Theorie

Uit Wikibeekherstel
Ga naar: navigatie, zoeken

Inhoud

Inleiding

Hydrologie en hydraulica zijn verwante vakgebieden. Hydrologie is de `bredere' wetenschap die zich bezighoudt met het terrestrische deel van de hydrologische kringloop: neerslag, afvoer, verdamping. Van belang voor hermeanderen is met name de afvoerhydrologie: hoeveel afvoer krijgt een beek wanneer te verwerken, en hoe verhoudt zich de afvoervariabiliteit tot een specifiek geometrisch ontwerp. Hydraulica houdt zich bezig met de vraag hoe het water door een beek stroomt: stroomsnelheid, schuifspanning, weerstand zijn hier de basisbegrippen. Hydraulische wetten bepalen hoe een gegeven afvoer in een gegeven beek sediment kan transporteren, oevers en bedding kan eroderen, etc. Hydrologie en hydraulica zijn niet onafhankelijk: de hydraulisch bepaalde stroomsnelheden bepalen hoe snel een afvoergolf zich door een stroomgebied
kan voortplanten.

Hydrologie

Neerslag-afvoer

Afvoer in waterlopen is onder natuurlijke omstandigheden de respons van het grond- en oppervlaktewatersysteem op neerslaggebeurtenissen en andere klimatologische forceringen. Doorgaans leiden regenbuien tot een piek in afvoer die vervolgens langzaam afneemt tot de basisafvoer, die voornamelijk door grondwater wordt gevoed. Relevante vragen hier zijn:

  • Welk deel van de neerslag leidt feitelijk tot afvoer, en welk deel `verdwijnt' als verdamping of grondwateraanvulling?
  • Wat is de vorm van de afvoerpiek?
  • Hoe groot is de basisafvoer?

Onder niet-natuurlijke omstandigheden zijn er uiteraard allerhande menselijke invloeden op de waterhuishouding. Te denken valt aan de aanleg van hydraulische kunstwerken als stuwen, drooglegging ten behoeve van de landbouw en veranderingen in landgebruik. 

Afvoervariabiliteit

Gezien de fysische processen die tot afvoer leiden, is het volstrekt logisch dat afvoer variabel in de tijd is. De gebruikelijke benadering is dan om de afvoervariabiliteit te vangen in een statische verdeling. In de hydrologie is het gebruikelijk om hiervoor een duurlijn (eng.: `flow duration curve' ) te nemen. Dit is een curve die aangeeft welk deel van de tijd een bepaalde afvoer wordt overschreden. Vaak worden op deze wijze speci eke afvoeren gekoppeld aan een herhalingstijd. Q1 is bijvoorbeeld de afvoer die (gemiddeld) één keer per jaar wordt overschreden. Bij Q2 is dit één keer per twee jaar enzovoort. De fluctuaties in afvoer en de meetfrequentie zijn in de Nederlandse praktijk dusdanig dat onder `keer' `dag' kan worden verstaan.

In de praktijk worden de volgende vuistregels gehanteerd: Qn = 1/2Qh en Qm = 2 Qh. Als men het over `Q' zonder verdere toevoeging heeft wordt doorgaans Qh bedoeld. De genoemde vuistregels zijn afhankelijk van het totale afvoerregime. Het is dus maar de vraag of de gebruikte verhoudingen tussen Qh en afgeleiden Qn en Qm robuust zijn ten opzichte van bijvoorbeeld klimaatveranderingen en/of antropogene beinvloedingen.

Ontwerpafvoer

Vanuit het waterbeheer wordt vaak gebruikgemaakt van de maatgevende afvoer wat een soortgelijk concept is. Letterlijk is dit de afvoer die maatgevend is voor de dimensionalisering van de waterloop. Doorgaans is deze gebaseerd op de duurlijn voor deze waterloop, en een maatschappelijk en/of politiek aanvaardbare overstromingsfrequentie (herhalingstijd) van bijvoorbeeld 100 jaar (beken) of 1250 jaar (grote rivieren). Doorgaans zal dit dus het eerder genoemde Maximaal Waterpeil zijn, waarbij de genoemde vuistregel Qm = 2Qn wordt gehanteerd. Het definieren van een ontwerpafvoer voor een beekherstelproject zal doorgaans gekoppeld zijn aan de eisen die de verschillende betrokkenen meebrengen. In een natuurgebied zal een hogere inundatiefrequentie worden getolereerd dan in een landbouw- of bewoond gebied. 


