1 Kwel en geohydrologie

Transcriptie

1 1 Kwel en geohydrologie 1.1 Inleiding Grondwater in de omgeving van de grote rivieren in Nederland wordt door verschillen in het peil sterk beïnvloed. Over het algemeen zal het rivierpeil onder het grondwatervlak staan waarmee rivieren ontwaterend werken. Rivieren die gestuwd worden kunnen stroomopwaarts van stuwen een hoger peil hebben dan de lokale grondwaterstanden. Hiermee kan een rivier het grondwaterlichaam voeden. Tijdens een hoogwatergolf kan het rivierpeil gedurende een periode van enkele dagen tot enkele weken een aantal meter hoger staan. Hierdoor ontstaat een druk op het grondwatervlak, met daaraan gekoppeld kwel in het binnendijkse gebied. Deze notitie gaat in op de theoretische achtergrond van de druktoename, het voorkomen van hoogwatergolven in de Waal bij Druten, de duur en intensiteit van deze golven en het gedrag van grondwater tijdens dit soort golven. 1.2 Conclusie Voor het voorspellen van de maximale druk in het watervoerende pakket op een afstand X van een rivier tijdens een hoogwatergolf is de formule van Mazure zeer goed toepasbaar. Een excelsheet is ontwikkeld waarin de relevante ondergrondgegevens gecombineerd met de hoogwatergegevens kunnen worden ingebracht. Het drukverloop op elke afstand van de rivier is hierop af te lezen. Hiernaast is een kwelberekenaar ingebouwd die de formule van Mazure gebruikt om de toename van een kwelstroom aan het maaiveld berekend bij het uitvoeren van graafwerkzaamheden (e.g. slootaanleg of het aanbrengen van wadi s). info@rvde.nl

2 2 Theoretische achtergrond 2.1 Mazure In 1936 publiceert Mazure de Formule van Mazure, een analytische formule waarmee de stijghoogte op een afstand x van de infiltrerende grens (rivier) van de ondergrond wordt berekend bij het voorkomen van een slecht doorlatende deklaag: Hierin is : (x) Verhoging van stijghoogte in het watervoerend pakket [m] 0 Verschil in waterpeil tussen het poldergebied en de rivier [m] x Lengte in het watervoerend pakket [m] k Hydraulische conductiviteit van het watervoerend pakket [m/dag] D Verzadigde dikte van het watervoerend pakket [m] c Hydraulische weerstand van de afsluitende deklaag [dag] e Natuurlijke logaritme De flux (in mm/m 2 /dag) kan op eenvoudige wijze worden berekend door de berekende stijghoogte te delen door de totale weerstand van de slecht doorlatende deklaag. Figuur 2.1 Grafische weergave formule componenten info@rvde.nl

3 2.2 Stijghoogte berekenaar Met behulp van bovenstaande formule is een eenvoudige excelsheet ontwikkeld waarmee de stijghoogte op afstand x grafisch kan worden afgelezen. In de sheet kan met de KD waarde, de c- waarde en de hoogwatergolf worden gerekend. De sheet is hier te downloaden Uitleg sheet De volgende parameters kunnen worden beïnvloed middels schuifknoppen: Parameter Bepaling Stapgrootte KD waarde onderliggend zand K-waarde aflezen uit sondering 5 [m 2 /dag] D bepalen a.d.h.v. boring of sondering Resulterende c-waarde Wordt automatisch berekend kleilaag K v waarde topkleilaag K-waarde aflezen uit sondering [m/dag] Hoogwater boven normaal Rivierstanden site van Rijkswaterstaat 0,1 [m] Dikte klei binnendijks D bepalen a.d.h.v. boring of sondering 0,1 [m] Breedte voorziening Lengte voorziening Kortste afstand tot aan het water Diepte voorziening Kwel voor graven Kwel na graven Toename Breedte van de aan te brengen verlaging van het maaiveld (bijvoorbeeld de breedte van de sloot) Lengte van de aan te brengen verlaging van het maaiveld (bijvoorbeeld de lengte van de sloot) Dit is de kortste afstand tot aan het intredepunt van het rivierwater, gewoonlijk de rand van de rivier bij normaal water De diepte van de aan te brengen voorziening gerekend vanaf het maaiveld tot op de bodem De totale kwel op de locatie van de toekomstige voorziening, wordt automatisch berekend De totale kwel op de locatie van de voorziening na aanleg, wordt automatisch berekend De toename van de kwel door de aanleg 1 [m] 1 [m] 1 [m] 0,05 [m] info@rvde.nl

