BEHEERSEENHEID VAN HET MATHEMATISCH MODEL VAN DE NOORDZEE GROEP MODELLEN Bepaling van de Sedimentbalans voor de Belgische Kustwateren (SEBAB) Activiteitsrapport 3: Berekeningen met sedimenttransportmodellen Michael Fettweis & Dries Van den Eynde SEBAB/1/MF/211/NL/AR/3 Voorbereid voor Afdeling Waterwegen Kust, contract SEBAB BMM 1 Gulledelle B 12 Brussel België
1. Inleiding 3 1.1. Kader van het onderzoek 3 1.2. Doel van het SEBAB project 3 1.3. Overzicht van het rapport 4 1.4. Publicaties binnen het SEBAB-project 4 2. Erosie- en sedimentatiegebieden 5 2.1. Meetgegevens en literatuurdata 5 2.2. Berekening met modellen 7 2.3. Vergelijking modelresultaten met meetgegevens 13 2.4. Conclusies 14 3. Residueel SPM-transport door de open randen van het model 16 3.1. Debiet 16 3.2. SPM-transport 17 3.3. Slibsedimentatie 2 3.4. Conclusies 21 4. Dispersie van het fijn materiaal bij opeenvolgende dumpingen 23 4.1. Baggerspeciestortingen voor 1999 23 4.2. Dumpingen van slib uit vaargeulen op B&W S1 en B&W S2 23 4.2.1. Simulaties s2 24 4.2.1.1. Variaties gedurende een getij 24 4.2.1.2. Variaties gedurende een doodtij-springtij cyclus 24 4.2.2. Simulaties s17 25 4.3. Dumpingen van slib op B&W Zeebrugge Oost 25 4.4. Conclusies 26 5. Samenvatting en conclusie 28 5.1. Erosie- en sedimentatiegebieden 28 5.2. Residueel SPM-transport door de open randen van het model 28 5.3. Dispersie van het fijn materiaal bij opeenvolgende dumpingen 29 5.4. Conclusies 3 6. Referenties 31 7. Lijst met afkortingen en definities 33 Appendix 1: Maanfasen dec 1998 jan 2 Appendix 2: Dumpingen van baggerspecie uit havens en vaar- 1
geulen voor het jaar 1998 (AWZ, WWK) Appendix 3: Dumpingen van baggerspecie uit havens en vaargeulen voor het jaar 1999 (AWZ, WWK) Appendix 4: Dumpingen van baggerspecie uit havens en vaargeulen gerangschikt per dag voor het jaar 1999 (AWZ, WWK) Appendix 5: Figuur 4.1, simulatie van stortingen op B&W S1 en B&W S2. Variaties gedurende één getijcyclus (s2du) Appendix 6: Figuren 4.2-4.4, simulatie van stortingen op B&W S1 en B&W S2. Variaties gedurende een doodtij-springtijcyclus (s2du, s2dudries, s2dumw) Appendix 7: Figuren 4.5-4.7, simulatie van stortingen op B&W S1 en B&W S2. Variaties gedurende een doodtij-springtijcyclus (s17, s17du, s17mw) Appendix 8: Figuur 4.8, simulatie van stortingen op B&W Zeebrugge Oost. Variaties gedurende een doodtijspringtijcyclus (s2duzo) 2
1. Inleiding 1.1. Kader van het onderzoek De tracerproeven en de STA-berekeningen (Sediment Trend Analyse) die in opdracht van Afdeling Waterwegen Kust (WWK) door HAECON NV (1994a; 1994b) werden uitgevoerd, suggereren dat de slibfractie van het gebaggerde materiaal, dat in een zone dicht bij de kust wordt gedumpt, zeer snel en volledig recirculeert en dus door de stromingen en golven als het ware ter plaatse gevangen blijft. De resultaten van berekeningen met sedimenttransportmodellen, die door de BMM in opdracht van WWK werden uitgevoerd (Van den Eynde, 1994; 1995; 1997a; 1997b), suggereren echter dat dit beeld vermoedelijk niet volledig juist is vermits het baggermateriaal tijdens stormen in de richting van de residuele stroming wordt verplaatst. Omdat zuidwestenstormen overheersen, betekent dit dus een netto transport van het gedumpte materiaal naar Nederland. Er wordt algemeen verondersteld dat er een belangrijke transport van particulair materiaal in suspensie (SPM) optreedt via de Straat van Dover, langs het Belgisch Continentaal Plat (BCP) richting Nederland. 1.2. Doel van het SEBAB project Het doel van het SEBAB project is om de verhouding tussen de hoeveelheid materiaal die jaarlijks gebaggerd en gestort wordt en de hoeveelheid materiaal die jaarlijks op natuurlijke wijze het BCP binnenkomt en langs de Belgische kustzone stroomt, te bepalen. Een nauwkeurige kennis van deze verhouding laat toe om de efficiëntie van de huidige stortplaatsen te bepalen. Wanneer deze verhouding immers groot is, betekent dit dat het baggeren van de vaargeulen en havens een belangrijk proces is in de Belgische kustwateren en dat door de keuze van goede stortplaatsen het rendement van de baggerwerkzaamheden verhoogd kan worden. Is deze verhouding evenwel klein dan is het dumpen van de baggerspecie een onbelangrijk proces ten opzicht van de natuurlijke opvulling van de baggerplaatsen met materiaal dat via de Franse grens het BCP binnenkomt. Dit zou dan betekenen dat de keuze van de ligging van de stortplaatsen van ondergeschikt belang is (wat betreft het rendement van de baggerwerken). Binnen SEBAB project worden volgende taken uitgevoerd: 1. Literatuurstudie sedimentbalans op het BCP 2. Berekeningen met sedimenttransportmodellen 3. Turbiditeitsmetingen 4. Analyse van de resultaten (literatuur, model en metingen) 5. Rapportering, publicatie, seminarie 3
1.3. Overzicht van het rapport In dit activiteitenrapport wordt een samenvatting gegeven van de inspanningen die voor Taak 2: Berekeningen met sedimenttransportmodellen werden gedaan. Buiten de klassieke hoofdstukken (Inleiding, Samenvatting en conclusies, Referenties, Lijst met afkortingen en definities) bestaat de kern van het rapport uit hoofdstukken 2 (Erosie- en sedimentatiegebieden), 3 (Residueel SPMtransport door de open randen van het model) en 4 (Dispersie van het fijn materiaal bij opeenvolgende dumpingen). In hoofdstuk 2 wordt een overzicht gegeven van de modelberekeningen die uitgevoerd werden en de literatuurgegevens die geraadpleegd werden om de erosie- en sedimentatiegebieden in het modeldomein te onderscheiden. Naast een vergelijking tussen modelresultaten en metingen wordt ook dieper ingegaan op de verschillen tussen beiden en de oorzaak ervan. De berekening van het residueel debiet en van het residueel SPM-transport door de open randen van het model is noodzakelijk om de verhouding tussen de hoeveelheid materiaal die jaarlijks gebaggerd en gestort wordt en de hoeveelheid materiaal die jaarlijks op natuurlijke wijze het BCP binnenkomt en langs de Belgische kustzone stroomt, te bepalen. Stortingen van baggerspecie vormen een natuurlijk proces op het BCP (natuurlijk in de zin dat het een niet weg te denken onderdeel van de sedimentcyclus is). Het is daarom logisch dat de stortingen van materiaal opgenomen worden in de numerieke berekeningen. Resultaten hiervan worden in hoofdstuk 4 voorgesteld. 1.4. Publicaties binnen het SEBAB-project Er werden tot nu toe volgende rapporten of publicaties opgesteld: Fettweis, M. & D. Van den Eynde. 1999. Bepaling van de Sedimentbalans voor de Belgische Kustwateren. Activiteitsrapport 1: Literatuurstudie. BMMrapport SEBAB/1/XX/199912/NL/AR/1, 35 pp. Fettweis, M. & D. Van den Eynde. 2. Bepaling van de Sedimentbalans voor de Belgische Kustwateren. Activiteitsrapport 2: Berekeningen met sedimenttransportmodellen. BMM-rapport SEBAB/1/MF/26/NL/AR/2, 45 pp. Fettweis, M. & D. Van den Eynde. 2. Bepaling van de Sedimentbalans voor de Belgische Kustwateren. Activiteitsrapport 3: Berekeningen met sedimenttransportmodellen. BMM-rapport SEBAB/1/MF/211/NL/AR/3, 35 pp. 4
