Morfologische pakketsom Waal : morfologische effecten ruimte-voor-de-riviermaatregelen

(1)

Morfologische Pakketsom

Waal

Morfologische effecten Ruimte-voor-de-Riviermaatregelen

(2)

(3)

Morfologische Pakketsom Waal

Morfologische effecten Ruimte-voor-de-Riviermaatregelen

1208454-000

Robin van der Sligte Willem Ottevanger

(4)

(5)

Delta res

Titel

Morfologische Pakketsom Waal Opdrachtgever Rijkswaterstaat Oost Nederland Project 1208454-000 Kenmerk Pagina's 1208454-000-ZWS-0003 164 Trefwoorden

2D morfologische modellering, sedimentatie en erosie, Waal, baggeren, vaarweg Samenvatting

In deze studie zijn tweedimensionale morfologische berekeningen uitgevoerd met het DVR-instrumentarium, met het doel de effecten op bodemligging en vaargeulonderhoud van Ruimte-voor-de-Riviermaatregelen in de Bovenrijn, Waal en Merwedes te analyseren. In de berekeningen zijn in het jaar 2015 alle maatregelen gelijktijdig ingeschakeld (Pakkettoets), en is gerekend met een variërende afvoer tot het jaar 2050. De uitkomsten van het model zijn vergeleken met een identieke referentieberekening zonder de Ruimte-voor-de-Riviermaatregelen. Uit de berekingen volgt dat op korte termijn (2015-2020) sprake zal zijn van groei van relatieve verondieping én erosie ter plaatse van de maatregelen ten opzichte van de algemene, autonome bodemontwikkeling. Netto leidt dit tot aanzanding en extra baggerwerk. Erosiegolven opgewekt benedenstrooms van de maatregelen zullen in de Boven-Waal, de Beneden-Waal en de Merwedes op lange termijn resulteren in extra bodemerosie. De lange-termijn aanzanding ter plaatse van grootschalige maatregelen leidt daarentegen tot vermindering van de autonome bodemerosie in Boven-Waal en Midden-Waal. De berekeningen tonen aan dat door de Ruimte-voor-de-Riviermaatregelen vooral in de Midden-Waal op lange termijn (2015-2055) grootschalige aanzanding in het zomerbed zal optreden, en dat zal tot een toename van onderhoudsbaggerwerk leiden. In deze studie wordt een prognose gegeven voor baggervolumes met en zonder RvdR. Gezien de grote variabiliteit in afvoeren, modelonzekerheden, gebruikte schematisaties en instelling van de baggermodule, zijn de berekende baggervolumes slechts indicatief.

Versie Datum Auteur Paraaf Review Paraaf Goedkeuring Paraaf 18 april

2014

Robin van der Sligte, Willem Ottevanger, Kees Sioff

Maarten van der Wal

Gerard Blom

14 nov. 2014

idem Erik Mosselman Gerard Blom

11 ·uli 2014 idem

Status definitief

(6)

(7)

Inhoud

1 Managementsamenvatting 1

2 Inleiding 5

3 Globale beschouwing van morfologische effecten van

Ruimte-voor-de-Riviermaatregelen in de Rijntakken 7

3.1 Locatie van de RvdR-maatregelen 7

3.2 Schematische weergave van de morfologische effecten van afzonderlijke

rivierverruimende maatregelen 8

3.3 Cumulatieve morfologische effecten van de rivierverruimende maatregelen 12

3.4 Riviermorfologie van splitsingspunten 13

4 Morfologische berekeningen met Delft3D 15

4.1 Het Riviermorfologische Deltamodel (RMD) 15

4.2 Opzet van het model 16

4.2.1 Modelschematisatie 16 4.2.2 De uitgevoerde berekeningen 17 4.2.3 17 4.2.4 Sediment en ondergrond 18 4.2.5 Vaargeulonderhoud 20 4.2.6 Randcondities 22

5 Morfologische effecten op korte termijn (zichtjaren 2015-2020) 25

5.1 Relatieve aanzanding en erosie 25

5.2 Baggeren en storten 33

5.2.1 Totaal baggervolume 33

5.2.2 Relatie met waargenomen baggervolume 34

5.2.3 Baggervolume als functie van locatie en tijd 37

6 Morfologische effecten op lange termijn (zichtjaren 2015-2055) 45

6.1 Aanzanding en erosie 45

6.2 Relatieve aanzanding en erosie 47

6.2.1 Bovenrijn, rkm 858-867 49 6.2.2 Boven-Waal, rkm 868-885 50 6.2.3 Midden-Waal en St. Andries, rkm 886-933 51 6.2.4 Beneden-Waal, rkm 934-951 52 6.2.5 Boven Merwede, rkm 952 – 961 53 6.3 Scheepvaartdiepte 54 6.4 Baggeren en storten 57

6.4.1 Resultaten met minimale-dieptecriterium 57

6.4.2 Vergelijking berekende baggervolumes met eerdere studies 59

6.4.3 Baggervolume als functie van locatie 61

6.4.4 Resultaten met breedte-gemiddelde diepte criterium 63

6.4.5 Beschikbare stortruimte 65

6.5 Effect variabiliteit in hydrograaf 66

6.5.1 Morfologische respons 66

(8)

6.5.3 Locaties voor incidenteel baggeren 69 6.6 Effecten op riviersplitsingen 70 6.6.1 Merwede kop 70 6.6.2 Pannerdensche Kop 72 7 Discussie 73 8 Conclusies en aanbevelingen 75 9 Literatuur 81 Bijlage(n) A RvdR-maatregelen A-1 B Baselineschematisaties B-1 B.1 Rijntakken B-1 B.2 Rijn-Maas-Monding B-1

C Ontwikkeling van het referentievlak C-1

D Grootschalige gedrag D-1

E Aanzanding en erosie bij de maatregelen E-1

E.1.1 Rijnwaarden E-1

E.1.2 Millingerwaard E-2

E.1.3 Bemmelsche Waarden E-3

E.1.4 DijkterugleggingLent E-4

E.1.5 Kribverlaging Midden-Waal E-5

E.1.6 Afferdensche en Deestsche Waarden E-6

E.1.7 Langsdammen E-7

E.1.8 Kribverlaging Waal Fort St. Andries E-10

E.1.9 Kribverlaging Beneden-Waal E-11

E.1.10 Munikkenland E-13

E.1.11 Avelingen E-14

F Baggeren en storten F-1

F.1 Bodemhoogteverschillen na hoogwater 2015 F-9

F.2 Bodemhoogte na Hoogwater 2030 F-15

F.3 Bodemhoogteverschillen direct na hoogwater 2055 F-23

G Waterstandseffecten G-1

G.1 Zonder baggeren G-1

(9)

H Stortruimte H-1

H.1 Zichtjaar 2015 H-1

(10)

(11)

1208454-000-ZWS-0003, 24 november 2014, definitief

1 Managementsamenvatting

Rivierverruimende ingrepen in het kader van Ruimte voor de Rivier (RvdR) kunnen leiden tot tijdelijke of structurele lokale aanzanding en erosie in het zomerbed. Deze effecten kunnen worden opgeteld bij de bestaande sedimentatie en erosieprocessen, of versterken of verzwakken deze bestaande processen. Dit kan zowel gewenste als ongewenste gevolgen hebben. Bijvoorbeeld op trajecten waar erosie over lange afstanden (vele kilometers) optreedt, zullen ook de waterstanden bij hoogwater iets dalen. Echter, ter plaatse van winterbedmaatregelen zal door aanzanding in het zomerbed het beoogde rivierverruimende effect in de tijd afnemen (en dus de met hydraulische modellen berekende MHW-verlaging). Verder zal hier sprake kunnen zijn van een verondieping van de vaarweg (en daarmee een vermindering van een vlot en veilig vaargeulgebruik), en een toename van onderhoudswerk om verondiepingen te verwijderen.

In het voorliggende rapport is een modelstudie beschreven voor de Bovenrijn, Waal en Merwedes, waarbij alle RvdR-plannen tegelijkertijd zijn geïmplementeerd. Doel van dit onderzoek is het bepalen van de cumulatieve morfologische effecten van alle Ruimte-voor-de Riviermaatregelen in de Rijntakken. De resultaten van het onderzoek leveren toe aan het project Optimalisatie baggerstrategie Waal. In de analyse van de resultaten maken we een onderscheid tussen de gevolgen direct na aanleg van de RvdR-maatregelen (2015-2020) en de langjarige effecten (2015-2055). Door de RvdR-maatregelen treden kleinschalige (plaatselijke en tijdelijke), en grootschalige (trajectgemiddelde, permanente) morfologische effecten op.

Alle RvdR-maatregelen en NURG-projecten met een PDR-taakstelling zijn opgenomen, inclusief maatregelen die onder de Autonome Ontwikkelingen (AO) vallen en het project Stroomlijn. Gebruik is gemaakt van het morfologie-rekeninstrumentarium Delft3D (DVR-morfologieinstrumentarium). Het instrumentarium is voorzien van de meest actuele schematisaties (Baseline 5.0, en gegradeerd sediment in Boven-Rivieren), en er wordt gerekend met een variabele afvoerhydrograaf (met hoogwater en laagwaterperiodes).

