Numeriek modelonderzoek naar de reductie van de neer in de monding van de voorhaven van IJmuiden

Numeriek modelonderzoek naar de

reductie van de neer in de monding

van de voorhaven van IJmuiden

april 2007

Numeriek modelonderzoek naar de

reductie van de neer in de monding

van de voorhaven van IJmuiden

A.C. Bijlsma, A.C.S. Mol & J.C. Winterwerp

Rapport

Inhoud

Lijst van Figuren Lijst van Tabellen

1 Inleiding ... 1—1

1.1 Aanleiding voor het onderzoek... 1—1 1.2 Doel... 1—1 1.3 Opdracht en uitvoering... 1—1 1.4 Leeswijzer ... 1—2

2 Aanpak van het onderzoek... 2—1

2.1 Probleemstelling ... 2—1 2.2 Aanpak op basis van numerieke modellering ... 2—4 2.2.1 Interpretatie veldmetingen 2005... 2—4 2.2.2 Opzet numerieke modellen ... 2—4 2.2.3 Modelcalibratie en verificatie... 2—5 2.2.4 Modelonderzoek van scenario’s ... 2—5 2.3 Benodigde gegevens ... 2—6 2.4 Applicatie software ... 2—7

3 Gebruikte gegevens... 3—1 4 Analyse van de gegevens... 4—1

4.1 Analyse getijcondities en meteorologische invloeden ... 4—2 4.2 Eb- en vloedconditie voor stationaire stroming ... 4—3

5 Modelopzet... 5—1

5.1 Getijmodel ... 5—1 5.2 Stationair model ... 5—3

7 Onderzoek maatregelen voor neerreductie ... 7—1

7.1 Gat in zuiderdam (G) ... 7—2 7.2 Krib aan binnenzijde kop zuiderdam (KZ1) ... 7—3 7.3 Krib aan binnenzijde zuiderdam (KZ2)... 7—4 7.4 Geleide krib noorderdam (KN)... 7—5 7.5 Verlengen noorderdam (VN) ... 7—5 7.6 Palenscherm bij de noorderdam (P) ... 7—6 7.7 Grote verlenging zuiderdam (VZ)... 7—7 7.8 Combinaties ... 7—7

8 Discussie van de resultaten ... 8—1 9 Conclusies en aanbevelingen ... 9—1 9.1 Conclusies ... 9—1 9.2 Aanbevelingen ... 9—1 Literatuur Figuren Appendices

Lijst van Figuren

Figuur 4-1 Waargenomen waterstand, voorspelling en residu IJmuiden Buitenhaven op 12 oktober 2005 ... 4—1 Figuur 4-2 Waargenomen waterstand, voorspelling en residu IJmuiden Buitenhaven op

17/18 oktober 2005 ... 4—1 Figuur 4-3 Stroomsnelheid bij Stroommeetpaal IJgeul en het komvulling- en ledigingdebiet

door de havenmond ... 4—2 Figuur 5 1 Rekenroosters (a) Delft3D IJmond model (IJmond v4) en gereduceerd model,

(b) gereduceerde rekenrooster stationaire model, (c) detail rekenrooster havenmond

Figuur 5 2 Bodemschematisatie (a) Delft3D IJmond model (IJmond v4), (b) gereduceerde model, (c) detail havenmond met monitoring stations

Figuur 6-1 Geselecteerde dieptegemiddelde stationaire stroomvelden bij vloed met een komvullingdebiet van 950 m3/s (v04, links) en bij eb met een

komledigingdebiet van 0 m3/s (e03, rechts). Gemeten vectoren in rood. 6—2 Figuur 6-2 Vergelijking van stationaire snelheidvelden (blauw) met getij-variërende

snelheidvelden (rood) voor de vloedconditie op 17 okt. 2995 om 3:00 (links) en de ebconditie op 18 okt. 2005 om 21:30 (rechts). ... 6—3 Figuur 6-3 Vergelijking van de stroomsnelheid bij de Stroommeetpaal SPY (blauw), met de

stroming in de voorhaven, station 11 (rood), in de stationaire berekening voor de ebconditie (run e03)... 6—3 Figuur 7-1 Stationaire stroomvelden bij vloed (links) en eb (rechts) voor een gat van 360 m

in de zuiderdam, met geleidedam (g09). Gemeten vectoren in rood... 7—2 Figuur 7-2 Stationaire stroomvelden bij vloed (links) en eb (rechts) voor een overstroomde

krib aan de binnenzijde van de kop van de zuiderdam (kz1-02). Gemeten vectoren in rood. ... 7—3 Figuur 7-3 Stationaire stroomvelden bij vloed (links) en eb (rechts) voor een zandlichaam

(gele onderbroken lijn) tot NAP+2m aan de binnenzijde van de zuiderdam (kz2-04). Gemeten vectoren in rood. ... 7—4 Figuur 7-4 Stationaire stroomvelden bij vloed (links) en eb (rechts) voor een grote

verlenging van de noorderdam (vn02). Gemeten vectoren in rood... 7—6 Figuur 7-5 Stationaire stroomvelden bij vloed (links) en eb (rechts) voor een palenscherm

Lijst van Tabellen

Tabel 4-1 Waterstanden IJmuiden Buitenhaven 17 en 18 oktober 2005 ... 4—3 Tabel 4-2 Komvulling (+) en komlediging (-) debieten door de havenmond, afgeleid uit het

waterstandsverloop in de haven ... 4—3 Tabel 4-3 Dieptegemiddelde snelheden Stroommeetpaal IJgeul, sensoren SPY1, SPY2 ( *

geen waarnemingen) ... 4—4 Tabel 4-4 Fasering stroomcondities in de voorhaven van IJmuiden op basis van de metingen

1

Inleiding

1.1

Aanleiding voor het onderzoek

In de monding van de voorhaven van IJmuiden wordt zowel tijdens de ebfase als tijdens de vloedfase door de getijstroming op zee een neer aangedreven, die afmetingen aanneemt groter dan de breedte van de vaargeul. In het centrum van de neer bezinkt veel slib, dat voor het grootste gedeelte in de vaargeul terecht komt. Dit geeft veel onderhoudsbaggerwerk. Daarnaast is er aan de noordzijde van de neer veel aanzanding, gedeeltelijk ook in de vaargeul. Ook dit zand moet regelmatig worden weggebaggerd.

De beheerder van de haven, RWS Noord-Holland, wil weten of het mogelijk is om door inrichtingsmaatregelen de sterkte van de neer te verminderen, en daarmee ook de sedimentatie in de voorhaven.

Het onderzoek van dergelijke inrichtingsmaatregelen dient voor eind maart 2007 te zijn afgerond, zodat kansrijk geachte waterbouwkundige ingrepen tijdig kunnen worden ingebracht in de projectgang rond de restauratie van de havendammen

Het onderzoek van inrichtingsmaatregelen die de sterkte van de neer kunnen verminderen maakt deel uit van het project “Vermindering baggerbezwaar” van RWS.

1.2

Doel

Doel van het onderzoek is de effecten van enkele nog te selecteren waterbouwkundige ingrepen op de hydrodynamica, en specifiek op het gedrag van de neer in de havenmonding, te onderzoeken. De ingrepen beogen de omvang, duur en/of sterkte van de neer in de voorhaven te verminderen.

1.3

Opdracht en uitvoering

Op 1 december 2006 heeft de Directie Zee en Delta van het RIKZ, zie offerteaanvraag RKZ 1800 (Brief met kenmerk RIKZ/2006/05811), aan WL | Delft Hydraulics verzocht ten behoeve van het project “Vermindering Baggerbezwaar” een offerte uit te brengen voor het doen van modelonderzoek naar het hydrodynamische gedrag van de neer in de monding van de voorhaven van IJmuiden. Op 15 december 2006 is door WL | Delft Hydraulics een offerte uitgebracht (zie brief met kenmerk: MCI-21702/H4926/AB) voor numeriek onderzoek, evenals een alternatieve offerte, gebaseerd op hydraulisch schaalonderzoek omdat beide onderzoeksmethoden zo hun eigen specifieke voordelen bieden. De Directie Zee en Delta van het RIKZ verleende WL | Delft Hydraulics op 9 januari 2007 opdracht voor de aanpak met numerieke modellering, zie overeenkomst RKZ-1800 WL (Brief met kenmerk RIKZ/2007/05011).

namens de Directie Zee en Delta van het RIKZ was Dr. J.M. de Kok, met medewerking van Ir. P. de Grave.

1.4

Leeswijzer

Dit verslag is als volgt opgebouwd:

Hoofdstuk 2 bevat de probleemstelling en beschrijft de aanpak van het onderzoek. Hoofdstuk 3 geeft een beschouwing van de gebruikte gegevens.

In hoofdstuk 4 worden op basis van een analyse van de gegevens de stromingscondities in de voorhaven van IJmuiden beschreven en de maatgevende condities voor de berekeningen geselecteerd.

In hoofdstuk 5 wordt de definitie van de modellen beschreven.

In hoofdstuk 6 worden de calibratie/validatie van het stationaire model besproken op basis van een vergelijking met gedetailleerde metingen.

Hoofdstuk 7 beschrijft het onderzoek en de optimalisatie van de inrichtingsmaatregelen voor neerreductie in de monding van de voorhaven.

De resultaten voor de verschillende maatregelen worden in hoofdstuk 8 met elkaar vergeleken en besproken

Hoofdstuk 9 tenslotte, geeft de conclusies en aanbevelingen. Een samenvatting is voor in het verslag opgenomen.

2

Aanpak van het onderzoek

2.1

Probleemstelling

Het onderzoek richt zich op de vraag of het mogelijk is door bepaalde nog nader te vast te stellen inrichtingsmaatregelen de omvang, duur en/of sterkte van de neer in de ebfase, de vloedfase, of beide, te verminderen, en daarmee ook de sedimentatie in de monding van de voorhaven van IJmuiden. Omdat in essentie sedimentatie het wezenlijke probleem is, en de neerstroming in relatie daarmee wordt beschouwd, gaan we eerst dieper in op de mechanismen die sedimentatie in de voorhaven veroorzaken.

