Innovatieve zoet-zout scheiding in de Voikeraksluizen

Transcriptie

1 Vijfenzestig jaar innovatie nummer ^;:i Innovatieve zoet-zout scheiding in de Voikeraksluizen Met het oog op het eventueel weer zout worden van het Volkerak-Zoommeer heeft kennisinstituut Deltares in opdracht van Rijkswaterstaat onderzoek gedaan naar innovatieve zoutlekbeperkende maatregelen in schutsluizen. In een zoul Volkerak-Zoommeer met beperkt getij zal sprake zijn van een siruclureei en duurzaam verbeterde waterkwaliteit en is een eind gemaakt aan de jaarlijks terugkerende blauwalgenoverlast. Om ie voorkomen dal bij de Voikeraksluizen tijdens het schuilen van schepen te veel zout doorlekt naar Hollandsch Diep en Haringvliet, zullen deze sluizen met een zoel-zout scheidingssysteem moeien worden uitgerust. De hiermee te realiseren zouilekbeperking is cruciaal voor het gebruik van het zoele rivierwater voor de landbouw. industrie en drinkwaterbereiding. Ingenieursbureau DHV heefl de opdrachl gekregen om een oniwerp ie maken voor de inbouw van hei innovatieve zoet-zout scheidingssysteem in de schuikolken van de Voikeraksluizen. Zonder maatregelen kan vanuil een zout Volkerak-Zoommeer gemiddeld circa 480 kg/s zoul door de Voikeraksluizen lekken naar hel Hollandsch Diep. Deltares heeft onderzocht met welke voorzieningen dit zoutlek kan worden beperkt tot maximaal 60 kg/s. Hel gebruik van zoet water hierbij is gemaximaliseerd op 25 m3/s. Verder moet de hinder voor de scheepvaart tot een minimum beperkt blijven. Zoutlekbeperkende maatregelen In de drukke Voikeraksluizen past geen zoet-zoul scheiding als in de Krammersluizen, waarin tijdens hel schutproces hei water uit de schulkolk vrijwel volledig wordt vervangen door zoel of zout water (afhankelijk van de schuirichting). Met dit sysieem zou de schuliijd beduidend langer worden. Bovendien zou het ombouwen van hei bestaande sluizencomplex zeer kostbaar worden en de schutcapaciteit voor lange tijd sterk verminderen. Hel gebruik van luchtbellen- en/of waterschermen, drempels, een zoutvang en/of hel doorspoelen van de schulkolk mei zoetwater (via lekkende ebdeuren) ligl dan ook meer voor de hand. Door enkele innovaties toe te passen kan de effectiviteit van deze maatregelen, zowel afzonderlijk als in combinatie, beduidend beter zijn. De effectiviteit is gedefinieerd als de procentuele afname van de zoutlek len opzichie van die zonder zoutlekbeperkende maatregelen. Satellietopname Volkerak en Voikeraksluiien Het Zoutlekmodel Om ie komen loi een conceptueel ontwerp van (een combinatie van) zoutlekbeperkende maairegelen heeft Deltares diverse onderzoeken gedaan. Zoals onderzoek naar de werking van lucht- en walerinjectie in een laboratoriumopstelling, hel leslen van innovatieve melhoden voor luchtinjectie. gedetailleerde computersimulaties van zoei-zoul uitwisselingen, een praktijkproef in de Stevinsluizen en uitgebreide analyses mei een model om de resultaten van het onderzoek le vertalen naar de toepassing op de Voikeraksluizen (het Zoutlek* model). Het schema geeft een overzicht van het onderzoek.

