Beschrijving zandtransportmeter Dordrecht

BESCHRIJVING ZANDTRANSPORTMETER DORDRECHT B.P.C. Steenkamp Dordrecht, januari 1987 Dienst Binnenwateren/RIZA Hoofdafdeling Watersystemen Afdeling WS Delta

blz.

1. Inleiding 1

2. Beschrijvïng van de zandtransportmeter 3 2.1. Algemeen

2.2. Meetframe en aanzuigmonden

2.3. Pomp, grofvuil-filter en flowmeter 2.4. Meetkast 2.5. Bezinkvat 3 4 5 6 6 3. Pompdebiet, dimensies van inlaatopening,

slangen en bezinkvat ï

4. Berekening zandtransport 12

BIJLAGEN

1. .Principe zandtransportmeter "Dordrecht".

2. Meetvis met frame voor zandtransportmetingen. 3. Boven-, voor- en zijaanzicht meetframe.

1. INLEIDING

In het kader van het morfologisch onderzoek in het benedenrivie-rengebied bestaat behoefte aan prototypegegevens met betrekking tot de zandtransporten in diverse riviertakken en de verdeling da~~van over splitsingspunten. Speuringen naar bruikbare histo-rische gegevens hadden een negatief resultaat; blijkbaar zijn in het benedenrivierengebied in het verleden geen zandtransport-metingen uitgevoerd.

In 1983 is door het toenmalige distrikt Zuidwest van de direktie Wate·rhuishouding en Waterbeweging geëxperimenteerd met door de Meetdienst Zierikzee van de Deltadienst ter beschikking gestelde pump filter samplers (PFS). Met dit meetsysteem wordt via een op de gewenste diepte gebrachte aanzuigrnond water met het daarin aanwezige sediment opgepompt en door een nylon 50 lJm-filter ge-voerd. Een debietmeter met literteller geeft de hoeveelheid wa-ter aan die gedurende de meettijd (2 minuten) door het systeem stroomt. Na droging en weging van het filter kan uit de meetge-gevens het sedimentgehalte worden berekend. Na vermenigvuldiging met de ter plaatse gemeten stroomsnelheid kan het lokale zand-transport per oppervlakte-eenheid worden bepaald.

Bij de metingen, die op de Merweden nabij het splitsingspunt Werkendam zijn uitgevoerd, kwam het veelvuldig voor dat het fil-ter binnen de voorgeschreven meettijd dichtsloeg als gevolg van de in het water aanwezige slibdeeItjes. Het pompdebiet valt dan sterk terug. In principe kan dit probleem worden ondervangen door de meetduur te verkleinen. De hoeveelheid sediment op het filter worden dan echter (nog) geringer, waardoor de meting minder be-trouwbaar wordt.

Uit de experimenten bleek ook dat de zandgehalten op de Merweden bij lage afvoeren (Bovenrijnafvoeren <

±

1.700 m3/s) betrekkelijk gering zijn (orde 1 à 10 mg/l); juist een verlenging van de meet-tijd zou daarom beter zijn.

Een nadeel van de gebruikte apparatuur is ook dat slechts tot circa 30 cm boven de bodem kan worden gemeten. Bekend is dat het grootste deel van het totale zandtransport juist in die onderste zone plaatsvindt.

Omdat uit enkele referenties *) bleek, dat voor zandgehalte-metingen het principe van de PFS goed bruikbaar is, is besloten

te zoeken naar aanpassingen waardoor het mogelijk wordt om:

a. gedurende lange tijd te meten zonder kans op verstopping van het filter;

b. het zandtransport op en vlakbij de bodem te meten.

In deze notitie is aangegeven op welke wijze bovengenoemde aan-passingen zijn gerealiseerd.

*)

Ref. 1. Nauwkeurigheid zandkoncentratiebepaling met de Pump Filter Sampler. J.H. van den Berg.

Notitie Deltadienst DDWTZ-83.678, 24 augustus 1983. Ref. 2. Pump Samplers for measuring sand transport in tidal

waters. M.J. Crickmore, R.F. Aked. Instrumentation in oceanography.

Bangor, IERE conference, September 1975.

Ref. 3. Mondelinge mededelingen L.C. van Rijn, N. Struiksma. Waterloopkundig Laboratorium De Voorst.