Mechanismen voor aanslibbing

De configuratie van de voorhaven van IJmuiden in het algemeen en van haar havenhoofden in het bijzonder zijn begin jaren 60 van de vorige eeuw fors gewijzigd. De havenhoofden hadden voorheen een vrijwel symmetrische vorm, terwijl de configuratie nu zeer asymmetrisch is. De totale aanslibbing nam toe van ca. 1.2 Mm3/yr tot ca. 3.2 Mm3/yr, hetgeen slechts gedeeltelijk het gevolg was van een toename in havenoppervlakte (zie Appendix A; Winterwerp, 2001; Van Rijn, 2005). De grootste bijdrage in deze toename werd veroorzaakt door een grote toename in de uitwisseling door de neer in de havenmond.

Het uitwisselingsdebiet

Q

e door zo’n neer kan worden gekwantificeerd met de volgende

formule:

0

e e

Q

f AU

(2.1)

waarin

A

de doorsnede van de havenmonding is en

U

0 de stroomsnelheid voor de

havenmonding (merk op dat

U

0 in het geval van IJmuiden niet goed is te definiëren). De

uitwisselingscoëfficiënt

f

e varieert over het algemeen tussen 0.005 en 0.05, afhankelijk van

de havenmondconfiguratie – de grotere waarden worden gevonden voor havenbekkens met sterke neren in hun monding (Van Rijn, 2005, Winterwerp en Van Kesteren, 2004). Het effect van de huidige voor aanslibbing ongunstige configuratie kan met

f

e gekwantificeerd

worden:

f

e blijkt te variëren tussen 0.05 en 0.11, afhankelijk van de stroomrichting

(Rakhorst et al., 1982; Winterwerp en Van Kesteren, 2004).

Aanslibbing in een havenbassin treedt op omdat sedimentrijk water, dat het bassin instroomt, uitgewisseld wordt met uitstromend sedimentarm water. De aanslibbing zelf wordt uiteraard veroorzaakt doordat de stroomsnelheden in het bassin zo klein zijn dat het sediment niet in suspensie gehouden kan worden, en (een deel) uitzakt. Er zijn in het algemeen vijf mechanismen die de uitwisseling van water in de havenmonding kunnen bepalen (Winterwerp, 2005), maar niet alle mechanismen zijn altijd aanwezig. Deze mechanismen zijn:

1) Turbulente uitwisseling door het zog voor de havenmond, in geval van een neer in de havenmond,

2) Advectie door getij-geïnduceerde komvulling en lediging,

3) Advectie door dichtheidsstromingen geïnduceerd door saliniteitsverschillen, 4) Advectie door dichtheidsstromingen geïnduceerd door temperatuurverschillen, 5) Advectie door sedimentgedreven dichtheidsstromingen.

Opgemerkt dient te worden dat er vaak een interactie tussen deze mechanismen bestaat; de turbulente uitwisseling bijvoorbeeld kan fors worden beïnvloed tijdens komvulling omdat het zog het bassin in wordt getrokken.

In het havenbassin van IJmuiden zullen de eerste vier mechanismen optreden, de vijfde is waarschijnlijk alleen zeer sporadisch van belang. Op basis van schattingen gemaakt van de onderlinge bijdrage van deze vier mechanismen met behulp van het model SILTHAR (WL | Delft Hydraulics, 2004) en bovenstaande historische analyse volgt dat mechanisme 1, turbulente uitwisseling, meestal het dominante mechanisme is, hoewel de mechanismen 2 en 3 zeker niet verwaarloosbaar zijn. Deze conclusie wordt verder ondersteund door de observatie dat het aanslibbingspatroon in de IJmuiden havenmond een forse bult vertoont ter plekke van het centrum van de neer (Van Kesteren, 2002).

Mogelijkheden voor modellering

Het was niet triviaal met welk gereedschap de effecten van genoemde mechanismen op de aanslibbing in het bassin van IJmuiden, en een eventuele reductie in uitwisselings-debieten, het best konden worden bestudeerd.

Driedimensionale numerieke modellen zijn met name geschikt om de mechanismen 2 t/m 5 goed te simuleren. Met de nieuwe generatie horizontale turbulentiemodellen (HLES) is het ook steeds beter mogelijk om horizontale neervorming kwalitatief juist te simuleren (Bijlsma, 2006; Bijlsma et al., 2004). Onze ervaring is echter dat op detailniveau een correcte beschrijving nog veel calibratie behoeft. Nog fijnere details, bijvoorbeeld het loslaatgedrag bij de kop van de havenhoofden, kunnen nog niet goed worden gesimuleerd. In relatie tot de IJmuiden problematiek betekent dit dat driedimensionale modellen, zoals Delft3D, vooral geschikt zijn om de effecten op de turbulente uitwisseling van grootschalige ingrepen in de havengeometrie te voorspellen; de invloed van kleinere ingrepen is veel moeilijker, of niet, met nauwkeurigheid te voorspellen.

mechanisme 2 op eenvoudige wijze worden meegenomen. Een eerste analyse van de stromingsdata suggereert dat het neerpatroon in de havenmond primair wordt bepaald door de havengeometrie, de aanstromingscondities en de komvulling (-lediging), en in veel mindere mate door de in de monding optredende verticale dichtheidsgradiënten. Het spuitdebiet verlaat het havenbassin voornamelijk via een dunne bovenlaag. Bijkomend voordeel van de inzet van een hydraulisch schaalmodel is dat binnen kort tijdsbestek veel varianten globaal bestudeerd kunnen worden, soms zelfs meerde tientallen op een dag, en dat de opdrachtgever deze experimenten kan bijwonen en zijn eigen ideeën ter plekke kan laten testen.

Keuze onderzoeksmethode

Het onderzoek heeft het karakter van een scenariostudie. Op basis van voorgaande analyse kan geconcludeerd worden dat de beste aanpak een hybride zou zijn, waarin zowel een numeriek stromingsmodel als een hydraulisch schaalmodel wordt ingezet, waarbij elk wordt toegepast binnen zijn eigen sterke punten. Dit was echter niet mogelijk binnen de gestelde onderzoekstermijn, zodat er een keus gemaakt diende te worden tussen de inzet van een numeriek model of een schaalmodel.

Door de gedetailleerde schematisatie en de gemodelleerde processen biedt het numerieke model een realistische weergave van de optredende condities in het gebied van interesse. Verder biedt deze aanpak diverse voordelen voor scenariostudies, zoals een goede definitie van de scenario’s, reproduceerbaarheid van resultaten en flexibiliteit met betrekking tot de gewenste uitvoer, c.q. vergelijkingsparameters. Tevens biedt het 3D numeriek model gebaseerd op Delft3D de voor de toekomst gewenste aansluiting op een slibmodel. Anderzijds, wanneer de nadruk ligt op kleine en dus relatief goedkope inrichtingsmaatregelen, dan is hydraulisch schaalonderzoek beter gesteld voor het onderzoeken van het effect op de neerstroming in de voorhaven. Alhoewel schaalonderzoek op zich duurder is dan numeriek onderzoek, kan het toch efficiënt zijn vanwege de grote flexibiliteit bij het onderzoek en de ruimere mogelijkheden voor optimalisering van de inrichtingsmaatregelen.

Om de hoge kosten en de langere doorlooptijd van het schaalonderzoek te vermijden en toch de mogelijkheid te creëren om veel meer scenario’s of varianten door te kunnen rekenen dan oorspronkelijk voorzien, heeft RIKZ besloten tot het uitvoeren van numeriek onderzoek door zowel WL | Delft Hydraulics als Alkyon. Voorts heeft RIKZ te kennen gegeven er veel belang aan te hechten dat WL | Delft Hydraulics op basis van haar expertise voorstellen doet voor mogelijke maatregelen ter reductie van de neer. Om hieraan tegemoet te komen, is afgesproken dat WL | Delft Hydraulics zich met behulp van stationaire numerieke berekeningen richt op het onderzoeken en optimaliseren van de maatregelen voor reductie van de neer op basis van mechanismen 1 en 2. De drie meest kansrijke oplossingen zullen vervolgens door Alkyon nader worden onderzocht in volledig dynamische berekeningen onder een afzonderlijke studieopdracht van RIKZ. Deze opzet optimaliseert de einduitkomst van de beide modelleringsstudies die worden uitgevoerd in opdracht van RIKZ.

2.2

Aanpak op basis van numerieke modellering

De tijdschaal waarop het neerpatroon in de havenmonding zich instelt is veel kleiner dan de getijperiode. Daarom kan het onderzoek van de inrichtingsmaatregelen die moeten leiden tot reductie van de neerstroming onder quasi-stationaire omstandigheden worden uitgevoerd met behulp van ‘stationaire’ numerieke berekeningen. Als onderdeel van deze aanpak is het nodig om uit de metingen de maatgevende condities voor deze stationaire berekeningen af te leiden, het stationaire model nader te definiëren, en te calibreren en verifiëren. Vervolgens kunnen we de scenario’s voor de inrichtingsmaatregelen bestuderen.

2.2.1 Interpretatie veldmetingen 2005

In oktober 2005 is een uitgebreide veldmeetcampagne uitgevoerd in de voorhaven van IJmuiden in de vorm van twee 13-uursmetingen. De eerste vond plaats op 12 oktober 2005 tijdens doodtij, en de tweede in de nacht van 17 op 18 oktober 2005 tijdens springtij. De metingen bestaan o.a. uit snelheidmetingen over de vertikaal met een Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) in 25 punten regelmatig verdeeld over de voorhaven en zoutprofielen in ca. 6 punten in de voorhaven.

Na een afweging van de opgetreden condities tijdens de metingen (spring- of doodtij, spui-en gemaaldebietspui-en, meteorologische effectspui-en in de waterbeweging) wordt espui-en van beide meetperioden gekozen als calibratie periode. Op basis van deze metingen wordt een overzicht opgesteld dat de fasering van de kenmerkende stroomcondities in de havenmond beschrijft. Deze informatie ondersteunt de verdere modelopzet en calibratie. Op basis van de opgetreden waterstanden en stroomsnelheden gedurende de geselecteerde meetperiode worden de karakteristieke eb- en vloedcondities bepaald voor de calibratie van het stationaire model.

