Stroming en Menging in Voorraadbekkens

(1)

STROMING EN" MENGING IN VOORRAADBEKKENS

C. Kranenburg

I

Laboratorium voor Vloeistofmechanica

Afdeling der Civiele Techniek

(2)

I

STROMING EN MENGING IN VOORRAJillBEKKENS

Bijdrage aan de PATO-cursus: Vloeistofmechanica voor de waterleiding-ingenieur

Rapport nr. 12-84

C. Kranenburg

Laboratorium voor Vloeistofmechanica Afdeling der Civiele Techniek

Tecpnische Hogeschool Delft

(3)

I

-1-I

I

1. Inleiding

I

In vele gevallen zijn waterleidingbedrijven aangewezen op oppervlakte-water om aan de vraag te kunnen voldoen. Omdat de kwantiteit en kwaliteit van het beschikbare oppervlaktewater soms grote fluctuaties vertonen, legt men wel voorraad- of spaarbekkens aan voor de tijdelijke opslag van water. In perioden waarin aanbod en kwaliteit voldoende zijn, wordt water ingenomen om tijdens langere perioden met onvoldoende aanbod (lage rivierafvoeren) en/of waterkwaliteit toch over voldoende water te kunnen beschikken. Zo werden in Nederland in 1973 de spaar-bekkens in de Brabantse Biesbosch in gebruik genomen, waarmee een

*

periode van ongeveer vier maanden kan worden overbrugd (~) . De vorm-geving van deze kunstmatige voorraadbekkens is relatief eenvoudig. In een bepaald punt op de oever wordt water ingenomen en in een ander punt op voldoende afstand daarvan wordt water onttrokken voor behandeling of transport.

De vaak sterk geëutrofieerde toestand (in Nederland voornamelijk veroorzaakt door P en N) waarin het oppervlaktewater verkeert en de relatief lange verblij ftijd van water in voorraadbekkens ver oor aaken , indien geen voorzorgen worden genomen, een sterke algengroei in de bekkens. Deze algengroei, die zich voordoet in voorjaar en zomer, vermindert de waterkwaliteit en is nadelig voor de drinkwaterbereiding

(~,1)·

Daar het elimineren van voedingsstoffen veelal te kostbaar is, heeft men omgezien naar andere methoden om de algengroei te beperken.

Algengroei wordt niet alleen bepaald door de hoeveelheid voedings-stoffen die beschikbaar ~s, maar ook door de lichtintensiteit die in.

het water aanwezig is. Volgens de wet van Lambert-Beer neemt de licht-intensiteit I exponentieel af met de diepte:

I

(1)

I

Hierin is 10 de lichtintensiteit aan het wateroppervlak, z de verticale coordinaat (z=O aan het wateroppervlak en positief naar beneden) en € de

extinctiecoefficient**. Door de diepte van het voorraadbekken voldoende

I

*Onderstreepte getallen venwijzen naar de literatuurlijst.

**De extinctiecoefficient wordt wel berekend uit de Secchi-zichtdiepte zs' volgens €

=

(1,7

à

1,8)/2 •

s

I

(4)

I

-2-I

I

groot te kiezen zullen in een situatie met voldoende meng~ng ~n de verticaal de algen regelmatig naar grotere diepten getransporteerd worden, waar de lichtintensiteit gering ~s. Gebleken is dat dit proces de algengroei afdoende remt. Men stelt wel dat het product van ex tinctie-coefficient en de diepte w~arover menging plaatsvindt, groter dan 8 i

10 moet zijn om te sterke algengroei te voorkomen (~,~). In de praktijk leidt deze eis tot diepten van tenminste 15 m.

In perioden met weinig zoninstraling 1S mengl.ng door wind meestal voldoende om de algenconcentratie uniform over de verticaal verdeeld

te houden (menging door de inlaatstroming is bij de gebruikelijke vormgeving gewoonlijk verwaarloosbaar). Sterkere zoninstraling in voorjaar en zomer echter kan relatief hoge temperaturen nabij het wateroppervlak veroorzaken. In diepere bekkens kan dan een stabiele dichtheidsgelaagdheid ontstaan, die bij de heersende windsnelheden niet weer snel door windmenging wordt-afgebroken. In deze situatie Z1Jn ruwweg drie lagen te onderscheiden: een door de wind gemengde zuurstofrijke bovenlaag of epilimnion* met relatief hoge temperaturen, een spronglaag of thermocline met relatief grote temperatuursgradient en een hypolimnion met relatief koud water en lage zuurstofconcentraties. Als gevolg van de dichtheidsgelaagdheid worden thermocline en hypolimnion niet of 1n ger~nge mate dOQr de wind gemengd. In kleinere bekkens

(lengte 1n de orde van een km) bedraagt de dikte van het epilimnion doorgaans 4 tot 10 m. In grotere meren en reservoirs kan deze dikte oplopen tot tientallen meters. De meeste natuurlijke plassen in Nederland hebben een diepte van slechts enkele meters. Thermische

gelaagdheid speelt daarbij dus een ondergeschikte rol.

Het is duidelijk dat vanuit een oogpunt van waterkwaliteit thermische ~elaagdheid ongewenst is: door de kleinere mengdiepte (nu de dikte van het epilimnion) kan w~er sterke algengroei optreden. Bovendien kan het hypolimnion op den duur zuurstofloos worden.