2. BESCHRIJVING VAN DE ZANDTRANSPORTMETER

2.1. Algemeen

Het principe van de meter berust op het opzuigen van het water-zandmengsel via een op de stroom gerichte inlRatopening. Na een zekere meettijd wordt het totale opgepompte debiet afgelezen en het gewicht van het sediment bepaald. Hieruit kan het gemiddelde zandgehalte worden berekend van het water dat gedurende de meet

-tijd het meetpunt is gepasseerd. Na vermenigvuldiging van dit gehalte met de ter plaatse van het meetpunt gemeten stroomsnel-heid (gemiddeld over de meettijd) volgt het lokale zandtransport per oppervlakte-eenheid.

Het principe is gelijk aan dat van de PFS, echter het probleem van het dichtslibben van het bij de PFS toegepaste filter is on-dervangen door het opgepompte water te voeren naar een reservoir waarin het sediment bezinkt.

Bijlage 1 toont de verschillende komponenten van het meetsysteem. Onder een meetvis is de aanzuigmond bevestigd. Door een elektri-sche centrifugaalpomp wordt via een aan de zuigmond bevestigde polyesterslang (inwendige diameter 16 mm) water opgezogen.

Een grofvuil-filter voorkomt dat de pomp wordt beschadigd of ver

-stopt raakt door te grote deeltjes.

Vervolgens passeert het water een elektro-magnetische induktieve flowmeter en stroomt uit in een vat, waarin deeltjes tot een be-paalde grootte bezinken. Via een overloop wordt water met de nog in suspensie gebleven slibdeeltjes afgevoerd. Onder in het vat bevindt zich een filtersteun waarop een nylonfilter is bevestigd. Hierop sedimenteert het zand, zodat dit na afloop van de meting gemakkelijk verzameld kan worden.

Op een meterkast bevinden zich de toerentalregelaar voor de pomp, een aanwijzer voor het pompdebiet en een literteller.

De zandtransportmeter heeft twee aan zuigmonden , zodat het hier-boven qmschreven systeem in tweevoud is uitgevoerd.

Bijlage 2 toont het frame waarop beide zuigmonden zijn bevestigd. In de volgende paragrafen wordt verder ingegaan op de belangrijk-ste onderdelen van de zandtransportmeter.

2.2. Meetframe en aanzuigrnonden

Het meetframe kan met snelkoppelingen worden bevestigd onder een

bestaande meetvis, zoals in g~bruik voor stroommetingen bij de Meetdienst Noordelijk Deltabekken van de direktie Benedenrivieren. Het frame bestaat uit twee sleden, die onderling zijn verbonden door twee consoles. Op 20 cm boven de onderkant van de sleden is een vaste aanzuigbuis bevestigd met een inwendige diameter van 16 mmo De hoogte kan desgewenst binnen zekere grenzen worden veranderd. Tussen de sleden bevindt zich een scharnierende bodem plaat (65 x 40 cm~), waarop de onderste zuigmond is gemonteerd. Deze zuigmond heeft een driehoekig verloop in lengterichting; de opening aan de voorzijde bedraagt 20 x 1 cm~. Desgewenst kan e.en zuigmond met andere afmetingen worden aangebracht.

Voordat het frame naar de bodem wordt afgevierd, wordt de bodem-plaat schuin omhoog gebracht en door een pal-mechanisme in die stand gehouden. Zodra het frame de bodem heeft bereikt, wordt de blokkade automatisch opgeheven en kan de plaat naar de bodem vallen. De valbeweging wordt evenwel gedempt door twee aan de zijkanten van de plaat bevestigde dempers. Deze hebben zich tij-dens het afvieren gevuld met water, dat door de zuigers via een gaatje aan de bovenkant van de cilinders wordt weggeperst.

Deze konstruktie heeft tot doel te voorkomen dat de bodemplaat tijdens de landing op de rivierbodem zand schept of opwoelt. Het bodemkontakt dat in de meetvis is ingebouwd, wordt gebruikt om aan boord te kunnen konstateren of de plaat na de landing in

-derdaad is gedaald.

Het frame wordt tijdens het afvieren door de vinnen van de meet-vis op de stroom gehouden. In de meetvis bevindt zich een aan boord afleesbaar gyrokompas, zodat kontrole van de stand van het

frame na de landing mogelijk is.

