Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen langs de Merweden

Transcriptie

1 abcdefgh Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen langs de Merweden Opzet en toepassing van een SOBEK-model Afstudeeropdracht A.C.S. Mol

2 abcdefgh Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen langs de Merweden Opzet en toepassing van een SOBEK-model 8 december 2003 Afstudeeropdracht Arjan Mol Afstudeercommissie: - Dr. Ir. J.S. Ribberink - Dr. Ir. C. M. Dohmen-Janssen - Dr. Ir. Z.B. Wang - Ir. E. Snippen

3 Voorwoord Dit verslag is het resultaat van mijn afstudeeronderzoek voor de studie Civiele Techniek & Management aan de Universiteit Twente. Het betreft een onderzoek naar de morfologische effecten van rivierverruimende maatregelen in de Merweden. De studie is uitgevoerd aan het Rijksinstituut voor Integraal Zoetwaterbeheer en afvalwaterbehandeling (RIZA) te Dordrecht. Ik wil een aantal mensen bedanken voor hun steun tijdens dit onderzoek. In de eerste plaats mijn begeleider bij het RIZA, Edwin Snippen, bij wie ik dagelijks kon aankloppen voor vragen, problemen en adviezen. Verder gaat dank uit naar Marjolein Dohmen-Janssen en Zheng Bing Wang voor de hulp en adviezen via de en naar Jan Ribberink voor de adviezen tijdens de vergaderingen met de examencommissie. Tenslotte wil ik nog de medewerkers van RIZA Dordrecht bedanken voor de hulp die zij mij boden bij problemen. De afstudeerstage bij dit instituut verliep aangenaam dankzij de informele werksfeer, maar ook dankzij de expertise binnen dit instituut. Dordrecht, November 2003 Arjan Mol i Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

4 ii Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

5 Inhoudsopgave Voorwoord i Inhoudsopgave iii Samenvatting vii 1 Inleiding Achtergrond Doelstelling Onderzoeksvragen Opbouw rapport 3 2 Gebiedsomschrijving Inleiding Waterbeweging NDB Sedimenttransport NDB Morfologie NDB 8 3 Modelopzet Inleiding Morfologische Modellering in SOBEK Schematisatie Uitbreiding Baseline schematisatie Aanpassing bodemprofielen Invoer gebiedsspecifieke data Invoer gegevens korreldiameters Invoer gegevens baggerwerk Randvoorwaarden Modelinstellingen Initiële Run 19 4 Calibratie Inleiding Calibratiestrategie Calibratiedata Calibratievariabelen Effect aanpassing transportformule Engelund & Hansen Meyer-Peter-Müller Discussie Keuze Effect aanpassingen calibratiefactor Modelaanpassingen Resultaten Discussie Keuze Effect aanpassing korreldiameter 29 iii Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

6 4.5.1 Modelaanpassingen Resultaten Discussie Keuze Effect aanpassing Chézy waarden Modelaanpassingen Resultaten Discussie Keuze Uiteindelijke keuzes Modelinstellingen Resultaten Discussie Mogelijkheden van het model 36 5 Effecten rivierverruimende maatregelen Inleiding Maatregelen Steurgat Rivierverruiming knelpunt Gorinchem Theoretische analyse maatregelen Kwalitatieve bepaling effecten Kwantificering effecten Conclusies Resultaten SOBEK Inleiding Nulsituatie Steurgat Rivierverruiming knelpunt Gorinchem 49 6 Conclusies en aanbevelingen Conclusies Aanbevelingen 57 Referenties 59 Bijlage I Modellering waterbeweging SOBEK 65 Bijlage II SOBEK schematisatie takken NDB 67 Bijlage III Beschrijving Baseline 69 Bijlage IV Hydraulische calibratie model 71 Bijlage V Korreldiameters NDB 75 Bijlage VI Baggergegevens onderzoekstakken 79 Bijlage VII Bodemliggingen onderzoekstakken 81 Bijlage VIII Aanpassingen korreldiameter 83 Bijlage IX Controle hydraulische calibratie 85 iv Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

7 Bijlage X Korte termijn effecten maatregelen 87 Bijlage XI Bodemontwikkeling nulsituatie 91 v Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

8 vi Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

9 Samenvatting Het Noordelijk Deltabekken (NDB) is het estuarium van Rijn en Maas. Voor het NDB liggen er tal van beheersvragen op het gebied van ecologisch herstel, veiligheid en morfologische ontwikkeling van het systeem. Het huidige kennisniveau voor wat de morfologische modellering van het NDB betreft is onvoldoende om aan te kunnen geven wat de consequenties voor morfologische ontwikkelingen zijn bij een toekomstige verandering in het waterbeheer en/of bij nieuwe inrichtingsvraagstukken. Het laatste aspect speelt in dit onderzoek een rol. Het project Ruimte voor de Rivier is opgezet om ten eerste de veiligheid in het Nederlandse rivierengebied te waarborgen. Toekomstige klimatologische veranderingen stellen nieuwe eisen aan de riviersystemen. Herinrichtingsplannen van bepaalde riviertrajecten zijn opgesteld om het rivierensysteem aan de geëiste veiligheid te laten voldoen. Naast het veiligheidsaspect speelt ook de ruimtelijke kwaliteit van het rivierengebied een belangrijke rol in de voorgestelde maatregelen. Aan de daadwerkelijke uitvoering van de herinrichtingsplannen gaat een lang besluitvormingsproces vooraf. Hierin worden onder meer de maatregelen beoordeeld op bijkomende effecten, waarbij dankbaar gebruik gemaakt wordt van allerhande modellen. Voor wat de morfologische effecten ten gevolge van ingrepen in het NDB betreft schiet het huidige modelinstrumentarium tekort. In 2001 is een poging ondernomen door Wang [Wang, 2001] om een morfologisch SOBEK model van het NDB te calibreren. Een betrouwbare calibratie was echter niet mogelijk door het gebrek aan voldoende gebiedsspecifieke gegevens en tekortkomingen in de schematisaties. De doelstelling van deze studie luidt: Het opzetten en calibreren van het morfologische NDB model met behulp van SOBEK teneinde een tweetal maatregelen in het kader van het project Ruimte voor de Rivier, die worden toegepast in de Nieuwe en Boven Merwede, te onderzoeken op hun grootschalige morfologische effecten. De calibratie van het model is afgebakend tot de Merwede takken en de Waal. Het gebruikte model is een morfologisch SOBEK model van het gehele NDB, dat gebaseerd is op het hydraulische SOBEK model voor het NDB. Tijdens de opzet van het model zijn gebiedsspecifieke data ingevoerd, zoals korrelgegevens en baggergegevens. Verder zijn nieuwe verbeterde bodemschematisaties ingevoerd voor een aantal takken, waaronder de Nieuwe en Beneden Merwede. Tevens zijn de randvoorwaarden gespecificeerd die gebruikt zijn bij de calibratie. Aan de benedenranden zijn morfologisch bepalende getijden opgelegd, aan de bovenranden van het model daggemiddelde afvoeren. Als morfologische randen zijn gefixeerde bodemliggingen gebruikt. vii Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

10 Calibratie van het model heeft plaatsgevonden over de periode Hierbij is ten doel gesteld het model zodanig te calibreren dat het een juiste voorspelling betreffende de grootschalige morfologische ontwikkeling gerealiseerd kon worden. Onder grootschalige morfologische ontwikkeling wordt verstaan de totale volumeverandering van de bodem tijdens de periode per riviertak. Aangezien er in de gebruikte baggerdata een grote onnauwkeurigheid schuil gaat, zijn de marges waarbinnen het model de grootschalige morfologie moet beschrijven afhankelijk gesteld van de onnauwkeurigheid in de baggercijfers. De gebruikte calibratievariabelen zijn: keuze transportformule, calibratiefactor transportformule, korreldata en Chézy waarden. De onderzochte transportformules zijn Engelund & Hansen en Meyer- Peter-Müler. Na een serie modelruns waarin beide formules gebruikt zijn, is een keuze gemaakt tussen de twee transportformules. Hieruit kwam naar voren dat de formule van Engelund & Hansen de beste keuze was voor verdere calibratie. Tijdens de verdere calibratie is de ingevoerde korreldiameter aangepast op de Waal en de Merwede takken. Verder zijn de Chézy waarden op de Beneden Merwede enigszins aangepast. Het aldus verkregen model is in staat om de grootschalige morfologische ontwikkeling conform de vooraf gestelde eisen te beschrijven, uitgezonderd voor de Beneden Merwede. De beste resultaten zijn gehaald voor de Nieuwe Merwede. Bij het voorspellen van de effecten van de voorgestelde maatregelen in het kader van Meer ruimte voor de Rivier geldt dat deze altijd in relatieve zin beschouwd zijn, dat wil zeggen in vergelijking met de autonome situatie, waarin geen maatregelen worden toegepast. In het onderzoek zijn twee maatregelen bestudeerd. De eerste betreft het openzetten van het Steurgat, waarbij water tijdens extreme afvoer vanuit de Nieuwe Merwede via het Steurgat afgevoerd kan worden richting de Biesbosch. De andere maatregel heeft betrekking op de vernauwing in de Boven Merwede ter hoogte van Gorinchem. Hier is een zomerbedverbreding in combinatie met de optimalisatie van een nevengeul aan de noordoever toegepast. Beide maatregelen zijn geschematiseerd in SOBEK en de effecten zijn afzonderlijk bepaald. De gehanteerde simulatieperiode bedraagt 50 jaar. Aangezien het model gecalibreerd is met gebruikmaking van baggerwerkzaamheden is ook tijdens de bepaling van de effecten de baggeroptie toegepast. Hiervoor is een over 10 jaar gemiddeld baggercijfer gebruikt. Verder zijn dezelfde instellingen en randvoorwaarden toegepast als tijdens de calibratie. De maatregel Steurgat brengt geen grote morfologische effecten met zich mee. De maatregel is namelijk zodanig ontworpen dat deze slechts bij extreme afvoeren (met een overschrijdingsfrequentie van één maal per jaar) actief is. Op de Waal, de Boven Merwede en de Beneden Merwede zijn de effecten verwaarloosbaar. Op de Nieuwe Merwede zijn ten opzichte van de nulsituatie sedimentatiegolven zichtbaar met toppen van zo n 12 cm. In vergelijking met de bodemontwikkelingen die zich in dezelfde tijdsperiode voordoen in de nulsituatie, zijn deze effecten aanzienlijk kleiner. De maatregel zorgt verder voor een viii Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

11 bodemstijging op lange termijn (50 jaar) van zo n 4 cm op een groot deel van de Nieuwe Merwede. De maatregelen nabij Gorinchem hebben veel grotere effecten op de morfologie tot gevolg. Dit is hoofdzakelijk te wijten aan de zomerbedverbreding. Deze maatregel is bij alle afvoeren merkbaar, terwijl de maatregel Steurgat alleen bij extreme afvoeren ingezet zal worden. De bodem zal ter plaatste van het tracé van de zomerbedverbreding 2 meter boven de bodem in de nulsituatie komen te liggen. Verder ontstaat een erosiegolf na de toepassing van de ingrepen, die zich in benedenstroomse richting voortplant. De golf heeft aanvankelijk een diepte van -2 m ten opzichte van de nulsituatie, maar naar gelang de golf zich voortplant neemt de diepte af en de breedte toe. De golf plant zich ook voort op de Beneden Merwede en op de Nieuwe Merwede, waar de golf verder afzwakt door diffusie. Na 50 jaar heeft de golf het eind van beide takken nog niet bereikt. Door de grote effecten van alleen de zomerbedverbreding zijn de effecten van de nevengeul te verwaarlozen. ix Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

12 x Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

13 1 Inleiding Achtergrond Het Noordelijk Deltabekken (NDB) is het estuarium van Rijn en Maas. Voor het NDB liggen er tal van beheersvragen op het gebied van ecologisch herstel, veiligheid en morfologische ontwikkeling van het systeem. Huidige ontwikkelingen ten gevolge van klimaatveranderingen [KNMI, 2003] zoals zeespiegelstijging en verhoogde rivierafvoeren stellen nieuwe eisen aan de riviersystemen. Verdere dijkverbetering past echter niet goed in de integrale benadering van de hoogwaterproblematiek. Meer ruimte voor de rivier is een belangrijk aspect van de hedendaagse visie op waterbeheer. Tegelijkertijd worden er ook steeds hogere eisen aan de ruimtelijke kwaliteit van het Nederlandse rivierengebied gesteld. Met de nieuwe aanpak van de veiligheidsproblematiek in het rivierengebied ontstaat een koppeling met het beleid op het gebied van de ruimtelijke ordening, waarin gepleit wordt voor een verbetering van de ruimtelijke kwaliteit van het rivierengebied. De nadruk wordt hierbij gelegd op natuurontwikkeling in het rivierengebied. Bovengenoemde aspecten vragen om een herinrichting van de huidige riviergebieden. In het kader van de PKB (Planologische Kern Beslissing) Ruimte voor de rivier worden de mogelijkheden van rivierverruiming onderzocht [Startnotitie MER, 2002]. Voor het NDB ligt de prioriteit hierbij in en rond de Boven Merwede, de Beneden Merwede en de Nieuwe Merwede. Inmiddels zijn tal van rivierverruimende maatregelen ontworpen. Deze maatregelen worden naast de hydraulische effectiviteit ook onderzocht op effecten op de morfologie van het riviersysteem. Inschatting van deze effecten wordt gedaan op basis van expert-judgement. Model berekeningen zouden deze inschattingen kunnen versterken. Echter, een adequaat morfologisch model is voor het NDB nog niet beschikbaar. In juni 2000 is een begin gemaakt met het opzetten van twee morfologische modellen voor het NDB: SOBEK-MOR en ESTMORF [Wang, 2000]. Dit laatste model is een semi-empirisch 1D model, het SOBEK model daarentegen is proces gebaseerd 1D model. Uit dit onderzoek kwamen naast een aantal problemen met beide modellen ook de mogelijkheden voor morfologische modellering van het NDB naar voren. In 2001 is het onderzoek vervolgd door een eerste calibratie uit te voeren met het SOBEK-MOR model voor het NDB. Problemen met het model en het ontbreken van gegevens maakte een volledige en betrouwbare calibratie onmogelijk [Wang, 2001]. 1 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

14 Inmiddels zijn aanvullende gegevens beschikbaar gekomen. Hiermee is een calibratie van het model wel mogelijk. Deze studie onderzoekt de morfologische effecten van rivierverruimende maatregelen in de Boven Merwede en de Nieuwe Merwede met behulp van een morfologisch SOBEK model, dat hiervoor eerst gecalibreerd zal worden. 1.2 Doelstelling De doelstelling van deze studie luidt: Het opzetten en calibreren van het morfologische NDB model met behulp van SOBEK teneinde een tweetal maatregelen in het kader van het project Ruimte voor de Rivier, die worden toegepast in de Nieuwe en Boven Merwede, te onderzoeken op hun grootschalige morfologische effecten. De maatregelen zijn gepland rond het splitsingspunt van de Merweden. De morfologische effecten van deze maatregelen zullen zich voornamelijk manifesteren op de omringende takken. De calibratie beperkt zich dan ook tot de Waal en de Merwede takken, die in het vervolg aangeduid worden als de onderzoekstakken. Wel wordt met de hele NDB SOBEK schematisatie gerekend. Dit met het oog op toekomstige uitbreiding van de calibratie. Hierbij wordt de meeste nadruk gelegd op de Boven en de Nieuwe Merwede. De rivierverruimende maatregelen die in dit onderzoek bestudeerd worden zijn immers op deze takken gepland. Met grootschalige morfologische effecten wordt bedoeld de totale volumeverandering van de rivierbodem voor één bepaalde onderzoekstak, ofwel de sedimentbalans per tak. Hier zal het model ook op worden gecalibreerd volgens bepaalde eisen. 1.3 Onderzoeksvragen De onderzoeksvragen bij bovenstaande doelstelling luiden: 1. Wat zijn de morfologische effecten van een tweetal maatregelen in het kader van het project Ruimte voor de Rivier? 2. Wat zijn de karakteristieke instellingen en waarden van parameters voor het SOBEK-MOR model van het Noordelijk Deltabekken? Deelvragen hierbij zijn: 1.1 Wat is de autonome ontwikkeling van het gebied? 1.2 Welke termijn wordt onderzocht? 1.3 Welke maatregelen worden onderzocht? 1.4 Wat zijn de effecten van de maatregelen volgens SOBEK? 1.5 Zijn de door SOBEK voorspelde effecten overeenkomstig de verwachting? 2.1 Waarop wordt het model afgeregeld? 2.2 Met welke calibratieparameters wordt het model afgeregeld? 2 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

15 2.3 Welke calibratie-eis wordt gehanteerd? 2.4 Voor welke takken is een betrouwbare calibratie mogelijk? 2.5 Welke problemen treden er op tijdens de calibratie? 2.6 Wat is hiervan de vermoedelijke oorzaak? 1.4 Opbouw rapport Dit rapport is als volgt ingedeeld. In het volgende hoofdstuk is een beschrijving gegeven van het onderzoeksgebied. De waterbeweging, sedimentbeweging en morfologische ontwikkeling komen hierin naar voren. In hoofdstuk 3 wordt de opbouw van het model beschreven. Het huidige model wordt hier uitgebreid met aanvullende gegevens zoals gebiedsspecifieke data. Na de opbouw van het model wordt het model gecalibreerd. Hoofdstuk 4 geeft een beschrijving van deze calibratie en de uitkomsten daarvan. In hoofdstuk 5 wordt het gecalibreerde model toegepast in het kader van het project Ruimte voor de rivier. In dit hoofdstuk worden een tweetal rivierverruimende maatregelen onderzocht op de morfologische effecten in de onderzoekstakken. Naast een analytische analyse van deze effecten zal het model gebruikt worden om deze effecten te beschrijven. In het laatste hoofdstuk zijn enkele conclusies en aanbevelingen opgesomd naar aanleiding van deze studie. 3 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

