TU Delft 1

april 1995

TWEEDE RAPPORT

TUSSENKLAPPENPOLDER

OVERZICHT VAN DE RESULTATEN VAN DE TWEEDE FASE VAN HET ONDERZOEK NAAR BRESGROEI EN DE INUNDATIE-SCHADE IN HET GEVAL VAN DE TUSSENKLAPPENPOLDER S. ten Hove

1

I echnische

TU Delft

Technische Universiteit Delft

OVERZICHT VAN DE RESULTATEN VAN DE TWEEDE FASE VAN HET ONDERZOEK NAAR BRESGROEI EN DE INUNDATIESCHADE

IN HET GEVAL VAN DE TUSSENKLAPPENPOLDER

S. ten Hové

I echnische

Adviescommissie voor de Waterkeringen

technische Universiteit Delft Faculteit der Civiele Techniek Vakgroep waterbouwkunde,-,,

VOORWOORD

De Technische Adviescommissie voor de Waterkeringen (TAW) is een adviescommissie van de Minister van Verkeer en Waterstaat. De commissie laat onderzoek'uitvoeren naar onder andere bresgroei C) en naar inundatie van gebieden en de gevolgen daarvan (TAW-E). Als aanvulling op de bestaande modellen en de uitgevoerde proeven, is in opdracht van de TAW informatie verzameld ten aanzien van de dijkdoorbraak in de Tussenklappenpolder, die 12 augustus 1992 plaats vond. ,

Aan de hand van de verzamelde informatie moet blijken of het zinvol is om in de toekomst een zogeheten 'Rampenteam' op te zetten. Dit 'Rampenteam' zal in het geval van een dijkdoorbraak snel ter plaatse moeten zijn. Het team zal metingen verichten en zo veel mogelijk op film èn foto vastleggen. De daarmee verkregen informatie kan als aanvulling dienen voor het onderzoek naar bresgroei en inundatie van gebieden.

Het onderzoek naar een dergelijk 'Rampenteam' is in samenwerking met de TU Delft uitgevoerd en is in drie fasen verdeeld. In dit rapport wordt de tweede fase beschreven. In deze tweede fase is een gedeelte van de informatie, die in de eerste fase is verzameld, gebruikt voor een nadere analyse. De informatie is verkregen uit een aantal rapporten en gesprekken die met direct betrokkenen zijn gevoerd. In de derde fase volgt een eindconclusie over het nut van een'Rampenteam'.

Gedurende dit onderzoek (januari/februari 1995) is als gevolg van hoog water in Limburg het gebied rond de Maas overstroomd en zijn een aantal polders in het rivierengebied ontruimd. Net als in ' 9 3 , toen rond Kerst de Maas ook overstromingen veroorzaakte, heeft het water veel schade aangericht. Na de overstroming eind '93 is de waterschade in kaart gebracht en is een schademodel ontwikkeld voor het stroomgebied van de Maas in Limburg. In deel 9 van de rapportage van de Commissie Boertien 2 is dit schademodel beschreven. De dijkdoorbraak die in de Tussenklappenpolder heeft plaats gevonden is qua omvang natuurlijk niet te vergelijken met de gebeurtenissen in het rivierengebied.

'P-t-"

TU Delft - TAW

I

I

I

I

INHOUDSOPGAVE

1. INLEIDING

2. SIMULATIE VAN DE DIJKDOORBRAAK MET BEHULP VAN DUFLOW

2 . 1 . Inleiding . : . . . 7 2.2. Het principe van het programma DUFLOW . . . ; , . . . 7 2.3. De benodigde invoer , . . . •.'... . 8 2.3.1. Inleiding . . . ; . . . . . . . . . . 8 2.3.2. Het netwerk : . . . . 8 2.3.3. De kanaaldwarsdoorsneden . . . : . . . 10 2.3.4. De constructies 11 2.3.5. De begincondities. , 13 2.3.6. De opgelegde randvoorwaarden . . . 13 2.3.7. De besturing van de constructies . . . . . . 14 2.3.8. Overige gegevens . . . : 14 2.4. De simulatie .'. .". . . 14

2.4.1. Inleiding t. 14

2.4.2. De verificatie van het westelijke deel van het netwerk . . . . . . . 15 2.4.3. Het bepalen van de opgelegde waterstand 18 2.4.4. Resultaat van de simulatie . . . . . . ; 19 2.5. Gatontwikkeling . . . . . ; . . . , . ; . , . . . ; . . . . 20 2.5.1. Inleiding . . . 20 2.5.2. Modelleren van de Tussenklappenpolder . . . 21 2.5.3. De aanvullende simulaties 23 2.5.4. Resultaten van de aanvullende simulaties . . 25 2.6. Discussie en conclusies . 3 0

3. SIMULATIE VAN DE DIJKDOORBRAAK MET BEHULP VAN RAMP

3 . 1 . Inleiding . . . . . . . 3 3 3.2. Het programma RAMP . . . .; . . . 33 3.3. Modellering van het gat . . ; 34 3.4. De invoer van gegevens 35 3.5. De gebruikte gegevens . . . : . . . 36 3.6. Resultaten van de simulatie 38 3.7. Conclusie . . . ; . 38

4 . INUNDATIESCHADE

4 . 1 . Inleiding 41 4.2. Toelichting bij het inundatieschademodel 41 4.3. Berekening van de schade met het inundatieschademodel 43 4.4. Overzicht van de vergoede schade 47 4.5. Vergelijking berekende schade met vergoede schade 49 4.6. Conclusie 51

LITERATUUR 53 BIJLAGE A. Knooppunten en secties 55 BIJLAGE B. Berekening van de stroomsnelheid, de gatgroei en de zandconcentratie 57 BIJLAGE C. Resultaten RAMP-simulatie 59 BIJLAGE D. Maximaal mogelijke schade en schadefactoren 63 BIJLAGE E. Dossier 2 uitgewerkt 69 BIJLAGE F. Overzicht berekende landbouwschade 73 BIJLAGE G. Overzicht vergoede landbouwschade 77

hoofdstuk 1

INLEIDING

Tijdens de aanleg van een gasleiding is in de nacht van 11 op 1 2 augustus 1992 rond 2.45 uur de westelijke dijk van het A.G. Wildervanckkanaal doorgebroken. Een groot deel van de aangrenzende Tussenklappenpolder (ongeveer 370 ha van totaal 525 ha) is onder water gelopen en heeft een aantal dagen onder water gestaan. Aan de akkerbouw, veeteelt, industrie en infrastructuur in de polder is aanzienlijke schade toegebracht. De Technische Adviescommissie voor de Waterkeringen (TAW) is een adviescommissie van de Minister van Verkeer en Waterstaat. In het kader van het TAW-onderzoek naar bresgroei in dijken (TAW-C) en naar inundatie van gebieden en de gevolgen daarvan (TAW-E) is de beschikbare informatie in het geval van de Tussenklappenpolder verzameld en beschreven in het eerste rapport [TU Delft-TAW, 1994].

Beschrijving van de doorbraak

De Tussenklappenpolder ligt ten zuidoosten van de stad Groningen en behoort tot de gemeente Menterwolde. Aan de noordkant van de polder (zie figuur 1.1) ligt het dorp Zuidbroek en ten zuiden ligt Muntendam. Langs de oostzijde van de polder ligt het A.G. Wildervanckkanaal. De Tussenklappenpolder wordt voornamelijk gebruikt voor de akkerbouw en veeteelt. Daarnaast is een klein deel van de polder in gebruik voor de winning en het transport van gas (de NAM en de Gasunie). De polder is in twee delen gesplitst door een spoordijk. Twee bedrijven die buiten de polder zijn gelegen worden via deze spoorlijn bevoorraad. Onder de spoordijk ligt een aantal duikers, zodat de twee delen van de polder wat betreft de waterhuishouding één systeem zijn (polderpeil: NAP-2,20 m). Via een duiker onder het A.G. Wildervanckkanaal en de N33, die over de oostelijke dijk van het kanaal loopt, wordt overtollig water afgevoerd naar een polder die ten oosten van het A.G. Wildervanckkanaal ligt. Aan de westkant van de polder ligt het gemaal De Munte, dat water uit de polder het Muntendammerdiep in pompt. De hoogte van het maaiveld in de polder varieert van NAP+1,00 m in het zuiden tot NAP-1,40 m in het noorden. Het maaiveld in het westelijke deel van de polder ligt gemiddeld 0,10 m hoger dan het oostelijke deel.