Hydraulica

Hydraulica houdt zich bezig met het hoe en waarom van de stroming van water door beken en rivieren. Alvorens binnen de praktijk van hermeanderen gebruikte hydraulische wetmatigheden te introduceren is het nuttig een aantal relevante eigenschappen van het water zelf samen te vatten. Waar in de hydrologie de centrale variabele de afvoer Q is, is dit in de hydraulica de stroomsnelheid u. In principe is de stroomsnelheid binnen een waterloop stroomsnelheid sterk variabel in ruimte en tijd. De sterkste variatie vinden we binnen het dwarsprofiel van een waterloop: langs de oevers en de bedding zal de stroomsnelheid nagenoeg 0 zijn, en nabij het oppervlak en in het midden van de stroom maximaal. Voor veel praktische toepassingen wordt deze feitelijke verdeling van snelheden samengevat door één enkele parameter, de gemiddelde stroomsnelheid u. Binnen het beekherstel is men doorgaans niet in stroomsnelheden per se geinteresseerd maar in de geomorfologische effecten die de stroming teweegbrengt, als erosie en sedimenttransport. De centrale parameter hier is schuifspanning.

Stromingstypes

Op grond van verschillende criteria kan onderscheid gemaakt worden tussen verschillende typen stroming:

Laminaire versus turbulente stroming 
In 'rustige' stroming worden kleinewervels onderdrukt door de viscositeit van het water. Waterlagen stromen dus 'langs' elkaar heen. In 'wilder' water is dit niet langer het geval: kleine wervels groeien uit tot grote wervels die de stroming sterk gaan beinvloeden: turbulentie.
Eenparige versus niet-eenparig 
De stroomsnelheid van open water is (onder andere) een functie van de hydraulische gradiënt en de waterdiepte, en de ruimtelijke gradienten hierin. Indien deze gradiënten relatief groot zijn geeft dit aanleiding tot ruimtelijke gradiënten in stroomsnelheid: de stroming is niet-eenparig. Dit kan zowel een gevolg zijn van natuurlijke omstandigheden, zoals veranderingen in oeversamenstelling, alswel van menselijke invloed, zoals kunstmatige vernauwingen en stuwen. Indien deze gradiënten afwezig zijn, of dusdanig klein dat de effecten ervan verwaarloosbaar zijn, dan spreekt men van eenparige stroming. Voor 'natuurlijke' waterlopen met een constant dwarsprofiel kan de aanname van eenparigheid normaliter gemaakt worden.
Stationair versus niet-stationair 
een soortgelijke redenering kan worden gemaakt met betrekking tot variabiliteit in de tijd. Op deze wijze onderscheid men stationaire stroming, waarbij de stroomsnelheid constant blijft of langzaam veranderd, van niet-stationair stroming waarbij dit niet het geval is. Met 'langzaam' wordt bedoeld dat de temporele veranderingen in stroomcondities als gevolg van het passeren van een neerslag-afvoergolf in principe geen reden zijn om deze stroming als niet-stationair te kunnen beschouwen, het moet echt om snelle of schoksgewijze veranderingen gaan.
Subkritisch versus superkritische stroming 
Het Froude getal Fr bepaalt in hoeverre waterstroming gevoelig is voor factoren stroomafwaarts. Voor subkritische stroming (Fr<1 is deze gevoeligheid er wel, en voor superkritische stroming (`schietend water') (Fr>1) is deze gevoeligheid er niet. In de Nederlandse laaglandbeken zal in beginsel de stroming subkritisch zijn. Uitzonderingen zijn steile trajecten, bijvoorbeeld bij vistrappen.

Deze stromingsclassificaties zijn relevant, omdat zij bepalen met welke mate van complexiteit er gerekend kan worden aan de hydraulica. Indien de waterstroming niet-stationair en niet-uniform is, dan gelden ze zogenaamde Saint-Venant vergelijkingen die niet analytisch oplosbaar zijn. Modelcodes als het in Nederland veel gebruikte SOBEK lossen deze vergelijkingen numeriek op.In de praktijk wordt voor beekhersteldoeleinden de hydraulica meestal doorgerekend door middel van de uniforme-stromingsvergelijkingen van Manning, Chezy en Darcy Weisbach. Het verschil tussen deze vergelijkingen zit hem vooral in de afhankelijkheid van gemiddelde stroomsnelheid u en diepte Y of hydraulische straal R en gradiënt S. Verder heeft elk van deze vergelijkingen een eigen gelijknamige weerstandscoefficient.

Weerstand

Stromend water ondervind weerstand. Deze weerstand wordt veroorzaakt door verschillende factoren: interne wrijving van het stromende water, wrijving langs de oever en bodem, en wrijving ten gevolge van de planform geometrie. In de Angelsaksische en Nederlandse literatuur wordt vooral gebruik gemaakt van de Manning vergelijking, waarbij opgemerkt dient te worden dat meestal niet Manning's n wordt gebruikt, maar de inverse daarvan, k-manning genoemd: km = 1/n. In de Franse (en Delftse) literatuur wordt het meest gebruik gemaakt van de Chezy vergelijking. Praktische tabellen en formules voor het schatten van de hydraulische weerstand zijn doorgaans gegeven in termen van de Manning n of Chézy C. Er is een grote variabiliteit in methoden. Gezien de empirische aard van n en C is er geen voorkeur te geven voor bepaalde methodes boven andere. Het verdient aanbeveling om meerdere methodes naast elkaar te gebruiken om zodoende de onzekerheid omtrent de weerstand zichtbaar te maken en expliciet mee te nemen in de analyses en ontwerpen.