Een remedie tegen het ontstaan van thermische gelaagdheid is het kunstmatig me~gen, b.v. met behulp van pompen of luchtinjectie, van de bekkeninhoud. Ook kan op deze wijze al ontstane gelaagdheid worden afgebroken in perioden dat menging door wind niet afdoende is.

Kunst-I

I

x

Aan het epilimnion wordt zuurstof toegevoerd door beluchting via het vrije oppervlak en fotosynthese.

I

(5)

I

-3-I

I

matige meng~ng heeft verder enkele bijkomende voordelen: de temperaturen in het epilimnion nemen af, kortsluitstromen tussen inlaatpunt en

onttrekkingspunt kunnen worden vermeden en door de vergrote troebelheid van het water kan de extinctiecoefficient toenemen. De ervaring heeft geleerd dat door kunstmatige menging de algengroei langzamer verloopt en tot lagere algenconcentraties leidt (bij dit laatste speelt ook vraat door zooplankton in de zomer een rol). Ook de groei van blauw

-algen blijkt sterk te worden onderdrukt

(

~

,

l

).

Samenvattend kan gesteld worden dat vanuit stromingstechnisch

standpunt gezien menging door wind,het ontstaan van thermische gelaagd

-heid en kunstmatige menging tot de processen behoren, die bij ontwerp en beheer van diepere voorJtaadbekkens van belang zijn. Deze voordracht geeft een overzicht van een aantal aspecten van deze processen. Tot slot wordt wat dieper ingegaan op de kunstmatige menging met behulp van luchtinjectie in de spaarbekkens in de Brabantse Biesbosch.

I

.

I

2. Stroming en meng~ng ten gevolge van wind op een ongelaagd bekken

2. i.Stroming

I

Wind is de belangrijkste oorzaak van stroming (en menging) in een bekken waarin geen kunstmatige menging plaatsvindt. De wind oefent aan het wateroppervlak een schuifspanning uit, die toeneemt met de windsnelheid. Men stelt meestal:

I

.

1

(2)

I

waarin T de windschuifspanning is, p de luchtdichtheid en ulO de

w

.

a

windsnelheid op 10 m boven het wateroppervlak. De weerstandcoefficient CD blijkt toe te nemen met de windsnelheid. Een empirische relatie is (~):

I

(3)

I

cIonefficiede literatuunten in ver wordenrg. 3ook wel wag,enoemd.tHoewel de handere waarodogteen vavan de opgewekten de empirische windgolven toen~emt met de strijklengte, blijkt de CD-waarde nauwelijks

van de grootte van het beKken af te hangen.

I

(6)

I

-4-I

I

De windschuifspanning veroorzaakt opwaaiing: het wateroppervlak

gaat een opwaartse helling (dh/dx) in windrichting vertonen. Uit het krachtenevenwicht volgt bij constante windsterkte, zie het balansgebied in fig. 1,

I

dh

pgA - '"B T

dx w (4)

I

waarin B de breedte van het bekken is (loodrecht op de windrichting,

p de dichtheid van water, g de versnelling van de zwaartekracht, A de oppervlakte van de dwarsdoorsnede (ook loodrecht op de windrichting), h de hoogte van het wateroppervlak boven een horizontaal vergelijkings-vlak en x een horizontale coordinaat in windrichting. Bij verandering van windsterkte of -richting zal het wateroppervlak gaan oscilleren~

I

om de evenwichtsstand gegeven door verg.

4.

De periode T van deze

e

I

oscillatie ~s voor een bekken dat geschematiseerd is tot een prisma met lengte 1:

I

Te

21\

jE

ViA

(5)

I

Wind en opwaaiing veroorzaken in bekkens met variabele diepte een circulatiepatroon in het horizontale vlak. Dit blijkt bij lokale toepassing - zie fig. 1 - van de tweede wet van Newton:

I

dh pga - + T .. dx w d

-o

dt (au) (6)

.1

I

waar~n a de lokale waterdiepte ~s en u de over de diepte gemiddelde stroomsnelheid in x-richting. Elimineren van dh/dx uit verg. 4 en 6 geeft:

I

(7)

I

Uit verg. 7 blijkt dat, na opsteken van de wind, het lokale debiet a~ aangroeit in'windrichti~g in het gedeelte van het bekken waar de lokale diepte a kleiner is dan de gemiddelde diepte A/B. In het

I

*Er ontstaat een staande g~lfbeweging.

I

(7)

I

-5-I

I

diepere deel waar a > A/B is d(a~)/dt negatief en ontstaat een netto

stroming tegen de wind in, iie fig. 2. Als de stroomsnelheden gaan

toenemen neemt ook de tot nu toe buiten beschouwing gelaten

bodem-schuifspanning toe. Uiteindelijk ontstaat zo bij een niet-variërend windveld een stationaire (niet meer van de tijd afhangende)

circulatie-stroming.

