4TU - Hoogwaterbescherming les 1

• 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

I - Introductie

In deze 3 lessen gaan we ons verdiepen in hoogwaterbescherming in Nederland.

Maar waarom is dit eigenlijk noodzakelijk?

Vraag of leerlingen het waterwerk op de afbeelding kennen.

De maeslantkering ligt in een van de grote rivieren ter hoogte van Rotterdam en is bedoeld als redmiddel om ons land tegen inkomend water vanuit zee te beschermen, om gebeurtenissen als de waternoodsramp in 1953 te voorkomen. Als de Maeslantkering dicht is kan er geen water het land instromen. Het nadeel is dan ook: hij is alleen ontworpen op instromend water uit de zee. Als hij dicht is, en er komt een grote waterstroom uit het achterland (de rivier zelf), dan stromen deze twee witte driehoeken mooi de zee in!

Hoogtekaart Nederland

• Waar staat NAP voor?
• Welk deel van Nederland ligt onder zeeniveau?
• Welk deel van Nederland ligt boven zeeniveau?
• Waardoor komt dat?

Waterstanden worden weergegeven ten opzichte van het Normaal Amsterdams Peil (NAP). Het NAP is onmisbaar voor de bescherming tegen overstromingen.

Voornamelijk het noorden en westen van NL liggen onder zeeniveau. Benadruk ook dat hier de randstad onder valt, wat het economisch belangrijkste deel van NL is.

Oost en zuid nederland liggen hoger, boven zeeniveau. Dit is ook wel te verklaren door het feit dat grote delen van holland, zeeland en flevoland vroeger drooggepompt zijn, dit is dus ook land wat vroeger bij de zee hoorde. Oost en zuid nederland zijn altijd al land van zichzelf geweest, met ''heuvels'' zoals de sallandse, utrechtse heuvelrug, de veluwe, limburg, etc.

Welke provincies liggen in het geheel boven zeeniveau?

1. Zeeland, Noord-Brabant, Limburg
2. Groningen, Noord-Brabant, Utrecht, Gelderland
3. Gelderland, Noord-Brabant, Limburg, Drenthe
4. Limburg, Overijssel, Drenthe, Groningen

Deze vraag oefent de topografie van de leerlingen. Groningen ligt ook deels onder zeeniveau (denk bijvoorbeeld aan de uitgegraven veengebieden en gasvelden). Zeeland ligt ook voor een deel onder de zeespiegel, juist daarom liggen hier zoveel deltawerken en is het bij de waternoodsramp hier het hevigst misgegaan.

Rivierenkaart Nederland

• Welke rivieren komen in Nederland uit?
•  Door welke landen stromen deze rivieren?
• In welke rivieren splitst de Rijn zich op in Nederland?

Eems: Duitsland

Rijn: Zwitserland, Duitsland

Maas: België, Frankrijk

Schelde: België, Frankrijk 

Om verwarring te voorkomen: de Rijn is de rivier die uit Zwitserland naar Lobith bij de Nederlandse grens stroomt. Daar splitst de Rijn op in de Waal en het Pannerdensch kanaal. Bij Westervoort splitst het Pannerdensch kanaal op in de Nederrijn (die later Lek zal heten) en de IJssel. Voor het gemak kun je zeggen dat de Rijn splitst in de Waal, Nederrijn en IJssel.

Kustlijn van Nederland

700 km naar 80 km door Deltawerken

300 km naar 30 km door Zuiderzeewerken

Eerst +-1400 km, nu +-500 km kustlijn

Totale landsgrens is +-1000 km

Zuiderzeewerken

Deltawerken

Waarom moet Nederland zich voor overstromingen beschermen?

Nederland is vatbaar voor overstromingen aangezien

• er grote rivieren via Nederland in de Noordzee uitmonden
• Nederland voor een aanzienlijk deel aan de Noordzee grenst

Daarnaast heeft Nederland een geografisch nadeel: het land ligt voor een groot deel laag t.o.v. de zeespiegel, waardoor overstromingen grotere impact kunnen hebben op ons land.

II - Rivieren

We gaan ons in deze lesmodule focussen op hoogwaterbescherming t.o.v. rivieren. De zee laten we even voor wat het is.

De rijn bij Lorelei: Volgens de legende was de Loreley een zeemeermin die op deze rots zat en haar lange, gouden haar kamde. Met haar prachtige lied leidde ze de zeelieden zo af dat ze niet meer op hun koers in de gevaarlijke stroming letten en de schepen op de rotsachtige riffen vergingen.

Dit is een legende, maar neemt niet weg dat bochten in rivieren gevaarlijk scherp kunnen zijn en dat er goed precies gestuurd moet worden door de kapitein om het schip veilig door de rivier te krijgen.

