4TU - Hoogwaterbescherming les 2

• Aardrijkskunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 5

Hoogwaterbescherming

Introduceer het woord hoogwaterbescherming. 

Vraag of leerlingen het waterwerk kennen wat zichtbaar is op de achtergrond.

Vraag leerlingen of de afsluitdijk een dam of een dijk is.

dam = scheiding tussen water aan twee kanten

dijk = scheiding tussen water en land

Extremere scenarios

Wat gebeurt er als het debiet toeneemt in een rivier?

Wat gebeurt er met de snelheid?

Wat gebeurt er met de oppervlakte van de dwarsdoorsnede?

Wat gebeurt er met de breedte en/of de hoogte?

Q=v⋅A=v⋅b⋅h

Wanneer het debiet toeneemt in de rivier (refereer terug naar waar het water in de rivier vandaan komt) moet v of a groter worden. Kan v groter worden? Niet significant. Kan a groter worden? Niet in de breedte maar wel in de hoogte  overstroming. 

Hoog water: overstromingen

De Maas in Limburg. Kenmerk aan de overstroming is dat de rivier heel breed is, maar ook hoog! De bomen aan de rand van het zomerbed staan bijna volledig onder water!

Rampscenarios

Wat gebeurt er als het debiet afneemt in een rivier?

Wat gebeurt er met de snelheid?

Wat gebeurt er met de oppervlakte van de dwarsdoorsnede?

Wat gebeurt er met de breedte en/of de hoogte?

Q=v⋅A=v⋅b⋅h

Wanneer het debiet laag is in de rivier, moet v of a kleiner worden. Kan v kleiner worden? Niet significant? Kan a kleiner worden? Niet in de breedte maar wel in de hoogte  rivier staat heel laag bij droogte. 

Laag water: droogte

De Waal bij Nijmegen. Droogte kenmerk is dat de rivier heel smal is en laag, zichtbaar aan het droogliggende donkere zand wat normaal gesproken rivier bodem is. 

Scheepvaart wordt belemmerd door lage waterstanden. Diepe boten kunnen wellicht vast komen te liggen op de bodem van de rivier.

Tussen welke twee grootheden zit het duidelijkste verband?

1. Afvoer en watersnelheid
2. Afvoer en rivierhoogte
3. Watersnelheid en rivierhoogte
4. Afvoer en rivierbreedte

Er is een duidelijk verband tussen debiet Q en waterhoogte h. 

Ook tussen debiet Q en de rivierbreedte, maar dit verband is minder expliciet vooral wanneer er geen sprake is van overstroming maar fluctuaties in afvoer waarbij de rivier binnen zijn zomerbed blijft: dan verandert de waterhoogte wel mee maar de breedte niet.

Seizoensfluctuaties: wanneer verwacht je hoog en laag water en waarom?

Seizoensfluctuatie: wanneer valt er veel of weinig regen? Wanneer is er veel of weinig smeltwater? Wat impliceert dit voor de waterstanden in de rivier? 

Seizoensfluctuaties in Rijn en Maas

Hoe zien we de seizoensfluctuaties terug in Nederland? Hoogwater in de winter/lente, laagwater in zomer/herfst. Bij Maas en Rijn zien we een vergelijkbaar patroon. Ook zien we dat de Maas en Rijn in Nederland, de benedenloop, meer water vervoeren dan in de bovenloop en middenloop.

Zomerdijken en winterdijken

Schematische weergave van een zomerdijk en winterdijk. Het gebied tussen de zomer- en winterdijk noemen we de uiterwaaden. 

Zomerbed en Winterbed zijn de termen voor het gebied dat de rivier beslaat in deze perioden.

Multifunctioneel landgebruik: zomerbed

IJssel bij Zutphen. In de zomer blijft het water (over het algemeen) tussen de zomerdijken en zijn de uiterwaaden vrij voor gebruik, recreatief, veeteelt en landbouw. 

Multifunctioneel landgebruik: winterbed

Ook de IJssel bij Zutphen bij hoogwater. In de winter staat het water vaak in de uiterwaarden tot de winterdijken. Dan kan dit gebied niet gebruikt worden.

IV - Case study IJssel

Nu gaan de leerlingen echt aan de slag!

Opdracht: Q-h relaties

Gegeven: afvoerdatareeks bij Lobith 3-8-2024 t/m 30-8-2024

Gegeven: riviereigenschappen IJssel bij Zutphen

Vraag: Is de IJssel buiten het zomerbed getreden deze periode?

Bereken: afvoerdata en waterhoogten bij Zutphen

Hulpmiddelen: Excel, Python

De opdracht is lastig. Maak zelf een inschatting of je de leerlingen wilt laten struggelen met Python of dat je ze het script geeft en ze op die manier laat kennismaken met programmeren. Het opstellen van de formule voor Q(h) zou wel mogelijk moeten zijn wanneer slide 46 laten zien wordt.

Gegeven

Stappen

1. Maak een functie voor het debiet Q, waarbij de waterhoogte h de enige variabele is. Schrijf dus een functie Q(h)=... .

2. Zet deze functie in een Pythonscript.

3. Vul waarden voor h in en kijk wat er uitkomt voor Q. Wanneer de berekende waarde voor Q klopt met de geobserveerde waarde voor Q, klopt de waterhoogte! Plot de waterhoogten.

4. Controleer de berekende waterhoogten.

Stap 1

De oorspronkelijke formule voor het debiet is:

Die gaan we ontleden, de snelheid van het water is te beschrijven met de volgende formule:

De Chezy coëfficient (C) is de weerstandsfactor. De helling van de rivier wordt genoteerd met i_b. De Chezy coëfficient kunnen we als volgt berekenen:

k_s is de nikuradse weerstand. Deze verschilt per bodemmateriaal.

De dwarsoppervlakte van de rivier kan beschreven worden met:

v=C√​hi​b​​​​​

A=b⋅h

Q=v⋅A

C=18log(​k​s​​​​12h​​)

Stap 1

Dit alles gecombineerd levert de volgende formule op:

Neem voor de helling van de rivier:

 De breedte van de IJssel bij Zutphen is +- 100 meter en de bedding van de IJssel is te benaderen met 

Q(h)=18log(​k​s​​​​12h​​)⋅√​hi​b​​​​​⋅b⋅h

i​b​​=10​−4​​

k​s​​=0.2

Stap 2

Stap 3

Stap 4

Kritisch nadenken

Het patroon komt redelijk overeen tussen de berekende waterhoogten en de daadwerkelijke waterhoogten.

Echter zit er wel +- 1 meter verschil tussen de metingen en berekende waarden. Waar kan dit aan liggen?

Kritisch nadenken

De formules zijn theoretisch, de praktijk kan altijd verschillen!

De waarden voor helling en ruwheid van de bodem zijn ook schattingen, deze kunnen afwijken van de werkelijkheid.

De waterverdeling over Waal, Nederrijn en IJssel is ook theoretisch, in werkelijkheid kan dit anders verlopen.

Ingenieursvaardigheden

Dataverwerking

Modelleren

Programmeren

Kritisch nadenken