (%) Boven Merwede Nieuwe Merwede Hollands Diep HellegatsPlein Afvoer 1 Afvoer 2 Afvoer 3 Figuur 2-7 Korrelgrootteverdelingen voor de fracties groter dan 63 µm Conclusie De korrelgrootteverdelingen op de vier locaties zijn onderling goed vergelijkbaar. De verschillen zijn toe te schrijven aan de vertraging van de stroming. Met andere woorden, de fijne fracties zijn meer aanwezig in de benedenstroomse locaties, vergeleken met de grovere fracties. Binnen de korrelgrootteverdelingen zijn nauwelijks afvoereffecten zichtbaar. Daarom zijn alle afvoeren gemiddeld en naast elkaar gezet in Figuur 2-8. Gemiddelde korrelgrootteverdeling over de drie afvoeren korrelgrootteverdeling (%) < 2 µm < 1 µm < 16 µm < 2 µm < 5 µm < 63 µm > 63 µm Boven Merwede Nieuwe Merwede Hollands Diep HellegatsPlein Figuur 2-8 Gemiddelde korrelgrootteverdelingen over drie afvoerperioden WL Delft Hydraulics 2 8

17 Figuur 2-8 geeft een duidelijk beeld van de korrelgrootteverdeling op de vier locaties. Dit resultaat is een direct gevolg van de behandeling van het materiaal. Door de deflocculatie zijn de samengekitte deeltjes losgeslagen en zijn de zeer fijne fracties (tot 1 µm) dominant aanwezig. Daarnaast is een dominante fractie aanwezig van fijn zandig materiaal, de fractie > 63 μm. De tussenliggende fracties zijn door deflocculatie niet significant meer aanwezig in de monsters. Door de behandeling van de monsters voor de Sedigraaf proef zijn de resultaten derhalve nog maar ten dele representatief. De fijne zandfractie is bruikbaar, aangezien deze niet door deflocculatie beïnvloed wordt. De slibfracties zijn echter door de deflocculatie niet vergelijkbaar met de slibfracties op de meetlocaties. 2.5 Valsnelheidsbepaling van het zwevende stof Uit de monsters voor de bepaling van de korrelgrootte zijn vervolgens monsters beschikbaar gesteld om valsnelheidsproeven mee te doen. Deze proeven zijn in het fysisch-chemisch laboratorium van WL uitgevoerd. In deze paragraaf worden de resultaten van de valsnelheidsproeven beschreven. Allereerst komt de methode aan bod en daarna worden de resultaten van de valsnelheidsproeven beschreven. Om de valsnelheidsproeven vervolgens te kunnen vergelijken met de korrelgrootteverdelingen volgens de Sedigraaf proeven wordt via de Navier-Stokes vergelijking de theoretische valsnelheid bepaald van de diverse deeltjes Methode Om de valsnelheidsverdeling van zwevende stof te kunnen bepalen wordt er gebruik gemaakt van een sedimentbalansproef. Voor deze proef wordt een buis van 25 cm hoogte en een inhoud van ongeveer 55 ml gebruikt. In deze buis wordt vervolgens 1 gram/liter zwevende stof toegevoegd. In de balans wordt dus omgerekend naar volume,55 gram zwevende stof in oplossing gebracht. Het zwevende stof zal langzaam bezinken op weegschaal. De gewichtstoename op de weegschaal wordt als functie van de tijd gemeten voor een periode van minimaal 24 uur. Uit de toename van het gewicht kan vervolgens een valsnelheidsverdeling worden gemaakt. De buitenkant van de buis wordt gekoeld met water van 2º Celsius om temperatuurseffecten uit te sluiten. Met 12 monsters zijn valsnelheidsproeven uitgevoerd. In Tabel 2-1 zijn de monstercodes weergegeven. In de beschrijving worden de resultaten van de proeven verder aangeduid met de afvoersituatie. In bijlage B zijn de resultaten van de valsnelheidsproeven opgenomen. Tabel 2-1 Meetpuntcodes van de zwevende stof monsters Afvoer Boven Merwede Nieuwe Merwede Hollandsch Diep 1 Hellegatsplein afvoer afvoer afvoer Het meetpunt Hollandsch Diep ligt net benedenstrooms van de aansluiting met de Nieuwe Merwede. WL Delft Hydraulics 2 9

18 2.5.2 Resultaten Wat opvalt, is dat voor alle locaties na een bezinking van 24 uur nog niet alle materiaal bezonken was. Voor alle meetpunten zijn de eerste proeven zelfs 48 uur lang doorgezet. De verlenging van de duur van de proef heeft nauwelijks effect op de hoeveelheid bezonken materiaal. Na afronding van de proeven blijkt dat slechts,3 tot,4 gram materiaal op de weegschaal neergeslagen is. De weegschaal past vrij nauwkeurig in de balans, maar er is een kans dat enig materiaal naast de weegschaal terecht is gekomen. Een schatting voor deze hoeveelheid is maximaal 1%. Een relatief groot deel (,1 tot,2 gram) van het materiaal bezinkt helemaal niet. Het vermoeden bestaat dat dit organisch materiaal is, wat vanwege de lage dichtheid niet bezinkt. Dit wordt geïllustreerd op de linker foto van Figuur 2-9, waar duidelijk te zien is dat het water nog troebel is. Het zwevende stof heeft daar een week de tijd gehad om te bezinken. Figuur 2-9 Links: Foto van een monster in oplossing na 1 week rust. Rechts: de proefopstelling Valsnelheid per locatie In Figuur 2-1 wordt voor alle vier locaties de valsnelheidverdeling voor de drie afvoerniveau s gepresenteerd. WL Delft Hydraulics 2 1

19 Boven Merwede Nieuwe Merwede 1 1 Afv 1 Afv 1 valsnelheidsverdeling (%) Afv 2 Afv 3 valsnelheidsverdeling (%) Afv 2 Afv valsnelheid (mm/s) valsnelheid (mm/s) Hollandsch Diep Hellegats Plein 1 1 Afv 1 Afv 1 valsnelheidsverdeling (%) Afv 2 Afv 3 valsnelheidsverdeling (%) Afv 2 Afv valsnelheid (mm/s) valsnelheid (mm/s) Figuur 2-1 Valsnelheidsverdelingen voor vier locaties Uit de valsnelheidsverdelingen vallen een aantal zaken op: De eerste afvoerperiode heeft de laagste valsnelheden. Dit is te verklaren door het grotere aandeel fijn materiaal bij lage afvoeren. Het effect is het best te zien op de Boven Merwede en de Nieuwe Merwede, waar het zwevende stof over het algemeen een lagere valsnelheid heeft. De verdelingen voor de tweede en derde afvoerperiode lijken veel op elkaar. Een mogelijke verklaring hiervoor is dat de debieten op deze twee momenten vergelijkbaar zijn. Dit geldt voor iedere locatie, behalve voor de locatie Nieuwe Merwede. Op de benedenstroomse locaties Hollandsch Diep en het Hellegatsplein is minder variatie tussen de verschillende valsnelheidsverdelingen per afvoertijdstip waar te nemen. Zeker op het Hellegatsplein, waar alle drie de krommen min of meer over elkaar heen liggen, zijn de verschillen niet significant. Verschillen in de fractieverdeling van het zwevende stof door een toenemende afvoer treden hier nauwelijks op. Een mogelijke verklaring hiervoor is dat het grootste deel van de grovere fracties al gesedimenteerd is in het Hollandsch Diep en de Biesbosch. Voor de locatie Nieuwe Merwede is de valsnelheidsverdeling voor de derde afvoerperiode afwijkend. De laagste valsnelheid ligt veel hoger dan alle andere verdelingen. Het lijkt erop dat de valsnelheidsproef binnen 24 uur is afgebroken. Het resultaat is hierdoor niet bruikbaar voor verdere analyse. WL Delft Hydraulics 2 11

20 Valsnelheid per afvoer Door de valsnelheidsverdelingen per afvoer situatie naast elkaar te zetten kan een beeld verkregen worden van de verschillen tussen de vier meetlocaties. Afvoer 1 valsnelheidsverdeling (%) valsnelheid (mm/s) Boven Merwede Nieuwe Merwede Hollandsch Diep Hellegats Plein Afvoer 2 valsnelheidsverdeling (%) valsnelheid (mm/s) Boven Merwede Nieuwe Merwede Hollandsch Diep Hellegats Plein Afvoer 3 valsnelheidsverdeling (%) valsnelheid (mm/s) Boven Merwede Nieuwe Merwede Hollandsch Diep Hellegats Plein Figuur 2-11 Valsnelheidsverdelingen voor de drie afvoermomenten. De verdeling voor de locatie Nieuwe Merwede op afvoermoment 3 is niet betrouwbaar. De proef is waarschijnlijk te vroeg afgebroken. WL Delft Hydraulics 2 12

