Variatie korrelgrootte van sediment in nevengeulen
Casus nevengeulen Gamerense waard
Auteur: S.G. Westerhof Datum: 30 juni 2017 Status: DEFINITIEF
Bijlage: Databestand met ruwe korrelgroottedata
RWS INFORMATIE -
Colofon
Uitgevoerd door Sam Westerhof
Datum 30 juni 2017
Status DEFINITIEF
Versienummer 1
Voorwoord
Voor u ligt het Bachelor afstudeerrapport “Variatie korrelgrootte van sediment in nevengeulen: Casus nevengeulen Gamerense waard”. Dit afstudeerrapport is geschreven in het kader van de afronding van mijn Bachelor Civiele techniek aan de Universiteit Twente te Enschede. Tijdens dit onderzoek was Rijkswaterstaat Oost- Nederland de begeleidende en opdrachtgevende partij. Het onderzoek heeft plaatsgevonden in de periode april tot en met juni 2017.
Gedurende het onderzoek heb ik veel hulp gehad van een aantal mensen. In de eerste plaats mijn begeleidster vanuit Rijkswaterstaat, Susanne Quartel. Zij heeft zowel in de praktische fase van het onderzoek - het verzamelen van bodemmonsters - als in de analytische fase van het onderzoek veel geholpen met haar kennis van riviermorfologie, waar ik haar zeer dankbaar voor ben. Daarnaast wil ik mijn begeleider vanuit de Universiteit Twente bedanken, Pepijn van Denderen. Wanneer ik vagen had stond hij altijd klaar en hij heeft meerdere malen feedback heeft gegeven op de voortgang.
Daarnaast heeft hij veel geholpen bij de dataverzameling in dit onderzoek.
Daarnaast wil ik de collega’s bij Rijkswaterstaat Oost-Nederland bedanken voor hun hulp bij en interesse in dit onderzoek; in het bijzonder Adri Wagener van de meetdienst van Rijkswaterstaat in Arnhem. Hij heeft veel geholpen bij het verstrekken van middelen en meetapparatuur die bij de dataverzameling in dit onderzoek onmisbaar waren.
Tijdens dit onderzoek, dat zich afspeelt in het riviermorfologisch vakgebied, heb ik veel geleerd over het transport van sediment in nevengeulen en de vele processen die hierbij een rol spelen. Daarnaast heb ik tijdens dit onderzoek ervaren hoe het is om bij een overheidsorganisatie te werken en gezien hoe dit verschilt van werken bij een universiteit.
Ik wens u veel leesplezier toe.
Sam Westerhof
Enschede, 30 juni 2017
Samenvatting
De afgelopen jaren zijn er langs de Nederlandse rivieren verschillende nevengeulen aangelegd. Het voorspellen van de sedimentbewegingen in nevengeulen blijkt vaak ingewikkeld en moet daarom extra worden onderzocht. Sedimenttransport in- en om nevengeulen hangt sterk af van verschillende morfologische processen en eigenschappen van een nevengeul die allemaal hun eigen invloed uitoefenen. Het doel tijdens dit onderzoek was om inzicht te krijgen in de complexe invloed die deze processen en eigenschappen hebben op het sedimenttransport in nevengeulen. Om dit te bereiken is in dit onderzoek de ruimtelijke variatie onderzocht van korrelgroottes uit de bovenste laag van de bodem in nevengeulen. Hiervoor zijn veldmetingen gedaan in drie nevengeulen in de Gamerense uiterwaard.
Aan de hand van wat bekend is vanuit de literatuur over de invloed van relevante processen en eigenschappen, zijn er op 92 locaties in- en om de nevengeulen monsters genomen van de bovenlaag van de bodem. Uit dit verzamelde bodemmateriaal is met een zeefanalyse korrelgroottedata verzameld. Samen met verschillende andere datasets is de korrelgroottedata geanalyseerd om de invloed van de verschillende processen en eigenschappen voor de verspreiding van sediment in de Gamerense nevengeulen te achterhalen. De variatie van de korrelgroottes van de bodem in het gebied blijkt groot te zijn. De mediane korrelgroottediameter varieert over het gebied tussen waarden kleiner dan 0,063 mm en waarden boven 2,00 mm. Morfologische processen blijken soms zeer lokaal te spelen en kunnen zo over korte afstanden grote verschillen veroorzaken. In de Grote geul blijken met name het sterk variërende geulprofiel sterke invloed te hebben op de aangetroffen korrelgroottevariaties. Versmallingen zorgen hier voor lokale stroomversnellingen, waardoor erosie optreedt en het oorspronkelijke bodemmateriaal aan de oppervlakte ligt. Waar de stroomsnelheden afnemen is te zien dat de korrelgroottediameters ook afnemen. In de Oostgeul is het positieve verhang van de bodem en de hoge bodemhoogteligging verantwoordelijk voor het relatief fijne sediment dat hier ligt en het patroon van verfijning naar het midden van de geul. In de Westgeul is spiraalstroming als gevolg van het bochtige geulprofiel verantwoordelijk voor de sterke sedimentatie in de binnenbocht en erosie in de buitenbocht. Het dwarsverhang dat hierdoor ontstaat zorgt ook voor grovere korrelgroottes in de buitenbocht dan in de binnenbocht. Daarnaast blijkt de drempel voor de Westgeul te zorgen voor een erosiegat achter de drempel bij hoge afvoeren. Tijdens lage afvoeren wordt dit erosiegat weer langzaam opgevuld door sediment.
De korrelgroottedata uit de nevengeulen is ook vergeleken met sediment-transportdata uit de Waal. Hieruit blijkt dat het sediment in de geulen veelal bestaat uit het suspensief transport in de Waal en veel minder uit het bodemtransport. Dit duidt op de aanwezigheid van spiraalstroming in de Waalbocht waar de geulen aan liggen en op sterke toename van de bodemhoogte in het kribvak. Andere processen als bijvoorbeeld het Bulle-effect lijken een minder grote rol te spelen.