Het A.G. Wildervanckkanaal (kanaalbodem op NAP-3,30 m, de kruinhoogte van de beide dijken is NAP+2,00 m.) maakt deel uit van een groot netwerk van kanalen, dat het grootste deel van de boezemkanalen in de provincie Groningen vormt. Het A.G. Wilder-vanckkanaal staat in directe verbinding met het Winschoterdiep, de wateren in de stad Groningen, het Zuidlaardermeer, het Eemskanaal tot aan Delfzijl, het Reitdiep tot aan Dorkwerdersluis en het Noord-Willemskanaal tot aan de sluis bij De Punt (zie figuur 1.2). Het streefpeil in deze wateren is NAP+ 0,62 m. In dit netwerk van kanalen liggen schutsluizen in Zuidbroek, Scheemda, Groningen (Oostersluis), Dorkwerd en Delfzijl. De sluis in Zuidbroek is op 12 augustus met schotbalken gedicht. Rond 18.30 uur (ruim 1 5 uur na de doorbraak) was de sluis helemaal afgesloten. Dit is gedaan om verdere toestroom van water uit het westelijk deel van de boezemkanalen naar het A.G. Wildervanckkanaal te voorkomen.

Het Veen

na de doorbraak) was de sluis helemaal afgesloten. Dit is gedaan om verdere toestroom van water uit het westelijk deel.van de boezemkanalen naar het A.G. Wildervanckkanaaï te voorkomen.

Als gevolg van de doorbraak in de westelijke dijk van het A.G. Wildervanckkanaal is eerst het oostelijke deel van de Tussenklappenpolder volgelopen. Door de duikers onder de spoordijk is het water het westelijke deel van de polder ingestroomd. De waterstand in het oostelijke deel van de polder is tot een zodanige hoogte gestegen dat het water ook over de spoordijk is gestroomd. .

Door middel van het storten van puin dat snel beschikbaar was, heeft men getracht het gat in de dijk te dichten. Rond 9.30 uur (ruim 6.30 uur na de doorbraak) is een ponton voor het gat afgezonken. Toen bleek dat dit onvoldoende resultaat opleverde werd een meer georganiseerde aanvoer, van dichtingsmateriaal opgezet. Vanuit Delfzijl zijn twee kraanschepen naar de dijkdoorbraak gevaren. De twee kraanschepen zetten het met vrachtauto's aangevoerde materiaal over van de N33 naar het gat.

Dankzij de grotere hoeveelheid materiaal die werd gestort en het sterk verkleind verval (lagere stroomsnelheid in het gat) is het gat uiteindelijk op 13 augustus rond 5.50 uur gedicht; 28 uur na de doorbraak. Ongeveer 45 uur na de doorbraak is het water in de beide poldergedeelten geëgaliseerd en is een evenwichtswaterstand van NAP-0,65 m bereikt. Gedetailleerde gegevens over de breedte- en dieptegroei van het gat in de tijd zijn niet beschikbaar, zodat het onbekend is hoe het gat zich precies in de tijd ontwikkeld heeft. Op het moment van de doorbraak waren enkele mensen van de betrokken aannemer ter plaatse bezig met de aanleg van een gasleiding onder het kanaal (met behulp van een gesloten schildboring). Aan de hand van de informatie die uit gesprekken met ooggetuigen is verkregen, is een schatting te maken van de breedte op een aantal tijdstippen. De doorbraak is ingeleid door lekkage ter plaatse van de werkzaamheden. Eerst heeft zich vanaf de polderzijde een gleuf van 1 è 2 m breedte door de dijk gevreten. Ongeveer .20 min. na het begin van de lekkage brak de dijk door. In 2 tot 4 uur is het gat tot een breedte van 21 m gegroeid; Wat betreft de dieptegroei zijn na het dichten van het gat enkele peilingen verricht rond het gat en is er het vermoeden dat ter plaatse van de aan te leggen leiding een gat is uitgespoeld tot een diepte van NAP-7,50 m. Dit is circa 4 m dieper dan dé oorspronkelijke kanaalbodem. . . .

Het debiet en de stroomsnelheid in het gat zijn niet gemeten, zodat niet precies bekend is hoeveel waterde polder is ingestroomd. De Provincie schatte de hoeveelheid ingestroomd water op 2,5 miljoen m3. In het eerste rapport is deze hoeveelheid geschat op 2,1 miljoen

m3 tot 2,7 miljoen m3. Bij het bepalen van de hoeveelheid ingestroomd water is gebruik

gemaakt van de evenwichtswaterstand in de polder en drie, in hét kanalenstelsel, geregistreerde waterstanden.

De drie waterstanden zijn vanaf 12 augustus 0.00 uur geregistreerd door automatische waterstandsmeters in Zuidbroek, bij de Oostersluis in de stad Groningen en bij het Zuidlaardermeer (zie figuur 1.3). .

I

Tussenklappenpolder

Inleiding

I

I

I

I

I

I

I

I

I

f

I

I

I

I

I

I

I

In het waterstandsverloop bij de sluis van Zuidbroek is een tijdelijke stijging van de

waterstand van NAP + 0,08. m om 9.30 uur naar NAP+ 0,17 m om 14.00 uur te zien. Van

16.00 uur tot 17.00 uur blijft de waterstand gelijk (NAP+ 0,17 m). Deze verhoging is

ontstaan doordat de toevoer van water uit het omringende kanalenstelsel groter is geweest

dan de afvoer naar. de polder via het gat. De kleinere afvoer door het gat kan twee

oorzaken hebben: .

-1 .de snel gestegen waterstand in de polder, waardoor het verval en daarmee het debiet

door het gat kleiner is geworden.

2. het ponton, dat rond 9.30 uur voor het gat is afgezonken, heeft het

doorstroom-oppervlak en daarmee het debiet door het gat sterk gereduceerd.

Door het afsluiten van de sluis bij Zuidbroek en een continu aanwezig debiet door het gat

begint het water bij de sluis van Zuidbroek vanaf 17.00 uur weer te dalen.

Uit de drie geregistreerde waterstanden blijkt dat de waterstand in het A.G.

Wildervanck-kanaal en in de twee andere lokaties voor de doorbraak circa NAP + 0,62 m is geweest. Bij

de Oostersluis en in het Zuidlaarderrheer is na de daling van de waterstand tot

respectievelijk NAP + 0,33 m en NAP + 0,48 m een snel herstel te zien tot het

oorspronkelijke niveau. Dit komt omdat enkele gemalen water in het deel van de

boezemkanalen ten westen van Zuidbroek gepompt hebben. Een spoedig herstel van de

oorspronkelijke waterstand was van groot belang voor de scheepvaart.

Met behulp van een aantal simulaties van de dijkdoorbraak is geprobeerd een beter inzicht

te krijgen in de grootte van het debiet door het gat en daarmee in de totale hoeveelheid

water die de polder is ingestroomd. Ook is met behulp van de simulaties geprobeerd de

mogelijke oorzaak van de tijdelijke stijging van de waterstand in Zuidbroek te vinden.

0. 5 0. 3 -0. 2 : Zuidlaardermeer :

\ i \ . ï - ' ;••.,-?'•;'";

-yr^j^rp ;

T

figuur 1.3 De drie geregistreerde waterstanden voor de periode van 12 augustus 0.00 uur

(t = 0) tot 13 augustus 7.00 uur

Tussenklappenpolder Inleiding

I

Wat betreft de inundatieschade is het de vraag of de schade, zoals die met behulp van het

door TNO-bouw ontwikkelde inundatieschademodel kan worden berekend, overeenkomt M

met de in werkelijkheid uitgekeerde vergoeding. De Gasunie heeft inzage gegeven in een •

deel van de gegevens betreffende de uitgekeerde vergoeding, zodat het mogelijk is om de

berekende schade met de uitgekeerde vergoeding te vergelijken. _

In dit rapport worden de simulaties en de schadevergelijking beschreven en uitgewerkt. In

hoofdstuk 2 worden de simulaties van de dijkdoorbraak met behulp van het

computer-programma DUFLOW beschreven. In hoofdstuk 3 wordt de simulatie van de dijkdoorbraak I

beschreven, zoals die met behulp van het computerprogramma RAMP is uitgevoerd. De ~

berekening van de inundatieschade, de in werkelijkheid uitgekeerde vergoeding en de

vergelijking van beide zijn in hoofdstuk 4 uitgewerkt en toegelicht. •

TU Delft - TAW

I

I

I

I

1

I

I

I

I

I

I

I

I

hoofdstuk 2 •

SIMULATIE VAN DE DIJKDOORBRAAK MET BEHULP VAN DUFLOW

2 . 1 . INLEIDING

Om meer inzicht te krijgen in de stroming die, na de dijkdoorbraak in de Tussenklap-penpolder, in en rond het gat in de dijk is ontstaan, is een simulatie met behulp van het computerprogramma DUFLOW uitgevoerd.. In dit hoofdstuk wordt beschreven hoe de simulatie van de dijkdoorbraak met het programma DUFLOW is opgezet en wat de resultaten zijn van die simulatie.

Het hoofddoel van de simulatie is het vinden van het verloop van het debiet door het gat in de tijd (de Q-t kromme). Aan deze Q-t kromme is wellicht ook te zien wat de invloed van het voor het gat afgezonken ponton is geweest en hoe het gat zich in de eerste uren in de breedte heeft ontwikkeld. Daarnaast is de maximale stroomsnelheid door het gat en de totale hoeveelheid water, die door het gat is gestroomd, geschat.

