Notitie betreffende uitwisselingsprocessen i.h.b. van de impuls, tussen rivier en haven

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

_TH

r;~~.t

_Delft

I

'I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

1

Notitie betreffende uitwisselings-pYocessen. i.h.b. van de impuls.

tussen rivier en haven.

R.

Boolj

rapport no. 2 - 86

Vakgroep WateYbouwkunde

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

.

I

I

I

I

2 1.

!nl~iging

Bagg~rkos~en maken vaak ~~n b~langrijk d~~l uit van de ond~rhoudskosten van ~en haven. D~ sedimentatie in e~n haven wordt i.h.a. bepaald door h~t sedimenttransport door d~

havenmonding. Dit s~dim~nttransport kan bij een haven aan ~en bened~nrivier sam~nhang~n met verschillende stromingstypen die allen belangrijke uitwisselingsdebieten tuss~n hav~n en rivier kunnen t~w~egbrengen. Meestal zal een combinatie van zulke

stromingstypen voor het sedimenttransport verantwoord~lijk zijn. D~ navolgende stromingstypen en uitwisselingsdebi~t~n kunnen bijvoorbeeld onderscheiden worden:

kombergingsdebi~ten sam~nhang~nd met kombergingsdebieten sam~nhangend met

getijVari~ie.

halingen in het systeem ,

hav~nbekken-rivier.

debieten veroorzaakt door wateronttrekking aan of lozing in het havenb~kken.

uitwisselingsd~bi~ten door entrainment ~me~slep~n) van water uit het havenbekken in de menglaag tussen de rivi~r en het havenb~kken.

debieten in bovenlaag en onderlaag bij dichth~idsgelaagdh~id. Deze dichth~idsstroming wordt veroorzaakt door v~rschillen in de dichtheidsgelaagdh~id tussen hav~n en rivier

samenhangend met de getijvariatie.

intern~ halingen, d.w.z. dichtheidsstromen samenhangend met staand~ golven in de grensvlakken tussen lagen met

verschillend~ dichth~den.

uitwiss~lingsdebi~t~n door variatie ov~r de diepte van de stroming in d~ hav~nmond.

De ~erste dri~ g~vall~n betreffen nettodebiet~n tuss~n haven en rivier. Bij de laatste vier is op ieder moment h~t nettodebi~t verwaarloosbaar.

~

Dit ond~rzoek betreft d~ uitwisselingsdebieten door entrainment en de ~rme~ gepaard gaande wat~rb~weging in het havenbekken. Van dit ond~rzo~k zal ~v~ntu~~l ~~n exp~rimenteel onderioek in ~en laboratoriumopst~lling de~l uitmaken, waarbij voornam~lijk veyd~ling~n van d~ dieptegemiddelde snelheid g~meten zull~n worden bij e~n syst~matisch gevari~erde havengeometri~ ~n stromingssituati~. Ook wordt overwogen indien mogelijk in ~~n

\

enkel geval enige tracerproeven uit te voeren om ook directe

I

-

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

-

-I

I

I

I

I

3

1\ informatie over het stof transport

te

verkrijgen.

Al vrij vroeg werd vanwege de economische consequenties van de sedimentatie in havenbekkens het belang van onderzoek naar uitwisselingsstromen door de havenmonding ingezien. Veel

onderzoek had plaats in de jaren '60 en '70. In Nederland had dit onderzoek voornamelijk betrekking op de gevolgen van

getijvariatie en dichtheidsgelaagdheid (.zieb.v. W.L. rapport M896-36). Ook in Duitsland werd vrij veel onderzoek verricht. .Daar werd ook over de in dit onderzoek beschouwde uitwisseling

door entrainment in de menglaag gerapporteerd (Dursthóff). Latere onderzoeken in Nederland en elders betreffen in hoofdzaak

numerieke berekeningen (zie b.v. McGuirk-Rodi).

Over een literatuurstudie ten behoeve van dit onderzoek zal in een apart rapport verslag worden uitgebracht.

I

4

I

2.

