ministerie van verkeer en waterstaat MjkSWatCrStddt Oppervlaktestroomsnelheid van de Rijn t.b.v. het alarmmodel A.L. Mugie Werkdocument 90.085X Rijkswaterstaat DBW/RIZA Hoofdafdeling AO Onderafdeling AOFH juni 1990 Samenvatting In het alarmmodel voor de Rijn wordt de verspreiding van geloosde stoffen berekend, waarbij gebruik wordt gemaakt van de gemiddelde stroomsnelheid. Hierbij wordt uitgegaan van de veronderstelling dat de geloosde stoffen zich homogeen verdelen. Als een stof een drijflaag vormt, moet echter niet van de gemiddelde stroomsnelheid worden uitgegaan, maar van de snelheid aan het oppervlak. Uit het verwerken van metingen en literatuuronderzoek blijkt dat de gemiddelde stroomsnelheid aan het oppervlak 3 tot 6 procent hoger is dan de gemiddelde stroomsnelheid over de verticaal. Hierbij kunnen zeer grote uitschieters optreden. Inhoudsopgave 1. Inleiding 1 2. Stromingsprofiel 2 3. Meetmethode 4 4. Resultaten 5 5. Conclusies en aanbevelingen 7 Literatuur 1. Inleiding Het alarmmodel voor de Rijn berekent de verspreiding van geloosde stoffen in de Rijn. Hierbij worden de looptijd en de concentratie van de geloosde stof berekend. In het model wordt er vanuit gegaan dat deze stoffen zich homogeen verdelen in het water. Als stroomsnelheid wordt de gemiddelde stroomsnelheid over de hele diepte gebruikt. Als aanvulling hierop is het interessant om te kijken hoe niet homogeen verdeelde stoffen zich gedragen, bijvoorbeeld stoffen die een drijflaag op het water vormen, zoals olie. Om inzicht te krijgen in het verschil tussen een homogeen verdeelde stof en een stof die een drijflaag vormt, zijn stroomsnelheidsmetingen geanalyseerd van een deel van de Rijn. Hierbij is gekeken naar de gemiddelde stroomsnelheid over de verticaal en de stroomsnelheid aan het oppervlak. De metingen zijn uitgevoerd door direktie Gelderland. In dit rapport worden het theoretische stromingsprofiel van de Rijn (paragraaf 2), de gebruikte methode van stroomsnelheidsmeting (paragraaf 3), de resultaten van de metingen (paragraaf 4) en de conclusies (paragraaf 5) behandeld. 2. Stromingsprofiel Een rivier heeft een hydraulisch turbulente stroming. In deze stroming ontstaat een snelheidsgradient in verticale richting omdat bij de bodem het water wordt afgeremd. Theoretisch ziet het stromingsprofiel er als volgt uit: 0.4h > • Op de bodem is de snelheid van het water 0. Naar boven neemt de snelheid sterk toe. Op 0.4 h vanaf de bodem is de snelheid gelijk aan de gemiddelde snelheid over de verticaal. De gemiddelde snelheid is, afhankelijk van het bodemtype en de vorm van een rivier, een factor 0.84 - 0.90 maal de gemiddelde snelheid aan het oppervlak . De snelheid aan het oppervlak is dus 11 tot 19% hoger dan de gemiddelde snelheid [2]. Deze waarden zijn bepaald uit de gegevens van een groot aantal rivieren die erg van elkaar verschillen wat betreft breedte, diepte, bodemsoort en stromingspatroon. De Rijn is hierin een uitzonderlijke rivier vanwege het frjne bodemmateriaal en de rustige stroming. Daarom is te verwachten dat de factor groter zal zijn dan 0.9, dus het percentage kleiner dan 11 %. Het theoretische stromingsprofiel is vrijwel logaritmisch, maar is niet met e€n algemeen geldende vergelijking te beschrijven. In [5] wordt de turbulente stroming gedetailleerd beschreven. In praktijk blijkt het stromingsprofiel van de Rijntakken er echter als volgt uit te zien [6]: Het snelheidsprofiel in een zone van circa 50 cm boven de bodem verloopt vrij vlak, direkt boven de bodem is de snelheid nog circa 0.75 - 0.8 maal de snelheid op 40 cm boven de bodem. De verspreiding van een drijflaag wordt vooral bepaald door de snelheid aan het oppervlak. Omdat in het calamiteitenmodel de gemiddelde snelheid over de verticaal wordt gebruikt, wordt in dit rapport gekeken naar de verhouding tussen deze gemiddelde snelheid en de snelheid aan het oppervlak, en naar de fluctuaties van de snelheid aan het oppervlak. 