16 4 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

17 # # 2 Gebiedsomschrijving Inleiding Figuur 2.1 Het Noordelijk Deltabekken Het huidige Noordelijk Deltabekken (figuur 2.1) is het estuarium van Rijn en Maas. De oostelijke begrenzing van het gebied wordt gevormd door de plaatsen tot waar de getij-invloed merkbaar is (Hagestein, Tiel, Lith). Noordzee Hoek van Holland Nieuwe Waterw eg Hartelkanaal Rotterdam H oll andsche Gouda IJssel Lek Hagestein Nieuwe Maas Tiel Haringvlietsluizen Noord Haringvliet Spui Ou de Maas Hollandsch Diep Dordtsch e Kil Beneden Merwede Dordrecht Biesbosch Nie uwe Merwede Amer Boven Merwede Afgedamde Bergsche Maas M aas Waal Maas Lith Volkeraksluizen Volkerak Kilometers Schaal (A4) 1 : N De westelijke begrenzing ligt in zee, daar waar het zoete rivierwater volledig is vermengd met het zeewater (Maasmond en buiten de Haringvlietsluizen). Van een bekken is pas sprake sinds de afsluiting van het Hollandsch Diep en Haringvliet door de aanleg van de Volkeraksluizen (1969) en de Haringvlietsluizen (1970). Kenmerkend voor het huidige Noordelijk Deltabekken zijn de vele vertakkingen en kortsluitingen die de riviertakken met elkaar maken. In het algemeen hebben de riviertakken een weinig variërende, regelmatige en min of meer rechthoekige dwarsdoorsnede met een eveneens regelmatige bodemgeometrie zonder plaat/geulconfiguraties. In het Hollandsch Diep en Haringvliet komen nog wel geulen en platen voor, relicten uit de tijd van voor de afsluiting. In de meer bovenstrooms gelegen delen zijn er de typische verschijningsvormen van zomerbedding en uiterwaard; hierbij treden verschillen op tussen stroomvoerende en kombergende dwarsdoorsneden. Globaal de helft van het totale kombergende oppervlak bevindt zich in het Hollandsch Diep/Haringvliet. Daarnaast kan in het gebied komberging in de vorm 5 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

18 van dode takken en havens onderscheiden worden (Calandkanaal, Hollandsche IJssel, havens in Europoort, langs de Nieuwe Maas en de Afgedamde Maas). Een overzichtskaart van de onderzoekstakken is gegeven in figuur 2.2. Hierin is ook de kilometrering aangegeven Figuur 2.2 Overzichtskaart onderzoekstakken 2.2 Waterbeweging NDB De waterbeweging in het gebied wordt bepaald door het binnendringen van het getij vanuit zee, de aanvoer van water door de rivieren en het lozingsprogramma van de Haringvlietsluizen. Door de dichtheidsverschillen tussen het zoete rivierwater en het zoute zeewater komt in delen van het gebied een situatie met een zoute onderlaag en zoete bovenlaag voor, waarvan de stroomrichtingen soms tegengesteld zijn. Ook de wind heeft invloed op de waterbeweging in het gebied. Opwaaiing op zee kan de afvoer van water naar zee bemoeilijken en ook binnen het gebied kan opwaaiing de waterbeweging beïnvloeden. Het getij is het sterkst op de riviertakken langs de noordrand van het gebied en op het westelijk deel van de Oude Maas. Van daaruit dringt het door naar het zuidelijk en oostelijk deel. In een groot deel van het gebied treedt in het algemeen viermaal per dag een omkering van de stroomrichting op. In het overgangsgebied is dit proces echter afhankelijk van de rivierafvoer. Bij hoge afvoeren zal geen omkering van de stroomrichting optreden. Slechts op de bovenstroomse riviertakken is sprake van een uniforme stroomrichting. De rivierafvoeren van de Rijn en de Maas variëren met de seizoenen. De afvoer van de Maas is sterker weersafhankelijk dan die van de Bovenrijn en qua grootte geringer (10 à 20 % van de Bovenrijnafvoer). Wel zijn beide afvoeren redelijk aan elkaar gecorreleerd vanwege de correlatie in regenval in de stroomgebieden. Er kan wel een verschil van een aantal dagen optreden in het tijdstip waarop de afvoertoppen Nederland bereiken. De restafvoerverdeling in het Noordelijk Deltabekken wordt met behulp van het spuiregime van de Haringvlietsluizen beïnvloed. In het algemeen wordt gestreefd naar een constante restafvoer over de Waterweg van ongeveer 1500 m 3 /s (de restafvoer is het gemiddelde 6 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

19 debiet over één of meerdere getijperioden). De wind (met name tijdens stormcondities) heeft invloed op de waterstand en kan daarmee de afvoerverdeling in het Noordelijk Deltabekken verstoren. 2.3 Sedimenttransport NDB De sedimenten die in het gebied worden aangetroffen zijn afkomstig van de rivieren en vanuit de zee. Voor het sedimenttransport vanuit de rivieren is vooral de Waal van belang. De Lek en de Maas hebben respectievelijk bij Hagestein en Lith een stuw waardoor sedimenttoevoer bij lage afvoeren voor een groot deel wordt tegengehouden. Bij hogere rivierafvoeren worden deze stuwen geheven. Daardoor neemt vooral de bijdrage van de Lek aan het sedimenttransport belangrijk toe. In tabel 2.1 worden de door van Dreumel (1995) berekende hoeveelheden slib en zand die gemiddeld jaarlijks via de rivieren worden aangevoerd, gegeven op basis van de sedimentbalans Tabel 2.1 Hoeveelheden slib en zand die gemiddeld per jaar op de rivierranden worden aangevoerd. Waal Lek Maas Slib (10 6 ton/j) 2,40 0,55 0,45 Zand (10 6 ton/j) 1,05 0,30 0,20 Meer dan de helft van het via de rivieren aangevoerde sediment komt terecht in het zuidelijke gedeelte van het Noordelijk Deltabekken (Nieuwe Merwede, Amer, Hollandsch Diep en Haringvliet), een deel sedimenteert in het noordelijk gebiedsdeel en het restant wordt afgevoerd naar zee (tabel 2.2). Vanuit zee wordt, via de Maasmond, jaarlijks gemiddeld 3, ton slib aangevoerd en 2, ton zand. Dit mariene sediment wordt voornamelijk afgezet in de Maasmond, op de Nieuwe Waterweg en in de Rotterdamse havens Tabel 2.2 Hoeveelheden zand en slib die gemiddeld jaarlijks op de zeeranden worden aangevoerd (+) cq afgevoerd (-), alsmede de resulterende aanvoer. Maasmond Haringvliet Zeeranden + - netto sluizen totaal Slib (10 6 ton/j) 3,50 0,70 +2,80-0,21 2,59 Zand (10 6 ton/j) 2,30 0,30 +2,00-0,05 1,95 De sedimenten zijn ruwweg te onderscheiden in het grofkorrelige zand en het fijnkorrelige cohesieve slib. Vanwege een relatieve grote valsnelheid wordt zand voornamelijk als bodemtransport getransporteerd. Bij hogere snelheden (als gevolg van hogere afvoeren) kan zand echter ook in gesuspendeerde vorm getransporteerd worden. Tussen de waterbeweging en het zandtransport bestaat een vrij directe relatie met de korreldiameter als belangrijke parameter. Slib bestaat voor een belangrijk deel uit organische stof. De hoeveelheid organische stof kan echter sterk in de tijd variëren, waardoor eveneens de slibeigenschappen veranderen. Onder invloed van fysisch/chemische en/of biologische oorzaken kunnen slibdeeltjes samenklonteren (flocculeren) en als grotere deeltjes gaan deelnemen aan de transportprocessen. Vanwege de vrij lage valsnelheid kan het 7 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

20 slib vrij gemakkelijk in suspensie blijven en kan daardoor horizontaal over grote afstanden worden verplaatst. Het netto sedimenttransport van zand en slib is het samenspel van erosie, verticale en horizontale verplaatsing, flocculatie, sedimentatie en consolidatie waarbij de processen elkaar onderling kunnen beïnvloeden. Zowel ten aanzien van zand als slib geldt dat erosie en sedimentatie kunnen leiden tot veranderingen in de waterdiepte en de hydraulische ruwheid en daarmee tot veranderingen in de waterbeweging in het systeem. 2.4 Morfologie NDB Het verbeteringsprogramma voor de Waterweg (verdieping van de Waterweg en aanleg havens, ) en de afsluiting van het Volkerak (1969) en het Haringvliet (1970) betekenden een trendbreuk in de morfologische ontwikkeling van het Noordelijk Deltabekken. Het Noordelijk Deltabekken is na deze werken een door Rijn en Maas gevoed reservoir, waarin het getij slechts kan doordringen via de Nieuwe Waterweg (Nieuwe Maas) en Oude Maas. De morfologische ontwikkeling van het Noordelijk Deltabekken in de eerste 10 jaar naar de afsluiting van het Haringvliet ( ) is samengevat door Allersma (1988). Zowel in de noordrand als in de zuidrand traden in deze periode afzettingen van slib en zand op. De sedimentatie van zand en slib in de noordrand (Lek, Nieuwe Maas, Nieuwe Waterweg, Hollandsche IJssel) werd gecompenseerd door nautisch baggerwerk. De sedimentatie in de zuidrand (Bergsche Maas, Amer, Nieuwe Merwede, Haringvliet, Hollandsch Diep) zorgde echter voor verdere verontdieping. Hierbij werd zowel zand als slib afgezet. In het westelijk middendeel van het Noordelijk Deltabekken (Spui, Oude Maas en Noord) was echter sprake van erosie. Van Dreumel (1995) beschrijft de morfologische ontwikkeling van het Noordelijk Deltabekken in de periode De bodem in het grootste gedeelte van de zuidrand is in die periode door slibafzettingen verder verondiept. In de rest van het bekken is de bodem of verdiept (Nieuwe Waterweg en het middengedeelte-west als gevolg van erosie en extra baggerwerk) of nauwelijks veranderd (door middel van baggerwerkzaamheden op diepte houden van de rest van de noordrand en het middengedeelte-oost). De scheiding tussen zandige en slibrijke bodems kan in het Noordelijke Deltabekken per locatie sterk verschillen. In het algemeen wordt zand voornamelijk in gebieden met een sterke stroming van het water aangetroffen. Dit zijn onder andere de relatief snelstromende rivieren als de Lek en de verschillende Merweden, maar ook de monden van de beide estuaria en oude riviertakken in het middengebied zoals de Oude Maas, Spui, Dordtsche Kil en Noord, De bodem bestaat voornamelijk uit slib in gebieden die gekenmerkt worden door relatief lage stroomsnelheden, zoals achter in de Hollandsche IJssel, in havens, de Biesbosch, de Amer, het Haringvliet, het Hollandsch Diep en de Afgedamde Maas. 8 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

21 Tabel 2.3 D50 bovenstrooms en benedenstrooms per tak NBD (2002). Riviertak D50 bovenstrooms [mm] D50 benedenstrooms [mm] Maas (Lith)-Bergsche Maas 0,60 0,48 Amer 0,37 0,13 Hollandsch Diep-Haringvliet 0,11 0,12 Waal (Rossum)-Boven Merwede 1,01 0,63 Beneden Merwede 0,83 0,35 Nieuwe Merwede 0,41 0,28 Dordtsche Kil 0,46 0,24 Oude Maas 0,32 0,29 Spui 0,33 0,17 Noord 0,41 0,40 Lek (vanaf Hagestein) 0,47 0,41 Nieuwe Maas 0,43 0,03 Nieuwe Waterweg 0,18 0,49 In 2002 zijn van vrijwel alle takken van het gehele Noordelijk Deltabekken bodemmonsters onderzocht om zodoende de korrelgrootte verdelingen te bepalen. Hieruit zijn verschillende kenmerkende korreldiameters te bepalen, zoals de D50, D10, D90, D35 en de D65. In tabel 2.3 is een overzicht gegeven van de mediane korreldiameter (D50) voor de belangrijkste takken in het NDB. Op vrijwel alle takken vindt er in benedenstroomse richting verfijning van de korrels plaats, het zogenaamde downstream fining. Op het traject Hollandsch Diep Haringvliet blijft de D50 vrijwel constant en op de Nieuwe Waterweg neemt de D50 zelfs toe, als gevolg van zand dat vanuit zee wordt afgezet benedenstrooms in de Nieuwe Waterweg. Ook in de tijd kan de sedimentsamenstelling van een waterbodem veranderen. Kenmerkend was bijvoorbeeld de grote hoeveelheden slib die gedurende de beginperiode na sluiting van het Haringvliet in de Nieuwe Merwede werden afgezet. In deze periode was vanwege het wegvallen van het getij het dwarsprofiel van de Nieuwe Merwede te groot. Hierdoor trad een gemiddeld lage stroomsnelheid in de Nieuwe Merwede op, waardoor slib in de bedding tot afzetting kon komen. Nadat het dwarsprofiel van de Nieuwe Merwede als gevolg van deze slibsedimentatie verkleinde en de gemiddelde stroomsnelheid toenam, werden deze sliblagen met zand afgedekt. In het algemeen kan worden gesteld dat de bodem in het zuidelijk deel van het Noordelijk Deltabekken ten opzichte van de rest van het gebied stijgt, waardoor het bekken kantelt. De rivierbeddingen in grote delen van het Noordelijk Deltabekken zijn zich nog steeds aan het aanpassen aan de gewijzigde situatie. Dit zal ook nog gedurende langere tijd zo blijven. Met name de zuidrand zal nog verdere verontdieping laten zien. In gedeelten van de Nieuwe Maas, de Hollandsche IJssel, de Nieuwe Merwede, de Bergsche Maas en de Afgedamde Maas is de bodemligging redelijk stabiel. Deze ontwikkeling zal in de toekomst gevolgen kunnen hebben voor de verdeling van water in het Noordelijk Deltabekken en daarmee voor het sedimenttransport en de morfologische ontwikkeling. 9 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

22 10 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

23 3 Modelopzet Inleiding In 2000 is een eerste poging gedaan om een morfologisch SOBEK model van het NDB te calibreren [Wang, 2000]. Hieruit kwam naar voren dat de calibratie niet mogelijk was door het ontbreken van voldoende gebiedsspecifieke gegevens en door onvolkomenheden in de schematisaties van bepaalde takken. Het model is daarom nog niet geschikt als hulpmiddel bij het bepalen van de morfologische effecten ten gevolge van rivierverruimende maatregelen. Dit hoofdstuk beschrijft de opzet en verbetering van het model door de invoer van de nieuwe data. Onderstaand schema laat zien welke nieuwe data er zijn ingevoerd en welke gegevens en instellingen er uit het model van Wang [2001] zijn overgenomen. Nieuwe invoer: - schematisering Nieuwe Merwede, Beneden Merwede en Biesbosch - korreldata - baggerdata - bovenstroomse hydraulische randvoorwaarden Model Wang: - basis schematisatie - morfologische randvoorwaarden - benedenstroomse hydraulische randvoorwaarden - numerieke parameters - instellingen sedimentverdeling splitsingspunten - keuze transportformule nieuw model Dit hoofdstuk is als volgt opgebouwd: in paragraaf 3.2 wordt SOBEK- MOR beschreven. Ter verduidelijking van de werking van SOBEK- MOR, worden de vergelijkingen beschouwd waarop het morfologische model gebaseerd is. In paragraaf 3.3 wordt de modelschematisatie van het NDB toegelicht. Sinds het onderzoek van Wang [2000] zijn nieuwe schematisaties voor enkele belangrijke takken ontworpen. De invoer van deze nieuwe schematisaties is een belangrijke verbetering van het model, aangezien de verouderde schematisaties in het model van Wang [2001] voor problemen zorgden. Naast de nieuwe schematisaties zijn ook de resultaten beschikbaar van een grootschalig onderzoek in het NDB naar korreldiameters van het bodemmateriaal. Verder zijn voor een groot aantal takken de baggerwerkzaamheden in de afgelopen 20 jaar bekend. Al deze nieuwe gegevens vormen een waardevolle aanvulling op het morfologische 11 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

24 model van Wang, zodat een morfologische calibratie nu wel mogelijk is. Paragraaf 3.4 geeft een overzicht van deze gegevens. Vervolgens zijn in paragraaf 3.5 de tijdens de calibratie gehanteerde modelinstellingen gegeven. Afsluitend is in paragraaf 3.6 een beschrijving gegeven van de eerste run met het model. Hierin worden enkele problemen, die zorgen voor instabiliteit, geconstateerd en opgelost. 3.2 Morfologische Modellering in SOBEK SOBEK is een computerprogramma waarmee de water- en zoutbeweging en daaraan gerelateerde processen als sedimenttransport en morfologie in een systeem van open waterlopen één-dimensionaal kunnen worden gemodelleerd. In deze paragraaf wordt een korte beschrijving gegeven van de werking van het morfologische deel van SOBEK. De modellering van de waterbeweging is opgenomen in bijlage I. De informatie is afkomstig uit de SOBEK technical reference manual [SOBEK Help Desk, 2000]. Morfologische veranderingen worden bepaald met behulp van de continuïteitsvergelijking voor bodemmateriaal: As S = slat (vergelijking 3.1) t x met: A s Sedimenttransporterende dwarsdoorsnede [m 2 ]; S Sedimenttransport door de dwarsdoorsnede inclusief porievolume [m 3 /s]; Laterale sedimenttoevoer inclusief porievolume [m 2 /s]. s lat Tezamen met de continuïteitsvergelijking en de bewegingsvergelijking voor water vormt deze vergelijking een set die door SOBEK numeriek opgelost wordt. Hierbij hanteert SOBEK de volgende werkwijze: eerst wordt de waterbeweging bepaald op basis van een vaste dwarsdoorsnede die tijdens de voorgaande rekenstap is bepaald. Vervolgens worden de morfologische aanpassingen bepaald op basis van de waterbeweging en wordt de dwarsdoorsnede aangepast. Het sedimenttransport S wordt als volgt bepaald: S = W c s (vergelijking 3.2) s f met: W s Sedimenttransporterende breedte [m]; c f Calibratiefactor transportformule (paragraaf 4.2.2) [-]; s Sedimenttransport per eenheid van breedte [m 2 /s]. Met behulp van een aantal mogelijke transportformules kan s bepaald worden. Deze transportformules beschrijven het sedimenttransport op basis van lokale omstandigheden zoals bodemruwheid, stroomsnelheid en korrelgrootte. Concreet bepaalt SOBEK als volgt de morfologische verandering: SOBEK bepaalt het verschil in sedimenttransport tussen twee rekenpunten (gridpunten). Rekening houdend met de laterale toe- of afvoer van sediment, bepaalt SOBEK op basis hiervan de verandering 12 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