I

I

Bij d~ havenmond ~troomt het rivierwater langs het niet (of langzamer) stromende water in het havenbekken. Een systeem van twee aanliggende stromingen met een verschillende snelh~id zoals waarvan hier sprake is, is instabi~l en tussen de twee stromingen zal een menglaag ontstaan met een snelheidsverdeling u(y) over de dwarsrichting y die o~geveer beschreven wordt met een

foutenintegraal

I

I

I

I

I

u(y) UI

=

U2 _ (U2 - U1) ~

S

ay/x

waarin x de afstand tot het beginpunt van de menglaag is en Ut en U2 de-snelheden van de stroming respectievelijk in de haven en in

2 e-Y dy

de rivier zijn. De constante a heeft een waarde van ongeveer 15.

De breedte b van de menglaag groeit evenredig met x, behoudens

I

Scheid in wand

I

I

I

I

_{een kleine invloed van een variatie van Ut en U2 in langsrichting}

(zie Booij)

I

I

I

.

haven In de menglaagmet de vloeistofheeftuiteende riviervermengingplaats.van Menvloeistofnoemt dituit de entrainment of meesleping van water uit de hav~n in de menglaag.

Een g~deelte van de menglaag moet weer de haven instromen om de meegesleepte vloeistof weer aan te vullen. Hiermee zal een neer ontstaan in het havenbekken. Het debiet in de neer kan groter zijn dan het in de menglaag meegesl~epte debiet, omdat een

gedeelte van de neerstroming buiten de menglaag om kan gaan.

\

\

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

,

I

I

I

I

I

5 ---)t;a..Q rivier -___;-~) 0.rivier I I ~ ,

---De verbreding van de menglaag houdt verband met de

impulsuitwisseling in de menglaag, dus, bij aanname van een

gradient-type impulstransport, met de turbulentie viscositeit

de menglaag. Bij een grotere viscositeit wordt de menglaag breder, zodat het debiet van de neerstroming groter wordt. De

snelheden in de neerstroming lijken echter in geringe mate te veranderen. De ~erandering lijkt voornamelijk te resulteren in

een bredere neerstroming. (Er zullen zich namelijk zodanige oppervlakte verhangen en dus drukgradienten ontwikkelen dat het

in

debiet in de rivier voor en na de haven gelijk zal zijn bij ontbreken van een nettodebiet in de havenmonding). Als gevolg hiervan zal het gedeelte van de menglaag dat stroomafwaarts in de rivier terechtkomt weinig afhangen van de breedte van de menglaag en dus ook van de turbulentie viscositeit. Het deel dat weer het havenbekken instroomt zal dan ook weinig afhangen van de viscosi-teit, en daarmee ook de maximale snelheid van dit de haven weer instromende deel.

Een ,geringe, invloed van de sn~lheden in de neerstroming door de geometrie en de ruwheid van het havenbekken is waarschijnlijk, daar o.a. de snelheidsverdeling in de neer, en dus ook de

snel-.heid van de meegesleepte vloeistof hierdoor beinvloed wordt.

D~'stroming in deze primaire neer kan door impulsuitwisseling met vloeistof buiten de primaire neer de ontwikkeling van

verschillende secundaire neren te'n gevolge hebben. De ontwikke-ling van secundaire neren en de wateruitwisseling met deze neren en eventuele doodwatergebieden is sterk afhankel,ijk van de geome-trie van het havenbekken. Voor de bepaling van de

stromingsconfi-J....

guratie in een havenbekken zijn prototype metingen of meting~n in een schaalmodel of berekeningen met een voldoende nauwkeurig 2-dim.-horizontaal (2DH) rekenmodel onontbeerlijk.

I

I

6

I

I

I

De roterende stroming in een neer brengt een diepteafhanke-lijke centrifugale kracht mee, zodat de menglaag enigzins driedi-mensionaal zal worden met een iets naar het havenbekken gerichte stroming bij de bodem en een iets naar buiten gerichte stroming bij het wateroppervlak. Ook zal een talud in de zijwand van de rivier een niet volledig twee-dimensionaal zijn van de stroming ten gevolge hebben.