2.2.2 Opzet numerieke modellen

Zoals aangegeven richt het onderzoek zich op mechanisme 1, de turbulente uitwisseling door het zog voor de havenmond, c.q. een neer in de havenmond, en mechanisme 2, de advectie door getij-geïnduceerde komvulling en komlediging. De numerieke stromingsmodellen worden gebaseerd op het pakket Delft3D-FLOW met de optie van Horizontal Large Eddy Simulation (HLES) om de horizontale turbulentie en dus de neervorming in en bij de haven zo goed mogelijk te kunnen simuleren. Het effect van komvulling en -lediging door het getij wordt gesimuleerd door de corresponderende debieten op te leggen in de haven. Omdat de effecten van dichtheidsstromingen worden verwaarloosd kan de modelleringsaanpak verder worden vereenvoudigd tot een aanpak voor tweedimensionale, dieptegemiddelde (2DH) stroming.

gedraaid met stationaire en astronomische randvoorwaarden om de omvang van het kleinere stationaire model zo goed te bepalen, en een check op de representativiteit van de te selecteren stationaire snelheidsvelden te kunnen uitvoeren.

Om rekentijd te besparen is mede op basis van patronen van stroomlijnen vervolgens een uitsnede van ca. 15 bij 30 km uit het IJmond model gemaakt om de stationaire berekeningen voor de scenario’s voor reductie van de neerstroming uit te voeren. Achterin de haven (oost van het sluiseiland) is een debietrand gedefinieerd om de effecten van komvulling en komlediging te kunnen simuleren. De randvoorwaarden voor de stationaire berekeningen zullen zodanig worden gekozen dat de stromingscondities van de calibratieperiode kunnen worden weergegeven.

2.2.3 Modelcalibratie en verificatie

De calibratie van het model richt zich in eerste instantie op de reproductie van de waterstanden en de getijstroming voor de haven op zee. Daarbij wordt gebruik gemaakt van de gegevens van de stroommeetpaal in de IJgeul, en de beschikbare waterstandsgegevens. Wanneer de waterstanden en de stroming voor de haven langs voldoende accuraat worden weergegeven, richt de calibratie zich vervolgens op de uitwisselingsprocessen in de havenmond, d.w.z. het gedrag van de grotere horizontale neren. De parameterinstelling van de HLES procedure voor de turbulente uitwisseling in de horizontaal zijn daarbij relevant. De calibratie geschiedt op basis van een van de twee 13-uursmetingen uit oktober 2005. Modelresultaten worden daarbij vergeleken met gemeten waarden van de stroming in de vorm van tijdreeksen van waterstanden en stroming, en in de vorm van vectorplots voor de top- en de bodemlaag voor de horizontale en verticale snelheidverdelingen.

Doel van de calibratie is dat de processen die relevant zijn voor de dynamica van de neer (opwekking/aandrijving en dissipatie) adequaat worden weergegeven met het oog op de scenariostudies. Het overzicht van de fasering van de stroomcondities in de havenmond vormt daarbij de leidraad.

Na de calibratie van een model volgt gewoonlijk een verificatie door met het gecalibreerde model een andere meetperiode door te rekenen. Vanwege de focus op twee specifieke momenten (eb- en vloed) van een gemiddeld springtij, is dit nu niet mogelijk. Wel mogelijk is het om de validiteit van de stationaire aanpak aan te tonen door vergelijking van de stationaire snelheidsvelden met snelheidsvelden op overeenkomstige tijdstippen uit getijafhankelijke (dynamische) berekeningen, en door na te gaan of de tijdschaal waarop het neerpatroon in de havenmond zich instelt veel kleiner is dan de getijperiode.

2.2.4 Modelonderzoek van scenario’s

Daartoe is afgesproken dat 6 hoofdvarianten van inrichtingsmaatregelen om de neerstroming te reduceren worden onderzocht. Per hoofdvariant worden meerdere berekeningen uitgevoerd om de configuratie te kunnen optimaliseren.

Bij de ontwikkeling van de hoofdvarianten is het nuttig onderscheid te maken tussen varianten die werken onder ebcondities en varianten die werken onder vloedcondities. Ideeën voor configuraties kunnen ontleend worden aan de factoren die van invloed zijn op de uitwisseling, zie bijv. vergelijking (2.1). Op voorhand werden als mogelijkheden genoemd: een opening in een van de havendammen, de wijziging van de onderwater morfologie (bijvoorbeeld onderwater zanddammen buiten de vaargeul), wijziging van de vormgeving van de havendammen.

Een aandachtspunt voor RIKZ is de uitvoerbaarheid van de maatregelen. In de huidige situatie is de maximale besparing op baggerkosten naar verwachting ca. 1 M€ per jaar, d.w.z. dat de investeringskosten van een maatregel een tiental M€ zouden mogen bedragen. Bij een mogelijke verzwaring van de kwaliteitsnormen voor de verspreiding van baggerspecie op zee zou in de toekomst depotberging nodig kunnen zijn, waardoor de besparing op de baggerkosten, en daarmee de mogelijke investering, veel groter wordt. Een nuttige uitkomst zou bijv. zijn dat het onderzoek aantoont dat voor maximaal ca. 50 M€ aan constructiekosten de aanslibbing met ca. 30% reduceert, of dat dit juist niet kan en dat er pas een effect is te verwachten bij een veel grotere investering.

Afspraak is daarom dat de constructiekosten een secundaire factor zijn bij het onderzoek van mogelijke maatregelen.

Voor elk van de overige scenario’s is het nodig dat de gewijzigde geometrie goed door het model wordt weergegeven. Om te voorkomen dat het modelrooster (lokaal) nog moet worden aangepast wordt bij het opzetten van het modelrooster, zie paragraaf 2.2.2, al zoveel mogelijk rekening gehouden met voorziene maatregelen.

De effectiviteit van de inrichtingsmaatregelen op het gedrag van de neer in de havenmonding volgt tenslotte uit een vergelijking van de berekende stroombeelden met die van scenario 1 (referentie situatie). Minder uitwisseling in de havenmond zal in het algemeen tot ook leiden tot geringere neerstroming in de voorhaven. Indien nodig kan de uitwisseling in de havenmond nader worden gekwantificeerd door de bruto uitwisselingsdebieten te bereken.

Van de hoofdvarianten worden de meest optimale configuraties gepresenteerd. Na een discussie van de meest succesvolle maatregelen op basis van criteria als efficientie van de uitwisselingsreductie, werking bij eb en/of vloed, de vermoedelijke aanleg- en onderhoudskosten, wordt geadviseerd welke configuraties van inrichtingsmaatregelen RIKZ het best dynamisch kan laten doorrekenen.

2.3

Benodigde gegevens

Rapport en DVD met digitale data van de 13-uursmetingen op 12 en 17/18 oktober 2005 in de voorhaven van IJmuiden.

Waterstandsmetingen en getijvoorspelling te IJmuiden oktober 2005.

Stroommeting en stroomvoorspelling (indien mogelijk ook zoutgehalte en watertemperatuur) van de stroommeetpaal in de IJgeul oktober 2005

Wind en luchtdruk te IJmuiden oktober 2005.

Spuidebieten, gemaaldebieten en zoutgehalten tijdens de meting en de voorafgaande dagen.

Uitgangsgeometrie (landcontouren en bathymetrie in en buiten de haven), representatief voor beide meetdagen in 2005.

Koelwater debieten en lozingstemperaturen worden vermeld voor de volledigheid. De bijdrage aan de uitwisseling in de havenmond is naar verwachting verwaarloosbaar.

2.4

Applicatie software

3

Gebruikte gegevens

Bij aanvang van de studie werden de gegevens nodig voor het opzetten, calibreren en verifiëren van de modellen ter beschikking gesteld door RIKZ of via internet opgevraagd. Voor de calibratie en verificatie staan de uitgebreide 13-uursmetigen in de voorhaven op 12 en 17/18 oktober 2005 centraal, met onder andere ADCP metingen van de stroming. De overige gegevens zijn afgestemd op het weergeven van deze condities in de modellen. Achtereenvolgens zijn dat: het IJmond model (1999), de up-to-date (2005) geometrie in en rond de haven, waterstands- en stroommetingen en voorspellingen inclusief de genoemde 13-uursmetingen in de voorhaven, zoutgehalten, lokale wind en luchtdruk en de afvoergegevens van de spuisluis en het gemaal in de haven.

IJmond model v3

De IJmond-schematisatie (SIMONA-IJmond-1999-v3) zoals die in BenO-Modelschematisaties van RWS wordt beheerd.

De astronomische randvoorwaardenreeksen voor het IJmond model versie 3 voor 2005.

Geometrie

De uitgangsgeometrie voor de studie, d.w.z. de landcontouren en de bathymetrie in en buiten de haven, moet representatief zijn voor beide meetdagen in oktober 2005. Hier voor is beschikbaar:

De digitale kusthoogte data voor Rijnland en Noord Holland van 2005. Deze bestanden hebben een resolutie van 20 m 20 m door interpolatie tussen de kustprofielmetingen van het betreffende jaar. Het coördinaten stelsel is RD, de diepten zijn in meters t.o.v. NAP. Bron hier voor is JARKUS, de Jaarlijkse Kustmetingen van RWS, zie ook

www.watermarkt.nl/kustenzeebodem.

Lodingen van IJmuiden haven en omgeving, d.w.z. de IJgeul, en een strook aan de buitenzijde van de havendammen. Het betreft de meest recente informatie t/m week 44 2005 (30/10 – 4/11), m.a.w. er kan data van 2002 tussen zitten. De resolutie is 10 m 10 m, met coördinaten in het RD-stelsel, en diepten in meters t.o.v. NAP. Bron: Informatiedienst Water (WSI) RWS Noord-Holland.