Inhoud
Voorwoord 5 Samenvatting 6
1 Introductie onderzoek 9 1.1 Aanleiding voor het onderzoek 9 1.2 Probleemanalyse 9
1.3 Doel van het onderzoek 10 1.4 Onderzoeksvragen 10 1.5 Methodologie 10
1.6 Scope van het onderzoek 11 1.7 Leeswijzer 11
2 Achtergrondinformatie morfologische processen bij nevengeulen 12 2.1 Algemeen sedimenttransport en transportcapaciteit 12
2.2 Het Bulle effect 12
2.3 Spiraalstroming bij rivierbochten 13 2.4 Dwarshellingen bij splitsingspunten 14 2.5 Neervorming 14
2.6 Drempels voor de nevengeul 14
2.7 Uiterwaardstroming en oriëntatie nevengeul 15 2.8 De aanwezigheid van kribvakken 16
3 Systeembeschrijving studiegebied Gameren 17 3.1 Beschikbare data van in- en om het studiegebied 18 3.1.1 Bodemhoogtedata 18
3.1.2 Stromingsdata 18 3.1.3 Ondergronddata 19
3.1.4 Sedimenttransport in de Waal 19 3.1.5 Korrelgroottedata studiegebied 20
3.2 Koppeling tussen morfologische processen en het studiegebied 21
4 Dataverzamelingsmethodiek 23 4.1 Monsterlocaties 23
4.1.1 Interessegebieden 23 4.1.2 Conclusie meetlocaties 25 4.2 Monsternamemethodiek 26 4.2.1 Methodevalidatie 27
4.3 Methode monsterverwerking 27 4.3.1 Methodevalidatie 28
5 Resultaten en analyse variatie van bodemmateriaal in de Gamerense nevengeulen 29
5.1 Inleiding resultaten korrelgrootteanalyse 29 5.2 Resultaten oeverboringen 30
5.3 Morfologische dynamiek in de Gamerense nevengeulen 31 5.3.1 Grote geul Gameren 33
5.3.2 Oostgeul Gameren 36 5.3.3 Westgeul Gameren 37 5.3.4 Kribvakken 40
5.4 Vergelijking sedimentatie nevengeulen met sedimenttransport in de Waal 41 5.5 Vergelijking met data uit eerder onderzoek 44
5.6 Onzekerheidsinschatting korrelgroottedata 45
6 Discussie 47
7 Conclusie 49
7.1 Conclusie nevengeulen Gamerense waard 49 7.2 Koppeling met nevengeulen in het algemeen 50
8 Aanbevelingen 51
8.1 Aanbevelingen voor verder onderzoek 51
8.2 Aanbevelingen voor het beheer van nevengeulen 52
Bibliografie 53
Bijlage A : Bodemhoogtedata in figuurvorm 55
Bijlage B Verschilkaarten bodemhoogte 2001, 2009 en 2017 62 Bijlage C Stroomsnelheden bij de monsterlocaties 65
Bijlage D Ondergrondgegevens DINO loket 68
Bijlage E : Specifieke interessegebieden op basis van morfologische processen en ontwerpinvloeden 72
Bijlage F : Observaties en opmerkingen tijdens veldmetingen en zeefanalyse 73 Bijlage G : Toelichting bij keuze diepere boorlocaties 75
Bijlage H : Tabellen met D-waarden 76
Bijlage I : Aanvullende grafieken korrelgrootteverdelingen 82 I.1 Grote geul 82
I.2 Oostgeul 83
I.3 Westgeul 84
I.4 Kribvakken 88
Bijlage J : Korrelgroottedata oeverboringen 90
Bijlage K : : Gemeten bodemhoogtes in 2001,2009,2015 en 2017 92
1 Introductie onderzoek
1.1 Aanleiding voor het onderzoek
In de afgelopen decennia zijn er verschillende nevengeulen aangelegd in het Nederlandse riviernetwerk als onderdeel van het nieuwe ”ruimte voor de rivier” beleid. Dit beleid is in de jaren 90 ontwikkeld als antwoord op de hoge rivierafvoeren die zich toen voordeden. Als gevolg hiervan besloot de Nederlandse overheid om de overstromingskansen langs de Nederlandse rivieren te verlagen bij hoge rivierafvoeren. Nevengeulen kunnen hierbij helpen door de afvoercapaciteit van de rivier te verhogen. Ter plaatse van een nevengeul is het totale doorstroomoppervlak van de rivier namelijk groter dan bij eenzelfde situatie zonder nevengeul, waardoor er meer ruimte is voor de rivier. Een tweede voordeel van nevengeulen is dat ze kunnen bijdragen aan de verbetering van de ecologische kwaliteit van de rivier (Schoor et. al., 2011). In de vorige eeuw zijn de Nederlandse rivieren genormaliseerd om de scheepvaartcondities op de rivieren te verbeteren en de afvoercapaciteit te vergroten (Schoor et al., 2011). Dit heeft ertoe geleid dat de kwaliteit van de natuur in de Nederlandse rivieren sterk achteruit is gegaan. Nevengeulen kunnen de ecologische kwaliteit van de Nederlandse rivieren verbeteren en kunnen bijdragen aan de biodiversiteit. Waar in de hoofdgeul geen ruimte is voor de natuurlijke erosie- en sedimentatieprocessen, is die er in nevengeulen juist wel (Schoor et. al., 2011). In nevengeulen is meer ruimte voor de ontwikkeling van flora en fauna en is er minder continue regulering van morfologische processen.
Dit brengt ons bij het onderwerp van dit onderzoek. Het feit dat deze processen in nevengeulen minder worden gereguleerd dan in de hoofdgeulen, maakt monitoring van de morfologische processen belangrijk om te zien hoe de geulen zich in de tijd ontwikkelen. Ook is onderhoud aan de geulen, zoals baggerwerkzaamheden, van tijd tot tijd noodzakelijk als gevolg van sedimentatieprocessen in nevengeulen. In dit onderzoek staan de morfologische processen in en nabij nevengeulen centraal en in het bijzonder de variatie van korrelgroottes van sediment in nevengeulen die door deze processen ontstaan. Er is gekeken naar welke processen en kenmerken hierbij een rol spelen en hoe deze in een bestaande nevengeul de morfologische dynamiek beïnvloeden, door het analyseren van bodemmonsters uit een bestaand nevengeulennetwerk langs de Waal.
1.2 Probleemanalyse
Bij het sedimenttransport en specifiek de verspreiding van verschillende sedimentfracties in nevengeulen spelen veel verschillende processen en eigenschappen van de geul en de aanliggende rivier een rol. Sommige van deze processen en eigenschappen zijn vrij goed te monitoren, zoals bijvoorbeeld het doorstroomprofiel van een geul, terwijl andere lastiger te volgen zijn. Dit zorgt ervoor dat het voorspellen van sedimentbewegingen bij nevengeulen vaak lastig is. Zo zijn er bijvoorbeeld experts die stellen dat de meeste nevengeulen niet langer dan 15 jaar openblijven als gevolg van enerzijds opvulling met sediment over de gehele lengte van een nevengeul wanneer deze ondiep is, of anderzijds door het ontstaan van een zand-ophopingen bij de ingang van diepere nevengeulen (Mosselman, 2001). Wanneer wordt gekeken naar de huidige stand van zaken bij Nederlandse nevengeulen blijkt dat deze voorspelling niet opgaat. Uit een rapport van Deltares uit 2011 blijkt bijvoorbeeld dat een nevengeul bij Gameren al 15 jaar meestroomt en nog steeds open is. (Geerling & Van Kouwen, 2011). Dit laat zien dat de precieze invloed van verschillende morfologische processen in nevengeulen gecompliceerd is en extra aandacht verdient.
Een analyse van de variatie van korrelgroottes in en om nevengeulen kan een eerste inzicht geven in de werking van deze processen, omdat de variatie van korrelgroottes door deze processen kan worden beïnvloed. Daarom is het relevant om onderzoek te doen naar de variatie van bodemkorrelgroottes bij nevengeulen. Dit onderzoek geeft een analyse van deze variatie aan de hand van een Nederlands nevengeulennetwerk als casus.
1.3 Doel van het onderzoek
Het doel bij dit onderzoek dat uit de probleemanalyse voortkomt is toegespitst op het studiegebied waar dit onderzoek om draait: Nevengeulennetwerk Gameren. Het hoofddoel van dit onderzoek is daarom als volgt:
Het bepalen van de korrelgroottevariatie van de bodem in de nevengeulen in de Gamerense waard en inzicht krijgen in de manier waarop morfologische processen in de
Gamerense nevengeulen deze variatie beïnvloeden
Het doel is dus tweeledig. Enerzijds is het doel om de korrelvariatie in kaart te brengen, maar daarbij ook om beter te begrijpen hoe de achterliggende processen werken in dit gebied die de variatie beïnvloeden.