25 van sedimenttransporterende dwarsdoorsnede, wat neerkomt op een verandering in bodemhoogte. Voor de verdeling van sediment bij splitsingen bestaat de mogelijkheid om hiervoor verschillende relaties te gebruiken. Naar aanleiding van het vooronderzoek [Wang, 2000] is hier gekozen om de machtsrelatie voorgesteld door Wang et al. [1995] te gebruiken. S1 Q = S 2 Q met: 1 2 S n Q n B n k B1 B2 1 k sedimenttransport op tak n [m 3 /s] debiet op tak n [m 2 /s] breedte op tak n [m] (vergelijking 3.3) De waarde van k bepaalt de stabiliteit van splitsingen. Bij kleine waarden van k is een splitsing instabiel en zal er op den duur alleen één benedenstroomse tak overblijven. Bij grote waarden van k is een splitsing stabiel en zullen alle benedenstroomse takken open blijven. 3.3 Schematisatie In bijlage II is een overzicht opgenomen van alle takken en knooppunten in het NDB model. De geometrie van de takken is geschematiseerd door het definiëren van bodemprofielen. In de huidige modelschematisatie is gebruik gemaakt van twee typen schematisaties. Het merendeel van de takken is geschematiseerd gelijk aan het hydraulische model voor het NDB, dat in 2000 is ontwikkeld [van der Linden en van Zetten, 2002]. Hierbij is er elke 2 km een bodemprofiel gedefinieerd. Voor enkele bovenstroomse takken, zoals Waal, Boven Merwede en Lek, is echter gebruik gemaakt van nieuwe schematisaties (op Baseline 1 gebaseerd), met bodemprofielen om de 500 m. Uit het onderzoek van Wang [2001] is gebleken dat deze nieuwe schematisaties zorgen voor stabielere en nauwkeurigere modelberekeningen. Uitbreiding van de Baseline-schematisaties naar de benedenstroomse takken is één van de aanbevelingen die Wang doet naar aanleiding van zijn onderzoek. Gezien de scope van dit onderzoek is het vooral voor de Nieuwe Merwede en de Beneden Merwede wenselijk om hier ook met Baseline-schematisaties te werken. In bijlage III is een korte beschrijving opgenomen van Baseline. Figuur 3.1 geeft een overzicht van de stroomvoerende oppervlakken voor de onderzoekstakken gedurende een bepaalde afvoer. Vooral op de Beneden Merwede en Nieuwe Merwede nemen de stroomvoerende oppervlakken aanzienlijk toe in benedenstroomse richting. 1 Voor de aanmaak van dwarsprofielen voor het SOBEK model wordt Baseline gebruikt. Baseline is een softwarepakket waarmee schematisaties tbv de invoerbestanden voor SOBEK gestructureerd kunnen worden uitgevoerd. Baseline is een ARC/INFO-database waarmee geografische informatie van een rivierengebied wordt verwerkt tot een netwerkstructuur met doorstroomprofielen, bergend oppervlak, zomerkaden, enz. 13 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

26 Figuur 3.1 Stroomvoerende oppervlakken langs de vier onderzoekstakken bij een Waal-afvoer van ca 1500 m 3 /s. Stroomvoerend oppervlak (m2) kmr Beneden Merw ede Nieuw e Merw ede Waal en Boven Merw ede Uitbreiding Baseline schematisatie Voor de Merwede takken, de Biesbosch takken en de Bergsche Maas, de Amer en een deel van het Hollandsch Diep zijn inmiddels ook baseline schematisaties beschikbaar [Hartman et al, 2001], gebaseerd op bodempeilingen uit Figuur 3.2 Uitbreiding Baseline schematisatie. De SOBEK-vakken zijn weergegeven en ook de hoogteligging. Op basis hiervan maakt Baseline de nieuwe schematisaties voor elk vak. Figuur 3.2 geeft een overzicht van de nieuwe schematisaties van deze takken. Deze schematisaties zijn ingevoerd in het morfologische model. Vervolgens is het model opnieuw hydraulisch gecalibreerd omdat de aanpassingen in de bodemschematisaties ook de waterbeweging beïnvloeden. De calibratie is beschreven in bijlage IV. Hieruit blijkt dat aan de vooraf gestelde doelstellingen voor de hydraulische calibratie niet kon worden voldaan. De effecten op de morfologische modellering zijn echter verwaarloosbaar. Bovendien zijn in vergelijking met het oorspronkelijke hydraulische model de calibratieresultaten niet verslechterd. Het gebruik van het nieuwe hydraulische model in plaats van het oude model als basis voor het morfologische model is hiermee gerechtvaardigd. 14 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

27 3.3.2 Aanpassing bodemprofielen De bodemprofielen in het huidige model zijn gebaseerd op bodempeilingen uit Door de uitbreiding van de baseline schematisatie op enkele takken zijn nu op die takken de bodemprofielen overeenkomstig de peilingen uit Voor de morfologische calibratie is het noodzakelijk om deze bodemprofielen aan te passen, om overal een gelijke startbodem te verkrijgen. Wegens gebrek aan bodempeilingen van de takken in de Biesbosch, kan voor deze takken geen correctie worden uitgevoerd Figuur 3.3 Afwijking beginbodem SOBEK ten opzichte van meting voor de Nieuwe Merwede/ 0,75 Nieuwe Merwede afwijking (m) 0,00 nieuw e afw ijking oorspronkelijke afw ijking -0, kmr Figuur 3.4 Afwijking beginbodem SOBEK ten opzichte van meting voor de Beneden Merwede. 0,75 Beneden Merwede afwijking (m) 0,00 nieuw e afw ijking oorspronkelijke afw ijking -0, kmr Voor de andere takken is de correctie uitgevoerd door een sedimentonttrekking of toevoeging te bepalen, gelijk aan het volumeverschil van de bodem tussen 1990 en Voor elk SOBEK hoofdgeulvak (hoofdgeulvakken zijn weergegeven in figuur 3.2) is dit volumeverschil bepaald door de bodemhoogtegrids (op basis van metingen) uit 1990 en 1999 van elkaar af te trekken en de zo berekende verschillen per gridcel te sommeren over alle cellen binnen een SOBEK-vak. Deze onttrekking of toevoeging kan worden toegepast in de eerste tijdstap van een modelrun, zodat de bodem ook in één tijdstap wordt aangepast. Figuur 3.3 en figuur 3.4 laten respectievelijk voor de Nieuwe en de Beneden Merwede de resultaten van deze aanpassing zien. De SOBEK beginbodem komt goed overeen met de 15 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

28 bodemmetingen uit De afwijking is veel kleiner geworden dan de oorspronkelijke afwijking van de beginbodem (op basis van peilingen uit 1999 was geschematiseerd) in vergelijking met de peiling uit Invoer gebiedsspecifieke data Invoer gegevens korreldiameters In 2002 is een grootschalig bodemmonster onderzoek gedaan voor vrijwel het gehele NDB [Fugro, 2002]. Op basis hiervan kunnen allerhande korrelgroottes bepaald worden. Er is gekozen om in SOBEK 5 km gemiddelde korrelgroottes in te voeren. De ruwe gegevens vertonen vaak abrupte schommelingen per plaats. Deze uitschieters kunnen bijdragen aan de instabiliteit van het model. Ook fysisch gezien kan een opeenvolging van grove en fijne trajecten leiden tot irreële verhoging of verlaging van de transportcapaciteit. Immers, in werkelijkheid zal er veel meer sprake zijn van geleidelijke overgangen Figuur 3.5 Mediane korreldiameter langs Waal Boven Merwede Beneden Merwede. Waal - Boven Merwede - Beneden Merwede 2,5 ruw e data 2 5 km gemiddeld D50 (mm) 1,5 1 0, kmr Figuur 3.6 Mediane korreldiameter langs Waal Boven Merwede Nieuwe Merwede. 2,5 Waal - Boven Merwede - Nieuwe Merwede ruw e data 2 5 km gemiddeld D50 (mm) 1,5 1 0, kmr Figuur 3.5 en figuur 3.6 geven een overzicht van de ruwe en de 5 km gemiddelde waarden voor respectievelijk de takken Waal-Boven Merwede-Beneden Merwede en Waal Boven Merwede - Nieuwe 16 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

29 Merwede. Ook al ligt de focus van deze studie op de Waal en de Merwede takken, de korrelgegevens van de overige takken zullen ook worden ingevoerd in het model om zodoende een goed basismodel te verkrijgen voor het gehele NDB (bijlage V) Invoer gegevens baggerwerk Voor een deel van het NDB zijn baggergegevens over de periode beschikbaar gesteld [RWS-DZH, 2002]. Deze gegevens, waaronder de baggercijfers voor de Merwede takken en de Waal, zijn ingevoerd in SOBEK. Voor de vier onderzoekstakken zijn de baggerhoeveelheden weergegeven in bijlage VI. De baggerdata voor de overige takken zijn niet in dit rapport opgenomen. Voor de onderzoekstakken geldt dat de data vrij gedetailleerd zijn ingevoerd, namelijk per kilometer. Voor de overige takken zijn de gegevens doorgaans per riviervak opgegeven Randvoorwaarden Op alle randen die het NDB model kent, zijn zowel hydraulische als morfologische voorwaarden opgelegd. Het model kent drie bovenstroomse randen, namelijk Lith voor de Maas, Tiel voor de Waal en Hagestein voor de Lek. Verder zijn er drie benedenstroomse randen, namelijk twee in het Haringvliet (er zijn hier namelijk twee geulen) en de monding van de Nieuwe Waterweg, ook wel de Maasmonding genoemd. Alle andere randen in het model betreffen doodlopende takken en/of havens. Aan de randen van deze doodlopende takken en/of havens zijn als morfologische randvoorwaarde een sedimenttransport van 0 en als hydraulische voorwaarde een debiet van 0 opgegeven. In tabel 3.1 zijn de randvoorwaarden gegeven, die tijdens de calibratie voor de overige randen zijn toegepast Tabel 3.1 Hydraulische en morfologische randvoorwaarden SOBEK-model. rand Hydraulische randvoorwaarde Morfologische randvoorwaarde Maasmond getij, periode 12u25m bodemhoogte: -25,5 Haringvliet getij, periode 12u25m bodemhoogte: -4,73 Haringvliet-20 getij, periode 12u25m bodemhoogte: -4,45 Maas (Lith) daggemiddelde afvoer bodemhoogte: -5,12 Waal (Tiel) daggemiddelde afvoer bodemhoogte: -1,66 Lek (Hagestein) daggemiddelde afvoer bodemhoogte: -4,93 Het betreft hier dus aan de bovenstroomse randen daggemiddelde debieten [DONAR 2 ] gebaseerd op de werkelijk gemeten debieten in de periode (figuur 3.7). Meer gedetailleerde afvoeren zijn niet voor alle drie de takken voorhanden. Bovendien zullen bij een tijdschaal van 10 jaar de effecten op de morfologie bij het gebruik van meer gedetailleerde afvoergegevens verwaarloosbaar klein zijn. De benedenstroomse hydraulische randvoorwaarden zijn gebaseerd op een 2 DONAR (Data Opslag Natte Rijkswaterstaat) is de centrale database van Rijkswaterstaat, waarin al haar fysische, chemische, biologische en morfologische gegevens worden opgeslagen. 17 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

30 morfologisch bepalend getij (figuur 3.8). Het afvoerregime door de Haringvlietsluizen is volgens het afvoerregime LPH84 3. Deze benedenstroomse hydraulische randvoorwaarden en alle morfologische randvoorwaarden zijn overgenomen uit het model van Wang [2001] Figuur 3.7 Hydraulische randvoorwaarde voor de Waal Daggemiddelde afvoer Tiel (m3/s) Tijd Figuur 3.8 Hydraulische randvoorwaarde voor de Maasmond. 1,2 Waterstand Maasmond (m N.A.P.) 0,8 0,4 0 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00-0,4-0,8-1,2 Tijd 3.5 Modelinstellingen Tijdens de runs met het model is de optie river ingeschakeld, aangezien de optie estuarine nog niet goed blijkt te werken, zoals in het onderzoek van Wang [2001] naar voren kwam. De optie salt intrusion is niet toegepast, aangezien dit onderzoek zich richt op het bovenstroomse deel van het NDB. Zoutindringing beperkt zich slechts tot de Nieuwe Waterweg, de Nieuwe Maas en de Oude Maas [Houwing en Blom, 2001]. De instellingen betreffende de numerieke 3 Huidig beheersprogramma Haringvlietsluizen. Dit beheer biedt veiligheid tegen overstroming, handhaaft de zoetwaterhuishouding in de zuidrand en minimaliseert de kans op verzilting via de noordrand. De afvoerverdeling tussen de noord- en zuidrand van het NDB wordt geregeld door de opening van de Haringvlietsluizen. 18 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

31 parameters worden overgenomen uit het model van Wang. Veel van deze instellingen zorgen voor de stabiliteit van een model run. Verder worden voor alle takken de volgende instellingen gebruikt: transportformule: Engelund & Hansen [Wang, 2001]; calibratiefactor transportformule: 1; sedimentverdeling splitsingspunten volgens de machtsrelatie Wang (paragraaf 3.2) met k = 2 [Wang, 2001]. Deze instellingen zijn tijdens de eerste runs van de calibratie gehanteerd, maar zijn later aangepast in verband met de afregeling van het model (hoofdstuk 4). De rekentijdstap wordt op 1 uur gezet. Een lagere waarde zou leiden tot een verhoging van de rekentijd. Een hogere waarde kan gezien de periode van de benedenstroomse hydraulische randvoorwaarden niet gebruikt worden om een realistische berekening te maken. De rekenperiode tijdens de calibratie is 10 jaar: van 1990 tot en met Initiële Run Met de hierboven omschreven modelinstellingen is een initiële run uitgevoerd, om zodoende het model te controleren op stabiliteit. Het bleek niet mogelijk te zijn om het model voor de gehele 10-jarige periode te laten draaien. De oorzaak hiervan is de schematisering van enkele havens en plassen in SOBEK, namelijk door middel van een extra stroomvoerend oppervlak in de uiterwaard (achter de zomerdijk). Wanneer er water door de uiterwaard stroomt beschouwt SOBEK dit als een debietonttrekking uit de hoofdgeul op de betreffende locatie. Hierdoor is het verloop van de stroomsnelheid in de hoofdgeul niet continu, wat een enorme sedimentatie tot gevolg heeft. De sedimentatie wordt versterkt doordat er alleen binnen de sedimentvoerende breedte morfologische veranderingen kunnen plaatsvinden en deze breedte is per definitie gelijk aan of kleiner dan de breedte van de hoofdgeul. Beter zou zijn om dit gelijk te stellen aan de stroomvoerende breedte, zodat de sedimentatie verspreid zou worden over een veel groter oppervlak. Dit is echter niet mogelijk in SOBEK. Er is nu voor gekozen om de aanwezige plassen en havens te schematiseren door middel van extra bergend oppervlak in plaats van stroomvoerend oppervlak. Hierdoor vindt er geen debietonttrekking plaats en dus blijft de enorme sedimentatie achterwege. Deze aanpassing lijkt ook realistischer aangezien dit soort bekkens vooral invloed heeft op de bergende breedte. Na de aanpassing van de probleemprofielen is de test run geslaagd. 19 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

32 20 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

33 4 Calibratie Inleiding In dit hoofdstuk wordt de morfologische calibratie van het model beschreven. Nu het model is aangevuld met gebiedsspecifieke data en vernieuwde schematisaties, is een betere calibratie mogelijk dan voor het model van Wang [Wang, 2001]. Na een geslaagde calibratie wordt het model toegepast in het kader van ruimte voor de rivier (hoofdstuk 5). Uit de doelstelling volgt dat alleen de vier onderzoekstakken worden gecalibreerd. Verder volgt hieruit dat er alleen gecalibreerd wordt op grootschalige morfologische ontwikkeling, dat wil zeggen de totale bodemvolume verandering per tak gedurende de calibratieperiode ( ). De data aan de hand waarvan het model wordt afgeregeld zijn hier calibratiedata genoemd. In paragraaf 4.2 wordt de aanpak van de calibratie beschreven. Hierin komen de calibratiedata naar voren, maar ook de calibratievariabelen; dat zijn de keuzemogelijkheden of waarden van parameters in SOBEK- MOR die aangepast worden om zodoende het model af te regelen. In de vier paragrafen die daarop volgen zijn de effecten onderzocht van wijzigingen in de calibratievariabelen. In paragraaf 4.7 zijn de uiteindelijke keuzes voor de calibratievariabelen gegeven. 4.2 Calibratiestrategie Calibratiedata In bijlage VII zijn figuren opgenomen waarin de bodemliggingen in 1990 en 2000 voor de onderzoekstakken zijn gegeven. Het model is afgeregeld op basis van de grootschalige morfologische veranderingen gedurende De waarden hiervan staan vermeld in tabel 4.1. Het betreft alleen de morfologische veranderingen binnen de hoofdgeul (main channel), want SOBEK berekent ook alleen hier veranderingen. De totale bodemveranderingen volgens de metingen worden vergeleken met de resultaten van SOBEK. Hiervoor zijn de veranderingen van de dwarsprofielen gebruikt die SOBEK als output genereert. Van elk dwarsprofiel wordt de verandering in dwarsdoorsnede vermenigvuldigd met de bijbehorende SOBEK vaklengte en vervolgens wordt gesommeerd over alle dwarsprofielen per tak om de totale bodemverandering per tak te bepalen Tabel 4.1 Totale volume verandering bodem hoofdgeul per onderzoekstak tussen 1990 en Tak Totale bodemverandering [1000 m 3 ] Waal -631 Boven Merwede -652 Nieuwe Merwede Beneden Merwede Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

