Slibhoeveelheid in de Vliet tussen 11/02/02 en 29/03/02

(1)

Slibhoeveelheid in de Vliet tussen 11/02/02 en 29/03/02

Advies aan de afdeling Water, buitendienst Antwerpen IN.A.2002.153

Wouter De Weirdt, Marcel Voet, Pieter Cabus

1. Inleiding

De wachtkom van de Vliet-Molenbeek te Puurs werd in opdracht van de afdeling Water geruimd tussen 11 februari 2002 en 29 maart 2002. De ruiming gebeurde op basis van een globale prijs voor een vooraf ingeschatte hoeveelheid van 23000 m3_{slib. Figuur 1 geeft een} omgevingsplan weer van de wachtkom.

Figuur 1: Omgevingsplan wachtkom Molenbeek-Vliet te Puurs

Na de ruiming voerde de aannemer aan dat er zich ongeveer 4000 m3 slib zou hebben afgezet (de aannemer beweert dat er ongeveer 45cm slib was bijgekomen over een oppervlakte van 2/3 van de wachtkom) tijdens de ruimingsperiode.

(2)

2. Begroting aan de hand van retourperioden van piekafvoer

2.1. Algemeen

De sedimentlading is gelijk aan het volume water vermenigvuldigd met de concentratie aan opgeloste deeltjes.

Eerst werden de piekafvoervolumes van de Vliet berekend voor de onderzochte periode, daarna werd er een bovengrens gezocht voor de retourperiode van de afvoerpieken van de Vliet tijdens de onderzochte periode.

Aangezien er geen concentratiegegevens beschikbaar zijn voor de Vliet, werd er gezocht naar de gemiddelde concentraties per piekafvoer met een welbepaalde retourperiode voor het stroomgebied van de Maarkebeek. Daarnaast werd de verhouding berekend tussen de erosie-intensiteit van het stroomgebied van de Maarkebeek en de Vliet. Op die manier kan men een gemiddelde concentratie schatten voor een piekafvoer met een bepaalde retourperiode voor het stroomgebied van de Vliet.

De hoeveelheid sediment die achterblijft in de wachtkom is de sedimentlading vermenigvuldigd met de vangefficiëntie. De vangefficiëntie werd op een aantal manieren begroot.

Ten laatste werd de dichtheid van het slib in rekening gebracht om het geschatte slibvolume te berekenen.

2.2.Berekening en argumentatie

De debietgegevens voor de betreffende periode en voor de HIC stations 036 en 037 werden opgevraagd (met dank aan Emmanuel Cornet). Aangezien de wachtkom stroomafwaarts deze 2 stations ligt en op dat moment de kleine en grote Molenbeek reeds zijn samengevloeid werden de beide debietreeksen met elkaar opgeteld. Het stroomgebied dat de samengestelde debieten genereert bedraagt ongeveer 10000ha. Aangezien het stroomgebied ter hoogte van de wachtkom ongeveer 16000ha bedraagt werden de samengestelde debieten vermenigvuldigd met 1,6. De resulterende debietreeks wordt weergegeven in onderstaande figuur 3.

Geschatte debieten aan de wachtkom (Vliet-Molenbeek) te Puurs 0 2 4 6 8 10 12 10-02-02 20-02-02 2-03-02 12-03-02 22-03-02 1-04-02 Tijd Debiet (m 3 /s)

(3)

Daaruit blijkt dat er een vijftal grote afvoerevenementen optreden. Aangezien het overgrote deel van de sedimentafvoer gelijk loopt met deze afvoerpieken werden de afvoervolumes van de betreffende pieken bepaald. (t.t.z. de totale afgevoerde hoeveelheid water min de baseflow werd bepaald). Voor de eerste drie afvoerevenementen werd een baseflow van 3m3/s verondersteld, voor de laatste 2 afvoerevenementen een baseflow van 2m3/s. Op die manier werd begroot dat het afgevoerde volume water in deze piekperiodes ongeveer 10450000m3 bedraagt.

Analyse van de debietreeks van HIC station 036 gaf aan dat 2 pieken in de reeks van station 036 een retourperiode van 10 jaar hadden, de resterende pieken hadden allen een retourperiode kleiner dan 2 jaar (zie figuur 4 en tabel 1).

