IJsvorming op de Nederlandse rivieren : een studie naar de groei en invloed van ijs op Nederlandse rivieren in combinatie met een modelstudie naar de implementatie van ijsvorming in de waterstandsverwachtingen van Rijkswaterstaat

Engberts, H. (2015) IJsvorming op de Nederlandse rivieren : een studie naar de groei en invloed van ijs op Nederlandse rivieren in combinatie met een modelstudie naar de implementatie van ijsvorming in de waterstandsverwachtingen van Rijkswaterstaat.

[img]
Preview
PDF
2MB
Abstract:Door de Nederlandse geschiedenis heen, is de invloed van ijsvorming vaak te zien geweest op zowel negatieve als positieve manieren. Toch is de laatste jaren minder aandacht geweest voor ijsvorming op rivieren, mede doordat er tegenwoordig minder ijswinters voorkomen. Aangezien er in de nabije geschiedenis te zien is dat ijsvorming nog daadwerkelijk haar impact heeft gehad en aangezien Rijkswaterstaat beslissingen moet maken die samenhangen met deze ijsvorming, is een studie naar ijsvorming op de grote Nederlandse rivieren op zijn plaats. Hierbij is de doelstelling als volgt vastgesteld: Het omschrijven van ijsvorming en ijsontwikkeling op de grote Nederlandse rivieren op basis van reeds bestaande kennis, en een overzicht geven van de huidige modellen die in staat zijn ijs te modelleren inclusief een uiteenzetting over de mogelijkheden die deze modellen hebben om de invloed van ijs op de waterstandsverwachting van Rijkswaterstaat voor de grote Nederlandse rivieren te modelleren. Er is een literatuurstudie uitgevoerd om de reeds bestaande kennis op het gebied van ijsvorming op rivieren te beschrijven en door middel van een modelstudie is een overzicht gemaakt van de modellen die ijs kunnen modelleren. Voor de literatuurstudie is allereerst bepaald hoe er ijs ontstaat op een laminaire en turbulente stroming. Het onderscheid tussen een laminaire en turbulente stroming kan gemaakt worden door het Reynoldsgetal, de watersnelheid, de opdrijfsnelheid of het Froude-getal. Hieruit kan worden geconcludeerd dat een rivier turbulent is. De ijsvorming op een laminaire en turbulente stroming wordt bepaald door de watertemperatuur die afhankelijk is van onder andere de luchttemperatuur, de neerslag, de wind en de luchtvochtigheid. De watertemperatuur kan worden bepaald door een stralingsbalans op te stellen, waarin de netto-straling wordt bepaald door het vaststellen van de lang- en kortgolvige straling. Vervolgens kan de verticale ijsvorming door de statische ijsformatie worden bepaald door onder andere de Stefan-formule. Bij een stroming moet er ook rekening worden gehouden met de dynamische ijsformatie. Op basis van de stroomsnelheid kan er bepaald worden welk type ijs er aanwezig kan zijn. Ook kan voor een vast ijsdek het volume van het aankomende drijfijs worden bepaald. In het tweede deel van de literatuurstudie is bepaald hoe er ijsvorming plaatsvindt op een rivier. Bij een rivier vindt ijsvorming plaats over de gehele waterdiepte in tegenstelling tot een laminaire stroming, waar dit enkel aan het oppervlak is. Bij rivierijs zijn er verschillende verschijningsvormen, waarbij er vanuit ijsnaalden drijfijs wordt gevormd dat zich vervolgens in combinatie met randijs vastzet tot een ijsdek. De ijsvorming wordt op verschillende manieren beïnvloed. Scheepvaart zorgt voor meer turbulentie en een ijsvrije vaargeul, waardoor ijsvorming later zal plaatsvinden. Rivierwerken hebben er de afgelopen tijd voor gezorgd dat er minder ijsvorming ontstaat, voornamelijk door het maken van een enkele watergeul. Koelwaterlozingen zorgen ervoor dat er lokaal een hogere watertemperatuur optreedt, zodat ijsvorming minder optreedt. Door de klimaatverandering zal de kans op ijsvorming lager zijn, de invloed van klimaatverandering op de kans op een te hoge waterstand ten gevolge van ijsvorming is echter lastig te voorspellen. IJsdammen