2. Erosie- en sedimentatiegebieden De Westerscheldemond is op morfologisch vlak zeer actief en is onderhevig aan tal van veranderingen op verschillende tijdsschalen. De hoofdlijnen hiervan worden beschreven door Kornman et al. (2). De mens speelt hierin een voorname rol door b.v. de uitbouw van havens, het baggeren en storten van materiaal uit vaargeulen en havens, het verdiepen van vaargeulen en het verdedigen van kusten. Het identificeren van erosie- en sedimentatiegebieden is daarom belangrijk om de morfologische ontwikkeling van het BCP te begrijpen en te voorspellen. Evaluatie van bestaande of nieuwe dumpingplaatsen of sedimentextractiezones of het verdedigen van structuren in zee tegen erosie, steunt op deze kennis. Erosie- en sedimentatiegebieden kunnen geïdentificeerd worden indien de hydrodynamica en de sedimentsamenstelling (textuur en mineralogie) gekend zijn. De sedimentsamenstelling kan een indicatie geven van het brongebied en ook van het transportmechanisme en de heersende transportenergie. Het aanwezige korrelgroottespectrum is immers onderhevig geweest aan een sortering tijdens het hydraulisch transport wat ook resulteert in een selectieve sedimentatie. De ligging van de sedimentdata in een ternair diagram (zand/silt/klei) geeft hierover een indicatie omdat de hydrodynamische condities erin opgenomen kunnen worden (Flemming, 2). Een dergelijk diagram laat toe om sedimenten met hogere gehaltes aan zand en silt, die op afzetting onder hogere hydrodynamische energiecondities wijzen, progressief te scheiden van slibrijkere en meer kleiige sedimenten, die sedimentatie onder lagere energiecondities weerspiegelen. Het algemene beeld van de sedimentverdeling op een shelf is dan als volgt: de fijne sedimenten worden gevonden in beschermde plaatsen (baai) langs de kust en in de diepere delen van het continentaal plat, terwijl de ondiepere zones van de shelf bestaan uit zand. Dit algemeen beeld is niet volledig geldig voor het BCP. 2.1. Meetgegevens en literatuurdata Het kleigehalte is bij de meeste hier gebruikte data niet gekend. Daarom werden de meetdata ingedeeld volgens hun slib- en zandgehalte in de bodem, zie Flemming (2). Het resultaat is te zien in figuur 2.1, waarin een kaart met het slibgehalte (in gew. %) getoond wordt. De beschikbare data werden geïnterpoleerd op het regelmatig rooster van het model met een afstandsgemiddelde interpolatietechniek, zie Fettweis & Van den Eynde (2). De gebieden met een hoog slibgehalte, die vooral ter hoogte van de Belgische Oostkust en de kust van Zeeuws-Vlaanderen gelegen zijn, zijn veeleer sedimentaire gebieden. Vermoedelijk dagzomen in en aan de rand van de diepe geulen tussen Zeebrugge en de Westerschelde ook oudere, hardere sliblagen. Deze wijzen op erosie (zie ook 2.3). De ontgrondingskuilen voor de haven van Zeebrugge (Kornman et al., 2) zijn in tegenspraak met de slibverdeling in de bodem (figuur 2.1). Zij komen echter overeen met de resultaten van het mu-bcz model (figuren 2.4-2.9). 5
In tegenstelling met het bovenvermelde algemene beeld dat fijne sedimenten in gebieden afgezet worden met een lage hydrodynamische energie, treedt de sedimentatie hier op in een zone met sterke getijstromingen en een belangrijke invloed van golven. Er werden verschillende verklaringen hiervoor geformuleerd, die meestal steunen op het feit dat de stromingen en het residueel transport niet uniforme patronen of structuren vertonen ter hoogte van deze slibvelden (Bastin, 1973; Nihoul, 1975; Gullentops et al., 1976; Nihoul & Runfola, 1981; Van den Eynde, 1994). Daardoor wordt een deel van het materiaal in suspensie dat afkomstig is uit het Engels Kanaal ter plaatse geconcentreerd (zie ook figuur 3.1 met een beeld van het residueel transport voor 1999 zoals berekend met het numeriek model). Doordat er een groot verschil tussen dood- en springtij is, heeft het slib dat gedurende een doodtij afgezet wordt meer kans om een interne structuur op te bouwen ( gelling ) of te consolideren waardoor zijn weerstand tegen erosie of resuspensie vergroot en slibvelden kunnen ontstaan. Het spreekt echter vanzelf dat resuspensie en erosie belangrijke processen blijven in deze gebieden die gelegen zijn in een hydrodynamisch zeer actieve zone. Het voorkomen van een turbiditeitsmaximum boven de slibvelden is immers ook voor een groot deel het gevolg van resuspensie door de sterke getijstromingen en de invloed van de golven. Dronkers & Miltenburg (1996) beschrijven in een kwalitatief model hoe slibvelden of slibvlekken in shelfzeeën kunnen gevormd worden. De basisidee van hun model is dat onder bepaalde voorwaarden de resuspensie van slib geringer is uit een bodem met een hoog gehalte aan fijnkorrelig materiaal dan uit een bodem met een lager gehalte aan fijnkorrelig materiaal. Dit omdat bij een gering gehalte aan slib in de bodem, de poriën in het sediment niet opgevuld zijn en de bodem doorlatend is, terwijl bij een hoog gehalte aan slib de poriën opgevuld zijn en de cohesie tussen de deeltjes groot is, waardoor resuspensie moeilijker is. Een alternatief model voor de vorming van slibvelden is gebaseerd op de dissipatie van golf- en stromingsenergie boven een slibveld (Dronkers & Miltenburg, 1996). Omdat deze energie deels gebruikt wordt om vloeibare sliblagen te vormen, wordt de turbulentie in en ter hoogte van de vloeibare sliblaag gedempt en kunnen grote slibvlokken blijven bestaan en gemakkelijk opgenomen worden in de sliblaag. De hoge hydrodynamische energie aanwezig op het BCP, kan dus rechtstreeks gecorreleerd worden met het voorkomen van slibvelden. Malherbe (1991) en Winterwerp (1999) bevestigen dit door te vermelden dat ter hoogte van de haven van Zeebrugge vloeibare sliblagen voorkomen, die enerzijds ontstaan door de hoge slibconcentraties in het water (zie boven) en anderzijds door het samenspel van verschillende sedimentaire processen onder invloed van de heersende stromingen en golven. Een schatting van de hoeveelheid slib die afgezet wordt in de slibvelden (Paardenmarkt) werd opgesteld uit literatuurdata (Fettweis & Van den Eynde, 1999). Hieruit blijkt dat 1% van het slib dat jaarlijks langs de Belgische kust wordt getransporteerd (=.2 1 6 TDS) ter hoogte van de Oostkust blijft hangen. In dit getal is de aanslibbing in de baggerzones niet opgenomen. Het blijft echter een bijzonder laag getal dat de sedimentatie niet door menselijke ingrepen veroorzaakt, vermoedelijk onderschat. 6