HIC debieten station 036

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 10-02-02 20-02-02 02-03-02 12-03-02 22-03-02 01-04-02 Tijd Debiet (m 3 /s)

Figuur 3: Debietreeks HIC station 036

Tabel 1 : Retourperiodes van debieten voor het station 036

Retourperiode

(jaar) 2 5 10 20 50 100

Debiet (m3_{/s) 2,056 2,641 3,028 3,400 3,880 4,240}

(4)

HIC debieten station 037 0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 5.000 10-02-02 20-02-02 02-03-02 12-03-02 22-03-02 01-04-02 Tijd Debiet (m 3 /s)

Figuur 4: Debietreeks HIC station 037

Tabel 2 : Retourperiodes van debieten voor het station 037

Retourperiode

(jaar) 2 5 10 20 50 100

Debiet (m3_{/s) 3,785 4,342 4,711 5,065 5,523 5,866}

De nauwkeurigheid van tabel 2 kan in twijfel getrokken worden. Daarom werd aan de hand van de toename van het piekdebiet (p.83 –86 Analyse van hoogwaterafvoeren deel 3a) nagegaan wat de herhalingstijd is voor hoogste debieten in de onderzochte periode. Het gemiddeld jaarmaximum (over de periode 1976-1989) voor het station 037 is 3,934m3/s. Voor alle pieken valt de verhouding Q/Qgem beneden de waarde voor een herhalingstijd van 5 jaar, dit zowel voor de G.E.V. verdeling (1,24) als voor de Gumbel verdeling (1.20).

Men kan stellen dat er zich in de onderzochte periode geen enkele afvoerpiek voordeed met een retourperiode groter dan 10 jaar.

Aangezien er geen concentratie- noch turbiditeitsgegevens beschikbaar zijn voor de Vliet-Molenbeek werd gebruik gemaakt van de concentratiegegevens van de Maarkebeek in Leupegem. Uit de tot op heden beschikbare gegevens (17 bemonsterde afvoergolven en 200 concentratiekoppels) werden deze afvoerpieken geselecteerd met een retourperiode tot 10 jaar. Aan de hand van de concentratie- en debietgegevens werd berekend dat de gemiddelde concentratie voor een afvoerpiek met een retourperiode tot 10 jaar voor de Maarkebeek te Leupegem 2,470g/L bedraagt.

De gemiddelde erosie-intensiteit in het stroomgebied van de Maarkebeek bedraagt 8,8ton/ha.j. De gemiddelde erosie-intensiteit in het stroomgebied ter hoogte van de wachtkom Molenbeek kan begroot worden op ongeveer 0,57 ton/ha.j. Het stroomgebied van de Vliet-Molenbeek genereert volgens de bodemerosiekaart 15,4 keer minder sediment dan het stroomgebied van de Maarkebeek. Men kan verwachten dat de gemiddelde concentratie aan opgeloste deeltjes voor de afvoerpieken met een retourperiode kleiner dan 10 jaar die verhouding weerspiegelt en ongeveer 2,470/15,4 of 0,160g/L bedraagt.

(5)

De sediment-vangefficiëntie voor deze wachtkom kan berekend worden via een empirische formule ontwikkeld door Brown.

          + − = A C D VE_s 0021 , 0 1 1 1 100

waarbij A de grootte van het stroomgebied is (km2), C de bergingscapaciteit (m3) en D een parameterwaarde. Voor sterk wisselende en kleine afvoer suggereerde Brown om D=1 te stellen, wat eigenlijk neerkomt op een maximale sediment-vangefficiëntie. Verder weten we dat A=160km2 en C=38000m3 (normaliter laat men de wachtkom vollopen tot 25000m3, in uiterste gevallen is er echter een bijkomende berging van 13000m3 mogelijk).

De vangefficiëntie volgens bovenstaande formule bedraagt dan ongeveer 32%. De vangefficiëntie is aan de lage kant omdat de bergingscapaciteit in verhouding tot het bijhorende stroomgebied klein is.

Voor wachtbekkens in Midden-België is vastgesteld dat de vangefficiëntie varieert tussen de 30 en 80%, met het merendeel van de waarden voor de grotere stroomgebieden (tot 5000ha) rond de 50%.