Op korte termijn, zichtjaren 2015-2020, is vooral sprake van initiële respons. Maatregelen in uiterwaarden leiden ertoe dat tijdens hoogwaters meer water vanuit het zomerbed, cq. de vaargeul, de uiterwaarden in- en uitstroomt. Hierdoor ontstaan tijdelijke ondieptes in het zomerbed ter plaatse van instroming naar uiterwaarden (en tijdelijke verdieping bij uitstroming). De aanzandingen in het zomerbed hebben een grootte van enkele decimeters ten opzichte van de bodemligging in de referentieberekening. Bij langsdammen en kribverlaging zal sprake zijn van een meer frequente verandering van stroming in het winterbed, en zal over lange trajecten sprake zijn van verondieping of verdieping. Omdat kribben op deze trajecten in lengte variëren, zal bij verlaging en verwijdering van kribben de toename van het doorstroomprofiel per locatie anders zijn Dit uit zich door afwisselende zones met sedimentatie en erosie in het zomerbed tijdens hoogwater (ten opzichte van de referentie). Bij aanzanding door extra verruiming in het winterbed, zal na afloop van een hoogwater (als de rivier weer terugkeert in het zomerbed) deze zich als een gedempte aanzandingsgolf stroomafwaarts verplaatsen met een gemiddelde snelheid van circa 1 km/jaar (idem voor een erosiegolf benedenstrooms van tijdelijke erosie).

(12)

De met het DVR-instrumentarium berekende baggervolumes zijn met grotere onzekerheden omgeven dan de berekende bodemligging, en deze hebben daarom vooral een indicatieve waarde. De resultaten geven inzicht in mogelijke trends, oorzaken en gevolgen van het baggeren. Het berekende baggerbezwaar (jaarlijks volume baggerwerk, beunvolume) voor Bovenrijn en Waal in de periode 2015-2020 ligt in de orde van 110-140 duizend m3/jaar voor de referentie (zonder RvdR; tabel 5.1). Dat dit volume lager is dan het huidige werkelijke baggerbezwaar van 560 duizend m3/jaar is voor een belangrijk deel toe te schrijven aan de grofheid van het model, waardoor lokale fluctuaties in bodemligging (met name in Midden-Waal, door kribben) in het model zijn uitgemiddeld en daardoor niet het minimale diepte-criterium (diepte-criterium [1]: OLR-2,80 m, overdiepte 0,5 m) overschrijden, terwijl dat in werkelijkheid wel het geval is. Dit effect is nagebootst in de berekeningen met aangepaste instellingen van de baggermodule (criterium [2]: OLR-3,30 m, zonder overdiepte). Het berekende baggerbezwaar voor de referentie bedraagt dan 300-390 duizend m3/jaar (tabel 5.2). Deze hoeveelheden worden redelijk in overeenstemming geacht met de werkelijkheid. Aanbevolen wordt de resultaten met criterium 2 als ruwe prognose te gebruiken voor effectbepaling op baggerbezwaar.

In paragraaf 6.4.1 van dit rapport zijn de berekende baggervolumes voor beide instellingen van de baggermodule (minimale diepte criterium), en voor de referentie en RvdR berekeningen gepresenteerd (gemiddeld over de periode). Als we uitgaan van criterium [2] bedraagt de toename circa 27%, 80 - 90 duizend m3/jaar (bij criterium [1] is dat >100%, 120 - 150 duizend m3/jaar). Deze waarde (80 - 90 duizend) komt ook overeen met de waarde bepaald in de eerdere studie van DHV (2011). De grootste toename treedt op in het traject met kribverlaging in de Waal, waar veranderingen optreden in bodemligging ten opzichte van de referentie van orde 0,3 à 0,4 m na 40 jaar. Deze toename (orde 68 duizend m3/jaar voor criterium [2]) is ook in overeenstemming met het deskundigenoordeel van De Vriend (2010) als we rekening houden met een bandbreedte van orde 10 duizend m3/jaar.

Voor de morfologische effecten op lange termijn (zichtjaren 2015-2055) spelen naast bovengenoemde lokale effecten ook de grootschalige ontwikkelingen een rol. Op de Bovenrijn en Waal (met name de Midden-Waal) is sprake van een autonome bodemerosie in de referentiesituatie van enkele centimeters per jaar. De bodemdaling in de Rijntakken lijkt zich nog door te zetten, en zonder stabiliserende maatregelen (zoals de beoogde suppleties) zal dit leiden tot een geleidelijke daling van de bodemligging, afname van de bodemhelling en daarmee een toename van waterdiepte (o.a. bij OLA). Dit leidt tot een geleidelijk afname van het berekend baggerbezwaar van orde 330 duizend m3/jaar in 2015-2020 tot 80 duizend m3/jaar in 2041-2055 (afname >300%; zie tabel 6.2 referentie bij criterium [2]). Door RvdR-maatregelen, met name door kribverlaging, wordt deze autonome bodemerosie sterk gereduceerd of vrijwel geheel gestopt. De relatieve afname van baggerwerk in de jaren is daardoor minder voor RvdR-simulaties (van 420 tot 220 duizend m3/jaar, afname 40%, criterium [2]). Wanneer rekening wordt gehouden met afwisselend hydrologisch ‘natte’, ‘gemiddelde’ en ‘droge’ jaren, wordt berekend dat de toename in beunvolume door RvdR nog circa 5 à 10% hoger kan zijn dan genoemde getallen. Echter, de jaarlijkse variaties kunnen nog groter blijken als een volledig variabele afvoerserie wordt toegepast.

(13)

Wanneer het ‘breedtegemiddelde-diepte’-criterium wordt ingezet voor het berekenen van baggerwerk, zien we dat op de Boven- en Midden-Waal in de eerste jaren na aanleg van de RvdR-maatregelen een verdubbeling noodzakelijk is van de hoeveelheid baggerwerk de minimale diepte van 2,80 m bij OLR. Na ongeveer 20 jaar wordt er dan wel voldaan aan dit breedtegemiddelde criterium. Op de Bovenrijn en de Niederrhein is de benodigde baggerinspanning om aan dit criterium te voldoen veel groter en volgt dat de volumes zelfs blijven toenemen in de tijd. Dit geeft een indicatie dat de stortruimte op deze trajecten steeds verder zal afnemen.

Op lange termijn zal zich benedenstrooms van aanzandende trajecten (met name bij kribverlaging) een erosiegolf stroomafwaarts ontwikkelen. Dit is een vorm van interactie tussen opeenvolgende maatregelen die ook is terug te vinden in het berekende baggerbezwaar. Verder zal door stuweffecten over 10 à 20 km stroomopwaarts van een maatregel een geringe netto erosie optreden. Deze laatste twee effecten zorgen ervoor dat opeenvolgende maatregellocaties elkaar beïnvloeden (bijvoorbeeld, een stroomopwaarts opgewekte erosiegolf compenseert de aanzanding bij een RvdR-maatregel).

Voor scheepvaartdiepte volgt uit de berekeningen dat, door de autonome bodemerosie, de vaste laag bij Nijmegen (rkm 883-885) een geleidelijk steeds belangrijkere vaardiepte-beperking gaat opleveren (de bodemligging en waterstand in de omgeving dalen, maar de laag zelf niet). De afname van de bodemhelling in de Waal leidt tot een toename van de waterdiepte bij OLA.

Uit de berekeningen volgt dat, als gevolg van de morfologische ontwikkelingen, het waterstandsverlagend effect bij hoogwater door RvdR-maatregelen op lange termijn afneemt met enkele centimeters bij het jaarlijks gemiddelde hoogwater over de gehele lengte van de rivier.

De resultaten (figuren) in dit rapport en de verkregen inzichten uit deze berekeningen kunnen hulp bieden bij het definiëren van optimale baggerstrategieën voor de toekomst, rekening houdend met de lange-termijngevolgen van de RvdR-maatregelen. Wij adviseren om, zoals bij iedere studie met dit instrumentarium, de baggerresultaten indicatief en met voorzichtigheid te interpreteren.

(14)

(15)

2 Inleiding

Rivierverruimende ingrepen in het kader van Ruimte voor de Rivier (RvdR) kunnen leiden tot tijdelijke of structurele lokale aanzanding in het zomerbed. Dit kan ongewenste gevolgen hebben door onder andere een afname van het beoogde rivierverruimende effect (en dus een vermindering van de met hydraulische modellen berekende MHW-verlaging), een verondieping van de vaarweg (en daarmee een vermindering van een vlot en veilig vaargeulgebruik), en een toename van onderhoudswerk (om de vaargeul op diepte te houden). Tijdens het ontwerp van de RvdR-maatregelen zijn de morfologische effecten van de afzonderlijke plannen onderzocht. Afhankelijk van de mate van (verwachte) morfologische effecten zijn hiervoor in eerdere studies morfologische berekeningen uitgevoerd met het DVR-morfologie-instrumentarium (zie kader hieronder). De morfologische effecten van de individuele RvdR-maatregelen zijn echter niet beperkt tot de locatie van de maatregel, maar beïnvloeden geleidelijk zowel bovenstroomse trajecten (door stuweffecten) als de benedenstroomse trajecten (door zich verplaatsende erosie- en sedimentatiegolven). Door deze invloed ontstaat een interactie tussen de verschillende plannen: morfologische effecten van een maatregel kunnen door de maatregelen bovenstrooms en benedenstrooms worden versterkt of verzwakt. Om dit inzichtelijk te maken is in de voorliggende studie een modelstudie uitgevoerd voor de Bovenrijn, Waal en Merwedes), waarbij is aangenomen dat alle plannen tegelijkertijd worden geïmplementeerd. Gebruik is gemaakt van het DVR-morfologie-instrumentarium.