I

I

I

I

I

~

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I·

I

I

I

I

I

7

Bij ~~n concentrati~verschil aan b.v. s~diment tuss~n rivi~r ~n hav~nb~kken brengt e~n vlo~istofuitwiss~ling tuss~n hav~n ~n rivier, ook bij het afwezig zijn van ~en nettodebiet een

stof transport tuss~n haven en rivier mee:

waarin AS de verandering aan inhoud aan s~diment of andere stof 5 van h~t hav~nb~kken voorstelt en cin en Cuit r~sp~cti~v~lijk d~ conc~ntrati~ aan 5 van d~ instrom~nde vlo~istof en van d~ uitstromende vlo~istof. Quitw. is het uitwisselingsdebiet. Bij aanw~zigheid van een n~ttod~bi~t moet r~kening worden g~houd~n ffi~te~n v~rschil tussen het instrom~nde ~n het uitstrom~nde debi~t.

Beschouwen we als scheiding tuss~n rivier en haven de

stroomlijn van d~ dieptegemiddelde stroming zodanig dat het debiet in de rivier constant is, dan is Quitw. het meegesleepte debiet Qentr. en is als concentratie van de in de haven

---

..-i.:u~

Qent1r.,·---" Qentr. -cin

.st~omende vloeistof de concentrati~ in de rivier crivier te g~bruik~n. De concentratie van de uitstromend~ vloeistof ofwel de concentratie van de meegesleept~ vloeistof is minder ~envoudig te b~palen. De-ze hangt af van de verblijf tijd van hetsedim~nt in de primaire ne~r en van d~ verblijf tijd in de rest van het

hav~nbekk~n.

De

uitwisseling aan hoeve~lh~id water is wat grot~r dan d~ impulsuitwisseling doet vermoeden, hetgeen ne~rkomt op ~~n

diffusiecoeffi~i~nt voor het sediment die iets groter is dan de kinematische turbulentie viscositeit Vt- Een verklaring hi~rvoor

I

8

I

I

~--is de- snelle~e uitwisseling aan ir.puls~an aan stof w..lk.. plaats h~~ft aan de rand van 'd~ m~ngend~ vloeistofpakkett~n (zi~ Booij).

~ _---

--E~n precieze- v~rhouding is bij menglag~n niet bekend, maar bij d~ v~rg~lijkbar~ vlakke stral~n ~n pluiffi~nis de verhouding van d~ br~edte- wat betreft impuls t.o.v. de bree-dte wat betr~ft

concen-traties 1 : 1.35. I' .

,

""

I

I

I

Voor experimentele verificatie is bovenstaande scheiding niet altijd praktisch. In dat geval is een scheidingsvlak dwars door de neer aantrekke-lijker. De bepaling van Quitw en cin

I

I

I

I

I

I

wordt echt~r gecomplicee-rder. Quitw is nu groter, Qne~r' en bevat ook een onbekend aandeel aan ronddraaiende ne-~rstroming di~ ni~t in de menglaag terecht komt.

Tracermetingen kunnen verhelde-re-nd werken bij het schatten van uitwisselingsde-bieten en con~entratie-s. Uitzakking van h~t sediment bij langere verblijf tijd in het havenbekk~n is helaas slecht m~t tracers te- simuler~n. Trace-rmetingen kunnen e-en indruk g~ven van d~ optredende ve-rblijftijden van het sediment in het hav~nbe-kken eon daarmee van de concentratie van de uittr~dende

I

I

I

vI o~i stof.

Gedacht wordt aan twee soorten trac~rmeting. Bij de

I

I

meting wordt e~n initi~le conc~ntratie in de- haven aang~bracht en wordt h~t inzakken over de tijd van d~ze conc~ntrati~ gem~t~n. Dit ge~ft e-en maat voor de overall verblijf tijd van h~t sediment

in d~ haven. Bij de and~re meting wordt een kortstondig~ lozing in de rivie-r vlak voor de haven gedaan en wordt

de

concentratie in de rivier direct achter de haven g~met~n. Het grootste de~l van de tracer zal de.haven passeren, (de primaire piek), doch een dee-l van de tracer zal de hav~n instromen en na kortere of

langere tijd de haven verlaten (Nestmann). He-t tijdsverschil tussen de primaire piek en de secundaire piek, veroorzaakt door

I

I

I

I

9

I

---+

t

I

I

I

tlozln9

I

I

I

II

trac.rmateriaal dat na

een

omwent.ling van de neer de haven weer v~rlaat g~eft dan de belangrijkste verblijf tijd van d~ tracer in'\

\, de primaire n~er.