Daar het stroomgebied voor de wachtkom veel groter is (16000ha) en men een afname voor de vangefficiëntie kan verwachten (zeker indien de bergingscapaciteit van de kom klein is ten opzichte het stroomgebied) is het aannemelijk de maximale vangefficiëntie voor de wachtkom te begroten op 40%. De geschatte vangefficiëntie is aan de hoge kant. De wachtkom is geen echt wachtbekken of zandvang en er kan dus opwoeling en bijgevolg minder sedimentatie verwacht worden als gevolg van de werking van het pompstation. Verder is het wachtbekken klein t.o.v. de in- en uitgaande debieten wat er voor zorgt dat ook de verblijftijd relatief klein wat op zijn beurt zorgt voor een kleinere kans op sedimentatie.

(6)

3. Berekening via correlatie in de tijd

3.1.Principe

Voor de Vliet zijn er geen sedimentdebieten beschikbaar voor de periode van 11/02/2002 tot 29/03/2002. Het enige gegeven is een cijfer over de globale slibhoeveelheid over de periode 1987 – 2001 : een volume van 23 000 m³ volgens opmeting.

Voor de Maarkebeek te Leupegem zijn er sinds 1972 gegevens over waterdebieten aanwezig, en voor het jaar 2001 zijn er bovendien concentratiemetingen van sediment in de waterstroom. Zoals verder is aangegeven, is het met deze gegevens mogelijk een schatting te maken van de sedimentdebieten in de Maarkebeek voor de periode van 1987 tot 2001 (15 jaar) en voor de periode van 11/02/2002 tot 29/03/2002, en de verhouding van de sedimenthoeveelheden in deze 2 perioden te berekenen. Dezelfde verhouding wordt gebruikt bij de begroting van de slibhoeveelheid in de Vliet. Omdat de slibhoeveelheid over de periode van 15 jaar opgemeten is, kan men de slibhoeveelheid in de periode van 11/02/02 en 29/03/02 berekenen. Men stelt derhalve :

2001 → → → → 1987 maa2002 31 feb. 11 = 2001 1987 Maarkebeek acht Sedimentvr maa2002 31 feb. 11 Maarkebeek acht Sedimentvr Vliet ing Slibafzett Vliet ing Slibafzett

Fouten in de sedimentberekening op de Maarkebeek kunnen zonder gevolg blijven door het feit dat alleen de verhouding van sedimentvolumen in 2 perioden belangrijk is : de procentuele fout in beide perioden kan gelijk zijn indien de afvoergolven van beide perioden “analoog” zijn. De veronderstelling dat de afgezette hoeveelheid slib in beide perioden overeenkomstig de sedimentvrachten in de Maarkebeek verloopt, is een heel plausibele aanname, omdat de beide stroomgebieden in eenzelfde hydrologisch gebied (het hellend gebied van West- en Oost-Vlaanderen) liggen. Verder worden er geen veronderstellingen qua sedimentconcentraties in de Vliet of afzettingspercentages in de wachtkom aan het pompstation gemaakt.

De hoogwatergolven van februari en maart 2002 zijn in beide stations gelijklopend : de veronderstelling van evenredige sedimentaanvoeren in de bewuste periode is dus best aannemelijk.

Met de uurlijkse waarden van hoogten en debieten van station 347 (Maarkebeek te Leupegem) en met behulp van de sedimentkromme in bijlage, bekomt men de sedimenthoeveelheden van tabel 1. Perioden met ontbrekende waarden, zoals in 1997, zijn niet in de hoeveelheid opgenomen.

Hieruit leidt men af dat de slibafzetting in de Vliet van 11 februari tot 31 maart 2002 gelijk

zou zijn aan 1110

(7)

Tabel 3 : Berekende sedimentvrachten in de Maarkebeek

Jaar Totale vracht (ton) ton/ha/jaar 1987 18385 3.6 1988 21431 4.2 1989 5782 1.1 1990 5764 1.1 1991 11110 2.2 1992 20639 4.1 1993 36659 7.2 1994 26932 5.3 1995 32054 6.3 1996 9864 1.9 1997 2902 0.6 1998 28505 5.6 1999 45907 9.0 2000 33678 6.6 2001 29614 5.8 Totaal 1987-2001 329226 4.31 01/1/02-31/3/02 20324 11/2/02-31/3/02 15885