Gedetailleerde landcontour van de haven en de pieren. Het betreft de scheiding tussen water en land zoals vanaf luchtfoto’s wordt bepaald. Een preciezere definitie van deze contourlijn (bij HW of LW, of de ligging t.o.v. NAP) is niet bekend. Bron: vector-top10 data van de Topografische Dienst.

De bathymetrie van de overige gebieden komt uit het IJmond model versie 3.

Waterstands- en stroommetingen

Waterstandsmetingen en getijvoorspelling van oktober 2005 voor station IJmuiden-buitenhaven, RD positie 98430 m E en 497500 m N, op de kop van de oude zuidpier. Bron:www.waterbase.nl enhttp://www.getij.nl/. Mol (2005) bevat grafische informatie, geen datafiles.

Op de CD "Verwerking van stroom-, sediment- en saliniteitsmetingen in de buitenhaven van IJmuiden"stonden onder directory Buitenhaven IJmuiden\Cd2\Wsi ruwe en bewerkte data van SPY1 en SPY2 in de periode van de metingen (oktober 2005). Deze metingen zijn echter niet gerapporteerd in Mol (2005).

Gemeten stroomsnelheden en richtingen, gemiddeld over 0-5 m, 0-10 m en 0-15 m onder NAP, voor de periode 12 t/m 20 oktober 2005 van de twee ADCP sensoren op de Stroommeetpaal IJgeul. De twee meetopstellingen, SPY1 en SPY2, staan op minder dan

10 m uit elkaar. De positie van SPY1 is 95883 m E, 497679 m N (

www.hmc-noordzee.nl). De ongestoorde zeebodem ligt lokaal op ongeveer 15 m diepte, maar rond de paal zelf bevindt zich een ontgrondingskuil van 6 m diepte. Bron van de data: Donar. Van de Stroommeetpaal IJgeul (SPY2) is bovendien een maandreeks (3 januari – 5 februari 2006) van dieptegemiddelde snelheden en richtingen ontvangen (tijdreferentie GMT, interval 10 min). Na controle en correctie voor enkele ontbrekende waarden is deze reeks geanalyseerd om de astronomische getijstroming bij SPY2 over de meetperiode te bepalen.

Zoutgehalten

Zoutverticalen zijn gemeten tijdens de 13-uursmetigen in de voorhaven op 12 en 17/18 oktober 2005, zie Mol (2005) en bijbehorende data files.

Meteorologische condities

De potentiële windsnelheid en -richting van oktober 2005 voor Station 225 IJmuiden, RD positie 98450 m E en 497450 m N, of geografische positie 52.463 ºN en 4.555 ºE.

Bron: KNMI, zie http://www.knmi.nl/samenw/hydra. Luchtdruk gegevens zijn niet

beschikbaar op deze plaats.

Afvoergegevens

Spuidebieten, gemaaldebieten en zoutgehalten tijdens de meting en de voorafgaande dagen:

Mol (2005) geeft de spui- en gemaaldebieten alleen tijdens de 13-uursmetingen en in grafische vorm (geen datafiles).

Spui- en gemaaldebieten voor IJmuiden opgevraagd uitwww.waterbase.nl bevatten een debietwaarde per dag (om 8:00 MET). Dit zijn daggemiddelde waarden. Zoutgehalten voor deze debieten, die mogelijk worden gemeten aan de Noordzeekanaal zijde van het sluizencomplex, kunnen niet worden opgevraagd uit Waterbase.

4

Analyse van de gegevens

Om de calibratieperiode vast te stellen, en daarbinnen de representatieve eb- en vloedcondities te kiezen voor het stationaire model zijn de gegevens uit hoofdstuk 3 aan een nadere analyse onderworpen. Alvorens de stroming in de voorhaven in meer detail te beschouwen op basis van de “Overzichtfiguren stroompatroon” zie Bijlage 1 in Mol (2005), analyseren we eerst de algemene getijcondities en eventuele meteorologische invloeden.

IJmuiden Buitenhaven -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 Tijd (MET) 12 oktober 2005 Wa ter st an d (m NA P) Waarneming Voorspelling Residu

Figuur 4-1 Waargenomen waterstand, voorspelling en residu IJmuiden Buitenhaven op 12 oktober 2005

IJmuiden Buitenhaven -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 Tijd (MET) 17/18 oktober 2005 Wa ter st an d (m NA P) Waarneming Voorspelling Residu

4.1

Analyse getijcondities en meteorologische invloeden

De stroommetingen tijdens de 13 uursmetingen vonden plaats bij

doodtij, op 12 oktober 2005, van 4:47 tot 18:06 MET (globaal van LW tot LW) en bij springtij op 17 en 18 oktober 2005, van 14:52 tot 04:04 MET (globaal van HW tot HW). Het doodtij is met een voorspelde getijslag van 1.04 m aanmerkelijk kleiner dan een gemiddeld doodtij (getijslag 1.39 m). Het springtij is met een voorspelde getijslag van 1.93 m een gemiddeld springtij (getijslag 1.90 m).

De meteorologische effecten op de waterstanden blijken uit Figuur 4-1 en Figuur 4-2. In deze figuren is behalve de gemeten waterstand ook het voorspelde astronomische getij en het verschil tussen beide uitgezet. Dit verschil ook wel opzet, ‘surge’ of residu genoemd, verloopt op 12 oktober 2005 tijdens de stroommeetcampagne van ca. 0.0 m in het begin tot –ca. 0.2 m aan het einde van de dag, zie Figuur 4-1. Deze geringe verlaging houdt vermoedelijk verband met de ZO wind van 3 Bf.

Op 17 en 18 oktober varieert de opzet tijdens de meting tussen ca. -0.4 tot -0.65 m, zie Figuur 4-2. Mede onder invloed van de oosten wind van 4 Bf is een grootschalige negatieve ‘surge’ ontstaan van ongeveer een halve meter. De LW-standen op 16 oktober (23:00) en 17 oktober (23:40) zijn met respectievelijk -1.23 m en -1.28 m zelfs ca. 0.3 m onder Chart Datum (LLWS’85 = -0.95 m NAP). Gedurende de stroommetingen levert de opzet echter geen wezenlijke bijdrage aan de uitwisseling van de voorhaven. Wel kan de matige oostenwind (overwegend < 8 m/s) met name in de periode tussen HW en LW de uitstroming van de voorhaven aan het oppervlak bevorderd hebben. Tijdens de doodtijmetingen treedt echter een min of meer vergelijkbare windconditie op. Vanwege de grotere dynamica heeft het springtij van 17/18 oktober 2005 daarom de voorkeur als simulatieperiode.

IJmuiden 17-18 oktober 2005 -1.00E+03 -5.00E+02 0.00E+00 5.00E+02 1.00E+03 1.50E+03 2.00E+03 10:00 14:00 18:00 22:00 02:00 06:00 10:00 Tijd (MET) De b iet h avenmon d ( m3/s) 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 Stroom sne lhei d ( m /s) Getijvulling Stroomsnelheid Spy1 Vloed eb

IJmuiden Buiten 17/18 oktober 2005 Tijd in MET Tijd t.o.v. HW Water stand (m) Tijds-afgeleide (10-3 m/s) Laagwater 11:10 – 13:00 - 4:15 -0.90 Maximale stijging 14:20 0.35 Hoogwater 15:20 HW 0.68 Maximale daling 17:10 -0.11

Agger (stijging) 19:20 – 20:40 -0.57 naar

-0.52 Maximale daling 21:40 -0.11 Laagwater 23:40 + 8:20 (- 4:00) -1.28 Maximale stijging 02:30 - 1:10 0.37 Hoogwater 03:40 HW 0.78

Tabel 4-1 Waterstanden IJmuiden Buitenhaven 17 en 18 oktober 2005

17/18 oktober 2005 MET Getijdebiet havenmond m3/s Komlediging

Minimum (waargenomen daling, zonder middeling) 16:10 – 17:50 -533

Minimum (waargenomen daling, met middeling) 17:10 – 17:50 -442

Minimum (astronomisch getij) 21:30 -600

Gemiddelde komlediging (waargenomen daling) 15:30 – 23:30 -264

Komvulling

Maximum (waargenomen stijging, zonder middeling) ca. 2:30 1733

Maximum (waargenomen stijging, met middeling) 2:30 1475

Maximum (astronomisch getij) ca. 2:30 1267

Gemiddeld komvulling (waargenomen stijging) 23:40 – 3:40 544

Tabel 4-2 Komvulling (+) en komlediging (-) debieten door de havenmond, afgeleid uit het waterstandsverloop in de haven

4.2

Eb- en vloedconditie voor stationaire stroming

De belangrijkste momenten in het waterstandsverloop van station IJmuiden Buitenhaven zijn gegeven in Tabel 4-1. Opvallend is de korte duur van de periode met stijgende waterstanden (ca. 4 hr), en de lange duur van de periode met daling (ca. 8 hr). Tijdens het springtij treedt op de dalende flank een ‘agger’ op, een korte maar duidelijke verheffing van de waterstand, gevolgd door een verdere daling bij eb, zie ook Figuur 4-2. Uit de tijdsafgeleide van de gemeten waterstand is met het havenoppervlak van A = 4 106 m2 het komvullingdebiet (+) en ledigingdebiet(-) door de havenmond afgeleid, zie Figuur 4-3. Daarbij is de afgeleide van de waterstand gemiddeld over een interval van 40 minuten. Enkele kenmerkende waarden zijn opgenomen in Tabel 4-2.