Het DVR-morfologie-instrumentarium is het numerieke hydraulisch-morfologische Delft3D model voor de Rijntakken. DVR staat voor het project Duurzame Vaardiepte Rijndelta. Het instrument is bedoeld voor het simuleren van het tijdsafhankelijke gedrag van de bodemligging in het zomerbed onder invloed van veranderingen in de schematisatie van zomerbed en winterbed, en van variërende condities (afvoeren, waterstanden). Naast de Waal zijn in deze studie ook de Bovenrijn, het Pannerdensch Kanaal, de Niederrhein (vanaf rkm 826) en de Merwedes geschematiseerd en gekoppeld doorgerekend. Voor de berekeningen is gebruik gemaakt van een geactualiseerd en verbeterde versie van het DVR-instrumentarium zoals dat gereed is gemaakt in het kader van de studie Riviermorfologisch Deltamodel (Sloff, van der Sligte, Visser, 2013).

Doel van dit onderzoek is het bepalen van de cumulatieve morfologische effecten van alle Ruimte-voor-de-Riviermaatregelen in de Bovenrijn, Waal en Merwedes. De resultaten van het onderzoek worden gebruikt om de optimale baggerstrategie Waal te bepalen (project Optimalisatie baggerstrategie Waal).

In de analyse van de resultaten maken we een onderscheid tussen de gevolgen direct na aanleg van de RvdR-maatregelen (2015-2020) en de langjarige effecten (2015-2055).

In de Rijntakken worden ook KRW-maatregelen uitgevoerd. Deze zijn echter geen onderdeel van deze morfologische pakketsom. De algemene verwachting is dat de KRW-maatregelen ook extra aanzanding in de vaargeul tot gevolg zullen hebben. Hoeveel dit is, wordt in een vervolgstudie bepaald. Hoewel deze ook effecten hebben op de aanzanding in de vaargeul, zijn deze maatregelen geen onderdeel van deze studie.

(16)

De achterliggende hydraulische modellering representeert de situatie voor aanleg van de RvdR-maatregelen. Voor dit project zijn twee aparte schematisaties gemaakt: Eén schematisatie waarin alle RvdR-maatregelen zijn uitgesloten, en een schematisatie waarin alle RvdR-maatregelen en NURG-projecten met een PDR-taakstelling zijn opgenomen, inclusief maatregelen die onder de Autonome Ontwikkelingen (AO) vallen en project Stroomlijn. De NURG-maatregelen met een PDR-taakstelling worden verder in het rapport geschaard onder de noemer Ruimte-voor-de-Rivier-maatregelen. Een uitgebreide omschrijving van beide Baselineschematisaties is opgenomen in bijlage B.

(17)

3 Globale beschouwing van morfologische effecten van

Ruimte-voor-de-Riviermaatregelen in de Rijntakken

De Ruimte-voor-de-Riviermaatregelen in de Rijntakken (Bovenrijn, Waal en Merwedes) zijn vooral bedoeld om extra doorstroomprofiel te creëren in het winterbed en de kribvakken. Daarmee wordt beoogd dat deze maatregelen leiden tot voldoende waterstandsdaling bij het maatgevend hoogwater (16.000 m3/s bij Lobith). De meeste maatregelen zijn echter niet alleen werkzaam bij deze extreme omstandigheden, maar ook onder de normale jaarlijkse omstandigheden waarin periodes met lage en hoge rivierafvoeren elkaar afwisselen. Deze beïnvloeden daarmee de stroming en sedimenttransporten in het zomerbed en hebben dan ook een effect op de morfologie van het zomerbed gedurende het hele jaar, zowel op korte als lange termijn.

Dit hoofdstuk geeft een overzicht van de te verwachten veranderingen in het zomerbed en ter plaatse van de riviersplitsingen, gerelateerd aan de Ruimte-voor-de-Riviermaatregelen.

3.1 Locatie van de RvdR-maatregelen

In Tabel 3.1 zijn de Ruimte-voor-de-Rivier-maatregelen omschreven die zijn meegenomen in deze studie. Een overzicht van de RvdR-maatregelen is vervolgens ook gepresenteerd op de kaart in Figuur 3.1, en figuren van de afzonderlijke maatregelen zijn gepresenteerd in Bijlage A. Om de relatie tussen bodemligging en maatregel te leggen is in figuren met langsprofielen (zoals figuur 5.11 en volgende figuren) de ligging van de maatregelen aangegeven. Het merendeel met doorgetrokken lijn, en de kribverlagingen met een streeplijn. In de figuren zijn de lijnen niet voor alle maatregelen over de volle lengte van onderstaande begrenzingen getekend.

Tabel 3.1 Tabel met omschrijving en nummering van de maatregelen, met daarin de eind- en begin- rivierkilometrering van de schematisatie van de maatregel.

# Omschrijving Maatregel Riviertak Begin- rkm Eind-rkm

1 Rijnwaarden oevergeul met

langsdam en regelwerk Pannerden Bovenrijn en Pannerdensch Kanaal 862,5 873.6

2 Millingerwaard aanleg geulen Waal 867,6 873

3 Bemmelsche Waarden uiterwaardvergraving Waal 878,2 881,4

4 Lent aanleg geul en

dijkteruglegging Waal 881,5 886,6 5 Kribverlaging Midden-Waal kribverlaging Waal 886,8 914,7 6 Afferdensche en Deestsche Waarden aanleg geul en uiterwaardvergraving Waal 898,5 903,2

7 Langsdammen Tiel aanleg dammen

binnenbocht en kribverlaging buitenbocht

Waal 911,5 921,5

8 Kribverlaging Waal Fort St.

Andries

(18)

# Omschrijving Maatregel Riviertak Begin- rkm Eind-rkm

9 Kribverlaging

Beneden-Waal

kribverlaging Waal 934,3 953,6

10 Munnikenland aanleg geulen en

dijkteruglegging

Waal 947,6 952,6

11 Avelingen aanleg geul Boven

Merwede 955,8 957,5 12 Noordwaard aanleg doorstroomgebied Nieuwe Merwede 963,0 979,7

Figuur 3.1 Overzicht van Ruimte-voor-de-Riviermaatregelen voor de Rijntakken (Bovenrijn, Waal en Merwedes)

3.2 Schematische weergave van de morfologische effecten van afzonderlijke rivierverruimende maatregelen

In de Rijntakken treden diverse morfologische processen op die bijdragen aan een ruimtelijke en in tijd variërende bodemligging in het zomerbed. In de huidige situatie zonder de beoogde RvdR-maatregelen zijn permanente en plaatsvaste ondieptes (zoals vaste lagen, ondiepe binnenbochten en kribvlammen) en in tijd variërende en zich verplaatsende ondieptes (vooral bodemvormen en hoogwateraanzandingen) aanwezig. Door de belijning van het zomerbed (met kribben en harde oevers) is de bodem redelijk uniform in langsrichting, maar door grote variaties in breedte en hoogte van het winterbed stroomt bij hoogwater water met weinig sediment afwisselend in en uit het zomerbed. In Figuur 3.2 is geïllustreerd hoe in deze situatie tijdelijke sedimentatie optreedt ter plaatse van een uitstroming. Door RvdR-maatregelen zal meer en vaker water vanuit het zomerbed het winterbed instromen en vice versa. Door de RvdR-maatregelen in het winterbed zullen de genoemde morfologische effecten worden versterkt, en kunnen bij hoogwater meer ondieptes in het zomerbed worden verwacht ter plaatse van instroming naar het winterbed, en verdieping van het zomerbed ter plaatse van uitstroming uit het winterbed.

(19)

Figuur 3.2 Hoogwateraanzanding (Ruimte voor de Rivier, figuur K. Nuyten)

Hoewel de RvdR-maatregelen vooral worden ontworpen voor maatgevende (extreme) hoogwatercondities, beïnvloeden veel van de maatregelen ook het stroombeeld bij lagere afvoeren of lage hoogwaters. Maatregelen in of nabij het zomerbed, zoals een permanent meestromende nevengeul, hebben invloed op de morfologische veranderingen van het zomerbed gedurende het gehele jaar. Ongeacht de rivierafvoer zal namelijk een continue afname van stroomsnelheid in het zomerbed (door extra wateronttrekking naar de geul in het winterbed) leiden tot sedimentatie in het zomerbed. Als hierdoor de waterdiepte minder wordt dan de gegarandeerde, zal er een blijvende inspanning nodig zijn om de vaargeul op diepte te houden. Dit geldt ook ten dele voor de maatregelen kribverlaging en langsdammen (die voor een deel van de afvoeren leiden tot een wateronttrekking aan het zomerbed). De maatregelen als uiterwaardvergraving, verwijdering hydraulische knelpunten en dijkteruglegging hebben vooral een morfologisch effect gedurende de (frequente) hoge afvoeren, maar de mate van deze effecten bepaalt of deze bij de daarop volgende lagere afvoeren alsnog leiden tot ondieptes en onderhoudsbaggerwerk.