3.2. Sedimentkromme

Voor het opstellen van een verband tussen de sedimentconcentratie zou normaal een verband gezocht worden tussen de turbiditeit (continu gemeten waarde) en sedimentconcentraties, die op bepaalde ogenblikken genomen worden. Omdat de turbiditeitmetingen niet in voldoende aantal beschikbaar waren, is er niet naar een dergelijk verband gezocht. Bovendien had men een dergelijk verband niet kunnen toepassen op de historische reeks vanaf 1987. Er is derhalve een verband gezocht tussen de concentraties en een aantal parameters uit het hydrogram, nl.

de hoogte (H) en het debiet (Q) op het ogenblik van de monstername

de hoogte (H_60) en het debiet (Q_60) één tijdsinterval voorafgaand aan de monstername; in huidig geval is dit interval een tijdspanne van één uur

de plaatsbepaling op de hoogwatergolf : in de stijgende of dalende tak van het hydrogram (zoals bepaald uit het hoogteverschil in tijdstappen van één uur)

als afgeleide parameter de (absolute waarde van de) stijg- of daalsnelheid van de hoogte en het debiet (resp. DH60 en DQ60).

een tijdsbepaling in het jaar (WZ voor wochenzahl), waarbij 1 augustus gelijk nul gezet wordt en waarbij zowel voor vroegere als latere tijdstippen de weken gerekend worden vanaf 1augustus (en in absolute waarden veranderd).

(8)

Een regressie met alle data in één enkele vergelijking levert geen goede resultaten op, een splitsing in een stijgende en een dalende tak van het hydrogram betekent een reële verbetering. Uiteindelijk is er ook een verdere opdeling gebeurd in functie van de concentratie.

De regressie voor de stijgende tak is goed. Bij bv. 15-minuten waarden wordt vermoed dat de regressie nog beter zou zijn.

Het verband voor de stijgende tak is beter dan deze voor de dalende tak. De oorzaak hiervan wordt toegeschreven aan het feit dat de parameters uit een vorig tijdsinterval geen adequate informatie leveren over het verloop van het hydrogram : bij een tijdsinterval van één uur is het best mogelijk dat bij een bepaalde waarde in de dalende tak, de waarde één uur vroeger zich nog in het stijgende deel van het hydrogram bevindt. Eigenlijk zou vanaf de golfpiek moeten vertrokken worden. De regressie wordt dan verwacht een heel stuk beter te zijn, maar de toepassing op een tijdreeks van 15 jaar wordt dan moeilijker : men moet voorafgaandelijk hoogwatergolven en piekdebieten bepalen.

Gezien bij het beantwoorden van de vraag alleen de verhouding van de sedimentvrachten in 2 perioden van belang is, en er een redelijke kans is dat fouten in beide perioden procentueel even groot zijn en aldus elkaar opheffen, is de berekening op een eenvoudige manier doorgevoerd.

Hieronder zijn de regressies gegeven voor : de stijgende tak voor alle concentraties de concentraties tot 2 g/l op een stijgende tak

de concentraties hoger dan 2 g/l op een stijgende tak de dalende tak voor alle concentraties

de concentraties tot 2 g/l op een dalende tak

de concentraties tussen 2 en 7 g/l op een dalende tak de concentraties groter dan 7 g/l op een dalende tak

De vergelijkingen zijn berekend met de logarithmenwaarden van de veranderlijken. Alle gegevens in tabel 2 en 3 hebben betrekking op de logarithmenwaarden. De vergelijking in tabel 2 voor de stijgende tak van een hydrogram, en met alle beschikbare gegevens van concentraties moet dus gelezen worden als :

Log (concentratie) = - 4,685 – 0,200 log (WZ) + 5,921log (Q) – 6,295 log (H) + 0,582 log (H_60)

De andere vergelijkingen van tabel 2 en 3 zijn op een analoge manier te lezen.