1.4 Onderzoeksvragen
Om uiteindelijk dit doel te bereiken staan er gedurende dit onderzoek verschillende onderzoeksvragen centraal. Als eerste kan de volgende hoofdvraag bij dit onderzoek worden geformuleerd:
Welke variatie in korrelgrootteverdeling bestaat er op de bodem van de Gamerense nevengeulen en hoe wordt deze variatie beïnvloedt door verschillende morfologische processen?
Om op deze brede vraag goed antwoord te kunnen geven is dit onderzoek onderverdeeld in vijf deelvragen:
1. Welke processen en eigenschappen beïnvloeden de verspreiding en karakteristieken van sediment in en nabij nevengeulen in het algemeen en op welke manier spelen deze een rol bij de Gamerense nevengeulen?
2. Welke locaties in de Gamerense nevengeulen moeten worden onderzocht om iets te kunnen vertellen over de bodemsamenstelling in de nevengeulen?
3. Wat is de samenstelling van de Gamerense nevengeulen voor wat betreft de korrelgrootteverdeling van de bodem?
4. Welke verschillen zijn er in de variatie van korrelgroottes tussen verschillende locaties in de nevengeulen en hoe kunnen deze verschillen verklaard worden?
5. In welke mate komt de samenstelling van het sediment uit de nevengeulen overeen met sediment uit de hoofdgeul van de Waal?
1.5 Methodologie
Om de deelvragen te beantwoorden zijn er verschillende methodes gebruikt. Deze worden hieronder verder toegelicht.
Deelvraag 1:
Om een goed beeld te krijgen van welke processen en eigenschappen van nevengeulen het sedimentatieproces beïnvloeden, is met behulp van literatuur gezocht naar de relevante processen en eigenschappen. Er zijn verschillende rapporten onderzocht waarin deze processen worden behandeld, en aan de hand van de kenmerken van de Gamerense nevengeulen zijn interesselocaties waar deze processen wellicht een rol spelen bepaald.
Deelvraag 2:
Om te komen tot de set locaties waar bodemmateriaal is verzameld, zijn twee kenmerken van de nevengeulen onderzocht die veel vertellen over de morfologische dynamiek in de geulen. Deze twee kenmerken zijn de bodemhoogteligging in het gebied en stroomsnelheidsdata, waarbij is gekeken naar verschillende scenario’s en veranderingen over de tijd. De processen en eigenschappen die voortkomen uit deelvraag 1 zijn hierbij meegenomen. Het daadwerkelijk vaststellen van de meetlocaties is gedaan in samenspraak met twee riviermorfologisch experts.
Deelvraag 3:
Voor het krijgen van een beeld van hoe de korrelgroottes van de monsters variëren op de verschillende meetlocaties zijn op deze locaties bodemmonsters genomen. Met een zeefanalyse zijn de bodemmonsters vervolgens omgezet in korrelgroottedata per locatie. Deze data geeft zo een beeld van de korrelgrootteverdeling in de Gamerense nevengeulen.
Deelvraag 4:
Voor de analyse van de verkregen data is gekeken naar verschillen binnen de nevengeulen in de verspreiding van korrelgroottes. Door de verschillende eigenschappen van de meetlocaties in de geulen (variërende bodemhoogte, stroomsnelheid en oorspronkelijk bodemtype) is het waarschijnlijk dat er verschillen zijn in de aanwezigheid van diverse korrelgroottes tussen de locaties in de geulen.
Deze verschillen kunnen veel vertellen over de effecten van verschillende kenmerken van de geulen en de effecten van de morfologische processen. Aan de hand van de verschillende beschikbare data zijn verbanden en patronen kwalitatief onderzocht en beschreven.
Deelvraag 5:
Als onderdeel van de analyse van de data uit de nevengeulen is ook gekeken naar hoe het gevonden sediment in de geulen zich verhoudt tot het sediment dat zich in de naastgelegen Waal bevindt. Dit leert meer over hoe sommige processen de verdeling van sediment tussen de Waal en de nevengeulen beïnvloeden. Bij dit onderdeel zijn twee bronnen gebruikt met data van het sedimenttransport in de Waal.
Beantwoording hoofdvraag:
Aan de hand van de gevonden korrelgrootteverdelingen van de bodem in- en om de nevengeulen en de andere gebruikte datasets, is een kwalitatieve inschatting gemaakt van de effecten van de verschillende morfologische processen en eigenschappen van de Gamerense nevengeulen. Vanwege de complexiteit en samenhang van verschillende processen is een kwantitatieve inschatting van de effecten van de verschillende processen in dit onderzoek niet meegenomen.
1.6 Scope van het onderzoek
De scope van dit onderzoek bestaat uit twee hoofdcomponenten. Het eerste is een veldexperiment in het nevengeulennetwerk in de Gamerense uiterwaard. Dit veldexperiment is ontwikkeld, uitgevoerd en geëvalueerd. Bij dit veldexperiment bestaat het studiegebied uit de Gamerense uiterwaard en de hieraan grenzende kribvakken. De tweede component is de data-analyse van het veldexperiment, gecombineerd met de theoretische achtergrond van sedimenttransportprocessen.
De verzamelde data uit dit onderzoek is samen met vier andere relevante datatypes geanalyseerd.
1.7 Leeswijzer
Dit rapport is opgebouwd rondom de vragen die in dit rapport worden beantwoord. In Hoofdstuk 2 wordt eerst ingegaan op achtergrondinformatie bij de morfologische processen die een rol kunnen spelen bij het sedimenttransport in- en om nevengeulen. In Hoofdstuk 3 wordt vervolgens een beschrijving van het studiegebied gegeven, waarbij ook de externe data die in dit onderzoek is gebruikt aan bod komt. In Hoofdstuk 4 is de methodiek toegelicht die is gebruikt voor de verzameling van korrelgroottedata in dit onderzoek. In Hoofdstuk 5 komen de resultaten uit de dataverzameling aan bod en zullen alle verschillende datasets bij dit onderzoek worden geanalyseerd om de variatie van korrelgroottes in dit gebied te verklaren. In Hoofdstuk 6 volgt een discussie bij dit onderzoek en in Hoofdstuk 7 de conclusie bij dit onderzoek gegeven. Tot slot worden in Hoofdstuk 8 enkele aanbevelingen gedaan voor verder onderzoek en het beheer van nevengeulen.
2 Achtergrondinformatie morfologische processen bij nevengeulen
In dit hoofdstuk komen een aantal morfologische processen aan bod die een rol spelen bij de verspreiding van bodemmateriaal in nevengeulen om antwoord te kunnen geven op de eerste deelvraag. Hierbij komen zowel puur natuurlijke processen aan bod als ontwerpparameters die de natuurlijke morfologische processen beïnvloeden. De werking en invloed van deze processen en parameters zal kort worden behandeld zodat later de koppeling met de nevengeulen in het studiegebied gemaakt kan worden.
2.1 Algemeen sedimenttransport en transportcapaciteit
Het eerste en meest elementaire principe dat de verspreiding van sediment en korrelgroottes beïnvloedt is het algemene sedimenttransport principe. Wanneer een korrel zich op de bodem van een rivier bevindt, staat deze onder invloed van een aantal verschillende krachten die bepalen of de korrel in beweging komt of niet. Dit zijn de zwaartekracht, de krachten uitgeoefend door het stromende water en de krachten uitgeoefend door het omliggende sediment (Klop, 2009). Wanneer een korrel de tegenwerkende krachten (wrijvingskrachten afkomstig van de omliggende korrels en afhankelijk van de situatie ook de zwaartekracht) overwint, gaat deze bewegen. Vervolgens kan het bewegende sediment worden onderverdeeld in bodemtransport en suspensief transport.