Bijlage 3 toont het voor-, boven- en zijaanzicht van het onder-watergedeelte van de zandtransportmeter (de blokkade-inrichting voor de bodemplaat is niet aangegeven).

2.3. Pomp, grofvuil-filter en flowmeter

De hierboven genoemde komponenten zijn in een buisframe samen-gebouwd.

De elektrische centrifugaalpomp (merk K&R/DESMI type SA-20-90/9) is zelf-aanzuigendi het toerental is elektronisch regelbaar tus-sen 1.000 en 3.450 omwentelingen per minuut, daarbij varieert de kapaciteit tussen 5 en 50 liter per minuut.

Het grofvuil-filter is direkt voor de pomp in de aanzuigleiding opgenomen. Het filter heeft een maaswijdte van circa 1 cmi de behuizing is van perspex, zodat inspektie van het filter tijdens de meting mogelijk is.

In de afvoerleiding van de pomp is een flowmeter (merk Pulsmag type DMl6430) opgenomen. Deze werkt volgens het principe van elektro-magnetische induktie (Induktiewet van Faraday).

In het vlak van de cirkelvormige doorstroomopening wordt een mag

-netisch veld opgewekt. Aan de binnenzijde van de, van isolerend materiaal gemaakte, doorstroomopening zijn diametraal tegenover elkaar gelegen elektrisch-geleidende kontaktpunten aangebracht. Het passerende water (dat enigszins geleidend is) veroorzaakt een spanningsverschil over de kontaktpunten. De grootte van het spanningsverschil is een maat voor de gemiddelde stroomsnelheid van het water door de doorstroomopening.

Het debiet volgt uit vermenigvuldiging van de stroomsnelheid en de oppervlakte van de doorstroomopening.

De opstelling van àe flowmeter voldoet aan de daarvoor gestelde voorwaarden, namelijk voldoende rechte aanvoer, zodat geen ge-kromde stroomlijnen in de flowmeter aanwezig zijn, en schuin omhoog gerichte opstelling, opdat het doorstroomprofiel tijdens de meting geheel gevuld blijft met water.

De flowmeter is in de fabriek geijkt.

Kontrole tijdens de metingen is mogelijk door met het opgepompte water een geijkte maatcilinder te vullen en de daarvoor benodig-de tijd op te nemen.

2.4. Meetkast

De meetkast is met elektrische kabels verbonden met de pomp en de flowmeter en een bron voor de stroomvoorziening (220 V wisse

l-stroom) .

In de kast bevindt zich de elektronika voor de toerentalregeling van de pomp en voor de omzetting van het signaal van de flowmeter naar een analoge en digitale aflezing.

In de aanvoerleiding voor de stroomvoorziening is, in verband met de veiligheid, een aardlekschakelaar opgenomen.

In het front van de meetkast bevinden zich de aan-/uitschakelaar

met een signaallampje, de bediening voor het toerental van de pomp, de analoge weergave van het pompdebiet in liter/minuut en een digitale uitlezing van het in de tijd geïntegreerde debiet met nulpuntsinstelling.

2.5. Bezinkvat

Het bezinkvat is een polypropyleen cilindrisch reservoir met een inwendige diameter van 38 cm en een hoogte van 49,5 cm.

Aan een op de bovenrand passend perspex deksel is een kegelvormi

-ge uitstroomopening bevestigd; de smalle zijde is met een polyes

-ter slang aan de uitstroomopening van de flowmeter gekoppeld. De uitstroomopening is met de wijde zijde naar beneden in het bezinkvat geplaatst. Het opgepompte water stroomt dus in de kegel neerwaarts en vervolgens tussen de kegel en de wand van het re-servoir omhoog. Doordat het doorstroomprofiel in de stroomrich-ting toeneemt, neemt de stroomsnelheid geleidelijk af.

Vlak onder de bovenrand van het vat is een uitstroomopening aan-wezig, het overlopende water wordt via een slang overboord afge-voerd.

Onder in het vat kan een roestvrij-stalen geperforeerde filter-steun worden geplaatst, die nauw aansluit aan de wand van het vat. Op deze filtersteun wordt voor de aanvang van de meting een nylonfilter (maaswijdte 30 ~m) met een pees in de rand van de

steun vastgezet. Na afloop van de meting wordt het filter met het daarop gesedimenteerde materiaal verwijderd en samengevouwen in een gekodeerd monsterzakje gedaan.