(9)

Tabel 4 : Regressieresultaten voor de stijgende delen van het hydrogram

Vergelijking voor stijgende peilen, en alle concentraties

Bron Aantal vrijheidsgraden Som v.kwadraten Gemidd. kwadraat F-waarde

Regressie 4 15.7584 3.9396 155.217

Fout 70 1.7767 0.0254

Totaal 74 17.5351

RMSE 0.1593

R2 _0.89

Waarde Stand. afwijking Significantiedrempel

INTERCEPT -4.685 1.147 0.000

WZ -0.200 0.062 0.002

Q 5.921 1.187 0.000

H -6.295 1.503 0.000

H_60 0.582 0.112 0.000

Vergelijking voor stijgende peilen, en concentraties tot 2 g/l

2 3.7916 1.8958 80.8830

43 1.0079 0.0234

Totaal 45 4.7995

RMSE 0.1531

R2 _0.78

INTERCEPT -0.106 0.056 0.063

DH60 0.192 0.035 0.000

Q_60 0.802 0.098 0.000

Vergelijking voor stijgende peilen, en concentraties groter dan 2 g/l

4 1.5193 0.3798 62.1370

24 0.1467 0.0061

Totaal 28 1.6660

RMSE 0.0782

R2 _0.90

INTERCEPT -30.784 4.742 0.000

WZ -0.352 0.050 0.000

Q 32.598 4.912 0.000

H -43.557 6.766 0.000

(10)

0 5 10 15 20 geschatte concentr ati e ( g/l ) 0 5 10 15 20 gemeten concentratie (g/l) Stijgende deel hydrogram

Figuur 5 : Stijgende tak van het hydrogram, met alle concentraties

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 geschatte concentr ati e ( g/l ) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 gemeten concentratie (g/l) Stijgende deel hydrogram

concentraties tot 2 g/l

Figuur 6 : stijgende tak van het hydrogram voor concentraties tot 2 g/l

0 5 10 15 20 geschatte concentr ati e ( g/l ) 0 5 10 15 20 gemeten concentratie (g/l) Stijgende deel hydrogram

voor concentraties > 2 g/l

(11)

Tabel 5 : Regressieresultaten voor de dalende delen van het hydrogram

Vergelijking voor dalende peilen, en alle concentraties

Regressie 3 22.9357 7.6452 74.3080

Fout 109 11.2145 0.1029

Totaal 112 34.1501

RMSE 0.3208

R2 _0.66

INTERCEPT 0.583 0.108 0.000

WZ 0.154 0.079 0.052

DH60 0.209 0.069 0.003

H_60 0.909 0.133 0.000

Vergelijking voor dalende peilen, en concentraties tot 2 g/l

2 3.7916 1.8958 80.8830

43 1.0079 0.0234

Totaal 45 4.7995

RMSE 0.1531

R2 _0.78

INTERCEPT -0.106 0.056 0.063

DH60 0.192 0.035 0.000

Q_60 0.802 0.098 0.000

Vergelijking voor stijgende peilen, en concentraties tussen 2 en 7 g/l

2 10.2443 5.1221 257.6940

27 0.5367 0.0199

Totaal 29 10.7810

RMSE 0.141

R2 _(0.94)

WZ 0.247 0.057 0.000

Q 0.383 0.108 0.002

Vergelijking voor stijgende peilen, en concentraties groter dan 7 g/l

Bron Aantal vrijheidsgrad Som v.kwadraten Gemidd. F-waarde

2 0.0565 0.0282 2.2400

4 0.0504 0.0126

Totaal 6 0.1069

RMSE 0.1123

R2 _0.30

INTERCEPT 0.744 0.134 0.005

WZ 0.169 0.100 0.166

(12)

0 2 4 6 8 geschatte concentr a tie ( g /l) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 gemeten concentratie (g/l) 10/06 06/0708/0819/0201/07 25/0712/1023/0223/0223/0210/06 23/0206/0703/0116/0308/08 16/03 23/0419/02 26/0129/0107/1009/1112/0125/0314/0322/1115/0221/0427/11 11/0127/0102/01 18/03 24/01 22/11 13/02 26/02 23/01 13/03 23/07 07/10 09/11 18/04 05/0204/02 30/11 13/02_25/11 08/08 22/11 08/11 24/01 01/01 11/01 23/01 27/01 07/10 23/01 23/07 03/02 23/03_06/02 29/11 19/03 13/02 07/10 04/02 08/11 18/03 23/01 11/01 01/01 22/01 03/02 04/02 19/03 08/11 13/02 23/07 01/01 11/01 24/01 23/07 22/01 05/01 29/11 19/03 22/01 01/01 22/11 13/02 05/01 29/03 06/10 11/01 03/02 19/03 23/07 22/01 05/01 23/07 19/03 13/02 01/01 13/02 23/07 11/01 18/03 22/01 18/03 29/03 18/03