21 Uit deze figuren valt het volgende waar te nemen: Het zwevende stof op de locatie Hellegatsplein heeft in alle drie de afvoersituaties de laagste valsnelheidsverdeling. Dit betekent dat op de locatie Hellegatsplein relatief veel fijn zwevende stof in oplossing is. Het grote aandeel fijn zwevende stof is conform de verwachtingen en wordt bevestigd door de korrelgrootteverdelingen op de locatie Hellegatsplein. De overige locaties bevatten duidelijk veel meer grover materiaal. De valsnelheidsverdelingen voor de locaties Boven Merwede, Nieuwe Merwede en het Hollandsch Diep zijn op ieder afvoerniveau onderling vergelijkbaar. Met andere woorden, de ruimtelijke spreiding tussen de verschillende punten is gering. Een mogelijke verklaring is dat alle meetpunten in de hoofdgeul liggen, waar de stroomsnelheid relatief hoog is. Het zwevende stof krijgt daar nauwelijks de tijd om te bezinken. De fractieverdeling van het zwevende stof verandert pas in het Hollandsch Diep, waar de valsnelheidsverdeling een duidelijke aanwijzing geeft voor de aanwezigheid van meer fijn, licht materiaal. De valsnelheidsverdeling bij afvoer 3 in de Nieuwe Merwede ziet er onbetrouwbaar uit. Dit komt waarschijnlijk doordat de proef binnen 24 uur is afgebroken Bepaling korrelgrootte uit de valsnelheidsverdeling Om de valsnelheidsverdeling te kunnen vergelijken met de korrelgrootteverdeling is het noodzakelijk om valsnelheden te relateren aan een bepaalde korrelgrootte. Valsnelheden volgens Stokes Uit de Navier-Stokes vergelijkingen kunnen de theoretische valsnelheden voor deeltjes afgeleid worden. Voor deeltjes met een diameter kleiner dan 1 µm geldt de volgende formule: 2 ΔgD ws = 18υ Waarin: w s : Valsnelheid (m/s) Δ : (ρ s -ρ)/ρ ρ s : Soortelijk gewicht van sediment (kg/m 3 ) ρ : Dichtheid van water (kg/m 3 ) g : Zwaartekrachtsversnelling (m/s 2 ) D : Korreldiameter (m) υ : Kinematische viscositeit (m 2 /s) Voor de diverse korrelgrootten kan vervolgens een valsnelheid bepaald worden. In de onderstaande tabel is weergegeven hoe groot deze valsnelheid is voor de fracties zoals deze voor de korrelgrootteverdeling is bepaald. WL Delft Hydraulics 2 13

22 Tabel 2-2 Valsnelheid van de deeltjes volgens Navier Stokes (vereenvoudiging volgens van Rijn) Deeltjesgrootte (µm) Valsnelheid (mm/s) Valsnelheid (m/dag) De valsnelheid volgens Navier Stokes is gebaseerd op valsnelheden van zandig materiaal met een min of meer ronde vorm. De Navier Stokes relatie is minder betrouwbaar voor slibachtige deeltjes. Door de vorm van deze deeltjes (plaatjes) hebben deze de neiging om meer te gaan dwarrelen. In Tabel 2-3 zijn voor alle vier de locaties de valsnelheden weergegeven voor verschillende korrelgrootten. Per locatie is vervolgens de cumulatieve verdeling weergegeven. In de tabel is gebruik gemaakt van de gemiddelde waarde van de drie afvoermetingen. Tabel 2-3 Cumulatieve korrelgrootteverdeling, afgeleid uit de valsnelheidsverdeling. Via Stokes is de valsnelheidsverdeling omgerekend naar een korrelgrootte verdeling Afmeting Valsnelheid Boven Nieuwe Hollandsch 2 Hellegats- (μm) (mm/s) Merwede (%) Merwede (%) Diep (%) plein (%) > De drie bovenstroomse locaties Boven Merwede, Nieuwe Merwede en het Hollandsch Diep hebben volgens de theoretische relatie van tussen deeltjesgrootte en valsnleheid min of meer dezelfde fractieverdeling. 5 % van het materiaal is kleiner dan 1 µm en slechts een klein aandeel van het materiaal bestaat uit fijn zand (fractie > 63 µm). Op de locatie Hellegatsplein is duidelijk een andere samenstelling van het zwevende stof terug te vinden. Dit was al te zien in de korrelgrootteverdelingen op basis van de Sedigraaf proef. In paragraaf worden de korrelgrootteverdelingen op basis van de valsnelheidsproeven en de Sedigraaf vergeleken. 2 Het meetpunt Hollandsch Diep ligt net benedenstrooms van de aansluiting met de Nieuwe Merwede. WL Delft Hydraulics 2 14

23 2.6 Vergelijking en samenvatting meetresultaten Na de analyse van de meetgegevens en de resultaten van de valsnelheidsproeven kunnen conclusies getrokken worden ten aanzien van de karakteristieken van het zwevende stof. Allereerst worden de korrelgrootteverdelingen en de valsnelheidsproeven met elkaar vergeleken. Daarna komt de relatie tussen korrelgrootte en valsnelheid aan bod Vergelijking korrelgrootte en valsnelheidsproeven De korrelgrootteverdelingen op basis van de Sedigraaf proeven kunnen vergeleken worden met de berekende korrelgrootteverdelingen uit de valsnelheidsproeven. Deze vergelijking geeft inzicht in de nauwkeurigheid van beide methoden. In Figuur 2-12 zijn beide korrelgrootteverdelingen naast elkaar gezet op een logschaal. De fractie(s) groter dan 63 µm zijn in de grafiek niet weergegeven. verdeling (%) verdeling (%) Lokatie: Boven Merwede Korrelgrootte Valsnelheid korrelgrootte (µm) Lokatie: Hollandsch Diep Korrelgrootte Valsnelheid korrelgrootte (µm) verdeling (%) verdeling (%) Lokatie: Nieuwe Merwede Korrelgrootte Valsnelheid korrelgrootte (µm) Korrelgrootte Valsnelheid Lokatie: HellegatsPlein korrelgrootte (µm) Figuur 2-12 Vergelijking korrelgrootteverdeling via korrelgroottebepaling en de berekende valsnelheidsverdeling. Uit Figuur 2-12 blijkt duidelijk dat beide korrelverdelingen duidelijk afwijken voor zowel de slib fracties als de fijn zand fractie. (Fijn) Slib De korrelgrootteverdeling op basis van de valsnelheidsproeven geeft een duidelijk steiler verloop dan de verdeling volgens de Sedigraaf proef. Het resultaat op basis van de valsnelheidsproeven duidt op een continue verdeling van het materiaal over de verschillende fracties. De korrelgrootteverdeling volgens de Sedigraaf is echter een stuk vlakker en begint met een groot aandeel fijn slib (< 2μm). WL Delft Hydraulics 2 15

24 De verklaring voor de vlakke korrelgrootteverdeling op basis van de Sedigraafproeven ligt aan de deflocculatie van het materiaal. Daarmee zijn alle fijne kleideeltjes losgeslagen, waardoor enkel nog zeer fijn (< 2 μm) materiaal terug te vinden is. De tussenliggende fracties van 16 µm tot 5 µm zijn grotendeels verdwenen. Fijn zandfractie Naast verschillen in de fijn-slib zijn ook duidelijke verschillen waar te nemen in de fijne zandfractie. De korrelgrootteverdeling volgens de Sedigraafproeven registreren een veel groter aandeel fijn zand dan de korrelgrootteverdeling op basis van de valsnelheidsproeven. De afwijking tussen beide methoden voor de korrelgroottebepaling bij de fijne zandfractie is moeilijker te verklaren. Deflocculatie heeft geen invloed op de fijne zandfractie. Als de monsters hetzelfde zijn, dan moet de zandfractie in beide methoden terug te vinden zijn. In de resultaten van de valsnelheidsproef is nauwelijks fijn zand terug te vinden, terwijl de korrelgroottebepaling wel een significant aandeel vindt. Een nadere analyse (wrijven over het materiaal met behulp van een vinger) van het monster geeft ook geen aanwijzingen van fijn zand. Kortom, beide proeven geven een afwijkend beeld op drie punten: 1. De fijnste fractie is in de korrelgrootteverdeling van de Sedigraafproef veel dominanter aanwezig dan bij de valsnelheidsproef. Dit komt door deflocculatie van het monster, waardoor samengekitte slibdeeltjes losgeslagen worden tot fijnere deeltjes. 2. De tussenliggende fracties in de Sedigraaf proef ontbreekt. Dit komt wederom door deflocculatie van het monster. 3. De grove fracties in de korrelgrootteverdeling volgens de valsnelheidsproef ontbreken, terwijl in de Sedigraafproef een duidelijke zandfractie aanwezig is. Visuele controle van de monsters die voor de valsnelheidsbepaling zijn gebruikt, geven echter geen aanwijzingen voor de aanwezigheid van zand. Relatie tot de praktijk Voor het uitvoeren van de Sedigraafproeven en de valsnelheidsbepalingen is materiaal verzameld. Dit materiaal is behandeld en opgeslagen alvorens de proeven zijn uitgevoerd. Een relevante vraag is of het materiaal waarmee de proeven uitgevoerd zijn vergelijkbaar is met het materiaal ter plaatse. In de praktijk is een continue verdeling van de korrelgrootte te verwachten. Fijne deeltjes kunnen in de praktijk natuurlijk samenkitten en grotere vlokken vormen. Door de deflocculatie van het materiaal voor de proef met de Sedigraaf is deze karakteristiek verloren gegaan. Deze karakteristiek is ten dele terug te vinden in de valsnelheidsproef door een andere behandeling van het materiaal. Om een realistische karakterisering van het materiaal ter plaatse te krijgen is het noodzakelijk om in-situ proeven te nemen. Met in-situ metingen zijn al diverse ervaringen opgedaan. Van Wijngaarden (1997) heeft in 1995 zwevende stof concentraties gemeten in de Rijn-Maasmonding. Daarbij is gebruik gemaakt van een onderwatercamera om de valsnelheid van slibdeeltjes te bepalen. WL Delft Hydraulics 2 16