3. POMPDEBIET, DIMENSIES VAN INLAATOPENING, SLANGEN EN BEZINKVAT

Bij het dimensioneren van de bovengenoemde komponenten hebben de volgende overwegingen een belangrijke rol gespeeld.

Tijdens de meting mag het opgepompte sediment niet neerslaan in

de ~anzuigmond, de slangen, het grofvuil-filter en de flowmeter.

Sedimentatie mag pas plaatsvinden in het bezinkreservoir.

Daarnaast mag het stromingspatroon in de omgeving van de aanzuig

-mong niet zodanig worden beïnvloed, dat daardoor onaanvaardbare fouten in de zandgehaltebepalingen optreden.

Aan de eerste eis is voldaan door een goede afstemming van het

pompdebiet en de doorsnede van de diverse leidingen in het systeem. Op theoretische gronden kan worden aangetoond, dat bij een gemid-delde snelheid van 1 mis in opwaartse zin zelfs deeltjes met een diameter van 10 mm (p

=

2.650 kg/m3) niet tot bezinking zullen komen. Ook in eerder genoemde referenties wordt een snelheid van deze orde van grootte aanbevolen. De toegepaste leidingen van de zandtransportmeter hebben een inwendige diameter van 16 mmo Onderstaande tabel 1 geeft de gemiddelde stroomsnelheid in de leiding als funktie van het pompdebiet.

TABEL 1 aanzuigleiding

D

=

16 mm

=

0,016 m

A

=

_à

'TT D2

=

2,011 x 10-4 m2

pompdebiet gemiddelde snelheid

in llmin in mis 4 0,33 6 0,50 8 0,66 10 0,83 12 1,00 14 1,16 16 1,33 18 1,50 20 1,66

Uit de tabel blijkt, dat als men als ondergrens voor de gemiddel

-de snelheid 1 mis aanhoudt, het pompdebiet 12 l/min of meer moet bedragen.

Bij de tot nu toe uitgevoerde metingen is een pompdebiet van 15 l/min gekozen, zodat ruimschoots aan het kriterium wordt voldaan. In de praktijk treden dan ook geen storingen op als gevolg van aanzanding in de leidingen, ook niet in horizontaal gelegen lei-dingdelen en in bochten.

Ten aanzien van de beinvloeding van het stromingspatroon in de omgeving van de zuigmond geldt het volgende.

Indien zogenaamd iso-kinetisch wordt afgezogen, d.w.z. als bij een op de stroom gerichte aan zuigmond de intree-snelheid in de aanzuigmond (vm) exact gelijk is aan de stroomsnelheid in de di-rekte omgeving (vo)' zal, bij verwaarlozing van de invloed van

de buisdikte van de mond, het stromingsbeeld rond de aanzuigmond niet worden beinvloed. Het opgezogen water zal dan ook hetzelfde zand- en slibgehalte hebben als het water in de direkte omgeving van de zuigmond.

Is de aanzuigsnelheid groter dan de watersnelheid (vm > ve), dan zullen de stroomlijnen direkt voor de mond naar de mond worden toegebogen.

In suspensie aanwezige sedimentdeeltjes met een grotere dichtheid dan het water kunnen, vanwege de centrifugaalkracht, de kromming van de stroomlijn niet geheel volgen. Dit heeft tot gevolg dat een zeker deel van de deeltjes, die zich aanvankelijk binnen de aangezogen stroombuis bevonden, de aanzuigmond zijdelings pas-seert. Theoretisch zal in dit geval het sedimentgehalte van het opgepompte water lager zijn dan van het aanstromende water.

De omgekeerde situatie treedt op indien de intree-snelheid gerin-ger is dan de watersnelheid (vm < vo)' De stroomlijnen buigen dan direkt voor de mond weg. Daardoor zullen meer deeltjes worden aangezogen dan de aangezogen stroombuis aanvankelijk bezat.

In dit geval is het sedimentgehalte theoretisch hoger dan van het aanstromende water.

In de reeds eerder genoemde referenties is op het iso- en niet-iso-kinetisch aanzuigen nader ingegaan.