Stroommeetpaal 17/18 oktober 2005 Tijd in MET SPY1 snelheid (m/s) SPY2 snelheid (m/s) SPY1 richting (ºN) SPY2 richting (ºN) Maximale vloedstroom 15:00 1.01 0.99 18 13 Kentering (minimum snelheid) 18:50 0.04 0.05 306 304 Maximale ebstroom 21:30 0.73 0.73 190 196 Kentering (minimum snelheid) 01:40 0.09 0.08 111 109 Maximale vloedstroom 03:10 1.03 *) 19 *)

Tabel 4-3 Dieptegemiddelde snelheden Stroommeetpaal IJgeul, sensoren SPY1, SPY2 ( * geen waarnemingen)

Naast de komvul- en ledigingdebieten van de voorhaven zijn in Figuur 4-3 ook de diepte-gemiddelde stroomsnelheden van de Stroommeetpaal IJgeul uitgezet. De kenmerkende tijdstippen in het verloop van de stroming (maximum vloed en eb, kenteringen) bij de Stroommeetpaal IJgeul zijn gegeven in Tabel 4-3. De maximum vloedstroom van 1.0 m/s treedt een halfuur voor HW op, en de maximum ebstroom van 0.7 m/s zo’n 2 hr voor LW. De ebperiode is op zee met 6:50 hr langer dan de vloedperiode (ca. 5:30 hr). Dit is minder geprononceerd dan bij de komvulling en -lediging van de haven waar sprake is van een lange uitstroomperiode van ca. 8 hr en een korte (en hevige) instroomperiode van ca. 4 hr (zie perioden voor daling en rijzing van waterstanden).

Fase Start op Tijd (MET) 17/18 okt.

2005

Duur Stroming in de toplaag (4 m)

Stroming in de onderlaag (4-24 m)

III Komlediging/vloed 3:30

HW 15:20 variabel, deels als

onderlaag

gepaarde( ) en (+) vloedneren nog aanwezig, max. 0.75 m/s in jet-structuur

geen duidelijke kentering in de voorhaven,

Max. lediging-debiet (1)

16:10-17:50 af ca. 16:50 uitstroom ca. 16:50 westelijke vloedneer( ) uitgespoeld, oostelijke vloedneer (+) overgegaan in grote ebneer (+) IV Komlediging/eb 4:50 HW kentering 18:50 16:50-LW kentering

vrijwel continu uitstroom in toplaag,

totale duur ca. 9 hr

16:50-LW grote ebneer (+), totale duur ca. 7 hr

Agger (korte water-stands verheffing)

19:20-20:40 20:15-21:00 (+) neer

achter zuiderdam, zie onderlaag 19:22-21:44 eb-instroom bij zuiderdam) Max. lediging-debiet (2) 21:40 Max. eb SPY 21:30 I Komvulling/eb 2:00

LW 23:40 hele periode vrijwel

continu uitstroom in toplaag

ebneer (+) is weg, geringe instroom

II Komvulling/vloed 2:00

LW kentering 1:40 top laag variabel 1e vloedneer ( ) ontstaat

vanaf de zuiderdam, later ook 2e vloedneer (+) vanaf de noorderdam

Max. komvuldebiet 2:30 2:26 – 3:36: gepaarde

( ) en (+) vloedneren, ook in toplaag! 2:26 – 3:36: gepaarde ( ) en (+) vloedneren jet-structuur af noorderdam max. 0.7 m/s

Max. vloed SPY 3:10

III Komlediging/vloed

HW 3:40

Tabel 4-4 Fasering stroomcondities in de voorhaven van IJmuiden op basis van de metingen van 17 en 18 oktober 2005.

De omstandigheden waarin onder invloed van het horizontale getij zich een of meer neren in de voorhaven heeft ingesteld, worden gevonden in Fase IV en II en in de onderlaag, zie Tabel 4-4:

Fase IV, Komlediging/eb.

De lange periode van ca. 7 hr waarin een grote ebneer (+) in de bodemlaag aanwezig (16:50 – LW) is. De neer beslaat de hele westelijke kom van de voorhaven.

De uitstoming van de haven varieert van ongeveer 0 m3/s (tijdens de agger) tot maximale uitstroming om 21:40 MET, terwijl de maximum ebstroom van 0.73 m/s op zee om 21:20 MET wordt bereikt.

Fase II, Komvulling/vloed.

In een vrij korte periode ontstaan onder invloed van de geconcentreerde instroming bij komvulling gepaarde (–) en (+) vloedneren, ook in de toplaag. De grootste snelheid in de jet-structuur is ca. 0.75 m/s.

Het maximum komvuldebiet wordt bereikt om 2:30, en de maximum vloedstroom van 1.03 m/s op zee om 3:10 MET. HW is om 3:40 MET.

Dit leidt tot de keuze van de volgende eb- en vloedcondities uit de metingen van 17 en 18 oktober 2005.

Eb: Voor de ebsituatie is het stroombeeld van 17-10-2005 21:01 – 21:44 MET (p. 84/85

in Mol, 2005) gekozen, met een voor eb kenmerkend neerpatroon in de onderlaag. Het midden van dit interval is 21:20. De waterstand is dan 0.66 m NAP (waargenomen) of -0.15 m NAP (voorspeld).

Vloed: Voor de vloedsituatie is het stroombeeld van 18-10-2005 2:26 – 3:36 MET

(HW-1:14 tot HW-0:04) gekozen (p. 96/97 in Mol, 2005), met een maximale vloedstroom en een voor vloed kenmerkend neerpatroon in de voorhaven. Het midden van dit interval is HW-0:39, d.w.z. 3:00 MET. De waterstand is dan 0.48 m NAP (waargenomen) of 1.01 m NAP (voorspeld).

In de ebsituatie is het spui- of gemaaldebiet Q = 0 m3/s tot 22:00 MET. Daarna, bij

laagwater, wordt er tussen ca. 22:00 – 2:00 Q = 200 m3/s geloosd. In de vloedsituatie is het

spui- of gemaaldebiet 0 m3/s vanaf 2:40 MET. De directe effecten van de spui- en

gemaaldebieten ten opzichte van komvulling en –lediging zijn in de geselecteerde perioden dus verwaarloosbaar.

Het springtij van 17 en 18 oktober 2005 was gekozen als calibratieperiode, zie paragraaf 4.1. Daarbinnen zullen de stationaire berekeningen zich richten op de vloedconditie van 18 oktober 3:00 de ebconditie van 17 oktober 21:20. De bij deze condities behorende parameters zijn gegeven in Tabel 4-5.

Station Vloed ca. 18/10 3:00 Eb ca. 17/10 21:20 waterstand in de haven 1.00 m -0.15 m stroomsnelheid SPY -1.0 m/s 0.7 m/s

5

Modelopzet

5.1

Getijmodel

Bij de opzet van de numerieke stromingsmodellen is uitgegaan van de schematisatie van het gecalibreerde en geverifieerde SIMONA IJmond Model van RWS (IJmond model versie 3) en een bijbehorende set van randvoorwaarden voor het astronomische getij, zie hoofdstuk 3. Het SIMONA model is omgezet naar een Delft3D-FLOW model en vervolgens is het rooster aangepast om het geschikt te maken voor de simulatie van neren in havenmond en de voorhaven. Daarna is de bodemschematisatie zo goed mogelijk afgestemd op situatie ten tijde van de veldmetingen van oktober 2005. Met dit model zijn vervolgens enkele 2DH berekeningen gemaakt om de omvang van het kleinere stationaire model zo goed mogelijk te bepalen, en de representativiteit van de stationaire snelheidsvelden te kunnen controleren. Hier onder bespreken we de modelaspecten die in het ‘Delft3D IJmond model’ veranderd zijn ten opzichte van het IJmond model versie 3.

Rekenrooster

De afmetingen van het IJmond model zijn ongeveer 30 km in offshore richting en 75 km langs de kust. Na verfijning van het rooster in de omgeving van de havenmond, waarbij getracht is de havendammen zoveel mogelijk ‘boudary fitted’ weer te geven, resulteert een rooster van 383 236 cellen, waarvan 64% actief is (ca. 58000), zie figuur 5.1 a-c. In de havenmond is de resolutie van het rooster 35 m of kleiner. Ter vergelijking: versie 3 van het IJmond model heeft een rooster van 349 198 cellen, waarvan 70% actief (ca. 47000), en een resolutie van ongeveer 80 m in de havenmond.

Bodemschematisatie

De bodemschematisatie is opnieuw bepaald uit de dieptegegevens voor de kustzone, de havendammen, de haven en de IJgeul, zie hoofdstuk 3. De overige gebieden zijn aangevuld met de bodemgegevens van het IJmond model versie 3. Daarbij is geverifieerd dat de verschillende datasets goed op elkaar aansluiten. De bodemschematisatie wordt gepresenteerd in figuur 5.2 a-c. Kenmerkend voor het interesse gebied zijn de IJgeul met een diepte van ca. 20 m onder NAP, de ondiepe gebieden gelegen binnen de havendammen aan weerszijden van de geul (zuidzijde ca. 6 - 8 m en noordzijde 6 – 10 m onder NAP), en de ontgrondingskuil voor de havenmond met een maximum diepte van ongeveer 28 m.

Havendammen

model van de HLES methode geen rekening houdt met dunne dammen zijn de havendammen zo veel als mogelijk met droge cellen weergegeven.

Tijdschematisatie

De tijdstap dient bij de toepassing van de HLES methodiek te voldoen aan het Courant criterium voor advectie en aan het Courant criterium voor oppervlaktegolven (WL | Delft Hydraulics, 2006). Dit laatste criterium bleek maatgevend. Voor de huidige situatie werd een tijdstap gekozen van 3 s (0.05 minuut). Voor deze tijdstap voldoet het Courantgetal in het hele model aan het gestelde criterium ( 5.6).

Randvoorwaarden

In het IJmond model versie 3 wordt het astronomische getij opgelegd via Riemann randvoorwaarden langs de drie open randen. Voor het Delft3D getijmodel zijn voor de periode van de veldmetingen deze randvoorwaarden omgezet naar Delft3D-FLOW, rekeninghoudend met het nieuwe rooster.

Fysische constanten

Voor de Coriolisversnelling in getijberekeningen is de breedtegraad ingesteld op 52.5° N. Voor de neerstroming in de voorhaven is de Coriolisversnelling niet relevant. Om problemen met de stationaire randvoorwaarden in het zeegebied te voorkomen is voor deze berekeningen de corresponderende parameter op f = 0 gezet door het model op de evenaar te plaatsen (Breedtegraad is ingesteld op 0° N). De versnelling van de zwaartekracht is 9.813 m2/s, en de referentie dichtheid van het zeewater is 1023 kg/m3.