Bodemtransport bestaat vooral uit grover sediment dat zich langs de bodem van de rivier voortdurend rollend voortbeweegt en afwisselend wel en niet de tegenwerkende krachten overwint.
Suspensief transport bestaat uit fijner sediment dat zich constant al zwevende in het rivierwater voortbeweegt. Voor de transportcapaciteit van een nevengeul is dus de stroomsnelheid erg belangrijk. Wanneer water een nevengeul instroomt neemt de transportcapaciteit af en is de snelheid van het stromende water van invloed op de aard van het neerdalende materiaal. Bij hogere stroomsnelheden zullen over het algemeen grotere, zwaardere korrels neerdalen. Dit komt doordat bij hogere stroomsnelheden het omslagpunt waarbij de tegenwerkende krachten worden overwonnen door de voortbewegende krachten ligt bij grotere korrels. Bij lagere stroomsnelheden ligt dit omslagpunt al bij kleinere korreldiameters en zullen ook kleinere korrels worden afgezet.
De stroomsnelheid in een nevengeul kan met behulp van de krachtenbalans en massabalans worden bepaald (Klop, 2009):
Krachtenbalans: 𝑢𝑖 = 𝐶𝑖∗ √ℎ𝑖∗ 𝑖𝑏𝑖 Massabalans: 𝑢𝑖 = 𝑄𝑖
𝐵𝑖∗ℎ𝑖 Waarin:
ui = stroomsnelheid [m/s]
Ci = Chézy coëfficiënt [m1/2/s]
hi = waterdiepte geul [m]
ibi = verhang [-]
Qi = debiet [m3/s]
Bi = Breedte geul [m]
Hieruit volgt dat het verhang, het dwarsprofiel, de bodemruwheid en het debiet van een geul invloed hebben op de stroomsnelheid en dus de korrelgrootte van sediment in een nevengeul. Deze parameters hebben via de samenhangende stroomsnelheid dus ook invloed op of- en welke korrelgrootte er wordt gesedimenteerd in de geul volgens het krachtenspel dat werkt op een korrel.
Bij hogere stroomsnelheden onttrekt een geul in principe ook meer water aan de hoofdgeul. Zonder rekening te houden met andere factoren stroomt er dan ook meer sediment mee de geul in.
2.2 Het Bulle effect
Het Bulle effect is een verschijnsel dat zich voordoet bij splitsingspunten in rivieren en wordt uitgebreid beschreven in De Heer (2003). Het Bulle-effect kan worden verklaard door te kijken naar de krachten die een rol spelen bij rivierwater dat aankomt bij een riviersplitsing. Om te beginnen is het belangrijk dat een aftakking gezien kan worden als een bocht waar het rivierwater naartoe kan stromen. Als gevolg van de traagheid van de grote watermassa, heeft het water de neiging om de richting die het had aan te houden en rechtdoor te stromen.
Deze neiging om rechtdoor te gaan, de middelpuntvliedende kracht, hangt naast de watermassa ook af van de straal van de “bocht” en van de stroomsnelheid van het water, volgens:
𝐹𝑚𝑣= (𝑀 ∗ 𝑢2)/𝑅
Waarin:
Fmv = Middelpuntvliedende kracht [N]
M = Watermassa [kg]
U = stroomsnelheid [m/s]
R = bochtstraal [m]
De stroomsnelheid van het water is niet over de hele waterdiepte hetzelfde. Onder invloed van wrijvingskrachten ligt de stroomsnelheid aan de bodem van de rivier altijd lager dan verder bovenin de waterkolom. Dit gegeven in combinatie met het feit dat de straal van een bocht kleiner is in de binnenbocht van de rivier dan langs de buitenbocht, zorgt ervoor dat in zowel de dwarsrichting als de diepterichting een verschil in middelpuntvliedende kracht ontstaat. Hierdoor wordt het rivierwater naar de buitenkant van de “bocht” in de rivier geduwd én omhooggestuwd. Vervolgens zorgt de zwaartekracht, die ook op de watermassa werkt, ervoor dat het water in de buitenbocht naar beneden wordt gedrukt om het verhang van de waterspiegel in de dwarsrichting tegen te gaan. Deze twee krachten samen zorgen ervoor dat er een circulatiestroming in de dwarsrichting van de rivier ontstaat, die aan de bodem het water richting de binnenkant van de “bocht” laat stromen en aan het wateroppervlak het water richting de buitenkant laat stromen. In combinatie met de stromingsrichting van de rivier ontstaat zo een spiraalvormige stroming in de rivier. In Figuur 1 zijn deze stromingen en de verantwoordelijke krachten in beeld gebracht. Aangezien gemiddeld gezien het sediment dichter bij de bodem van de rivier een grotere korreldiameter heeft dan het sediment bij het wateroppervlak (Wolters et. al. 2001), zal er dus naar verhouding veel sediment met een grotere diameter en relatief weinig sediment met een kleinere diameter naar de aftakking gaan. Aan de hand van het Bulle-effect is ook het effect van de bifurcatiehoek (de hoek waaronder de aftakking de hoofdgeul verlaat) op de nevengeulmorfologie en korrelgrootteverdeling te verklaren. Bij kleinere bifurcatiehoeken neemt de sterkte van het Bulle-effect namelijk af doordat de spiraalstroming zich minder sterk kan ontwikkelen en er dus ook minder sortering van korrelgroottes plaatsvindt naar de twee geulen. Bij grotere bifurcatiehoeken is het Bulle-effect juist sterker en vindt er dus meer sortering plaats.
2.3 Spiraalstroming bij rivierbochten Als gevolg van dezelfde krachten die bij het Bulle-effect een rol spelen, hebben reguliere bochten in rivieren ook invloed op de verspreiding van verschillende korrelgroottes van sediment. Net als bij de splitsingen in rivieren (welke in principe als bocht kunnen worden gezien) hebben ook bochten in rivieren volgens dezelfde principes als effect dat er een spiraalstroming ontstaat in de rivier. In Figuur 1 zijn de verantwoordelijke stromingen schematisch te zien.
Hierdoor wordt sedimentrijker water langs de bodem richting de binnenbocht getransporteerd en water dat minder rijk is aan sediment langs de waterspiegel richting de buitenbocht (Klop, 2009). Hierdoor is de positie van de aftakking van een rivier van invloed op enerzijds de hoeveelheid sediment die naar binnen
beweegt en tegelijk ook de kenmerkende korreldiameter van het sediment. Wanneer de ingang van de aftakking langs de binnenbocht van een rivier ligt zal er dus meer sediment (sediment uit de onderste waterlagen) de aftakking ingaan en omgekeerd zal een ingang langs de buitenbocht resulteren in minder sediment aangezien dan sediment uit de bovenste waterlagen de aftakking instroomt waarin vooral suspensief transport aanwezig is (Klop, 2009). Uit Wolters et. al. (2001) bleek dat de gemiddelde korrelgrootte in de bovenste waterlagen kleiner is dan in de onderste waterlagen, waardoor bij aftakkingen langs de buitenbocht het instromend sediment ook fijner is dan bij aftakkingen langs de buitenbocht. Ook de positie van de ingang in de lengterichting is van belang, aangezien het ontwikkelen van de spiraalstroming gebeurt naarmate de bocht voortschrijdt. Wanneer de ingang van de aftakking aan het begin van een bocht ligt zal het effect van de spiraalstroming dus nog niet zo sterk zijn en wanneer de aftakking verderop in de bocht ligt wel.