In paragraaf 2.2. is het principe van het programma DUFLOW beschreven.. In paragraaf 2.3. wordt beschreven hoe het te simuleren, stelsel van kanalen en meren tot een netwerk is gemodelleerd. Daarbij zijn de benodigde invoer en enkele mogelijkheden van het programma aangegeven. In paragraaf 2.4. zijn de aanpak bij de simulatie, de verificatie van het deel van het netwerk ten westen van de sluis bij Zuidbroek en de resultaten van de simulatie beschreven. In paragraaf 2.5. worden enkele aanvullende simulaties behandeld, die zijn uitgevoerd om meer te weten te komen over de bresgroei. Als laatste volgen in paragraaf 2.6. een discussie en enkele conclusies.

2.2 HET PRINCIPE VAN HET PROGRAMMA DUFLOW

DUFLOW is een computerprogramma voor de berekening van één-dimensionale niet-stationaire stromingen in open waterlopen. Ook is het mogelijk de verplaatsing en verspreiding van (verontreinigende) stoffen in die waterlopen te bestuderen. Het programma is ontwikkeld door een vijftal instanties; Rijkswaterstaat, het International Institute for Hydraulic and Ènvironmental Engineering (IHE), TU Delft, LU Wageningën en de Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer (STOWA). De onderstaande beschrijving is gebaseerd op de DUFLOW-handleiding [ICIM, 1992].

Het programma DUFLOW is gebaseerd op de één-dimensionale partiële differentiaal vergelijkingen die een niet-stationaire stroming in open waterlopen beschrijven. Deze vergelijkingen luiden voor respectievelijk behoud van massa en behoud van momentuhn:

bd t - d x ; .: • • • . .• • _ : ;

e n : .' • .

aq

dh'. aioQü

ma

^

„

^ _ • , '

dt • dx dx . C2AR • :

-met: Q - u * A 13] waarin:

t

c

a

tijd.

afstand langs de kanaalas.

waterniveau ten opzichte van het referentie niveau.

gemiddelde snelheid over het stroomvoerend oppervlak.

debiet ter plaatse van x op tijdstip t.

hydraulische straal.

stroomvoerend oppervlak dwarsdoorsnede.

bergende breedte.

stroomvoerende breedte.

zwaartekrachtsversnelling.

Chézy coëfficiënt.

correctie factor voor de niet-uniforme snelheidsverdeling in de advectieve term.

wind richting.

richting van de sectie-langsas, vanuit het noorden met de klok mee gemeten.

windsnelheid.

wind conversie coëfficiënt.

2.3. DE BENODIGDE INVOER 2.3.1. Inleiding

Om een simulatie uit te kunnen voeren moet het betrokken stelsel van waterlopen (kanalen

en meren) worden gemodelleerd. Daarvoor zijn gegevens van de waterlopen, de

randvoorwaarden, de gebruikte constructies en de waarden voor een aantal parameters

nodig. In deze paragraaf is voor de simulatie van de dijkdoorbraak in de

Tussenklappenpolder per onderwerp beschreven welke waarden zijn gebruikt. De gebruikte

gegevens zijn uit gesprekken met direct betrokkenen en uit de beschikbare literatuur

verkregen. Als laatste volgt een overzicht van een aantal algemene reken- en hydraulische

parameters waarvoor waarden moeten worden opgegeven.

2.3.2. Het netwerk

Het stelsel van waterlopen waarmee een simulatie zal worden uitgevoerd, wordt eerst in

een model omgezet. Daarvoor wordt het stelsel van waterlopen op een schematische wijze

(= het netwerk) in het programma ingevoerd.

Het modelleren van de waterlopen begint met het definiëren van secties. De secties geven

hele kanalen of gedeelten daarvan weer (zie figuur 2.1). Ook grote wateroppervlakken,

zoals meren, worden door één of meer secties weergegeven. Bij het definiëren van de

secties wordt per sectie het begin- en eindknooppunt gegeven. In het te modelleren stelsel

kunnen één of meer constructies, zoals bijvoorbeeld een overlaat of een stuw, gesitueerd

zijn. Ook voor de constructies moet een begin- en eindknooppunt worden ingevoerd. In

paragraaf 2.3.4. wordt nader op de constructies ingegaan.

Vervolgens worden de coördinaten van de knooppunten en het eventueel aanwezige oppervlak van dat knooppunt ingevoerd. Daarop volgend worden gegevens zoals de lengte, de bodemligging en de weerstand voor die sectie ingevoerd. De wind is bij deze simulatie buiten beschouwing gelaten (voor de windsnelheid is de waarde 0 ingevoerd).

In figuur 2.1 is het netwerk weergegeven waarmee het stelsel van waterlopen rond de Tussenklappenpolder is geschematiseerd. De stijgende waterstand in de polder heeft bij de gekozen werkwijze (zie paragraaf 2.4.) geen invloed op de vorm van de gezochte Q-t kromme. Daarom is de polder bij de simulatie niet in het netwerk opgenomen.

Een aantal richtpunten in het netwerk zijn de volgende knooppunten: 5 = de stad Groningen.

15/16 = sluis van Zuidbroek. 17 = Winschoten.

19 = Veendam.

20 = plaats van de dijkdoorbraak.

In figuur 2.1 zijn twee secties aangegeven. Sectie 1 geeft een gedeelte van het Eemskanaal weer. Sectie 19 geeft het gedeelte van het A.G. Wildervanckkanaal van de plaats van de doorbraak tot Veendam weer.

1T T

2 - -

-L-sectie 1

14

15 16 18

H—h

4-L

8 12

17

_L19 1

sectie 19

figuur 2.1 Het netwerk met daarin aangegeven alle knooppunten

In Bijlage A is een overzicht gegeven van de knooppuntcoördinaten en de lengtes van de ingevoerde secties en constructies.

Sectie 20 is een zeer korte, doodlopende sectie. Deze sectie geeft het gat in de dijk weer. In de simulatie is aangenomen dat het debiet dat ter plaatse van punt 20 die sectie TU Delft - TAW

instroomt het debiet is dat door het gat is gestroomd.

De begin- en eindknooppunten van de boezemkanalen in het netwerk zijn in tabel 2.1 gegeven. kanaal A.G. Wildervanckkanaal Winschoterdiep Eemskanaal Reitdiep Noord-Willemskanaal beginknooppunt 18 5 1 3 4 eindknooppunt 19 17 5 5 5

tabel 2.1 Begin- en eindknooppunten van de boezemkanalen in het netwerk

2.3.3. De kanaaldwarsdoorsneden

Voor elke sectie moet aan het begin en eind de kanaaldoorsnede worden gegeven. Hiervoor worden de bergende en de stroomvoerende breedte (respectievelijk Bb en Bs) op

verschillende hoogtes ingevoerd (zie figuur 2.2).

B

h

Om

^ B

= B

stroomvoerend oppervlak

figuur 2.2 Bergende en stroomvoerende breedte (respectievelijk Bb en Bs)

Voor de secties in het netwerk die de boezemkanalen weergeven is de stroomvoerende breedte gelijk gesteld aan de bergende breedte. Deze secties hebben dus geen extra bergende capaciteit. Voor de grote wateroppervlakken, zoals het Zuidlaardermeer en het Foxholstermeer, is er wel sprake van een extra bergende capaciteit. De afmetingen van de dwarsdoorsneden die voor de kanalen en de meren rond de Tussenklappenpolder zijn gebruikt staan gegeven in tabel 2.2 en tabel 2.3. Dit zijn de gegevens zoals die voor de verificatie van het model zijn aangenomen.

kanaal

A.G. Wildervanckkanaal

Eemskanaal

Noord-Willemskanaal

Winschoterdiep

verbindingskanalen

bodemniveau (m t.o.v. NAP)

-3,30

-4,00

-3,30

-3,30

-2,00

tabel 2.2 Overzicht van de afmetingen van de kanaaldwarsdoorsneden

bergende en

stroom-voerende breedte van de

meren (m)

Zuidlaardermeer

Foxholstermeer

sectie 8

sectie 12

ter hoogte van

het bodemniveau

1800

ter hoogte van het

wateroppervlak

1800

bodemniveau

(in m t.o.v.

NAP)

-2,00

-2,00

-2,00

tabel 2.3 Overzicht van de dwarsdoorsneden van het Zuidlaardermeer en het

Foxholstermeer (B

= bergende breedte, B

= stroomvoerende breedte)

2.3.4. De constructies

In het netwerk kunnen constructies worden opgenomen. In DUFLOW zijn standaard 5

verschillende constructies gedefinieerd. Er kan worden gekozen uit een overlaat, een

schuif, een stuw, een syphon of een pomp. Naast het modelleren van eenzelfde in de

werkelijkheid bestaande constructie, kunnen ze ook worden gebruikt voor het nabootsen

van andere soorten constructies of obstakels (zoals een sluis) die niet standaard in

DUFLOW zijn gedefinieerd.

Als in het netwerk constructies zijn opgenomen, dan moeten die nader worden

gespecifi-ceerd. Voor elk van de constructies moet bijvoorbeeld de drempelhoogte, de breedte, de

capaciteit, etcetera, worden gegeven. In paragraaf 2.3.7. is beschreven hoe de

eigenschappen van de constructies gedurende een simulatie kunnen worden gevarieerd.