Bodemruwheidscoëfficiënten

De bodemruwheidscoëfficiënten zijn gekozen in overeenstemming met het IJmond model v.3, waarin de Manning-formulering is gehanteerd. De Manningcoëfficiënten zijn gelijk aan 0.024 m-1/3s.

Horizontale eddy viscositeit (en diffusiviteit)

Wanneer de horizontale (en diepte-uniforme) eddy viscositeit en diffusiviteit worden bepaald door de HLES aanpak dan spelen de volgende parameters een rol (WL | Delft Hydraulics, 2006):

5 / 3 helling in het log-log spectrum van de energiedichtheid als functie van het

golfgetal, gewoonlijk 5/3 of 3, maar naar ervaring weinig gevoelig,

2

D

n

dimensie getal voor 2D turbulentie,

0.7

T Prandtl-Schmidt getal (de verhouding tussen horizontale eddy viscositeit en

1/ 3

lp

f ruimtelijke low-pass filter coëfficiënt, bereik 1 - 1/5, op grond van praktijk

ervaring wordt een waarde van 1/3 gekozen voor het tweede orde

ADI-advectie schema in Delft3D-FLOW,

15 relaxatietijd in minuten, kenmerkend tweemaal de tijdschaal van de grootste

neren, op basis van ervaring wordt in berekeningen met een dubbeldaags

getij 10 - 20 min gehanteerd.

De bijdrage van de niet opgeloste driedimensionale turbulente bewegingen aan de horizontale eddy viscositeit wordt geschat op basis van de zogenaamde ‘Elder formulering’. Deze formulering veronderstelt een logaritmisch snelheidsprofiel voor volledig ontwikkelde turbulente stroming bij gegeven waterdiepte en bodemwrijving.

De keuze van flp = 1/3 houdt in dat het sub-grid scale model de werking van de

niet-gesimuleerde wervels tot een lengteschaal (golflengte) van zesmaal de roosterafmeting vertegenwoordigd.

In geval additionele transportprocessen (zout, sediment) gemodelleerd moeten worden, speelt de 2-dimensionale horizontale eddy diffusiviteit (Dh) een belangrijke rol. Deze is een functie van de 2-dimensionale horizontale eddy viscositeit ( 2D):

2

/

D

h T

D

De instellingen van de HLES parameters liggen daarmee grotendeels vast. Eigenlijk is alleen de relaxatietijd nog probleemafhankelijk. Begonnen is met een relaxatietijd van 15 minuten.

Numerieke parameters

Het model bevat grote ondiepe gebieden die droogvallen tijdens laagwater, in het bijzonder de stranden. Het droogvallen en onderlopen wordt gecheckt bij interfaces en in de cel-middens. De diepte in de cel-middens wordt bepaald met de MAX procedure. De diepte op de cel-interfaces wordt bepaald met de MEAN procedure. De drempelwaarde voor droogvalling is op 0.10 m gezet. De waterstanden op de cel-interfaces worden benaderd door middeling van de waterstanden aan weerszijden van de cel-interfaces door specificatie van de marginale diepte (DCO) als –999. Details worden gegeven in WL | Delft Hydraulics (2006).

Voor het advectie schema voor impulstransport is de (default) Cyclische Methode geselecteerd vanwege zijn grotere nauwkeurigheid.

5.2

Stationair model

is toch een zekere dynamica aanwezig. De horizontale eddy viscositeit wordt bepaald op basis van de HLES-methodiek, zie paragraaf 5.1. De daar vermelde tijdstapcriteria gelden dan ook onverkort voor de stationaire berekening. Ten opzichte van het getijmodel in paragraaf 5.1 verschilt de definitie van het stationaire model met name voor het rooster en de randvoorwaarden.

Rekenrooster en bodemschematisatie

Het rooster van het stationaire model is een uitsnede van het getijmodel van ca. 15 km offshore bij 30 km langs de kust, zie figuur 5-1 b – c. Het rooster van het stationaire model bestaat uit 193 198 cellen, waarvan 71% actief (ca. 27000). Dit is 46% van het Delft3D IJmond model. De bodemschematisatie is niet gewijzigd ten opzichte van paragraaf 5.1, zie figuur 5.2 b-c.

Tijdschematisatie

Met het stationaire model wordt een periode van 24 uur doorgerekend.

Randvoorwaarden en begincondities

Het stationaire model wordt aangedreven door sterk geschematiseerde randvoorwaarden, die zo zijn gekozen dat de stroming voor de haven langs realistisch wordt weergegeven. De westrand is een gesloten rand, de waterstand wordt gecontroleerd door de zuidrand en de stroomsnelheden door de noordrand. In de haven wordt de getij-geïnduceerde komvulling-of ledigingdebiet voorgeschreven. De waarden, zie Tabel 5-1, worden in eerste instantie ontleend aan Tabel 4-1. (NB een noordwaartse snelheid is negatief bij de gegeven rooster oriëntatie.)

De berekeningen worden gestart vanaf een initiële waterstand die gelijk is aan de waterstandsrandvoorwaarde, en initiële snelheden en debieten die gelijk zijn aan 0. In 3 uur (equivalent met ¼ getijperiode) laten we de snelheids- en debietrandvoorwaarde toenemen tot de stationaire waarde.

Rand Voorwaarde Vloed

ca. 18/10 3:00 Eb ca. 17/10 21:20 westrand gesloten zuidrand waterstand 1.00 m -0.15 m noordrand stroomsnelheid -1 m/s 0.7 m/s haven komdebiet 1700 m3/s -500 m3/s

Numerieke parameters

De ‘smoothing time’ voor de stationaire berekeningen is gelijk aan 60 minuten omdat gestart wordt vanaf een niet ingespeelde initiële conditie.

Modeluitvoer

Monitoring stations voor tijdreeksen zijn gedefinieerd voor: IJmuiden buitenhaven, Stroommeetpaal IJgeul (SPY), en de 25 stations waarvoor de ADCP metingen zijn gerapporteerd (Mol, 2005).

6

Calibratie en validatie voor 17/18 oktober

2005

De calibratie van het stationaire model is gebaseerd op de representatieve eb- en vloedconditie van het springtij van 17/18 oktober 2005: de ebconditie op 17 oktober 2005 21:20 MET en de vloedconditie op 18 oktober 2005 3:00 MET, zie paragraaf 4.2. Deze condities vertonen de karakteristieke snelheidvelden met het voor de ebperiode kenmerkende neerpatroon in de onderlaag, en het voor de vloedperiode kenmerkende patroon van gepaarde neren in het westelijke deel van de voorhaven.

Het calibratie doel is de correcte weergave van de gemeten stroomsnelheden onder de genoemde condities. Dit wordt gecontroleerd door middel van vectorplots voor diepte-gemiddelde stroming en voor de stroming gemiddeld over de bovenlaag en de onderlaag. De waterstand in station IJmuiden Buitenhaven en de stroomsnelheid en richting bij de Stroommeetpaal IJgeul (SPY) wordt vergeleken met tijdreeksen van gemeten en voorspelde waterstanden en snelheden.

Behalve met het stationaire model zijn in het kader van de model calibratie ook een aantal berekeningen uitgevoerd met het aangepaste IJmond model. De rekentijden bedragen ca. 1:20 hr voor stationaire berekeningen met een simulatieperiode van 24 uur. Het 2DH IJmond model heeft 14 hr rekentijd nodig voor 2 dagen simulatietijd.

Een overzicht van de calibratie berekeningen is gegeven in Appendix B, tabel B-1. Eerst zijn twee stationaire berekeningen gemaakt met het volledige Delft3D IJmond model (runs e01 en v01). Vervolgens is verder gewerkt met de uitsnede uit dat model, beschreven in paragraaf 5.2 (runs e02, v02). Uit de vergelijking van vectorplots met de berekende stroming en de gemeten stroming (gemiddeld over de bovenlaag en de onderlaag, zie figuur B-1 a-d, met vectorplots voor dieptegemiddelde stroming, zie figuur B-2 a-b) is geconcludeerd dat verdere analyse op basis van vectorplots voor dieptegemiddelde stroming kan plaats vinden. De belangrijkste calibratieparameters waren de randvoorwaarden voor waterstand, stroomsnelheid en het komvulling- of komledigingdebiet van de voorhaven. Aanvankelijk zijn relatief grote debieten opgelegd voor de simulatie van de komvulling en komlediging van de haven. De snelheidsrandvoorwaarde voldeed, maar de waterstand op de rand onderging nog een kleine correctie voor het verhang tussen de rand en het station IJmuiden Buitenhaven. Vervolgens is de gevoeligheid van de oplossingen onderzocht voor kleinere vul- en ledigingdebieten (van nihil tot de momentane waarden corresponderend met 21:20 en 3:00 hr en gemiddelde waarden over de komvul- en ledigingperiode). De relaxatietijd van HLES parameters is gehandhaafd op de representatieve waarde van 15 minuten.

Tijdens de vloedconditie is de komvulling van de voorhaven essentieel voor het stroombeeld. De resultaten van run v04 (Qhaven = 950 m

3

/s) en v05 (Qhaven = 540 m 3

/s) voldoen het best. Run v04 kiezen we als uiteindelijke vloedconditie wegens de goede overeenkomst in de havenmond. Merk op dat de berekeningen niet volledig stationair zijn: door het loslaten van wervels in de havenmond en door interacties tussen neren (vooral in de oostelijke recirculatie cel bij vloed) blijven er fluctuaties bestaan.

De berekende snelheid en richting bij de Stroommeetpaal IJgeul (SPY) komen goed overeen met de ter plaatse gemeten waarden, zie figuur B-3 c. De neerpatronen in de voorhaven bij eb en bij vloed komen na calibratie van de komvulling- en ledigingdebieten goed overeen met de gemeten patronen, zie Figuur 6-1.

Figuur 6-1 Geselecteerde dieptegemiddelde stationaire stroomvelden bij vloed met een komvullingdebiet van

950 m3/s (v04, links) en bij eb met een komledigingdebiet van 0 m3/s (e03, rechts). Gemeten vectoren in rood.