De bodemveranderingen in het zomerbed, veroorzaakt door de RvdR-maatregelen, zijn dynamisch (tijdafhankelijk) en zijn niet beperkt tot de locatie van de ingreep, maar strekken zich stroomop- en stroomafwaarts van de rivierverruiming uit. Dit laat zich het best illustreren door middel van de schematische lengteprofielen in Figuur 3.3. We veronderstellen dat het effect op de stroming door een uiterwaardmaatregel zich laat beschrijven door een lokale ontrekking en toevoeging van afvoer aan het zomerbed. Daarbij nemen we aan dat hiermee geen noemenswaardige hoeveelheid sediment wordt onttrokken (daarmee bedoelen we het grovere materiaal, zoals zand en grind, dat bijdraagt aan de grootschalige bodemveranderingen).

(20)

Het lengteprofiel in Figuur 3.3 laat zien hoe door de onttrekking de waterstanden dalen en de waterdieptes afnemen. Ter plaatse van de ingreep (benedenstrooms van de onttrekking) daalt de waterstand, waarbij door de ontstane stuwkromme de maximale daling aan het begin van de ingreep optreedt. Door stuweffecten zal stroomopwaarts van de ingreep ook een waterstandsdaling optreden: dit effect kan zich over tientallen kilometers stroomopwaarts uitstrekken.

Door de afnemende waterdiepte juist bovenstrooms van de onttrekking ‘convergeren de stroomlijnen’ en versnelt de stroming met erosie als gevolg. Onmiddellijk beneden de onttrekking daalt de stroomsnelheid abrupt, omdat hier sprake is van een geringere afvoer. Dat veroorzaakt een sedimentatiegolf die met een steil front stroomafwaarts het verruimde traject in trekt. Immers, het sedimentaanbod uit de stroomopwaartse sectie is groter dan de sedimenttransportcapaciteit van de rivier ter plaatse van de maatregel (door de afname van stroomsnelheid). Verderop, binnen het verruimde traject, neemt de waterdiepte toe, zodat de stroming nog verder vertraagt. Ook dit veroorzaakt aanzanding in het verruimde traject. Daar waar het water weer terug in de rivier komt, stijgt de stroomsnelheid abrupt. Dat veroorzaakt een erosiegolf die zich geleidelijk stroomafwaarts uitbreidt, en daarbij geleidelijke flauwer wordt (als het ware door een te gering aanbod van sediment uit het verruimde deel). In de Rijntakken ligt de voortplantingssnelheid van een sedimentatiegolf en een erosiegolf op ongeveer een kilometer per jaar (RIZA, 2005).

Na langere tijd (onderste schema in de figuur) zal een nieuwe situatie resteren waarbij het verruimde traject een hogere en steilere bodemligging heeft. Bij het begin en eind van de maatregel zal sprake zijn van bodemsprongen die in hoogte gelijk zijn. Door de steilere bodemhelling zal stroomopwaarts een netto bodemstijging optreden die samenhangt met de lengte van de maatregel maal de toename van de helling. In deze schematische weergave zal dus op langere termijn, zonder onderhoudsmaatregelen een netto bodemstijging en waterstandsstijging optreden, in plaats van de beoogde waterstandsdaling. Deze situatie representeert een situatie die pas na vele decennia kan worden bereikt.

(21)

1208454-000-ZWS-0003, 24 november 2014, definitief hoogte (m+NAP) stroomsnelheid (m/s) Q abrupte vertraging geleidelijke vertraging abrupte versnelling erosie sedimentatiefront sedimentatie expansiegolf van erosie Q aanvankelijke bodemverandering (m/dag) hoogte (m+NAP)

t =



t = 0

geleidelijke versnelling Q Q h h h-h Q

Figuur 3.3 Morfologische reactie op korte (t = 0) en lange (t = ) termijn als gevolg van de aanleg van een winterbedverruiming (Mosselman, 2007, in navolging van Jansen et al., 1979).

Als de rivierverruimende maatregel alleen functioneert bij hoge afvoeren (bijvoorbeeld als uiterwaarden gaan meestromen), en bij lagere afvoeren geen extra water uit het zomerbed ontneemt, gaan de tijdens een hoogwater plaatselijk gevormde aanzandingen en erosie als golven stroomafwaarts lopen. Daarbij vlakken ze geleidelijk uit.

(22)

Voor de scheepvaart is vooral de aanzanding direct bij het begin van de RvdR-maatregel maatgevend, omdat deze groter is en langer aanwezig blijft dan de overige aanzandingen. Deze hoeft echter niet over de gehele breedte van de rivier op te treden, maar kan zich tot een deel van het dwarsprofiel beperken als de rivier voldoende breed is. Van belang is dus de vraag of deze aanzanding binnen of buiten de vaargeul optreedt en, indien dat binnen de vaargeul is, of deze aanzanding kan worden opgevangen door een ter plaatse aanwezige overdiepte. Het gaat daarbij niet alleen om de situatie onmiddellijk na een hoogwater, maar ook om latere situaties waarin de aanzanding zich stroomafwaarts heeft verplaatst en nog niet volledig is uitgevlakt. De beantwoording van deze vraag vereist een ruimtelijk beeld dat kan worden verkregen uit morfologische berekeningen met Delft3D.

Bij lange-termijneffecten is het belangrijk de effecten van de RvdR-maatregelen af te zetten tegen de autonome effecten. De bodemdaling in de Rijntakken lijkt zich nog door te zetten, en zonder stabiliserende maatregelen (zoals de beoogde suppleties) zal dit leiden tot een geleidelijke daling van de bodemligging en bodemhelling. Op dit moment bedraagt de daling van de bodemligging enkele centimeters per jaar in de bovenstroomse riviertrajecten. Dit is gunstig vanuit het oogpunt van MHW-verlaging, maar heeft grote gevolgen voor het scheepvaartverkeer ter plaatse van de vaste lagen bij St Andries en Nijmegen, ingangen naar kunstwerken en havens, stabiliteit van oeverwerken en kribben, grondwaterstanden, etc.

3.3 Cumulatieve morfologische effecten van de rivierverruimende maatregelen

In de voorgaande paragraaf zijn twee belangrijke invloeden op de korte termijn van een individuele RvdR-maatregel op bovenstroomse en benedenstroomse trajecten beschreven: • Door een stuwkromme bovenstrooms van de maatregel zal daar erosie optreden over

een traject van tientallen kilometers stroomopwaarts.

• Door een erosiegolf zal de bodem benedenstrooms dalen. Pas later zal deze teniet worden gedaan door een daarop volgende sedimentatiegolf.

Omdat deze effecten dus stroomafwaarts en stroomopwaarts van de maatregel doorwerken, kunnen individuele maatregelen elkaar gaan beïnvloeden. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk dat sedimentatie bij stroomopwaarts gelegen maatregelen tijdelijk wordt gereduceerd door het erosie-effect van stuweffecten van benedenstroomse maatregelen. Daarentegen zal dan op lange termijn juist weer een versterking van de aanzanding kunnen optreden door de combinatie van een steiler geworden rivierbedding en de plaatselijke door de maatregel veroorzaakte aanzanding.

Maatregelen benedenstrooms van een andere maatregel kunnen profiteren van de passage van een tijdelijke erosiegolf, die de lokale aanzanding teniet doet. Ook dit is slechts een tijdelijke situatie, omdat op lange termijn deze erosiegolf weer wordt gevolgd door een sedimentatiegolf.

Het optreden van deze cumulatieve effecten speelt in deze studie (morfologische pakketsom) een belangrijke rol.

(23)

3.4 Riviermorfologie van splitsingspunten

De afvoerverdeling op de splitsingspunten (Pannerdensche kop, IJsselkop en Merwedekop) is afhankelijk van vele variabelen, en mag niet a priori als vaststaand worden beschouwd. Desondanks zijn de belangrijke riviersplitsingen al lange tijd in redelijke mate stabiel gebleven, mede met behulp van ingenieuze rivierkundige ingrepen. Diverse studies tonen aan dat het voor beheer en veiligheid van het riviersysteem cruciaal is dat de stabiliteit van deze splitsingen en de afstromende takken gehandhaafd wordt (o.a. Kleinhans et al., 2013). Het is dus van belang dat eventuele verstoringen in afvoeren sedimentverdeling minimaal blijven.

Sturing van de afvoerverdeling is met kunstwerken (de stuw bij Driel, regelwerk Pannerden en regelwerk Hondsbroeksche Pleij) slechts binnen een zekere marge mogelijk, en wordt voor een groot deel bepaald door de afvoercapaciteit van de afstromende takken. Daarbij kan een eventuele ongelijkmatige morfologische ontwikkeling van beide afstromende takken een verstorende (destabiliserende) rol spelen. Het is dan ook noodzakelijk dat ingrepen in het splitsingspuntengebied zodanig worden geconstrueerd of gecompenseerd, dat de opgewekte stuweffecten en morfologische veranderingen uit voorgaande paragrafen op termijn niet tot oncontroleerbare situaties gaan leiden. Dat betekent dat in de toekomst corrigerende maatregelen noodzakelijk kunnen zijn.