Figuur 2.1: Slibgehalte (gew %). De metingen (zwarte puntjes) werden geïnterpoleerd op het numerieke rooster van het SPM-transportmodel. Slibafzettingen (sedimentaire gebieden) komen uiteraard ook voor in de vaargeulen en de havens. Hierover werd uitgebreid verslag gebracht in het eerste activiteitenrapport (Fettweis & Van den Eynde, 1999). Er wordt ook aandacht hieraan besteed in hoofdstuk 4. Het grootste deel van het BCP is bedekt met zand. Het voorkomen van zand is in overeenstemming met de sedimentatieprocessen op een continentaal plat (zie boven). Literatuurdata duiden aan dat de Vlaamse banken stabiel zijn, na erosieve fasen (stormen, zandextractie) treedt er een regeneratie van de zandbank op. Erosieve zones kunnen gevonden worden in gebieden waar de dikte van recente sedimenten minimaal is of waar tertiaire lagen dagzomen, zoals in de geulen tussen de zandbanken (Lanckneus et al., 2). 2.2. Berekening met modellen Berekeningen met een sedimenttransportmodel laten toe om voor een groot gebied met variërende bodemsamenstelling en hydrodynamica een overzicht te verkrijgen over erosieve of sedimentaire gebieden. De hier getoonde modelberekeningen zijn beperkt tot cohesieve sedimenten (slib). Het mu-stm model berekent de bodemschuifspanning en samen met de gekozen waarde voor de erosieconstante, de kritische schuifspanning voor erosie en sedimentatie en de valsnelheid (na calibratie en uit literatuur), kunnen erosieve en sedimentaire gebieden onderscheiden worden. Voor een beschrijving van het mu-stm model verwijzen we naar Fettweis & Van den Eynde (2). Vele van de hier getoonde figuren werden opgesteld voor zowel dood- als springtij. Voor een spring- of doodtij is het gemiddelde genomen van twee getijen, dit zijn het getij vóór en het getij ná het tijdstip van spring- of doodtij. 7
Springtij treedt op na volle of nieuwe maan en doodtij na het eerste of het laatste kwartier. Het tijdsinterval tussen springtij en volle of nieuwe maan wordt age of the tide of age of the phase inequality genoemd, en kan berekend worden met volgende formule: age (in uren) =.984(g S 2 g M 2 ) In Oostende bedraagt de fase (g) voor S 2 57.68 en voor M 2 5.26, wat resulteert in een faseverschuiving tussen nieuwe of volle maan en maximum springtij van 51.58 uren of 2.15 dagen. Deze waarde gebruiken we ook om het tijdstip van minimum doodtij te bepalen. De maanfasen voor het jaar 1999 kunnen gevonden worden in Appendix 1. In figuren 2.2 en 2.3 worden voor een dood- en een springtij de stromingsellipsen getoond. De figuren laten zien dat de ellipsen langs een smalle kuststrook, in de Westerscheldemonding, ter hoogte van de Vlaamse Banken en ten noordwesten van Westhinder vrij smal en langgerekt zijn. In deze gebieden is een dominante stromingsrichting aanwezig. In de rest van het gebied (Vlakte van de Raan, buiten de kustzone) zijn de stromingsellipsen veeleer cirkelvormig en is er geen dominante stroomrichting aanwezig. Op de plaatsen met langgerekte ellipsen is gedurende een deel van de tijcyclus de stroming gering en gedurende de rest ervan de stroming groter. Bij de rondere ellipsen is de stroming altijd ongeveer even groot. Figuren 2.4 en 2.5, waar de maximale bodemschuifspanning tijdens de dood- en springtijen van 1999 worden getoond, illustreren dit duidelijk. Op de plaatsen met langgerekte stromingsellipsen zijn de bodemschuifspanningsmaxima groot, terwijl elders kleinere waarden gevonden worden. Opvallend in de figuren zijn de grote maximale bodemschuifspanningen tussen Zeebrugge en de Westerschelde en voor de haven van Zeebrugge een gebied met hoog slibgehalte in de bodem. Figuren 2.6-2.9 geven het percentage van de tijd weer dat de bodemschuifspanning tijdens de dood- en springtijen van 1999 groter is dan een kritische waarde voor erosie (.5 Pa voor niet geconsolideerd slib en.8 Pa voor geconsolideerd slib). De figuren tonen dat de Vlakte van de Raan, de Vlaamse Banken en de Westerscheldemonding vrij erosief zijn voor slib. Duidelijk sedimentaire gebieden in het model zijn de kuststrook met vooral de zones ten oosten (Paardenmarkt) en ten westen van Zeebrugge. Resultaten van berekeningen met het sedimenttransportmodel werden besproken in het tweede activiteitenverslag (Fettweis & Van den Eynde, 2). Bijkomende resultaten worden voorgesteld in hoofdstuk 4. We willen hier reeds verwijzen naar de resultaten van slibafzetting in het modelgebied, zie figuren 4.5-4.7. Hieruit blijkt dat de sedimentaire gebieden in het model ten oosten en ten westen van Zeebrugge, in het Scheur West en het noordelijk deel van het Pas van het Zand gelegen zijn. Ten Noorden van en op de Vlakte van de Raan (B&W S1 en B&W S2) is er een tijdelijke slibafzetting gedurende doodtij. Deze afzettingen worden grotendeels terug in suspensie gebracht tijdens springtij, wat ook deels een verklaring geeft voor de dan hoge slibconcentratie in het water. In tegenstelling met de sedimentdata (figuur 2.1) wordt er in het model voor de haven van Zeebrugge en tussen Zeebrugge en de Westerscheldemonding nauwelijks slib afgezet. 8
Figuur 2.2: Stromingsellipsen voor een doodtij in 1999. Figuur 2.3: Stromingsellipsen voor een springtij in 1999. 9
Figuur 2.4: Maximale bodemschuifspanning tijdens de doodtijen van 1999 zoals berekend met het numeriek model. Figuur 2.5: Maximale bodemschuifspanning tijdens de springtijen van 1999 zoals berekend met het numeriek model. 1