Dalende deel hydrogram

Figuur 8 : Dalende tak van het hydrogram, voor alle concentraties

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 geschatte concentratie (g/l) 0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2 gemeten concentratie (g/l) 10/06 06/07 08/0819/02 01/07 25/0712/10 10/06 23/02 23/0223/02 23/02 08/08 06/07 16/03 _03/01 16/0323/0419/0229/01 12/01 26/01 07/10 22/11 09/11 25/03 27/11 15/02 21/04 14/03 11/01 27/01 _02/01 22/11 26/02 23/01 23/07 07/10 09/11 18/04 05/02 04/02 30/11 13/0225/11 08/08 08/11 11/01 07/10 23/01 23/07 03/02 23/03 _06/02 29/11 19/03 13/02 04/02 08/11 18/03 23/01 11/01 08/11 13/02 23/07 23/07 29/11 22/11 13/02 23/07 23/07

Dalende deel hydrogram concentraties tot 2 g/l

(13)

2 3 4 5 6 7 geschatte concentratie (g/l) 2 3 4 5 6 7 gemeten concentratie (g/l) 18/03 13/02_13/0322/11 01/01 _23/01 _27/01 07/10 01/01 22/01 04/02 19/03 01/01 11/01 22/01 19/03 22/01 29/03 06/10 11/01 03/02 19/03 19/03 13/02 11/01 18/03 18/03 29/03 18/03 Dalende deel hydrogram

concentratie tussen 2 en 7 g/l

Figuur 10 : Dalende tak van het hydrogram, en concentraties tussen 2 en 7 g/l

6 8 10 12 14 16 geschatte concentratie (g/l) 6 8 10 12 14 16 gemeten concentratie (g/l) 03/02 01/01 22/01 01/01 13/02 23/07 22/01

Dalende deel hydrogram concentratie > 7 g/l

(14)

Figuur 12 : Limnigraaf Maarkebeek van 1/1/02 tot 31/3/02

Figuur 13 : Berekende sediment debieten Maarkebeek

(15)

Tabel 6: ijkinggegevens

Tabel 6 : ijkinggegevens

Datum uur wz Conc _(g/l) _(m)H _(m³/s)Q H_60 _(m) _(m³/s)Q_60 DH_60 _(m) DQ_60 _(m³/s) s / d

(16)

Tabel 6 : ijkinggegevens (vervolg)

(17)

(18)

(19)

4. Conclusies

Er is geen twijfel over dat de periode februari-maart 2002 een aanzienlijke afvoer betekende van zowel waterdebieten als slibhoeveelheden.

In een eerste benadering wordt aan de hand van de afvoerreeks de retourperioden van de piekevents bepaald. Het is immers in deze piekevents dat de voornaamste slibafvoer gebeurd. De retourperioden van events in de Maarkebeek werden gebruikt als referentie voor de koppeling van retourperiode aan afgevoerd slib. Uiteindelijk werd met behulp van de berekende vangefficiëntie van de wachtkom een slibhoeveelheid geraamd voor de beschouwde periode. Deze hoeveelheid bedraagt 500 à 700 m³ slib.

De tweede benadering vertrekt vanuit de aanname dat de verhouding van afgevoerd/gevangen sediment gedurende 14 jaar ten opzichte van afgevoerd/gevangen sediment gedurende de beschouwde periode gelijk zal zijn voor de Vliet en de Maarkebeek. Beide stroomgebieden liggen immers binnen een hydrologisch gelijkaardig gebied. Aan de hand van de berekende sedimentkromme voor de Maarkebeek en de gekende sedimentvang gedurende 14 jaar op de Vliet kan de sedimentvang in de beschouwde periode berekend worden. Men bekomt een sedimentvang van ongeveer 1100 m³.