In fig. 2 is ook de variatie van de snelheden over de diepte

weer-gegeven. De stroomsnelheid aan het oppervlak ligt voor bekkens met

een lengte tot ongeveer een of enkele km tussen de 3,5 en 4% van

ulO (5). De stroomsnelheid neemt snel met de diepte af. Verder vertoont

de stroomsnelheid in het algemeen nog een verandering van richting met

toenemende diepte onder het wateroppervlak (niet weergegeven in fig. 2). Oorzaken hiervan zijn de veranderlijkheid van de windrichting, de

kromming van de stroomlijnen in het horizontale vlak en de corioliskracht. Verg. 7 geeft aan dat in een - kunstmatig - bekken met constante

I

diepte geen horizontale circulatiepatronen zouden voorkomen. Toch is

I

dit meestal wel het geval,..bcv , als gevolg van variaties in windrichting,

of het feit dat de windschuifspanning met de plaats varieert als gevolg

van bebouwing of begroeiing van de oever~

I

2.2.Menging

I

De kwaliteit van het water in een bekken hangt onder meer af van

de wijze waarop opgeloste stoffen, b.v. zuurstof, en zwevend organisch materiaal door het water getransporteerd worden. Men kan globaal twee

mechanismen onderscheiden: trans.port door advectie en transport door turbulente diffusie. Onder advectie wordt verstaan het zich verplaatsen

van de stof met de (lokale) stroomsnelheid. Omdat de waterbeweging

in het algemeen turbu~ent zal zijn vindt daarenboven turbulente uit-wisseling (diffusie) van massa plaats. De stroming door wind vindt

voornamelijk plaats in horizontale vlakken. Men verwaarloost daarom

wel in eerste.instantie het horizontale diffusieve transport. Voor

het transport in verticale richting geldt het ongekeerde: de verticale stroomsnelheden in kleinere bekkens zijn in het algemeen zo klein, dat men het verticale transport meestal opvat als diffusief transport.

De eenvoudigste modellering van het diffusieve transport is het z.g. gradient-type transport (b.v. 6). Voor het werticale) transport

per eenheid van oppervlakt~ stelt m~n dan:

I

(8)

I

-6-I

1 I

.

waar1n c de concentratie van een stof en D de (verticale) turbulente

z

uitwisselings- of diffusiecoefficient 1S. Bij afwezigheid van

gelaagd-heid maakt men wel gebruik Ivan de semi-empirische relatie:

I

D

z

!::!

0,07

u a

*

(8)

1

waar1n u* !

(T

/p)2

de schuifspanningssnelheid ten gevolge van de

w

wind 1S. Bij verwaarlozing van advectieve bijdragen luidt de vergelijking

voor verticale diffusie:

I

(9)

I

waar1n t de tijd 1S.

Met behulp van verg. 9 1S een afschatting te geven van de snelheid

waarmee het diffusieproces verloopt. Beschouw daartoe de

concentratie-verdeling weergegeven in fig. 3, n.l. c =

Co

+ cl cos nz/a op t=O.

De brontermen in verg. 9 b~iten beschouwing latende, geeft dan als

oplossing:

I

1

c(z,t) -Àt z e cos n-a (JO)

1

waarin:

I

(1])

I

Verg. JO geeft aan dat in de gehele verticaal de concentratie exponentieel

1n de tijd nadert tot de diepte-gemiddelde waarde cO' De grootheid l/À

is een maat voor de hiervoor benodigde tijd. Vegr. 8 en 11 geven

I/À!::! 1,4

a/u*. Voor windsnelheden van enige betekenis (b.v. ulO>

4

mis)

en niet te diepe bekkens (b.v. a < 30 m) komt men zo op vrij korte

meng-tijden, ,ten hoogste enkele uren.

Voor (veel) uitg~breider~ overzichten van onderzoek naar stroming

en menging in bekkens zie b.v.

~,l,~,~

en 24.

I

1 I

(9)

I

-7-I

I

3. De invloed van thermische gelaagdheid op stroming en menglng door wind 3.I.Ontstaan van thermische gelaagdheid

I

Door zoninstraling in voorjaar en zomer neemt de warmteinhoud van

een bekken toe. In diepere bekkens vindt de opwarming echter niet gelijkmatig verdeeld plaats. Omdat de lichtintensiteit in het algemeen sterk afneemt met de diepte, Zle verg. I, vindt opwarming voornamelijk nabij het vrije oppervlak plaats. De resulterende thermische gelaagdheid beinvloedt de dynamica van stroming en menging, doordat temperatuur-verschillen gekoppeld zijn aan verschillen in soortelijk gewicht, dus aan verschillen in dichtheid. Een benaderende uitdrukking voor de relatie tussen dichtheid van zuiver water en temperatuur is:

I

(12)

I

waarin T de temperatuur is. Verg. 12 geeft het anomale gedrag van water weer: bij

4

0C is de dichtheid maximaal. Thermische gelaagdheid bij temperaturen boven

4

0C impliceert dus dichtheidsgelaagdheid. Als gevolg hiervan worden verticale, turbulente, uitwisselingsprocessen

(soms sterk) onderdrukt: voor het naar beneden transporteren van een relatief warm pakketje water in een koudere omgeving moet arbeid verricht worden tegen de zwaartekrachtswerking in. Iets dergelijks geldt voor het omhoog transporteren van een relatief koud pakketje.

Opwarming aan het wateroppervlak door zoninstraling en wind hebben dus een tegengesteld effect op de turbulentie. Als gevolg hiervan bestaat er in een situatie met zoninstraling een evenwichtsdiepte waarover de door de wind opgewekte turbulentie kan doordringen. Een uitdrukking voor deze diepte (al) is (b.v.

IQ

,

~):

u 3 al = k agH:7 (c p) (13) n p

I

waarln k een empirische coefficient van de orde één is,

H

de netto n

warmteflux door het vrije oppervlak, c de soortelijke warmte van

. p

water en a

=

-(dp/dT)/p delthermische uitzettingscoef~icient van water. Verg. 13 geeft aan, dat de dikte van de laag nabij het wateroppervlak

die turbulent kan zijn, toeneemt als de windsnelheid (dus u

x)

toeneemt.