Om de validiteit van de aanpak te bevestigen, is nog een vergelijking gemaakt van de snelheidsvelden berekend voor de stationaire eb- en vloedsituaties (resp. run e03 en run v04) met snelheidsvelden op de overeenkomstige tijdstippen berekend met het (2DH) getijafhankelijk Delft3D IJmond model met astronomische randvoorwaarden (run t03). Het resultaat is weergegeven in Figuur 6-2. De richtingen en grootte van de snelheden op zee komen in beide gevallen goed overeen. Gegeven de zeer dynamische situatie in de vloedperiode, waarbij in ca. 4 hr de volledige komvulling plaatsvindt en waarbij het komvullingdebiet haveninwaarts in werkelijkheid afneemt (in v04 constant 950 m3/s), is het stationaire stroombeeld toch heel representatief voor het probleem. In de ebperiode is de aard en omvang van de grote ebneer vergelijkbaar, inclusief de aanwezigheid van kleinere turbulente structuren in de havenmond.

Figuur 6-2 Vergelijking van stationaire snelheidvelden (blauw) met getij-variërende snelheidvelden (rood) voor de vloedconditie op 17 okt. 2995 om 3:00 (links) en de ebconditie op 18 okt. 2005 om 21:30 (rechts).

7

Onderzoek maatregelen voor neerreductie

Ten aanzien van inrichtingsmaatregelen om de aanslibbing in havens te verminderen, wordt onderscheid gemaakt (Van Rijn, 2005) in maatregelen die

a) de uitwisseling door de havenmond reduceren, en b) de sedimentinput in het havenbassin verminderen.

Voor maatregelen van type (a) zijn de relevante uitwisselingsprocessen van belang, in dit geval de turbulente uitwisseling door het zog voor de havenmond, en de getij-geïnduceerde komvulling en -lediging, zie paragraaf 2.1. Voor de ebconditie, gekenmerkt door een relatief lange periode met een zelfde neerpatroon en geringere snelheden, beschrijft vergelijking (2.1) de factoren die de uitwisseling bepalen:

de natte doorsnede van de havenmond,

een uitwisselingscoëfficiënt afhankelijk van de havenmondconfiguratie.

De uitwisseling kan worden beperkt door verkleining van de havenmond, door bijv. een krib aan de binnenzijde van de kop van de zuiderdam, en het verlengen van de noorderdam. De uitwisselingscoëfficiënt kan worden beperkt door de geometrie van de havenmond verbeteren, zodat de zogstroming wordt beperkt. Voorbeelden zijn stroomlijning van de geometrie van de havenmond, of speciale constructies zoals een palenscherm. Zulke constructies moeten bestand zijn tegen de extreme hydrodynamische condities die bij de havenmond optreden.

Maatregelen van type (b) zijn van belang voor de vloedconditie, gekenmerkt door een relatief korte duur, met een grotere intensiteit en dynamica van neren, waarbij de komvulling een belangrijke rol speelt. Het havenbassin moet daarbij zoveel mogelijk gevuld worden met water uit het bovenste gedeelte van de waterkolom, waar de sedimentconcentraties het laagst zijn, bijvoorbeeld door het selectief inlaten van oppervlakte water via een gat in de zuiderdam.

In overleg met RIKZ werd afgesproken de onderstaande zes hoofdvarianten van maatregelen ter reductie van de neerstroming te onderzoeken:

Gat met drempel in de zuiderdam (G), Palenscherm bij de noorderdam (P), Geleide krib noorderdam (KN), Verlengen noorderdam (VN),

Krib aan binnenzijde kop zuiderdam (KZ1),

Krib binnenzijde zuiderdam tegenover kop noorderdam (KZ2).

Op verzoek van RWS Noord-Holland zijn eveneens berekeningen uitgevoerd voor: een grote verlenging van de zuiderdam (vz1)

een grotere verlenging van de noorderdam dan tot dan toe in scenario VN (vn-02) een zandplaat in de zuidelijke kom (kz2-03)

onhaalbaar. Alle overige maatregelen hebben betrekking op de ebfase. Aanvankelijk zijn de maatregelen onderzocht met berekeningen voor diverse configuraties per hoofdvariant, uitgaande van de van toepassing zijnde conditie, respectievelijk run e03 voor de eb en run v04 voor de vloed (komvulling = 950 m3/s), zie hoofdstuk 6. De uiteindelijke maatregelen zijn getest voor zowel eb- als vloedsituaties.

In het onderstaande geven we een toelichting op de uitgevoerde berekeningen per inrichtingsmaatregel met de voornaamste resultaten. Een overzicht van alle uitgevoerde berekeningen is opgenomen in tabel C-1. De resultaten van deze berekeningen zijn opgenomen in Appendix C.

7.1

Gat in zuiderdam (G)

Het gat in de zuiderdam is bedoeld om de (slib-) uitwisseling tijdens vloedfase te reduceren door de voorhaven te vullen met oppervlakte water met een lager slibgehalte en een tegenstroom te introduceren om de geconcentreerde instroming in de havenmond af te remmen.

Er is eerst een zevental berekeningen uitgevoerd met variërende gatbreedte, drempelhoogte en instroomdebiet door het gat, zie Appendix C. Grote instroomdebieten (orde komvuldebiet) vereisen een grote gatlengte of diepte en kunnen bovendien zeer complexe stroombeelden opleveren. Omdat instroomdebieten door het gat alleen nuttig bijdragen aan reductie van de aanslibbing door een lager sedimentgehalte van het oppervlaktewater bevelen we aan geen drempelhoogtes onder NAP te selecteren. Bijkomend voordeel is dat bij eb zo’n gat bovendien weinig hinder oplevert. Om hoofdzakelijk oppervlakte water in te kunnen nemen, moeten er wel eisen gesteld worden aan de vormgeving van de instroomzijde van de drempel.

Vervolgens zijn nog enkele berekeningen uitgevoerd, uitgaande van een gat van 360 m en de drempel op NAP. Het gat is gecombineerd met:

een geleidedam achter het gat om het oppervlakte water in een meer haveninwaarts gerichte stroming in te brengen (g09).

Constructief gezien is een geheel open gat voor RWS Noord-Holland geen optie. Daarom is er in g08 en g09 rekening mee gehouden dat brugpeilers of dergelijke de doorsnede van het gat nog met 50% reduceren.

In beide gevallen is bij vloed het debiet door het gat ongeveer 270 m3/s, ruim 25% van het komvuldebiet van 950 m3/s. Bij g08 blijft het debiet door het gat de westelijke neer in de havenmond voeden, zie figuur C-8a, maar door een lager slibgehalte kan het toegevoerde water bijdragen aan de reductie van de aanslibbing. Een betere schatting van deze reductie vraagt echter om slibtransportberekeningen. Bij eb, zie figuur C-8b heeft het parallelle dammetje achter het gat weinig effect op het stroompatroon in vergelijking met de referentieberekening e03.

Bij g09 zorgt de geleidedam ervoor dat het debiet door het gat niet in de westelijke neer terecht komt, maar direct verder haveninwaarts getransporteerd wordt, zie Figuur 7-1. Dit is veel effectiever. Bij eb zorgt de geleidedam ervoor dat de neer beperkt wordt tot het westelijke gedeelte. Een gat met een geleidedam is waarschijnlijk de beste oplossing voor de vloedconditie.

7.2

Krib aan binnenzijde kop zuiderdam (KZ1)

De krib of dam aan de binnenzijde van het zuider havenhoofd was in eerste instantie bedoeld om de op deze plaats waargenomen instroom tijdens eb tegen te gaan.

Om het effect te onderzoeken is een krib aan de binnenzijde van de kop van de zuiderdam gedefinieerd met een lengte van ca. 250 m. De afstand van deze kop van de krib tot de vaargeul is ongeveer gelijk genomen aan de afstand van de kop van de zuiderdam tot de vaargeul. De aansluiting op de zuiderdam kan waarschijnlijk het best tussen ca. 100 – 250 m zuidelijk van de kop van de zuiderdam gemaakt worden uit het oogpunt van bodemdiepte en golfbelasting. In het model is deze afstand ongeveer 120 m. Met een kruinhoogte van

1.5 m is de krib bij eb en vloed overstroombaar. Over de breedte van de kruin hebben tenminste 2 dieptepunten deze waarde.

Berekeningen zijn uitgevoerd met een gesloten krib (door definitie van droge cellen) en een overstroombare krib, zie Appendix C, runs kz1 en kz1-02, respectievelijk.

De oplossing met een overstroomde krib blijkt het best te werken. De ebneer is klein van omvang en opgesloten in de havenmond, zie Figuur 7-2. Bij vloed wordt de omvang van de westelijke neer beperkt, met bovendien minder uitwisseling ten gevolge van een zone met lage snelheden in mond.

7.3

Krib aan binnenzijde zuiderdam (KZ2)

Onderzocht is of inrichtingsmaatregelen in de ondiepe kom (6- 8 onder NAP) ten zuiden van de IJgeul de grote ebneer en de vloedneren kunnen beperken, om zo de uitwisseling door de havenmond te kunnen verminderen.

De volgende maatregelen zijn onderzocht:

Een krib in het midden van de zuidelijke kom (kz2),

Dezelfde krib met een onderwater talud in westelijke compartiment (kz2-02), Een zandplaat met verdedigde kop en een minimum diepte 2 m onder NAP (kz2-03), Dezelfde zandplaat maar nu met de taluds doorgezet tot NAP + 2m, d.w.z. ook bij vloed boven water (kz2-04).

De introductie in het model van een niet overstroombare krib van ongeveer 365 m aan de binnenzijde van de zuiderdam, tegenover de kop van de noorderdam, resulteert in een vrij sterke ebneer in het westelijke compartiment, zie Appendix C, figuur C-18.

Omdat constructies in zand relatief goedkoop zijn aan te leggen, zijn vervolgens ook varianten onderzocht in de vorm van een zandplaat (helling 1:35) met verdedigde kop (helling 1:10) tegenover de kop van de noorderdam en een minimum diepte van 2 m onder NAP, zie figuur C-20, en met taluds doorgezet tot 2 m boven NAP, zie figuur C-21. Dit levert vergelijkbare stroombeelden op.