De bovengenoemde eis is terug te vinden in het rivierkundig toetsingskader, dat stelt dat de RvdR-maatregelen zoals voorgesteld in de PKB RvdR (2007), de afvoerverdeling niet mogen beïnvloeden. Wanneer uit de hydraulische toetsing een effect op de afvoerverdeling verwacht werd, zijn hiervoor compenserende maatregelen geïntroduceerd. “De PKB heeft als doelstelling de afvoerverdeling zoals beleidsmatig is vastgesteld te handhaven” (PKB RvdR, 2007, deel PKB 4, H18, p 112).

Met de in deze studie uitgevoerde hydromorfologische Delft3D-simulatie wordt het cumulatieve effect van de rivierverruimende maatregelen op de Rijntakken gemodelleerd. Een verandering van de afvoerverdeling op de splitsingspunten werkt door op de morfologie en vice-versa. De afvoerverdeling op de Pannerdensche Kop is in deze studie vastgelegd conform de doelstelling in het PKB. Deze schematisatiewijze sluit een beoordeling van de gevolgen voor de afvoerverdeling op het splitsingspunt uit. Op de Merwedekop is wel gerekend met waterstandsranden op de Beneden en Nieuwe Merwede. Voor dit splitsingspunt zal de ontwikkeling van de afvoerverdeling worden geanalyseerd.

(24)

(25)

4 Morfologische berekeningen met Delft3D

4.1 Het Riviermorfologische Deltamodel (RMD)

Voor de beoogde simulaties is het Rijntakkendeel van het Riviermorfologisch Deltamodel (RMD-instrumentarium) ingezet, met de meest recente updates en verbeteringen die in 2012 en 2013 zijn geïntroduceerd in het kader van het Deltamodel en het KPP-project Rivierkunde. Relevante verbeteringen zijn Baseline-5.0-schematisatie, rekenen met gegradeerd sediment op splitsingspunten en vernieuwde baggermodule. Het RMD-instrumentarium bestaat uit een Delft3D rekenhart, met aanvullende scripts en functionaliteit, in combinatie met modelschematisaties die gelijkwaardig zijn aan de WAQUA-modellen (dus ook direct afkomstig uit Baseline). De domeinen van het RMD-instrumentarium welke gebruikt zijn in deze studie staan in Figuur 4.1.

Figuur 4.1 Kaart met overzicht van enkele rekendomeinen in het RMD-instrumentarium (met naamgeving van ieder domein)

Het RMD-instrumentarium is onderverdeeld in een aantal rekendomeinen (deelmodellen of subgrids) die tijdens de berekening als één geheel worden beschouwd, zie Figuur 4.1. Opgemerkt wordt dat de rekendomeinen voor de IJssel en Nederrijn en Lek, en voor het RMD-onderdeel dat betrekking heeft op de Rijn-Maasmonding, in dit project niet zijn meegenomen. In de nieuwste modellen (2013) onderscheiden we domeinen met gegradeerd sediment (meerdere sedimentfracties, met in ruimte en tijd variërende D50) en met uniform

sediment (één sedimentfractie, met ruimtelijke variërende D50). In het

gegradeerd-sedimentdeel wordt ook de verandering in bodemsamenstelling in de tijd en ruimte gesimuleerd (uitzeving, afpleistering). De simulaties van de rivierdelen Niederrhein (br0), en de takken verbonden met de twee meest bovenstroooms gelegen splitsingspunten (Bovenrijn

br2, Waal tot Nijmegen wl2a, Pannerdensch Kanaal pan), zijn met gegradeerd sediment

uitgevoerd.

Bij berekeningen met gegradeerd sediment wordt gebruik gemaakt van 10 sedimentfracties (zeer fijn zand met diameter >63 µm tot grof grind met diameter <16 mm).

(26)

Overige takken zijn berekend met uniform sediment (één sedimentfractie) en geleidelijk langs de rivier afnemende diameters. Op de overgangen tussen uniform- en gegradeerd-sedimentdomeinen wordt gezorgd voor een continue overgang in bodemligging en doorgifte van water en sediment (zie ook paragraaf 4.2.3).

In 2012 is voor het project “Deltamodel” en in het kader van KPP- onderzoek Rivierkunde (KPP = Kennis voor Primaire Processen) een belangrijke stap voorwaarts gezet in de update van het RMD-instrumentarium. Deze update maakt het instrument beter geschikt voor langjarige berekeningen (met name ten aanzien van het morfologische gedrag in het bovenrivierengebied en het splitsingspuntengebied) en zorgt ervoor dat het model aansluit op de meest actuele Baseline-versies en WAQUA-modellen. Belangrijke verbeteringen van het RMD zijn:

 de omzetting van de schematisaties naar Baseline 5 (met daarin de voor WAQUA gekalibreerde ruwheden),

 aanpassing van de afvoerhydrograaf voor rivierafvoeren,

 toepassing van gegradeerd sediment voor het splitsingspuntengebied.

Uit de testberekeningen met dit model (uitgevoerd in het kader van het project DVR+) is het volgende gebleken:

• Toepassing van de gegradeerd-sedimentaanpak levert een belangrijke verbetering op voor het gedrag van de bodemligging bij de splitsingspunten. De gegradeerd-sedimentschematisatie levert redelijke resultaten voor bodemsamenstelling en bodemligging, maar voor de Bovenrijn en de Duitse Niederrhein is nog niet de juiste bodemsamenstelling toegepast. Een correctie hiervan is in het kader van dit project uitgevoerd.

• Een verdere uitbreiding van het instrumentarium voor het simuleren van semi-vaste lagen (tijdelijke vaste grindlagen onder duinen) is op dit moment nog niet ver genoeg ontwikkeld om hier al toe te passen. Desondanks kan met de gekozen gegradeerd-sediment aanpak het generieke gedrag van de morfologie in de zand-grind bedding al goed worden beschreven.

• Effecten van Ruimte voor de Rivier-maatregelen op de waterbeweging worden in het RMD voldoende betrouwbaar en consistent met WAQUA resultaten gesimuleerd (Sloff et al., 2013).

• De baggermodule, waarmee automatisch baggeren en storten van sediment wordt gesimuleerd, simuleert zowel het huidige baggerbeleid met minimale diepte ten opzichte van OLR, als het toekomstige beleid met een minimale breedtegemiddelde diepte. • De rekentijd voor een berekening van circa 40 jaar op een LINUX rekencluster bedraagt

circa 1 maand (2013/2014).

4.2 Opzet van het model

4.2.1 Modelschematisatie

Op basis van de geconstrueerde Baseline-schematisaties (zie bijlage B), zijn hydrodynamische Delft3D-modellen aangemaakt. Vervolgens zijn deze uitgebreid met de benodigde gegevens en instellingen voor simulatie van sedimenttransport en morfologische veranderingen in het zomerbed.

(27)

Voor de effectbepaling van de RvdR-maatregelen onderscheiden we twee schematisaties voor de bodemligging, overlaten, dunne dammen (niet overstroombare en niet doorstroombare wandjes op roosterlijnen), en hydraulische ruwheden:

• Referentie-schematisatie T00 • RvdR-schematisatie T01

De RvdR-schematisatie onderscheidt zich van de referentieschematisatie door het toevoegen van de maatregelen met een PDR-doelstelling (de RvdR-maatregelen en de zogenaamde autonome NURG-maatregelen). Om consistente schematisaties die voldoen aan de doelstelling van deze studie te maken zijn, op advies en verzoek van RWS, enkele maatregelen opgenomen in de RvdR-schematisatie en weggelaten uit de referentie schematisatie. In de rest van dit rapport zullen alle opgenomen maatregelen ten opzichte van de referentie voor beknoptheid als RvdR worden afgekort.

Alle maatregelen inclusief hun specifieke werking zijn identiek aan de ontwerpen ten tijde van de SNIP3-beslissingen. Voorlopige (voor)ontwerpen en aangepaste ontwerpen ten behoeve van bijvoorbeeld de uitvoering zijn dus niet gebruikt. De ontwerpen zijn identiek aan die van de hydraulische pakkettoets 2013 of 2014 (Becker en Visser, 2014; Crebas, 2013).

4.2.2 De uitgevoerde berekeningen

In de simulaties onderscheiden we simulaties: • met en zonder RvdR-schematisatie,

• met en zonder vaargeulbeheer, waarbij vaargeulbeheer wordt gesimuleerd met de automatische baggermodule zoals gepresenteerd in paragraaf 4.2.5.

• met de hydrograaf of met de alternatieve hydrograaf, waarbij voor de

standaardhydrograaf een zich herhalende jaarlijkse afvoerreeks wordt gebruikt die

representatief is voor een gemiddeld jaar, en voor de alternatieve hydrograaf een afvoerserie wordt gebruikt die is samengesteld uit afvoerreeksen van afwisselend droge, gemiddelde en natte jaren (zie paragraaf 4.2.6).

Hiermee komen we tot de acht simulaties weergegeven in Tabel 4.1.