Figuur 2.6: Percentage van de tijd dat de bodemschuifspanning tijdens de doodtijen van 1999 groter is dan de kritische schuifspanning voor erosie van niet geconsolideerd slib (.5 Pa). Figuur 2.7: Percentage van de tijd dat de bodemschuifspanning tijdens de springtijen van 1999 groter is dan de kritische schuifspanning voor erosie van niet geconsolideerd slib (.5 Pa). 11
Figuur 2.8: Percentage van de tijd dat de bodemschuifspanning tijdens de doodtijen van 1999 groter is dan de kritische schuifspanning voor erosie van geconsolideerd slib (.8 Pa). Figuur 2.9: Percentage van de tijd dat de bodemschuifspanning tijdens de springtijen van 1999 groter is dan de kritische schuifspanning voor erosie van geconsolideerd slib (.8 Pa). 12
2.3. Vergelijking modelresultaten met meetgegevens Omdat de berekende slibafzettingen kwantitatieve data leveren over de hoeveelheid slib die werd afgezet en de sedimentdata de samenstelling van het sediment weergeven, kan de vergelijking tussen beiden enkel beschrijvend zijn. Op het eerste zicht blijkt uit deze vergelijking (zie figuren 2.1 en 4.5-4.7) dat de resultaten van het numeriek model vrij goed overeenkomen met de gemeten sedimentdata. De slibafzettingen en de turbiditeitsmaxima concentreren zich ter hoogte van de Oostkust. Terwijl in de meetdata dit gebied met hoog slibgehalte in de bodem zich bijna continue uitstrekt langs de Oostkust, met een maximum ter hoogte van Zeebrugge, zijn in de modelresultaten de grootste afzettingen ten westen van Zeebrugge, in de vaargeulen (vooral in het Scheur West) en op de Paardenmarkt. Ten noorden van Zeebrugge is de aanslibbing uiterst gering. De kaart van slibgehaltes in de bodem (figuur 2.1) is gebruikt om de beginvoorwaarde op te stellen voor twee types simulaties (s17 en s18), de andere simulaties (s19 en s2) hebben een beginvoorwaarde van nul (geen slib in bodem). Bij de simulaties type s17 bevat elke roostercel initieel evenveel slib (dit is 1 5 TDS of 181 kg/m²). Bij de simulaties type s18 wordt de initiële hoeveelheid slib reeds verdeeld volgens het slibgehalte in de bodem (dit is 1 5 TDS x slib%). Bij beide simulaties komt dit slib overeen met slib in de bodem. De erosie gebeurt proportioneel met het slibgehalte in de bodem, hiervoor wordt de erosieconstante M vermenigvuldigd met het slibgehalte. Materiaal dat gedurende de simulatie sedimenteert, wordt in een laag op de bodem afgezet, dit sediment bestaat daarom uit 1% slib. Het is ook in de lagen op de bodem dat consolidatie kan optreden. De resultaten worden weergegeven in figuren 2.1 en 2.11. Het meeste slib in figuur 2.1 wordt teruggevonden in gebieden met initieel bijna geen slib in de bodem. De erosieconstante is hier immers uiterst klein zodat heel weinig slib kan eroderen. Opvallend aan deze figuren is dat het gebied tussen Zeebrugge en de Westerscheldemonding duidelijk erosief is, terwijl in de bodemdata dit een slibrijke zone is. Waarom zijn er deze verschillen tussen modelresultaten en metingen? 1) Meetgegevens (sediment): Zoals uit figuur 2.1 blijkt zijn er te weinig meetpunten langs de Oostkust om een kaart met voldoende nauwkeurigheid op te stellen, zie reeds het tweede activiteitenverslag (Fettweis & Van den Eynde, 2). We vermoeden dat de slibvelden niet continue zijn, maar meer verspreid en in vlekken voorkomen. Kwalitatieve (visueel) verschillen tussen de bodemstalen die genomen werden tijdens de Belgica campagnes 2/26 en 2/31 ter hoogte van de Belgische Oostkust kunnen deze stelling deels bevestigen. Hieruit volgt dat de samenstelling, dichtheid en erosiegevoeligheid van het sediment lokaal sterk kunnen verschillen, wat uiteraard belangrijke consequenties heeft voor het opstellen van een model en voor het vastleggen van de modelparameters. Waarschijnlijk bestaat het slib ter hoogte van Zeebrugge ook deels uit vloeibare sliblagen. Dit zou dan verklaren waarom er ondanks het voorkomen van ontgrondingskuilen voor de haven, er toch een hoog slibgehalte gemeten 13
werd in de bodem. Vloeibare sliblagen veranderen de bodemschuifspanning, dempen de turbiditeit en beïnvloeden aldus de sedimentatie/resuspensie. Meer uitsluitsel hierover kan enkel door veldmetingen verkregen worden. 2) Numeriek model: Een model is uiteraard een vereenvoudiging van de werkelijkheid. Dit is zeker het geval voor sedimenttransportmodellen. Naast het feit dat we enkel één sedimenttype beschouwen in het model, wordt er bij gebrek aan data - geen rekening gehouden met de verandering van de bodem- en erosieschuifspanning of valsnelheid afhankelijk van de samenstelling van het sediment. Zo duidt de hoge consolidatie van het slib dat gevonden werd ter hoogte van de Bol van Knokke (kwalitatieve beschrijving van een Van Veen staal tijdens Belgica campagne 2/31) op een kleine erosiegevoeligheid. Dit slib is vermoedelijk niet recent afgezet en enkel door de hoge stromingen, die de bovenliggende lagen hebben geërodeerd, gaan dagzomen. Het feit dat in het model dit gebied erosief is, wordt dus bevestigd door deze harde sliblaag (de uitgestrektheid ervan is op dit moment niet geweten). Ook het feit dat vloeibare sliblagen niet gesimuleerd worden, kan plaatselijk de onderschatting van de aanslibbing verklaren. Verder is ook de resolutie van het model dusdanig dat belangrijke slibvangen, zoals de haven van Zeebrugge, niet opgenomen zijn in het rooster. 2.4. Conclusies De hoge gehaltes aan fijn sediment ter hoogte van de Belgische Oostkust en Zeeuws-Vlaanderen, zijn het gevolg van zowel een hoge aanvoer van fijne sedimenten vanuit het Engels Kanaal, alsook van de specifieke hydrodynamische condities. Gebieden met hoge gehaltes aan slib zijn voor een deel sedimentair, typische voorbeelden langs de kust zijn havens, baaien en diepe geulen. Het slib in deze gebieden is recent afgezet. In en langs de geulen tussen Zeebrugge en de Westerscheldemonding (Scheur, Wielingen) bevinden zich vermoedelijk ook oudere sliblagen die door de hoge stromingen en de baggerwerken zijn gaan dagzomen. Deze gebieden zijn erosief. Modelberekeningen en meetdata geven niet dezelfde resultaten wat betreft de uitgestrektheid van de slibvelden. Volgens de meetdata (bodemstalen en baggergegevens) zijn de slibvelden uitgestrekter dan volgens modelberekeningen. De oorzaak is toegeschreven aan zowel een tekort aan meetdata als aan beperkingen van het model. 14
Figuur 2.1: Hoeveelheid slib in de bodem na één jaar simulatie (s17). Initiële conditie: overal 181 kg/m² slib. Figuur 2.11: Hoeveelheid slib in de bodem na één jaar simulatie (s18). Initiële conditie: overal 181 x %slib kg/m² slib. 15