I

(10)

I

-8-I

I

De dikte van deze laag neemtdaarentegen af als de warmteflux H toeneemt. n

Deze turbulente, goed gemengde bovenlaag wordt wel aangeduid als epilimnion. Onder het epilimnion neemt de temperatuur vaak relatief

snel af. Benamingen voor de laag waarin dit plaats vindt zijn: thermoclime, spronglaag, metalimnion. Onder de thermocline varieert de temperatuur

doorgaans weer minder sterk. Deze laag met het relatief koudste water wordt aangeduid als hypolimnion. Een en ander is weergegeven in fig. 4.

Verg. 13 geeft aan dat al oneindig groot (praktisch: gelijk aan de

totale waterdiepte) zou worden als zoninstraling afwezig ~s. In werkelijk

-heid neemt al slechts geleidelijk toe onder invloed van windmenging (~,24). In diepere bekkens blijft de in fig. 4 aangegeven gelaag d-heidsstructuur dan ook vaak gedurende het gehele warme seizoen bestaan.

I

3.2.Stroming en meng~ng

I

Circulatie en meng~ng ten gevolge van wind vinden nu voornamelijk in het epilimnion plaats. ,Verg. 8 tlm 11, waarin a nu vervangen moet worden door de epilimniondikte al' zijn op deze laag van toepassing.

In thermocline en vooral hypolimnion vindt relatief weinig stroming en menging plaats. De diffusiecoefficient D kan aldaar tientallen

z

malen of meer kleiner zijn dan verg. 8 aangeeft. De verticale ui.ti+.

wisseling van b.v. een opgeloste stof verloopt daardoor aanz~enlijk langzamer dan in ongelaagde toestand (24).

Dit blijkt bijvoorbeeld uit de in fig. 5 weergegeven temperatuur-en opgeloste - zuurstofverticalen zoals die van voorjaar tot najaar

1974 zijn gemeten in een diepe plas in Zuid-Holland (13). Duidelijk is te zien dat het epilimnion zuurstofrijk blijft, maar dat het hypo-limnion geleidelijk zuurstofarm wordt: de verbruikte zuurstof wordt niet of ~n onvoldoende mate vanuit het epilimnion aangevuld.

Fig. 5 geeft verder in het najaar een relatief sterke toename van de epilimniondikte te zien. Dit is onder andere het gevolg van de afkoeling van het water nàbij het vrije oppervlak. Er ontstaat dan een instabiele toestand met relatief koud water boven warmer water, die tot versterking van turbulentie en menging in het epilimnion leidt. Uiteindelijk is aan het eind van het najaar de gelaagdheid opgeheven.

Evenals het,vrije oppervlak vertoont de thermocline een helling

als gevolg van de windschuifspanning. Analoog aan verg. 4 ontstaat:

I

(11)

I

-9-I

I

dal /),p g al dx oe - L W (14)

I

waarinOmdat 6p veel kleiner is dan p (6p/p/),phet dichtheidsverschil tussen epilimnionheeft de orde van grootte vanen hypolimnion is. promillen), is de helling van de thermocline veel groter (maar tegen-gesteld aan) die van het vrije oppervlak. Bij voldoend sterke wind kan de thermocline daardoor aan de oppervlakte komen: er ontstaat een

"bel" met relatief warm water nabij de oever benedenwinds ervan. Ook de thermocline kan oscillaties vertonen. De grootste periode T. wordt

1

I

gegeven door:

I

T. =

21

1 (15)

I

waarin Bt de lengte van de thermocline loodrecht op de windrichting is en Al (A2) de oppervlakte van de dwarsdoorsnede van het epilimnion (hypolimnion), Al + A2

=

A. Vanwege de factor 6p/p is Ti veel groter dan T gegeven door verg. 5. Verg. 14 geeft aan dat ook de amplitude

e

van de oscillatie relatief groot kan zijn. Bij de vorming van een

"bel" heeft de amplitude dezelfde orde van grootte als de epilimniondikte.

I

4. Kunstmatig opheffen van de gelaagdheid 4.1.Mengsystemen

I

Het doel van kunstmatig opheffen van de gelaagdheid (destratificatie) is de uitwisseling in de verticaal zodanig te versterken dat meng1ng van opgeloste stoffen (zuurstof) en organisch materiaal over de gehele diepte van het bekken plaatsvindt. De gelaagdheid kan worden afgebroken door water uit het hypolimnion direct in contact te brengen met dat uit het epilimnion (of omgekeerd), of door de horizontale circulatie in het bekken te versterken.

In het laatste geval vergroot de opgewekte circulatie de intensiteit' van de turbulentie en daarmee de verticale uitwisseling. De circulatie kan tot stand gebracht worden door b.v. het inlaatwater met hoge snelheid evenwijáig aan of loodrecht op de oever het bekken in te pompen. De

daardoor gevormde ho ri zont.äl,estra Len drijven de circulatie aan

(~'..!.!:'.!2),

zie fig. 6. Een nadeel van dit systeem is dat niet gemengd kan worden als geen water wordt ingenomen.

Bij de directe mengmethoden wo rdt hypolimnionwater omhoog (of

epilimnionwater omlaag) gepompt en met hoge snelheid afgevoerd dOor het epilimnion (hypolimnion), zodat menging optreedt. In fig. 7a en b Z1Jn

I

(12)

I

-10

-I

I

twee toegepaste systemen weergegeven

(~,I2,~).