Uit diverse laboratoriumproeven, zowel uitgevoerd door het Water -loopkundig Laboratorium als door het Hydraulics Research Station

te Wallingford, is gebleken dat niet-iso-kinetisch afzuigen ten behoeve van sedimentgehaltebepalingen niet tot grote fouten leidt

als de snelheid in de zuigmond groter is dan die van het aanstro-mende water. De verhouding vmlvo mag echter de waarde 4 à 5 niet overschrijden.

Uit proeven in HRS (Wallingford) is zelfs gebleken dat, ook al staat de aanzuigbuis niet gericht op de stroom, de fout in de sedimentgehaltebepaling betrekkelijk gering is.

Bij een hoekafwijking van 90% werd slechts een 6% lagere koncen-tratie gemeten dan in het aanstromende water aanwezig is.

Gezien het bovenstaande kan worden gekonkludeerd, dat iso-kine-tisch afzuigen niet strikt noodzakelijk is. Zonder bezwaar kan met een hogere snelheid dan de omgevingssnelheid worden afgezo-gen, mits de verhouding vmlvo < 4.

Deze konklusie is van veel belang, omdat de aanzuigsnelheid niet nauwkeurig behoeft te worden afgeregeld op de stroomsnelheid. De bovenste aanzuigmond van de zandtransportmeter heeft een in-wendige diameter van 16 mmo Bij een pompdebiet van 15 l/min is de gemiddelde intree-snelheid dan 1,24

mis.

Deze aanzuigbuis is dus bij dit pompdebiet geschikt voor zand-gehaltemetingen bij stroomsnelheden tussen 1,24 en 0,30

mis.

Bij hogere snelheden kan of het pompdebiet worden opgevoerd of een aanzuigbuis met een geringere inwendige diameter worden ge

-monteerd. Bij lagere stroomsnelheden mag het pompdebiet niet wor-den gereduceerd in verband met de kans op aanzanding in de aan-voerleidingen; in dit geval moet gekozen worden voor een wijdere

: aanzuigbuis.

Op de bodemplaat van de zandtransportmeter is, met het oog op de te verwachten geringe snelheden vlakbij de bodem, een aan-zuigmond gemonteerd met een opening van 20 cm~ (1 cm hoog, 20 cm breed) .

Doordat de mond in de stroomrichting taps toe loopt, neemt de gemiddelde stroomsnelheid in die richting snel toe tot de ter voorkoming van aanzanding in de leidingen benodigde stroomsnel-heid.

Tabel 2 geeft voor deze aanzuigmond de gemiddelde intree-snel-heden als funktie van het pompdebiet.

TABEL 2 platte aanzuigmond bodemplaat

A

=

20 cm~

₌

20 x 10-4 m~ pompdebiet gemiddelde intree-snelheid

in I/min in mis 12 0,10 14 0,12 16 0,13 18 0,15 20 0,17

Het bezinkvat is een in de handel verkrijgbaar polypropyleen reservoir.

De keuze voor de diameter van het vat is gebaseerd op de wens, dat bij het toegepaste pompdebiet het zand tot bezinking komt. In het vat is een trechtervormige uitstroomopening geplaatst. Onderstaande figuur 1 toont een doorsnede over het vat en de afmetingen.

-

=

-~

-1\ _t' I--

-I

42 49,5

,I'

t

~

t

12

-_

...

-

-38

Bij een pompdebiet van 15 llmin bedraagt de gemiddelde stroom-snelheid aan het eind van de trechter 0,022 mis (vertikaal nee

r-waarts); tussen de trechter en de wand aan de onderzijde van de trechter 0,0024 mis (vertikaal omhoog) en op 5 cm onder de overstroomopening 0,0022 mis (circa 2 mm/s).

Bij deze opwaartse stroomsnelheid mag op theoretische gronden worden aangenomen, dat alleen deeltjes kleiner dan 0,04 à 0,07 mm (40 à 70 ~m) worden meegevoerd *).

Deeltjes met grotere korreldiameters zullen tot bezinking komen. Indien het pompdebiet wordt opgevoerd tot 20 Ilmin verschuiven bovengenoemde waarden naar 0,05 à 0,08 mm (50 à 80 ~m).

In het bezinkvat vindt dus een selektie plaats, waarbij de slib-siltfraktie wordt afgevoerd en de zandfraktie op het filter se

-dimenteert.