In het geval van de Tussenklappenpolder is door middel van een constructie de sluis bij

Zuidbroek nagebootst. Hiervoor is een overlaat met een drempelhoogte van NAP-3,00 m

en een breedte van 14 m gekozen.

Bij deze simulatie is alleen een overlaat toegepast. De wijze waarop het programma

DUFLOW een overlaat modelleert is hieronder in het kort beschreven. Deze beschrijving is

gebaseerd op de DUFLOW-handleiding.

In het algemeen geldt voor het debiet over een overlaat:

Q - \iBbj2gAh

waarin:

B : breedte van de overlaat.

fj : reductie coëfficiënt (verlies coëfficiënt).

h : waterdiepte boven de drempel. Ah : het verval over de constructie.

Voor een volkomen overlaat (zie figuur 2.3) geldt:

h

= -?/

Ah

= 4/

hb0 : bovenstroomse waterstand,

h : waterdiepte boven de drempel. Ah : het verval over de constructie.

In het geval van een volkomen overlaat is de benedenstroomse waterstand lager dan tweederde van de bovenstroomse waterstand (hb0)

drempel

figuur 2.3 De volkomen overlaat

Voor een onvolkomen overlaat (zie figuur 2.4) geldt:

h = h^ en Ah = / it o - h^ , waarbij : /JÖ0 > | / 7t o [6]

waarin:

hb0 : bovenstroomse waterstand.

hbe : benedenstroomse waterstand.

Bij een veranderde stromingssituatie schakelt het programma indien nodig vanzelf over op de andere stromingsdefinities.

drempel

figuur 2.4 De onvolkomen overlaat

2.3.5. De begincondities

Als beginconditie moet voor elk knooppunt een waterstand en debiet worden ingevoerd. In de kanalen rondom de Tussenklappenpolder was de waterstand voor de dijkdoorbraak NAP + 0 , 6 2 m .

Omdat er voor de dijkdoorbraak geen stroming was in het kanalenstelsei of de polder is in alle knooppunten een begin-debiet van 0 m3/s aangenomen.

2.3.6. De randvoorwaarden

In het programma kunnen ook randvoorwaarden worden opgelegd in één of meer knooppunten in het netwerk. Dit kan een waterstand, debiet, regenintensiteit of windkracht zijn. Deze dienen dan als een constante of als bijvoorbeeld een tijdreeks te worden opgegeven.

Bij de verificatie van het netwerk en in de simulatie zelf zijn twee verschillende randvoorwaarden gebruikt;

1. Bij de verificatie van het deel van het netwerk ten westen van de sluis bij Zuidbroek (zie paragraaf 2.4.) is het bij de sluis van Zuidbroek geregistreerde waterstandsverloop (zie figuur 1.3) als randvoorwaarde gebruikt. Deze randvoorwaarde is in knooppunt 18 opgelegd.

2. Bij de simulatie is een waterstandsverloop ter plaatse van de dijkdoorbraak als randvoorwaarde opgelegd. Omdat het waterstandsverloop in dit punt niet is geregistreerd, is het opgelegde waterstandsverloop iteratief bepaald. In paragraaf 2.4.3. wordt hier nader op in gegaan. Deze randvoorwaarde is in knooppunt 22 opgelegd.

2.3.7. De besturing van de constructies

Het is mogelijk om op verschillende manieren, zoals met een tijdreeks, de gekozen

constructies te sturen. Zo kan bijvoorbeeld de drempelhoogte of de breedte van de

constructie (en dus de afmetingen van een bres) in de tijd worden gevarieerd.

Het sluiten van de sluis bij Zuidbroek met schotbalken is gesimuleerd met een stijgende

drempelhoogte tot boven de waterspiegel op het moment dat de sluis dicht is (rond 18.30

uur).

2.3.8. Overige gegevens

Wanneer alle bovengenoemde gegevens betreffende het netwerk zijn ingevoerd, moeten

nog waarden voor de reken- en hydraulische parameters worden opgegeven.

Er moet bijvoorbeeld worden aangegeven wanneer de berekening start, vanaf welk tijdstip

de uitvoer moet worden opgeslagen en er moet een waarde voor de tijdstap (voor de

berekening en de gevraagde uitvoer) worden gegeven. De duur van de hier beschreven

simulatie is 50 uur met een tijdstap van 3 min. voor de berekening en de uitvoer.

Als laatste worden enkele hydraulische parameters ingevoerd. Er kan uit twee

weerstands-formules worden gekozen; de formule van De Chézy en de formule van Manning. In deze

simulaties is de formule van De Chézy gebruikt.

2.4. DE SIMULATIE

2.4.1. Inleiding

In deze paragraaf is de simulatie beschreven waarmee is geprobeerd de Q-t kromme voor

het gat te vinden. Hierbij komt de voorbereiding en de algehele opzet van de simulatie aan

de orde.

Het gebruikte model (het netwerk) moet zo veel mogelijk de realiteit benaderen. Daarom

is voordat de simulatie is uitgevoerd, het netwerk geverifieerd. Daarbij is het netwerk

zodanig afgeregeld dat de waterstanden tijdens de netwerkberekeningen gelijk zijn aan de

(gedurende de doorbraak) gemeten waterstanden in het kanalenstelsel. Vanwege de

beperkte hoeveelheid geregistreerde waterstanden is het niet mogelijk het hele netwerk te

verifiëren. In paragraaf 2.4.2. is beschreven hoe de verificatie in zijn werk is gegaan en

welke aanpassingen aan het netwerk zijn vericht.

Gedurende de simulatie is in knooppunt 22 een waterstandsverloop opgelegd. Dit

waterstandsverloop is iteratief bepaald, zodanig dat uit de simulatie in punt 1 8 (de sluis van

Zuidbroek) hetzelfde waterstandsverloop volgt als het in werkelijkheid bij de sluis

geregistreerde waterstandsverloop. De hoeveelheid water die in de tijd door sectie 20 naar

knooppunt 22 stroomt geeft het debiet in de tijd door het gat weer. Dit debietverloop is de

gezochte Q-t kromme. In paragraaf 2.4.3. is nader beschreven hoe de opgelegde

waterstand ter plekke van de dijkdoorbraak is bepaald en hoe de simulatie is uitgevoerd.

De resultaten van de simulatie zijn in paragraaf 2.4.4. gegeven.

2.4.2. De verificatie van het westelijke deel van het netwerk

In deze paragraaf is eerst de verificatie van het netwerk beschreven. Daarna volgt er een overzicht van de definitieve waarden die voor de weerstand en het bodemniveau in de simulatie zijn gebruikt.

de verificatie

Bij de verificatie is de bij de sluis van Zuidbroek geregistreerde waterstand in knooppunt 18 als randvoorwaarde opgelegd. Vervolgens is gekeken naar de reactie van de waterstanden in de punten 5 en 6 (respectievelijk de Oostersluis in de stad Groningen en het Zuidlaardermeer).

De punten 5 en 6 liggen ten westen van de sluis van Zuidbroek. In de kanalen die ten oosten van Zuidbroek zijn gelegen, zijn geen waterstanden gemeten. Tot dit gedeelte behoort het A.G. Wildervanckkanaal en het gedeelte van het Winschoterdiep tot Winschoten. Dit gedeelte van het netwerk is bij de verificatie niet van belang. Het 'oorspronkelijke netwerk is daarom voor de verificatie aangepast. Het aangepaste

(verkleinde) netwerk is in figuur 2.5 weergegeven.

1T

2-

11

14

15 16 18

1

figuur 2.5 Het aangepaste netwerk voor de verificatie

Het netwerk is door middel van het varieren van de diepte en de weerstand van de secties zodanig aangepast dat het verloop van de waterstand in de knooppunten 5 en 6 zo goed mogelijk overeenkomt met de geregistreerde waterstandsverlopen in die twee punten (zie figuur 1.3). Door bijvoorbeeld de weerstand in een sectie te vergroten (kleinere C-waarde) stroomt het water minder snel door die sectie. Hetzelfde effect wordt bereikt wanneer het bodemniveau in een sectie hoger wordt aangenomen. Hiermee wordt de waterdiepte

verkleind en stroomt het water langzamer door die sectie. Het verloop van de waterstand

kan op deze manier in bepaalde delen van het netwerk worden beïnvloed. Op deze manier

is getracht de reactie van het gehele systeem in de simulaties zo veel mogelijk te laten

lijken op de reactie die het kanalenstelsel in werkelijkheid heeft gegeven.

Voor de weerstand zijn waarden gebruikt tussen de 30 en de 70 m*/s en voor de

bodemniveau's is een maximale afwijking van het werkelijke bodemniveau van 0,15 m

aangenomen

De sluis van Zuidbroek is 12 augustus rond 18.30 uur afgesloten. Het deel van het netwerk

dat ten westen van Zuidbroek is gelegen, is vanaf 18.30 uur afgescheiden van het deel

waar de dijkdoorbraak plaats vond. Voor het verloop van de waterstanden in de punten 5

en 6 is daarom alleen gekeken naar de periode van 12 augustus 0.00 uur tot 18.30 uur.