Figuur 1: Schematisatie krachten bij stroming van water in een bocht (Graf & Blanckaert, 2002)
Een bijkomend gevolg van de spiraalstroming en de hierdoor ontstane sedimentbewegingen is dat er in rivierbochten een verschil ontstaat in talud-hellingen van de rivierbodem tussen de binnenbocht en buitenbocht (De Nooijer, 2006). In de binnenbocht is het talud veel flauwer dan in de buitenbocht als gevolg van de spiraalstroming en het hierdoor ontstane bodemtransport van de diepe buitenbocht naar de binnenbocht. Aangezien dit bodemtransport tegen de helling op moet ontstaat er op de rivierbodem vanaf het diepste punt richting de binnenbocht ook een verfijnend patroon in korrelgrootteverdeling en is op de bodem in de binnenbocht fijner materiaal te vinden dan in de buitenbocht (Frings, 2007). Het is belangrijk onderscheid te maken tussen het verschil in korrelgrootte in binnen- en buitenbocht zoals bedoeld in Frings (2007) en het verschil dat ontstaat door het proces dat wordt beschreven in Klop (2009). Het patroon uit Frings (2007) heeft namelijk alleen betrekking op het bodemtransport en de beschrijving uit Klop (2009) heeft betrekking op het bodemtransport én suspensief transport.
2.4 Dwarshellingen bij splitsingspunten
Als er bij splitsingspunten structureel in verhouding met het debiet tussen de twee geulen te veel sediment wordt getransporteerd naar een van de twee geulen, kan er na verloop van tijd een dwarshelling ontstaan aan het begin van die geul, zoals staat beschreven in Kleinhans et. al. (2008).
Hierdoor moet sediment dat naar de geul met dwarsheling stroomt steeds meer tegen de zwaartekracht in worden getransporteerd, wat het sedimenttransport naar de geul uiteindelijk verlaagd. Volgens Kleinhans et al. (2008) kan in principe dit natuurlijke effect ervoor zorgen dat er weer een evenwicht ontstaat in de sedimentverdeling over de twee afvoertakken doordat het bijvoorbeeld de effecten van spiraalstroming op het sedimenttransport naar de twee geulen kan tegenwerken. Naast de verdeling van het sediment zouden dwarshellingen ook kunnen zorgen voor een sortering van het sediment. Vanuit het algemene sedimenttransportprincipe kunnen dwarshellingen ook zorgen voor een sortering van fijner en grover sediment. Omdat de dwarshelling er in een steeds groter gebied voor zorgt dat de zwaartekracht uit het krachtenevenwicht tegen de transportrichting in werkt, zou een dwarshelling er ook voor kunnen zorgen dat alleen de kleinere korelfracties de helling over komen en de geul instromen.
2.5 Neervorming
De krachten die op de rivierwatermassa werken bij riviersplitsingen en de stromingspatronen die daardoor ontstaan, hebben nog een effect op de sedimentbeweging bij splitsingspunten. Er kunnen namelijk neren ontstaan. Dit kan op drie plaatsen rondom het splitsingspunt (De Heer, 2003), zoals te zien is in Figuur 2. De eerste neer ontstaat aan het begin van de nevengeul als gevolg van de middelpuntvliedende kracht en traagheid van het watervolume, die voorkomen dat het rivierwater direct de oever van de aftakking kan volgen. Het water heeft de neiging om iets langer de hoofdstroom te blijven volgen, waardoor langs de oever aan het begin van de geul een gebied ontstaat waar het water langzamer stroomt en meer turbulente eigenschappen vertoont. Hierdoor kan er meer sedimentatie plaatsvinden in dit gebied. De tweede neer ontstaat in de hoofdstroom net stroomafwaarts van de afsplitsing, doordat de stroomsnelheid van de watermassa nog niet direct is aangepast aan de lagere afvoer in de hoofdstroom, waardoor het water tegen de oever de neiging heeft zich “los te laten”. Daardoor ontstaat er hier ook een gebied met een ander stromingspatroon en lagere stroomsnelheden, waardoor er in dit gebied meer materiaal kan sedimenteren. Tot slot kan nog een derde, kleine neer ontstaan rond de splitsingskop die zich afwisselend in de nevengeul of hoofdgeul bevindt (De Heer, 2003).
2.6 Drempels voor de nevengeul
Drempelconstructies bij de inlaten van nevengeulen zijn een factor die de
morfologische processen sterk beïnvloeden. Drempels aan het begin van een nevengeul zorgen ervoor dat een geul slechts vanaf een bepaalde waterstand van de naastgelegen rivier gaat meestromen. De precieze werking van drempelconstructies op sedimenttransport is gecompliceerd, maar in principe zorgen drempels ervoor dat sediment dat aanwezig is in de lagergelegen delen van de waterkolom (onder de drempelhoogte, grover suspensief- en bodemtransport) niet in de nevengeul terecht komen doordat ze niet over de drempel kunnen komen. Sediment uit de hogere delen van de waterkolom (meer kleiner, suspensief sediment) stroomt wel mee en komt wel in de geul terecht, zoals wordt beweerd in Schoor et. al. (2011). Hierin wordt ook beweerd dat de drempel er meestal voor zorgt dat een geul na verloop van tijd ondieper wordt tot het niveau van de drempel.
Figuur 2: Schematisatie stromingslijnen en neervorming rondom splitsingspunten
2
1 3
2.7 Uiterwaardstroming en oriëntatie nevengeul
Een belangrijke ontwerpparameter die bij hoge rivierafvoeren van invloed kan zijn op de korrelgrootte verspreiding van sediment is de oriëntatie van de nevengeul. Wanneer de uiterwaarden meestromen met de rivier speelt het Bulle-effect een minder grote rol en heeft juist de oriëntatie van de geul als geheel een grote invloed op de sedimentatie in de nevengeul. In Baptist & Mosselman (2002) wordt dit principe toegelicht. Wanneer de richting van de nevengeul georiënteerd is in de richting van de waterstroom over de uiterwaard, is de wet van behoud van impuls het dominerende principe dat de stromingspatronen en snelheid beïnvloedt. In dit geval werkt de nevengeul als een lokale verbetering van het hydraulische profiel van de uiterwaard, waardoor de stroomsnelheid toeneemt in vergelijking met de uiterwaardstroming elders. Wanneer de nevengeul is georiënteerd onder een grotere hoek met de uiterwaardstroming, is de wet van behoud van massa dominerend voor de stromingspatronen. Dit deel van de nevengeul werkt dan als een stroomvertragend gebied.
In Figuur 3 zijn deze situaties in beeld gebracht. Deze twee verschillende situaties beïnvloeden het sedimenttransport doordat de stroomsnelheden verschillen. Bij een kleine oriëntatiehoek zal er daarom minder gesedimenteerd worden of kan zelfs erosie plaatsvinden, terwijl bij een grotere oriëntatiehoek juist meer sedimentatie optreedt. Hierbij moet wel worden opgemerkt dat deze principes met name het fijnere suspensieve sediment beïnvloeden, aangezien grover sediment al elders tijdens de route door de uiterwaard zal zijn afgezet door de lagere stroomsnelheid daar, in vergelijking met de hoofdgeul (Klop, 2009).
