Effect golven

Waterbeweging

Watertypen

In Nederland kennen we drie categorieën oppervlaktewater, namelijk: zeewater, rivierwater en binnenwater.

Zeewater   Het zeewater in de aan Nederland grenzende Noordzee wordt gestuurd door de eb- en vloedstromen in de oceanen. De waterstand in de Noordzee staat dus onder invloed van de in- en uitstroom van dat oceaanwater in relatie tot de windrichting en –sterkte. Door deze in- en uitstroom lopen de waterstanden bij noordwestelijke winden hoger op dan bij zuidwestelijke winden. Dit omdat het Nauw van Calais als een soort trechter werkt. Rivierwater

Nederland ligt aan het eindpunt van de Maas- en Rijndelta. Al het water uit deze twee rivieren stroomt via Nederland af naar de Noordzee. De waterstand in deze rivieren wordt hoofdzakelijk bepaald door de waterafvoer van de bovenstroomse gebieden. Over het algemeen is de rivierwaterstand in de winter hoger dan in de zomer. Met name de afvoer van regen en smeltwater vanuit bergen kan tot forse waterstandverhogingen leiden.

Binnenwater Onder binnenwater verstaan we alle boezem- en polderwateren en meren/plassen die regionaal en lokaal voor de aan-, afvoer en opslag van het oppervlaktewater zorgdragen. Deze wateren hebben over het algemeen een vast peil en staan in principe alleen onder invloed van neerslag en verdamping.

Rivierwater Nederland ligt aan het eindpunt van de Maas- en Rijndelta. Al het water uit deze twee rivieren stroomt via Nederland af naar de Noordzee. De waterstand in deze rivieren wordt hoofdzakelijk bepaald door de waterafvoer van de bovenstroomse gebieden. Over het algemeen is de rivierwaterstand in de winter hoger dan in de zomer. Met name de afvoer van regen en smeltwater vanuit bergen kan tot forse waterstandverhogingen leiden.

Waterbeweging Zoals we hierboven zien is zee- en rivierwater altijd in beweging. Binnenwater kan daarentegen wel eens stilstaan. Als op water geen druk wordt uitgeoefend staat het in evenwicht. Het water staat dan helemaal stil en is helemaal vlak. Zodra het evenwicht wordt verstoord komt het water in beweging en gaat stromen. Over het algemeen worden waterbewegingen in binnenwateren veroorzaakt door scheepvaart, wind en peilbeheersing (waterinlaat en –uitmaling). Elk van deze zogenaamde evenwicht verstoorders heeft effect op het watersysteem en zijn omgeving. Daarnaast is het van belang in welk type water een bepaalde situatie zich voordoet. Zo heeft de waterbeweging veroorzaakt door een vaartuig in een smal kanaal veel meer impact dan op een groot meer. Ditzelfde geldt ook voor waterbewegingen ten gevolge van peilbeheersing. Anderzijds zijn de effecten van waterbewegingen door wind op plassen en meren veel groter dan in een kanaal of poldersloot.

Waterbeweging in Reeuwijks plassengebied In het kader van het Eutrofiëringsproject Reeuwijkse plassen is in de tachtiger jaren van de vorige eeuw in de plas Groot Vogelenzang een proef met ijzeroxide uitgevoerd. De waterbodem van deze plas is geïnjecteerd met ijzeroxide om zo de fosfaten in het bodemslib te fixeren. De eerste maanden na fixatie van de bodem verbeterde de waterkwaliteit en doorzicht van het water sterk. Na een zware winterstorm in 1989 is het behaalde resultaat geheel teniet gedaan. Vermoed werd dat wind een belangrijke rol heeft gespeeld in de uitwisseling van water tussen de verschillende plassen. Om meer inzicht te krijgen in de onderlinge uitwisseling tussen de plassen is in 1992 een modelstudie gedaan naar uitwisselingsdebieten. De uitkomsten van het wiskundig model zijn aan de hand praktijkmetingen geverifieerd.

Randvoorwaarden rekenmodel Bij de aanvang van de berekening is het model in rust (windstil weer). Vanaf uur nul begint vanuit het westen de windsnelheid geleidelijk toe te nemen. Na 5 uur is de wind op volle sterkte (10 m/s’) en blijft dan gedurende 8 uur constant. Daarna neemt de windsterkte in 5 uur af tot o m/s. De berekening is daarna nog 6 uur doorgezet.