2 nummer b met soet KKft Kttciding MwhKMltMu KMI Alle mogelijke maatregelen Praktijkproef in Stevinsluts mbt lleftf-«n Labproeven + detailsimulaties Vmitimn» tl Het Zoutlekmodel slaat cenlraal in de evaluatie van zoutlekbeperkende maatregelen. Het model berekent de netto zoutlek door een schutsluis, gemiddeld over veel schutcycli. Alle belangrijke factoren die de zoutlek beïnvloeden, zoals de dimensies van de schutsluis, het aantal schuttingen per dag, de tijd dat de sluisdeuren openstaan. waterverplaatsing door scheepvaart, het zoutgehalte in de schutsluis en in de voorhavens en de inzet van verschillende maatregelen worden meegenomen in het model. De praktijkproef Ter validatie van het Zoutlekmodel en om de effectiviteit van de maatregelen te meten in een werkende schutsluis, is een praktijkproef op ware schaal uitgevoerd. Praktijkproeven in de Voikeraksluizen waren niei mogelijk, omdat er in de huidige situatie geen zoutverschil is tussen Volkerak- Ontwerpadvies maatregelen Voikeraksluizen - Zoutlekmodel 1 V*M«f>«HMi lrtkll«im»l9» 1 Richtlijnen operationeel beheer Zoommeer en Hollandsch Diep. Om de complexe processen toch in de praktijk ie kunnen melen is de Sievinsluis in de Afsluitdijk geselecteerd. Luchtbellenscherm In de Stevinsluis worden al traditionele luchibellenschermen (geperforeerde buizen) gebruikt. Voor de praktijkproef is een innovatief luchtbellenscherm ontworpen (A-luchtbeilenscherm) waarbij de innovatie bestaat uit gebruik van speciale diftusors en luchiventielen die allijd een gelijkmatige luchl verdel ing over de gehele kolkbreedte garanderen. Een dubbele rij is gebruikt met onderling versprongen diffusors die het luchtbellenscherm zo ondoordringbaar mogelijk legen zoul maken. Een extra innovatie is de combinalie van een luchtbellenscherm met een waterscherm waarbij het walerscherm direct parallel aan het A-luchlbellenscherm is geplaatst. Innovatieve diffusors, waterscherm, laboratoriumopstelling Gedurende twee maanden (april-mei 2010) is de zoutlek gemeien in de werkende schutsluis met behulp van een groot aantal zoutmeters in de kolk en in beide voorhavens. In totaal zijn 844 schuttingen en 22 (combinaties van) zoutlekbeperkende middelen bemeten. Het belangrijkste resultaat van al deze metingen is een goed onderbouwde waarde voor de effecliviieil van de verschillende maatregelen, zoals samengevat in de tabel. De innovatieve A-luchtbellen schermen zijn effectiever dan de traditionele luchibellenschermen doordat vooral bij de bodem een beter gesloten scherm wordt gevormd, zonder kieren, waardoor alsnog zout kan glippen. De combinatie van een A-luchtbel len scherm met andere zoutlekbeperkende middelen vergroot de effectiviteit nog verder. De grootste effectiviteit wordt bereikt door een combinatie van het A-luchtbellenscherm met een walerscherm. Tabel met resultaten van de praktijkproef Zoutlekbeperkende middelen, ingezet aan één kant van de schutsluis Effectivrleil (%) Geen 0 Traditioneel luchlbellenscherm (geperforeerde buis) 60 Innovatief A-luchibellenscherm 75 Waterscherm 60 A-luchlbellenschetm + walerscherm 85 A-luchtbellenscherm + drempel 80