Hydrogeomorfologie

Breedte

Het moge duidelijk zijn dat rivieren 'groter' zijn dan beken. Blijkbaar is er een verband tussen de hoeveelheid water die door een waterloop stroomt, en de natuurlijk gevormde grootte (breedte, diepte) van die waterloop. Het bepalen van de breedte van beekgeulen is is het ene geval eenvoudiger te bepalen dan in het andere. Eenvoudig indien er een scherpe overgang is van de dalbodem naar het beektalud, en minder indien er sprake is van een geleidelijke overgang. Een praktische benadering wordt gegeven door Knighton (zie Copeland et al, p28) voor een aantal verticale niveau's worden de bijbehorende breedte (op dit niveau) en (maximum) diepte bepaalt. Vervolgens wordt het niveau met de minimale breedte-diepte verhouding gebruikt als basis voor de geulbreedte.

Hydraulische geometrie

Een klassieke benadering voor de relatie tussen geulgeometrie en afvoer is de zogenaamde hydraulische geometrie waarbij

W = a Q b
Y = c Q f
U = k Q m

Waarin W de breedte, Y de diepte en U de gemiddelde stroomsnelheid, en Q een maatgevende afvoer (bv. geulvullend, of de gemiddelde jaarlijkse piek)

Omdat per definitie Q = W Y U geldt dat

  a x c x k = 1
 b + f + m= 1  

Diepte

De geuldiepte wordt doorgaans bepaald als enkelvoudige, karakteristieke diepte. Voor praktische toepassingen verdient het aanbeveling om de diepte Y te laten afhangen van het doorstroomde oppervlak A. Dus waar vanuit de geidealiseerde profielen A een functie is van breedte W en diepte Y, is dat voor praktische toepassingen omgekeerd, aangezien het vanuit hydrologisch aspect relevanter is om fouten in A te minimaliseren, dan in Y . Vertaald naar een veldadvies komt dit neer op het bepalen van enkele dwarsdoorsneden, die te vertalen naar W en A en daaruit een gemiddelde Y te bepalen.

Variabiliteit

Natuurlijke beken kennen een zekere variabiliteit in dwarsprofiel. Om een bestaande beek te karakteriseren wordt daarom aanbevolen om meerdere profielen te bemeten, en daar gemiddelden uit te berekenen. Hierbij verdient het gebruik van de mediaan de voorkeur boven het rekenkundig gemiddelde, gezien de robuustheid van de eerste ten opzichte van de tweede. Karakteristiek aan meanderende waterlopen is het ontstaan van asymmetrische bochten: de geulen zijn dieper nabij de buitenbocht dan nabij de binnenbocht. Dit is het gevolg van de hydraulische processen die aan meanderen ten grondslag liggen. Per beek dient vastgesteld te worden of dit inderdaad het geval is. Bij veel beken, ook natuurlijke, is er namelijk geen sprake van actieve meanderprocessen, en is het dwarsprofiel dus in zekere zin onafhankelijk van het geulpatroon.

Sediment

Relevante parameters zijn:

  • Korrelgroote D, normaliter gemeten als diameter. Sediment bestaat doorgaans uit korrels van verschillende grootte. Er is dus sprake van een korrelgrooteverdeling. In de praktijk wordt meestal gewerkt met één of meerdere parameters korrelgrooteverdeling die uit deze verdeling zijn afgeleid, zoals D50, de mediane korrelgrootte, en D90, de 90e percentiel, etc.
  • Dichtheid van het sediment, ρs. Voor de meeste praktische toepassingen kan er van worden uitgegaan dat het sediment voornamelijk uit kwarts zal bestaan zodat ρs = 2650 kg/m&sup3. Een verwante parameter is de dimensieloze relatieve dichtheid s=ρs/ρ.

Klastisch materiaal van zowel de bedding als de oever kan door het stromende water in transport worden meegenomen. Er wordt onderscheid gemaakt tussen verschillende types van sediment transport. Grotere en/of zwaardere partikels zullen rollenderwijs of sprongsgewijs over de bodem heen worden getransporteerd. Lichtere partikels kunnen worden opgenomen in de turbulente wervels en als zwevend transport verplaatst worden. Sedimentpartikels zullen niet zomaar in transport worden genomen: ze zullen eerst los moeten worden gemaakt uit de matrix (bedding, oever) waar ze zich in bevinden. De kracht die op de deeltjes wordt uitoefent zal dus een zekere drempelwaarde moeten overschrijden. Deze drempelwaarde wordt deels bepaald door cohesie, en deels door de pakking van sedimentkorrels. De kracht wordt deels geleverd door het stromende water, en deels door de partikels die al in (bodem)transport zijn: saltatie. De fysische basis van sedimenttransport wordt nog immer slecht begrepen. Dientegevolge bestaat er een groot aantal verschillende sedimenttransportmodellen. Hier wordt volstaan met het doorverwijzen naar de gespecialiseerde literatuur, en het beschrijven van de meest gebruikte modellen.

Persoonlijke instellingen