3. Residueel SPM-transport door de open randen van het model 3.1. Debiet In onderstaande tabel 3.1 en in figuur 3.1 worden de coördinaten van de open randen van het SPM-transportmodel (idem mu-bcz model) weergegeven. De oostelijke rand is beperkt tot het stukje ten Noorden van Walcheren en omvat niet de Westerscheldemonding. Het residueel debiet voor het jaar 1999 door deze open randen berekend met het mu-bcz model is in Tabel 3.2 te zien. De berekeningen werden uitgevoerd voor een toestand zonder en met meteorologische invloed. Met wind verhoogt het debiet significant. Figuur 3.1: Residueel watertransport voor 1999. i j λ max ( E) λ min ( E) ϕ max ( N) ϕ min ( N) W-rand 2-2.88889 51.62847 51.347 E-rand 134 87-9 3.575 - Schelde 134 6-63 3.575 - N-rand 9 3.575-51.62847 - Tabel 3.1: Model- en geografische coördinaten van de randen van het model. 16
debiet zonder wind debiet met wind W-rand 32.15 43.95 E-rand.46.94 Schelde -.22 -.21 N-rand 32.36 43.79 Tabel 3.2: Residueel debiet (1³ m³/s) door de open randen van het model, voor het jaar 1999. Positief is naar het oosten en naar het noorden. 3.2. SPM-transport De SPM-simulaties die hieronder beschreven worden, maken gebruik van een consolidatiemodel en gebruiken volgende waarden voor de sedimentparameters: τ ce =.5 Pa (ongeconsolideerd), τ ce =.8 Pa (geconsolideerd), M =.12 kg/m², w s =1 mm/s, τ cd =.5 Pa. Het met het SPM-transportmodel berekende residueel slibtransport voor het jaar 1999 door de open randen van het model is weergegeven in tabel 3.3 voor drie verschillende basistoestanden, (s17, s18 zie 2.3. voor een korte beschrijving; s19: initieel geen slib in bodem). De eerste getallen in elke kolom geven de resultaten weer van de simulaties met een slibconcentratierandvoorwaarde zoals bepaald uit metingen en literatuurgegevens, zie voor implementatie van deze randvoorwaarde het activiteitsrapport 2 (Fettweis & Van den Eynde, 2). Hieronder geven we de gebruikte randvoorwaarden (in mg/l) langs de oostelijke (Schelde en ten noorden van Walcheren), noordelijke ( km langs noordrand van het model ligt in het oosten van het rooster) en westelijke ( km is kust) rand van het mu-bcz-model opgesteld (zie figuur 3.1): Scheldemonding: 5 Ten N van Walcheren: 5 N-rand BCZ-model: 5 ( km), 4 (5 km), 3 (15 km), 2 (22 km), 1 (3 km), 5 (5 km) W-rand BCZ-model: 1 ( km), 5 (3 km) Het aldus berekende slibtransport is gelegen tussen 5.5x1 6 en 9.2x1 6 TDS/yr, wat kleiner is dan de meest recente waarden uit de literatuur. De lage getallen kunnen zowel wijzen op een te lage slibconcentratierandvoorwaarde in het model of op een overschatting van het residueel slibtransport langs de Belgische kust. Een literatuuroverzicht betreffende het sedimenttransport in de zuidelijke Noordzee en op het BCP werd gegeven in activiteitsrapport 1 (Fettweis & Van den Eynde, 1999). Hieruit bleek dat de meest recente schatting van het residueel slibtransport vanuit het zuidwesten (Straat van Dover) 22.2x1 6 TDS/yr en door de Westerscheldemonding.1±.2x1 6 TDS/yr (positief is naar opwaarts) bedraagt; naar het noordoosten (richting Nederland) ontsnapt een 22.x1 6 TDS/yr aan slib. Er dient hier wel opgemerkt te worden dat de waarden vermeld in de literatuur sterk uiteenlopen. Een slibtransport van 5.5-9.2x1 6 TDS/yr, zoals eerst berekend blijft realistisch en mogelijk. Omdat er geen recente data ons gekend zijn die nieuwe inzichten in de langdurige variaties van het residueel slibtransport in de zuidelijke Noordzee 17
geven (de residuele jaarlijkse slibtransporten variëren van jaar tot jaar), gaan we hier trachten om de met het model berekende slibtransporten te vergroten door de randvoorwaarde (slibconcentratie) aan te passen. Gebruikmakend van de door het model berekende residuele debieten (zie tabel 3.2) en de gekende residuele slibtransporten, kan een gemiddelde slibconcentratie langs de randen van het model berekend worden. Deze bedraagt 22 mg/l zonder en 16 mg/l met wind en golven langs de W-rand en 21 mg/l zonder en 16 mg/l met wind en golven langs de N- en E-rand van het model. De gemiddelde slibconcentratie aan de Westerscheldemonding bedraagt 14 tot 46 mg/l afhankelijk van het geraamde slibtransport (i.e. -.1x1 6 TDS/yr tot +.3x1 6 TDS/yr). Bij het opzetten van de randvoorwaarde voor het SPM-transportmodel (langdurige berekeningen) moet ook rekening gehouden worden met het feit dat de slibconcentratie afneemt van de kustzone naar open zee. Dit levert dan volgende suspensiegehaltes (in mg/l) op langs de oostelijke (Schelde en ten noorden van Walcheren), noordelijke ( km langs noordrand van het model ligt in het oosten van het rooster) en westelijke ( km is kust) rand van het BCZ-model (zie figuur 3.1): Scheldemonding: 25 Ten N van Walcheren: 4 N-rand: 4 ( km), 3 (5 km), 2 (15 km), 15 (22 km), 1 (3 km), 5 (5 km) W-rand: 4 ( km), 3 (25 km), 2 (32.5 km), 1 (4 km), 5 (45 km) De resultaten met de hierboven berekende slibconcentratierandvoorwaarde worden ook getoond in tabel 3.3 (tweede getal in elke kolom). Het hiermee berekende residueel slibtransport is van dezelfde grootte orde als de recente literatuurdata. Tabel 3.4 geeft voor de uitgevoerde simulaties een overzicht van de hoeveelheden slib die initieel aanwezig waren in de bodem, die geërodeerd werden uit de bodem (de erosie van slib uit de bodem wordt berekend met een erosieconstante M proportioneel aan het slibgehalte aanwezig) en die afgezet werden op de bodem. De modelberekeningen laten kwantitatief zien dat de hoge slibconcentraties ter hoogte van de Belgische Oostkust en de Westerscheldemonding duidelijk gerelateerd zijn aan de initiële hoeveelheid slib in het model. Hieruit kunnen we afleiden dat het turbiditeitsmaximum voor de kust, zowel door resuspensie van slib als door slibaanvoer vanuit Frankrijk gevormd wordt. 18