25 Daarnaast heeft Kamminga (21) gebruik gemaakt van LISST (Laser In Situ Scattering and Transmissiometry) systemen om in het Haringvliet en in het Hollandsch Diep in-situ metingen uit te voeren. De LISST systemen kunnen korrelgrootteverdelingen en valsnelheden bepalen. Voor een beschrijving van de LISST systemen wordt verwezen naar ten Brinke en Roberti (21) Vertaling naar modelinstellingen De opzet van het onderzoek was in eerste instantie rechtlijnig. Op basis van de korrelgrootteverdeling van de Sedigraaf zou de verdeling van de modelfracties worden bepaald. De randvoorwaarden uit het model volgen uit de verdeling van de drie modelfracties vermenigvuldigd met de totale zwevende stof concentratie. Uit de valsnelheidsverdelingen zou de valsnelheid van de deeltjes worden bepaald. Uit de vergelijking van de korrelgrootteverdelingen op basis van de Sedigraaf en de valsnelheidsproeven blijkt dat deze onderling niet vergelijkbaar zijn. Daarmee is bovenstaande aanpak niet geldig meer. Welke methode beter is, is op dit moment moeilijk te zeggen. Om toch een uitspraak te doen en inzicht te krijgen in de karakteristieken van het zwevende stof worden beide fractieverdelingen in het zwevende stof model gebruikt. Op deze manier wordt een indicatie verkregen van de gevoeligheid van het model voor de fractieverdelingen. WL Delft Hydraulics 2 17

26 3 Zwevende stof modellering In dit hoofdstuk wordt de opzet van het zwevende stof behandeld. Eerst worden de diverse modelinstellingen en de koppeling met het 2D waterbewegingsmodel (WAQUA) beschreven. Vervolgens wordt kort het 2D zwevende stof model (DELWAQ) behandeld, waarna het kalibratietraject beschreven wordt. 3.1 Modelopzet Beschouwde afvoersituatie Figuur 3-1 geeft de afvoer situatie weer voor de simulatie periode (25 maart 26 tot en met 11 april 26). Als referentie is ook de afvoer bij Lobith meegenomen. 6 Afvoeren Rijn, Waal en Maas 5 Debiet (m3/s) mrt 27-mrt 29-mrt 31-mrt 2-apr 4-apr 6-apr 8-apr 1-apr Rijn - Lobith Waal - Tiel Maas - Megen dorp Figuur 3-1 Afvoer van de Rijn, de Waal en de Maas gedurende de simulatieperiode De simulatie begint met een jaargemiddeld debiet bij Lobith van ongeveer 2 m 3 /s. De piek van de afvoer golf is ongeveer 3 keer de jaargemiddelde afvoer van de Rijn bij Lobith. De beschouwde afvoergolf is daarmee niet extreem te noemen. WL Delft Hydraulics 3 1

27 3.1.2 Koppeling WAQUA - DELWAQ De hydrodynamische berekening is uitgevoerd door RIZA met behulp van WAQUA. De resultaten uit de berekening in de vorm van SDS bestanden kunnen door middel van de Delft3D User Interface gekoppeld worden aan DELWAQ. Aangezien de bestandsgrootte van de SDS bestanden uit WAQUA beperkend kan zijn, is de berekening opgeknipt in twee delen. Deze delen worden vervolgens in DELWAQ weer aan elkaar gekoppeld. Deze methode van koppelen lijkt omslachtig, maar wordt volledig via de standaard Delft3D versie ondersteund. 3.2 Het zwevende stof model Zwevende stof in DELWAQ Het zwevende stof model beschrijft de processen die van invloed zijn op het zwevende stof in de waterfase. De belangrijkste processen zijn sedimentatie van materiaal naar de bodem en resuspensie van materiaal van de bodem. Binnen het zwevende stof model worden drie fracties zwevende stof onderscheiden. Deze fracties hebben ieder hun eigen valsnelheden. Door de zwaardere deeltjes een hogere valsnelheid mee te geven dan lichtere deeltjes kunnen verschillende fracties worden onderscheiden. Of de deeltjes in oplossing blijven of juist sedimenteren is afhankelijk van de schuifspanning van het water aan de bodem. Net als voor de valsnelheden kan voor iedere fractie een kritische schuifspanning voor sedimentatie worden opgegeven. Voor de zwaardere, grotere deeltjes ligt deze waarde hoger dan voor de lichtere deeltjes. De bodemschuifspanning is een functie van de stroomsnelheid en de Chézy coëfficiënt, die rechtstreeks uit de WAQUA berekening komen. Naast sedimentatie speelt resuspensie een rol in de zwevende stof concentratie. De resuspensie is net als sedimentatie te relateren aan de schuifspanning. Tot een bepaalde kritische drempelwaarde blijft de bodem onberoerd. Boven deze waarde zal de bodem opgewoeld worden en materiaal in de waterfase terecht komen. De uitgebreide procesformuleringen zijn opgenomen in bijlage C van het rapport Fractieverdelingen De resultaten van de valsnelheidsproef en de korrelgrootteverdeling volgens de Sedigraaf leveren een verschillend beeld op van de korrelgrootteverdeling. Aangezien beide korrelgrootteverdelingen geen consistent beeld geven, worden twee simulaties uitgevoerd met beide korrelgrootteverdelingen. WL Delft Hydraulics 3 2

28 Korrelgrootteverdeling volgens de valsnelheidsverdeling Uit de valsnelheidsverdelingen valt een veel geleidelijk verloop in de korrelgrootteverdelingen op te maken. Dit duidt op een meer continue verdeling van de korrelgrootteverdeling. In Tabel 3-1 staan de gekozen fractieverdeling en de grenzen. Tabel 3-1 Fractieverdeling zwevende stof volgens de korrelgrootteverdeling volgens de valsnelheidsproef Fractie Omschrijving Korrelgrootte Waal en Maas IM1 fijn slib < 1 µm 5 % IM2 slib 1 µm tot 2 µm 25 % IM3 slib tot fijn zand > 2 µm 25 % Korrelgrootteverdeling volgens de Sedigraaf Uit de korrelgrootteverdelingen blijken duidelijk 2 dominante fracties naar voren te komen. Dit zijn de fractie kleiner dan 2 µm en de fractie groter dan 63 µm. In Tabel 3-2 zijn voor de bovenstroomse randen de gekozen verdelingen weergegeven. De grenzen van de fractieverdeling zijn gelijk gesteld aan de valsnelheidsproef. Dit betekent dat de grofste fractie in het model naast het fijne zand ook een aandeel slib bevat. Het aandeel slib (3%) is echter zeer beperkt vergeleken met het aandeel fijn zand (33%). Tabel 3-2 Fractieverdeling zwevende stof volgens de korrelgrootteverdeling uit de Sedigraaf Fractie Omschrijving Korrelgrootte Waal en Maas IM1 fijn slib < 1 µm 59 % IM2 slib 1 µm tot 2 µm 5 % IM3 slib tot fijn zand > 2 µm 36 % Procesconstanten De belangrijkste procesconstanten in het model zijn de kritische schuifspanningsdrempels voor sedimentatie en resuspensie en de valsnelheden. Daarnaast worden een aantal andere constanten gebruikt voor de bepaling van de dikte van de bodemlaag. Dit zijn de porositeit en de dichtheid van het materiaal. In eerste instantie worden de procesconstanten uit de eerdere zwevende stof studie gebruikt (WL, 25a). Deze zijn weergegeven in Tabel 3-3. WL Delft Hydraulics 3 3