Tabel 4.1 Overzicht van de uitgevoerde simulaties

Code RvdR Hydrograaf Met vaargeulbeheer

T00a Nee Standaard Nee

T00b Nee Standaard Ja

T00c Nee Alternatief Nee

T00d Nee Alternatief Ja

T01a Ja Standaard Nee

T01b Ja Standaard Ja

T01c Ja Alternatief Nee

T01d Ja Alternatief Ja

(28)

4.2.4 Sediment en ondergrond

In de bovenstroomse riviertrajecten bestaat de rivierbedding uit zand en grind, terwijl door stroomafwaartse verfijning de rivierbodem in de Midden-Waal en de benedenrivieren voornamelijk uit zand bestaat. Voorbeelden van deze zand-grindbedding zijn gepresenteerd in Figuur 4.2 en Figuur 4.3. Voor een goede beschrijving van het sedimenttransport en de morfologische veranderingen in het bovenrivierengebied is het noodzakelijk te rekenen met de gegradeerd-sedimentaanpak in Delft3D. In deze aanpak wordt gerekend met 10 sedimentfracties (zie Tabel 4.2).

Tabel 4.2 Overzicht van de sedimentfracties in berekeningen met gegradeerd sediment

Fractie Ondergrens diameter

van fractie (mm) Bovengrens diameter van fractie (mm) Sediment1 0.000063 0.000250 Sediment2 0.000250 0.000500 Sediment3 0.000500 0.001000 Sediment4 0.001000 0.002000 Sediment5 0.002000 0.002800 Sediment6 0.002800 0.004000 Sediment7 0.004000 0.008000 Sediment8 0.008000 0.016000 Sediment9 0.016000 0.032000 Sediment10 0.032000 0.064000

(29)

Figuur 4.3 Voorbeeld bodemsamenstelling Waal rkm 870, opnamen in duikerklok op 20/4/2011

In de gegradeerd-sedimentaanpak wordt gerekend met een actieve-laagmethode, waarbij sedimentsorteringsprocessen in de toplaag, de actieve laag, worden berekend. Daarnaast wordt gebruik gemaakt van een serie onderlagen waarin oudere afzettingen en moeilijk erodeerbare lagen kunnen worden geïntroduceerd (vooraf opgegeven of als gevolg van de berekende bodemveranderingen). Voorafgaande aan de berekeningen is een uit metingen afgeleide samenstelling (zeefkrommes) als functie van de rivierkilometrering geïntroduceerd (zie ook Paarlberg et al, 2008). Vervolgens is een initiële simulatie uitgevoerd van 5 jaar, waarbij de bodem wordt vastgehouden, maar waarmee de samenstelling verder wordt ingespeeld. Deze aanpak leidt tot een realistische verdeling van sedimentfracties in de toplaag (bijvoorbeeld grof materiaal in buitenbochten en fijn materiaal in ondiepe binnenbochten). De inspeelberekening is noodzakelijk omdat anders in de eerste periode forse morfologische veranderingen op kunnen treden die slechts het gevolg zijn van het inspelen van het model.

Voor de uniform-sedimentdelen in de Waal en Merwedes is gebruik gemaakt van de korreldiameter zoals toegepast in het RMD model gepresenteerd in Sloff et al. (2013). De diameters nemen geleidelijk af in stroomafwaartse richting. De diameter is constant over de breedte.

Voor sedimenttransport met gegradeerd sediment wordt gerekend met een op het transport model van Meyer-Peter en Müller gebaseerd model (model met een constante kritieke Shields-parameter van 0,025 en een ribbelfactor van 0,7).

Voor de Midden-Waal en Merwedes wordt gerekend met een uniform-sedimentaanpak, waarbij de bodemsamenstelling met een ruimtelijk variërende mediane diameter (D50) is

beschreven. Voor het transport van uniform sediment wordt gerekend met een op het transportmodel van Van Rijn (1984) gebaseerd transportmodel (model met een constante kritieke Shields-parameter van 0,016 en een ribbelfactor van aangepaste kalibratiefactoren voor het bodemtransport- en zwevend-transportdeel).

In het model worden de gegradeerd-sediment- en uniform-sedimentdomeinen online gekoppeld, waarbij deze naadloos (zonder gradiënten) en massabehoudend zijn gecombineerd voor het berekenen van de bodemligging. Een beperking van deze aanpak is dat het met de huidige baggermodule niet mogelijk is om gebaggerd materiaal uit een uniform-sedimentmodel te storten in een gegradeerd-sedimentmodel en vice versa. De consequenties hiervan zijn gering omdat bij deze domeingrenzen over het algemeen geen of weinig baggerwerk optreedt in de uitgevoerde berekeningen. In de voorgeschreven regels

(30)

voor het huidige baggerbeleid wordt het gebaggerde materiaal eerst opzij gestort tussen de normaallijnen, dan tot 1,5 km benedenstrooms en vervolgens tot 1,5 km bovenstrooms gestort. Als er dan nog materiaal overblijft wordt dat buiten het model gestort (in een depot). Bij domeingrenzen en bij vaste lagen wordt door de genoemde modelbeperking in de simulaties afgeweken van deze regel zoals aangegeven in Tabel 4.3.

In de modelschematisaties hebben enkele locaties een vaste laag. Deze worden ingebracht door vooraf de beschikbare hoeveelheid sediment op deze vaste lagen te beperken ofwel op nihil te stellen wanneer deze aan de oppervlakte liggen. Vaste lagen zijn gedefinieerd in het zomerbed langs de normaallijn (door de kribkoppen), de uiterwaarden, en de vaste lagen en bodemkribben bij Erlecom (rkm 873-876), Nijmegen (rkm 883-885) en Sint Andries (rkm 925-928).

4.2.5 Vaargeulonderhoud

De beschikbare software maakt het mogelijk om met een automatische baggermodule tijdens de morfologische berekening het onderhoudsbaggerwerk en bijbehorende stortstrategie te simuleren. Daarbij wordt uitgegaan van een toetsing en handhaving van de gegarandeerde-diepte-eis, namelijk 2,8 m onder het baggerreferentievlak voor de Bovenrijn en Waal (BRV als representatie voor OLR) tijdens perioden van lage afvoer. Figuur 4.4 toont hoe de baggercriteria worden toegepast door de baggermodule. De te baggeren en te storten volumes worden bepaald per kilometervak over de breedte van de vaargeul. Voor de vaargeulbreedte wordt uitgegaan van 150 m voor de Bovenrijn, Waal, en Merwedes; 210 m voor de Nieuwe Merwede; en 70 m voor het Pannerdensch Kanaal, zoals vastgelegd door vaargeulpolygonen opgeleverd door Rijkswaterstaat.

Vaargeulbreedte OLR 2,80 m Te baggeren profiel Stortruimte Overdiepte 0,5 m 4,0 m Vaargeulbreedte OLR 4 m Vaargeul gemiddelde bodemligging Overschrijding gemiddelde bodem criterium

Figuur 4.4 Definitieschets toepassing van baggercriteria via de baggermodule: links het minimale-dieptecriterium voor toetsing van minimale vaardiepte ten opzichte van OLR; rechts het gemiddelde-dieptecriterium voor toetsing van de breedtegemiddelde vaardiepte in de rivier.

Het referentievlak voor deze baggersimulaties wordt tijdens de berekening elke vijf jaar geactualiseerd op basis van de berekende bodemveranderingen. De procedure hiervoor is dat na een simulatie van 5 jaar de waterstand bij de gebruikte OLA2010 wordt berekend. Vervolgens wordt het verschil bepaald tussen de berekende waterstand en de waterstand die in de vorige update was vastgesteld. Dit verschil wordt vervolgens opgeteld bij het OLR zoals door Rijkswaterstaat wordt gehanteerd voor het jaar 2010. Dezelfde aanpak wordt ook gehanteerd voor de OLW. Zie voor meer details en resultaten de bijlage C.

(31)

Bij toepassing van het baggercriterium voor de minimale vaardiepte (Figuur 4.4) wordt bij het onderschrijden van de minimale diepte sediment verwijderd uit de roostercellen waar deze onderschrijding optreedt. Daarbij wordt een overdiepte meegenomen van 0,5 m. Het materiaal wordt teruggestort in nabijgelegen diepere delen tussen de normaallijnen, dieper dan OLR – 4 m. Als er geen stortruimte beschikbaar is in het desbetreffende baggervak, zal in eerste instantie in eventuele stortruimte in het volgende baggervak (kilometervak) worden gestort. Als daar ook geen ruimte is wordt gestort in het eerste bovenstroomse kilometervak, of anders wordt het onttrokken uit het model (in een depot). Baggeren wordt alleen uitgevoerd tijdens de laagwaterperiode.

Met de huidige versie van Delft3D is het ook mogelijk om de breedtegemiddelde vaargeuldiepte van vier meter ten opzichte van het referentievlak te garanderen (Figuur 4.4). In de gekozen aanpak wordt getoetst op dit criterium, maar wordt het baggerwerk niet tijdens de lopende berekening uitgevoerd door de baggermodule. De baggerinspanning die nodig is om dit criterium te halen wordt met de baggermodule na iedere berekeningsstap uitgerekend. Dit in tegenstelling tot eerdere projecten waarin deze baggerinspanning als nabewerking met additionele software werd uitgerekend.

Opgemerkt moet worden dat de baggermodule ook werkt met een duinvoorspeller voor de hoogte van bodemvormen voor het vaststellen van de minimale beschikbare diepte. De voorspelde duinhoogte is een benadering voor de gemiddelde hoogte als functie van de actuele en (via relaxatie) voorgaande stromingscondities, en houdt geen rekening met de overige natuurlijke variabiliteit in duinhoogtes. Vooral in de Midden-Waal is baggerwerk gerelateerd aan lokale ondieptes veroorzaakt door deze duinen.

