4TU - Hoogwaterbescherming les 3

• Aardrijkskunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 5

Hoogwaterbescherming

Wat gaan we doen vandaag?

Deel I: overstromingen

Deel II: hydraulische modellen

Deel III: overstromingsmodellen

Deel IV: case study IJssel

I - Overstromingen

''Een situatie waarbij water het land tijdelijk bedekt op plaatsen waar dat normaal gesproken niet zo is.''

Waardoor ontstaan overstromingen?

1) Vloedgolven vanaf de kust (zee)

2) Vloedgolven vanaf het achterland (rivieren)

3) Hevige regenval die niet goed afgevoerd kan worden

4) Falen van dijken, dammen of andersoortige waterwerken

Waar kan een overstroming plaatsvinden in Nederland?

1. Locaties boven zeeniveau
2. Achter de duinen aan zee
3. In de uiterwaarden van een rivier
4. Locaties onder zeeniveau

Hoogwater vs overstromingen in rivieren

Overstroming of hoogwater bij Deventer?

Overstroming of hoogwater bij Wilnis?

Overstroming of hoogwater in de IJssel?

Overstroming of hoogwater in de Maas?

II - Hydraulische modellen

''Een vereenvoudige wiskundige beschrijving van een vloeistofstroomsysteem, zoals een watersysteem, een rioleringssysteem of een stormsysteem, in een bepaalde geografische en geometrische context''

Wat zijn afwegingen en onderdelen bij een hydraulisch model?

1) Probleem & Doel

2) Het modeltype: 1D/2DH/2DV/3D

3) Input data & randvoorwaarden

4) Kromlijnige of driehoekige roostercellen?

5) Surrogaat model?

1) Probleem & Doel

(voorbeeld: de zandmotor)

• Wat is het probleem?
• Wat wil de cliënt bereiken?
• Waar ligt het probleemgebied?
• Wat is de ruimtelijke schaal?
• Wat is de temporele schaal?
• Wat zijn belangrijke fysieke processen die plaatsvinden?
• Welke vragen moet het model kunnen beantwoorden?

1) Probleem & Doel

Ruimte voor de Rivier is een project bij Nijmegen om overstromingen van de Waal tegen te gaan.

Rijkswaterstaat wil de Spiegelwaal aanleggen maar wil eerst weten hoe het water zich moet verdelen om overstromingen te voorkomen. 

Nu zijn jullie aan de beurt!

1) Probleem & Doel

• Wat is het probleem?
  
• Wat wil de cliënt bereiken?
  
• Waar ligt het probleemgebied?
  
• Wat is de ruimtelijke schaal?
  
• Wat is de temporele schaal?
  
• Wat zijn belangrijke fysieke processen die plaatsvinden?
  
• Welke vragen moet het model kunnen beantwoorden?

Voorbeeldje van Ruimte voor de rivier in Nijmegen:

1) Nijmegen heeft last van de Waal die steeds vaker buiten de oevers dreigt te treden OF: het plan is om de spiegelwaal aan te leggen maar we weten niet wat dit teweegbrengt qua sedimentatie en erosie.

2) Geen overstromingen in Nijmegen en een hogere kwaliteit van de leefomgeving.

Een duidelijk beeld van de sedimentatie en erosie dynamiek na aanleg van de spiegelwaal.

3) De Waal van vlak voor Nijmegen tot vlak na Nijmegen.

4) We zijn benieuwd waar het eventueel mis zou kunnen gaan binnen dit probleemgebied, daarom kijken we op een schaal van 10-100 meter.

5) Een overstroming kan relatief snel plaatsvinden, echter niet binnen seconden. We zijn op uur- tot dagbasis benieuwd naar de waterstanden en de afvoerwaarden.

6) Erosie en sedimentatie door frictie tussen water en oevers/bodem, Turbulente stroming rondom brugpilaren en golfbrekers, splitsing van water tussen waal en spiegelwaal.

7) Waar en hoe heftig overstroomt Nijmegen bij bepaalde afvoerwaarden in de Waal? Waar en in welke mate verandert sedimentatie en erosie op de bodem van de Waal door de komst van de spiegelwaal? Waar vindt sedimentatie of erosie plaats binnen de Spiegelwaal?

2) Het modeltype: 1D/2DH/2DV/3D

De keuze hangt af van tijd, het doel en de input data.

Complexere modellen hebben een langere rekentijd.

1D model

Veranderingen van waarden in de stroomrichting (x-richting).

Gemiddelde waarden voor de gehele dwarsdoorsnede (y- en z-richting).

Relatief simpele vergelijkingen en daarmee korte rekentijd.

2DH model

Veranderingen van waarden in de x- en y-richting.

Gemiddelde waarde voor de diepte (bijv. geen verschil tussen snelheid bij oppervlakte en bodem).

2DV model

Veranderingen van waarden in de x- en z-richting.

Gemiddelde waarden voor de y-richting (bijv. geen verschil tussen snelheid aan de oever en het midden van een rivier).

3D model

Veranderingen van waarden in alle (x-, y- en z-)richtingen.

Lastige vergelijkingen en daarmee lange rekentijd.

We zijn geïnteresseerd in de verandering van het zoutgehalte bij een riviermonding in zee, welk type model is geschikt?

1. 1D model
2. 2DH model
3. 2DV model
4. 3D model

We zijn geïnteresseerd in de verplaatsing van deze ribbel op de bodem van een rivier, welk type model is geschikt?

1. 1D model
2. 2DH model
3. 2DV model
4. 3D model

We zijn geïnteresseerd hoe deze uitholling om een brugpilaar zich gaat ontwikkelen, welk type model is geschikt?