29 Tabel 3-3 Procesconstanten parameter omschrijving eenheid waarde VSedIM1 valsnelheid IM1 m/dag,25 VsedIM2 valsnelheid IM2 m/dag 1 VsedIM3 valsnelheid IM3 m/dag 25 TauScIM1 kritische schuifspanning voor sedimentatie N/m 2,5 IM1 TauScIM2 kritische schuifspanning voor sedimentatie N/m 2,3 IM2 TauScIM3 kritische schuifspanning voor sedimentatie N/m 2,1 IM3 VResDM eerste orde resuspensiesnelheid 1/dag 5 TauRS1DM kritische schuifspanning voor resuspensie N/m 2,5 laag 1 TauShip bodemschuifspanning door N/m 2 scheepsbewegingen RHOIM1 dichtheid IM1 g/m 3 26 RHOIM2 dichtheid IM2 g/m 3 26 RHOIM3 dichtheid IM3 g/m 3 26 PORS1 porositeit sedimentlaag 1 -, Initiële condities Voor zowel de waterfase als de bodem dienen initiële condities te worden opgelegd. Vooral de bodem is bepalend voor het aanwezige materiaal en de mogelijkheid tot resuspenderen. Dit is in de simulaties dan ook een belangrijke kalibratieparameter. Voor het zwevende stof in de waterfase is in totaal 2 mg/l gebruikt. Dit is evenredig over alle drie de fracties worden toegekend. In de bodem zal is een laag van 1 mm materiaal neergelegd. Deze laag bestaat ook weer uit een evenredig aandeel voor iedere fractie Randvoorwaarden Het model heeft een aantal randen, namelijk: de Boven Merwede; de Amer; de Noord; de Oude Maas; en het Haringvliet. Voor de simulatie en het interessegebied zijn de bovenstroomse randen van de Boven Merwede en de Amer het belangrijkst. Deze twee randen zorgen voor de voornaamste aanvoer van zwevende stof naar het gebied. De overige randen zijn van minder belang, aangezien deze verder benedenstrooms liggen. WL Delft Hydraulics 3 4

30 Voor de twee bovenstroomse randen zijn de zwevende stof metingen gebruikt, gecombineerd met de korrelgrootteverdelingen. Op deze manier is onderscheid te maken in fijn en grof materiaal. Voor de Amer is geen korrelgrootteverdeling beschikbaar. Daarom is voor de Amer gebruik gemaakt van de korrelgrootte verdeling van de Boven-Merwede. Deze aanname lijkt gerechtvaardigd, aangezien: 1. Het aandeel Maaswater geringer is dan het aandeel water via de Waal. Een fractieverdeling voor het zwevende stof die niet helemaal klopt is niet cruciaal voor de rest van het systeem. 2. Er zit weinig ruimtelijke variatie in de korrelgrootteverdelingen op de vier meetlocaties. Daarmee lijkt het redelijk waarschijnlijk dat de korrelgrootteverdeling op de Maas ook ongeveer deze verdeling kent. 3.3 Kalibratie Kalibratieparameters Voor de kalibratie zullen de totaal zwevende stof concentraties uit de simulatie worden vergeleken met de metingen in het model. De belangrijkste locaties zijn die op het traject Boven Merwede Hollandsch Diep. In de presentatie zal voornamelijk gebruik gemaakt worden van de locaties waar ook de korrelverdelingen van bepaald zijn. Deze locaties zijn: Boven Merwede nabij Gorinchem; Nieuwe Merwede bij Kop van t Land; Hollandsch Diep bij de aansluiting met de Nieuwe Merwede; en Hellegatsplein, aan het westelijk eind van het Hollandsch Diep. Als belangrijkste kalibratieparameter zal in eerste instantie de fractieverdeling van de bovenstroomse rand worden gebruikt. Zoals in paragraaf reeds gesteld is zullen twee fractieverdelingen worden gebruikt. Bij het vergelijken van de modelsimulaties met de metingen zal uitgebreid ingegaan worden op de bodemschuifspanning, aangezien deze bepalend is voor de uiteindelijke sedimentatie op resuspensie van bodemmateriaal Gevoeligheidsanalyse Aangezien een groot aantal parameters niet goed bekend zijn in de literatuur zal een korte gevoeligheidsanalyse plaats vinden. Op basis van de eerste modelsimulaties wordt besloten welke parameters interessant zijn voor de gevoeligheid. WL Delft Hydraulics 3 5

31 4 Simulaties In dit hoofdstuk worden de resultaten van de modelsimulaties beschreven. Allereerst wordt ingegaan op de berekeningen met de twee fractieverdelingen. Deze resultaten worden vergeleken met de metingen van het zwevende stof. Tevens wordt kort ingegaan op de gevoeligheidsanalyse. 4.1 Vergelijking fractieverdelingen De resultaten van de simulaties met verschillende fractieverdelingen worden weergegeven in deze paragraaf. Per simulatie worden op de verschillende meetlocaties de gesimuleerde en gemeten zwevende stof concentraties weergegeven. Vervolgens worden de verschillen in fractieverdeling tussen de modelsimulaties naast elkaar gezet. Tot slot volgen de conclusies ten aanzien van de fractieverdeling Totaal zwevende stof op de meetlocaties In het model zijn een aantal meetlocaties opgenomen. Deze meetlocaties in het model komen overeen met de meetlocaties uit de meetcampage voor het zwevende stof. Voor deze locaties worden de resultaten van de simulaties en de metingen naast elkaar gezet. Over het traject Nieuwe Merwede Hellegatsplein worden de metingen vergeleken. In deze paragraaf worden alleen de vier locaties waar ook de korrelgrootteverdelingen beschikbaar zijn getoond. In bijlage D zijn alle locaties op dit traject bijgevoegd. Boven Merwede In Figuur 4-1 is voor de Boven Merwede de totale zwevende stof concentratie weergegeven voor de twee model simulaties. Tevens is de bodemschuifspanning weergegeven met de kritische drempels voor resuspensie en sedimentatie. Hier is duidelijk te zien dat op dit traject de verschillen in de fractieverdeling geen significante invloed heeft op de totale zwevende stof concentratie in de waterkolom. De verklaring is dat de bodemschuifspanning voor alle drie de fracties boven de kritische drempel voor sedimentatie liggen. Daardoor zal geen zwevende stof sedimenteren. De schuifspanning is zelfs zo hoog dat de drempel voor resuspensie overschreden zal worden. Zelfs aan het begin van de simulatie zijn onder invloed van getij-effecten korte perioden waar te nemen waarin resuspensie een rol speelt. Het getij-effect is ook terug te zien in de geringe toename en afname van het zwevende stof in de eerste drie dagen van de simulatie. Later, als de afvoer van de Waal verder toeneemt, is de bodemschuifspanning altijd hoger dan de kritische drempel voor resuspensie. WL Delft Hydraulics 4 1

32 Door de hoge bodemschuifspanning zal er geen materiaal bezinken en slechts materiaal van de bodem resuspenderen. Sedimentatie is niet aan de orde op deze locatie. Aangezien beide simulaties dezelfde initiële bodemcondities hebben is het directe gevolg dat de modelresultaten vergelijkbaar zijn. 7 Lokatie: Boven Merwede (midden nabij Gorinchem) zwevendstof concentratie (mg/l) mrt 28-mrt 3-mrt 1-apr 3-apr 5-apr 7-apr 9-apr Valsnelheid Sedigraaf Meting Lokatie: Boven Merwede (midden nabij Gorinchem) 3, bodemschuifspanning (N/m2) 2,5 2, 1,5 1,,5, 26-mrt 28-mrt 3-mrt 1-apr 3-apr 5-apr 7-apr 9-apr Tau TauCrSedIM1 TauCrSedIM2 TauCrSedIM3 TauCrRes Figuur 4-1 Zwevende stof concentratie in de Boven Merwede. Vergelijking tussen de fractieverdeling volgens de Valsnelheidsproef en de Sedigraaf proef (boven). De onderste figuur geeft de bodemschuifspanning en de kritische drempels voor sedimentatie en resuspensie weer Naast de geringe verschillen tussen de twee modelsimulaties valt op dat het model sterk randgedomineerd is. De gebruikte randvoorwaarde van het model is afkomstig van metingen van deze locatie. Doordat de meetlocatie zo dicht bij de rand ligt heeft resuspensie nauwelijks invloed op de zwevende stof concentratie in het water. WL Delft Hydraulics 4 2

33 Nieuwe Merwede Beide simulaties vertonen veel overeenkomsten. Dit kan verklaard worden door de hoge bodemschuifspanning, waardoor alleen resuspensie op zal treden. Daarnaast is exact dezelfde bodeminitialisatie gebruikt, waardoor de verschillen tussen de resultaten van beide simulaties verwaarloosbaar zijn. Figuur 4-2 geeft voor de Nieuwe Merwede het verloop van de zwevende stof concentratie en de bodemschuifspanning weer. 7 Lokatie: Nieuwe Merwede (midden nabij Kop vh Land) zwevendstof concentratie (mg/l) mrt 28-mrt 3-mrt 1-apr 3-apr 5-apr 7-apr Valsnelheid Sedigraaf Meting 9-apr Lokatie: Nieuwe Merwede (midden nabij Kop vh Land) 3, bodemschuifspanning (N/m2) 2,5 2, 1,5 1,,5, 26-mrt 28-mrt 3-mrt 1-apr 3-apr 5-apr 7-apr 9-apr Tau TauCrSedIM1 TauCrSedIM2 TauCrSedIM3 TauCrRes Figuur 4-2 Zwevende stof concentratie in de Nieuwe Merwede. Vergelijking tussen de fractieverdeling volgens de Valsnelheidsproef en de Sedigraaf proef (boven). De onderste figuur geeft de bodemschuifspanning plus de kritische drempels voor sedimentatie en resuspensie weer In het begin van de simulatie is een nogal grillig verloop van de zwevende stof concentratie te zien. Dit komt door het feit dat in de eerste dagen van de simulatie nog een geringe hoeveelheid bodemmateriaal beschikbaar is die resuspendeert. WL Delft Hydraulics 4 3