3 ntimmer A 2011 ^i- Praktijkproef Stevinsluis (frame met diffusors en waterscherm) Conclusies studies Op basis van de uitgevoerde studies is gebleken dat: het mogelijk is om de zoutlek te beperken tot maximaal 60 kg/s; deze beperking alleen wordl gerealiseerd met een combinalie van zoutlekbeperkende middelen; er meerdere combinaties van zoutlekbeperkende middelen mogelijk zijn. Het toepassen van A luchtbellen schermen op alle kolkeinden in de Voikeraksluizen is echter een onderdeel van alle varianten; een veelbelovende combinatie van zoutlekbeperkende middelen bestaat uit A luchibellenschermen aan alle kolkeinden, een verhoogde drempel aan Hollandsch Diep zijde en het toepassen van de methode van 'lekkende ebdeuren'; met een combinatie van A luchtbellenschermen, een drempel en 'lekkende ebdeuren* waarbij met maximaal gebruik van zoetwater de schulkolk wordl doorgespoeld, het zelfs mogelijk is om de zoutlek te beperken tot 30 a 40 kg/s. Waterscherm Gekozen is om naast de veelbelovende combinalie van maatregelen ook het waterscherm in het ontwerp op te nemen. Met het waterscherm kunnen periodes overbrugd worden, waarin het peil van het Hollandsch Diep lager is dan dat van het Volkerak Zoommeer en lekkende ebdeuren dus niet mogelijk zijn. De inpassing van de hiervoor beschreven maatregelen in de bestaande sluizen is een uildaging op zich. De Voikeraksluizen zijn immers de drukst bevaren binnenvaartsluizen van Europa en hel scheepvaartverkeer moet zo weinig mogelijk gehinderd worden. Niet tijdens de operatie en zo min mogelijk lijdens de bouw. Daarnaast moeien bestaande constructies worden aangepast. Weliswaar hebben er ooit luchibellenschermen gezeten, maar de buisdiameters waren destijds vrij klein, veel kleinerdan de huidige in te passen buizen voor waterschermen en luchibellenschermen. De Voikeraksluizen zijn onlworpen in de lijd dat er nog getij was op het Volkerak Zoommeer. Hierdoor is de vaardiepte groter dan benodigd voor CEMT klasse VI schepen. De beheerder geefl echier aan dal een verkleining van de dieple desondanks ongewenst is. De optimale localie van de in te passen constructies is daarom niel op de bestaande onderslagdrempel van de deuren, maar er direct achier. De hoogle van de constructies dient beperkl te blijven lol de hoogle van de onderslag balk (l,25ml. (Zie onderstaande tekening.) Vdkerak ^jommeer (ko8t) Locatie voor: -zoutórempel -bellenscherm atertcherm * Deurkas ^ «Vloeddeur» * Deurkas -* Ebdeur» Kolk (Hollands diep),

4 UJ-- nummer De beweegbare onderdelen vereisen periodiek onderhoud. Een belangrijk uitgangspunt is daarom dal het bellenscherm eenvoudig verwijderd moet kunnen worden zonder stremming van de scheepvaart. Bij de proef in de Sievinsluis is het water en bellenscherm mei behulp van een frame in de schotbalksponningen geplaatst. Bij de Voikeraksluizen is echier geen schotbalksponning aanwezig. Er is daarom gekozen om de constructies op een prefab bak te plaalsen. Deze bak kan in zijn geheel op de kant worden getild, waar het benodigde onderhoud kan worden gepleegd. Ontwerp balg drempel - (betonnen) klep. - balg (gevuld met lucht) aanvoerleiding constructie plaat Het luchtbellen en waterscherm zijn het meest effectief als zij dicht bij elkaar geplaatst worden. De luchtaanvoerleiding kan in de nis van de vloeddeuren worden geplaatst, zodat de doorvaarlbreedle niet verkleind wordt. De leidingen voor het walerscherm zijn een stuk groter dan de luchtleidingen. De benodigde buizen worden doorgevoerd door de betonnen wanden van de kolk. Een andere inpassing is een nieuwe pompinstallatie die het zoele water voor het waterscherm naarde zoute kant kan verpompen. Tevens moet hei tracé van de waterleiding naar het scherm ingepast worden in de omgeving. De grootste uildaging is de inpassing van de drempels. Elke beperking van de diepte is ongewenst, zodat er gekozen moet worden voor beweegbare drempels. Tijdens normale omstandigheden slaal de drempel omhoog ten behoeve van de zoet zout scheiding. Indien een schip met grole diepgang arriveert, gaat de drempel naar beneden. Drempels Een aantal typen drempels is onderzocht, zoals