De

verhouding tuss~n de ho~veelheid van het

sediment dat na ~~n omwenteling de neer verlaat ~n d~ hoeveelh~id die langer in de hav~n verblijft lijkt sterk afhankelijk van de precieze geometrie van de haven.

1

-

I

I

I

I

I

I

·

'

I

I

I

I

I

I

₁₀

I

I

4.

I

ding Watin eenb~tr~fthavenbekkend~ num~ri~k~kan wo~denmod~lleringgedachtvan deaan O-dim.,s~dimenthuishou-1-dim., 2-dim. of 3-dim. mod~ll~n.

I

Stroming en concentratieverdeling in ~en havenb~kken voldo~n vrijwel nooit aan de voorwaarden (W.L. rapport MB96-41 de~l 1) oro een 1-dimensional model zinvol te kunnen to~passen b.v.

de waterbeweging moet een 1-diroensionaal karakter hebben de verspreiding over het dwarsprofi~l moet veel sneller gaan dan d~ verspr~iding ov~r de totale lengte van het syst~ero. Voor een go~d~ beschrijving van de sedim~nthuishouding is een ~. -dimensionaal waterbewegings-

en

waterkwaliteitsmodel nodig,

waarbij rekening moet worden gehouden met het uitzakken van het sediment.

I

I

I

I

I

Indien de stroming belangrijke 3-dim~nsionale eigenschappen heeft is veelal niet een volledig 3-dimensionaal model nodig, maar kan vaak volstaan worden met

een

2-lagen model.

Voor

een

globale beschrijving van de sedimenthuishouding kan

een

O-dimensionaal model bruikbaar zijn. Het systeem haven-riviar

kan dan in het licht van de bovenstaande uitwisselingsprocessen het best verdeeld worden in de onderdelen rivi~r, primaire neer ~n ~~n of meer secundaire neren of doodwatergebieden.

I

I

1

I

primaire neer riv ier secundaire neren • dood wa ter

I

Q uitw. Cin

"

Quitw. Cui tw. ~ -J'~

I

_"

I

.

I

De

voor de hand liggende grens t~ssen rivier en neer is daarbij de stroomlijn tussen rivier en haven wegens de relatief eenvoudig te schatten uitwisselingsdebieten en concentraties daar ter

plaatse.

2-dimensionale waterbewegingsmodellen lijken goed bruikbaar om de stroomsnelheden van de neerstroming in

een

havenbekken te simuleren (T.O.W. rapport Rl150). Hierbij voldoen mod eLl vn Ult~t

I

I

I

I

°

l

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

1

°

I

I

I

I

I

1~0

een constante viscositeit in het algemeen niet minder dan

ingewikkelder turbulentiemodellen als een dieptegemiddeld

k-e-model. Dit is in het licht van de bovengenoemde ongevoeligheid voor de viscositeit bij een menglaag niet erg verwonderlijk. De van de longitudinale coördinaat x afhangende turbulentie

viscositeit in een menglaag, te schatten met

/

(Rodi) en de lagere. voornamelijk door bodemturbulentie bepaalde

viscositeit in de neer kunnen echter wel belangrijke gevolgen hebben voor de breedte van de neerstroming en voor het

uitwisselings-debiet. (Bij de laatste moet de eerder gen6emde factor 1.35 in ~cht genomen worden).

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

.

I

I

I

I

12

V~el experimenteei onderzoek tot nu toe is beperkt geweest tot vrij specifi~ke havenvormen. Een uitzond~ring moet gemaakt worden voor het onderzoek van Dursthoff, die uitgaande van een vierkant~ haven ond~rzoek verrichtte bij e~n syst~matische

variatie van de lengte/breedte verhouding. Slechts voor het geval van een vi~rkante haven werden e~hter metingen van de

snelheidsverdeling in het havenbekken gerapport~~rd. Het lijkt de moeite waard dit ond~rzoek van de snelheidsv~rdeling uit te

breid~n tot een systematisch gevarieerde haveng~om~trie, ni~t alle~n wat b~treft de lengte-br~~dt~ verhouding, maar ook b.v. wat betr~ft de ligging van de havenrichting t.o.v. de rivier.