34 Vanaf ongeveer 1 april is de initiële hoeveelheid bodemmateriaal volledig geresuspendeerd, waarna het modelresultaat volledig door de opgelegde randvoorwaarden wordt bepaald. De gesimuleerde zwevende stof concentraties komen voor beide simulaties op deze locatie goed overeen met de metingen. Hollandsch Diep Figuur 4-3 geeft voor de meetlocatie in het Hollandsch Diep de resultaten weer. Ook hier valt meteen op dat de beide modelsimulaties met verschillende fractieverdelingen nauwelijks verschillen opleveren in de resultaten. De simulaties geven een redelijk beeld van het verloop van de zwevende stof concentraties. Echter op de top van de afvoergolf onderschat het model de zwevende stof concentratie. 7 Lokatie: Hollandsch Diep (aansluiting Nieuwe Merwede) zwevendstof concentratie (mg/l) mrt 28-mrt 3-mrt 1-apr 3-apr 5-apr 7-apr Valsnelheid Sedigraaf Meting 9-apr Lokatie: Hollandsch Diep (aansluiting Nieuwe Merwede) 1, bodemschuifspanning (N/m2),8,6,4,2, 26-mrt 28-mrt 3-mrt 1-apr 3-apr 5-apr 7-apr 9-apr Tau TauCrSedIM1 TauCrSedIM2 TauCrSedIM3 TauCrRes Figuur 4-3 Zwevende stof concentratie in de het Hollandsch Diep. Vergelijking tussen de fractieverdeling volgens de Valsnelheidsproef en de Sedigraafproef (boven). De onderste figuur geeft de bodemschuifspanning en de kritische drempels voor sedimentatie en resuspensie weer. [Let op, de schaal voor de grafiek voor de bodemschuifspanning is aangepast.] WL Delft Hydraulics 4 4

35 Als meer in detail naar de bodemschuifspanningen gekeken wordt vallen een aantal zaken op. Ten eerste is een getij effect waar te nemen. Doordat de stroomsnelheden bij vloed afnemen, neemt ook de bodemschuifspanning sterk af. Het zwevende stof krijgt hierdoor kans om te sedimenteren. De kritische schuifspanningsdrempels voor sedimentatie worden voor de grovere fracties onderschreden, waardoor langzaam grof materiaal sedimenteert. De kritische schuifspanningsdrempel voor resuspensie wordt alleen overschreden tijdens de piek van de afvoer golf. Resuspensie zal dus nauwelijks een rol spelen op deze meetlocatie. Het verloop van de zwevende stof concentratie in het Hollandsch Diep is redelijk grillig. Dit kan verklaard worden door de invloed van het getij. Door de afwisseling van perioden met resuspensie (eb) of zonder resuspensie (vloed) schommelt de zwevende stof concentratie. Daarnaast treedt voordurend sedimentatie van de zwaarste fractie op. Aangezien deze fractie ook nog eens de grootste valsnelheid heeft is deze fractie snel uit de waterfase verdwenen. Hellegatsplein Op de locatie Hellegatsplein zijn (zeer) kleine verschillen tussen de twee simulaties te zien (zie Figuur 4-4). De zwevende stof concentratie is laag vergeleken met de bovenstroomse randconcentratie. De simulatie volgt de metingen redelijk, al overschat het model de zwevende stof concentratie in de staart van de afvoergolf op 6 april. De oorzaak van de lage gemeten concentraties ligt in de sterke sedimentatie van het zwevende stof in het Hollandsch Diep. Als naar de bodemschuifspanning gekeken wordt, dan blijkt de bodemschuifspanning in de ordegrootte van de kritische drempels voor sedimentatie te liggen. Zeker voor de grovere fracties IM2 en IM3 is dit het geval. Daardoor zal een groot deel van dit materiaal bezinken. Resuspensie zal niet optreden aangezien de bodemschuifspanning ruim beneden de kritische drempelwaarde ligt. WL Delft Hydraulics 4 5

36 7 Lokatie: Hollandsch Diep (bij Hellegatsplein) zwevendstof concentratie (mg/l) mrt 28-mrt 3-mrt 1-apr 3-apr 5-apr 7-apr Valsnelheid Sedigraaf Meting 9-apr Lokatie: Hollandsch Diep (bij Hellegatsplein) 1, bodemschuifspanning (N/m2),8,6,4,2, 26-mrt 28-mrt 3-mrt 1-apr 3-apr 5-apr 7-apr 9-apr Tau TauCrSedIM1 TauCrSedIM2 TauCrSedIM3 TauCrRes Figuur 4-4 Zwevende stof concentratie bij het Hellegatsplein. Vergelijking tussen de fractieverdeling volgens de Valsnelheidsproef en de Sedigraafproef (boven). De onderste figuur geeft de bodemschuifspanning en de kritische drempels voor sedimentatie en resuspensie weer. [Let op, de schaal voor de grafiek voor de bodemschuifspanning is aangepast.] Fractieverdeling van het zwevende stof Beide simulaties vertonen zeer kleine verschillen in de berekende totaal zwevende stof concentratie. De samenstelling van het zwevende stof is echter wel anders. In Figuur 4-5 zijn voor beide modelsimulaties de fractieverdelingen van het zwevende stof uitgezet voor de Boven Merwede. Deze locatie is duidelijk randgedomineerd, zeker gezien de geringe variatie van de fracties in de tijd. WL Delft Hydraulics 4 6

37 Boven Merwede, Valsnelheid Boven Merwede, Sedigraaf 1% 1% 9% 9% 8% 8% zwevend stof fractie 7% 6% 5% 4% 3% 2% zwevend stof fractie 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 1% % 26-mrt 28-mrt 3-mrt 1-apr 3-apr 5-apr 7-apr % 26-mrt 28-mrt 3-mrt 1-apr 3-apr 5-apr 7-apr %IM1 %IM2 %IM3 %IM1 %IM2 %IM3 Figuur 4-5 Fractieverdeling van het gesimuleerde zwevende stof in de Boven Merwede. Links de verdeling op basis van de valsnelheidsproef, rechts de verdeling op basis van de Sedigraafproef Op de Nieuwe Merwede (Figuur 4-6) is al meer variatie waar te nemen in de fracties in de tijd, al zijn deze minimaal. Hieruit valt af te leiden dat op de locatie Nieuwe Merwede, nadat het bodemmateriaal geresuspendeerd is, uiteindelijk dezelfde fractieverdeling als de bovenstroomse rand aanneemt. Dit geldt zoals verwacht voor zowel de simulatie op basis van de valsnelheidsproeven als de simulatie van de Sedigraafproeven. Nieuwe Merwede, Valsnelheid Nieuwe Merwede, Sedigraaf 1% 1% 9% 9% 8% 8% zwevend stof fractie 7% 6% 5% 4% 3% zwevend stof fractie 7% 6% 5% 4% 3% 2% 2% 1% 1% % 26-mrt 28-mrt 3-mrt 1-apr 3-apr 5-apr 7-apr % 26-mrt 28-mrt 3-mrt 1-apr 3-apr 5-apr 7-apr %IM1 %IM2 %IM3 %IM1 %IM2 %IM3 Figuur 4-6 Fractieverdeling van het gesimuleerde zwevende stof in de Nieuwe Merwede. Links de verdeling op basis van de valsnelheidsproef, rechts de verdeling op basis van de Sedigraafproef Vanaf het Hollandsch Diep (Figuur 4-7) zijn verschillen in de samenstelling van het zwevende stof waar te nemen. In beide simulaties is duidelijk te zien dat de grove fractie IM3 langzaam verdwijnt door sedimentatie. De relatieve aandelen van de fijnere fracties IM1 en IM2 nemen daardoor iets toe. WL Delft Hydraulics 4 7