34 Wanneer de afwijking in modelresultaten kleiner is dan de totale absolute onnauwkeurigheid in de gebruikte data, is de calibratie geslaagd. Het probleem hierbij is dat de onnauwkeurigheid in de data niet bekend is. Uiteraard is niet alleen de onnauwkeurigheid van de bodempeilingen van belang, maar ook de onnauwkeurigheid in baggerdata. De baggercijfers zijn namelijk mede bepalend voor de morfologische ontwikkeling die door het model wordt voorspeld. In figuur 4.1 is een vergelijking gemaakt tussen de geobserveerde morfologische verandering en de baggerhoeveelheden. Het verschil hiertussen is de natuurlijke bodemverandering. Uit de figuur volgt dat de baggerwerkzaamheden een zeer significante invloed op de grootschalige morfologie hebben. Door de relatief grote onnauwkeurigheid die vaak met baggercijfers samengaat en de betrekkelijk grote hoeveelheden baggerwerk, zal de afwijking van de voorspelde grootschalige morfologische ontwikkeling ten opzichte van de werkelijke ontwikkeling gerelateerd worden aan de onnauwkeurigheid in baggerdata. De calibratie-eis luidt dan dat deze afwijking kleiner moet zijn dan de onnauwkeurigheid in de baggerdata plus een marge om te corrigeren voor overige datafouten. Echter deze onnauwkeurigheid van de gebruikte baggerdata is niet bekend. Volstaan moet worden met gegevens uit de literatuur en op basis van expert judgement. Tijdens de calibratie van het Rijntakken model [Jesse en Kroekenstoel, 2001] zijn onnauwkeurigheden gebruikt variërend tussen de 15 en zelfs meer dan 100%. Andere bronnen melden onnauwkeurigheden rond de 20%. Voor de calibratie wordt hier gestreefd om de afwijking in grootschalige morfologische ontwikkeling kleiner dan 30% van de betreffende baggervolumes te laten zijn Figuur 4.1 De invloed van baggeren op de bodemverandering in de Merwede taken. Werkelijke, natuurlijke en kunstmatige bodemverandering tussen 1990 en Volumeverandering per tak [miljoen m3] Boven Merw ede Beneden Merw ede Nieuw e Merw ede Werkelijke bodemverandering Verandering door baggeren Natuurlijke verandering Calibratievariabelen Calibratievariabelen zijn variabelen die worden aangepast om zodoende het model af te regelen. In dit onderzoek zijn de keuzemogelijkheden of waarden van parameters in SOBEK-MOR hiervoor gebruikt. Voor het afregelen van het SOBEK-MOR model zijn verschillende variabelen beschikbaar. Bij het aanpassen van een variabele verdient het de voorkeur om de waarde ervan binnen de - door de literatuur gestelde 22 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

35 of op basis van metingen bepaalde - grenzen te houden. Dit beperkt niet alleen het aantal variatiemogelijkheden maar ook het aantal calibratievariabelen zelf, aangezien sommige parameters vastgestelde waarden hebben. De volgende calibratievariabelen zijn gebruikt: Transportformule In SOBEK zijn een aantal transportformuleringen voorhanden. In de voorstudie is reeds gebruik gemaakt van de formule van Engelund & Hansen (1967). Het sedimenttransport per meter breedte wordt als volgt berekend: um s = (vergelijking 4.1) 3 2 (1 ε ) gc D d 50 met: u m gemiddelde stroomsnelheid in de hoofdgeul [m/s] C Chézy coëfficiënt [m ½ /s] ε porositeit bodemmateriaal [-] D 50 korreldiameter waarbij 50% van het materiaal fijner is [m] d relatieve dichtheid sediment [-] Deze laatste term is als volgt gedefinieerd: ρs ρ = (vergelijking 4.2) d ρ met: ρ s dichtheid van sediment [kg/m 3 ] ρ dichtheid van water [kg/m 3 ] Deze formule berekent het totale transport (exclusief washload). De formule is geverifieerd voor D 50 korreldiameters die liggen tussen de 0.19 en 0.93 mm. De D 50 die op de Merwede takken worden aangetroffen liggen doorgaans binnen dit bereik. Alleen op de Waal komen diameters boven de 0.93 mm voor. Een totaal transportformule lijkt het meest geschikt voor de Merwede takken. Van Ledden concludeerde in zijn onderzoek naar zand-slib-segregatie op de Nieuwe Merwede, dat bodemtransport van zand een ondergeschikte rol blijkt te spelen op de Nieuwe Merwede [Van Ledden, 1999]. Naast bovenstaande totaaltransport formule wordt in deze studie ook de formule van Meyer-Peter-Müller onderzocht. In tegenstelling tot de vorige formule berekent deze formule alleen bodemtransporten. Deze formule wordt dan ook vaak toegepast op riviertakken met grof bodemmateriaal. Meyer-Peter-Müller wordt hier onderzocht omdat deze formule (in aangepaste vorm) in de calibratie van het Rijntakken model [Jesse en Kroekenstoel, 2001] de beste resultaten gaf. De formule van Meyer-Peter-Müller luidt: 8 s = 3 2 g dd m um (1 ε ) 3 C90C dd m 3/ (vergelijking 4.3) 23 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

36 met: C 90 Chézy coëfficiënt gerelateerd aan de D 90 van het het bodemmateriaal [m ½ /s] D 90 korreldiameter waarbij 90% van het materiaal fijner is [m] D m gemiddelde korreldiameter [m] Bij het onderzoek naar de twee transportformules is er voor gekozen om telkens dezelfde formule voor alle takken op te geven. Dit voorkomt plotselinge en onrealistische variaties in sedimenttransport tussen twee takken. Calibratiefactor van de transportformule Deze calibratiefactor (c f,vergelijking 3.2) is een vermenigvuldigingsfactor, waarmee het eigenlijke sedimenttransport wordt berekend. Het eigenlijke sedimenttransport is het transport volgens de transportformule vermenigvuldigd met deze factor. Standaard is de factor ingesteld op 1. Een verandering van deze factor op een bepaalde tak heeft niet alleen invloed op de tak zelf, maar ook op de benedenstroomse takken. Zo zal een verlaging van de factor op een bepaalde tak leiden tot een lager sedimenttransport richting de takken benedenstrooms ervan. Deze factor is in SOBEK ingebouwd voor calibratiedoeleinden, maar kan ook gebruikt worden om de rekentijd te verkorten door de factor groter dan één te kiezen. In dit onderzoek is de factor alleen gebruikt als calibratiemiddel. Korreldiameter bodemmateriaal De in het basismodel ingevoerde korreldiameters betreffen 5 kmgemiddelde waarden uit bodembemonsteringen in Uiteraard zit er in het gebruik van bepaalde korreldiameters een grote onzekerheid. Een bodembemonstering betreft namelijk altijd een momentopname, korreldiameters zullen in de loop der tijd veranderen. Ook uit de metingen blijkt dat er een behoorlijke marge zit in het verloop van de korrelgrootte in rivierrichting (figuur 3.5 en figuur 3.6). Wanneer bepaalde trajecten met de eerder genoemde calibratievariabelen niet goed afgeregeld kunnen worden, kan er voor gekozen worden om veranderingen aan te brengen in de korreldiameter. Een verandering van korreldiameters moet echter wel redelijk binnen de uit de metingen naar voren gekomen marges liggen, zodat de aanpassingen niet onrealistisch zijn. Bodemruwheid De bodemruwheid is reeds bepaald gedurende de hydraulische calibratie van het model. De variabele gaat gepaard met een grote onzekerheid. Uit vergelijking 4.1 en 4.3 volgt dat de bodemruwheid van invloed is op het sedimenttransport en dus op de morfologische ontwikkeling. Tijdens de morfologische calibratie is de ruwheid ook gebruikt als calibratievariabele. De consequentie van het aanpassen van de bodemruwheid is dat dit ook het hydraulische model beïnvloedt en dat daarom het hydraulische model gecontroleerd moet worden. 24 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

37 4.3 Effect aanpassing transportformule Met de twee voorgestelde transportformules zijn afzonderlijke runs uitgevoerd. De overige calibratievariabelen zijn hierin nog niet aangepast en zijn dus allen op de standaardwaarden ingesteld. Voor beide formules worden de resultaten in de volgende subparagrafen behandeld Engelund & Hansen De totale bodemveranderingen per tak zijn in figuur 4.2 weergegeven. Tabel 4.2 geeft een overzicht van de afwijkingen in relatie tot de baggervolumes. De resultaten van deze run tonen over het algemeen een behoorlijke sedimentatie, terwijl uit de metingen erosie volgt. Alleen op de Waal wordt erosie berekend, waar dat ook volgt uit de metingen. Voor de Merwede takken zijn de resultaten slecht. De voorspellingen wijken veel af van de metingen Figuur 4.2 Vergelijking totale bodemveranderingen per tak gedurende de periode van de model runs met E&H en MPM met de waargenomen verandering. Bodemverandering [1000 m3] Totale bodemverandering E&H MPM Meting Waal Boven Merw ede Nieuw e Merw ede Beneden Merw ede Tabel 4.2 Afwijkingen van de waargenomen bodemveranderingen voor Engelund & Hansen, zowel absoluut als in relatie tot de baggervolumes. Tak Afwijking meting [1000 m 3 ] Relatief t.o.v. baggervolume Waal % Boven Merwede % Nieuwe Merwede % Beneden Merwede % Meyer-Peter-Müller De berekening met Meyer-Peter-Müller laat voor de Merwede takken op het eerste gezicht veel betere resultaten zien dan de vorige berekening (figuur 4.2 en tabel 4.3). De afwijkingen op de Boven en de Beneden Merwede zijn slechts 20% van de gebaggerde hoeveelheden. Dit is ruim binnen de vooraf aangenomen foutmarge van de baggercijfers. Ook voor de Nieuwe Merwede is de voorspelling verbeterd, zij het nog niet voldoende. Alleen voor de Waal is de voorspelling juist verslechterd; het model voorspelt nu sedimentatie in plaats van de geobserveerde erosie. 25 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

38 Tabel 4.3 Afwijkingen van de waargenomen bodemveranderingen voor MPM, zowel absoluut als in relatie tot de baggervolumes. Tak Afwijking meting [1000 m 3 ] Relatief tov baggervolume Waal % Boven Merwede % Nieuwe Merwede % Beneden Merwede % Discussie Gelet op de voorspelde morfologische ontwikkeling die SOBEK met de twee formules liet zien, lijkt MPM in de eerste plaats de beste optie. Deze formule laat namelijk op de Merwede takken erosie zien, wat ook uit de metingen naar voren is gekomen. E&H daarentegen voorspelde een behoorlijke sedimentatie. Opmerkelijk, aangezien transportformules, ondanks de verschillen ertussen, globaal hetzelfde beeld zouden moeten voorspellen. Nader onderzoek wijst uit dat beide transportformules in principe wel hetzelfde beeld laten zien, namelijk sedimentatie, maar doordat de hoeveelheid sedimentatie die MPM berekent veel kleiner is dan de baggerhoeveelheden, is het netto resultaat toch erosie. Om dit beeld te controleren worden de berekende sedimenttransporten met de twee formules vergeleken met waarden uit de literatuur (figuur 4.3). De gebruikte waarden zijn afkomstig uit de sedimentbalansen voor de Rijntakken [Ten Brinke, et al., 2001] en voor het NDB [van Dreumel, 1995]. Vergelijkingen worden gemaakt met jaargemiddelde zandtransporten op de Boven Merwede (kmr 961), de Beneden Merwede (kmr 961 en kmr 976) en de Nieuwe Merwede (kmr 961 en kmr 980) Figuur 4.3 Vergelijking sedimenttransporten rond splitsingspunt Merwede (kmr 961.3) en benedenstrooms van de Nieuwe Merwede (kmr 980) en de Beneden Merwede (kmr 975) voor E&H (boven) en MPM (beneden). Splitsingspunt Merweden Benedenstrooms Nieuwe en Beneden Merwede Sedimenttransport [m3/j] 1,0E+06 8,0E+05 6,0E+05 4,0E+05 2,0E+05 0,0E+00 Nieuw e Merw ede Beneden Merw ede Boven Merw ede Sedimenttransport [m3/j] 5,0E+05 4,0E+05 3,0E+05 2,0E+05 1,0E+05 0,0E+00 Nieuw e Merw ede Beneden Merw ede Metingen Initiële run E&H Metingen Initiële run E&H Splitsingspunt Merweden Benedenstrooms Nieuwe en Beneden Merwede Sedimenttransport [m3/j] 1,0E+06 8,0E+05 6,0E+05 4,0E+05 2,0E+05 0,0E+00 Nieuw e Merw ede Beneden Merw ede Boven Merw ede Sedimenttransport [m3/j] 5,0E+05 4,0E+05 3,0E+05 2,0E+05 1,0E+05 0,0E+00 Nieuw e Merw ede Beneden Merw ede Metingen Initiële run MPM Metingen Initiële run MPM 26 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

39 De transporten die met MPM worden berekend zijn veel kleiner dan met E&H, wat tot gevolg heeft dat de gradiënt in transport ook veel kleiner is en dus ook de bodemveranderingen. Uit de figuur volgt dat met E&H veel betere sedimenttransporten worden berekend. Alleen benedenstrooms op de Nieuwe en Beneden Merwede kloppen de berekende transporten niet meer, deze zijn veel kleiner dan in werkelijkheid. Dit verklaart ook de te grote sedimentatie op beide takken Keuze Uit bovenstaande kan geconcludeerd worden dat de formule van Engelund & Hansen de voorkeur geniet boven die van Meyer-Peter- Müller. Verder is gebleken dat het bodemtransport een ondergeschikte rol blijkt te spelen op de Nieuwe Merwede [van Ledden, 2001] en het gebruik van een totaaltransport formule dus reëler is. Het gebruik van MPM zou door het veel te laag ingeschatte sedimenttransport zeer onrealistisch zijn. 4.4 Effect aanpassingen calibratiefactor In deze paragraaf is de invloed van de calibratiefactor van de transportformule op de morfologische ontwikkeling onderzocht. Op basis van de voorgaande paragraaf is gerekend met E&H. Er zijn drie runs opgesteld waarin verschillende waarden aan deze factor toegekend. De aanpassingen zijn er op gericht de in de voorgaande paragraaf genoemde probleempunten met Engelund & Hansen op te lossen Modelaanpassingen Drie runs zijn getest met de volgende instellingen: Run 1: op de Merwede takken en op de Waal is de calibratiefactor van de transportformule verlaagd tot 0.8. Dit zou de grote veranderingen in bodemligging kunnen verminderen. Een lager transport leidt immers tot een kleinere gradiënt in de transporten, waardoor de bodemveranderingen kleiner zullen uitpakken. Run 2: in een tweede run is geprobeerd om de toevoer van sediment vanuit de Waal en Boven Merwede te verkleinen door de alleen hier de calibratiefactor van de transportformule te verkleinen naar 0.8. Hiermee wordt getracht de grote sedimentatie op de Beneden en Nieuwe Merwede op te lossen. Run 3: een andere mogelijkheid om de grote sedimentatie op de Nieuwe en Beneden Merwede op te lossen is middels een run waarin de calibratiefactor van de takken benedenstrooms van deze takken is verhoogd naar 1.2. Verdere instellingen waren: calibratiefactor op de Waal en Boven Merwede 0.7 en op de Beneden en Nieuwe Merwede 0.9. Op deze manier wordt de afvoer van sediment bevorderd en de toevoer juist geremd Resultaten De resultaten voor grootschalige morfologische ontwikkeling (figuur 4.4) tonen aan dat de aanpassingen bijdragen aan een betere voorspelling hiervan voor de Merwede takken. Voor de Merwede 27 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

40 takken geeft run 3 de beste resultaten. Dit gaat echter ten koste van de resultaten op de Waal. Run 1 laat voor alle takken een verbetering zien Figuur 4.4 Totale bodemveranderingen per tak gedurende de periode volgens de meting, de initiële run met E&H en de drie runs met aangepaste calibratiefactoren. Bodemverandering [1000 m3] Totale bodemverandering Initiële run E&H Run 1 Run 2 Run 3 Meting Waal Boven Merw ede Nieuw e Merw ede Beneden Merw ede Het blijkt onmogelijk, ondanks de verbeterde voorspellingen van run 3, om een goed calibratieresultaat te verkrijgen. Zelfs de aard van de grootschalige morfologische ontwikkeling voor de Merwede takken, erosie dan wel sedimentatie, wordt nog niet goed voorspeld door welke run dan ook. De afwijkingen van de voorspelde grootschalige morfologische ontwikkeling ten opzichte van de baggervolumes laten ook zien dat nog niet aan de vooraf gestelde eisen voldaan kan worden (figuur 4.5) Figuur 4.5 Afwijkingen in voorspelling grootschalige morfologie gerelateerd aan de baggervolumes voor de drie runs alsmede voor de initiële run met E&H. 600% 500% Afwijking grootschalige morfologie Initiële run Afwijking 400% 300% 200% Run 1 Run 2 Run 3 Eis 100% 0% Waal Boven Merwede Nieuwe Merwede Beneden Merwede Discussie De aanpassingen in de calibratiefactoren leveren verbeteringen op in de voorspelling van grootschalige morfologische ontwikkeling. Echter, met de voorgestelde aanpassingen kan nog niet aan de calibratie-eis worden voldaan. Verdere aanpassing van deze factoren lijkt niet zinvol; de problemen op bepaalde trajecten zijn zodanig dat er in andere oplossingsrichtingen gezocht moet worden. Bovendien zou een calibratiefactor van de transportformule die erg veel van 1 afwijkt niet meer reëel zijn. 28 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

41 4.4.4 Keuze Gekozen is om verder te gaan met de calibratiefactoren van de transportformules op alle onderzoekstakken ingesteld op 0.8 (volgens run 1). Deze simpele aanpassing geeft naast de verbeterde morfologische voorspelling namelijk ook een betere voorspelling van de sedimenttransporten nabij het splitsingpunt ten opzichte van de initiële run. 4.5 Effect aanpassing korreldiameter Tot nu toe zijn alleen calibratievariabelen gebruikt die betrekking hebben op gehele takken. Transportformule en calibratiefactor zijn per tak constant. Korreldiameters kunnen binnen een tak variëren. Bij gebruikmaking van deze calibratievariabele is het dus van belang te weten waar de grootste probleemtrajecten zich bevinden Figuur 4.6 Gemeten bodemverandering (blauw)versus de door SOBEK berekende (paars) bodemverandering tussen 1990 en 2000 voor run 1 uit paragraaf 4.4 (cf = 0.8). bodemverschil (m) 2,00 0,00 Waal en Boven Merwede -2, kmr 2,00 Nieuw e Me rw ede bodemverschil (m) 0,00-2, kmr 2,00 Beneden Merwede bodemverschil (m) 0,00-2, kmr 29 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