Deze oplossingen zijn veel minder efficiënt dan een veel westelijker gelegen krib zoals in kz1. De conclusie is dat deze maatregelen niet erg effectief zijn omdat de uitwisseling, en dus de sedimentimport door de havenmond niet wezenlijk wordt beïnvloed.

7.4

Geleide krib noorderdam (KN)

Het doel van een geleide krib aan de noorderdam is om tijdens de ebfase de stroming weg te leiden van de havenmond. Om het effect van een dergelijke inrichtingsmaatregel te onderzoeken is op ca. 300 m van de kop van de noorderdam in westelijke richting een krib van ongeveer 240 m lengte gelegd.

Voor het resultaat van deze berekening, zie Appendix C, figuur C-13. Daaruit blijkt dat een dergelijke krib meer turbulente uitwisseling in de havenmond introduceert, en bijgevolg een sterkere neerstroming in de voorhaven.

7.5

Verlengen noorderdam (VN)

Met een verlenging van de noorderdam wordt de uitwisseling bij eb gereduceerd door de verkleining van de doorsnede van de havenmond en de een verkleining van de wervelschalen in de havenmond. Tegelijkertijd kan een kleinere havenmond leiden tot concentratie van de komvullingstroom bij vloed, met mogelijk een intensivering van de vloedneren.

Twee gevallen zijn onderzocht:

een verlenging met ongeveer 240 m (vn01), en een grotere verlenging met ongeveer 450 m (vn02).

In beide gevallen is de nieuwe kop van de noorderdam op dezelfde wijze als de bestaande kop buiten de vaargeul gesitueerd.

Figuur 7-4 Stationaire stroomvelden bij vloed (links) en eb (rechts) voor een grote verlenging van de noorderdam (vn02). Gemeten vectoren in rood.

7.6

Palenscherm bij de noorderdam (P)

Een doorlatend palenscherm bovenstrooms van de havenmond voorkomt de ontwikkeling van grote neren die kenmerkend zijn voor de menglaag in de toegang tot een havenbassin (Van Rijn, 2005; Van Schijndel en Kranenburg 1997, 1998). Deze inrichtingsmaatregel is bij IJmuiden toepasbaar voor ebcondities, wanneer de komlediging gering is, zoals in calibratie run e03. Men adviseert een schermlengte van tenminste 25% van de breedte van de haveningang (770 m) toe te passen. De afstand van het scherm tot de haveningang zou verhoudingsgewijs weinig invloed hebben. De afstand tussen de palen varieert van 0.1 à 0.3 maal de paaldiameter aan de oever tot ongeveer eenmaal de paaldiameter bij de kop van het scherm.

In het model is het palenscherm ongeveer haaks op de noorderdam gedefinieerd. Het scherm heeft een lengte van ca 200 m, terwijl de afstand tot de kop van de noorderdam is gevarieerd: p01 nabij de kop van de noorderdam, p02 ca. 150 m oostelijker dan p01, p03 nog eens ca. 150 m oostelijker. Het palenscherm is weergegeven met de aanvullende Delft3D-FLOW functionaliteit voor ‘Hydraulic Structures’, optie ‘Porous Plate’. Hierbij worden energieverlies coëfficiënten closs opgelegd, die afhankelijk zijn van de verhouding d/d tussen de paaldiameter d en de afstand d tussen de palen (WL | Delft Hydraulics, 2006). In het model neemt de afstand tussen de palen stapsgewijs toe in zeewaartse richting d/d = 0.17, 0.30, 0.48, 0.70, 1.0). Deze keuze is gebaseerd op een lineaire toename van de effectieve doorsnede (gemakshalve uitgaande van een uniforme diepte). Omdat de ‘porous plate’ in het model ‘diagonaal’ door het rooster loopt zijn de closs U en de closs V voor de U- en V-richtingen eenvoudig bepaald door de closs van het palenscherm (d.w.z. in diagonale richting) te delen door 2.

bepaald. Zo ontstaat een beeld van de circulatie in de havenmond en eventuele fluctuaties daarin onder invloed van passerende neren. Voor de ebconditie is geschat dat de referentieberekening e03 een bruto uitwisseling heeft van 250 à 300 m3/s met fluctuaties van 150 à 175 m3/s. De uitwisseling in de p03 berekening pakt al veel gunstiger uit met ruwweg een halvering van de bruto uitwisseling (ca. 150 m3/s met fluctuaties van 75 à 90 m3/s), zie tabel C-1. Een nog sterkere reductie van de uitwisseling vindt plaats bij p02 en p01, met respectievelijk ongeveer 80 en 45 m3/s, waarbij tevens geen fluctuaties meer optreden. Bij vloed zou mogelijk het palenscherm p01 een negatieve invloed op de uitwisseling kunnen hebben, zie Figuur 7-5. Uit een vergelijking van de bruto uitwisseling met de referentieberekening v04 blijkt dat dat niet het geval is. Een meer precieze kwantificering van de uitwisseling bij eb en vloed vraagt evenwel om een schaalmodel.

Figuur 7-5 Stationaire stroomvelden bij vloed (links) en eb (rechts) voor een palenscherm bij de kop van de noorderdam (p01). Gemeten vectoren in rood.

7.7

Grote verlenging zuiderdam (VZ)

Anticiperend op een mogelijke uitbreiding van de voorhaven in de toekomst is ook een grote verlenging van de zuiderdam onderzocht. De zuiderdam is hierbij met ongeveer 1.6 km verlengd, globaal langs de 18 m lijn om de ontgrondingskuil heen. De kop van de zuiderdam ligt hierdoor ca. 850 m verder in zee.

Deze grote verlenging van de zuiderdam introduceert zowel bij eb als bij vloed een grootschalig effect op het stroombeeld, met ingewikkelde nerenpatronen als gevolg, zie Appendix C, figuur C-22 a en b (Let op de afwijkende vectorschaal). Verwacht mag worden dat de ontwikkeling van een nieuwe grote ontgrondingskuil en de verdere aanzanding van de kust aan weerszijden van de haven nog een wezenlijke invloed op het stroombeeld zullen hebben.

7.8

Combinaties

De twee best werkende maatregelen voor de ebconditie zijn tenslotte gecombineerd met een van de beste vloed oplossingen:

Gat in de zuiderdam met parallel dammetje en overstroomde krib binnenzijde kop zuiderdam (g08 + kz1-02).

De berekeningen zijn uitgevoerd voor zowel eb- als vloedcondities. Voor de resultaten zie Appendix C, figuur C-23 en C-24.

De combinatie van het gat met het palenscherm geeft tijdens de ebconditie slechts een gering verschil met het resultaat voor een palenscherm alleen (p01), zie figuren 23a en C-10a. De resulaten voor de vloedconditie (figuur C-23b) verschillen in de westelijke cel maar weinig met die van de berekeningen (g08) voor het gat alleen (figuur C-8a). In het oostelijke deel verschillen de momentane stroombeelden weliswaar, maar beide vloedruns vertonen het zelfde type gedrag voor de ontwikkeling van de neren in de tijd. De positieve effecten van g08 en p01 zijn dus goed te combineren, waardoor een extra effectieve oplossing ontstaat uit het oogpunt van reductie van de aanslibbing in de voorhaven.

8

Discussie van de resultaten

De haalbaarheid van de inrichtingsmaatregelen voor reductie van de aanslibbing, en/of de neervorming, is afhankelijk van een aantal factoren:

de effectiviteit van de maatregel inzake reductie van uitwisseling/aanslibbing, de globale bouw- en onderhoudskosten,

de nautische aspecten en andere ontwerpaspecten.

Effectiviteit

Op basis van de resultaten gepresenteerd in hoofdstuk 7 kunnen we een overzicht geven met de vermoedelijk beste inrichtingsmaatregelen uit het oogpunt van reductie van de aanslibbing en/of neerstroming. Afgezien van de combinaties zijn dat, met kwalificering van de werking tijdens eb- en vloedsituatie, de volgende maatregelen:

1) Een palenscherm aan de noorderdam (p02/p01). Dit levert een erg effectieve eboplossing, met weinig tot vrijwel geen aandrijving van een neer door de ebstroming voorlangs de havenmond. Het palenscherm aan de noorderdam heeft geen effect op de uitwisseling onder vloedcondities.

2) Een overstroomde krib aan de binnenzijde van de kop van de zuiderdam (kz1-02). Deze levert een vrij effectieve eboplossing, de ebneer blijft klein van omvang en opgesloten in de havenmond. Bij vloed wordt de westelijke neer in omvang beperkt, en is er minder uitwisseling als gevolg van een zone met lage snelheden in mond.

3) Een verlengde noorderdam (vn02). Een relatief grote verlenging van de noorderdam is gunstig voor de uitwisseling bij eb en bij vloed vanwege een significante verkleining van de natte doorsnede van de havenmond. Lagere snelheden en kleinere mengweglengten geven bij eb een wat gunstiger beeld. De toename van de maximum snelheden in de westelijke neer bij vloed hebben mogelijk een ongunstige invloed op de vangstefficiency van de voorhaven.

4) Een gat in de zuiderdam, met een drempel op NAP en daarachter een geleidedam (g09). Het selectief inlaten van oppervlakte water met een lagere sedimentconcentratie tijdens vloed zal een gunstig effect op de aanslibbing hebben. Onder ebcondities wordt de neer in omvang beperkt door de geleidedam, op vergelijkbare wijze als in de berekeningen voor de maatregelen in de zuiderkom (kz2).

Alle maatregelen aan de binnenzijde van de zuiderdam, in de zuiderkom (kz2), blijken minder effectief te zijn dan kleinere constructies die meer westelijk liggen, zoals de krib aan de kop van de zuiderdam (kz1). De geleide krib aan de noorderdam (kn) en de grootschalige verlenging van de zuiderdam (vn) hebben geen positieve invloed op de stroombeelden.

Kostenoverwegingen