38 Hollandsch Diep, Valsnelheid Hollandsch Diep, Sedigraaf 1% 1% 9% 9% 8% 8% zwevend stof fractie 7% 6% 5% 4% 3% 2% zwevend stof fractie 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 1% % 26-mrt 28-mrt 3-mrt 1-apr 3-apr 5-apr 7-apr % 26-mrt 28-mrt 3-mrt 1-apr 3-apr 5-apr 7-apr %IM1 %IM2 %IM3 %IM1 %IM2 %IM3 Figuur 4-7 Fractieverdeling van het gesimuleerde zwevende stof in de Boven Merwede. Links de verdeling op basis van de valsnelheidsproef, rechts de verdeling op basis van de Sedigraafproef De sedimentatie van de grove fractie zet verder door in het Hollandsch Diep. Op het meetpunt nabij het Hellegatsplein (Figuur 4-8) is duidelijk te zien dat de fractie IM3 in het begin van de simulatie compleet verdwijnt. Op de piek van de afvoergolf neemt het aandeel van het grovere materiaal iets toe. Ook de iets lichtere fractie IM2 neemt in het begin van de simulatie af door sedimentatie in het Hollandsch Diep. Slechts de zeer fijne fractie IM1 blijft over in op deze locatie. Hellegtsplein, Valsnelheid Hellegatsplein, Sedigraaf 1% 1% 9% 9% 8% 8% zwevend stof fractie 7% 6% 5% 4% 3% 2% zwevend stof fractie 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 1% % 26-mrt 28-mrt 3-mrt 1-apr 3-apr 5-apr 7-apr % 26-mrt 28-mrt 3-mrt 1-apr 3-apr 5-apr 7-apr %IM1 %IM2 %IM3 %IM1 %IM2 %IM3 Figuur 4-8 Fractieverdeling van het gesimuleerde zwevende stof in de Boven Merwede. Links de verdeling op basis van de valsnelheidsproef, rechts de verdeling op basis van de Sedigraafproef Conclusies Naar aanleiding van de vergelijking van beide simulaties met verschillende fractieverdelingen kunnen een aantal conclusies getrokken worden: De totale gesimuleerde zwevende stof concentratie is op het traject Nieuwe Merwede Hellegatsplein nauwelijks gevoelig voor de verschillende fractieverdelingen. De belangrijkste oorzaak is dat tijdens de afvoergolf voornamelijk de grove fractie IM3 sedimenteert in Hollandsch Diep. De verschillen tussen de fractieverdelingen op basis van de Sedigraafproef en de valsnelheidsproef zijn gering voor deze grofste fractie (25% in de verdeling volgens de valsnelheidsproef tegen 33 % in de verdeling volgens de Sedigraaf). WL Delft Hydraulics 4 8

39 Voordat de stroomsnelheid vertraagt in Biesbosch en het Hollandsch Diep zijn de bodemschuifspanningen hoog in de Nieuwe Merwede en de Boven Merwede. Op deze locaties vindt resuspensie van bodemmateriaal plaats. Aangezien de samenstelling van de bodem en de laagdikte niet voldoende bekend zijn, is dit een onzekere post in de modellering. Gezien de bodemschuifspanningen lijkt het echter waarschijnlijk dat in de Boven Merwede en in de Nieuwe Merwede nauwelijks fijn zand en slib op de bodem van de hoofdgeul ligt. In de Biesbosch en in het Hollandsch Diep lijkt de kans hierop groter. Beide fractieverdelingen geven een goed beeld van de gemeten zwevende stof concentraties. Het model is gevoelig voor de bovenstroomse randconcentraties. Aangezien slechts drie metingen in de tijd genomen zijn, is een gedegen uitspraak over de kwaliteit van het model niet mogelijk. Het systeem lijkt voor de fijnste deeltjes zeer transportgedomineerd te zijn. Slechts de grovere fracties krijgen de kans om te bezinken. 4.2 Gevoeligheidsanalyse voor bodeminitialisatie Eén van de punten die als grote onzekerheid meegenomen kan worden is de initiële bodemlaag in het model. Om deze gevoeligheid te illustreren is een simulatie gemaakt met een initiële bodemlaag van 1 mm in plaats van 1 mm. Ook hier is de verdeling van het bodemmateriaal gelijk over de drie fracties verdeeld. Bij deze simulatie is gebruik gemaakt van de fractieverdeling volgens de valsnelheidsproef. In deze paragraaf worden op een aantal locaties de resultaten getoond. In bijlage E zijn de grafieken voor alle vier de locaties weergegeven. Het effect van een andere bodemconcentratie is voornamelijk zichtbaar in de locaties verder benedenstrooms. Figuur 4-9 geeft de totaal zwevende stof concentratie weer voor twee verschillende initialisaties van de bodem. In deze figuur is duidelijk te zien dat de totaal zwevende stof concentratie in het Hollandsch Diep toeneemt bij een dikkere bodemlaag. Op de piek van de afvoergolf zorgt de resuspensie van materiaal bovenstrooms voor een duidelijke toename. Tegen het eind van de afvoergolf op 7 april wordt het verschil tussen de twee simulaties weer kleiner. De oorzaak hiervoor is dat de bodem langzaam uitgeput raakt. Om dit te illustreren zijn in Figuur 4-1 de bodemlaagdikten weergegeven. WL Delft Hydraulics 4 9

40 7 Lokatie: Hollandsch Diep (aansluiting Nieuwe Merwede) zwevendstof concentratie (mg/l) mrt 28-mrt 3-mrt 1-apr 3-apr 5-apr 7-apr Bodem 1 mm Bodem 1 mm Meting 9-apr Figuur 4-9 Concentratie totaal zwevende stof bij twee verschillende bodeminitialisaties in het begin van het Hollandsch Diep. Bij de simulaties is gebruik gemaakt van de fractieverdeling volgens de valsnelheidsproef Bodemlaag (m) Bodemlaagdikte op verschillende locaties, initieel 1 mm Bodemlaag (m) Bodemlaagdikte op verschillende locaties, initieel 1 mm 26-mrt 28-mrt 3-mrt 1-apr 3-apr 5-apr 7-apr 9-apr 26-mrt 28-mrt 3-mrt 1-apr 3-apr 5-apr 7-apr 9-apr Boven Merwede Hollandsch Diep Nieuwe Merwede Hellegatsplein Boven Merwede Hollandsch Diep Nieuwe Merwede Hellegatsplein Figuur 4-1 Bodemlaagdikte op vier verschillende locaties bij een initiële bodemlaag van 1 mm (links) en een initiële bodemlaag van 1 mm (rechts) Bij een dunnere initiële bodemlaag is de hoeveelheid bodemmateriaal sneller uitgeput dan bij een dikkere bodemlaag. De totaal zwevende stof concentratie in de benedenstroomse locaties wordt door resuspensie in de Boven Merwede en de Nieuwe Merwede sterk verhoogd. Dit effect blijft zichtbaar totdat het bodemmateriaal volledig geresuspendeerd is. Naast de hoeveelheid bodemmateriaal speelt de samenstelling ook een grote rol. Aangenomen is dat alle fracties even dominant aanwezig zijn, zonder ruimtelijke variatie. Bij de resuspensie komen alle fracties gelijktijdig in oplossing. Daarmee komt in de Boven Merwede en in de Nieuwe Merwede veel fijn bodemmateriaal in oplossing. De fijne fracties bezinken niet tot nauwelijks in het Hollandsch Diep. WL Delft Hydraulics 4 1

41 Conclusie De resultaten van het model zijn op het beschouwde traject gevoelig voor de initiële bodemconcentratie. Een relatief dunne bodemlaag lijkt (iets) betere resultaten te geven voor de totale zwevende stof concentratie. Het lijkt ook niet waarschijnlijk dat in de geul gesedimenteerd slib gevonden wordt. De samenstelling van het bodemmateriaal is waarschijnlijk van belang. Hierover wordt in deze studie geen uitspraak gedaan, aangezien hiervoor geen gedetailleerde gegevens beschikbaar zijn. Het verdient aanbeveling om in een vervolg hier meer aandacht aan te besteden. 4.3 Overige parameters voor gevoeligheidsanalyse Naast de initiële bodemdikte en de samenstelling van het sediment kunnen andere parameters zoals de valsnelheid en de kritische schuifspanningsdrempels worden beschouwd in een gevoeligheidsanalyse. In de studie Zwevende stof modellering van de nevengeul bij Gameren en het benedenrivierengebied (WL, 25a) is hier ruim aandacht aan besteed. Uit dat onderzoek bleek dat de gevoeligheid voor deze parameters niet significant is. Tevens geven de bodemschuifspanningen op de verschillende locaties nauwelijks aanleiding om de drempels voor sedimentatie en resuspensie aan een gevoeligheidsanalyse te onderwerpen. WL Delft Hydraulics 4 11

42 5 Systeemwerking Rijn-Maasmonding In dit hoofdstuk worden de resultaten van de modelsimulaties, de proeven en de metingen vergeleken. Het resultaat is een vergroot inzicht in de systeemwerking van de Rijn- Maasmonding. 5.1 Processen De zwevende stof huishouding van de Rijn-Maasmonding kan verklaard worden door bovenstroomse aanvoer en de bodemschuifspanning. Dit is de bepalende factor in de processen voor resuspensie en sedimentatie. De bodemschuifspanning is afhankelijk van de stroomsnelheid van het water. Tijdens een afvoergolf neemt deze toe, waardoor de kans op sedimentatie van zwevende stof afneemt. Maar locaal kan de stroomsnelheid door invloed van het getij laag worden. De bodemschuifspanning neemt dan af, waardoor de kans bestaat op sedimentatie. Naast de afvoereffecten is ook een vertraging waarneembaar van de stroming op het Hollandsch Diep. De bodemschuifspanning neemt hier verder af waardoor sedimentatie wordt bevorderd. Resuspensie of transport Daar waar de bodemschuifspanning boven de kritische drempel van resuspensie ligt, bestaat de kans op resuspensie van fijn bodemmateriaal, mits dat aanwezig is. De kans is echter klein dat in gebieden met een hoge bodemschuifspanning fijn bodemmateriaal aanwezig is. In deze studie is een afvoergolf beschouwd die vanuit een gemiddelde afvoer situatie start. De bodemschuifspanning is dan al dusdanig hoog dat sedimentatie van materiaal nauwelijks optreedt. Tijdens lage afvoeren kan de situatie anders zijn, maar dat is in deze studie niet onderzocht. In Figuur 5-1 is in een kaart de bodemschuifspanning weergegeven op de top van de afvoergolf op 4 april 26. De schaal is zo gekozen dat de kleur verandert bij de kritische schuifspanningsdrempel voor resuspensie. WL Delft Hydraulics 5 1