Hoewel de baggermodule uitgebreide mogelijkheden heeft voor het beschrijven van de werkelijke baggerwerkzaamheden, zijn er toch beperkingen die leiden tot verschillen met het werkelijk te verwachten baggerwerk:

• Het huidige baggercontract voor onderhoudsbaggerwerk in de Bovenrijn en Waal biedt ruimte voor flexibele toepassing in ruimte en tijd van baggeren stortactiviteiten. In de baggermodule wordt op vaste tijdstippen via de vastgestelde regels gebaggerd en gestort.

• Beperkingen van de software (geen uitwisseling baggervolumes van gegradeerd naar uniform-sedimentdomeinen) of schematisatiekeuzes (niet baggeren op de vaste lagen, niet storten in kribvakken, niet storten over splitsingspunten) leiden tot beperkingen van mogelijkheden voor baggeren en storten.

Tabel 4.3 geeft aan in hoeverre het door de baggermodule automatisch berekende baggerwerk afwijkt van het werkelijke baggerbeleid (met name door de beperkingen van het model).

Alle baggerhoeveelheden in dit rapport hebben betrekking op beunvolumes. De hoeveelheden uit het model en sedimentvolumes uit de bedding zijn met een factor 1,4 vermenigvuldigd. Eventuele uitzonderingen op deze regel zijn expliciet in de tekst vermeld. Er wordt geen rekening gehouden met de vereiste minimale dekking van kabels en leidingen en locaties waar volgens het huidige baggercontract niet gebaggerd mag worden om de kabels en leidingen te beschermen. Door de beperkte omvang van deze locaties, is verondersteld dat het effect op baggerhoeveelheden verwaarloosbaar is.

(32)

Tabel 4.3 Wijzigingen in de schematisatie van baggeren en storten ten opzichte van het huidige baggerbeleid

Omschrijving Locatie Omschrijving van de aanpassing

Vastelagen

Vaste laag bij Erlecom rkm 873 – rkm 876 Er wordt niet gebaggerd of gestort op de vaste

laag

Vaste laag bij Nijmegen rkm 883 – rkm 885

Vaste laag bij St. Andries rkm 925 – rkm 928 Er wordt niet gebaggerd of gestort op de vaste

laag Stroomafwaarts van St.

Andries1

rkm 925 – 952,5 Stroomafwaarts van 925 wordt gebaggerd voor

zandwinning; maximaal mag 90.000 m3

sediment per jaar uit dit gebied worden onttrokken.Deze hoeveelheid wordt gelijkmatig over het hele stuk onttrokken2.

Splitsingspunten

Pannerdensche kop rkm 867.2 Er wordt geen sediment uit de bovenstroomse

tak in de benedenstroomse takken gestort

IJsselkop rkm 877.8

Merwedekop rkm 961.3

Domeingrenzen

Waal rkm 867.2 Er wordt geen sediment over domeingrenzen

heen gestort in verband met overgang gegradeerd – uniform sediment

Waal rkm 924.2 Er wordt geen sediment over domeingrenzen

heen gestort Overgang Waal op Boven Merwede rkm 953.0 Overgang Niederrhein op Bovenrijn rkm 853.3 4.2.6 Randcondities

De randcondities bestaan uit de afvoerhydrograaf op de bovenstroomse rand van het model, bodemligging op deze rand, afvoerontrekking voor het Pannerdensch Kanaal, en Q-H randvoorwaarde op de benedenstroomse rand(en) van het model een QH rand. Deze randcondities worden in deze paragraaf beschreven.

Trapsgewijze afvoerhydrograaf bovenrand

In de RMD-modellen (DVR-instrumentarium) wordt gerekend met een getrapte hydrograaf: de jaarlijkse afvoervariatie wordt benaderd door een aantal afvoerstappen, gekenmerkt door periodes met constante afvoer die qua duur en hoogte van de afvoer zijn afgeleid uit de gemiddelde afvoerduurlijn voor een langjarige afvoerreeks voor de Rijn.

1

Volgens de sedimentbeheervisie van RWS ON mag zand worden gewonnen stroomafwaarts van Zaltbommel (rkm 934) tot en met beheergrens ON (rkm 925,5). Dit is een kleiner traject dan het in het model gebruikte.

2

Deze aanname is in overeenstemming met de baggerhoeveelheden die in de periode 2011-2013 in het traject van rkm 934 tot en met rkm 925,5 zijn gewonnen. Deze varieren tussen 69.000 en 90.000 m3/jaar.

(33)

In deze studie is gebruik gemaakt van verschillende afvoerhydrografen. Bij de standaardhydrograaf wordt uitgegaan van een afvoerserie voor een hydrologisch gemiddeld jaar. Deze hydrograaf is ook gebruikt in eerdere studies met dit instrumentarium (Sloff et al., 2013). Bij de alternatieve hydrograaf zijn afvoerseries voor droge jaren (met relatief kort hoogwaterseizoen en droge laagwaterperiode) en natte jaren (met relatief lang hoogwaterseizoen en nat laagwaterseizoen) geïntroduceerd om inzicht te krijgen in de morfodynamiek die door deze jaarlijkse variaties in het systeem wordt veroorzaakt. De afvoer speelt namelijk een dominante rol in de onzekerheidsband rond de uiteindelijke resultaten, zoals is gebleken uit probabilistische studies met dit instrumentarium.

Tabel 4.4 geeft aan hoe de afvoerseries per jaar voor de verschillende types zijn gedefinieerd.

Tabel 4.4 Overzicht van volgorde, afvoerniveau en duur van stappen in de verschillende jaarhydrografen voor een gemiddeld, nat en droog jaar.

Afvoerstap Afvoer bij Lobith Jaarhydrograaf type

- (m3/s) Gemiddeld (dagen) Nat (dagen) Droog (dagen) 1 2250 14 14 14 2 3053 14 11,5 16,5 3 3824 10 2,5 17,5 4 4717 7 12,25 1,75 5 6151 3 5,25 0,75 6 8592 3 5,5 0,5 7 6151 3 5,25 0,75 8 4717 7 12,25 1,75 9 3824 11 3,5 18,5 10 3053 21 21 21 11 2250 91 91 91 12 1635 91 91 91 13 1203 76 76 76 14 1635 14 14 14 Totaal: 365 365 365

Voor de langjarige berekeningen zijn de bovengenoemde jaarhydrografen gecombineerd tot een tweetal series, namelijk een standaardserie met een herhaling van de gemiddelde jaarhydrograaf, en een alternatieve serie waarin afwisselend gemiddelde, droge en natte jaren worden toegepast volgens het schema in tabel 4.5.

Tabel 4.5 Overzicht van de gebruikte afvoerhydrografen waarbij G, N, D afkortingen zijn voor een gemiddeld, nat en droog jaar. Type hydrograaf 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 … Standaard G G G G G G G G Alternatief G N G D G N G N

(34)

Randconditie bodemligging

Op de Nieder-Rhein wordt een autonome bodemdaling van 1,5 cm per jaar opgelegd gebaseerd op historisch verloop van bodemveranderingen in dit traject. Dit is echter niet relevant voor de uitkomsten van het model, omdat binnen de beschouwde periode de invloed van deze rand nog niet doorwerkt in het traject waarvoor de RvdR-effecten worden bepaald.

Afvoerontrekking Pannerdensch Kanaal

Voorwaarde voor de Ruimte-voor-de-Rivieringrepen is dat deze de afvoerverdeling op de Pannerdensche Kop niet zullen wijzigen. Om aan deze voorwaarde te kunnen voldoen is gebruik gemaakt van een afvoerrandconditie op de benedenstroomse rand van het Pannerdensch kanaal (in plaats van een waterstandsrandconditie). De toegepaste afvoerverdeling bij verschillende afvoerniveau’s (elk constant in de tijd) is gepresenteerd in tabel 4.6.

Tabel 4.6 Afvoerverdeling op de Pannerdensche kop.

Afvoer bij Lobith

(m3/s)

Afvoer Waal

(m3/s)

Afvoer Pannerdensch kanaal

(m3/s) 1020 818,3 201,7 1203 957,1 245,9 1635 1228,2 406,8 2250 1530,9 719,1 3053 2065,9 987,1 3824 2579,3 1244,7 4717 3164,6 1552,4 6151 4136,1 2014,9 8592 5676,6 2915,4 Q-H-rand Merwedes

Voor de benedenranden van het model bij de Merwedes is gebruik gemaakt van waterstandsranden zoals aangegeven in tabel 4.7.

Tabel 4.7 Waterstandsrand op de Merwedes.

Afvoer bij Lobith

(m3/s)

WaterstandBenedenMerwede (m + N.A.P.)

Waterstand Nieuwe Merwede (m + N.A.P.) 1020 -0,07 0,17 1203 0,56 0,33 1635 0,57 0,35 2250 0,61 0,39 3053 0,67 0,45 3824 0,72 0,52 4717 0,78 0,58 6151 0,86 0,68 8592 1,00 0,82

(35)

5 Morfologische effecten op korte termijn (zichtjaren

2015-2020)

5.1 Relatieve aanzanding en erosie

De maatregelen veroorzaken een initiële respons in de bodemligging veroorzaakt. We onderscheiden stabiele aanzandings- en erosiepatronen en zich verplaatsende sedimentatie- en erosiegolven. De belangrijkste kenmerken van de morfologische veranderingen zijn: • Ter plaatse van de bovenstroomse begrenzing van een maatregel (waar het water

vanuit zomerbed richting een aangelegde geul, het verruimde winterbed of de verruimde kribvaksectie stroomt) vindt sedimentatie in het zomerbed plaats.