Rijn in Nederland

Dezelfde rivier?

Probeer leerlingen hier te laten inzien dat een rivier flink kan verschillen bij zijn oorsprong in de bergen en vlak bij zijn monding in de zee.

Rijn in Nederland

Bodemmaterialen?

Rijn in Zwitserland

Bodemmaterialen?

in de benedenloop van de Rijn (Nederland) bestaat de rivierbodem voornamelijk uit zand, gravel en klein sediment.

In de bovenloop van de Rijn (Zwitserland) bestaat de rivierbodem voornamelijk uit grof sediment, zoals stenen en kiezels.

Gaandeweg in de rivier verbrokkelt het sediment tot kleinere deeltjes.

Rivierprofiel: van hoog (berg) naar laag (zee)

Een rivier ziet er schematisch als volgt uit van oorsprong tot monding, dit noemen we het rivierprofiel:

o Verval en snelheid van de rivier bij bovenloop (hoog), middenloop (gemiddeld) en benedenloop (laag)

o Dwarsdoorsnede rivier bij bovenloop, middenloop en benedenloop

Waarom verandert gaandeweg de dwarsdoorsnede van een rivier?

Leg uit dat de stroomsterkte van een rivier bepaalt hoe hard het water langs de bodem van de rivier duwt. Hoe sneller het water stroomt, hoe meer erosie plaatsvindt, en voornamelijk waar het water het snelst stroomt: in het midden van de rivier. Dit veroorzaakt de V vorm van de dwarsdoorsnede in de bovenloop. 

Gaandeweg gaat het water in het midden van de rivier minder snel stromen maar omdat het dieper ligt door de V vorm duwt het water ook tegen de zijkanten aan en vindt hier ook erosie plaats, dat veroorzaakt de U vorm in de middenloop. 

Dit proces wordt nog meer versterkt in de benedenloop tot er een soort rechthoekig dwarsprofiel ontstaat.

Bovenloop rivier

Veel verval

Hoge snelheid

Omringd door bergen

Steenbodem

V dwarsdoorsnede

Vooral smeltwater

Middenloop rivier

Redelijk verval

Redelijke snelheid

Rivier ligt in vallei

Steen / zandbodem

U dwarsdoorsnede

Smeltwater en regenwater

Benedenloop rivier

Weinig verval

Lage snelheid

Vlakke omgeving

Zandbodem

Rechthoekige dwarsdoorsnede

Vooral regenwater

Waar komt het water in een rivier vandaan?

Regen

Sneeuw

Gletsjers

Opgeslagen water in bodem

Grondwater

Zijrivieren

Als afvalwater genoemd wordt vanuit dorpen en steden, dan kun je vragen waar dat water vandaan komt: regen of afgetapt uit de rivier. Dus indirect nog steeds regen of het was al rivierwater.

Stroomgebied

''Het gebied waarbinnen water naar dezelfde rivier beweegt.''

Regenwater en sneeuw uit het hele gebied belandt in de rivier. Dit kan direct in de rivier vallen, via grondwater, zijrivieren en over het land bij overstromingen.

Catchment of stroomgebied: het gebied waarbinnen water naar dezelfde rivier beweegt. Kenmerkend is dus een riviervallei in het midden van het stroomgebied met toenemende hoogte van het land naar de randen van het stroomgebied. 

Water in een stroomgebied belandt op verschillende manieren in de rivier: het stroomt over het land van hoog naar laag bij heftige regenval. Regenwater valt direct in de rivier. Regenwater dat de grond intrekt stroomt als grondwater ook naar het laagste punt van het stroomgebied, de rivier.

Stroomgebied

Ik giet een emmer water leeg in achtereenvolgens Zürich, Munchen, Nürnberg, Dortmund en Hannover. 

Welke emmer(s) water komt/komen niet in Nederland aan?

Door welke rivieren stroomt regenwater uit Saarbrücken achtereenvolgens?

Catchment of stroomgebied: het gebied waarbinnen water naar dezelfde rivier beweegt. Kenmerkend is dus een riviervallei in het midden van het stroomgebied met toenemende hoogte van het land naar de randen van het stroomgebied. 

Water in een stroomgebied belandt op verschillende manieren in de rivier: het stroomt over het land van hoog naar laag bij heftige regenval. Regenwater valt direct in de rivier. Regenwater dat de grond intrekt stroomt als grondwater ook naar het laagste punt van het stroomgebied, de rivier.

1: ik loop van een rivier naar de rand van een stroomgebied altijd bergopwaarts.
2: het watervolume dat vervoerd wordt door de benedenloop is even groot als door de bovenloop.