Vermoedelijk 1S een verticale straal effectiever dan een horizontale (19).

Een andere methode om hypolimnionwater met epi.Li.mn i.onwater te mengen is injectie van lucht aan de bodem van het bekken, zie fig. 7c.

• I

De luchtinjectie kan lokaal plaatsvinden of via een geperforeerde buis. In het eerste geval ontstaat een z.g. bellenzuil, in het tweede een bellenscherm. Hoewel de effectiviteit van een bellenscherm in principe wat groter is dan die van een bellenzuil, verkiest men om praktische

redenen (hanteerbaarheid, constructie van beluchters in verband met verstoppingen) meestal lokale injectie

(!).

De injectie van lucht

in niet te diepe bekkens (b.v. a < 30 m) moet in de eerste plaats gezien worden als een mengsysteem, omdat de beluchting van hypolimnionwater door de bellen zelf verwaarloosbaar is (20). Uit een vergelijkend onderzoek (~) blijkt dat luchtinjectie in de vorm van kleine bellen

het meest effectief is. Ook blijkt luchtinjectie vermoedelijk effectiever te zijn dan mechanisch pompen.

Naast het mengen van hypolimnionwater met epilimnionwater, waarbij de gelaagdheid wordt opgeheven,is het mogelijk het hypolimnion direct te beluchten zonder de gelaagdheid aan te tasten. Voor een overzicht zie

.?J.

I

,

1

4.2.Luchtinjectie 1n de spaarbekkens 1n de Brabante Biesbosch

I

In de Brabantse Biesbosch Z1Jn drie spaarbekkens in gebruik waarin luchtinjectie als weergegeven 1n fig. 7c wordt toegepast voor kunst-matige menging. Enkele gegevens over deze bekkens en de toegepaste

luchtdebieten zijn in bijgaande tabel vermeld. In de jaren 1973 tot 1979 is, ter ondersteuning van ontwerp en beheer van luchtinjectie-systemen, onderzoek verricht naar de kunstmatige destratificatie met behulp van bellenzuilen (~,~). Bij het onderzoek is gebruik gemaakt van metingen in de bekkens zelf, laboratoriumopstellingen en wiskundige modellen. Het onderstaande geeft een overzicht van enkele resultaten.

I

1 I

I

Spaarbekken diepte(m) oppervlakte (m2) aantal injectie-punten luchtdebieten (Nm3

/s )

1 I

Petrus plaat 15 Honderd en Dertig 15-27 De Gijster 15-20 1,05 • 106 2,19 • 106 6 3,20 • 10 13,0 • 106 32,2 • 106 43,0 • 106 3 3 6 3 x 0,067 2 x 0,1+1 x 0,2 6

x

0,033

I

(13)

I

-11-I

I

Beschouw eerst de werking van een bellenzuil onder ongelaagde omstandig-heden, zie fig. 8 en~. Achter elk van de opstijgende bellen ontstaat een opwaartse zogstroming. Door de hoge bellenconcentratie "overlappen" de zogstromingen van de individuele bellen elkaar: er ontstaat een

turbulente pluim van opstijgende bellen en (langzamer) opstijgend water. Het opstijgende water word4 in horizontale richting van opzij aangevuld. Het debiet aan opstijgend water kan zeer groot zijn, b.v. enkele honderden malen groter dan het luchtqebiet. De opstijgende lucht verdwijnt aan het wateroppervlak in de atmosfeer. Het opstijgende water wordt door de

zwaartekrachtswerking in horizontale richting afgebogen en stroomt, nog steeds turbulent, alzijdig in radiale richting af. Deze radiale straal sleurt aanvankelijk nog omgevingswater mee, maar buigt op grotere afstand van de bellenzuil naar beneden af. Vervolgens vindt toestroming naar bellenzuil en radiale straal plaats. Er ontstaat zo een axiaalsymmetrisch circulatiepatroon. De straal van het direct door de bellenzuil beïnvloede gebied is maximaal ca. zeven maal de waterdiepte. Op grotere afstand kan enige secundaire circulatie ontstaan.

In het geval dat gelaagdheid aanwezig J_S op het moment dat de

lucht-injectie gestart wordt, ontstaat een gecompliceerder stromingspatroon, zie fig. 9 en 23. Bij voldoend groot luchtdebiet gedraagt de bellenzuil zelf zich ongeveer als in het ongelaagde geval. Het opstijgende water in de pluim is voor een deel afkomstig uit het hypolimnion, en wordt voor het overige aangevuldldoor recirculatie van de radiale straal aan het oppervlak. De afmeting van het gebied met radiale straal is nu kleiner dan in het ongelaagde geval. Het lichtere epilimnionwater heeft de ne~ging zich horizontaal te verspreiden, maar ondervindt de weerstand van de radiale straal. Op de overgang van radiale straal naar epilimnion bevindt zich aan het vrije oppervlak. een duidelijk

zichtbare cirkelvormige stroomnaad. Menging tussen opgevoerd hypolimnion-water en epilimnionwater vindt op deze overgang plaats. Ook in het

epilimnion stroomt dus water toe. Een belangrijk deel van het gemengde water, dat een dichtheid heeft die tussen die van ep~- en hypolimnion

inligt, vormt een laag die zich tussen epi- en hypolimnion in radiale richting over het bekken verspreidt. Het resterende deel stroomt terug naar bellenzuil en radiale straal. Nadat zich over het gehele bekken een tussenlaag h,eeft gevormd, wordt deze geleidelijk dikker terwijl epi- en hypolimnion dunner worden. Op den duur wordt zo de gehele

I

(14)

I

.