42 Figuur 4.6 toont de berekende bodemveranderingen tussen 1990 en 2000 in vergelijking met de gemeten veranderingen voor de onderzoekstakken. De volgende opmerkingen kunnen hierbij worden geplaatst: Waal: Op de Waal zijn er bovenstrooms locaties waar teveel erosie wordt berekend (rond kmr 918, 927 en 930). Verder benedenstrooms vindt er juist teveel sedimentatie plaats (kmr 938). Boven Merwede: op de gehele Boven Merwede berekent het model sedimentatie in plaats van erosie. Nieuwe Merwede: op deze tak valt vooral de enorme sedimentatie vanaf kmr 972 op. Verder wordt aan het begin van de tak ook veel sedimentatie berekend. Beneden Merwede: een behoorlijke sedimentatie in het middendeel (rond kmr 968) valt op en ook de sedimentatie vanaf kmr Modelaanpassingen Een fout in morfologische voorspelling op een bepaald traject wordt veroorzaakt door een fout in de transportgradiënt (vergelijking 3.1) en dus ook in het transport zelf. Met behulp van vergelijking 3.1 en de gebruikte transportformule (E&H, vergelijking 4.1) zijn ruwe schattingen gemaakt van de benodigde aanpassingen in de gradiënt van de korreldiameter voor een goede morfologische voorspelling. Vervolgens zijn er enkele runs gedraaid waarin verschillende aanpassingen zijn onderzocht. De aanpassingen in gradiënt zijn gedaan op bovengenoemde probleemtrajecten. Hierbij is er voor gekozen om de korreldiameters rondom het splitsingspunt van de Merweden onaangetast te laten, om de sedimentverdeling niet negatief te beïnvloeden. Omdat vanuit deze locaties met onveranderde korreldiameters is gewerkt, is het wel zo dat op trajecten waar geen aanpassingen nodig waren, wel andere korreldiameters zijn toegepast, echter de gradiënt op die locaties is niet veranderd Resultaten Niet alleen op basis van de resultaten van de runs is een beste oplossing gekozen. Ook de mate waarin de aanpassingen passen binnen de marges zoals die uit de metingen naar voren zijn gekomen tellen mee in deze beoordeling. Op basis daarvan zijn de aanpassingen in korreldiameter die getoond zijn in bijlage VIII gehanteerd voor het vervolgonderzoek. De aanpassingen in korrelgrootte liggen binnen de reële marges (visueel, met behulp van de figuren uit bijlage VIII) die volgen uit de metingen. Alleen voor de Nieuwe Merwede lijken de veranderingen enigszins buiten deze marges te vallen. De resultaten met betrekking tot de grootschalige morfologie (figuur 4.7) laten zien dat voor drie van de vier takken aan de eis is voldaan. Hier is de afwijking namelijk kleiner dan 30% van de baggervolumes. Alleen voor de Beneden Merwede is de afwijking nog te groot. Overigens is wel een behoorlijke verbetering ten opzichte van de basisrun behaald. 30 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

43 Figuur 4.7 Resultaten calibratie na aanpassing korreldiameter. Afwijking 400% 350% 300% 250% 200% 150% 100% 50% 0% Afwijking grootschalige morfologie Waal Boven Merw ede Nieuw e Merw ede Beneden Merw ede Uitgangssituatie (run 1 par. 4.4) Aanpassing korreldiameters Eis Discussie Op alle takken heeft de aanpassing in korreldiameter geleid tot een behoorlijke verbetering in de resultaten. De aangepaste korreldiameters vallen grotendeels binnen de uit de metingen naar voren gekomen marges. Alleen op de laatste 10 km van de Nieuwe Merwede zijn de aanpassingen behoorlijk. Deze grove aanpassing is hier nodig om de sedimentatie tegen te gaan. Het model is blijkbaar niet goed in staat hier de werkelijke situatie na te bootsen. Wellicht speelt de aanwezigheid van slib een rol. Uit een recent onderzoek blijkt dat op de laatste 10 km van de Nieuwe Merwede slib voorkomt [Koomans, 2003]. De slibpercentages op dit traject kunnen op lopen tot plaatselijk %. Dit traject komt vrijwel overeen met het probleem traject, waar nu de forse aanpassing in korreldiameter is toegepast. In paragraaf worden enkele mogelijke verklaringen gegeven Keuze Voor de Waal en Boven Merwede is gekozen voor de aanpassing in korreldiameter, zoals weergegeven in bijlage VIII. De keuzen voor de Nieuwe en Beneden Merwede hangen af van de resultaten die met de aanpassingen in Chézy waarden zijn behaald en worden derhalve in paragraaf behandeld. 4.6 Effect aanpassing Chézy waarden Uit vergelijking 4.1 volgt dat de Chézy-coëfficiënt ook invloed heeft op het sedimenttransport (S ~ 1/C 2 ). Een verandering van deze waarde heeft echter niet alleen gevolgen voor de morfologie, maar ook voor de waterbeweging. Daarom is na elke aanpassing van Chézy waarden gecontroleerd of het hydraulische model niet negatief beïnvloed is. Hiervoor is dezelfde hydraulische run gedraaid als tijdens de hydraulische calibratie en zijn de uitkomsten vergeleken met de uitkomsten van de hydraulische calibratie Modelaanpassingen Als uitgangspunt zijn weer de modelinstellingen genomen van run 1 uit paragraaf 4.4 (E&H, c f = 0.8 op onderzoekstakken en de niet aangepaste korreldiameters). Zodoende kan het effect van 31 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

44 aanpassingen in Chézy waarden goed worden vergeleken met het effect van aanpassingen in korreldiameter. Alleen op de Beneden en Nieuwe Merwede zijn aanpassingen in Chézy waarden onderzocht; op de Beneden Merwede omdat hier met de aanpassingen in korreldiameter geen goede resultaten gehaald zijn en op de Nieuwe Merwede omdat hier een aanzienlijke korrelaanpassing nodig is voor een goed resultaat. Aanpassing in de Chézy- coëfficiënt kunnen de benodigde aanpassing in korreldiameter verkleinen. In het model zijn op beide takken slechts op twee locaties Chézy waarden opgegeven, op het beginpunt en eindpunt. Bovendien zijn de waarden aan het eind van de takken hoger dan die aan het begin (tabel 4.4). Dit zou ook een oorzaak kunnen zijn van de sterke afname van sedimenttransport in benedenstroomse richting op beide takken, aangezien het sedimenttransport afneemt bij hogere Chézy waarden. Op beide takken zijn de Chézy waarden zodanig aangepast dat de waarden ervan over de gehele takken constant is. De constante waarden zijn gelijk aan de waarden die in het oorspronkelijke model aan het begin van de takken zijn opgegeven Tabel 4.4 Chézy waarden in het oorspronkelijke model. Beneden Merwede Nieuwe Merwede waterdiepte [m] begin eind begin eind Figuur 4.8 Resultaten calibratie na aanpassing Chézy waarden Resultaten De resultaten zijn samengevat in figuur 4.8. Een duidelijke verbetering ten opzichte van de uitgangsituatie is zichtbaar. De verbeteringen op de Nieuwe Merwede en de Beneden Merwede zijn niet zo goed dat aan de calibratie-eis is voldaan. Afwijking 400% 350% 300% 250% 200% 150% 100% 50% 0% Afwijking grootschalige morfologie Nieuw e Merw ede Beneden Merw ede Uitgangssituatie (run 1 par. 4.4) Aanpassing Chézy w aarden Eis Onderzoek naar de invloed op het hydraulische model (bijlage IX) laat zien dat een aanpassing van alleen de Chézy waarden op de Beneden 32 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

45 Merwede geen verslechtering in het hydraulische model teweegbrengt. Wanneer echter ook aanpassingen op de Nieuwe Merwede worden doorgevoerd, verslechtert het hydraulische model wel Discussie Zowel een aanpassing in korreldiameter als een aanpassing van de Chézy waarden heeft niet geleid tot een bevredigend resultaat voor de Beneden Merwede. Wel leiden beide aanpassingen tot een behoorlijke verbetering ten opzichte van de uitgangssituatie. Dit pleit voor een aanpassing van zowel de korreldiameter als de Chézy waarden in het uiteindelijke model. Voor de Nieuwe Merwede is een aanpassing in korreldiameter wel voldoende geslaagd, de aanpassing in Chézy waarden levert niet het gewenste resultaat op. Bovendien zorgt deze aanpassing voor een verslechtering van het hydraulische model, wanneer ook de Chézy waarden op de Beneden Merwede worden aangepast. De aanpassing op de Beneden Merwede is gezien de resultaten van de aanpassing in korreldiameter noodzakelijk Keuze Op basis van bovengenoemde bevindingen is er voor gekozen om op de Beneden Merwede wel een aanpassing in Chézy waarden toe te passen, naast de aanpassing in korreldiameter. Hierbij zijn over de gehele tak constante Chézy waarden gebruikt. De waarden zijn gelijk aan de waarden op het begin van de tak in het oorspronkelijke model (tabel 4.4). Op de Nieuwe Merwede is niet gekozen voor een aanpassing in Chézy waarde, wel voor de aanpassing in korreldiameter. Ten eerste omdat een aanpassing in korrelgrootte al voldoende resultaten oplevert, maar ook omdat een verslechtering van het hydraulische model ongewenst is. In de volgende paragraaf zijn de uiteindelijke keuzes opgesomd en zijn de resultaten gegeven die met de gezamenlijk keuzes behaald zijn. 4.7 Uiteindelijke keuzes Modelinstellingen Op basis van voorgaande paragrafen is gekomen tot de volgende set van calibratievariabelen: Transportformule Engelund & Hansen; Calibratiefactor transportformule (c f ) 0.8 op de onderzoekstakken; Korreldiameters aangepast ten opzichte van de 5 km gemiddelde waarden (bijlage VIII); Aangepaste Chézy waarden op de Beneden Merwede, waarden beginpunt oorspronkelijk model nu op gehele tak toegepast (tabel 4.4, kolom 2) Resultaten In figuur 4.9 zijn de resultaten van de calibratie getoond. Hieruit volgt dat voor drie van de vier takken aan de vooraf gestelde eis is voldaan. Alleen voor de Beneden Merwede is de calibratie niet volledig geslaagd. 33 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

46 Figuur 4.9 Resultaten calibratierun met uiteindelijke keuzes. Afwijking 140% 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% Grafiektitel Waal Boven Merw ede Nieuw e Merw ede Beneden Merw ede Afw ijking grootschalige morfologie Eis In figuur 4.10 zijn voor de onderzoekstakken de met bovenstaande instellingen berekende bodemveranderingen vergeleken met de metingen. Een groot deel van de eerdergenoemde probleemtrajecten (paragraaf 4.5) is nu opgelost Discussie Gezien de doelstellingen van dit onderzoek, is besloten om met bovenstaande modelinstellingen de maatregelen in het kader van ruimte voor de rivier door te rekenen. De twee takken waar de meeste interesse naar uit gaat zijn namelijk de Boven Merwede en de Nieuwe Merwede en hier zijn ook de beste resultaten behaald met de calibratie. Vanzelfsprekend is het mogelijk een model zodanig te calibreren (bijvoorbeeld door een sterke aanpassing van de korreldiameter), dat het gewenste resultaat wel bereikt wordt. Echter, de aanpassingen van de calibratievariabelen die daarvoor nodig zijn zouden ver buiten de reële marges vallen en zijn dus niet wenselijk. Tijdens de calibratie van dit model is er bewust voor gekozen om niet het model als een black box model te beschouwen, waarbij alleen de uitkomst van het model van belang is, maar om de zich binnen het model afspelende processen zo reëel mogelijk te beschrijven. Eerder is al ter sprake gekomen dat de aanzienlijke aanpassing in korreldiameter op de Nieuwe Merwede veroorzaakt zou kunnen worden door de aanwezigheid van slib. Het proces zand-slib-segregatie [van Ledden, 2003], waar SOBEK geen rekening mee houdt, lijkt hiervan niet de oorzaak te zijn. Dit proces zorgt er namelijk voor dat de erodeerbaarheid van een bodem afneemt. SOBEK zou dus extra erosie moeten berekenen, maar dat is niet het geval. De toename van het slibgehalte op het tweede deel van de Nieuwe Merwede [Koomans, 2003] zou een verfijning van korreldiameter teweeg moeten brengen. Dit blijkt echter niet uit de metingen. Uit de metingen volgt dat alleen op het laatste meetpunt op de Nieuwe Merwede de korreldiameter aanzienlijk daalt. In dat opzicht is de 34 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

47 toegepaste aanpassing in korreldiameter op de Nieuwe Merwede een beter weergave van de werkelijkheid. Overigens zou ook de onnauwkeurigheid in de gebruikte data een oorzaak kunnen zijn van de problemen. Uit de metingen blijkt dat op het traject aan het eind van de Nieuwe Merwede de bodem erodeert in de periode , terwijl aan aangetoonde aanwezigheid van slibjuist doet vermoeden dat er sedimentatie is opgetreden. Verder zou door het slib ook invloed kunnen hebben op de onnauwkeurigheid in baggervolumes Figuur 4.10 Gemeten bodemverandering (blauw) versus de door SOBEK berekende bodemverandering (paars) tussen 1990 en bodemverschil (m) 2,00 0,00 Waal en Boven Merw ede -2, kmr 2,00 Nieuwe Merw ede bodemverschil (m) 0,00-2, kmr 2,00 Beneden Merwede bodemverschil (m) 0,00-2, kmr Op de Beneden Merwede verliep de calibratie moeizaam. Er is hier niet gekozen voor extra aanpassingen, omdat de focus van dit onderzoek vooral ligt bij de Nieuwe en Boven Merwede. Een mogelijke oorzaak van de problemen op deze tak zou een te grote rekentijdstap kunnen 35 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

48 zijn. Hierdoor kan de getijbeweging niet goed worden gemodelleerd, waardoor de berekende transporten te laag uitvallen. Over het algemeen kan gesteld worden dat versimpeling van de werkelijkheid door een model bijdraagt aan afwijkende resultaten. Het proces zand-slib-segregatie, dat niet in SOBEK is opgenomen, is hier een voorbeeld van, maar ook zou het niet kunnen toepassen van gegradeerd sediment een oorzaak van de problemen kunnen zijn. Het gebruikte SOBEK model was daar niet geschikt voor. In een onderzoek naar gegradeerd sediment bij de Pannerdensche Kop is gebleken dat zulke processen een belangrijke rol kunnen spelen in de morfologische ontwikkeling [van der Werf, 2001]. Verder onderzoek hiernaar is in deze studie niet uitgevoerd Mogelijkheden van het model Het gecalibreerde model is in het verdere onderzoek gebruikt bij de bepaling van morfologische effecten van herinrichtingsmaatregelen. De resultaten van de calibratie geven inzicht in de potenties van het model tijdens deze toepassing. Voor alle takken zullen voorspellingen van de effecten op grootschalige morfologie gedaan worden. Voor de Nieuwe Merwede zullen de voorspellingen het meest betrouwbaar zijn. Met de resultaten voor de Beneden Merwede zal voorzichtig moeten worden omgegaan. Het model is niet gecalibreerd op kleinschalige morfologie, ofwel de bodemontwikkeling binnen een tak. Figuur 4.10 laat zien dat alleen voor de Nieuwe Merwede het model hierop goed presteert. De gemiddelde afwijking bedraagt zo n 15 cm. Op de Boven Merwede en Waal bedraagt de gemiddelde afwijking zo n 45 cm. Voor de Beneden Merwede zijn de resultaten slechter, de gemiddelde afwijking hier bedraagt meer dan 50 cm. Met deze afwijkingen moet rekening gehouden worden bij het interpreteren van de effecten van de maatregelen, die door SOBEK worden berekend. Overigens geldt voor de voorspellingen van de effecten van de voorgestelde maatregelen dat deze altijd in relatieve zin bekeken moeten worden, dat wil zeggen in relatie tot de autonome situatie. Dit is de nulsituatie waarin geen maatregelen worden geïmplementeerd. Alleen op die manier kunnen de morfologische ontwikkelingen bepaald worden die puur het gevolg zijn van de toegepaste maatregelen. Hierdoor wordt de eventuele fout die SOBEK in de nulsituatie berekent niet meegenomen in de resultaten van de berekeningen met de maatregelen. 36 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

49 5 Effecten rivierverruimende maatregelen Inleiding Het morfologisch SOBEK model voor het NDB, dat in het eerste deel van deze studie is gecalibreerd, is toegepast ter bepaling van de effecten van een tweetal maatregelen in het kader van het project Ruimte voor de Rivier. Een gedetailleerde beschrijving van deze maatregelen en de schematisering ervan in SOBEK is gegeven in paragraaf 5.2. In paragraaf 5.3 is vervolgens aan de hand van enkele simpele theoretische formuleringen een analyse van de effecten van de maatregelen gegeven. In paragraaf 5.4 zijn vervolgens de resultaten die SOBEK genereert besproken en beoordeeld. 5.2 Maatregelen Steurgat Algemene beschrijving maatregel Het Steurgat vormt de verbinding tussen de Nieuwe Merwede en de Brabantse Biesbosch. In de huidige situatie wordt het Steurgat afgescheiden van de Nieuwe Merwede door de Biesbosch-sluis. De maatregel Steurgat bestaat uit het afvoeren van water vanuit de Nieuwe Merwede via het Steurgat richting de Biesbosch. Er is een aantal varianten ontwikkeld. In deze studie wordt slechts de meest kansrijke variant onderzocht, namelijk Steurgat aanpassing bedrijventerrein [van der Linden, 2003] Figuur 5.1 Maatregel Steurgat, variant aanpassing bedrijventerrein. 37 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