Het verloop van de geregistreerde waterstanden in de punten 5 en 6 is met het varieren

van de weerstand en het bodemniveau (waterdiepte) in de verschillende secties niet exact

te reproduceren. Het hier bereikte optimale geval is weergegeven in figuur 2.6. In punt 6

(het Zuidlaarder-meer) komen de geregistreerde waterstand en de waterstand die uit de

simulatie volgt goed overeen. Bij punt 5 (de Oostersluis) is dit in veel mindere mate het

geval. Vanaf 8.00 uur daalt de waterstand uit de simulatie tot maximaal 0,05 m onder de

geregistreerde waterstand.

Het netwerk is zodanig aangepast dat aan het eind van de beschouwde periode (18.30 uur)

de berekende en de geregistreerde waterstand gelijk zijn.

I

waterstand in punt 5 volgend uit de verificatie, waterstand in punt 6 volgend uit de verificatie.

tijd (uren)

figuur 2.6 Het geregistreerde waterstandsverloop en het waterstandsverloop zoals dat uit de verificatie volgt voor de Oostersluis en het Zuidlaardermeer

In figuur 2.7 is het verloop van het debiet door de sluis bij Zuidbroek, zoals dat bij de

verificatie is gevonden, weergegeven. Dit debietverloop is in paragraaf 2.4.3. gebruikt bij

het bepalen van het opgelegde waterstandsverloop bij het gat.

de definitieve waarden voor de weerstand en het bodemniveau

Gedurende de verificatie is voor veel secties de weerstand en het bodemniveau

(waterdiepte) gevarieerd. In tabel 2.4 staan de definitieve waarden gegeven. In de simulatie

zijn deze waarden gebruikt.

en

s

1 sluis \

figuur.2.7 Het debietverloop door de sluis bij Zuidbroek

sectie

4- .

bodemniveau (in

m t.o.v. NAP).

-4,00

-4,00 .

-2,50

-3,35

-3,45

-1,90

-1,90

weerstand

(m*/s)'

sectie

bodemniyeau (in

m t.o.v. NAP)

-1,90

-1,90

-1,90

-3,45

-2,00

-2,00

-3,45

weerstand

(m*/s)

tabel 2.4 Overzicht van de definitieve waarden voor de weerstand en bodemniveau

In de simulatie is weer het oorspronkelijke netwerk zoals dat in figuur 2.1 is weergegeven

gebruikt. Ten opzichte van het geverifieerde netwerk zijn er een aantal secties

aangekoppeld. Dit zijn de drie secties 17 tot en met 19 en de zeer korte sectie 20. Voor

deze secties is een C-waarde van 45 m^/s en een bodemniveau van NAP-3,30 m

aangenomen.

2.4.3. Het bepalen van de opgelegde waterstand

Zoals al eerder vermeld is in knooppunt 22 een waterstandverloop opgelegd, waarna is

gekeken naar het debiet dat in de tijd naar dat punt toestroomt. Dit waterstandsverloop is

niet geregistreerd en moet daarom zelf worden bepaald.

Knooppunt 22 ligt net buiten het A.G. Wildervanckkanaal ter hoogte van de doorbraak. De

aanliggende sectie 20 (van knooppunt 20 naar knooppunt 22) is zeer kort (10 m), zodat

binnen die sectie een verwaarloosbaar waterstandsverschil ontstaat. Het

waterstands-verloop in knooppunt 20 is daarom hetzelfde als het opgelegde waterstandswaterstands-verloop in

knooppunt 22. Knooppunt 20 is het punt in het A.G. Wildervanckkanaal ter hoogte van de

doorbraak.

De in knooppunt 22 opgelegde waterstand is zodanig bepaald dat uit de simulatie in punt

18 (ter plaatse van de sluis van Zuidbroek) een waterstandsverloop volgt dat hetzelfde is

als het in werkelijkheid geregistreerde waterstandsverloop in dat punt. Dit is gedaan door

een aantal keren de opgelegde waterstand aan te passen en de reactie van de waterstand

in knooppunt 18 te bestuderen.

De hoeveelheid water die in de tijd door sectie 20 naar knooppunt 22 stroomt geeft het

debiet in de tijd door het gat weer. Dit debietverloop is de gezochte Q-t kromme.

Uit de runs die bij de verificatie met het programma zijn uitgevoerd is bekend hoe groot het

maximale debiet is dat ter plaatse van de sluis van Zuidbroek door de kanalen stroomt ( Q ^

= 56 m

/s). Met het maximale debiet en het doorstroomoppervlak van het kanaal

(ongeveer 115 m

) kan worden berekend hoe groot de stroomsnelheid in de kanalen ter

plaatse van de sluis ongeveer is geweest (0,5 m/s). Aan de hand van die stroomsnelheid

kan een eerste (grove) schatting worden gemaakt van het verschil in waterstand bij de sluis

en bij het gat. Dit is gedaan met behulp van de volgende formule:

u - C*\jR*l - C*.

[7]

CT L

waarin:

C : de Chézy coëfficiënt.

Ah : het verval.

L : de afstand waarover het verval staat.

A : het doorstroomoppervlak.

O : de natte omtrek van het kanaal.

Voor de bovenstaande variabelen worden nu de volgende waarden aangenomen; C = 45

m

/s, A = 115 m

, O = 42 m en L = 850 m. Met deze waarden volgt uit de formule voor

het maximale verval: Ah = 0,04 m. Vooral door de toestroom van water uit de secties 17

en 19 is het maximale debiet in het A.G. Wildervanckkanaal groter dan bij de sluis van

Zuidbroek. Het verval tussen de sluis en het gat zal daarom groter zijn dan hier berekend. De eerste keer dat de simulatie wordt uitgevoerd, wordt met behulp van de hierboven gemaakte schatting een waterstandsverloop aangenomen.,Na elke run wordt het verloop bijgesteld. Dit wordt herhaald tot het waterstandsverloop in punt 18 (de sluis van Zuidbroek) gelijk is aan het bij de sluis geregistreerde verloop van de waterstand (zie figuur 1.3). • . . •

2.4.4. Resultaat van de simulatie

Het verloop van de waterstand bij de sluis van Zuidbroek (knooppunt 18) is exact te reproduceren. Samen met de uiteindelijk ter plaatse van de doorbraak opgelegde waterstand (knooppunt 22) is deze in figuur 2.8 weergegeven.

z O 65 0.60 0.55 0.50 0!45 0.40 0. 35 0. 30

s

: • • •

V

-

"

: \

figuur 2.8 Verloop van de waterstand in de punten 18 en 22

De hoeveelheid water die ter plaatse van knooppunt 20 sectie 20 instroomt is de hoeveelheid water die de polder instroomt. Dit debietverlpop in de tijd is de gezochte Q-t kromme voor het gat. In figuur 2.9 is deze Q-t kromme weergegeven.

In de Q-t kromme is te zien hoe hét debiet tot 9.00 uur blijft stijgen tot een maximum van 71 m3/s. Tussen 9.00 en 10.00 uur daalt het debiet plotseling lineair naar 48 m3/s. Deze

plotselinge daling van het debiet is veroorzaakt door het ponton dat in die periode voor het gat is afgezonken.

Na 10.00 uur daalt het debiet als gevolg van het steeds kleiner wordende verval tot ongeveer 3 m3/s rond 18.30 uur. Op dat moment is de sluis bij Zuidbroek gesloten.

Vervolgens blijft een constant debiet van ongeveer 3 m3/s door het gat stromen tot 26.00

uur. Daarna daalt het debiet met het afdichten van het gat snel tot de stroom op 31.00 uur

is gestopt. In de simulatie ontstaat er een snel uitdempende schommeling van het debiet

rond de 0 m

/s.

Afgaande op de Q-t kromme uit figuur 2.9 is er in totaal 2,2 miljoen m

water de polder

ingestroomd.

"5

:

/ Y

/ <

- 7 •

l

v

jat

/ \

\

tijd (uren)

figuur 2.9 De Q-t kromme die voor het gat geldt

2.5. GATONTWIKKELING 2 . 5 . 1 . Inleiding

Met behulp van de in paragraaf 2.4. gevonden Q-t kromme is geprobeerd meer inzicht te

krijgen in de ontwikkeling van het gat in de breedte. Hiervoor zijn drie aanvullende

simulaties uitgevoerd.

De stijgende waterstand in de polder heeft in deze aanvullende simulaties wel invloed op

de stroming door het gat. Daarom is de (gemodelleerde) Tussenklappenpolder aan het

netwerk gekoppeld. Het gat in de dijk is als een overlaat gemodelleerd. Het modelleren van

de polder en het gat wordt behandeld in paragraaf 2.5.2. Door deze overlaat volgens

verschillende mechanismen te laten groeien is geprobeerd de eerder gevonden Q-t kromme

te reproduceren. Bij de juiste gatontwikkeling ontstaat dezelfde Q-t kromme als in de eerste

simulatie is gevonden (zie paragraaf 2.5.3.). Bij deze drie aanvullende simulaties is alleen

de periode van 12 augustus 0.00 uur tot 10.00 uur bestudeerd. In paragraaf 2.5.4. worden

de resultaten van de aanvullende simulaties behandeld.