4 3 Hoogwatergolven 3.1 Voorkomen Hoogwatergolven op de Nederlandse rivieren kunnen optreden ten gevolge van de afvoer van teveel neerslag, smeltwater vanuit de Alpen, of beide. Op de meetlocatie Dodewaard zijn sedert 1900 meerdere malen per dag de rivierpeilen gemeten. Deze locatie wordt in deze notitie gebruikt als voorbeeldlocatie. Figuur 3.1 Locatie meetpunt Dodewaard In deze notitie wordt een hoogwatergolf als volgt gedefinieerd: Een aaneengesloten periode van minimaal 8 dagen. Het rivierpeil ligt boven +9,0 [m+nap] De hoogwatergolf wordt beëindigd op het moment dat het rivierpeil onder +9,0 [m+nap} daalt. Een hoogwatergolf treedt op deze locatie gemiddeld eens per 2 jaar op, maar in sommige jaren treden meerdere hoogwatergolven op. Zo had afzonderlijke hoogwatergolven, en was er tussen 2003 en 2011 geen hoogwatergolf. Opgemerkt wordt dat door regulering van de afvoer in met name het bovenstroomse gebied hoogwatergolven enigszins beperkt kunnen worden. In totaal is tussen 1900 en 2012 sprake van 55 hoogwatergolven. info@rvde.nl

5 3.2 Intensiteit Teneinde de hoogwatergolven (die verschillende hevigheid in peilen en duur hebben) ten opzichte van elkaar te kunnen vergelijken is een weging aan de hoogwatergolven gegeven. Deze weging is gebaseerd op de overschrijding van het peil in de Waal te Dodewaard. Een overschrijding telt als een meting op een dag een bepaalde kritische waarde overschrijdt. De weging is als volgt: Peil Weging + 9,0 [m+nap] 1 + 9,5 [m+nap] 2 +10,0 [m+nap] 3 +10,5 [m+nap] 4 +11,0 [m+nap] 5 Uit de weging wordt een berekening gemaakt door het aantal dagen waarvoor de catagorie gold (bijvoorbeeld 8 dagen tussen +9,0 [m+nap] en +9,5 [m+nap]) te vermenigvuldigen met de weging. De laagst mogelijke theoretische score is dus 8*1=8. info@rvde.nl

6 3.3 Lijst hoogwatergolven In de periode 1900 tot 2012 zijn de volgende hoogwatergolven voorgekomen op meetpunt Dodewaard: Periode Lengte >9,0 >9,5 >10,0 >10,5 >11,0 Intensiteit gem. Peil [dag] [m] [m] [m] [m] [m] [-] [m] 1 januari ,3 2 februari ,5 3 februari ,4 4 maart ,4 5 februari ,4 6 februari ,5 7 maart ,4 8 april ,3 9 maart ,7 10 januari ,6 11 februari ,6 12 januari ,6 13 januari ,6 14 januari ,0 15 november ,0 16 mei ,5 17 januari ,0 18 februari ,4 19 oktober ,8 20 november ,9 21 februari ,7 22 april ,5 23 oktober ,4 24 december ,7 25 maart ,5 26 januari ,7 27 maart ,8 28 januari ,9 29 februari ,6 30 april ,6 31 december ,7 32 januari ,0 33 februari ,7 34 december ,7 35 december ,5 36 februari ,7 37 maart ,0 38 mei ,6 39 maart ,5 40 februari ,8 41 december ,3 42 januari ,6 43 februari ,6 44 december ,6 45 april ,8 info@rvde.nl

7 46 mei ,9 47 januari ,6 48 maart ,0 49 december ,8 50 januari ,1 51 december ,8 52 maart ,4 53 maart ,5 54 januari ,9 55 januari ,8 Uit de tabel komt naar voren dat de meest intense hoogwatergolf is opgetreden in januari De 10 meest intense zijn: 1 januari december januari maart december januari maart februari december december 1966 In bijlage 1 zijn de verschillende hoogwatergolven tussen 1900 en 1988 grafisch opgenomen. Een aantal in tijd dicht bij elkaar liggende golven is samen weergegeven. info@rvde.nl