3. Meetmethode Door directie Gelderland worden regelmatig stromingsmetingen uitgevoerd zoals beschreven in [1]. Op een raai van een rivier wordt vanaf een boot met behulp van een Ottmolen de stroomsnelheid gemeten op 20 tot 25 verticalen. Zo mogelijk wordt de afstand tussen de verticalen constant gehouden, behalve aan de oevers, waar de verticalen dichter bij elkaar liggen. Per verticaal wordt iedere 20 tot 50 cm de stroomsnelheid gemeten. Bij lage waterstand wordt in het zomerbed een raai van krib tot krib of van oever tot oever gemeten. Bij hogere waterstand wordt ook in het winterbed gemeten. Als er kribben aanwezig zijn wordt midden in een kribvak gemeten. Uit deze metingen wordt het debiet, de gemiddelde stroomsnelheid in het zomerbed, de maximale en gemiddelde stroomsnelheid aan het oppervlak en de maximale stroomsnelheid berekend. De hier geanalyseerde metingen zijn uitgevoerd op de Bovenrijn en op de drie vertakkingen van de Rijn in de buurt van de splitsingspunten (zie bijlage 1). Alle metingen zijn uitgevoerd in de loop van 1987. 4. Resultaten In de loop van 1987 zijn op alle punten (bijlage 1) op verschillende dagen metingen uitgevoerd, bij lage waterstand in het zomerbed, bij hoge waterstand in het winterbed. Van iedere piek zijn, zowel bij lage als bij hoge waterstand, op 10 tot 20 dagen metingen uitgevoerd. Per dag zijn hieruit de afvoer, de gemiddelde snelheid in het zomerbed, de maximale en gemiddelde snelheid aan het oppervlak en de maximale snelheid in de verticaal berekend. Bij metingen in het winterbed wordt de snelheid in het zomerbed berekend. Deze metingen en berekeningen zijn uitgevoerd door directie Gelderland. Uit de dagwaarden zijn, afzonderlijk voor metingen bij laag water en bij hoog water, per meetplek de gemiddelden berekend van de gemiddelde snelheid in het zomerbed en de gemiddelde snelheid aan het opppervlak. Verder zijn uit de dagwaarden de verhouding tussen de maximale snelheid aan het oppervlak en de gemiddelde snelheid aan het oppervlak en de verhouding tussen de gemiddelde snelheid aan het oppervlak en de gemiddelde snelheid in het zomerbed berekend. Deze verhoudingsgetallen zijn, afzonderlijk voor metingen bij laag water en bij hoog water, per meetplek gemiddeld, en voor alle meetpunten gezamenlijk gemiddeld. De resultaten zijn samengevat in tabel 1. Bij de metingen is ook bepaald hoe groot de maximale snelheid in de verticaal tijdens de meting is, en waar die snelheid optreedt. Deze maximale snelheid is enkele centimeters tot in een enkel geval 30 cm groter dan de maximale snelheid aan het oppervlak. De waarde wordt over het algemeen niet aan het oppervlak gevonden, maar op een schijnbaar willekeurige piek ergens in de verticaal. Deze maxima zijn waarschijnlijk turbulenties die worden waargenomen omdat de meettijd relatief kort is. Bij het doorrekenen van een hele verticaal worden deze turbulenties uitgemiddeld. gem. snelheid zomerbed [nVs] gem. snelheid oppcrvl. [m/s] WaalLW bed HWbed 1.17 1.47 1.22 1.51 1.28 1.30 1.04 1.02 IJsselLW bed HWbed 1.06 1.37 1.07 1.38 1.35 1.30 1.01 1.01 Bovenrijn LW bed HWbed 1.14 1.55 1.21 1.64 1.23 1.16 1.06 1.06 Nederrijn 1.14 1.16 1.34 1.01 Pannerders kanaal LW bed HWbed 1.02 1.64 1.05 1.68 