Transport Transp. (wind) Transp. (wind+golven) S17 (initieel overal evenveel slib in bodem) W-rand 5.47 (16.48) 8.35 (28.1) 7.75 (26.88) E-rand -.41 (-.16).7 (.78).7 (.78) Schelde 1.72 (4.9) 1.75 (5.3) 1.75 (5.3) N-rand 27.97 (37.46) 4.83 (56.69) 4.96 (56.6) Totaal -23.81 (-25.72) -34.93 (-34.4) -35.66 (-35.53) S18 (initieel een realistische slibverdeling in bodem) W-rand 5.64 (16.64) 8.69 (28.63) 8.52 (27.61) E-rand -.42 (-.16).61 (.68).61 (.68) Schelde -2.78 (.17) -2.75 (.26) -2.75 (.26) N-rand 2.87 (3.32) 3.45 (46.43) 3.39 (46.15) Totaal -11.94 (-13.69) -19.62 (-18.74) -19.73 (-19.48) S19 (initieel geen slib in bodem) W-rand 5.67 (16.67) 9.22 (29.7) 9.5 (28.6) E-rand -.42 (-.16).52 (.58).52 (.58) Schelde -3.96 (-1.8) -4.25 (-1.34) -4.25 (-1.34) N-rand 6.87 (15.87) 11.75 (27.81) 11.65 (27.43) Totaal 3.18 (2.4) 1.2 (2.2) 1.13 (1.48) Tabel 3.3: Residueel slibtransport door de open randen in 1 6 TDS/yr. Het eerste getal in elke kolom geeft het slibtransport voor een slibconcentratierandvoorwaarde zoals bepaald in activiteitsrapport 2 en het tweede getal voor een randvoorwaarde zoals hierboven is besproken. Positief is naar het oosten en naar het noorden. initieel erosie sedimentatie s17 (initieel overal evenveel slib) zonder wind 767.95 55.53 (55.43) 24.6 (23.44) met wind 767.95 59.95 (59.32) 18.37 (18.42) met wind en golven 767.95 6.91 (6.41) 18.45 (17.93) s18 (initieel een realistische slibverdeling in bodem) zonder wind 4.63 28.9 (28.6) 12. (11.68) met wind 4.63 31.49 (31.17) 8.96 (9.35) met wind en golven 4.63 31.52 (31.26) 8.86 (8.62) s19 (initieel geen slib in bodem) zonder wind 4.78 (5.16) met wind 3.92 (4.48) met wind en golven 3.83 (3.8) slib gebaggerd in 1999 in de vaargeulen: 4.3 Tabel 3.4: Erosie en sedimentatie van slib (in 1 6 TDS) over heel het modelgebied gedurende 1999. Initieel: hoeveelheid slib aan het begin van simulatie aanwezig in bodem, erosie: hoeveelheid slib geërodeerd uit bodem; sedimentatie: afzetting van slib op bodem. Het eerste getal in elke kolom geeft de hoeveelheid slib voor een slibconcentratierandvoorwaarde zoals bepaald in activiteitsrapport 2 en het tweede getal voor een randvoorwaarde zoals hierboven is besproken. 19
3.3. Slibsedimentatie Tabel 3.5 toont de slibhoeveelheden die afgezet werden tijdens één jaar simulatie (1999) in de drie belangrijkste vaargeulen, i.e. het Pas van het Zand, het Scheur West en het Scheur Oost (Wielingen). De totale berekende hoeveelheid aanslibbing in de drie geulen (zonder dumping tijdens de simulatie!) is van dezelfde grootte orde als de gebaggerde hoeveelheid. Opvallend is dat het slib in het model zich vooral concentreert in het Scheur West en het Pas van het Zand. In het Scheur Oost wordt nauwelijks slib afgezet in het model. De baggerdata van het jaar 1998 bevestigen deels deze trend, terwijl deze van 1999 duidelijk verschillend zijn. Het feit dat in 1999 in het Scheur Oost en West naast onderhouds- ook verdiepingswerken werden uitgevoerd biedt gedeeltelijk een verklaring hiervoor. Een andere verklaring ligt in de beperkingen van het model en in de onvolledige begin- en randvoorwaarden (zie ook hoofdstuk 2). De verhouding tussen de hoeveelheid materiaal die jaarlijks gebaggerd en gestort wordt en de hoeveelheid materiaal die jaarlijks op natuurlijke wijze het BCP binnenkomt en langs de Belgische kustzone stroomt, bedraagt.38 voor het jaar 1998 en.45 voor het jaar 1999. Deze verhouding is berekend uit meet-, bagger- en literatuurdata. Een gelijkaardige verhouding (i.e. de hoeveelheid materiaal die jaarlijks sedimenteert in de vaargeulen en de hoeveelheid materiaal die jaarlijks langs de westelijke open rand het model binnenstroomt) is weergegeven in tabel 3.6. De modelberekeningen (s17 met wind en golven) geven een verhouding tussen.9 en.32. De berekeningen werden uitgevoerd zonder stortingen en zonder het baggeren van het afgezet materiaal, daarom is de verhouding niet analoog met de verhouding bepaalt uit de meetdata. De getallen laten zien dat een nauwkeurige schatting van het residueel slibtransport langs de Belgische kust cruciaal is. Gebruikmakend van de slibrandvoorwaarde zoals beschreven in het activiteitenrapport 2 bekomen we een verhouding van.32 (s17, wind + golven), bij de randvoorwaarde die hierboven is voorgesteld.9. De verschillen tussen de twee verhoudingen zijn gelegen in de grootte van het residueel slibtransport. Uit het eerste getal, wat vrij groot is (.32), kunnen we besluiten dat het storten van baggerspecie een belangrijk proces is in de Belgische kustwateren, terwijl het tweede getal (.9) eerder het tegengestelde laat suggereren. Uit de tabel 3.5 blijkt ook dat een nauwkeurige beginvoorwaarde belangrijk is. Een vergelijking tussen simulaties s17 en s19 (zonder wind) toont aan dat bij simulatie s17 enkel ongeveer 1% van het in de vaargeulen afgezette slib via de open randen het model is binnengekomen, de resterende 9% zijn dus afkomstig uit erosie van het slib uit de bodem. Wind en golven hebben als gevolg dat nauwelijks slib dat via de open randen binnenstroomt afgezet wordt in de vaargeulen. 2
Pas v/h Zand Scheur West Scheur Oost s17 (initieel overal evenveel slib) zonder wind 2 (98) 3156 (298) 6.6 (4.9) met wind 119 (67) 2356 (2336) 6.7 (5.5) met wind en golven 12 (67) 2367 (2334) 6.7 (5.5) s18 (initieel een realistische slibverdeling in bodem) zonder wind 2.3 (1.5) 1714 (1485) 4.1 (2.5) met wind 3. (2.6) 18 (168) 4.1 (3.1) met wind en golven 3. (2.6) 174 (154) 4.1 (3.1) s19 (initieel geen slib in bodem) zonder wind 1.8 (1.2) 345 (16) 3.9 (2.2) met wind.9 (.9) 2.8 (5.5) 2.5 (1.7) met wind en golven.9 (.8) 2.7 (5.1) 2.5 (1.7) gestort slib in 1998 85 2121 449 gestort slib in 1999 392 63 2632 Tabel 3.5: Aanslibbing (in 1³ TDS) in de vaargeulen gedurende 1999. Het eerste getal in elke kolom geeft de aanslibbing voor een slibconcentratierandvoorwaarde zoals bepaald in activiteitsrapport 2 en het tweede getal voor een randvoorwaarde zoals hierboven ( 3.2) is besproken. Onderaan wordt de hoeveelheid slib gebaggerd in de vaargeulen in 1998 en 1999 vermeld. Transport Transp. (wind) Transp. (wind+golven) S17 (initieel overal evenveel slib in bodem).61 (.19).3 (.9).32 (.9) S18 (initieel een realistische slibverdeling in bodem).31 (.9).13 (.4).13 (.4) Tabel 3.6: Verhouding tussen de hoeveelheid materiaal die jaarlijks sedimenteert in de vaargeulen en de hoeveelheid materiaal die jaarlijks langs de westelijke open rand het model binnenstroomt, modelberekeningen voor 1999, zie tabellen 3.3 en 3.5. Het eerste getal in elke kolom geeft de verhouding voor een slibconcentratierandvoorwaarde zoals bepaald in activiteitsrapport 2 en het tweede getal voor een randvoorwaarde zoals hierboven ( 3.2) is besproken. 3.4. Conclusies Het residueel debiet door de west- en de noord-rand van het model bedraagt zonder meteorologische invloed ongeveer.32x1 6 m³/s en met meteorologische invloed ongeveer.44x1 6 m³/s. Het residueel slibtransport is afhankelijk van het residueel debiet en van de slibrandvoorwaarde. Door de slibrandvoorwaarde te veranderen werd een residueel slibtransport bekomen gelegen tussen 5-9x1 6 TDS/jaar (randvoorwaarde uit activiteitenrapport 2) of 16-29x1 6 TDS/jaar (nieuwe randvoorwaarde). De verhouding tussen de hoeveelheid slib die jaarlijks gebaggerd en gestort wordt en de hoeveelheid slib die jaarlijks op natuurlijke wijze het BCP binnen- 21