bijvoorbeeld de balgdrempel, een verticale schuif en een hydraulisch aan Balgdrempcl (bron: _ wate r_ system-7666.html) gedreven klep. De balgdrempel, innovatief maar nog niet voor deze toepassing gebruikt, blijkt het beste alternatief. Het voordeel van een balgdrempel is dat deze in een prefab bak gemaaki en op de sluisbodem geplaatst kan worden. Een ander voordeel van de balg drempel is dat deze nauwelijks schade ondervindt bij een aanvaring door een evenlueel te diep stekend schip. Het is mogelijk om de luchtleiding die nodig is voor het bellenscherm ook ie gebruiken voor het vullen van de balg. Nog geen beslult Een besluit over het weer zout maken van hei Volkerak Zoommeer is nog niet gevallen. De benodigde aanpassingen aan de Voikeraksluizen hoeven een dergelijk besluil niel in de weg te staan. Met de beschreven innovatieve en in de sluiskolken geïntegreerde maatregelen lijkt het goed mogelijk om het lekken van zout water uit het Volkera k Zoom meer tot hel vereiste minimum te beperken, zonder hinder voor de scheepvaart. De bediening van de schutsluizen wordt met de voorgestelde maatregelen wel een stuk complexer. Behalve voor de veilige en snelle verwerking van het scheepsaanbod zullen de sluismeesters moeten zorgen voor het lijdig in en uitschakelen van het luchtbellen en waterscherm. hel instellen van de beweegbare drempels en het zo kort mogelijk open laten staan van de sluisdeuren. Het laatste is heel belangrijk, want een te lange 'deuropenlijd* heeft een groot negatief effect op de zoel zout scheiding. Verder moge duidelijk zijn dat het onderzoek van Deltares niet alleen voor de Voikeraksluizen waardevolle informatie heeft opgeleverd, maar van grool belang is voor schutsluizen overal ler wereld waar een zo effectief mogelijke scheiding tussen zoel en zoul waler wordl nagestreefd. René Boeters, mjkswaterstaat Zeeland, Hans van Pagee, mjkswaterstaat Waterdienst, Peter Bos. DHV, m.m.v. Nick! Villars. Rob Uittenbogaard, föhn Cornelisse, Arno Nolte (allen Deltares) en Marcel van der Veen {DHV)

5 Stand van zaken maatregelen zoutindringing via de Nieuwe Waterweg, t.b.v. Provinciale Staten van Zuid-Holland Februari 2012 Inleiding Rijkswaterstaat onderzoekt een aantal maatregelen om zoutindringing via de Rijnmaasmonding te beperken. Het onderzoek dient verschillende doelen: 1. Definiëren van mogelijke maatregelen tegen zoutindringing via de Nieuwe Waterweg als alternatief voor het herstel van de 'trapjeslijn'. 2. Definiëren van mogelijke maatregelen tegen zoutindringing als compensatie van het negatteve effect van een extra zoetwateronttrekking aan het Hollands Diep welke is gedefinieerd in het kader van de planstudie waterkwaliteit Volkerak-Zoommeer. De maatregelen worden uitgewerkt inclusief een technisch ontwerp en kostenraming. 3. Definiëren van mogelijke oplossingen voor het effect van lange termijn ontwikkelingen op de beschikbaarheid van zoet water. Uit een veelheid van mogelijke maatregelen zijn zeven kansrijke maatregelen gepresenteerd aan de Stuurgroep Zoetwater Zuid-Holland Zuid. De stuurgroep heeft vervolgens ingestemd met de verdere uitwerking van twee maatregelen, te weten het bellenscherm in de Rijnmaasmonding en de alternatieve zoet water aanvoer via de Krimpenerwaard. In vervolg daarop heeft ingenieursbureau DHV de opdracht gekregen om een globale technische uitwerking en een 50% nauwkeurige financiële raming van beide maatregelen te maken. Met onderliggend memo wil ik u informeren over de uitkomsten hiervan. Relatie Deltaprogramma Zoetwater In het kader van het Nationaal Deltaprogramma wordt in het deelprogramma Zoetwater gewerkt aan een Deltabeslissing