-]2-I

I

bekkeninhoud gemengd. Evenals ~n het geval dat geen kunstmatige meng~ng wordt toegepast, kan wind voor extra verticale uitwisseling zorgen. De debieten aan men~~ater liggen in de Biesboschbekkens aanvankelijk

in de orde van enkele tientallen tot ca. honderd m3/s, maar nemen geleidelijk af naarmate de destratificatie vordert. In afwezigheid

van zoninstraling en wind bedraagt de duur van het destratificatie-proces in deze bekkens ca. een week. Uit het onderzoek is gebleken

dat de effectiviteit van de luchtinjectie vergroot kan worden door het totale beschikbare luchtdebiet over een aantal injectiepunten te verdelen. Vandaar het relatief kleine luchtdebiet per injectiepunt (zie tabel) in het bekken De Gijster, dat het laatst in gebruik

genomen is

(

1979/]980

).

1 I

I

Ter illustratie van de uitgevoerde prototypemetingen geven fig.

]Oa en b temperaturen en laagdikten tijdens een destratificatieproef in het spaarbekken Petrusplaat uitgevoerd in juni ]978. Tijdens deze proef werd

0 ,]

7

Nm3/s lucht door één van de injectiepunten toegevoerd.

Er vond aanzienlijke zoninstraling plaats en de wind was zwak (u]O was gemiddeld

3,5

mis met kortdurende pieken tot llm/s). Fig. lOb geeft aan dat het temperatuurverschil tussen epi- en hypolimnion afnam na starten van de luchtinjectie, ondanks de voortdurende zoninstraiing. Dit betekent dat luchtinjectie ook de verticale uitwisseling tussen epi- en hypolimnion vergroot.

De oorzaak van dit verschijnsel moet gezocht worden in horizontale circulatiestromen in epi- en hypolimnion, veroorzaakt door een samenspel tussen stroming ten gevolge van luchtinjectie en de Corioliskracht.

Luchtinjectie combineert zo de voordelen van de twee mengmethoden genoemd in de aanhef van par. 4.1'1 De waterdeeItjes die in epi- en hypolimnion naar de bellenzuil toe bewegen ondervinden de invloed van de Corioliskracht en ondergaan dus (op het noordelijk halfrond) een afwijking naar rechts.

Een maat voor het belang van de Corioliskracht is het z.g. Rossbygetal:

I

UfL met f

=

2

Q s~n ~

I

waar~n U een stroomsnelheid is, L een horizontale lengtemaat, Q de

hoeksnelheid van de aarde en ~ de breedtegraad. Merk op dat de verhouding L/U een verblijf tijd voorstelt. De invloed van de Corioliskracht is niet

I

verwaarloosbaar voor Rossbygetallen van de orde één of kleiner. Voor b.v. U

=

0,01 mis, L

=

500 m en f

=

]0-4s-1 ~s U/(fL) gelijk aan 0.2.

Deze waarde wijst op een belangrijke invloed van de Corioliskracht.

I

(15)

I

-13-I

I

redenering).Beschouw nu hetEen schattinepilimniong voor de doo~(voor het hypolimnionde Corioliskrachtgeldt eenzelfdeveroorzaakte stroomsnelheid V loodrecht op de verbindingslijn tussen bellenzuil en het beschouwde punt is, zi~ fig. 11 en~,

I

(16)

I

waarin

Q

het debiet is dat vanuit het epilimnion naar de bellenzuil stroomt, r de afstand tot de bellenzuil en K een turbulente viscositeit

z

(vergelijkbaar met D , zie par. 2.2 en 3.2). Een schatting voor de

z

snelheid U in de richting van de bellenzuil is:

I

( 17)

I

Voor de hoek ~ 1n fig.

11

ontstaat met verg.

16

en

17:

I

tan ~

_=v

U

_~

1

\[iz

_TI

I (J8)

I

Voor b.v. K =

z

U/V

=

0,2. In dit voorbeeld is de snelheid V dus veel groter dan de 2,10-4 m~/s (een gemeten waarde) en a1

=

5 ~ volgt

I

snelheid U: het water in epi- en hypolimnion beweegt zich langs een spiraal naar de bellenzuil toe met snelheden die aanzienlijk groter zijn dan die in het geval zonder Corioliskracht. Er is een zekere analogie met de stroming in depressiegebieden in de atmosfeer. Het genoemde effect is ook waargenomen, zie fig. 12. Een verticale pijl in het snelheidsprofiel inl deze figuur geeft een beweging aan naar

de bellenzuil toe, een horizontale pijl een beweging in een richting loodrecht daarop, enz. De Corioliskracht versterkt dus de circulatie 1n epi- en hypolimnion (dÜ lijkt 1n mindere mate voor de tussenlàag te gelden). Op deze wijze worden de snelheidsverschillen in de verticaal, en daarmee de turbulentieintensiteiten en verticale uit-wisseling, vergroot. Dit is vooral het geval als de wind zwak is: K is dan klein en V dus groot.

z

I

(16)

I

-14-I

I

Literatuur

I

1. P.L. Knoppert, in: Verminderung der Algenentwicklung ~n Speicherbecken und Talsperren (red.: G. Oskam en H. Bernhardt), DVGW-Schriftenreihe, Wasser Nr."16, 1978, 249 p.