verschillen ten opzichte van ijsdekken doordat ze gedeeltelijk worden gevormd door aankomend drijfijs. Bij ijsdammen is er onderscheid in de ontstaansperiode te maken door middel van freeze-up en break-up ijsdammen. Er kan ook onderscheid worden gemaakt in type ijsdammen met oppervlaktedammen, brede of smalle ijsdammen en hangende ijsdammen. Het type ijsdam kan bepaald worden doordat het (kritische) Froude-getal voorspelt hoe aankomend drijfijs zich gedraagt. De invloed van ijsvorming op rivieren kan worden onderverdeeld in de invloed op de waterstand, morfologie en afvoerverdeling. Door ijsvorming zal er een hogere waterstand optreden door haar invloed op de ruwheid en stroming. De morfologie zal ook enigszins veranderen, al is hier niet veel studie naar verricht. Afvoerverdelingen kunnen veranderen als er verschil is in de hoeveelheid ijs tussen de riviertakken. Voor de modelstudie is allereerst bepaald hoe het huidige model van Rijkswaterstaat voor het genereren van de waterstandsverwachtingen is opgebouwd. Dit model is SOBEK 3, waarbij de stroomgebieden van de Maas en de Rijntakken worden meegenomen. Dit model bestaat uit een neerslag- en waterbewegingsmodel, maar heeft nog geen ondersteuning voor het modelleren van ijs. Het zou veel inspanning vergen dit model geschikt te maken voor Nederlandse rivierijsmodellering, omdat de volledige inputstructuur zal moeten worden gemodelleerd, transportvergelijkingen ontbreken en er een ijsmodule zal moeten worden gemaakt. In het tweede deel van de modelstudie is vastgesteld wat de mogelijkheden zijn bij andere modellen voor rivierijsmodellering en of zij mogelijkheden hebben voor Rijkswaterstaat zelf. Deze modellen zijn HEC-RAS, de Bruin en Wessels, FLake en Delft3D. HEC-RAS is ontwikkeld door het US Army Corps of Engineers om ijs te modelleren op een kanaal met lichte stroming. Dit model wordt echter niet in Nederland gebruikt en is niet te gebruiken voor het berekenen van waterstanden. Het zal daarom een grote inspanning vergen om dit model te gebruiken voor Nederlandse rivierijsmodellering, omdat de kennis voor dit model ontbreekt in Nederland en het enkel geschikt is voor een kanaal met lichte stroming. De Bruin en Wessels is een simpel ijsmodel van het KNMI. Het kan de ijsdikte berekenen op een sloot van twee meter diep door middel van een stralingsbalans. Ook kunnen er enkele lokale effecten mee worden gemodelleerd, zoals windwakken of kunstwerken. FLake is een complexer model van het KNMI en is in samenwerking met een aantal Noord-Europese landen ontwikkeld. Dit model is iets preciezer dan Bruin en Wessels, maar beide modellen zijn niet geschikt voor rivierijsmodellering. Er zou echter voor gekozen kunnen worden deze modellen als richtlijn voor de hoeveelheid ijsvorming te gebruiken. Delft3D is een zeer uitgebreid model, ontwikkelt door Deltares. Delft3D 4 Suite bevat een ijsmodule met transportvergelijkingen voor onder andere de temperatuur. Deze ijsmodule is getest voor een aantal gevallen in het buitenland, maar nog niet voor de Nederlandse rivieren. Dit jaar komt Delft3D Flexible Mesh (FM) als opvolger voor Delft3D 4 Suite uit. Aangezien de eerste tijd dit model vooral in de basis zal worden ontwikkeld, zal een ijsmodule die geschikt is voor de Nederlandse rivieren nog niet op korte termijn kunnen worden ontwikkeld. Echter zou de ijsmodule van Delft3D 4 Suite relatief gemakkelijk omgeschreven kunnen worden naar FM. Wel hebben deze modellen na een flinke inspanning de mogelijkheid om als volledige vervanger van het huidige (SOBEK) model van Rijkswaterstaat te fungeren.
Item Type:Essay (Bachelor)
Faculty:ET: Engineering Technology
Subject:56 civil engineering
Programme:Civil Engineering BSc (56952)
Link to this item:http://purl.utwente.nl/essays/68561
Export this item as:BibTeX
EndNote
HTML Citation
Reference Manager

 

Repository Staff Only: item control page