Resultaten Na 13 uur (tijdstip waarop de windsnelheid afneemt) bedraagt het waterstandsverschil tussen de voor- en achterzijde van het plassengebied ca. 11 cm (zie bijlage 1). De gemiddelde stroomsnelheid wisselt per plas sterk (zie bijlage 2). Op enkele plekken bedraagt de stroomsnelheid ruim 1,5 m/s. Het stroombeeld over de plassen wordt deels bepaald door de vorm van de plas en de lokale waterdiepte. Zo is de stroomsnelheid in de diepere plas Elfhoeven groter dan in de plas Vrijhoef. Bij een andere windrichting zullen de resultaten mogelijk een ander stroombeeld weergeven. Maar omdat de wind in Nederland gemiddeld 90% uit het westen waait, geeft het rekenmodel de meest voorkomende situatie weer.   De stroomsnelheden in de verbindingen tussen de plassen variëren van sterkte en richting. Vanwege de complexheid van het plassensysteem was het moeilijk in het model het juiste uitwisselingdebiet tussen de plassen te bepalen. Wel kwam naar voren dat de stroming door de openingen gedurende de periode van volle windsterkte minder sterk was dan tijdens het aanwakkeren en afnemen van de wind. De maximale stroomsnelheid in de opening tussen de plas Elfhoeven en Klein Elfhoeven bedroeg volgens het model rond 2,0 m/s (zie bijlage 3).

Praktijkmeting Praktijkmetingen in eenzelfde situatie leverden een waterstandsverschil tussen de voor- en achterzijde van het plassengebied op van ca. 15 cm. Bij volle windsterkte (10 m/s) lag de stroomsnelheid in met name de doorgang tussen de plas Elfhoeven en Klein Elfhoeven tussen de 0,8 tot 1,0 m/s. De uit het rekenmodel naar voren komende stroomsnelheden van ruim 2,0 m/s zijn bij de terreinmetingen niet waargenomen. Overigens zijn de terreinmetingen alleen bij volle windsterkte uitgevoerd.

Conclusies

• Bij een westelijke wind met een sterkte van 10 m/s (kracht 4 tot 5) ontstaat er tussen de voor- en achterzijde van het plassengebied een waterstandverschil van 10 tot 15 cm. Pas als de wind afneemt loopt het verschil weer terug.
• Bij wind met een sterkte van 10 m/s stroomt het water per plas in het rond, waarbij stroomsnelheden voorkomen van 1,0 tot 1,5 m/s.
• Door aanhoudende wind wordt het water per plas uitgewisseld en ontstaan er grote stroomsnelheden in de smalle doorgangen. Stroomsnelheden van 1,0 tot 2,0 m/s blijken zich enkele keren per jaar voor te doen.
• Uitgaande van het gegeven dat bij stroomsnelheden van boven de 20 cm/s bodem-ontgronding plaatsvindt, is het aannemelijk dat bij windkracht 4 en daarboven bagger wordt verplaatst. Het is dus te verklaren dat aan de windzijde van een plas nagenoeg geen bagger ligt en aan de luwzijde des te meer.

Voor een uitgebreider beeld van de uitwisselingsproblematiek tussen de plassen verwijs ik naar het rapport van Deltares uit 2012.

Golfslag en -beweging Golven worden hoofdzakelijk veroorzaakt door scheepvaart en wind. Bij scheepvaart ontstaat er golfslag door de waterverplaatsing van een vaartuig. Hoe dieper het vaartuig ligt, hoe groter de waterverplaatsing en golfslag is. Als het vaartuig dicht langs een oever vaart is het effect op de oever groot. In kanalen en sloten heeft de golfslag door scheepvaart dus meer negatief effect op de oevers dan op grote plassen en meren. Bij wind ontstaat golfslag door de windkracht, strijklengte en waterdiepte. Wind in de lengterichting van een kanaal of sloot veroorzaakt dus een grotere golfslag dan een wind die dwars op een kanaal of sloot staat. Bij meren en plassen is het effect van de strijklengte van de wind het grootst.