1. 1D model
2. 2DH model
3. 2DV model
4. 3D model

3) Input data & randvoorwaarden

Input data

• Schematische data (DEM & Landgebruik kaart)
• Water- en stroomeigenschappen (turbulentie parameters, sediment transport eigenschappen, zoutgehalte, ...)

Randvoorwaarden

• Stroomopwaarts: afvoer, getijden, ...
• Stroomafwaarts: Q(h) relaties, h(t) relaties, ...

Landgebruik kaarten

Hoogtekaarten

Waarom is een landgebruik kaart een noodzakelijke input voor een overstromingsmodel?

4) Kromlijnige of driehoekige roostercellen?

Voor het probleemgebied is een rooster noodzakelijk om cellen te creëren waarin de gewenste outputs berekend worden.

Een rooster kan driehoekige cellen bevatten of kromlijnige cellen. Je wil graag alleen gedetailleerde output in het gebied van interesse, dit is weer afhankelijk van je doel.

Meer cellen = meer rekentijd = gedetailleerde output en vice versa

Plakjes vs driehoeken.

driehoekige roostercellen

Makkelijk te genereren

Flexibel in vorm en resolutie

Niet mogelijk om cellen uit te rekken in de stroomrichting

kromlijnige roostercellen

Staat uitrekking van cellen toe in de stroomrichting

Hoge resolutie in scherpe bochten

Niet mogelijk om plaatselijk fijner of grover te maken

Traptrede representatie aan de grenzen van het gebied

Welk type roostercel zou je in welk probleemgebied gebruiken?

1. Beiden driehoekig
2. Links driehoekig Rechts kromlijnig
3. Links kromlijnig Rechts driehoekig
4. Beiden kromlijnig

Vuistregel:

kromlijnig rooster in rivier dominante gebieden (met een minimum van 8 cellen van oever tot oever)

driehoekig rooster in wind dominante gebieden behalve als wind een dominante richting heeft (want dat creeërt ook weer een duidelijke stroomrichting).

5) Surrogaat model?

Een surrogaat model is een versimpelde versie van het originele (hoge betrouwbaarheid) model.

Waarom gebruiken we het?

• Kortere rekentijd
• Uitvoering van vele simulaties
• Versimpeling zonder verlies van accuraatheid

Typen surrogaat modellen

• Lagere betrouwbaarheidsmodellen
  (die nog wel gebaseerd zijn op de fysieke processen)

• Machine learning / Deep learning / AI modellen

Lagere betrouwbaarheidsmodellen

• Grotere roostercellen
• Grotere tijdstappen
• Gereduceerde model complexiteit (3D -> 2D -> 1D)
• Versimpeling of verwaarlozing van een fysiek proces

Surrogaat modellen

Controleer altijd of het lagere betrouwbaarheidsmodel betrouwbare resultaten produceert!

In het bijzonder bij extreme condities of omstandigheden.

III - Overstromingsmodellen

''Overstromingsmodellen worden gebruikt om een beeld te schetsen van de mogelijke gevolgen van overstromingen vanuit de zee, rivieren, meren, regionale en lokale watersystemen.''

Waarom zijn 2DH modellen vereist voor het voorspellen van overstroomde gebieden bij een extreme rivierafvoer?

Een groot nadeel van 2DH modellen

Hydraulische 2DH modellen zijn traag door te rekenen, vanwege de complexiteit van functies die het watersysteem beschrijven.

In geval van overstromingen is snelheid van levensbelang om optijd evacuaties in gang te zetten voor risicogebieden.

Wat is de huidige stand van zaken omtrent het voorspellen van overstromingen in Nederland?

Er wordt een 1D hydraulisch model gebruikt om waterhoogten en afvoerdata te simuleren binnen een rivierensysteem.

Wanneer voorspelde waterhoogten een bepaalde limiet overschrijden, worden lokale authoriteiten geïnformeerd.

Bij potentiële dijkdoorbraak of overstromingsgevaar wordt een database aan 2DH model resultaten gebruikt met voorbedachte overstromingsscenarios.

Maar...

De overstroming van de Maas in 2021 liet zien: je moet ook het onverwachte verwachten! 

Extreme neerslag die buiten alle voorbedachte 2DH model resultaten valt...

Surrogaat modelleren bij voorspelde overstromingen

Kunnen we de hydraulische overstromingsmodellen versimpelen als dit kan zonder grote achteruitgang van nauwkeurigheid? Waar moet de versimpeling plaatsvinden?

Kunnen we surrogaat modellen gebruiken om potentiële overstromingsgebieden tijdig in kaart te brengen? 

Jazeker, bijvoorbeeld het HAND model!

HAND model

HAND model = Height Above Nearest Drainage model

Het HAND model is een 0D model (surrogaat model), deze zijn gebaseerd op vereenvoudige hydraulische concepten die niet proberen om de generatie van complexe dynamische vloedgolven te representeren met wiskundige functies.

HAND model

Het HAND model gebruikt lokale stroomrichtingen (LDD) en de hoogte (DEM) per roostercel om een nieuw rooster te creeëren. Hierin kan eenvoudig afgelezen worden tot waar het water overstroomt in geval van een bepaalde rivierhoogte.

Voorbeeld: bij een waterhoogte van 5 meter overstromen 16 roostercellen.

Voor- en nadelen HAND model

• Meerdere orde's van grootte sneller dan 2DH modellen met bijna realtime simulaties van overstromingsomvang en -hoogtes
• Het beschrijft stroomrichting accuraat voor valleigebieden

• Alleen maximale overstromingsomvang en -hoogtes worden voorspeld
• De resultaten zijn niet betrouwbaar in het geval van complexe dynamische interacties
• Het HAND model werkt niet in rivier delta's (vlak hoogteprofiel)

IV - Case study IJssel

Bepaal het gebied dat overstroomt bij gegeven afvoerwaarden m.b.v. het HAND model.