komt en langs de Belgische kustzone stroomt, bedraagt.38 voor het jaar 1998 en.45 voor het jaar 1999. Deze verhouding is berekend uit meet-, bagger- en literatuurdata. Bij de berekening van deze verhouding uit de modelresultaten blijkt vooral het belang van een nauwkeurige schatting van het residueel slibtransport langs de Belgische kust en de beginvoorwaarde (slibgehalte in bodem en slibdensiteit) cruciaal te zijn. De waarden liggen ver uiteen:.9 tot.61 (s17). Uit bagger-, meet- en literatuurdata en deels uit de modelresultaten volgt dat het storten van baggerspecie een belangrijk proces is in de Belgische kustwateren. Een ander deel van de modelresultaten laat echter eerder het tegengestelde suggereren. Om hier uitsluitsel te kunnen geven, moeten we kunnen beschikken over bijkomende veldwaarnemingen die toelaten randvoorwaarden op te stellen. 22
4. Dispersie van het fijn materiaal bij opeenvolgende dumpingen Tot nu werden enkel berekeningen uitgevoerd zonder dumpingen van baggerspecie in rekening te brengen. Dit komt in feite neer op het simuleren van een onrealistische of ideale toestand, vermits de dumpingen een bijna continue proces zijn op het BCZ. In dit hoofdstuk worden enkele resultaten besproken van modelberekeningen met dumpingen. Deze berekeningen zijn, zoals al de vorige, enkel uitgevoerd voor de slibfractie. 4.1. Baggerspeciestortingen voor 1999 Simulaties met opeenvolgende dumpingen van baggerspecie werden uitgevoerd voor het jaar 1999. De data van de dumpingen gerangschikt per storttijdstip en per stortplaats werden opgevraagd bij AWZ, WWK. Deze data geven het totaal van de gestorte specie weer zonder specificatie van de slibfractie. Daarom werd de informatie over de samenstelling van het sediment in situ en in de beun die verzameld werd in activiteitenrapport 1 (Fettweis & Van den Eynde, 1999), hier gebruikt om de slibfractie van het gestorte materiaal te bepalen (zie Appendices 2 en 3). Tijdens het baggerjaar 1999 werden in de vaargeulen, naast onderhoudsbaggerwerken ook verdiepingsbaggerwerken uitgevoerd. Dit materiaal bevat een veel grotere zandfractie dan het materiaal afkomstig uit onderhoudsbaggerwerken. Hiermee werd rekening gehouden bij de bepaling van de slibfractie van het gestort materiaal. De gestorte hoeveelheden per dag en per dumpingplaats voor het jaar 1999 kunnen in Appendix 4 gevonden worden. De baggerspeciestortingen worden in het model gesimuleerd door op het gegeven tijdstip de hoeveelheid slib op de stortplaats in suspensie in het model te brengen. Dit is iets afwijkend van de wijze hoe Van den Eynde (1999) de dumpingen simuleerde, hij verdeelde het materiaal tussen de bodem (9%) en het water (suspensie). Grotere verschillen zijn in de gebruikte waarde voor de valsnelheid (1 mm/s hier t.o.v. 1 mm/s). Verder tonen we ook resultaten voor een dergelijke simulatie. 4.2. Dumpingen van slib uit vaargeulen op B&W S1 en B&W S2 We veronderstellen dat de dumpingen van materiaal uit onderhoudsbaggerwerken in evenwicht zijn met de aanslibbing of aanzanding. Een groot deel van het slib dat gestort wordt (6%) is afkomstig uit de havens. Sedimentatie in de havens wordt niet gesimuleerd, omdat de resolutie van het rooster te gering is. Bij de simulaties hieronder besproken, wordt enkel slib gestort dat afkomstig is uit de vaargeulen. Op B&W Zeebrugge Oost worden enkel sedimenten afkomstig uit de havens gestort. Daarom beperken we de simulaties van dumpingen op de stortplaatsen B&W S1 en B&W S2. Resultaten worden getoond voor maart 1999, een maand met een hoge baggeraciviteit en dus veel dumpingen. 23
4.2.1. Simulaties s2 In deze paragraaf willen we de resultaten van drie simulaties type s2 voorstellen. Bij alle simulaties was aanvankelijk geen slib in het model, was de randvoorwaarde gelijk aan nul en werd het slib enkel door dumpingen in het model gebracht. De simulaties s2du en s2dumw verschillen enkel door het feit dat s2dumw met meteorologische invloed (wind en golven) is. Voor beide simulaties zijn de sedimentparameters gekozen zoals in 3.2 is vermeld. Simulatie s2dudries is analoog met s2du, enkel dat nu de valsnelheid verhoogd werd tot 1 mm/s, in overeenstemming met Van den Eynde (1999). 4.2.1.1. Variaties gedurende een getij In figuur 4.1 (s2du, zie appendix 5) wordt de evolutie van de slibconcentratie en afzetting gedurende een getij getoond door stortingen op B&W S1 en B&W S2. De simulatie startte op 1/1/1999. Een lijst met de hoeveelheden slib gestort tussen 17/3/1999 1h54 en 18/3/1999 h54 is bijgevoegd aan de figuur. In totaal is gedurende deze periode 42x1³ TDS gestort. Nieuwe maan viel op de 17 maart 1999 om 18h49 en maximum springtij dus 2.15 dagen later. De figuur begint met vloed, de stroming is nog gering en ter hoogte van de dumpplaatsen is slib afgezet. De maximale afzetting bedraagt ongeveer 1 kg/m², dit komt overeen met een laagdikte van 3 cm bij een ρ d,slib van 3 kg/m³. In de loop van vloed neemt de snelheid toe en wordt een deel van het afgezette slib geërodeerd (zie laatste figuur in serie). Tijdens eb (zie vanaf: 17/3/1999, 16h54) zien we een analoog beeld. De slibpluim in het water is duidelijk zichtbaar en blijft nagenoeg constant gedurende het getij. Door advectief transport wordt de pluim iets verplaatst. De maximale concentratie (1-3 mg/l) blijft echter ter hoogte van B&W S1 hangen. Er treden kleine verplaatsingen op in verhouding tot de stroming. Opvallend is dat het slib niet verplaatst wordt naar de kust. 4.2.1.2. Variaties gedurende een doodtij-springtij cyclus In figuren 4.2 4.4 (s2du, s2dudries, s2dumw, zie appendix 6) wordt de evolutie van de slibconcentratie en afzetting gedurende een doodtij-springtij cyclus getoond tijdens stortingen op B&W