Golflengte en -hoogte De lengte van een golf wordt bepaald door de windkracht, strijklengte en diepte van het water. De hoogte van een golf is op zijn beurt weer afhankelijk van de lengte van een golf. Als een golf namelijk hoger wordt dan 1/7 van zijn lengte breekt hij. Een golf met een lengte van 7 meter kan dus nooit hoger worden dan 1 meter! Verder is bij grote watervlakten de diepte van belang. Hoe groter de waterdiepte, hoe groter de golflengte en hoe hoger de golf. Golfhoogten van 12 m in de oceanen kunnen zich in de ondiepe Noordzee dus nooit voordoen. En op zijn beurt kunnen golven in de Reeuwijkse plassen nooit zo hoog worden als in de Noordzee. Zelfs is er nog verschil in de maximale golfhoogte tussen diepe Surfplas (ca. 0,80 m) en ondiepe veenplassen (ca. 0,60 m).

Effecten golfslag Door waterverplaatsing wordt energie opgebouwd. Het water gaat daardoor golven en stromen (zie ook ‘water in beweging’). Als de golf tegen een waterkant (oever) aanloopt, komt de opgebouwde energie vrij. Het vrijkomen van deze energie veroorzaakt wrijving op waterkant en -bodem.

Effecten op oever Als een golf een oever nadert neemt de waterdiepte veelal af. De energie in de golfslag zal zich omhoog bewegen. Door deze opwaartse beweging neemt de golfhoogte toe. Als de hoogte van de golf groter wordt dan 1/7 van zijn lengte breekt hij. Op het moment dat een golf breekt komt er energie vrij. Dus hoe eerder een golf breekt hoe meer energie er wegstroomt. Wanneer een golf in volle hevigheid tegen een oever aanloopt, komt alle energie in een keer vrij. Dat leidt in veel gevallen tot schade aan oever en waterbodem. In figuur 1 en 2 hieronder is een en ander schematisch weergegeven.

Hoe eerder een golf breekt, hoe meer energie er wegstroomt en hoe minder een oever wordt aangetast. Als een golf een flauw oplopende oever nadert, zal de golf op een gegeven moment breken (zie figuur 1). De gebroken golf zal op de flauwe oever langzaam uitdoven. Uiteindelijk kabbelt het water via het talud weer terug. Wanneer een oever steil of recht is, slaat een golf in volle hevigheid daartegen aan. Alle opgebouwde energie komt dan in een keer vrij (figuur 2). Deze energie veroorzaakt grote wrijving op de oever en waterbodem. Verder verweekt het overslaand spatwater de oever. Dit alles leidt tot uitspoeling van de oever en bodem. Om dit te voorkomen worden oevers veelal met een harde beschoeiing beschermt. Hiermee gaat echter de ecologische overgang tussen water en land verloren. Bij de aanleg van oevervoorzieningen is het dus zaak om een oeverbescherming te kiezen die de ecologische overgang tussen water en land niet aantast.

De Kerfwetering In de Reeuwijkse plassen zijn tal van voorbeelden van vormen van oever bescherming te vinden, van harde beschoeiingen damwandconstructies tot constructies met palen en takkenbossen. Voor het herstel van de Kerfwetering zijn deze allemaal geïnventariseerd en met deskundigen beoordeeld op hun werking (Remco Rolvink Adviezen Kerfwetering 2012-2013). Daarbij is onderscheid gemaakt in ruwe en luwe oevers. Ruwe oevers zijn oevers aan groter wateroppervlak, hebben een grotere strijklengte tot de oever en hogere golven bij harde wind uit de richting van de strijklengte. Luwe oevers daarentegen liggen aan kleiner wateroppervlak, met kleinere strijklengtes tot de oever en lagere golven bij harde wind uit de richting van de strijklengte. Ruwe oevers georiënteerd op het zuidwesten, de overheersende windrichting, hebben de meeste invloed van hoge golven. Naast het onderscheid van ruwe en luwe oevers zijn voor de positieve beoordeling de volgende criteria aangehouden: – een deugdelijke bescherming van de oever boven en onder water – een ecologische overgang tussen water en land – gebruik van duurzame materialen met weinig onderhoud   Voor de ruwe oevers bleken beoordeling slechts enkele oeverprincipes te voldoen: de Sluipwijkse methode, de methode van Rijn en de snoeihout methode (o.m. Aqua en Natura). Deze oevers zijn in onderstaande figuur weergegeven.