50 Deze variant bestaat uit het verwijderen van de huidige Biesboschsluis en het ten zuiden van de plaats van de huidige sluis bouwen van een nieuwe sluis in combinatie met een overlaat (figuur 5.1). Het geheel wordt zodanig ontworpen dat het Steurgat 1 keer per jaar stroomvoerend zal zijn. De sluis zal in die situaties ook geheel open gezet worden. Het aangrenzende bedrijventerrein en het havengebied moeten zodanig worden aangepast dat bij hoogwater het water onbelemmerd het Steurgat in kan stromen. Tussen de oude en de nieuwe sluis is aan de oostzijde uitbreidingsruimte voor watergebonden bedrijvigheid. In dat geval dient de jachthaven verplaatst te worden naar de nieuwe sluis. Schematisering in SOBEK In de huidige SOBEK schematisatie is het Steurgat niet verbonden met de Nieuwe Merwede. In de nieuwe situatie komt een nieuw knooppunt in de Nieuwe Merwede, waarmee het Steurgat door middel van een nieuwe tak (Steurgat_a) wordt aangesloten (figuur 5.2). Hiervoor is de tak Nime gesplitst in Nime_a en Nime_b. Het knooppunt is gelegd op 1403 meter vanaf het beginpunt van de Nieuwe Merwede. De sluis is in de schematisatie opgenomen als een general structure met breedte van 14 m en een drempel op 3.65 NAP. De sluis wordt helemaal open gezet, zodra de waterstand boven de 2.60 m NAP komt en weer gesloten als de waterstand beneden de 2.40 m NAP zakt. De overlaat is geschematiseerd als een weir met een drempelhoogte van 2.60 m NAP en een breedte van 300 m. De constructies liggen op 1500 m van het begin van de tak Steurgat_a Figuur 5.2 Schematisatie verbinding Steurgat met Nieuwe Merwede (Nime). De overlaat en de sluis zijn aangegeven (met *) in de nieuwe tak Steurgat_a Rivierverruiming knelpunt Gorinchem Algemene beschrijving In de Boven Merwede bij Gorinchem bevindt zich een versmalling van de rivier, waardoor er problemen ontstaan bij extreme afvoeren. Om dit knelpunt op te lossen zijn er verscheidene varianten in ontwikkeling. In het maatregelenprogramma ruimte voor de rivier [2003] zijn een tweetal varianten genoemd. 38 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

51 Figuur 5.3 Rivierverruiming knelpunt Gorinchem, variant industrie Avelingen. Het onderzoek naar andere varianten is nog bezig en het is daarom niet geheel duidelijk welke maatregel uiteindelijk toegepast gaat worden. In samenspraak met het projectbureau Ruimte voor de Rivier [T. van der Linden] is besloten om een onlangs opgestelde variant te onderzoeken, aangezien deze een van de meest waarschijnlijke varianten is van deze maatregel. Dit is de variant industrie Avelingen [Lodder en Gao, 2003]. Deze variant betreft aanpassingen aan de noordzijde van de Boven Merwede ter hoogte van het industrieterrein Avelingen (figuur 5.3). De voorlanden worden hier afgegraven en de havens gedempt. Tevens wordt een deel van de industrie verplaatst. Door deze maatregel krijgt het industrieterrein een lange loskade in plaats van het drietal haventjes die er nu aanwezig zijn. Deze maatregel is in feite een zomerbedverbreding met extra een loskade om tegemoet te komen aan de wensen van de industrie. Om de afvoer van water na dit traject zo goed mogelijk te laten verlopen wordt ook een geul gegraven in de uiterwaard, die bij bepaalde afvoeren stroomvoerend zal zijn. Schematisering in SOBEK Het afgraven van het voorland is in SOBEK gemodelleerd als een verbreding van de hoofdgeul. De mate van verbreding per profiel is af te lezen uit de topografische kaart. In totaal zijn vier profielen aangepast (tabel 5.1) Tabel 5.1 Aanpassing profielen bij maatregelen Gorinchem. Dwarsprofiel Verbreding [m] Waal Waal Waal Waal Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

52 De nevengeul is geschematiseerd als parallelle tak. Om de nevengeul via knooppunten te verbinden met de Waal is de tak Waal 2 in drie delen opgesplitst (figuur 5.4): 1. Waal 2 (lengte: m) 2. Waal 3 (lengte: 1498 m) 3. Waal 4 (lengte: 1328 m) De nevengeul is nu gesitueerd parallel aan tak Waal 3, dit is van kmr tot De lengte van de nevengeul bedraagt 1750 m. De bodem van de geul ligt op 4 m NAP en is 100 m breed. De breedte van de nevengeul neemt toe met de hoogte, tot 155 m op m NAP. Hierboven houdt de geul dezelfde breedte Figuur 5.4 Schematisatie nevengeul Om te voorkomen dat de geul te vaak stroomvoerend is, is een inlaatdrempel ontworpen, met de drempelhoogte gelijk aan de hoogte van het maaiveld, die +1.5 m NAP bedraagt. 5.3 Theoretische analyse maatregelen In deze paragraaf zijn de maatregelen onderworpen aan een theoretische analyse. Met behulp van enkele simpele formuleringen zijn in kwalitatieve en kwantitatieve zin de lange-termijn effecten van de voorgestelde maatregelen bepaald. Deze lange-termijn effecten zijn de wijziging in evenwichtstoestand na toepassing van de maatregel. De aannamen bij deze analyse zijn: voor de ingrepen zijn de rivieren in hydraulisch en morfologisch evenwicht; de waterspiegel ver benedenstrooms van de plaats van ingrijpen is constant. In bijlage X is tevens een analyse opgenomen van de korte termijn effecten. Deze effecten zullen in mindere mate optreden omdat de meeste maatregelen alleen effect hebben bij hoogwater Kwalitatieve bepaling effecten Waterbeweging, sedimenttransport en bodemligging zijn onderling gekoppeld en vormen een dynamisch systeem. Dit systeem streeft 40 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

53 onder bepaalde condities naar een evenwichtstoestand, waarin in de tijd geen veranderingen meer plaatsvinden. Deze evenwichtstoestand kan worden bepaald met de volgende vergelijkingen [Ribberink et al., 2002a en 2002b]: de evenwichtswaterstand h 1 s n eq eq = m het evenwichtsverhang 3 1 n 2 Cq m s eq i = eq q (vergelijking 5.1) (vergelijking 5.2) In bovenstaande formules zijn de volgende symbolen gebruikt: h waterdiepte [m] q debiet per eenheid van breedte [m 2 /s] i bodemverhang [-] C Chézy coëfficiënt [m 1/2 /s] s sedimenttransport per eenheid van breedte [m 2 /s] m, n constanten, hangen af van transportformule Verder is met het subscript eq de evenwichtstoestand aangeduid. Naast de kwalitatieve beschrijving van de effecten in de volgende twee paragrafen, is in paragraaf een afschatting gemaakt van de orde van groottes van deze effecten. Steurgat Alleen in stroomvoerende toestand heeft deze maatregel morfologische effecten tot gevolg. De frequentie waarmee het Steurgat stroomvoerend zal zijn, is dan ook bepalend voor de mate waarin de effecten zullen optreden. Gezien de kwalitatieve aard is in de navolgende analyse uitgegaan van een stroomvoerend Steurgat. Uit vergelijking 5.1 en 5.2 volgt dat een wateronttrekking tot gevolg heeft dat de waterdiepte afneemt en het verhang toeneemt. Echter, een sedimentonttrekking heeft juist tot gevolg dat de waterdiepte toeneemt en het verhang afneemt. Het is dus noodzakelijk om na te gaan welke van de twee veranderingen de sterkste invloed heeft op de veranderingen van de evenwichtstoestand. Uit de vergelijkingen volgt: h q, s 1 n 3 1 n i q s, Voor n=5 (is bijvoorbeeld het geval in de transportformule van Engelund & Hansen) blijkt dat een bepaalde relatieve verandering in het debiet een grotere invloed heeft op de waterdiepte en het verhang dan een zelfde relatieve verandering in sediment transport. Bovendien zal de sedimentonttrekking kleiner zijn dan verwacht mag worden op basis van de verandering in debiet. Er geldt niet dat bijvoorbeeld een debietonttrekking van 50% van het oorspronkelijke debiet, een sedimenttonttrekking van 50% van het oorspronkelijke transport met zich meebrengt. Door de aanwezigheid van een drempel 41 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

54 bij de inlaat naar het Steurgat zal vooral water onttrokken worden uit de bovenste waterlagen waar de sedimentconcentratie het laagst is. De aanwezigheid van bodemtransport versterkt dit argument Figuur 5.5 Aanpassing evenwichtssituatie na toepassing maatregel Steurgat. De gestippelde lijnen geven de Q 0, S 0 oorspronkelijke waterspiegel en bodemligging weer. De nieuwe evenwichtssituatie wordt dus hoofdzakelijk bepaald door de debietonttrekking, wat neerkomt op een afname van waterdiepte en een toename van verhang benedenstrooms van het Steurgat (vergelijking 5.1 en 5.2). h 0, i 0 h 1 < h 0, i 1 > i 0 gefixeerde waterstand Steurgat: onttrekking debiet In figuur 5.5 is een schets gemaakt van de vernieuwde evenwichtssituatie. Hierbij is uitgegaan van een gefixeerde waterstand (ver) benedenstrooms van de ingreep. Uit de figuur volgt dat de effecten benedenstrooms van de ingreep ook gevolgen hebben voor het bovenstroomse gedeelte. Aangezien hier de waterspiegel ook gestegen is, moet de bodem meestijgen om dezelfde waterdiepte te behouden. De stijging van de bodem hier is gelijk aan L i, met L de lengte vanaf het Steurgat tot aan de locatie met de gefixeerde waterstand (bijvoorbeeld de zee) en i het verschil in verhang op dit traject voor en na de toepassing. Rivierverruiming knelpunt Gorinchem Het voorgenomen ingrijpen bij Gorinchem is feitelijk een pakket van maatregelen. Enerzijds zal het aanleggen van een extra geul in de uiterwaard zorgen voor een debietonttrekking uit de hoofdgeul, anderzijds wordt een deel van de noordelijke uiterwaard afgegraven waardoor het zomerbed wordt verbreed. Beide maatregelen zorgen ervoor dat het debiet per eenheid van breedte (q) afneemt. Figuur 5.6 toont de vernieuwde evenwichtssituatie. Benedenstrooms van het traject van ingrepen vinden geen veranderingen plaats in de evenwichtstoestand. Hier zijn immers geen wijzigingen in debiet en sedimenttransport. Op het traject zelf daalt de waterdiepte door de afname in q (vergelijking 5.1), wat neerkomt op een stijging van de bodem. Bovendien is het verhang hier groter (vergelijking 5.2), waardoor de bodemstijging stroomopwaarts toeneemt. Bovenstrooms van het traject is het debiet en het sedimenttransport ook niet gewijzigd. De waterdiepte en het verhang blijven hier dus ongewijzigd. Echter, door het grotere bodemverhang op het maatregelentraject, zal de bodem hier stijgen om dezelfde waterdiepte te behouden. De stijging van de bodem hier is gelijk aan L i, met L de lengte van het 42 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

55 Figuur 5.6 Aanpassing evenwichtssituatie na toepassing rivierverruimende maatregelen Gorinchem. De gestippelde lijnen geven de oorspronkelijke waterspiegel en bodemligging weer. maatregelentraject (± 5000 m) en i het verschil in verhang op het maatregelentraject voor en na de toepassing. Q 0, S 0 h 0, i 0 h 1 < h 0, i 1 > i 0 h 0, i 0 gefixeerde waterstand Traject maatregelen Kwantificering effecten De analyse in voorgaande paragrafen is van kwalitatieve aard. In de huidige paragraaf worden met behulp van enkele simpele berekeningen de orde van groottes afgeschat van de effecten. Ook de rol van de morfologische tijd- en ruimteschaal van de voorspelde veranderingen wordt toegelicht. Steurgat Uit figuur 5.5 volgt dat benedenstrooms van het Steurgat de bodem zal gaan stijgen. Deze stijging vindt plaats over het gehele traject dat tussen het Steurgat en de locatie met de gefixeerde waterstand ligt. Normaal gesproken ligt deze locatie in zee, wanneer verondersteld wordt dat de zeespiegel niet of nauwelijks verandert. In deze situatie kan het Hollandsch Diep als rand gebruikt worden, aangezien het water dat via het Steurgat wordt afgevoerd uiteindelijk via de Biesbosch weer terechtkomt in het Hollandsch Diep. In het Hollandsch Diep is dan ten opzichte van de autonome situatie niets veranderd. In dat geval is de morfologische ruimteschaal zo n 20 kilometer (lengte Nieuwe Merwede). Nu kan een schatting gemaakt worden van de veranderingen in evenwichtssituatie. Benedenstrooms van het Steurgat geldt: Q0 Q q1 = (vergelijking 5.3) B Met Q de debietonttrekking via het Steurgat. Tezamen met vergelijkingen 5.1 en 5.2 volgt: Q h1 = h0 1 (vergelijking 5.4) Q0 Q0 i1 = i0 (vergelijking 5.5) Q Q 0 Het gemiddelde debiet door de Nieuwe Merwede over de periode is zo n 930 m 3 /s (bepaald uit SOBEK resultaten). Wanneer het Steurgat zodanig wordt ontworpen dat de overschrijdingsfrequentie van de drempel 1 keer per jaar is, verandert dit gemiddeld debiet 43 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

56 slechts met 0.11%. Er volgt dan dat h 1 = 0.99 h 0 en i 1 = 1.00 i 0. De lange termijn effecten zijn dus zeer minimaal. Met een oorspronkelijke waterdiepte van de orde van grootte van 5 m, levert dit een daling van de waterdiepte op met 0.6 cm op de benedenstroomse rand van de Nieuwe Merwede, ofwel een bodemstijging van 0.6 cm. Er is hier geen rekening gehouden met het feit dat de grootste morfologische veranderingen plaatsvinden bij hoge debieten. De effecten zullen daarom onderschat zijn. Ook zullen er wel enige korte-termijn effecten zichtbaar zijn, elke keer dat het Steurgat stroomvoerend is. De tijdschaal waarop bovengenoemde lange termijn effecten zich afspelen is moeilijk in te schatten. De bodem zal zijn evenwichtstoestand waarschijnlijk ook nooit bereiken. Door steeds terugkerende aanpassingen in de riviersystemen krijgen de systemen te weinig tijd om evenwichtssituaties te bereiken. Door baggerwerkzaamheden bijvoorbeeld zal de bodemstijging beperkt worden. Het is echter wel zo dat de morfologische tijdschaal waarop de effecten zich afspelen wel informatie verschaft over de benodigde intensivering van de baggerwerkzaamheden om de bodem op gewenst peil te houden. Hierbij kan SOBEK een goed hulpmiddel zijn om deze tijdschaal in te schatten. Rivierverruiming knelpunt Gorinchem Een soortgelijke analyse is uitgevoerd voor de maatregelen bij Gorinchem. De zomerbedverbreding en de nevengeul zijn apart bekeken. De gemiddelde verbreding van het zomerbed bedraagt 200 m, wat neerkomt op een toename van ongeveer 50%. Bij gelijkblijvend debiet neemt het debiet per eenheid van breedte dus af met een factor 1/1.5 = 2/3. Uit vergelijking 5.1 volgt dan dat de evenwichtswaterdiepte hiermee evenredig afneemt, wat tot uiting komt in een bodemstijging. Bij een huidige gemiddelde waterdiepte van 6 m levert dit een bodemstijging van 2 m. Het evenwichtsverhang neemt toe (vergelijking 5.2) met factor 1.5. Het bodemverhang op dit traject is echter dusdanig klein dat de effecten hiervan verwaarloosbaar zijn. Voor de maatregel nevengeul geldt dat met een drempelhoogte van 1.5 m NAP, de geul zo n 20 dagen per jaar stroomvoerend zal zijn. Dit is het geval bij een debiet door de hoofdgeul van ongeveer 2900 m 3 /s. Ervan uitgaande dat het extra debiet boven deze 2950 m 3 /s verdeeld wordt over de hoofdgeul en nevengeul volgens de breedteverhoudingen (400 : 150) van de twee geulen, levert dit een daling van het gemiddeld debiet door de hoofdgeul op van 10 m 3 /s. Met een oorspronkelijk debiet van zo n 1500 m 3 /s volgt uit vergelijking 5.4 dat de waterdiepte afneemt met 4 cm. Vergeleken met het effect door de zomerbedverbreding is dit dus verwaarloosbaar. Door het zeer kleine verhang in bodemverloop in de Boven Merwede zullen de effecten hier dus beperkt blijven tot het traject waar de maatregelen gepland zijn. Op het traject van de zomerbedverbreding zal een forse bodemstijging plaatsvinden. Verder benedenstrooms ter hoogte van de nevengeul zal de bodemstijging beduidend lager uitvallen. De snelheid waarmee de forse bodemstijging zich manifesteert is afhankelijk van de tijdschaal. Bij een zeer grote tijdschaal zal dit proces 44 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