Zoetwaterstrategie voor de lange termijn: de manier waarop we onze zoetwatervoorziening duurzaam en economisch doelmatig inrichten. De strategie voor duurzame zoetwatervoorzien ing: Geeft inzicht in vraag en aanbod van zoetwater en de waterzekerheid; Doet uitspraken over de mogelijkheden voor waterbesparing, de optimale waterverdeling en toekomstig serviceniveau in relatie tot functies en de effecten daarvan voor die functies; Maakt de verdeling van verantwoordelijkheden tussen overheid, markt en gebruiker duidelijk. Het traject om te komen tot de concept Deltabesllssing Zoetwaterstrategie loopt tot 2014: DP2012 DP2013 DP2014 DP2015 (Prinsjesdag 2011, behandeld in parlement 5 dec 2011): probleemanalyse; (Prinsjesdag 2012) mogelijke strategieën; (Prinsjesdag 2013) kansrijke strategieën; (Prinsjesdag 2014): voorkeursstrategie en concept Deltabeslissingen. Het onderzoek naar maatregelen tegen zoutindringing via de Rijnmaasmonding betreffen de korte termijn. Om te voorkomen dat korte termijn maatregelen een bepaalde lange termijn strategie uitsluiten is een robuustheidstoets uitgevoerd. Hieruit blijkt dat beide maatregelen geschikt zijn te maken voor de langere termijn, maar dat hiervoor aanvullende investeringen nodig zijn. Beide projecten bevinden zich in de onderzoeksfase. Realisatie is dus nog niet aan de orde. Provincie Zuid-Holland is zowel ambtelijk als bestuurlijk betrokken bij het Deelprogramma Zoetwater. Alternatieve aanvoer naar Gouda vanuit de Lek (via de Krimpenerwaard) Met deze maatregel wordt zoet water vanuit de Lek ingenomen en via het regionale watersysteem van de Krimpenerwaard naar de Hollandse IJssel gevoerd.

6 Uitgangspunten bij de uitwerking waren: Er wordt zoveel mogelijk gebruik gemaakt van bestaande infrastructuur (gemalen, watergangen en bruggen) Er wordt aangesloten bij het bestaande Landinrichtingsplan voor de Krimpenerwaard Er is maximaal 6 m^/s extra zoet water nodig vanuit de Lek Doorvoer via de Krimpenerwaard vindt plaats onder vrij verval Op basis van een uitwerking met bovenstaande uitgangspunten is geconstateerd dat er aanpassingen nodig zijn aan de bestaande infrastructuur om 6 m^/s via de Krimpenerwaard door te kunnen voeren naar de Hollandse IJssel. Deze aanpassingen betreffen het vergroten van de inlaatcapaciteit van gemaal Krimpenerwaard, verbreden/verdiepen van watergangen en de aanleg van een nieuwe fietsbrug. De kosten voor het totale pakket aan maatregelen zijn geschat op 1,2 M. Nadere uitwerking van deze maatregel wordt getrokken door het Hoogheemraadschap Schieland en Krimpenerwaard in het kader van het Deltaprogramma Zoetwater. Luchtbellenschemi(en) in de Rijnmaasmonding Door het plaatsen van luchtbellenschermen in de Rijnmaasmonding wordt extra turbulentie gecreëerd waardoor zout en zoet water beter worden gemengd. Hiermee verdwijnt de sterke gelaagdheid in de waterkolom en daarmee de aandrijvende kracht voor de zoutindringing. Uitgangspunten bij de uitwerking waren: Benodigde capaciteit wordt geleverd door twee afzonderlijke bellenschermen, drie kilometer aan weerszijde van de Maeslantkering Een voldoende flexibel systeem zodat het eventueel op andere locaties kan worden ingezet Het systeem wordt om de vijf jaar 15 dagen ingezet (3 dagen per jaar) Binnen vijf dagen moet het systeem operationeel zijn Hinder voor de scheepvaart tot een minimum beperken Bovenstaande uitgangspunten hebben geresulteerd in een voorkeursvariant waarbij het bellenscherm modulair wordt opgebouwd (zowel in lengte als in capaciteit). De geschatte investeringskosten zijn 12 M, waarvan ongeveer 85% voor rekening komt van de compressorinstallatie. De