1.35 1.24 1.03 1.02 1.28 1.03 gemiddeld LW bed = laag water bed HW bed = hoog water bed tabel 1. max V opp gem V opp gem V opp gem V zomerbed 5. Conclusies en aanbevelingen De gemeten stroomsnelheden liggen globaal tussen 1 en 2,5 m/s. Uit tabel 1 volgt dat de gemiddelde snelheid aan het oppervlak gemiddeld 3% hoger is dan de gemiddelde snelheid over de verticaal in het zomerbed. De maximale snelheid aan het oppervlak is gemidddeld 28% hoger dan de gemiddelde snelheid aan het oppervlak. Een drijflaag zal zich dus gemiddeld iets sneller voortbewegen dan een opgeloste stof, maar er kunnen flinke uitschieters in snelheid optreden. Deze waarden komen redelijk overeen met de voor het Duitse gedeelte van de Rijn berekende waarden [7]. Hier wordt namelijk gevonden dat de gemiddelde snelheid aan het oppervlak 6% hoger is dan de gemiddelde snelheid over de verticaal, en dat de maximale snelheid aan het oppervlak 29% hoger is dan de gemiddelde snelheid aan het oppervlak. Theoretisch zou de gemiddelde snelheid aan het oppervlak 11 - 19% hoger moeten zijn dan de gemiddelde snelheid over de verticaal, maar hierover is al opgemerkt dat het percentage in de Rijn lager zal zijn vanwege het fijne bodemmateriaal en de rustige stroming. De waarden van 3% en 6 % komen hier dus goed mee overeen. Het verschil tussen het Nederlandse en het Duitse gedeelte is te verklaren uit het feit dat in Duitsland sommige delen van de Rijn een onregelmatige bodem en/of een grote stroomsnelheid hebben. Verder blijkt uit tabel 1 dat in het laag water bed de verhouding tussen de maximale snelheid aan het oppervlak en de gemiddelde snelheid aan het oppervlak meestal groter is dan in het hoog water bed, terwijl de absolute snelheid aan het oppervlak kleiner is. Bij de verhouding tussen de gemiddelde snelheid aan het oppervlak en de gemiddelde snelheid in het zomerbed is er nauwelijks verschil tussen het laag water en het hoog water bed van een meetpunt. In het alarmmodel kan de gemiddelde stroomsnelheid met 3 - 6 % worden verhoogd om een indicatie te krijgen van de voortbewegingssnelheid van een drijflaag. Bij deze berekeningen is geen rekening gehouden met andere factoren zoals wind, verdamping en het achter kribben blijven steken van een drijflaag, noch met de grote uitschieters die kunnen voorkomen. Literatuur [1] Methoden van afvoermeten op de Boven-Rijn en zijn takken in 1981 nota WWZO 81.27 A J . Veraart en Tj.J. Stuurman directie waterhuishouding en waterbeweging district zuidoost [2] Measurements of liquid flow in open channels ISO standards handbook 16 1983 [3] Het uitmiddelen van turbulente fluktuaties in stroomsnelheidsmetingen notanummer 72.003.07 directie waterhuishouding en waterbeweging district zuidwest [4] Enkele afvoerberekeningsmethoden en hun invloed op de nauwkeurigheid van afvoerbepaling notanummer 72.003.03 directie waterhuishouding en waterbeweging district zuidwest [5] Turbulentie in de waterloopkunde R. Booij Diktaat Technische Hogeschool Delft, april 1986, b82 [6] Beschrijving zandtransportmeter "Dordrecht" B.P.C. Steenkamp notanummer 87.032X DBW/RIZA hoofdafdeling watersystemen afdeling delta (WSD) [7] Warn- und Alarmplan Rhein Bericht des DVWK - Arbeitskreises Koblenz, Marz 1987 Bijlage 1 meetpunten rivier punt bed kilometer Waal 1 2 laag water bed hoog water bed 868.350 868.685 IJssel 3 4 laag water bed hoog water bed 882.388 880.000 Bovenrijn 5 6 laag water bed hoog water bed 865.785 865.900 Nederrijn 7 laag + hoog water bed 880.950 Pannerdens kanaal 8 9 laag water bed hoog water bed 868.230 870.375
© Copyright 2024 ExpyDoc