43 x 1 5 total bottom shear stress (N/m2) 4-Apr-26 :: y coordinate x coordinate x 1 5 Figuur 5-1 Bodemschuifspanning op 4 april 26 op de top van de afvoergolf. In rood zijn de waarden boven de kritische bodemschuifspanningsdrempel voor resuspensie van.6 N/m 2 weergegeven Resuspensie treedt op in de Boven Merwede en de Nieuwe Merwede. Pas in het Hollandsch Diep zijn de schuifspanningen lager dan de kritische schuifspanningsdrempel voor resuspensie. Daar zal dus geen resuspensie van bodemmateriaal plaatsvinden. Uit de figuren voor de bodemschuifspanning voor de Boven Merwede (Figuur 4-1) en de Nieuwe Merwede (Figuur 4-2) valt ook af te leiden dat de bodemschuifspanning gedurende de gehele afvoerperiode hoog is. Daaruit kan geconcludeerd worden dat resuspensie dominant is op deze locaties. Het is dan ook niet te verwachten dat hier veel fijn slib op de bodem aanwezig is. Metingen onderschrijven deze stelling (Mosselman en Vermeer (25)). Sedimentatie Het tweede dominante proces dat het zwevende stof bepaalt is de sedimentatie. Daar waar sedimentatie optreedt zullen de totaal zwevende stof concentraties afnemen. Net als voor de resuspensie kan er een kaart gemaakt worden van de bodemschuifspanning met als grens de drempelwaarde voor sedimentatie van de grofste fractie IM3 (Figuur 5-2). WL Delft Hydraulics 5 2

44 .5.45 x 1 5 total bottom shear stress (N/m2) 4-Apr-26 :: y coordinate x coordinate x Figuur 5-2 Bodemschuifspanning op 4 april 26 op de top van de afvoergolf. In rood zijn de waarden boven de kritische bodemschuifspanningsdrempel voor sedimentatie van de grofste fractie IM3 van.3 N/m 2 weergegeven Uit deze grafiek valt meteen op dat sedimentatie bij deze kritische drempels alleen voorkomt in het Hollandsch Diep en in de Biesbosch zelf. De lichtere fracties IM2 en IM1 zullen een geringe kans hebben op sedimentatie, aangezien voor deze fracties nog lagere bodemschuifspanningen nodig zijn. Deze lagere waarden voor de bodemschuifspanningen worden verder benedenstrooms bereikt in het Hollandsch Diep. 5.2 Ruimtelijke spreiding van het zwevende stof Naast de grafieken op een aantal meetlocaties is het mogelijk om ruimtelijke beelden te maken van de verschillende zwevende stof fracties in het model. In de figuren 5-3 tot en met 5-5 zijn de concentraties van het zwevende stof weergegeven op de top van de afvoergolf. De figuren geven het resultaat weer van de simulatie met de fractieverdeling volgens de valsnelheidsproef. WL Delft Hydraulics 5 3

45 16 x 1 5 inorganic matter (IM1) (gdm/m3) 4-Apr-26 :: y coordinate x coordinate x Figuur 5-3 Concentratie fijn slib (IM1) op de top van de afvoergolf op 4 april 26 De concentratie fijn slib (IM1) neemt nauwelijks af over het traject Boven Merwede Hellegatsplein (zie Figuur 5-3). Het fijne materiaal bezinkt nauwelijks en stroomt aan de benedenstroomse rand het model weer uit. 16 x 1 5 inorganic matter (IM2) (gdm/m3) 4-Apr-26 :: y coordinate x coordinate x Figuur 5-4 Concentratie slib (IM2) op de top van de afvoergolf op 4 april 26 WL Delft Hydraulics 5 4

46 De concentratie van het slib (IM2) neemt licht af van bovenstrooms naar benedenstrooms. Wederom is de afname van de bodemschuifspanning hier de aanleiding voor. Bij vloed stagneren de stroomsnelheden en daalt de bodemschuifspanning sterk. Hierdoor ontstaat de mogelijkheid tot sedimentatie van het slib in het Hollandsch Diep en de Biesbosch. 16 x 1 5 inorganic matter (IM3) (gdm/m3) 4-Apr-26 :: y coordinate x coordinate x Figuur 5-5 Concentratie fijn zand (IM3) op de top van de afvoergolf op 4 april 26 Het fijne zand (IM3) ten slotte neemt in concentratie sterk af van bovenstrooms naar benedenstrooms. Op de locatie Hellegatsplein is nog een klein aandeel van dit materiaal terug te vinden in het water. Sedimentatie van de fijne zandfractie speelt op dit traject altijd een rol, ongeacht getij of afvoer. 5.3 Bodemopbouw Als naar de dikte van de bodem wordt gekeken aan het eind van de simulatie dan vallen een aantal zaken op (zie Figuur 5-6). In het Hollandsch Diep is een lichte aanwas van sediment waar te nemen. Dit komt overeen met waarnemingen. Daarnaast is duidelijk te zien dat de hoofdgeul sterk erodeert. Aan het eind van de simulatie is geen fijn bodemmateriaal meer terug te vinden. WL Delft Hydraulics 5 5

47 x 1-3 x 1 5 actual thickness layer S1 (m) 1-Apr-26 :: y coordinate x coordinate x 1 5 Figuur 5-6 Dikte van de bodemlaag aan het einde van de simulatieperiode van 14 dagen Tot slot valt op dat direct naast de hoofdgeul op de Boven Merwede en de Nieuwe Merwede zwevende stof afgezet wordt. Dit materiaal kan afkomstig zijn van de bovenstroomse randen, maar ook uit de geul zelf. Ook langs de Amer en de Noord wordt materiaal naast de geul afgezet. 5.4 Conclusie De werking van de zwevende stof huishouding wordt gekarakteriseerd door een aantal factoren. In Figuur 5-7 is de systeemwerking schematisch samengevat in één figuur. WL Delft Hydraulics 5 6

48 1 y coordinate x 1 5 Getij Afvoer fijn slib total bottom shear stress (N/m2) 4-Apr-26 :: Transport Aanvoer fracties, o.a. fijn zand Aanvoer fracties, o.a. fijn zand Transport / Resuspensie Getij Uitsorteren materiaal (fijn zand) x coordinate x 1 5 Sedimentatie Figuur 5-7 Systeemwerking Rijn-Maasmonding. Als grens voor de sedimentatie is de drempelwaarde voor de grofste fractie gekozen In de bovenstaande figuur is in groen aangegeven waar sedimentatie kan optreden. In de rode gebieden kan resuspensie van bodemmateriaal optreden, mits dat materiaal eerder afgezet is. De gele gebieden zijn de overgangsgebieden waar het zwevende stof in oplossing blijft en wordt getransporteerd naar benedenstroomse gebieden. Figuur 5-7 geeft een indicatie waar deze gebieden in de Rijn-Maasmonding liggen. In de praktijk schuiven de grenzen van het sedimentatiegebied in de tijd door de invloed van het getij. Bij hoog water zal het sedimentatiegebied verder bovenstrooms liggen. Vanaf de bovenstroomse randen wordt materiaal aangevoerd. Dit materiaal blijft in oplossing tot het Hollandsch Diep, waar het fijne zand en het slib langzaam bezinken. Mocht er fijn materiaal op de bodem liggen in de Boven Merwede en de Nieuwe Merwede dan zal dat tijdens hoge afvoeren waarschijnlijk in resuspensie komen en mogelijk verder benedenstrooms weer sedimenteren. In het oostelijk deel van het Hollandsch Diep zal iets grover materiaal terug gevonden worden dan bij het Hellegatsplein. Het fijne slib en het silt zal helemaal niet bezinken en stroomt bij het Hellegatsplein de Haringvliet in. WL Delft Hydraulics 5 7

49 6 Conclusies en aanbevelingen 6.1 Conclusies Metingen Totaal zwevende stof De metingen van het zwevende stof in het oppervlaktewater geven een goed beeld van de ruimtelijke spreiding van het zwevende stof in de Rijn-Maasmonding. Er zijn duidelijk effecten te zien in de concentratie zwevende stof in relatie tot het debiet. Daarnaast neemt de concentratie zwevende stof af in het Hollandsch Diep. Dit komt door de stroomvertraging gevolgd door sedimentatie van de grovere fracties in het Hollandsch Diep. Korrelgrootteverdelingen In deze studie zijn de korrelgrootteverdelingen uit de Sedigraafproef vergeleken met de berekende korrelgrootteverdeling volgens de valsnelheidsproeven. Het materiaal voor de valsnelheidsproeven heeft een continue verdeling, waarbij alle fracties voorkomen. Tevens is de fractie fijn zand minder dominant aanwezig dan in de Sedigraafproef (zie ook Tabel 6-1). Tabel 6-1 Verschillen in korrelgrootteverdelingen tussen de twee methoden Sedigraaf Zeer groot aandeel fijn materiaal (<1 μm) Fractie tussen 1 en 63 μm afwezig Fractie fijn zand ruim aanwezig Valsnelheidsproef Groot aandeel fijn materiaal (<1 μm) Fracties tussen 1 en 63 μm in kleine hoeveelheden aanwezig Nauwelijks fijn zand aanwezig Het verschil voor de fijne slib fracties tussen beide methoden is te verklaren door de behandeling van het materiaal. Door de deflocculatie voorafgaand aan de Sedigraafproeven gaan de middenfracties verloren. De verschillen in de fijne zand fracties zijn niet te verklaren. WL Delft Hydraulics 6 1