jaarlijkse kosten zijn geraamd op 1 M, Binnen de genoemde bedragen valt zowel een variant die permanent op de bodem ligt als een afzinkbare variant die mobiel inzetbaar is. Overigens is de nu gekozen configuratie, volgens de berekeningen, ruim voldoende voor het compenseren van de extra zoutindringing vla de Nieuwe Waterweg t.g.v. een zout Volkerak Zoommeer. Gezien het unieke karakter van een bellenscherm op dergelijke schaal vraagt een definitief technisch ontwerp nog de nodige inspanning. Traject naar definitief ontwerp De onderzoeken tonen een globale technische uitwerking en een indicatie van de kosten met 50% nauwkeurigheid. Ten behoeve van de projectnota in het kader van de besluitvorming rond verzilting van het Volkerak-Zoommeer is in principe een 15% nauwkeurige raming nodig en een uitgebreid technisch ontwerp. Gezien de in verhouding beperkte kosten voor de maatregel 'doorvoer Krimpenenwaard' zal de uitkomst van een meer nauwkeurige raming niet van doorslaggevend belang zijn in het besluitvormingstraject. Een verfijning van de raming en een uitgebreid technisch ontwerp wordt dan ook onderdeel van de eventuele realisatiefase. Voor wat betreft de verdere uitwerking van het bellenscherm wordt er aangesloten bij het project 'bellenscherm Rijnmaasmonding'. Binnen dat project wordt namelijk de komende twee jaar nader onderzoek verricht naar de mogelijkheden voor realisatie van een bellenscherm in de

7 Rijnmaasmonding. Het project wordt uitgevoerd door het ministerie van l&m in samenwerking met het Havenbedrijf Rotterdam. Deltares neemt het rekenkundig deel voor haar rekening en TNO is benaderd voor onderzoek naar optimalisatie van de energievoorziening. Verder wordt onderzoek gedaan naar effecten van het bellenscherm op de scheepvaart en op de ecologie en worden de mogelijke juridisch consequenties van een bellenscherm in kaart gebracht. Resumé korte termijn maatregelen Beide maatregelen voldoen afzonderlijk aan de doelstelling die is opgelegd vanuit het project waterkwaliteit Volkerak Zoommeer. Beide maatregelen sluiten elkaar niet uit en kunnen in principe ook naast elkaar genomen worden. Een bellenscherm in de Rijnmaasmonding vraagt in de onderzochte configuratie een ongeveer 10 maal zo grote investering als de doorvoer van zoet water via de Krimpenerwaard {respectievelijk 12 en 1,2 M ). Een bellenscherm kan worden uitgevoerd binnen de grenzen van het hoofd watersysteem, de grotere doorvoer door de Krimpenenvaard zal vrijwel volledig binnen de grenzen van het regionale systeem worden uitgevoerd. Een bellenscherm is in principe modulair uit te breiden en kan dus mogelijk meerdere doelstellingen dienen. Uiteraard binnen de grenzen van de technische mogelijkheden, financiële haalbaarheid en rekening houdend met eventueel effect op de scheepvaart. Aanscherpen van het ontwerp van een bellenscherm lijkt mogelijk zodat nog steeds wordt voldaan aan de gestelde eisen, maar de kosten lager uitvallen. Verdere uitwerking van een bellenscherm wordt de komende twee jaar in gezamenlijkheid uitgevoerd door het ministerie van l&m en het havenbedrijf Rotterdam. De stand van zaken is onder andere gepresenteerd aan de Stuurgroep Zoetwater Zuid-Holland Zuid en aan het Bestuurlijk Platform Zoetwater West-Nederland. Beide gremia zijn enthousiast over de resultaten van het onderzoek. Ook niet-overheden, waaronder LTO en het Havenbedrijf Rotterdam, zijn enthousiast over een bellenscherm in de Rijnmaasmonding. Ik vertrouw erop u hiermee voldoende te hebben geïnformeerd over de stand van zaken van de maatregelen ter beperking van de zoutindringing via de Rijnmaasmonding.