Stroomversnellend effect
Stroomvertragend effect
Figuur 3: Schematisatie effect oriëntatie nevengeul op stroomsnelheden
2.8 De aanwezigheid van kribvakken
Een menselijke constructie die van invloed is op de sedimentbewegingen bij de ingang van nevengeulen zijn kribconstructies. De invloed die deze op de water- en sedimentbeweging naar nevengeulen hebben is uitvoerig beschreven in Mosselman et. al. (2004). Hierbij is uitgegaan van kribconstructies zoals deze veel voorkomen langs de Waal.
In Mosselman et. al. (2004) is onder andere gekeken naar de hydrologische en morfologische verschillen bij verschillende posities van de nevengeul ingang in het kribvak. In gevallen waarbij de nevengeul in het kribvak dichtbij de benedenstroomse krib is aangetakt, stroomt er in basis (bij gelijkblijvende afvoer en waterdiepte) minder sediment mee de nevengeul in dan bij meer bovenstrooms aangetakte nevengeulen. Mosselman et. al. (2004) laat zien dat dit komt doordat bij een meer bovenstroomse inlaat de initiële transportcapaciteit hoger ligt als gevolg van een kleinere doorstroombreedte voor het water. Hierbij moet worden opgemerkt dat in de tijd deze eigenschap minder wordt, aangezien door onder andere sedimentatie de afvoer en waterdiepte niet gelijk blijven.
Daarbij komt dat een meer bovenstroomse inlaat volgens het stroombeeld zorgt voor een langere weg die het water af moet leggen door het kribvak op weg naar de ingang van de nevengeul (zie Figuur 4), waardoor er in dit geval meer zwevend sediment kan uitzakken in het kribvak en minder sediment aankomt bij de geul. In beide gevallen is ook een
duidelijke neer in het kribvak aanwezig waar de hoofdstroom omheen loopt. Een benedenstroomse inlaat zorgt voor meer erosiepotentieel langs de naastgelegen krib en een bovenstroomse inlaat zorgt juist voor meer oevererosie aan de bovenstroomse zijde van de inlaat en sedimentatie langs de benedenstroomse zijde van de inlaat.
Kribben hebben ook een groot effect op het eerder beschreven proces van dwarshellingen in de nevengeul uit Kleinhans et. al. (2008). Door de afnemende stroomsnelheid in het kribvak en de sedimentatie die hier kan ontstaan, kunnen langs de weg door het kribvak ook dwarshellingen ontstaan (Klop, 2009). Dit betekent dat het sedimentatietransport naar de nevengeul ook kan worden beïnvloed als gevolg van de dwarshelling.
Tot slot hebben de krib-ontwerpparameters zelf ook grote invloed op het sedimenttransport naar het kribvak en in het kribvak zelf. Deze invloeden zijn uitvoerig beschreven in Yossef (2005). Een belangrijke ontwerpparameter die van invloed is op de stromingspatronen en sedimentbewegingen in- en naar de kribvakken is de verhouding van ht kribvak. De lengte/breedte verhouding van het kribvak bepaalt hoeveel- en welk type neren er ontstaat in het kribvak (lengte kribvak is evenwijdig aan de rivier, breedte is loodrecht op de rivier). Bij lage ratio’s van rond één ontstaat er maar één neer in het kribvak. Bij hogere ratio’s van twee tot vier ontstaat er naast een grote primaire neer ook een kleinere neer in het kribvak aan de stroomopwaartse krib (Uijttewaal (1999) en Muto et. al.
(2000)). Bij boven water staande kribben volgen de sedimentbewegingen naar het kribvak toe grotendeels de stromingsbewegingen van de primaire neer, en het instromende sediment naar het kribvak komt net als de waterinstroom dus vóór de stroomafwaartse krib het kribvak binnen. Als gevolg van de hier afnemende stroomsnelheden heeft het sediment de neiging hier neer te dalen aldus Yossef (2005).
Figuur 4: Stroomlijnen bij boven inlaat (boven) en beneden inlaat (onder). Oppervlaktestroming is weergegeven met de rode lijnen en bodemstroming met de groene lijnen (Mosselman et. al. 2004)
3 Systeembeschrijving studiegebied Gameren
Om een beeld te krijgen van de verspreiding van korrelgroottes van het bodemmateriaal en sediment in nevengeulen staat er één locatie centraal in dit onderzoek: De nevengeulen in de Gamerense uiterwaard. Dit nevengeulennetwerk is erg geschikt voor dit onderzoek vanwege het zeer dynamische karakter en de grote variatie aan omstandigheden in de geulen. Dit zorgt ervoor dat met veldonderzoek in deze geulen naar allerlei verschillende invloeden kan worden gekeken en een completer beeld van de invloed van verschillende processen en kenmerken op de korrelgroottevariatie kan worden gevormd. Bovendien zijn de morfologische processen in deze nevengeulen als geheel in de afgelopen jaren beperkt onderzocht.
De Gamerense waard is een grote uiterwaard (ca. 200 ha) langs de linkeroever van de Waal bij het dorp Gameren. Tot 1995 werd er in het gebied veel klei gewonnen voor een steenfabriek in de uiterwaard. Vanaf 1996 is men begonnen met de aanleg van drie nevengeulen in het gebied en is de steenfabriek gesloopt. De drie nevengeulen zijn zeer divers: ze verschillen in locatie, lengte, breedte, debiet en meestroomfrequentie (Jans, 2004). In Tabel 1 zijn enkele kenmerken van de drie nevengeulen weergegeven waaruit dit diverse karakter al blijkt. De geulen zijn oorspronkelijk aangelegd om drie redenen. In de eerste plaats ter verhoging van de lokale afvoercapaciteit nadat hier eerder door een dijkverlegging een kleiner doorstroomprofiel was ontstaan. Daarnaast zijn de geulen ook aangelegd als locatie waar natuurontwikkeling plaats kan vinden en voor klei- en zandwinning in dit gebied (Schoor et. al. 2011). In Figuur 5 is te zien waar de drie geulen liggen in de Gamerense uiterwaard. De Oostgeul en Westgeul zijn wat kleinere geulen, gelegen tussen de zomerdijk en de Waal. De grote geul ligt tussen de zomerdijk en winterdijk. Deze geul is langer en op veel plekken breder dan de andere twee geulen. De gezamenlijke afvoer van de geulen kan oplopen tot zo’n 5% van de Waalafvoer bij zomerbedvullende omstandigheden (Jans, 2004)
Tabel 1: Enkele gegevens van de nevengeulen bij Gameren
Grote geul Westgeul Oostgeul
Lengte3 2,0 km 1,0 km 0,5 km
Ontwerp jaarlijkse gem. meestroom-
periode bij aanleg3 365 dagen 265 dagen 100 dagen Jaarlijkse gem. meestroomperiode
(1996-2010)1 352 dagen 347 dagen 85 dagen
Maximale diepte (2009)2 -9,85 m+NAP 1,16 m+NAP 1,68 m +NAP Max. stroomsnelheid (2500 m3
Waalafvoer)4
Ca. 5 m/s Ca. 1 m/s Ca. 0,65 m/s
Gemiddelde stroomsnelheid (2000
m3/s afvoer Lobith)1 0,13 m/s 0,20 m/s 0 m/s
Debiet bij gemiddelde Waalafvoer3 22 m3/s 10 m3/s 0 m3/s
1: Bron: Schoor et. al. (2011) 2: Bron: Bodemhoogtegegeven 2009 uit Schoor et. al. (2011) 3: Bron: Jans (2004) 4: Bron: BASWAQ-berekeningen bij Waalafvoer 2500m3/s bij de hoogteligging van November 2000, zoals naar wordt verwezen in Jans (2004)
Oostgeul Westgeul
Grote geul
Figuur 5: ligging van de nevengeulen in de Gamerense waard
3.1 Beschikbare data van in- en om het studiegebied
Om tot gefundeerde onderbouwing te komen van de meetlocaties en om uiteindelijk de morfologische dynamiek goed te kunnen analyseren is er meer nodig dan korrelgroottedata alleen. Daarom is in dit onderzoek ook verschillende externe data gebruikt van het studiegebied. Het gaat hierbij om vier types data: Bodemhoogtedata, stroomsnelheidsdata, data met betrekking tot de oorspronkelijke ondergrond in het gebied en data voor de sedimentaanvoer in de Waal. Verder is er voor een gedeelte van het studiegebied een korrelgroottedataset uit 2016 beschikbaar, vergelijkbaar aan de dataset die in dit onderzoek is gegenereerd.