De goede werking als deugdelijke bescherming wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van een golf brekende constructie, ook onder water waar het effect van de golfbeweging het grootst is. Deze constructie met 25-30% open ruimte leidt tot de vereiste energieafname in de golf. Bijkomend effect is dat de 25-30% openruimte voorkomt dat de golven terugkaatsen en leiden tot wat roeiers en zeilers wel een ‘klotsbak’ noemen. Terugkaatsing geeft interferentie van de aankomende en teruggekaatste golf met als gevolg diepere dalen en hogere toppen en dientengevolge meer erosie van oever en waterbodem en meer spatwater en verweking achter de oeverconstructie.

Golfbrekers bij Domburg en in de Reeuwijkse Plassen   De goede ecologische werking van deze oeverprincipes berust op de overgang van nat naar droog achter de oeverconstructie en toepassing van faunapassages, beide voortkomend uit de aanleg van natuurvriendelijke oevers door het hoogheemraadschap van Rijnland. De oevergang van nat naar droog geeft meer biodiversiteit doordat planten en dieren met meer kans hun er hun favoriete plaats kunnen vinden. De faunapassages zorgen dat bijvoorbeeld vissen vanuit de plas het plas-dras gebied hunnen bereiken als paaiplaats en foerageergebied. Voor sommige vissen, zoals modderkruipers kan het zelfs het leefgebied zijn.

De principe uitwerking van de faunapassage is hieronder getoond.

Ten aanzien van het onderhoud zijn er verschillen tussen de oeverprincipes. De oeverprincipes met snoeihout vereisen aanvulling hiervan een tot twee maal per jaar, met name in de golfbreker. Soms is dit met ander onderhoud goed te combineren. Bij de Kerfwetering is dit niet het geval en is om die reden een palenconstructie met 25% open ruimte toegepast. Voor de Voor de luwe oevers zijn in de Kerfwetering eenvoudiger constructies toegepast.

Voor de binnenzijde gaven deskundigen aan dat de palen goed onder water kunnen blijven. De beplanting is hier voldoende in staat is de oever te beschermen tegen de kleine golven. Bij aanleg is dit overigens nog niet aangedurfd, maar inmiddels wordt dit in het zuidelijk deel van de Kerfwetering als nog aangepast, mede door de overtuigende ontwikkeling en sterkte van de beplanting inclusief wortels. Een belangrijke nieuw onderdeel, dat zich heeft bewezen in de oeverconstructies van de Kerfwetering is de zogeheten vegetatiemat. Het is een kokosmat op de waterlijn, die het talud van de natuurvriendelijke oever beschermt tegen afkalving. In de kokosmat zijn gewortelde planten opgenomen, die na het aanbrengen van de mat verder groeien in de grond eronder. Het talud wordt dan binnen korte tijd door mat en beplanting beschermd.

Vegetatiematten kort na aanleg en na het eerste groeiseizoen.   Na verloop en een of meer jaar wordt de kokosmat afgebroken en resteert als het goed is een diep wortelende beplanting. Aanvankelijk zijn de matten alleen in de luwe natuurvriendelijke oevers door Rijnland toegepast. De werking bleek echter zo goed, dat tijdens de aanleg is besloten tot toepassing in de ruwe oevers. Daar blijkt hun aanwezigheid onmisbaar.

Monitoring van de oevers Inmiddels is het bijna vijf jaar geleden dat de eerste oevers in de Kerfwetering zijn hersteld  gerealiseerd. De resultaten van de toepassing van de besproken oevertypen voldoen uitstekend. Er ontwikkeld zich een soortenrijke beplanting die de oevers goed vastleggen met hun diepe worteling. Bij de ruwe oevers zijn er sporen van dynamiek in de oeverlijn. Deze zijn in het beginstadium, toen er weinig beplanting was. Inmiddels zijn de oeverlijnen al enkele jaren stabiel en lijkt er plaatselijk zelfs uitgroei van de oevervegetatie naar dieper water plaats te vinden.

Kees Smit