• Ter plaatse van de benedenstroomse begrenzing van een maatregel (waar het water vanuit de aangelegde geul, het verruimde winterbed of de verruimde kribvaksectie richting het zomerbed stroomt) vindt erosie in het zomerbed plaats.

• Omdat de sedimentatie en erosie door de lokale geometrie worden veroorzaakt, zijn deze redelijk plaatsvast (dus sedimentatie over het algemeen direct na aanvang en erosie direct na einde van een maatregel).

• De grootte van de sedimentatie en de erosie bedraagt enkele decimeters ten opzichte van de bodemligging in de referentieberekening. De verandering komt dus bovenop de veranderingen die optreden zonder de RvdR-maatregelen (bijvoorbeeld bovenop de autonome bodemerosie).

• De initiële aanzandings- en erosiepatronen groeien bij de meeste maatregelen nog verder in de achtereenvolgende jaren.

• De aanzanding en erosie ontwikkelen zich als golven in stroomafwaartse richting met een gemiddelde snelheid van circa 1 km/jaar (zie bijvoorbeeld paragraaf 6.5.1).

Deze tendensen worden aan de hand van de resultaten van de simulaties nader toegelicht. • In de Bovenrijn is ter plaatse van de maatregel (nevengeul en kribverlaging) een sterke

aanzanding waar te nemen (rkm 865-867), zie figuren 5.1 en 5.2. Omdat de maatregel aan de rechteroever is uitgevoerd, treedt het grootste effect aan de rechterzijde van de rivier op. Benedenstrooms van de maatregel is een erosiegolf zichtbaar die zich richting Pannerdensche Kop ontwikkelt. Deze wordt veroorzaakt door een relatief tekort aan sediment, omdat een deel van het aangevoerde sediment achterblijft en bijdraagt aan de sedimentatie ter plaatse van de maatregel. Ook hier treedt de grootste erosie aan de rechterzijde op, wat leidt tot een (tijdelijke) verandering in de sedimentverdeling op de Pannerdensche Kop: omdat de erosiegolf aan de rechterzijde iets groter is dan aan de linkerzijde, zal het Pannerdensch Kanaal tijdelijk relatief minder sediment krijgen.

(36)

Figuur 5.1 Verschil in jaargemiddelde bodemligging RvdR minus Referentie, maatregel Rijnwaarden, voor 2016 (na eerste jaar)

Figuur 5.2 Verschil in jaargemiddelde bodemligging RvdR minus Referentie, maatregel Rijnwaarden, voor 2020 (na 5 jaar)

(37)

• In Figuur 5.3 is bij maatregel Lent aanzanding zichtbaar tussen rkm 882-883, waar de instroming plaatsvindt naar de hoogwatergeul. Omdat de geul, volgens de gebruikte schematisatie, alleen bij hoogwater functioneert, zal de aanzanding in het tussenliggende traject (boven de vaste laag) beperkt blijven. De figuur toont de jaargemiddelde bodemverschillen, waarbij de tijdelijke hoogwateraanzanding gering is. • In figuur 5.3 is na rkm 886 sprake van enige erosie: deze hangt samen met de

uitstroming van de geul tijdens hoogwatercondities.

• De resultaten tonen dat rond rkm 885 sprake is van een sterke reactie van de bodem aan de benedenstroomse begrenzing van de vaste laag bij Nijmegen. De invloed van de vaste laag kan hierbij een belangrijke rol spelen, en de resultaten moeten vanwege de modeleigenschappen met voorzichtigheid worden geïnterpreteerd.

Figuur 5.3 Verschil in jaargemiddelde bodemligging RvdR minus Referentie, maatregel Lent, voor 2016 (na eerste jaar)

Figuur 5.4 Verschil in jaargemiddelde bodemligging RvdR minus Referentie, maatregel Lent, voor 2016 (na eerste jaar)

(38)

• Bij de maatregel kribverlaging ontwikkelt zich een afwisselend patroon van aanzanding en erosie dat samenhangt met het variaties in de toename van het doorstroomprofiel, omdat de verlaagde kribben niet overal dezelfde lengte (van oever tot normaallijn) hebben en omdat er zijn zones zijn met gestrekte oevers, zie Figuur 5.5. Tijdens hoogwater (wanneer kribben overstroomd zijn) zal bij relatief lange verlaagde kribben plaatselijk, meer water over een krib stromen dan bij korte kribben, en ook meer dan in de situatie zonder verlaagde kribben. Het hogere debiet over een krib leidt tot een afname van de stroomsnelheid in het zomerbed, met een relatieve aanzanding in het zomerbed tot gevolg (relatief ten opzichte van de situatie zonder verlaagde kribben). Bij een sectie met kortere verlaagde kribben na een sectie met verlaagde lange kribben zal het water weer terugstromen, met hogere snelheden in het zomerbed (met erosie in het zomerbed tot gevolg, relatief ten opzichte van de situatie zonder verlaagde kribben).

Figuur 5.5 Verschil in jaargemiddelde bodemligging RvdR minus Referentie, maatregel kribverlaging Midden-Waal, voor 2016 (na eerste jaar)

Figuur 5.6 Verschil in jaargemiddelde bodemligging RvdR minus Referentie, maatregel kribverlaging Midden-Waal, voor 2016 (na 5 jaar)

(39)

Ter hoogte van de inlaat naar de langsdam bij Tiel (linkeroever) toont de jaargemiddelde bodem in Figuur 5.7 een relatieve aanzanding. Een meer gedetailleerde analyse van de resultaten toont dat de aanzanding optreedt gedurende de hoge afvoeren (als het water achter de langsdam stroomt) en de erosie plaats vindt bij lage afvoeren (als de langsdam niet overstroomt). De netto versmalling van het laagwaterbed door de aanleg van de langsdam leidt daarnaast effectief tot een hogere OLR, waardoor de resterende aanzanding beperkte consequenties heeft voor het baggeronderhoud (zie paragraaf 5.2). In de schematisatie zijn de langsdammen uitgevoerd als gesloten dammen in langsrichting (zonder zijdelingse openingen). De oevergeul stroomt dus pas noemenswaardig mee als de waterstand hoger is dan de kruin van de langsdam.

Figuur 5.7 Verschil in jaargemiddelde bodemligging RvdR minus Referentie, maatregel langsdam voor 2016 (na eerste jaar)

Figuur 5.8 Verschil in jaargemiddelde bodemligging RvdR minus Referentie, maatregel langsdam voor 2020 (na 5 jaar)

(40)

• Benedenstrooms van rkm 933 ter plaatse van de brug bij Zaltbommel (Figuur 5.10) treedt plaatselijk een versterkte erosie op. Door de brughoofden en de gestrekte niet verlaagde oevers op dit traject ontstaat hier een ‘flessenhals’, waarbij tijdens hoogwater een groot deel van de afvoer over de kribben en het winterbed plaatselijk terugstroomt naar de hoofdstroom. Juist bovenstrooms zijn voor RvdR de kribben verlaagd, en stroomt tijdens hoogwater veel meer water over de kribben (en minder door het zomerbed). Dit leidt enerzijds tot een forse aanzanding bovenstrooms van rkm 933, en anderzijds tot een forse erosie benedenstrooms door de abrupte overgang ter plaatse van de brug naar een versmalling zonder verlaagde kribben.

Figuur 5.9 Effect RvdR bij rkm 933, Zaltbommel (in meters)

(41)

• Op het traject tussen Zaltbommel en Avelingen (rkm 934 – 956) worden ook kribben verlaagd. In de eerste jaren is op dit traject nog sprake van een geringe sedimentatie ten opzichte van de referentiebodemligging. Echter, de onderbrekening van de kribverlaging tussen rkm 933-934 (bij de brug) zorgt voor een erosiegolf die al snel zorgt voor een relatieve bodemdaling. Dit kan worden afgeleid uit Figuur 5.11, waarbij voor iedere kilometerraai de ontwikkeling van het verschil in breedtegemiddelde bodemligging in de tijd is gepresenteerd.

Figuur 5.11 Staafdiagram voor het per kilometer gemiddeld verschil in bodemligging tussen RvdR en Referentie, in meter voor traject rkm 932 – 952 (nummers refereren naar RvdR locaties in Tabel 3.1).

• Ter hoogte van Avelingen, in de Boven Merwede, is sprake van een forse aanzanding in het eerste jaar. Uit eerdere simulaties met het DVR-instrumentarium (Sloff et al, 2013) voor dit traject bleek dat in dit Delft3D-domein (rekendomein Boven Merwede van rkm 952.95 to rkm 961.35) een relatief ‘instabiel’ gedrag van bankenpatronen in het zomerbed optreedt. De interactie met de omliggende bodem kan daardoor wat zijn overschat, waardoor de relatief grote veranderingen (zowel positive als negatieve verschillen met de referentiebodemligging) in werkelijkheid iets minder sterk kunnen zijn. Hierdoor kan geen uitsluitsel worden gegeven of de aanzanding in deze mate ook in werkelijkheid op zal treden.