(NB. De bovenvermelde beschouwing heeft betrekking op deeltjes met een soortelijke massa van 2.650 kg/m3 in zoet water).

*)

Ref. 4. Sedimenttransport. KOllege-diktaat flO.

4. BEREKENING ZANDTRANSPORT

Uit de voorgaande beschrijving moge blijken, dat met de zand

-transportmeter in feite zandgehalten worden gemeten.

Na een meting wordt in het laboratorium, na droging in een oven, het gewicht van het filter met het daarop aanwezige sediment be

-paald. Na vermindering met het filtergewicht volgt het droogge-wicht van het sediment. Het zandgehalte (in gil) verkrijgt men door deling van het drooggewicht (in g) door het over de meet-tijd geïntegreerde pompdebiet (in 1).

Voor de berekening van het lokale zandtransport per eenheid van oppervlakte (in kg/s.m2) dient het sedimentgehalte (gil

=

kg/m3) te worden vermenigvuldigd met de watersnelheid ter plaatse van het meetpunt (in mis) gemiddeld over de meettijd.

Deze watersnelheid kan worden ingeschat aan de hand van de snel-heidsmeting, die simultaan met de zandgehaltemeting plaatsvindt. Daartoe is op de meetvis een Ott-molen geplaatst (zie de bijla-gen 2 en 3). De molen bevindt zich tijdens de meting op 40 cm boven de bodem.

Uit enkele oriënterende detail-snelheidsmetingen, uitgevoerd met een NSW-current sensor for flow measurement nabij de bodem van de Boven Merwede, is gebleken dat het snelheidsprofiel in een zone van circa 50 cm boven de bodem vrij vlak verloopt.

Direkt boven de bodem is de snelheid nog circa 0,8 à 0,75 maal de snelheid op 40 cm boven de bodem.

De bovenste zuigmond op 20 cm boven de bodem wordt representatief

gesteld voor een hoogte van 20 cm (10 cm boven en onder de zuig-mond) .

Voor de omrekening van zandgehalte naar zandtransport wordt de met de Ott-molen gemeten snelheid aangehouden.

De onderste zuigmond wordt representatief gesteld voor een hoogte

van 10 cm boven de bodem; voor de omrekening wordt in dit geval 0,8 maal de met de Ott-molen gemeten snelheid aangehouden.

Op bovenstaande wijze kan het zandtransport door een zone van 30 cm boven de bodem worden berekend.

Transporten ?p hogere niveaus kunnen desgewenst worden gemeten door het frame tot de gewenste diepte af te vieren.

e

1$1

e toeren

tal-CJ

I/I'ftil"ll ,\\" ' ,I literteller regelaar .' 15 20 ,'"... ....'·10 ₀ signaallamp pomp ₀ _.;.

,

:"0 E> ~ aan / uit-schakelaar CD grof vuil-filter

l

overloop par

I

bijlage nr. 1 reg.nr. meter bezinkvat (J 38 cm

---L

[ilters teun met nylon filter - elektrische centrifugaalpomp

/

gewapende polyester slang

~,

/ (J._mw = 76 mm

aan zuigmond

(gemonteerd onder meet v is )

principe

zandtransportmeter

"dordrecht"

I

getekend nota nr.

rijkswaterstaat

dienst binnenwateren I riza afdeling

bovenste aan zuigmond waterdem per

/

/

//

L-- beweegbare bodemplaat met aanzuigmond

meetvis

met frame voor zandtransportmetingen

getekend nota nr.

rij kswaterstaat

dienst binnenwateren I rlza

par i bij lage nr. 2

d .d.1

I afdeling

E E .S; c

-

Q.I

s:

-

_c 0 _E

8

0 N ...z C ...z 10 C C '-0 0 > o Ni Il) .

I

0

-C

_s:

~ ₀ N C 0 C MI C Cl)

:

=

N o Il) N /r'\ 7 "'I 0 Il) 10

E

t

~

3

--

-

;._.j

_1

,ll

~

Il

II

-

s: u

.

-N C 0 0 C QJ >

.

~._

.

_-

-

-

0 ..0 \... ~

-,

u

boven -,voor-en

zijaanzicht

meetframe

getekend nota nr.

rij kswaterstaat

dienst binnenwateren / riza

por: bijloge nr. 3

d.o.! afdeling

reg.nr.