50 Bruikbaarheid De bruikbaarheid van de korrelgrootteverdelingen is vrij beperkt, omdat door de behandeling van het materiaal de karakteristieken verloren zijn gegaan. Verschillen tussen de locaties onderling zijn echter wel bruikbaar in kwalitatieve zin. Het is echter niet te zeggen welke van de metingen beter is. Voor de modellering is daarom gebruik gemaakt van beide fractieverdelingen Modellering Zwevende stof concentratie Modelsimulaties zijn uitgevoerd met beide fractieverdelingen. De verschillen tussen de resultaten van de simulaties onderling zijn niet significant. Dit is te verklaren door de geringe sedimentatie van het zeer fijne materiaal. Het (fijne) slib heeft nauwelijks de kans om te sedimenteren en zal benedenstrooms het model uitstromen. Alleen de grofste fractie in het model (slib tot fijn zand) zal sedimenteren als gevolg van de hoge bodemschuifspanningen tijdens een hoge afvoer. Aangezien beide fractieverdelingen (zie Tabel 3-1 en Tabel 3-2) min of meer dezelfde aandelen slib tot fijn zand hebben zijn de verschillen in het modelresultaat minimaal. Gevoeligheden Het model lijkt dus voor het beschouwde riviertraject nauwelijks gevoelig voor de fractieverdeling van het materiaal. Het model is echter zeer gevoelig voor de initiële hoeveelheid bodemmateriaal. Door de hoge bodemschuifspanning zal in de geulen veel materiaal in resuspensie komen. Hiermee valt locaal in het Hollandsch Diep de zwevende stof concentratie fors te verhogen. Het lijkt echter niet waarschijnlijk dat in de geulen fijn bodemmateriaal ligt. Buiten de geulen en in langzaam stromende bekkens zoals het Hollandsch Diep en de Biesbosch is wel fijn materiaal te verwachten. Vergelijking met de metingen De gemodelleerde zwevende stof concentraties volgen de metingen goed. Het model is op het snelstromende gebied sterk randgedomineerd. Dit betekent dat de resultaten in de Boven Merwede en de Nieuwe Merwede goed te vergelijken zijn met de metingen. Afwijkingen tussen de metingen en de simulaties worden iets groter naarmate de metingen verder van de rand liggen Systeemwerking De bepalende factor voor de zwevende stof huishouding in de Rijn-Maasmonding is de bodemschuifspanning. Deze is bij hogere afvoeren op de Waal en de Maas fors, waardoor op de Boven Merwede en de Nieuwe Merwede zwevende stof geen kans krijgt om te sedimenteren. In dit gebied zal ook resuspensie optreden als er bodemmateriaal aanwezig is. WL Delft Hydraulics 6 2

51 In het Hollandsch Diep en in de Biesbosch zijn de bodemschuifspanningen veel lager en zal er materiaal sedimenteren. In ieder geval zullen de fijne zandfractie en mogelijk ook de grove slibfractie langzaam uitzakken. Het fijne slib zal echter niet bezinken in het Hollandsch Diep. De bodemschuifspanning staat duidelijk onder invloed van het getij. Bij hoog tij zal de stroming stagneren, wat resulteert in een lage bodemschuifspanning. Op deze momenten zal het zwevende stof in het Hollandsch Diep en de Biesbosch korte tijd de kans krijgen om te bezinken. Of dit effect ook optreedt bij lagere afvoeren op de Boven Merwede en de Nieuwe Merwede is met behulp van de huidige modelstudie niet eenduidig vast te stellen. 6.2 Aanbevelingen Op basis van de verkregen resultaten worden in dit hoofdstuk een aantal aanbevelingen voor nader onderzoek gedaan Metingen Opbouwen van tijdseries De metingen van het zwevende stof op een grote ruimtelijke resolutie geven een goed beeld van de ruimtelijke spreiding van het zwevende stof. De tijdschaal en de hoeveelheid metingen is echter niet fijn genoeg om goed inzicht te krijgen in de aanvoer van zwevend stof. Het verdient dan ook aanbeveling om op kleiner aantal locaties vaker in de tijd te meten. Voor de Biesbosch is het interessant om de Boven Merwede en de Amer regelmatig te bemonsteren. Getij effecten Bij het meten van het zwevende stof is ook interessant om op een zeer fijne tijdschaal te bemonsteren zodat getij-effecten kunnen worden opgespoord. Door op een interval van 2 uur of korter te meten kunnen deze verschillen worden aangetoond. Dit fenomeen kan middels een kortdurende meetcampagne worden geanalyseerd Monsters van zwevende stof die later in een laboratorium worden geanalyseerd verliezen belangrijke karakteristieken van het materiaal door diverse processen. Een in-situ meting kan dat voorkomen, waardoor de oorspronkelijke eigenschappen behouden blijven. Hiermee kan een beter beeld verkregen worden van de korrelgrootteverdeling in het gebied. Eén van de grootste onzekerheden in het model is de bodemopbouw. Zeker in een periode van hoogwater zal materiaal van de bodem loskomen en de zwevende stof concentratie verder verhogen. Onderzoek naar de ruimtelijke variatie en de samenstelling van de bodem is wenselijk. WL Delft Hydraulics 6 3

52 In-situ metingen Bij de bepaling van de korrelgrootteverdeling in een laboratorium gaan de eigenschappen van het slib verloren. Om het slib goed te kunnen karakteriseren zullen metingen ter plaatse uitgevoerd moeten worden. Met dergelijke methoden is ruime ervaring opgedaan Laagwater afvoeren De studie heeft zich tot dusver voornamelijk gericht op de hoogwater situaties. Het is echter ook interessant om te zien hoe het gebied zich ontwikkelt in een laagwater situatie. Bij laagwater zal het zwevende stof meer kans krijgen om te bezinken Onderzoek naar de valsnelheden van fijn slib Het verdient aanbeveling om in een ander laboratorium de valsnelheden en de korrelgrootten te bepalen. Hiermee kan mogelijk een verklaring worden gevonden tussen de afwijkende resultaten Erosie van slib Resuspensie van slib treedt in het huidige zwevende stof model op als een kritische drempelwaarde wordt overschreden. Deze drempelwaarde is constant in de tijd en onafhankelijk van de dichtheid van het materiaal. In de literatuur wordt echter vermeld dat er relaties bestaan tussen de dichtheid van het materiaal en de mate van consolidatie (Jacobs, 26 en Winterwerp en van Kesteren, 24). Het verdient aanbeveling aanvullend onderzoek te doen naar de relatie tussen consolidatie en kritische schuifspanning voor erosie. WL Delft Hydraulics 6 4

53 7 Literatuur 21, Brinke, W.B.M ten, J.R. Roberti, De autonome Meetfaciliteit voor metingen aan waterbeweging, zand- en slibtransport, RIZA werkdocument 21.73X 26, Jacobs, W., Eco-Morphology of estuaries and tidal lagoons: Literature review and experiments on sandmud mixtures, TU Delft report , Kamminga S.D., Resultaten van metingen met LSST systemen in het Haringvliet en het Hollands Diep. 26, Meetplan Zwevende stof Rijn-Maasmonding. 25, Mosselman, E., K. Vermeer, Morfologische effecten in de Rijn-Maasmonding, WL Delft Hydraulics en HKV lijn in water, rapportnummer PR , Snippen et. al, Sediment in beweging, RIZA. 1995, Verbeek, H. J. van Zetten, D. Ludikhuize, Vergelijking 1D- en 2D Slibtransportmodellen voor de Zuidrand van het Noordelijk Deltabekken. 1997, Wijngaarden, M.v., Modelleren en meten van zwevende materiaal bij een hoge afvoer in de zuidrand van het noordelijk deltabekken, RIZA werkdocument 97177x. 24, Winterwerp, J.C., W.G.M. van Kesteren, Indroduction to the physiscs of cohesive sediment in the marine environment, ISBN: a, WL Delft Hydraulics, Zwevende stofmodellering in de Nevengeulen bij Gameren en het benedenrivierengebied, Q b, WL Delft Hydraulics, Bouwstenen voor een nieuw morfologisch model in Sobek voor de Rijn Maasmonding, Q483. WL Delft Hydraulics 7 1

54 A Zwevende stof concentraties bij drie afvoermomenten WL Delft Hydraulics A 1

55 WL Delft Hydraulics A 2

56 WL Delft Hydraulics A 3