2. G. Oskam, zie 1. 3. J.A. Steel, zie 1.

4. B. Safaie, Wind stress at air-water interface, J. Waterway, Port, Coastal and Occan Eng., ASCE, ~, 2, 1984, pp. 287-293.

5. J. Wu, Wind-induced drift currents, J. Fluid Mech., 68, 1, 1975, pp. 49-70.

6. G.T. Csanady, Turbulent diffusion ~n the environment, Reidel Publ. Cy., Dordrecht, 1973.

7. Waterloopkundig Laboratorium (Delft), Drie-dimensionale circulatie-modellen voor ondiepe meren en zeeën, Rapport R900-IV, 1981, 52 p. 8. T.J. Simons, Circulation models of lakes and inland seas, Canadian

bulletin of fisheries and aquatic sciences, nr. 203, 1980, 146 p. 9. K.H.M. Ali en D. Pateman, Prediction of the circulation in reservoirs,

Proc. Instn. Civ. Engrs., Part 2, ~, June, 1981, pp. 427-461. 10. F.S. Sherman, J. Imberger en G.M. Corcos, Turbulence and mixing ~n

stably stratified waters, Ann. Rev. Fluid Mech.,IQ, 1978, pp. 267-288. 11. A.N. van Breemen en G.J.G. Kok, Thermal stratification and deep

man-made lakes: an evaluation of a predictive model, Hydrobiological Bulletin, ~, 3, 1980, pp. 158-168.

J2., R.H. Spigel en J. Imberger, The classification of mixed-layer dynamics in lakes of small to medium size, J. Phys. Oceanogr.,

IQ

,

7, 1980, pp. 1104-1121.

13. G. Bolier, Een limnologisch onderzoek van en~ge kunstmatig gevorn~e watervoorkomens in Zuid-Holland, Laboratorium voor Gezondheidstechniek, Afd. der Civiele Techniek, Technische Hogeschool Delft, Rapport nr.

75-10, 1975, 107 p.

]4. S.B. Savage en R.J. Sobey, Rorizontal momentum jets in rotating basins, J. Fluid Mech., ~, 4, 1975, pp. 755-768.

]5. R.J. Sobey en S.B. Savage, Jet-forced circulation ~n water-supply reservoirs, J. Rydraul. Div., ASCE, 100, RY]2, 1974, pp. 1809-1828. ]6. W.R. Irwin, J.M. Symons en G.G. Robeck, Impoundment destratification by

mechanical pumping, J. Sanit. Engrg. Div., ASCE, ~, SA6, 1966, pp. 21-40.

I

'

I

"

I

(17)

I

I 17. J.E. Quintero en J.E. Garton, A low energy lake destratifier, Trans. Am. Soc. Agricult. Engrs., 16, 1973, pp. 973-978.

I

-18. J.E. Garton, R.G. Strecker en R.C. Suunnerfelt, Performance of an

axial flow pump for lake destratification, Proc. Southeast Ass. Game and Fish Comm. 30~ 1976, 1978, pp. 336-347.

J9. J.P. Holland en M.S. Dorteh, Hydraulic destratification, EWQOS, Environ. Water Qual. Operat. Stud., E81, I, 1981, pp. 2-5.

20. B.J. Neilson, Reaeration dynamics of reservoir destratification, J. AWWA, ~, 10, 1974, pp. 617-620.

21. Hydraulic Research Station (Wallingford), Air .bubbles for water quality improvement, Report OD/12, 1978, 64 p.

22. L.H.J. Goossens, Reservoir destratification with bubble columns,

proefschrift, Technische Hogeschool Delft, 1979, 200 p.

23. C. Kranenburg, Lake destratification induced by local air injection, Rapport no. 79-2, Afd. der Civiele Techniek, Technische Hogeschool Delft, 1979, 126 p.

24. H.B. Fischer, E.J. List, R.C.Y. Koh, J. Imberger en N.H. Brooks, Mixing in inland and coastal waters, Academie Press, New York,

(18)

I

· I

I

/

'-Ol > OJ

0/

/

tn

1

c ~

/

o~ /

'g /

0:;' /

lO IC'I l-Q!

---~l--

-.

~

/

I

/

I-C!I > Ol o

/

I

/

,

/

,

/

,

/

.

s::

Cl) ~ .c re bi) CU CU r-l Cl) bi)

s::

o

s::

Cl) Cl) c, o

'8

o.-t ~

§

> 'Cl) bi) r-l o

>

Cl) bi)

s::

Cl) -IJ

.

bi) • .-t ~

(19)

---doorsnede

o

----~ windrichting

00 .

n

u

:~~

bovenaanzicht

u

u snelhei d sprofielen

z

CD

_._--- ----

-o

z

a

u

(20)

I

c

o

o ,---

co

z

ï,'

//

/

I

/

I

/

_I

I

I ln2

t=O

t,

2t,

00

t, =

-À-L

I

,

a

I

Fig. 3 •. Voorbeeld concentratieverloop in de verticaal.

I

temperatuur

o

epilimnion

z

thermocline

hypot

irnn ion

a

_{/T/T////T/T/T/////7T//}

_7;77";

I

Fig. 4. Karadiep bkteekkeristin.eke structuur van thermische gelaagdheid ~n een

(21)

---.----z

(m)

o

10

20

tem peratuur

(0

C ) zuurstof (g/m3) ---1574 ..--- --- ---_.