Ook lijkt het int~ressant de invloed van een doorgaand d~biet door de haven en de ligging van de havenmonding in de rivier op het uitwiss~lingsdebiet in de havenmonding experimen-teel te b~palen. In het licht van de opmerkingen in hoofdstuk 2 over het door opp~rvlakt~verhang~n in het gar~el gehouden

rivierdebiet voor en na de haven lijkt de ligging van de

havenmonding weinig invloed te hebben op het uitwisselingsdebiet. Een doorgaand debiet door de haven kan echter b~langrijke

gevolgen hebben voor het deel van de menglaag dat de rivier instroomt en dus ook op het uitwisselingsdebiet.

Voor deze experimenten wordb in het laboratorium voor

vloeistofmechanica een goot gebouwd, waarin naast e~n rivier m~t

~en in te stellen debiet een pro~fbekke~ aanwezig is.

goot

proef bek ken

E

6m

Fr =.5 Re riviu

=

50.000 Rebekken 1010.000 h

=

10 cm _E M Urivler =.5 m,s Qrivier

=

50

lis

k

In dit proefbekken kunnen verschill~nde hav~nvormen aangebracht worden.

D~ dimensies van rivier en bekken zijn zodanig gekozen dat de stroming in de haven zoveel mogelijk turbulent is. Bij een

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

·

'

I

I

I

I

I

13

standaarddiepte van .1 m en een standaardsnelheid in de rivier van .5

mIs

is dan de waarde van het Reynoldsgetal in de rivier Re

=

hU2/v

=

5 x 104 en in de primaire neer van de orde

Re

=

hu/v ~ 1 x 104• De stroming in de secundaire neren zal echter slechts'marginaal turbulent zijn (Re ~ 3

x

103). Hogere

waarden van het Reynoldsgetal brengen echter te hoge Froudegetallen mee. Bij de gebruikte standaard~aarden is het Froudegetal in de

r ivi er Fr = uI

Y9h'

= .5.

Voor dieptegemiddelde snelheidsmetingen kunnen fotografische opnamen van diep~tekende drijvers gebruikt worden. Enige informa-tie over de diepteafhankelijkheid kan óesgewenst verkregen woróen door b.v. minder diepstekende drijvers, of door plaatselijke

tracerlozingen. D.m.v. de in hoofdstuk 3. kan extra informatie over de uitwisseling worden.

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

14

Booij, R., Collegehandleiding b82, Turbulentie 3n de Uaterlaopkunde, 1986, Delft

Dursthoff, W., Ueber den quantitative» Uasseraustauch zuischen Fluss und Hafen, _Mitteilungen des Franzius-Institut fUr Grund und Wasserbau der Technischen Universität Hannover,

1970, Heft 34.

McGuirk,

J.,

Rodi, W. Calculation of unsteady .ass exchange betueen a »ain strea. and a dead uater zone, proc. IAHR Congress on Hydraulic Engineering in Water Resources Development and Management, 1979, Cagliari.

Nestmann, F. Strömin9s.echanisch~·Kriterien zur Klassifizierung und Beurteilun9 der Durchströ.ungsverhêltn3sse in

Uaserbeh~ltern, Vertieferarbeit am Institut far Hydromechanik, Universität Karlsruhe, 1977.

Rodi, W. Turbulence .odels and their application in hydraulics,

State of the art paper, IAHR, 1980, Delft

W.L. rapport nr. M896-36, Havenonderzoek: onderzoek naar de

invloed van een haven op de zout toestand op de rivier en naar de uituiss~lin9 tussen have» en rivier, 1977, Delft.

W.L. Rapport nr. M896-41 deel 1, Toepasbaarheid ~~ndi.ensionaal .odel, een literatuurstudie, 1982, Delft.

T.O.W. rapport R1150, Rspects of »odelling horizontal .o.entu. transfer in shallou flou, 1981, Delft.

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I