S1 en B&W S2. De simulaties startten op 1/1/1999, een lijst met de hoeveelheden slib gestort tussen 27/2/1999 en 15/3/1999 is gevoegd bij de figuren (zie ook Appendix 4). In totaal is gedurende deze periode 565x1³ TDS gestort op B&W S1 en 2.5x1³ TDS op B&W S2. Het eerste maankwartier viel op 23/2/1999 2h44, volle maan op 2/3/1999 6h59, het laatste kwartier op 1/3/1999 8h43 en nieuwe maan op 17/3/1999 18h5. Om minimum dood- of maximum springtij te verkrijgen moeten steeds 2.15 dagen bijgeteld worden. Bij alle figuren kan men duidelijk zien dat de slibconcentratie het grootst is gedurende een springtij (b.v. 3/3/1999 11h) en het laagst gedurende een doodtij (11/3/1999 19h). De slibafzetting gedraagt zich tegenovergesteld: maximaal bij doodtij en bijna nul tijdens een springtij. Bij de simulatie s2du (figuur 4.2, zie ook figuur 4.1) is het maximum van de slibpluim gesitueerd op stortplaats B&W S1. Het slib wordt enkel ten noorden van de Vlakte van 24
de Raan (al dan niet) afgezet. Er wordt geen slib naar de kust toegebracht, een deel van het gestorte materiaal keert terug naar de vaargeulen. Een verhoging van de valsnelheid tot 1 mm/s heeft als gevolg dat het sediment meer naar de Vlakte van de Raan getransporteerd wordt, waar het ook deels blijft liggen (figuur 4.3, s2dudries). De meteorologische invloed (wind en golven) is behoorlijk (figuur 4.4, s2dumw): het gestorte materiaal wordt over een groter gebied uitgespreid en de slibafzettingen verdwijnen nagenoeg volledig. 4.2.2. Simulaties s17 De resultaten van drie simulaties s17, dit is met initieel evenveel slib in elke roostercel dat erodeert proportioneel aan het slibgehalte in de bodem en een realistische randvoorwaarde (zoals in activiteitenrapport 2 is besproken) worden hier voorgesteld. Simulaties s17 en s17mw zijn zonder dumpingen (figuren 4.5 en 4.7, zie Appendix 7), bij s17mw werden meteorologische effecten in rekening gebracht (wind en golven). Bij simulatie s17du (figuur 4.6, appendix 7) werd het slib ook door dumpingen in het model gebracht. Voor de drie simulaties zijn de sedimentparameters gekozen zoals in 3.2 is vermeld. De figuren geven de periode tussen 27/2/1999 en 15/3/1999 weer, zie 4.2.1.2. De resultaten van de drie simulaties tonen allen een groot turbiditeitsmaximum tussen Oostende en de monding van de Westerschelde. Het maximum in concentratie is ten noordwesten van Zeebrugge gelegen. Tussen dood- en springtij verandert de concentratie sterk. In het turbiditeitsmaximum is de maximale tij-gemiddelde slibconcentraties tijdens een springtij groter dan 3 mg/l, terwijl de tijdens een doodtij de waarden niet meer dan 5 mg/l bedragen. Door het storten van baggerspecie is het turbiditeitsmaximum groter en meer naar het Noorden uitgespreid (vergelijk figuren 4.5 en 4.7). De maximale slibafzettingen bevinden zich ten westen en ten oosten van de haven van Zeebrugge (<2 kg/m² of <44 cm bij een ρ d,slib van geconsolideerd slib van 45 kg³/m). 4.3. Dumpingen van slib op B&W Zeebrugge Oost Op stortplaats Zeebrugge Oost (Paardenmarkt) wordt bijna uitsluitend materiaal gestort, dat in de haven van Zeebrugge werd gebaggerd. Slibafzettingen in de haven kunnen niet gesimuleerd worden (rooster is te grof) en daarom lijkt het niet zinvol om deze dumpingen te simuleren vermits de cirkel van baggeren-storten-transport-sedimentatie niet rond gemaakt kan worden. De simulatie van dumpingen van baggerspecie op Zeebrugge Oost geeft echter wel inzicht in de transportprocessen in dit gebied. In figuur 4.8 (s2duzo, appendix 8) worden de tij-gemiddelde slibconcentratie en afzetting voor de periode 27/2/1999-15/3/1999 getoond, zie 4.2.1.2. Bij deze simulatie (s2duzo) was aanvankelijk geen slib in het model, was de randvoorwaarde gelijk aan nul en werd het slib enkel door dumpingen op B&W Zeebrugge Oost in het model gebracht. 25
Ook hier kunnen we de reeds boven besproken variaties gedurende een doodtij-springtij cyclus opmerken. Een groot verschil met de dumpingen op B&W S1 en B&W S2 is dat de pluim met maximale turbiditeit zich dichter tegen de kust bevindt. Het maximum is gelegen ten noordwesten van Zeebrugge. Door de dumpingen op Zeebrugge Oost wordt slib afgezet op de Paardenmarkt en ten westen van de haven van Zeebrugge, de afzettingen ten noorden van de Vlakte van de Raan zijn tijdelijk en een typisch doodtij-fenomeen. 4.4. Conclusies Bij het simuleren van het sedimenttransport op het BCP moet men rekening houden met het storten van baggerspecie, vermits de dumpingen een bijna continue proces zijn. Wegens een te kleine resolutie van het model, kan de aanslibbing in de havens niet gesimuleerd worden. Het is daarom weinig zinvol om de dumping van baggerspecie uit de havens te simuleren met als doel het opstellen van een slibbalans. Door de dumpingen op B&W S1 en B&W S2 ontstaat er een significante verhoging van de turbiditeit (maximaal ±2 mg/l) in een straal van 1-15 km rond de stortplaatsen. Vermits de dumpingen frequent zijn (ongeveer om het uur) is de uitgestrektheid van de zone met verhoogde turbiditeit nagenoeg constant. De waargenomen variaties in slibconcentratie zijn het gevolg van variaties in stroomsnelheid tijdens een getij, een doodtij - springtij cyclus of door meteorologische invloeden. Door de dumpingen op B&W Zeebrugge Oost ontstaat er ook een significante verhoging van de turbiditeit (maximaal ±1 mg/l). De zone met verhoogde turbiditeit is nu veleer ellipsvormig en dicht tegen de kust gelegen. Hieruit kunnen we afleiden dat het gebaggerde materiaal terug naar de baggerplaatsen recirculeert. Pas v/h Zand Scheur West Scheur Oost s17 (initieel overal evenveel slib) s17 256 934 7.2 s17mw (wind + golven) 176 679 6.9 s17du (dumping S1 + S2) 259 966 7.2 s2 (initieel geen slib in bodem, randvoorwaarde is ) s2du.76.447.157 s2dumw (wind + golven).38.67.9 s2dudries (ws=1mm/s).268 2.433.595 s2duzo (dumping Zeebr O).258.387.134 gestort 1 ste trim 1999 op B&W S1 392 124 1915 gestort 1 ste trim 1999 op B&W S2 8.2 5 Tabel 4.1: Gesimuleerde aanslibbing (in 1³ TDS) in de vaargeulen gedurende het eerste trimester van 1999. De aanslibbing is voor een slibconcentratierandvoorwaarde zoals bepaald in activiteitsrapport 2. Onderaan wordt de hoeveelheid slib gebaggerd in de desbetreffende vaargeul en gestort op B&W S1 en S2 vermeld. Op B&W Zeebrugge Oost was dit 764x1³ TDS. 26