Fig. 5. Temperatuur- en opgeloste zuurstofprofielen in de put van Zoetermeer (nu deel uitmakend van het recreatie-gebied Noord Aa) (13).

10 ,

I

r

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

J r \_\

I

_I

I

'"

I

\

_I

23 april 22 mei 19 juni 17 juli 14aug. 11 sept. 9 october

20

(22)

I

·

1 I

I

inlaat

s

traal

Fig. 6. Circulatiepatronen ten gevolge van horizontaal gerichte inlaatstralen

(~

,

~

,

I2

).

(23)

______

'

-

-0

· ®

0 aandrijving

thermocline

I

~

11rr--kooi

~l~~pomp

_LS _{_}

---.

.~ ~

straal

<;

bellen

-pluim

o ---0-0

o

0

00

o

1 °

0 0

o

_/

oot> 0°

o

0 0

o

0

.---straal

o 0 o ~ 0,0 0 .~

buis

o₀₀₀ o o 00 o 0 0

JI

0 0 0 ~ ~ 000 "--0000 o cO

.

//ff~97/

beluchter

luchtle

i

d ing

naar oever

J~

7////7

////777/7777//777777777,

_{/77/T/7777/T/T/7/T/T//T/77/7,.}

---"---_.._---_.

- --

-Fig. 7. Kunstmatige mengsystemen. a neerwaarts gerichte straal van epilimnionwater (17,18), b opwaarts transport

-

--

-en horizontale straal van hypolirnnionwater (~), ~ opwaartse pluim van luchtbellen en hypolirnnionwater

(24)

- - - _

_.

_,radiale

_str..~

.

__ - -

_.

-

t

!\_

O.o"o·~_ ~ -A ~ .. )

I

".

"

i

(

-

..

-

~

"L--"'-;-

:

g

~/

I

-r-~

.

___

I /

\

I

__

-I ~ .o.o.~ -_

I

\ _ - 'bo ~ I

I

-

-+ . ~~ ..:..._

I

\

000"'-- ~ ~I

I

~

__....Jf' : •• ~ +- ~

I

~

.

-+

777777~77777

~/7.l77

7/77777~/

77//777777

/777777777

lucht

.

Fig. 8.

Verticale circulatie ten gevolge van luchtinjectie in·ongelaagd bekken (~).

~ stroomnaad

t

~~~

i.:~

4-

:f·~·r-(--r-

~_)

~-r-

4

epilimnion

..-/

~ __

~_.#~o::~

~

__

~

'---..

__.tussenlaag

~--__.. 0, ~"-

front

--+ _..#

:8..__

4--

hypolimnion

777777777

7777/7777

777/7+77777

777777777

77777777/

E~mDClin.

-+

--.-c

~

lucht

---~-

-

._--- --- -- -_._-- ---~--

--Fig. 9.

Circulatie en menging ten gevolge van luchtinjectie in gelaagd bekken.

De overgang tussen mengwater en

ongemengd epi- en hypolimnionwater is weergegeven met een getrokken lijn (~).

(25)

---_

_r

begin luchtinjedie

.

_---o

I

- -

-z

(m) 10

-5

3

epilimnion

---

---,

thermo-cline

tussenlaag

I

:-.._--

...

"-...

,

...

...~ r

=

200 m _______ r =650m hypolimnion <,

"

<, <, <, -,

'-15

4

5

6

7

8 juni

mei 31

1 .

2

Fig. IOa.Laagdikten tijdens een destratificatieproef in het spaarbekken Petrusplaat in 1978 (~).

(26)

_ - -

_

.

-

_

'

-

_

-u 16 0

-

_L.. ::J ::J

...

0 l-Q) a. E (ij ...

i4

18

12

A: gemiddeld over

z

=

0

tot

3

m

z

= 10

tot

13

m

mei

jun i 1978

B: gemiddeld over

/',

,

"'-,

/

,

A

'.

.-"

...

'

...

/ ,._._._.-._._.- "''<, .

---',-

,

" ~~ <,; / ,.

""'...

_..._..// \.

A

...

_... ...

.

<, "'"

_{... ...-:.~}

.»: -::::',,;.

_....

..."./ lolt---beg

in

luchtinjedi e

,

---=

". ...- - -; .:;:;~::;;;;;~"--.,:::.:::=-'~.

_-...

--

----'--,---

_.

--_ 1?... ~.~ ,,// .> .t:-~'

...-:.~

.

_

... .,.."

//

---"

-:

."

/'"

_//

r

= 650

m

J 9.00 h

r

=650

mi

14.00 -15.30 h

/'

B ~..: __

r

= 200

m

I 14.00 -15.30 h

29

30 31 1

2

3

4

5

6

7

8

9

(27)

I

.

1

1 I

I

1

1 I

I

1

1 I

1

inj ecti e-punt

-,

_-,

\

,

(28)

..

--~

....

_

---

-~

.

-

~

er

"

r

(

...

-

_

.

-

-o

z

(m) 10

20

20 o

z

(m)

1 --

I

100 mm/s

r

=

130 m

l

bellenzuil

--- --- ._---

-Fig. 12. Temperatuur- en snelheidsprofiel op 17 juni 1976 tijdens een destratificatieproef in het spaarbekken

(29)

I

. '

I

··"

.

'J';,,: .•... ,. . ' . ~"" :. ",; .. '. ",.f' :'. " I, ., " . • •••• " " •