57 zo traag verlopen, dat deze sedimentatie beperkt blijft. Andere ingrepen in het riviersysteem zullen de evenwichtssituatie wederom veranderen. Uiteraard spelen baggerwerkzaamheden hier ook weer een grote rol in. Wordt de sedimentatie consequent weggebaggerd, dan zal deze sedimentatie zich nooit verder kunnen uitbreiden. Korte termijn effecten Voor beide maatregelen geldt dat er zich ook korte termijn effecten zullen voordoen ten gevolge van de aanpassingen (bijlage X). De morfologische tijdschaal hiervan is korter dan de tijdschaal van de lange termijn effecten. Normaalgesproken zijn de korte termijn effecten al vrij snel merkbaar na toepassing van de ingrepen (<< 1 jaar). Voor het Steurgat en de nevengeul bij Gorinchem geldt dat beide aanpassingen alleen benut worden bij extreme afvoeren. Deze effecten zullen zich dan ook alleen na extreme afvoeren voordoen. Bovendien zullen de effecten na een periode met extreme afvoeren weer min of meer uitgewist worden, doordat het systeem nu weer terugkeert naar de onveranderde situatie. Voor de zomerbedverbreding zullen de korte termijn effecten zich waarschijnlijk veel sterker uiten. De voorspelde bodemgolven zullen zich ook direct na de ingreep ontwikkelen. SOBEK zal ook hier weer als hulpmiddel gebruikt worden bij het afschatten in welke mate de effecten zich voordoen Conclusies Het handmatig afschatten van de voorspelde effecten geeft een globaal inzicht in de verwachte uitkomsten. Met het in de voorgaande hoofdstukken ontwikkelde SOBEK model is zo n afschatting realistischer, gezien de complexiteit van het rivierensysteem. Hierbij is het wel van belang om een voldoende ruime rekenperiode te hanteren. De effecten zullen zich namelijk vrij langzaam manifesteren aangezien de meeste maatregelen slechts sporadisch effect zullen hebben. 5.4 Resultaten SOBEK Inleiding Dit hoofdstuk beschrijft de effecten van de maatregelen die met behulp van SOBEK zijn bepaald. Tijdens de SOBEK runs zijn de volgende instellingen gebruikt: rekenperiode 50 jaar (afweging benodigde rekentijd en gewenste simulatieperiode) met dezelfde initiële morfologische condities als tijdens de calibratie (startbodem 1990); zelfde hydraulische randvoorwaarden aan de bovenrand als tijdens calibratie, echter nu 5 x achter elkaar. Deze periode is lang genoeg voor een betrouwbare afvoerverdeling; hydraulische benedenrand is een morfologische bepalend getij, geen zeespiegelrijzing; baggeren toegepast, middels een over gemiddeld continue sedimentonttrekking (figuur 5.7). De resultaten van SOBEK zijn in relatie tot de nulsituatie geanalyseerd. De nulsituatie is bepaald door het uitvoeren van een autonome run (paragraaf 5.4.2). De effecten van de maatregel Steurgat en 45 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

58 Rivierverruimende maatregelen Gorinchem worden respectievelijk behandeld in paragraaf en Figuur 5.7 Baggerwerkzaamheden die gebruikt zijn tijdens de berekeningen met de rivierverruimende maatregelen Baggeren tijdens simulatieperiode Baggervolume [1000 m3/10 jaar] Waal Boven Merw ede Beneden Merw ede Nieuw e Merw ede Nulsituatie De grootschalige morfologische ontwikkeling van de vier onderzoekstakken is weergegeven in figuur 5.8. Verder zijn in bijlage XI figuren opgenomen met daarin de kleinschalige morfologische bodemontwikkeling, ofwel de bodemveranderingen per locatie binnen een tak. Het model is hierop niet afgeregeld, dus de resultaten hiervan zijn niet volledig betrouwbaar. Maar juist door het bepalen van de kleinschalige morfologische ontwikkeling van de nulsituatie, kan bij berekeningen met de maatregelen alleen het kleinschalige morfologische effect ten gevolge van de maatregel zelf bestudeerd worden. De onbetrouwbaarheid in de autonome ontwikkeling wordt hierin dus niet meegenomen omdat de resultaten van de berekeningen met de maatregelen altijd ten opzichte van de nulsituatie bekeken worden. Oftewel: effect maatregel = totaal effect autonome ontwikkeling. Verder geldt dat voor de Nieuwe Merwede het model tijdens de calibratie goede resultaten behaald zijn met betrekking tot de kleinschalige morfologische ontwikkeling. Voor de Beneden Merwede zijn de resultaten van zowel grootschalige als kleinschalige morfologische ontwikkeling het minst betrouwbaar. Aan de hand van bovengenoemde figuren is hieronder per tak globaal aangegeven hoe de bodemligging zich zal ontwikkelen gedurende 50 jaar, zonder toepassing van maatregelen. 46 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

59 Figuur 5.8 De totale bodemverandering per tak voor de situatie waarin geen maatregelen zijn toegepast. Bodemverandering [1000 m3] Nulsituatie Beneden Merwede Nieuwe Merwede Boven Merwede Waal Waal De resultaten laten over het algemeen erosie zien (figuur 5.8). Gedurende de eerste 10 jaar is al de helft van de uiteindelijke erosie opgetreden. Op bepaalde locaties is deze erosie vrij fors met bodemdalingen van 1 meter na 50 jaar. Ook vindt er op enkele punten sedimentatie plaats, tot maximaal 60 cm. Op het bovenstroomse deel van de Waal (kmr ) is de bodem vrij snel in evenwicht gekomen. In de laatste 40 jaar van de simulatie is de bodem hier nauwelijks meer veranderd. Benedenstrooms geldt dat evenwicht later wordt bereikt, hier is de bodemligging de laatste 25 jaar bijna niet meer veranderd. Boven Merwede: Op deze tak vindt er netto erosie plaats. Wel blijkt dat op de eerste 2.5 km de bodem stijgt met zo n 20 cm. Verderop daalt de bodem juist met gemiddeld 40 cm. De bodem lijkt nog niet een evenwichtstoestand bereikt te hebben; de verandering in de laatste 25 jaar zijn namelijk vrij groot. Nieuwe Merwede De bodem van deze tak daalt behoorlijk. Na 25 jaar is de bodem met gemiddeld 35 cm gedaald en na 50 jaar is de totale gemiddelde daling 50 cm. De snelheid waarmee de bodem daalt neemt dus wel af doordat de bodem de evenwichtssituatie nadert, maar de evenwichtsstand lijkt na 50 jaar nog niet gehaald. Beneden Merwede De enige tak waarop sedimentatie plaatsvindt. Op de eerste 6 km van de Beneden Merwede is de bodem gedurende de 50 jaar lichtelijk geërodeerd, gemiddeld met zo n 25 cm. Tussen kmr 967 en 969 vindt juist sedimentatie plaats. De bodem is hier tot 80 cm gestegen. Vanaf kmr 970 tot aan het eind is de bodem ook gestegen met gemiddeld 1 meter. Opvallend is dat de bodem gedurende de laatste 25 jaar van de simulatie nauwelijks meer veranderd is. De evenwichtssituatie is dus vrij snel bereikt. Of er werkelijk sedimentatie zal optreden is onzeker doordat de calibratie van deze tak niet goed verliep. Tijdens de calibratie berekende 47 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

60 het model namelijk veel sedimentatie, terwijl uit de metingen bleek dat de bodem licht erodeerde. De afwijking van de grootschalige morfologie tijdens de calibratie op deze tak bedroeg m 3 (figuur 4.9: 123% x baggervolume = 123% x m 3 ) in 10 jaar. Uit figuur 5.8 volgt dat een sedimentatie van dezelfde orde van grootte zich voordoet in de eerste 10 jaar van de nulsituatie. Naar alle waarschijnlijkheid zal de werkelijke morfologische veranderingen dus vrij klein zijn. Hieruit blijkt wederom dat, vooral voor de Beneden Merwede, de resultaten van de maatregelen altijd relatief ten opzichte van de nulsituatie bekeken moeten worden Steurgat Deze maatregel heeft zeer beperkte morfologische effecten. De effecten op de Beneden Merwede, de Boven Merwede en de Waal zijn verwaarloosbaar klein. Op de Nieuwe Merwede zijn wel enige verschillen te zien in grootschalige morfologie ten opzichte van de nulsituatie (figuur 5.9). De effecten zijn hier echter ook gering Figuur 5.9 Totale bodemverandering voor Nieuwe Merwede na toepassen van de maatregel Steurgat Nieuwe Merwede Bodemverandering [1000 m3] Nulsituatie Steurgat na 10 jaar na 25 jaar na 50 jaar Figuur 5.10 geeft een goed beeld van de zich steeds herhalende korte termijneffecten die zich voordoen rond extreme afvoeren, wanneer het Steurgat stroomvoerend is. De sedimentatiegolven die in figuur VIII.1 (bijlage X) zijn weergegeven komen in de SOBEK resultaten ook goed naar voren. De golven verplaatsen zich in benedenstroomse richting. De hoogte van de golven zijn in de figuur zo n + 12 cm ten opzichte van de run met de nulsituatie. Uiteraard is de figuur een momentopname en zijn hogere golven mogelijk, afhankelijk van de afvoer door het Steurgat. Het maximale verschil in bodemligging ten opzichte van de nulsituatie dat is voorgekomen in de 50-jarige simulatie is + 13 cm op kmr 963 (net na aftakking naar Steurgat). Verder valt op dat na 50 jaar de bodem van bijna de gehele Nieuwe Merwede met zo n 2 4 cm is gestegen, ruim meer dan voorspeld in paragraaf Hieruit blijkt weer dat de grootste morfologische veranderingen zich voordoen bij hoge afvoeren. 48 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

61 Figuur 5.10 Effecten bodemligging Nieuwe Merwede tgv de maatregel Steurgat tov de nulsituatie. bodemverschil tov nulsituatie [m] 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 Effecten maatregelen Steurgat op Nime na 50 jaar na 25 jaar na 10 jaar -0, kmr Uit bovenstaande blijkt dat de effecten behoorlijk klein zijn. Figuur 5.11 laat de autonome bodemontwikkeling (grijze lijn) zien en ook de extra effecten die optreden ten gevolge van de maatregel (zwarte lijn). Hieruit blijkt dat zich in de autonome situatie, in een relatief korte tijd van enkele weken, bodemveranderingen van aanzienlijk grotere orde voordoen dan de extra effecten ten gevolge van de maatregel. Het effect ten gevolge van de maatregel na een hoge afvoer bedraagt dan wel zo n 12 cm ten opzichte van de nulsituatie, de bodemverandering die sowieso al optreedt bedraagt ruim 30 cm Figuur 5.11 Vergelijking bodemontwikkeling nulsituatie, gezien vanaf t=0 (blauwe lijn) met de extra effecten veroorzaakt door de maatregel Steurgat (gele lijn) op een locatie in de Nieuwe Merwede net na de aftakking naar het Steurgat, waar de korteeffecten maximaal zijn. Bodemverschil [m] 0,50 0,25 0,00-0,25 Effect Steurgat t.o.v. autonome bodemontwikkeling -0,50 jan-90 jan-95 jan-00 dec-04 dec-09 dec-14 dec-19 dec-24 dec-29 dec-34 dec-39 Datum Rivierverruiming knelpunt Gorinchem Waal Op de Waal zijn geen effecten waarneembaar ten gevolge van de maatregelen. De effecten op bodemligging verplaatsen zich dus niet in bovenstroomse richting. Dit kwam ook naar voren uit de theoretische analyse. Boven Merwede Uit figuur 5.12 volgt dat er een behoorlijke sedimentatie optreedt ten gevolge van de maatregelen. De sedimentatie voltrekt zich snel, na 10 jaar al is 2/3 van de uiteindelijke sedimentatie bereikt. De totale sedimentatie na 10 jaar bedraagt m 3. Tijdens de modelruns is 49 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

62 rekening gehouden met een toekomstige baggerwerkzaamheden van m 3 per 10 jaar, dat gebaseerd is op de baggerwerkzaamheden tijdens de periode Om de bodem na toepassing van de voorgestelde maatregelen op peil te houden, zal dit baggerbeleid dus moeten worden geïntensiveerd tot m 3 per 10 jaar, een stijging met 50% Figuur 5.12 Totale bodemverandering voor Boven Merwede na toepassen van de rivierverruimende maatregelen bij Gorinchem Boven Merwede Bodemverandering [1000 m3] Nulsituatie Gorinchem na 10 jaar na 25 jaar na 50 jaar Figuur 5.13 geeft een meer gedetailleerd inzicht in de effecten. Vrijwel de gehele sedimentatie doet zich voor tussen kmr 956 en 958, het tracé waar de zomerbedverbreding heeft plaatsgevonden. De effecten hiervan zijn zodanig groot, dat de effecten van de nevengeul nauwelijks zichtbaar zijn. Ter plekke van de nevengeul is na 50 jaar de bodemligging zo n 10 cm hoger dan in de nulsituatie, terwijl ter plekke van de zomerbedverbreding de bodem uiteindelijk ruim 2 meter hoger komt te liggen. De overeenkomst met de theoretische analyse is dus vrij goed. Alleen rond kmr 956 verloopt de bodemsprong veel geleidelijker dan uit figuur 5.6 volgt. Dit is te wijten aan het feit dat er door SOBEK gemiddelde waarden worden berekend op een rekenpunt (er wordt gemiddeld over het halve vak erna en het halve vak ervoor). Rond kmr 958 treedt dit probleem niet op, omdat zich hier een knooppunt bevindt in verband met de aansluiting van de nevengeul Figuur 5.13 Effecten bodemligging Boven Merwede tgv de maatregelen bij Gorinchem tov de nulsituatie. De stippellijnen geven het gebied van de zomerbedverbreding aan. bodemverschil tov nulsituatie [m] 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00-1,00-2,00 Effecten maatregelen Gorinchem op Boven Merwede na 50 jaar na 25 jaar na 10 jaar na 6 jaar na 3 jaar -3, kmr 50 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

63 In de figuur zijn ook de effecten na 3 en 6 jaar weergegeven. Hier zijn de korte termijn effecten zichtbaar. Deze effecten komen goed overeen met de verwachte effecten op basis van de theoretische analyse (bijlage X): een geconcentreerde sedimentatie aan het begin van het maatregelentraject en een geconcentreerde erosie (-1.5 m tov nulsituatie) aan het eind van het traject van zomerbedverbreding. Deze effecten verplaatsen zich vervolgens in benedenstroomse richting als bodemgolven. Na 10 jaar bereikt de erosiegolf het einde van de Boven Merwede. De vorm van de erosiegolf is dan veranderd, minder diep en breder. De sedimentatiegolf is minder goed zichtbaar. Dit is voornamelijk te wijten aan de korte afstand tussen de twee bodemvormen, waardoor de sedimentatiegolf eigenlijk zorgt voor de opvulling van de erosiegolf. Nieuwe Merwede De effecten van de maatregelen in de Boven Merwede zijn ook merkbaar op de takken benedenstrooms ervan. De zich voortplantende erosiegolf op de Boven Merwede heeft na 10 jaar de Nieuwe en Beneden Merwede bereikt. Door de verdeling over de twee takken en door diffusie is de golf duidelijk verondiept (figuur 5.14). De bodemligging in het dal van de golf is zo n 80 cm lager in vergelijking met de nulsituatie, terwijl dit op de Boven Merwede nog 1.5 m bedroeg Figuur 5.14 Effecten bodemligging Nieuwe Merwede tgv de maatregelen bij Gorinchem tov de nulsituatie. bodemverschil tov nulsituatie [m] Effecten maatregelen Gorinchem op Nieuwe Merwede 0,20 0,00-0,20-0,40-0,60-0,80 na 50 jaar na 25 jaar na 10 jaar kmr Naast de erosie die in de nulsituatie optreedt, ontstaat door de golf een extra erosie van m 3 die na de volledige intrede van de golf vrij constant blijft (figuur 5.15). Een deel van de extra erosie zal waarschijnlijk verdwijnen nadat de golf de Nieuwe Merwede heeft verlaten, maar dit is na 50 jaar nog niet het geval. Het andere deel van de extra erosie blijft, bovenstrooms van de golf (na 50 jaar) is de bodemligging namelijk lager dan in de nulsituatie. Een verklaring hiervoor zou kunnen zijn dat in de nulsituatie de bodem van de Nieuwe Merwede ook erodeert. Na 50 jaar is de evenwichtssituatie nog niet bereikt en dus zal de bodem hierna nog verder dalen. Door de passage van de erosiegolf is dit erosieproces versneld en is de bodem dichter tot de evenwichtssituatie genaderd. 51 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

64 Figuur 5.15 Totale bodemverandering voor Nieuwe Merwede na toepassen van de rivierverruimende maatregelen bij Gorinchem Bodemverandering [1000 m3] Nieuwe Merwede Nulsituatie Gorinchem na 10 jaar na 25 jaar na 50 jaar Beneden Merwede Door de passage van de bodemgolf zal de voorspelde sedimentatie die in de nulsituatie naar voren komt, veel lager uitvallen (figuur 5.16) Figuur 5.16 Totale bodemverandering voor Beneden Merwede na toepassen van de rivierverruimende maatregelen bij Gorinchem Bodemverandering [1000 m3] Beneden Merwede Nulsituatie Gorinchem na 10 jaar na 25 jaar na 50 jaar Hoe de morfologische ontwikkeling zich na de eerste 10 jaar voortzet is met het huidige model lastig te bepalen. In de nulsituatie blijft de bodem sedimenteren gedurende de gehele simulatieperiode. Na 50 jaar is ook de sedimentatie in de situatie met de maatregelen bij Gorinchem aanzienlijk toegenomen. Waarschijnlijk zal de na 25 jaar volgens het model opgetreden sedimentatie in werkelijkheid niet optreden, maar zal er juist erosie optreden door de passage van de erosiegolf. Na 50 jaar zal de bodem weer terugkeren naar de oude situatie en zal de sedimentatie of erosie bij voortzetting van het huidige baggerbeleid klein zijn. Na 50 jaar heeft de erosiegolf het einde van de Beneden Merwede bereikt. De bodemligging is dan gemiddeld zo n 20 cm lager dan in de nulsituatie. Naar alle waarschijnlijkheid zal de bodem hierna weer stijgen, aangezien de evenwichtstoestand van de bodem nog niet bereikt is. De snelheid waarmee de bodemgolven zich over de Beneden en Nieuwe Merwede voortplanten zijn vrijwel gelijk. Aan het eind van de 52 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

65 simulatie liggen de dalen van beide golven in beide takken net na kmr 975. De oorsprong van de golf ligt ter hoogte van kmr 958, dus de voortplantingssnelheid bedraagt zo n 330 meter per jaar Figuur 5.17 Effecten bodemligging Beneden Merwede tgv de maatregelen bij Gorinchem tov de nulsituatie. bodemverschil tov nulsituatie [m] Effecten maatregelen Gorinchem op Beneden Merwede 0,20 0,00-0,20-0,40-0,60-0,80-1, kmr na 50 jaar na 25 jaar na 10 jaar Effecten benedenstroomse takken Uit de resultaten blijkt dat erosiegolf die veroorzaakt is door de zomerbedverbreding op de Boven Merwede na 50 jaar nog duidelijk aanwezig is. Deze golf zal zeker ook de takken benedenstrooms van de Nieuwe en Beneden Merwede bereiken. Het model is hier niet gecalibreerd en daarom zijn deze effecten niet in kaart gebracht. 53 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