3.1.1 Bodemhoogtedata
Data van hoogteligging van de rivierbedding in het studiegebied is uit verschillende bronnen beschikbaar voor verschillende jaartallen.
Jans (2004): multibeam metingen jaren 1996, 1999, 2000, 2001 en 2002.
Schoor et. al. (2011): singlebeam meting jaar 2009
Rijkswaterstaat (2015): AHN-3 Lidar data jaar 2015
Dit onderzoek: dGPS metingen jaar 2017
Van Denderen (2017): dGPS-metingen jaar 2017
Met de bodemhoogtedata uit verschillende jaartallen is de (morfologische) ontwikkeling van de geulen gedurende de tijd meegenomen in de analyse. Bij sommige bronnen moet wel het een en ander opgemerkt worden. Van de data uit Jans (2004) is niet alle data bruikbaar. Voor de jaren 1996 en 1999 is de data maar beperkt bruikbaar omdat de aanleg van de Grote geul toen nog niet was voltooid. De data uit het jaar 2000 laat op een aantal plaatsen kleine niet natuurlijke plotselinge veranderingen zien, wat sterk doet vermoeden dat hier meet- of interpolatiefouten aan ten grondslag liggen. Gebruik van deze data zou daarom fouten op kunnen leveren. De data uit 2002 bevat ook kleine fouten, in het rapport bij deze data wordt hier ook al over gesproken (Jans, 2004). Bij de data van 2015 gaat het om AHN-3 Lidar-data, waarbij helaas alleen de bodemhoogte is gemeten van het land dat op moment van meting droog lag (Rijkswaterstaat, 2015). Hierdoor is deze data slechts beperkt bruikbaar.
Tijdens de verzameling van bodemmateriaal in dit onderzoek is nieuwe bodemhoogte-informatie verzameld op basis van dGPS metingen. Dit is niet-gebiedsdekkende puntdata. De data van Van Denderen (2017) is ook afkomstig van dGPS metingen, maar is in sommige gebieden wel gebiedsdekkend en daarom een aanvulling op de puntdata uit dit onderzoek. Er is bij dit onderzoek met name gebruik gemaakt van data uit 2001, 2009, 2015 en 2017. De datasets uit 2017 kwamen halverwege dit onderzoek beschikbaar, waaroor deze alleen bij de beantwoording van deelvraag 4 zijn gebruikt (zie Paragraaf 1.5). Deze recente datasets vertellen meer over de erosie- en sedimentatie die heeft plaatsgevonden tussen 2009 en 2017. In de figuren in Bijlage A zijn de bodemhoogtemetingen voor 2001, 2009 en 2017 naast elkaar te zien.
3.1.2 Stromingsdata
Data met betrekking tot stroomsnelheden in het studiegebied wordt gegeven door Jans (2004). Deze data is geen gemeten data, maar is op basis van een BASWAQ-model gegenereerd, waarbij stroomsnelheden zijn berekend voor vijf verschillende Waalafvoeren. De betrouwbaarheid van deze data valt of staat daarom met de model input. Er is weinig bekend over de exacte aannames hierbij, maar wat wel bekend is, is dat de bodemhoogte in het gebied (een belangrijke input bij stromingsmodellen) die is gebruikt, afkomstig is uit het jaar 2000, gegeven door Jans (2004). In deze data zijn op een paar plaatsen meetfouten aanwezig, waardoor de data hier niet betrouwbaar is. Bovendien is de data relatief oud, wat de gelijkenis voor de huidige situatie enigszins beperkt. Bij het gebruik van deze data is dit daarom een onzekerheid. Een recente nauwkeurige stromingsdataset is niet beschikbaar. Uit een eerste visuele inspectie van de geulen en navraag binnen Rijkswaterstaat werd duidelijk dat er weinig grootschalige menselijke interventies hebben plaatsgevonden de afgelopen jaren in het studiegebied. De enige grote menselijke interventie die heeft plaastgevonden is het ophogen van de bodem van de voormalige zandwinningsput in de Grote geul in 2009. Dit betekent dat de stromingspatronen in dit deel van de Grote geul wellicht wel zullen zijn veranderd.
Omdat er weinig menselijke ingrepen zijn geweest de afgelopen jaren wordt aangenomen dat de trends en de ruwe patronen die de stromingsdata laten zien wel nog steeds toepasbaar zijn op de huidige situatie. In Bijlage C zijn drie stroomsnelheidskaarten weergegeven uit deze data.
Een belangrijke eigenschap van deze data is dat het gaat om dieptegemiddelde stroomsnelheden.
Zoals in Hoofdstuk 2 al werd gezegd is de stroomsnelheid variabel over de diepte van de waterkolom.
De stroomsnelheidsdata is daarom bijvoorbeeld minder goed bruikbaar voor berekeningen aan de transportcapaciteit van de stroming. De data geeft wel een goed beeld van de variatie van stroomsnelheden in het gebied, wat voor dit onderzoek interessant is.
3.1.3 Ondergronddata
Data voor de samenstelling van de ondergrond in het studiegebied wordt gegeven door het Dinoloket (TNO, geologische dienst Nederland, 2017). Deze data is afkomstig uit een ondergrondmodel om de kans op bepaalde lithoklasses in de ondergrond te schatten. Daarbij maakt het model ook gebruik van gemeten ondergronddata uit het gebied. Het model heeft een raster van 100x100x0,5 meter in X-Y-Z richting (TNO, 2016). Dit geeft direct wel een beperking aan de bruikbaarheid van deze data gezien de vrij kleine ruimtelijke schaal waarop dit onderzoek plaatsvindt (De Gamerense uiterwaard is ongeveer 200 ha groot (Jans, 2004)). Er zijn bij Dinoloket geen bruikbare gemeten gegevens beschikbaar van korrelgrootteverdelingen in of rondom de Gamerense uiterwaard, dus met de gegevens van Dinoloket kan alleen enigszins onderscheid gemaakt worden tussen verschillende bodemklasses in het gebied, niet tussen verschillende gedetailleerde korrelfracties.