2.5.2. Modelleren van de Tussenklappenpolder

In de aanvullende simulaties is aan de korte sectie 20 in knooppunt 22 de polder aan het netwerk gekoppeld. Alleen de polder, de overlaat en de korte sectie met de opgelegde waterstand zijn in de simulaties van belang. De rest van het oorspronkelijke netwerk speelt in deze aanvullende simulaties geen rol en is daarom weggelaten. Het gebruikte netwerk ziet er uit als in figuur 2.10 is weergegeven.

westelijk deel oostelijk deel van de polder van de polder

22 20

figuur 2.10 Het gebruikte netwerk

Het oostelijke deel van de polder is van beneden naar boven als volgt geschematiseerd (zie figuur 2.11);

* van het bodemniveau tot NAP-1,75 m: Bs = Bb = 10 m (dit stelt het bergend en

stroomvoerend oppervlak van de sloten met lage bodemligging voor),

* van NAP-1,75 m tot NAP-0,95 m: een snel groeiende bergende breedte. Vanaf NAP-1,75 m tot NAP-1,45 m, van NAP-1,45 m tot NAP-1,25 m en van NAP-1,25 m tot NAP-0,95 m groeit de bergende breedte steeds met één derde van de op het niveau van de evenwichtswaterstand (NAP-0,65 m) heersende bergende breedte. De bergende breedte op dat niveau is 2100 m. Het verschil van 0,30 m tussen de genoemde niveaus (NAP-0,65 m en NAP-0,95 m) is verderop in deze paragraaf nader verklaard. De stroomvoerende breedte groeit van 10 m tot 50 m. De bergende breedte is maximaal 2800 m op NAP+ 1,00 m. Dit is van belang omdat het water in het oostelijke deel van de polder tijdelijk hoger heeft gestaan dan de evenwichtswaterstand.

Voor het westelijke deel van de polder geldt iets dergelijks; de bodem ligt hier echter gemiddeld 0,10 m hoger. De bergende breedte is op het niveau van de evenwichts-waterstand (NAP-0,65 m) 1600 m. De maximale bergende breedte in het westelijke deel van de polder is 2500 m. Doordat de waterstand in dit westelijke deel niet boven het niveau van de evenwichtswaterstand komt is deze maximale bergende breedte verder niet van belang.

De gebruikte bodemniveauverdeling in de polder is bepaald aan de hand van hoogtekaarten van het gebied. Het bodemniveau dat in het netwerk is ingevoerd ligt 0,30 m lager dan op de kaarten is aangegeven. Dit is gedaan ter compensatie van de bodemdaling (0,10 m) die zich in dat gebied sinds het uitkomen van de hoogtekaarten heeft voorgedaan en de inzijging van water in de grond (0,20 m).

2800 m 2100 m 1400 m 700 m ! ; Bs- 5 0 r n ; i i NAP-0,95 m NAP-1,25m NAP-1,45m NAP-1,75m bodemniveau Bh-B-=i0m

figuur 2.11 Doorsnede van het oostelijke deel van de polder met daarin de bergende breedte op de verschillende hoogtes aangegeven

In de polder is een gemiddeld 1 meter dikke laag grond met water verzadigd geraakt. De grond ter plaatse heeft een poriëngehalte van 20 %. Er is dus een laag water van 0,20 m in de grond getrokken. Inzijging van water in de grond wordt in de simulaties met DUFLOW niet meegerekend. Omdat het in dit geval om een relatief grote hoeveelheid water gaat, is het belangrijk dat de inzijging van water in de grond in de simulaties wordt meegenomen. In plaats van de inzijging van water is daarom het bodemniveau in de polder met 0,20 m verlaagd.

Het gat in de dijk is gemodelleerd als een overlaat. De overlaat varieert de eerste 10 uur in de breedte. Op deze manier is de groei van het gat in de breedte en het afzinken van het ponton voor het gat gesimuleerd. De drempelhoogte van de overlaat is bepaald aan de hand van het maximale debiet van 71 m3/s dat, zoals uit de in paragraaf 2.4. gevonden Q-t

kromme blijkt, tussen 8.30 en 9.00 uur door het gat stroomt. In paragraaf 2.5.3. is nader beschreven voor welke drempelhoogte is gekozen.

Voor het modelleren van de duikers onder de spoordijk, die de polder in tweeën deelt, en het overstromen van die spoordijk is gekozen voor een overlaat die in de tijd in de breedte varieert. De variërende breedte simuleert het wisselende doorstroomoppervlak door en over de spoordijk. Het grotere doorstroomoppervlak ontstaat wanneer het water niet alleen via de duikers, maar ook over de spoordijk stroomt. Wanneer het water in het oostelijke deel van de polder weer is gezakt, stroomt er geen water meer over de dijk en wordt het doorstroomoppervlak kleiner.

In de kanalen rondom de Tussenklappenpolder was de waterstand voor de dijkdoorbraak NAP+ 0,62 m en in de polder NAP-2,20 m.

2.5.3. De aanvullende simulaties

Er zijn in eerste instantie twee aanvullende simulaties uitgevoerd. Bij beide simulaties is met

een verschillend breedtegroeimechanisme van de overlaat gewerkt. De eerste van de twee

simulaties is enkele keren herhaald om de drempelhoogte van de overlaat die het gat

simuleert te bepalen. Deze drempelhoogte is in alle aanvullende simulaties gelijk gebleven.

De twee groeimechanismen zijn hieronder beschreven. In figuur 2.12 is voor beide

mechanismen de breedtegroei tegen de tijd uit gezet.

eerste simulatie :

In de eerste simulatie is de overlaat vanaf 3.00 uur tot 9.00 uur lineair in de breedte

gegroeid.

tweede simulatie

In de tweede simulatie is de overlaat in de breedte gegroeid volgens het onderstaande

model [Rijkswaterstaat, 1988]:

0(0

a.

voorO < t<

t > ^

[8a]

[8b]

waarin:

: tijdstip waarop de maximale bresbreedte is bereikt.

B

: maximale bresbreedte.

Dit modelis gebaseerd op de beschikbare gegevens ten aanzien van eerdere dijkdoorbraken

en uitgevoerde experimenten, ondersteund met enkele theoretische studies.

20-1 2 3 4 5 6 7 8 9 20-10 tijd (uren)

— formule [8] lineair

figuur 2.12 De twee breedtegroei mechanismen

Voor de maximale breedte is de waarde van 21 m aangenomen. Dit is de uiteindelijke evenwichtsbreedte die zich heeft ingesteld. Het gat is van 3.00 uur tot 9.00 uur gegroeid. Voor tmax is daarom de waarde van 6 uur aangenomen. Met het verkleinen van de breedte

van de overlaat tot 14 m tussen t = 9.00 uur en t = 10 uur is het voor het gat afzinken van het ponton gesimuleerd.

Om de drempelhoogte van de overlaat te bepalen is de simulatie met de lineaire breedtegroei enkele keren herhaald. Dit is gedaan tot het maximale debiet dat over de overlaat stroomt gelijk is aan het maximale debiet dat volgens de Q-t kromme uit paragraaf 2.4. door het gat is gestroomd (71 m3/s). In figuur 2.13 is voor drie verschillende

drempelhoogtes de resulterende Q-t kromme gegeven. In deze figuur is te zien dat het maximale debiet zeer gevoelig is voor de drempelhoogte van de overlaat. De aangenomen drempelhoogte is NAP-1,57 m. BO 70 60 'S?

t

»

*

/V/

figuur 2.13 De drie Q-t krommes voor de lineaire breedtegroei met daarin aangegeven de drie verschillende drempelhoogtes voor de overlaat

In werkelijkheid ligt er direct achter de dijk een sloot met een streefpeil van NAP-2,20 m en een nog lager gelegen bodem. Het niveau van het land voorbij die sloot is volgens de beschikbare hoogtekaarten NAP-1,40 m. Gezien de grofheid van de kaarten en het feit dat de kaarten wat ouder zijn, geeft deze waarde slechts een indicatie. De aangenomen drempelhoogte is gezien het voorgaande aannemelijk. In figuur 2.14 is de dwarsdoorsnede van de overlaat weergegeven.

In figuur 2.15 zijn de twee Q-t krommen die uit de twee aanvullende simulaties volgen, samen met de te reproduceren Q-t kromme uit paragraaf 2.4. weergegeven. Uit figuur 2.15 blijkt dat bij geen van beide simulaties de goede Q-t kromme wordt verkregen.

NAP+0,62 rri

.... NAP-3.30m

NAP+2,00

figuur 2.14 Dwarsdoorsnede van de overlaat die het gat weergeeft

lineaire gatgroei

tijd (uren)

groei volgens formule [8] Q-t kromme voor het gat figuur 2.15 De debietkrommen die uit de eerste twee aanvullende simulaties volgen met

de te reproduceren Q-t kromme ' .