66 54 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

67 6 Conclusies en aanbevelingen Conclusies De doelstelling van dit onderzoek was het opzetten en calibreren van het morfologische NDB model met behulp van SOBEK teneinde een tweetal maatregelen in het kader van het project Ruimte voor de Rivier, die worden toegepast in de Nieuwe en Boven Merwede, te onderzoeken op hun grootschalige morfologische effecten. Hieronder zijn de conclusies van dit onderzoek gegeven. Allereerst volgen enkele conclusies met betrekking tot de calibratie van het morfologische model: De calibratie van het model is uitgevoerd voor de drie Merwede takken en de Waal. Het model is afgeregeld op de grootschalige morfologie, ofwel de totale bodemverandering (m 3 ) per tak in de periode In tegenstelling tot het voorgaande morfologische model is dit model robuuster; er zijn weinig problemen geconstateerd tijdens de simulaties over de 10-jarige periode. Het model is afgeregeld met (calibratievariabelen) de keuze van de transportformule, de calibratiefactor van de transportformule, Chézy waarden en korreldiameters. De keuze van transportformule heeft een relatief grote invloed op de modeluitkomsten. De Chézy waarden en korreldiameters zijn geschikte variabelen om de morfologische ontwikkeling binnen een tak af te regelen. Als calibratie-eis is gehanteerd dat de modelvoorspelling moeten overeenkomen met de metingen, rekening houdend met een marge van 30% van de hoeveelheid baggerwerk. De calibratie voor de Beneden Merwede is niet geslaagd conform de vooraf gestelde eisen. Voor de overige onderzoekstakken is dit wel gelukt. De beste resultaten zijn behaald voor de Nieuwe Merwede. De problemen met de Beneden Merwede uitte zich in een sedimentatie op de gehele tak, terwijl uit de metingen juist volgde dat de bodem onveranderd bleef. Een oorzaak zou kunnen zijn dat de gebruikte rekentijdstap te groot is gekozen voor een goede modellering van de getijbeweging. Voor het slagen van de calibratie in de Nieuwe Merwede was een behoorlijke aanpassing in korreldiameter op de laatste 10 km nodig. Uit onderzoek is gebleken dat er zich op dit traject van de Nieuwe Merwede slib bevindt. Tijdens de calibratie is gebleken dat de baggeractiviteiten in de onderzoekstakken een significante rol op de morfologische ontwikkeling hebben. Tevens is de relatieve onzekerheid in de baggerdata aanzienlijk. Hierdoor wordt de onzekerheid op de grootschalige morfologische ontwikkeling voornamelijk bepaald door de onzekerheid in de baggerdata. De calibratie-eis is dan ook opgesteld op basis van deze onzekerheid. 55 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

68 De conclusies met betrekking tot de effecten van de rivierverruimende maatregelen zijn: Het model is in staat gebleken om een periode van 50 jaar door te rekenen. Hierbij hebben zich geen grote problemen of modelcrashes voorgedaan, waardoor het model een robuust hulpmiddel is bij het bepalen van de effecten van ingrepen in de rivier. De morfologische effecten van twee maatregelen zijn met behulp van SOBEK bepaald. De eerste maatregel betreft het afvoeren van water vanaf de Nieuwe Merwede door het Steurgat naar de Biesbosch bij extreme afvoer. De andere maatregel bestaat uit twee ingrepen in de Boven Merwede bij Gorinchem. Het gaat hierbij om de optimalisatie van de bestaande nevengeul aan de noordoever en tevens een zomerbedverbreding. De effecten van de maatregelen zijn in relatieve zin beschreven. Dat wil zeggen dat de effecten altijd ten opzichte van de bodemontwikkelingen in de nulsituaties geanalyseerd worden. SOBEK berekent in de nulsituatie na 50 jaar erosie op de Nieuwe Merwede, de Boven Merwede en de Waal. Op de Nieuwe Merwede is deze erosie het grootst. De bodem is na 50 jaar gemiddeld met zo n 50 cm gedaald. Op de Beneden Merwede wordt sedimentatie berekend. Echter, de sedimentatie is na 10 jaar van dezelfde orde van grootte als de overschatting van sedimentatie tijdens de calibratie. Naar alle waarschijnlijkheid blijft de bodem dan ook vrij stabiel, bij de voortzetting van het huidige baggerbeleid. De maatregel betreffende het Steurgat brengt in de onderzochte vorm geen significante morfologische effecten met zich mee op de takken Beneden Merwede, Boven Merwede en de Waal. Op de Nieuwe Merwede zijn ten gevolge van deze maatregelen wel enige effecten zichtbaar. Ten opzichte van de nulsituatie is de bodem op een groot deel van de tak na 50 jaar met zo n 4 cm gestegen. Verder komen er na perioden van extreme afvoer, waarbij de maatregel actief wordt, sedimentatiegolven voor, die zich voortplanten in benedenstroomse richting. In vergelijking met de bodemveranderingen die zich in de nulsituatie voordoen zijn bovengenoemde effecten echter gering. De maatregelen in de Boven Merwede bij Gorinchem veroorzaken grote morfologische effecten. Dit is vooral te wijten aan de zomerbedverbreding. De nevengeul is slechts bij hoge afvoeren stroomvoerend en heeft onder normale omstandigheden geen invloed op de morfologische ontwikkeling van het zomerbed. Het eerste effect is de bodemstijging ten opzichte van de nulsituatie met zo n 2 meter ter plekke van het traject waar de verbreding van het zomerbed is uitgevoerd. Het tweede belangrijke effect is het ontstaan van een erosiegolf net benedenstrooms van de zomerbedverbreding. Het dal van de golf ligt bij het ontstaan ervan zo n 2 meter onder het bodemniveau van de nulsituatie en verplaatst zich in benedenstroomse richting. Tijdens de voortplanting van de golf verandert de vorm ervan. De golf wordt minder diep, maar wel breder. Na ongeveer 10 jaar bereikt de golf 56 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

69 de Beneden en Nieuwe Merwede. De golven hebben na 50 jaar nog niet het eind van beide takken bereikt. De verwachting is wel dat de effecten zich ook op de takken benedenstrooms zullen voordoen. Naast de SOBEK berekeningen is tevens een analytisch onderzoek gedaan naar de effecten van de maatregelen. De overeenkomsten tussen deze analyse en de SOBEK resultaten zijn goed. 6.2 Aanbevelingen Enkele aanbevelingen met betrekking tot de morfologische calibratie van het model: De problemen met de morfologische modellering aan het eind van de Nieuwe Merwede door de aanwezigheid van slib, zouden aangepakt kunnen worden door het inbouwen van de mogelijkheid van zand-slib-segregatie in SOBEK. Tevens maakt dit een verdere uitbreiding van de calibratie naar de meer slibrijke takken mogelijk. Ook zou een aanpassing in SOBEK betreffende de sedimentvoerende breedte gewenst zijn. Deze is nu beperkt tot de breedte van de hoofdgeul, waardoor de morfologische veranderingen bij hoge afvoeren op een relatief kleine breedte ten opzichte van de totale stroomvoerende breedte plaatsvinden. Dit levert onstabiele modelruns op, omdat de bodemstijgingen te grof zijn. Uitbreiden van de Baseline-schematisaties naar de benedenstroomse takken, waardoor de stabiliteit en nauwkeurigheid van de modelberekeningen hier toenemen. Calibratie verder uitwerken voor overige takken van het NDB. Tezamen met de uitbreiding van de Baseline-schematisatie zou het model verder gecalibreerd kunnen worden. Zolang er geen mogelijkheden voor modellering van zand-slib-segregatie ingebouwd zijn, is verdere uitbreiding van de morfologische calibratie alleen mogelijk op de overige zandige takken. Het bovenstroomse deel zou eerst afgewerkt kunnen worden door bijvoorbeeld de Maas en de Lek te calibreren. Hieronder volgen de aanbevelingen naar aanleiding van het onderzoek naar de effecten van de rivierverruimende maatregelen: De maatregelen in de Boven Merwede bij Gorinchem, zorgen voor een dusdanige bodemstijging dat het primaire doel van deze maatregelen waterstandverlaging bij extreme afvoeren deels teniet gedaan zou kunnen worden, wanneer de baggerwerkzaamheden op dit traject niet worden geïntensiveerd. Aanbevolen wordt om maatregelen te treffen die geen effect hebben tijdens normale omstandigheden. De nevengeul is hier een voorbeeld van, maar ook de maatregel Steurgat. Door het inzetten van deze maatregelen alleen tijdens extreme afvoeren blijven de morfologische effecten die deze maatregelen met zich meebrengen zeer beperkt. Gedetailleerd gevoeligheidsonderzoek uitvoeren: er zouden enkele variaties op de maatregelen doorgerekend kunnen worden om zo de gevoeligheid ervan op de morfologische effecten te achterhalen. 57 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

70 Hierbij valt te denken aan een andere drempelhoogte voor het Steurgat en voor de nevengeul bij Gorinchem, maar ook bijvoorbeeld variaties in de zomerbedverbreding. Er zijn al varianten beschreven op de in dit hoofdstuk beschreven maatregelen. De morfologische effecten van deze varianten zouden ook met het model beschouwd kunnen worden. Naast de in dit rapport beschreven maatregelen liggen er ook nog andere plannen op tafel voor de Merwede takken in het kader van ruimte voor de rivier. Het model zou ook in deze gevallen gebruikt kunnen worden om de morfologische effecten ervan te onderzoeken. Bovendien kunnen bij uitbreiding van de morfologische calibratie maatregelen in andere takken onderzocht worden. 58 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

71 Referenties Literatuur Allersma, E., 1988, Morfologisch Onderzoek Noordelijk Deltabekken, Morfologische Modellering, deel 1t/m 4. WL Delft Hydraulics, Z Bouwdienst Rijkswaterstaat, in opdracht van de projectorganisatie Ruimte voor de Rivier, 2002, Startnotitie MER, in het kader van de PKB-procedure Ruimte voor de Rivier, Min. V&W, Min. VROM en Min Landb., Nat. en Vis. Brinke, W.B.M. ten, L.J. Bolwidt, E. Snippen, L.W.J. van Hal, 2001, Sedimentbalans Rijntakken 2000, Een actualisatie van de Sedimentbalans voor Slib, Zand en Grind van de rijntakken in het Beheersgebied van de Directie Oost-Nederland, RIZA, rapport Bureau Benedenrivieren, 2002, Maatwerk, Overzicht van Maatregelen, Ontwerpproces met de Regio Benedenrivieren, uitgave in het kader van Ruimte voor de Rivier. Dreumel, P.F. van, 1995, Slib- en Zandbeweging in het Noordelijk Deltabekken in de periode , Rijkswaterstaat Directie Zuid- Holland, Afdeling Watersysteemkennis. Fioole, A., B. Steenkamp, 2000, Effect Hoge Afvoeren op de Bodemontwikkeling van de Nieuwe Merwede, RIZA-WST, werkdocument X. Hartman, M.R., A.P.P. Termes, J. Udo, 2001, SOBEK-model Noordelijk Deltabekken, Nieuwe Merwede, Beneden Merwede en de Brabantse Biesbosch, HKV PR499. Houwing, E.J., G. Blom, 2001, Sedimenttransport en Morfologische Ontwikkeling van het Noordelijk Deltabekken, RIZA-WST, rapport Jesse, P., D.F. Kroekenstoel, 2001, 1-D Morfologische model Rijntakken, Verslag Calibratie en Validatie, RIZA, rapport KNMI, 2003, De Toestand van het Klimaat in Nederland Koomans, R.L., 2003, Verontreiniging van de Waterbodem, Amer, Merwede, Bergse Maas, Medusa Explorations, project 2003-P Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

72 Ledden, M. van, 1999, Zand-Slib-Segregatie, Modellering van Zandslibstructuren in de Nieuwe Merwede, RIZA, werkdocument X Ledden, M. van, 2003, Sand-Mud Segragation in Estuaries and Tidal Basins, proefschrift, TUD, ISBN Linden, M. van der, J.W. van Zetten, 2002, Een SOBEK-model van het Noordelijk Deltabekken: Bouw, Calibratie en Verificatie, RIZA, rapport Linden, M van der, 2003, Memo RIZA Maatregelen Concept (in voorbereiding), RIZA Memo. Lodder, Q., Q. Gao, 2003, Concept Rapportage verdiepingsslag BER Gorinchem, RIZA Memo. Ogink, H.J.M, J.G. Grijsen, 1986, Hydraulische ruwheid van de Merweden en de Maas, Verslag van Onderzoek, WL Delft Hydraulics rapport R2393/Q388. Ogink, H.J.M., 2002, Quick Scan Zomerbedverdieping Merweden, WL Delft Hydraulics, notitie Q3304. Ribberink, J.S., R.H. Buijsrogge, 2002, Transportverschijnselen en Morfologie, Civiele Techniek Universiteit Twente, dictaat nr Ribberink, J.S., S.J.H.M. Hulscher, R.H. Buijsrogge, 2002, Ondiepwaterstromingen, Civiele Techniek Universiteit Twente, dictaat nr Rijkswaterstaat, 2001, Beschrijving Functies Boven Merwede, Beneden Merwede en Nieuwe Merwede, BPN versie januari SOBEK Help Desk, 2001, SOBEK River/Estuary User Manual, WL Delft Hydraulics, afkomstig van Sobekversie cd SOBEK Help Desk, 2000, SOBEK River/Estuary Technical Reference Manual, WL Delft Hydraulics. Wang, Z.B., R.J. Fokkink, M. de Vries, A. Langerak, 1995, Stability of River Bifurcations in 1D Morphodynamic Models, J. of Hydr. Res., Vol. 33, No. 6. Wang, Z.B., A.W. Weck, E.J. van der Houwing, 2000, Morfologie van het Noordelijk Deltabekken, geschiktheid van numerieke modellen voor voorspelling van morfologische ontwikkelingen, WL Delft Hydraulics, rapport Z2662. Wang, Z.B., 2000, Morfologie van het Noordelijk Deltabekken, Pilot toepassing van 1D netwerk modellen SOBEK-MOR en ESTMORF, WL Delft Hydraulics, rapport Z Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

73 Wang, Z.B., 2001, Een 1D Netwerk Morfodynamisch Model voor het Noordelijk Deltabekken, Opzet van het Model, WL Delft Hydraulics, rapport Z3146. Werf, J.J. van der, 2001, Graded Sediment at River Bifurcations, an Analytical and Numerical Study of the Rhine Bifurcations, Universiteit Twente, Document x. WL Delft Hydraulics en HKV lijn in water, 2003, Rivierkundige analyses maatregelen Benedenrivierengebied ten behoeve van PKB Ruimte voor de Rivier, Rapport Q WL Delft Hydraulics en HKV lijn in water, 2003, PKB Ruimte voor de Rivier Hydraulische effectbepaling Aanvullende werkzaamheden, Rapport Q Gegevensbronnen DONAR database Rijkswaterstaat. Fugro Ingenieursbureau, 2002, Laboratoriumresultaten betreffende Morf. Modelleren (Nr ), opdrachtnummer H RWS-DZH Rotterdam, 2002, Evaluatie Baggerwerk voor Merwede. 61 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

74 62 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

75 Bijlagen Bijlage I: Bijlage II: Bijlage III: Bijlage IV: Bijlage V: Bijlage VI: Bijlage VII: Bijlage VIII: Bijlage IX: Bijlage X: Bijlage XI: modellering waterbeweging SOBEK SOBEK schematisatie takken NDB beschrijving Baseline hydraulische calibratie model korreldiameters NDB baggergegevens onderzoekstakken bodemliggingen onderzoekstakken aanpassingen korreldiameter controle hydraulische calibratie korte termijn effecten maatregelen bodemontwikkeling nulsituatie 63 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

76 64 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

77 Bijlage I Modellering waterbeweging SOBEK De stroming wordt in SOBEK gemodelleerd door de continuïteitsvergelijking voor water en de bewegingsvergelijking voor water. De continuïteitsvergelijking luidt: A Q t qlat t + = x De bewegingsvergelijking luidt: 2 Q Q h gq Q τ g ρ wi + α + ga + W + ga ( η + ξq Q ) + A 2 t x A x C RA ρ ρ x f f w w B f f f lm = 0 In deze vergelijkingen zijn de volgende symbolen gebruikt: Q debiet [m 3 /s] t tijd [s] x afstand [m] α B constante van Boussinesq [-] A f stroomvoerende dwarsdoorsnede [m 2 ] q lat lateraal debiet [m 2 /s] g zwaarteversnelling [m/s 2 ] h waterstand (t.o.v. referentieniveau) [m] C Chézy coëfficiënt [m 1/2 /s] R hydraulische straal [m] W f stroomvoerende breedte [m] τ wi schuifspanning t.g.v. wind [N/m 2 ] ρ w dichtheid water [kg/m 3 ] η eerste additionele weerstandscoëfficiënt [-] ξ tweede additionele weerstandscoëfficiënt [-] A lm eerste orde moment dwarsdoorsnede [m 3 ] 65 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

78 66 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen

79 Bijlage II SOBEK schematisatie takken NDB SOBEK vakken in het oorspronkelijke model. Bovenstaande figuur geeft een goede indruk van de vakken schematisatie in het SOBEK NDB model. Dit model is echter in deze studie niet gebruikt. In het basismodel van deze studie zijn de takken van de meest bovenstroomse rivieren al volgens Baseline geschematiseerd, wat hier nog niet gebeurd is. Bovendien is tijdens deze studie de Baseline schematisatie uitgebreid naar het gebied rondom de Biesbosch (paragraaf 3.3). Takken en knopen in het huidige model: In bovenstaande figuur is het netwerk van takken en knopen weergegeven. Ook zijn de belangrijke kunstwerken in het gebied aangegeven, die als structures zijn geschematiseerd in SOBEK. 67 Morfologische gevolgen van rivierverruimende maatregelen