1. 1 en 2 zijn allebei juist
2. 1 is juist en 2 is onjuist
3. 1 is onjuist en 2 is juist
4. 1 en 2 zijn allebei onjuist

De grens van een stroomgebied is altijd het hoogst in de omgeving. Immers, aan de andere kant van de grens zit een ander stroomgebied waar ook water naar beneden stroomt richting een andere rivier.

Gaandeweg komt er dus steeds meer water in de rivier terecht vanuit het het stroomgebied. Daarmee neemt de omvang van de rivier toe.

III - Debiet

Leg uit dat we het gaan hebben over groottes van rivieren. Hoe maak je duidelijk hoe groot of klein een rivier is? Vertel dat debiet of afvoer hier de grootheid voor is en dat die wordt aangegeven met een hoofdletter Q.

De waterverplaatsing door een rivier heet debiet. Welke maat wordt hiervoor gebruikt?

1. Watersnelheid
2. Rivierbreedte
3. Waterhoogte
4. Watervolume per tijdseenheid

Leg uit dat hoogte nog niks zegt aangezien de snelheid en breedte van de rivier ook een rol spelen. Zelfde geldt dus voor snelheid, een beekje kan heel snel stromen maar het vervoert nog steeds niet veel water. Volume op zichzelf is ook nog geen maatstaf: het volume kan zich langzaam of snel verplaatsen. Daarom is het volume per tijd.

Debiet en afvoer

Watervolume (V) wordt uitgedrukt in liters maar ook in m³ (l * b * h).

Oppervlakte (A) wordt uitgedrukt in m² en is rivierbreedte * rivierhoogte.

Snelheid (v) wordt uitgedrukt in m/s. 

Debiet (Q) wordt dan uitgedrukt in m³/s.

Debiet=​tijd​​volume​​=snelheid⋅oppervlakte

Q=​t​​V​​=v⋅A

Probeer de afleiding van Q = V/t naar v*A met leerlingen na te gaan en vraag of ze het begrjipen. Leg uit dat de lengte l in dit geval identiek is aan de afstand s. De s kennen ze van natuurkunde en de l van wiskunde, maar die koppeling moet wel even gemaakt worden :)

Vraag of leerlingen nog meer eenheden kunnen noemen voor debiet (liter per seconde komt ook wel eens voor).

Zegt het debiet iets over de dwarsdoorsnede oppervlakte of hoogte of breedte van de rivier? Nee niet per se, aangezien m3/s (Q=v*a) ook bestaat uit m/s en m2, dus de oppervlakte kan klein zijn terwijl er sprake is van een grote snelheid van het water. Andersom, kan het betekenen dat de oppervlakte groot is en de snelheid klein.

Een beekje heeft een debiet van 50 m3/s. Kinderen spelen in de rivier en leggen een stenen dam aan vanaf de zijkant waarmee de breedte van het beekje halveert. Welke uitspraken zijn waar?

1. Het debiet wordt kleiner
2. De snelheid van het water neemt toe
3. Het debiet blijft gelijk
4. De waterhoogte neemt af

Het debiet van een rivier neemt toe doordat er een zijrivier uitmondt in de rivier. Hoe zie je de verhoogde afvoer terug?

1. Het water gaat sneller stromen
2. De waterhoogte kan toenemen
3. Het water gaat langzamer stromen
4. De rivierbreedte kan toenemen

Berkel: 10 m3/s (+- 10 m breed, diepte?)

Leg uit dat dit een beekje is met lage stroomsnelheid en ook een kleine breedte en diepte, dus lage oppervlakte van de dwarsdoorsnede.

Diepte = q/b = 10/10 = 1 meter

Maas: 250 m3/s (+- 100 m breed, diepte?)

Leg uit dat de maas al een grotere dwarsoppervlakte heeft, maar dat de snelheid van deze rivier nog steeds beperkt is.

Diepte = q/b = 250/100 = 2,5 m

Rijn: 2200 m3/s (+- 400 m breed, diepte?)

Leg uit dat deze rivier een iets grotere dwarsoppervlakte heeft dan de maas, maar dat de stroomsnelheid veel groter is in de rijn dan in de maas, en dat het debiet daarom veel groter is in de rijn dan in de maas.

Diepte = q/b = 2200/400 = 5,5 m

Splitsing Rijn in Waal (2/3) en Pannerdensch kanaal (1/3)

Splitsing Pannerdensch kanaal in Nederrijn (2/3) en IJssel (1/3)

Vertel dat de Rijn splitst in de Waal, Rijn en IJssel d.m.v. twee splitsingen, bij Pannerdensche kop (Lobith) en IJsselkop (Westervoort).

De laatste jaren blijkt er meer water de IJssel in te stromen dan wenselijk is volgens de voorgaande verdeling. Wat voor maatregel(en) zou je als ingenieur kunnen nemen om de balans weer te herstellen?

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