Omdat de lineaire breedtegroei en de breedtegroei volgens formule [8] niet voldoen is een derde simulatie met een andere breedtegroei van de overlaat uitgevoerd.

Bij de derde simulatie is de groei van het gat zodanig aangepast, dat uit de simulatie een Q-t kromme volgt die zo veel mogelijk gelijk is aan de Q-t kromme die in paragraaf 2.4. is gevonden. De resultaten van de derde simulatie zijn in paragraaf 2.5.4. beschreven. 2.5.4. Resultaten van de aanvullende simulaties

-In figuur 2.16 zijn de Q-t kromme uit paragraaf 2.4. en de optimaal passende Q-t kromme, die uit de derde aanvullende simulatie volgt, weergegeven. Het is dus mogelijk om via het aanpassen van de breedtegroei van de overlaat de Q-t kromme uit paragraaf 2.4. (voor de eerste 10 uur) te reproduceren. .

Tussenklappenpolder DUFLOW-simulatie De breedtegroei van de overlaat waarmee de Q-t kromme in de derde simulatie is gereproduceerd, is samen met de lineaire en de theoretische breedtegroei uit de eerste twee simulaties in figuur 2.17 weergegeven.

tijd (uren)

derde aanvullende simulatie paragraaf 2.4.

figuur 2.16 De Q-t kromme uit de derde aanvullende simulatie en de in paragraaf 2.4. gevonden Q-t kromme 2 0 - 16-- 12--4 - • lineair 4 5 6 7 8 9 10 tijd (uren)

formule [8] r optimaal beschouwde groei

figuur 2.17 De drie verschillende gebruikte breedtegroeimechanismen

TU Delft - TAW ₂₆

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

Door middel van het varieren van de Bmax en de tmax is geprobeerd de gevonden breedtegroei

met behulp van formule [8] te reproduceren. Voor geen enkele combinatie van Bmax en t

kan echter de gevonden breedtegroei bevredigend worden benaderd.

max

Vervolgens is het model van Rijkswaterstaat (zie formule [8]) zodanig aangepast dat een beter passend model ontstaat. Het is mogelijk een verband tussen de gatbreedte en de tijd te formuleren, dat een maximale afwijking van de gevonden breedtegroei heeft van 3 %. Het aangepaste model is als volgt geformuleerd:

/ , \0,62

- B

voort>t

[9b]

waarin:

tmax : tijdstipi waarop de maximale bresbreedte is bereikt.

B•"maxm' : maximale bresbreedte.

Nu op ieder moment de gatbreedte met het bijbehorende debiet bekend is, kan de over het hele doorstroomoppervlak gemiddelde stroomsnelheid worden bepaald.

In Bijlage B is een overzicht gegeven van de berekening van de gemiddelde stroomsnelheid voor ieder half uur in de periode van 3.00 uur tot 9.00 uur. Het blijkt dat de maximale gemiddelde stroomsnelheid 3,6 m/s is (op t = 3.00 uur, direct na het begin van de doorbraak). Overigens moet aan deze maximale gemiddelde stroomsnelheid weinig waarde worden gehecht, omdat op dat tijdstip het gat (de overlaat) slechts 0,25 m breed is. In de periode van t = 3.30 uur tot t = 7.00 uur is de stroomsnelheid ongeveer 2,3 m/s. Daarna daalt de stroomsnelheid tot ongeveer 2,1 m/s.

In Bijlage B is aan de hand van de gevonden breedtegroei van het gat (zie figuur 2.17) de gemiddelde breedtegroei per uur bepaald. Omdat de mate van de erosie van zand afhangt van de stroomsnelheid van het water is de gemiddelde breedtegroei per uur uitgezet tegen de berekende stroomsnelheid (zie figuur 2.18).

Uit figuur 2.18 zoü kunnen worden geconcludeerd dat een hogere stroomsnelheid meteen grotere breedtegroei van het gat samenhangt, mits wordt aangenomen dat het punt t = 3.30 uur een duidelijk afwijkende ligging heeft. Het punt t = 3.00 uur is verder buiten beschouwing gelaten. Door gebrek aan betrouwbare punten in het gedeelte met de hogere stroomsnelheden wordt deze conclusie echter onvoldoende onderbouwd.

In figuur 2.19 is de breedtegroei per uur uitgezet tegen het debiet. Hieruit blijkt dat een groter debiet niet samenhangt met een grotere breedtegroei per uur, maar juist andersom. Dit komt doordat zich bij het begin van de bresvorming de grootste stroomsnelheden voordoen, waardoor de grootste breedtegroei per uur wordt veroorzaakt.

10 t = 3.00 uur <D

S 5

figuur 2.18 De breedtegroei van het gat uitgezet tegen de stroomsnelheid 1 0r

f

8

figuur 2.19 De breedtegroei van het gat uitgezet tegen het debiet

Met behulp van de breedtegroei per uur kan worden bepaald hoeveel zand (gemiddeld) in dat uur door het water wordt meegenomen. Samen met de hoeveelheid water die in dat uur door het gat is gestroomd kan vervolgens de gemiddelde concentratie zand in het water worden bepaald. In Bijlage B is de berekening van die concentratie met een nadere toelichting gegeven. Er zijn aannemelijke waarden gevonden voor de zandconcentratie. In figuur 2.20 is de berekende zandconcentratie tegen de stroomsnelheid uitgezet.

In theorie kan het water naarmate de stroomsnelheid toeneemt een hogere concentratie zand meevoeren. Uit figuur 2.20 kan niet worden geconcludeerd dat de zandconcentratie stijgt bij een toenemende stroomsnelheid. Daarvoor zijn te weinig punten met hogere stroomsnelheden beschikbaar.

2.5

_ 2.0

~Z 1.5

8

8

1 2 3

stroomsnelheid (m/s)

figuur 2.20 De zandconcentratie in het water uitgezet tegen de stroomsnelheid

Het verloop van de waterstanden in het oostelijke en het westelijke deel van de polder zijn

in figuur 2.21 weergegeven. De evenwichtswaterstand die uit de simulatie volgt is

NAP-0,61 m, dit is 0,04 m hoger dan de werkelijke evenwichtswaterstand (NAP-0,65 m). De

waterstanden in de beide polderdelen worden (mede) bepaald door de afmetingen die voor

de overlaat, die beide delen met elkaar verbindt, worden aangenomen.

E -1 2 c e . <D S- -1.8

p

/ .^Ooostelijk deel

/''westelijk deel

tijd (uren)

figuur 2.21 De waterstanden in de beide polderdelen, voor de periode van 12 augustus

0.00 uur tot 14 augustus 2.00 uur .

Nu het verloop van de waterstanden binnen en buiten de polder bekend is, kan het tijdstip

worden bepaald waarop de overlaat van een volkomen overlaat verandert in een

onvolkomen overlaat. Met behulp van de definities van de twee overlaatprincipes is

berekend dat het omslagpunt op t = 9.00 uur ligt. De waterstanden binnen en buiten de

polder zijn dan respectievelijk: NAP-0,50 m en NAP+ 0,02 m.

Hieruit volgt dat tot t = 9.00 uur het debiet afhankelijk is van de waterstand in het A.G.

Wildervanckkanaal, en niet wordt beïnvloed door de stijging van de waterstand in de

polder. De steeds kleinere stijging van het debiet tot t = 9.00 uur ontstaat dus door de

dalende waterstand in het kanaal.

Na t = 9.00 uur is er een onvolkomen overlaat. Het debiet is dan afhankelijk van de

veranderingen in de waterstanden binnen en buiten de polder.

2.6. DISCUSSIE EN CONCLUSIES

Met het programma DUFLOW is de doorstroom door de kanalen en de toestroom van water

naar het gat redelijk goed te benaderen.

Met de simulaties zijn achteraf meer gegevens verkregen over de stroming in het gat. De

resultaten zijn sterk afhankelijk van de gatbreedte en de drempelhoogte. Deze zijn van te

voren niet goed te voorspellen. Wanneer dergelijke simulaties worden uitgevoerd met het

doel een voorspelling te maken, moet goed rekening worden gehouden met die

gevoeligheid.

De verschillende initiatieven om het gat te dichten (met dichtingsmateriaal en een ponton)

hebben gevolgen gehad voor de afmetingen van en de stroming door het gat. Deze

gevolgen zijn moeilijk te achterhalen.

Er is een aannemelijke Q-t kromme voor het gat gevonden. Het maximale debiet dat door

het gat is gestroomd is 71 m

/s. De totale hoeveelheid water die de polder is ingestroomd

is 2,2 miljoen m

.

Uit de scherpe daling van het debiet tusen 9.00 uur en 10.00 uur blijkt dat het afgezonken

ponton het debiet dat door het gat stroomde sterk heeft gereduceerd van 71 naar 48 m

/s.