In Bijlage D zijn een voor het studiegebied een aantal modelbodemprofielen te zien. In deze figuren is te zien dat over het gehele gebied gezien in de Z-richting de variatie in bodemtype die het model geeft in het gebied vrij groot is. Onder NAP-5,0 meter ligt in het gebied overal een dikke zandige laag. Rond NAP -1,0m en NAP -4,0m ligt overal een duidelijke kleilaag, met hier tussenin steeds een laag kleiachtig zand. Specifiek onder de Oostgeul ligt in deze klei/zand achtige laag nog een duidelijke zandlaag. Boven NAP is de variatie in het hele gebied groter en komen zowel klei als zand voor.
3.1.4 Sedimenttransport in de Waal
Data met betrekking tot het sedimenttransport in de Waal wordt gegeven door twee bronnen: Ten Brinke (1997) en Frings & Kleinhans (2008). In beide gevallen betreft het gemeten data. In Frings &
Kleinhans (2008) wordt het sedimenttransport in de verschillende Rijntakken onderzocht, waarbij de onderverdeling wordt gemaakt tussen het suspensief transport en bodemtransport. Van de locaties waar zij metingen hebben gedaan zijn er twee plaatsen die interessant zijn voor dit onderzoek: In de Waal direct na het splitsingspunt bij de Pannerdensche kop (Rijnkilometer 868,5) en in de Boven Merwede direct vóór het splitsingspunt bij de Merwedekop (Rijnkilometer 960,5). Aan de hand van metingen op verschillende dagen bij verschillende rivierafvoeren in zeven secties verdeeld over de breedte van de rivier is tot een uitgebreide dataset onder verschillende omstandigheden gekomen.
Een belangrijke kantekening die bij deze data geplaatst moet worden is dat de twee locaties op enige afstand liggen van de nevengeulen bij Gameren (Rijnkilometer 938). Bovendien is de data niet heel recent (data Waal bij de Pannerdensche kop uit 1998 en data Boven Merwede bij de Merwedekop uit 2004). Voor het bodemtransport hebben Frings en Kleinhans materiaal verzameld dat tussen 0 en 0,05 cm boven het bodemoppervlak beweegt en dit als het bodemtransport beschouwd (Frings &
Kleinhans, 2008). De gegevens van het suspensietransport zijn bepaald door monsters van het suspensief sediment te nemen op verschillende waterdieptes tussen 0,05 en 1,0 meter boven het bodemoppervlak en deze te combineren tot één suspensief transport. Hierbij is het allerfijnste transport, de Lutum- en siltdeeltjes of ook wel het spoeltransport, niet meegenomen. Ook is er niet naar de gehele waterkolom gekeken in de rivier aangezien de waterkolom op veel plaatsen langer is dan 1,0 meter. Het betreft dus het suspensief transport uit het onderste deel van de waterlaag.
Een tweede bron die gegevens met betrekking tot het sedimenttransport in de Waal geeft is het rapport van Ten Brinke (1997). De gegevens die hierin worden gegeven zijn op een geheel andere manier verzameld. In Ten Brinke (1997) is data verzameld van de bodemsamenstelling zélf en niet van het transport dat plaatsvindt. Deze data is dus niet bruikbaar voor suspensief transport in de Waal, maar zegt wel iets over het bodemtransport aangezien het bodemmateriaal het materiaal is dat onder de juiste condities in beweging komt (en deel gaat nemen aan het bodemtransport). De bodemdata is verzameld uit de bovenste 10 centimeter van het bodemoppervlak (Ten Brinke, 1997).
De meest recente data uit Ten Brinke (1997) komt uit 1995. Omdat in de Waal constant
morfologische veranderingen plaatsvinden en omdat de Gamerense nevengeulen op dat moment nog niet waren voltooid, is de toepasbaarheid van de data voor de huidige situatie enigszins beperkt.
Toch is zijn rivierbodemdata tot op zekere hoogte bruikbaar bij dit onderzoek aangezien deze data is verzameld voor elke Nederlandse Rijnkilometerraai en er dus ook data beschikbaar is die veel dichter bij het studiegebied ligt. Het is niet exact bekend onder welke Waalafvoeren deze metingen zijn gedaan.
Om de data uit deze beide bronnen te kunnen vergelijken met de korrelgrootedata uit de nevengeulen is voornamelijk gekeken naar de D-waarden uit de data komen. D-waarden zijn karakteristieke korreldiameters van het monster die vaak worden berekend om vergelijking tussen monsters en vergelijking met andere data makkelijker te maken en kwantitatief ook beter vergelijkbaar. Omdat bij verschillende onderzoeken steeds weer andere zeven worden gebruikt, is rechtstreekse vergelijking tussen zeeffracties moeilijk. Het getal achter de D staat voor het percentage van het monstergewicht dat fijner is dan de corresponderende korreldiameter. De D-50 staat bijvoorbeeld voor de diameter van de korrel uit het monster waarbij 50% van het monstergewicht een fijnere diameter heeft. Het gebruik van D-waardes maakt het belangrijk te controleren of de data bimodale eigenschappen vertoont. Wanneer sediment bimodaal is, betekent dit dat er structureel een fractie uit de korrelgrootteverdeling ontbreekt of minder vertegenwoordigd is dan je vanuit de korrelgrooteverdeling mag verwachten. Als er structureel een korrelgroottefractie zou ontbreken in een monster, zijn de bijbehorende D-waarden bij het monster vertekenend voor de data.
Uit Frings & Kleinhans (2008) blijkt dat bij de Merwedekop het suspensief transport en het bodemtransport duidelijk unimodaal zijn. Bij de Pannerdensche Kop blijkt in het bodemtransport wél lichte bimodaliteit aanwezig te zijn. In Figuur 6 zijn de korrelgrootteverdelingen van de Waal bij de Pannerdensche kop uit Frings & Kleinhans (2008) en de korrelgrooteverdeling van de Waalbodem bij Gameren uit Ten Brinke (1997) in beeld geracht. Hierin is te zien dat de verdeling voor het bodemtransport bij de Pannerdense kop enigszins afwijkt van een puur logaritmische verdeling. Ook de bodem bij Rijnkilometer 938 lijkt licht bimodaal. Bij beide datasets lijkt sediment met een diameter rond 1-2mm minder aanwezig. Wanneer het bodemtransport uit de Waal in het studiegebied een duidelijke rol blijkt te spelen moet hier rekening mee gehouden worden omdat bimodaliteit de waarde van hieruit voortkomende D-waarden ondermijnt.
Figuur 6: Bimodaliteit van het sediment in de Waal (Frings & Kleinhans, 2008) & (Ten Brinke, 1997). De achterliggende data is in bij Frings & Kleinhans (2008) een gemiddelde over de hele rivierbreedte en over alle verrichte metingen. Bij Ten Brinke (1997) is de data een gemiddelde over de hele rivierbreedte, maar slechts over één meting.
3.1.5 Korrelgroottedata studiegebied
In 2016 zijn in Van der Lans (2016) korrelgroottes gemeten van de Oostgeul in het studiegebied.
Deze data is op een vergelijkbare manier verkregen als in dit onderzoek is gebeurd. Deze data is in dit onderzoek daarom gebruikt als vergelijkingsdataset.
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
0,06 0,13 0,25 0,50 1,00 2,00 4,00 8,00 16,00 32,00 64,00
Cumulatief deel fijner dan corresp. zeeffractie
Zeeffractie (mm)
Bimodaliteit van het sediment in de Waal
Bodemtransport Pannerdense kop Suspensief transport Pannerdense kop Bodem kilometerraai 938