8 4 Gedrag grondwater Vanaf de jaren 50 van de 20 e eeuw komen grondwaterstandsmetingen beschikbaar in de buurt van de grote rivieren. Indien de stijging tussen de aanvang van de hoogwatergolf en de hoogste grondwaterstand tijdens de hoogwatergolf wordt berekend kan een relatie worden gelegd met de intensiteit van de hoogwatergolf. De formule van Mazure heeft weliswaar geen tijdcomponent, een korte hoogwatergolf kan gesimuleerd worden als een relatief kleine verhoging, een langere als een relatief grotere verhoging. De link tussen klein en groot is de intensiteit. De meetpunten lagen in de kern Afferden (B39H0300) en Druten-west (B39G0261). Ze zijn opgenomen in figuur 4.1. Figuur 4.1 Ligging meetpunten Opgemerkt wordt dat in 1993 een dijkverlegging heeft plaatsgevonden waarmee B39H0300 tijdens hoogwatergolven effectief verder van de rivier is komen te liggen. De grondwaterstijging is hierdoor minder na 1993 dan daarvoor bij dezelfde intensiteit. info@rvde.nl

9 Periode Intensiteit gem. Peil Afferden Druten-west B39H0300 B39G0261 [-] [m] [m] [m] januari ,0 0,44 1,30 februari ,7 0,55 2,11 december ,7 1,21 2,79 december ,5 0,53 1,91 mei ,6 0,19 maart ,0 0,30 2,35 februari ,7 0,40 maart ,5 0,27 1,20 februari ,8 0,54 1,80 december ,3 0,14 1,70 december ,6 0,25 1,20 februari ,6 0,11 1,23 januari ,6 0,41 1,70 mei ,9 0,37 1,41 april ,8 0,42 1,46 januari ,6 0,41 maart ,0 0,65 2,30 december ,8 0,61 1,91 januari ,1 0,60 1,78 december ,8 0,35 maart ,4 0,16 1,24 Tabel 4.1: Stijging grondwater in twee peilbuizen bij verschillende hoogwatergolven

10 In figuur 4.2 is de stijging uitgezet tegen de intensiteit. In deze figuur is tevens de correlatie tussen de metingen aangegeven (R 2 ) indien wordt uitgegaan van een lineair verband. Het verband is redelijk goed te noemen. Figuur 4.2 Correlatie intensiteit Hoogwatergolf vs. Grondwaterstijging. info@rvde.nl

11 4.2 Januari 2011 In 2009 zijn in de omgeving van Druten peilbuizen, op verschillende afstand van de Waal, geplaatst met filters in het watervoerende pakket. Deze peilbuizen zijn tijdens de hoogwatergolf van januari 2011 gemonitoord. De maximale stijging ten opzichte van de beginwaarde (= de waarde net voor de aanvang van de hoogwatergolf) is per peilbuis berekend en grafisch weergegeven in figuur 4.3. In deze figuur is de afstand tot aan de rivier (het intredepunt van het water) afgezet tegen de gemeten stijging. De waarden bleken op de lijn te liggen zoals deze door de formule van Mazure kon worden voorspeld (de blauwe lijn). Alleen peilbuizen in het buitendijkse gebied en een peilbuis met een filter in een tussenzandlaag (in de deklaag) bleken niet goed te voorspellen te zijn met Mazure. Voor het overige is de fit opvallend goed. Figuur 4.3 Gemeten waarden in januari 2011 vs. Mazure Opgemerkt wordt dat in de formule van Mazure de component KD.c voorkomt. In figuur 4.4 zijn de mogelijke KD en c-waarde waarbij een passende fit in de grafiek is berekend opgenomen. De rode stip is als meest waarschijnlijke KD en c-waarde aangenomen op basis van sondeergegevens. Maar ook andere oplossingen voldoen! Voor een kwelhoeveelheid berekening die bijvoorbeeld bij de aanleg van een voorziening wordt gevraagd is aanvullend onderzoek nog steeds noodzakelijk

12 Figuur 4.4. Passende oplossingen KD en c bij Druten voor de hoogwatergolf van januari 2011 info@rvde.nl

13 5 Literatuur Burgers J.M Grondwaterstrooming in de omgeving van een net van kanalen Mazure, J.P Invloed van een weinig doorlaatbare afdekkende bovenlaag op de kwel onder een dijk De ingenieur, nr.32, 7 augustus 1926 De ingenieur, nr.13, 25 maart 1932 info@rvde.nl

14 6 Inhoud 1 Hoogwatergolven, kwel en geohydrologie Inleiding Conclusie Theoretische achtergrond Mazure Stijghoogte berekenaar Uitleg sheet Hoogwatergolven Voorkomen Intensiteit Lijst hoogwatergolven Gedrag grondwater Januari Literatuur Inhoud BIJLAGE 1 Hoogwatergolven grafisch info@rvde.nl

15 BIJLAGE 1 Hoogwatergolven grafisch info@rvde.nl

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30