Door het kleinere debiet door het gat en de continue aanvoer van water uit de

boezem-kanalen, is de waterstand in het A.G. Wildervanckkanaal tussen 11.00 uur en 16.00 uur

gestegen.

De gatontwikkeling bij een dijkdoorbraak is het belangrijkste onderzoekspunt. Met behulp

van de drie aanvullende simulaties is meer inzicht verkregen in de breedtegroei van het gat

in de tijd. Met een aangepaste breedtegroei (tot een maximale breedte van de overlaat van

21 m) en een drempelhoogte van NAP-1,57 m is de Q-t kromme te reproduceren..

De hier gevonden breedtegroei verloopt volgens de functie:

• ( 't \OfiZ '

- ö

* U - voorO < t<t

. I9a]

)

B(t) - B

voort>t

[9b]

waarin:

tmax : tijdstip waarop de maximale bresbreedte is bereikt.

B•*maxmav : maximale bresbreedte. .

De gemiddelde stroomsnelheid door het gat is gedurende lange tijd nagenoeg constant (ongeveer 2,3 m/s). De maximale stroomsnejheid die zich in het gat heeft voorgedaan zal groter zijn. .

Er is een aannemelijk verband gevonden tussen de stroomsnelheid door het gat en de breedtegroei per uur van het gat, waarbij de breedtegroei groter wordt bij een hogere stroomsnelheid.

Juist bij het kleinste debiet is de grootste breedtegroei gevonden, omdat op dat ogenblik de stroomsnelheid door het gat het grootst was.

Door een beperkt bereik van de beschikbare punten kap geeri conclusie worden getrokken ten aanzien van een (volgens de theorie verwachte) stijgende zandconcentratie in het water bij een toenemende stroomsnelheid. . .

hoofdstuk 3

SIMULATIE VAN DE DIJKDOORBRAAK MET BEHULP VAN RAMP

3 . 1 . INLEIDING

Om een idee te krijgen van de werking van het inundatie-computerprogramma RAMP is een simulatie van de dijkdoorbraak met dit programma uitgevoerd. In deze simulatie is alleen gekeken naar de ontwikkelingen in de polder. Er kan niet een netwerk van kanalen aan worden gekoppeld, zoals dat met DUFLOW gebeurt. De voorwaarden die buitengaats van de polder gelden zijn dan ook beperkt.

Er is voor het buitengebied uitgegaan van een oneindig groot wateroppervlak met een opgelegd waterstandsverloop. Deze waterstand heeft hetzelfde verloop als de waterstand die tijdens de simulaties met DUFLOW bij het gat is gevonden (zie figuur 2.8, paragraaf 2.3.4.).

In dit hoofdstuk wordt eerst enige algemene informatie over het programma RAMP gegeven (paragraaf 3.2.). Daarna volgt in paragraaf 3.3. een beschrijving van de invoer zoals die voor het programma nodig is. In de laatste twee paragrafen zijn de gebruikte invoer (paragraaf 3.4.) en de resultaten (paragraaf 3.5.) beschreven.

3.2. HET PROGRAMMA RAMP

Het programma RAMP is ontwikkeld door de Dienst Weg- en Waterbouwkunde van het Ministerie van Verkeer en Waterstaat. Voor deze simulatie is de versie 1.9 gebruikt. De onderstaande beschrijving is gebaseerd op de gebruikershandleiding en beschrijving van het computerprogramma RAMP.

Het principe van het programma RAMP is schematisch weergegeven in figuur 3 . 1 .

Q(t) (m

/s).

figuur 3.1 Het principe van het programma RAMP

Het programma is gebaseerd op de kombergingsvergelijking. Deze vergelijking luidt voor één enkel gebied:

[10]

dt A(h)

waarin:

t : tijd vanaf de referentie tijd.

h : waterstand in m ten opzichte van een referentie vlak. TU Delft - TAW 33

Q : debiet per tijdseenheid (m3/s) dat het inundatiegebied instroomt.

A : het kombergend oppervlak (m2) van het inundatiegebied.

Wanneer verschillende gebieden worden toegepast geldt deze vergelijking voor elk afzonderlijk gebied. In het geval van de Tussenklappenpolder zijn er drie gebieden gedefinieerd; het A.G. Wildervanckkanaal, het oostelijke en het westelijke deel van de polder.

Het programma rekent na elke (zelf te kiezen) tijdstap de waterstanden, het verval, het daaruit volgend debiet en kombergingsoppervlak uit. Als het debiet en het kombergingsoppervlak bekend zijn, kan de stijging van de waterstand in die tijdstap worden bepaald.

3.3. MODELLERING VAN HET GAT

De dijkdoorbra(a)Men) worden in RAMP gemodelleerd door middel van een overlaat. Voor de volkomen overlaat stroming (zie figuur 3.2) luidt de gehanteerde formule:

O - L * m * 1,7 * 11^ * Jh^ HU

waarin:

L : de lengte van de overlaat.

m : de overlaat- of afvoercoëfficiënt voor superkritische stroming. h,,,, : de waterstand bovenstrooms van de overlaat.

Er heerst een superkritische stroming als Ah > hbo/3.

De voor een onvolkomen overlaat (zie figuur 3.3) gehanteerde formule luidt:

waarin:

/j : de overlaat- of afvoercoëfficiënt voor subkritische stroming over de overlaat.

g : de zwaartekrachtsversnelling.

h,,,, : de waterstand bovenstrooms van de overlaat. hbe : de benedenstroomse waterstand.

Ah : het verval over de constructie.

Er heerst een subkritische stroming als Ah < hb.,/3, ofwel als h^ > 2/3 * h^.

Het programma schakelt zelf over op de andere definities, wanneer het type stroming verandert.

drempel

figuur 3.2 De volkomen overlaat in RAMP

drempel

figuur 3.3 De onvolkomen overlaat in RAMP

3.4. DE INVOER VAN GEGEVENS

Het programma heeft een aantal gegevens nodig voordat een simulatie kan worden uitgevoerd. Deze gegevens worden met behulp van een invoerbestand ingevoerd. Naast enkele algemene gegevens als de tijdstap, de totale rekentijd en de nauwkeurigheid, moeten de voor dit geval specifieke gegevens worden ingevoerd.

In het programma RAMP kan het inundatiegebied worden onderverdeeld in een aantal afzonderlijke 'polders'. Voor de tussenliggende dijken (grenzen) moet worden aangegeven of ze wel of niet doorbreken. Voor elke grens wordt naast de lengte en de dijkhoogte aangegeven tussen welke twee gebieden de grens ligt. Vervolgens wordt voor elk gebied het kombergingoppervlak op het bodemniveau en één of meer niveaus daar boven gedefinieerd. Hiermee is het profiel van de dwarsdoorsnede voor elk gebied vastgelegd. Per gebied kan een bodemniveau en de waterstand worden opgegeven.

Indien er in één of meer gebieden een randvoorwaarde geldt (zoals een waterstandsverloop in de tijd), dan kan deze via een apart invoerbestand voor dat gebied worden opgelegd. Als laatste moeten de gegevens met betrekking tot de doorbraken zelf worden ingevoerd. De gevraagde gegevens zijn per doorgebroken grens; het tijdstip van de doorbraak, de maximale breedte en de maximale diepte van het gat en de tijd waarin de maximale breedte en de maximale diepte worden bereikt.

De door het programma gehanteerde breedtegroei van het gat is gebaseerd op het

onderstaande model [Rijkswaterstaat, 1988]

B(t)

-Xt) - B

voor 0 < / <

voor t >

[8b]

waarin:

t ^ : tijdstip waarop de maximale bresbreedte is bereikt.

B

: maximale bresbreedte.

Voor de groei van het gat in de diepte geldt dezelfde formule. De ontwikkeling van de

breedte en de diepte van het stroomgat zijn beide in figuur 3.4 weergegeven.

Figuur 3.4 is afkomstig uit de handleiding van het inundatieprogramma RAMP. Het

weergegeven verloop van de breedte- en dieptegroei voor 0 < t < t

is echter niet juist.

De kromme behoort (uitgaande van formule [8a]) een vlakker verloop te hebben met in het

punt t = t

een discontinue overgang. Dit is ook te zien aan de (linker) afgeleide van de

functie in dat punt: d(B/B

)/dt = 1/(2*t

) * 0.

of BLL1

Td,max ° * Tb,max

figuur 3.4 De gehanteerde stroomgatontwikkeling in de tijd (Bron: Rijkswaterstaat! 988)

3.5. DE GEBRUIKTE GEGEVENS

De gegevens die voor de simulatie van de dijkdoorbraak in de Tussenklappenpolder met het

programma RAMP zijn gebruikt, zijn in deze paragraaf kort samengevat.

Voor de totale rekentijd is 50 uur genomen met een tijdstap van 0,1 uur. De

nauwkeurigheid is 0,01 m.

In de modellering zijn 3 gebieden gedefinieerd (zie figuur 3.5):

gebied 1: het A.G. Wildervanckkanaal,

gebied 2: het oostelijk deel van de polder,

gebied 3: het westelijk deel van de polder.