Je leest:

Bodemtransport in rivieren

Bodemtransport in rivieren

Auteurs: en | 1 januari 1998

Hondenweer moet het zijn, met veel regen in de Eiffel of de Ardennen. Rivieronderzoekers hopen op hoog water. Niet dat ze uitzien naar een vloedgolf die het hele land in zijn greep houdt – een hoog water zoals zich dat elke paar jaar voordoet, zou al mooi zijn. Dan verplaatst de stroom treinladingen zand en grind over de bodem.

“Indien ooit de Nijl zijn bedding zou verleggen naar de Arabische Golf, wat zou dan kunnen verhinderen dat deze binnen 20.000 jaar door de stroom met sediment gevuld zou worden? Ja, ik geloof dat dat zelfs wel binnen 10.000 jaar zou gebeuren (…) door de werking van een zo grote en krachtige rivier”, schreef Herodotus (ca. 485-425 v.Chr.) vijfentwintig eeuwen geleden in zijn Historiën.

Kleine bodemdeeltjes komen veel gemakkelijker in beweging dan grote. Pas bij hoge stroomsnelheden loopt de schuifspanning zover op dat ook deeltjes groter dan een millimeter in het water blijven zweven.
via drs. Maarten Kleinhans, dr. Wilfried ten Brinke

De Griekse geschiedschrijver Herodotus staat door zijn onvermoeibaar zoeken naar de ware toedracht van gebeurtenissen, bekend als de vader van de geschiedenis. Zijn raming was zo slecht nog niet. Met alle moderne middelen kunnen fysisch-geografen en civiel-ingenieurs het gemiddelde transport van grind, zand en slib in de Nederlandse Waal niet veel nauwkeuriger inschatten dan tussen de 400.000 en 900.000 kubieke meter per jaar. Vooral het onstuimige gedrag van de rivier tijdens hoogwater maakt de voorspelling moeilijk. De Nederlandse en Vlaamse ondergrond bestaat grotendeels uit klei, zand en grind. In de loop van tienduizenden jaren is al dat sediment door stromend water hierheen gevoerd, deels door getijstroming van de zee en deels door de afvoer van rivieren. Nederland en een deel van België zijn ontstaan waar enkele grote rivieren in de zee uitmondden. Overal in de ondergrond en aan de oppervlakte zijn de sporen van die oude rivieren nog terug te vinden.

Sediment

De wordingsgeschiedenis van de Lage Landen mag echter niet het beeld oproepen van gestage stromen die in de loop der millennia dag in dag uit hun sedimentlading losten. Het gebied kreeg vorm bij hoogwater. Tijdens hoge afvoeren is zand uit het Duitse achterland aangevoerd en in oeverwallen langs de rivier afgezet. Verder van de rivier af zijn klei en slib bezonken. Bij de Duitse grens ligt veel grind in de rivierbedding. Het sediment wordt fijner richting de zee. Richting de monding is de vroegere invloed van de zee terug te vinden in gebieden met zeeklei, zandige strandwallen en duinenrijen.

De vrijheid van de natuur om dit landschap te vormen, is verleden tijd. De processen van sedimentaanvoer en -afzetting vinden alleen nog plaats tussen de winterdijken. De dynamiek van de rivieren is er niet minder op geworden. Hoge rivierafvoeren veroorzaken zulke hoge schuifkrachten op de bodem van hun smalle stroomgeul, dat grote hoeveelheden sediment worden meegevoerd. Onder water ontstaan metershoge zandduinen die zich stroomafwaarts verplaatsen. Bij lage waterstanden woelt de drukke scheepvaart het zand van de bodem op.

In het dichtbevolkte Nederland en België is het van groot belang om inzicht te hebben in het verband tussen water- en sedimentbeweging en de hieruit voortvloeiende vormveranderingen van bedding, oevers en uiterwaarden. Vooral waar ingrepen als baggeren en de aanleg van nevengeulen en oeververdedigingen de rivierloop beïnvloeden, moeten de gevolgen vooraf duidelijk zijn. Daarom onderzoeken universiteiten en Rijkswaterstaat het tumult op de rivierbodem.

Schuifkracht

De bodemsamenstelling van het zomerbed van de IJssel. De rivier begint bij Arnhem (kilometer nul) en stroomt 120 kilometer verderop uit in het Ketelmeer.
via drs. Maarten Kleinhans, dr. Wilfried ten Brinke

Albert Einstein vond het probleem van sedimenttransport in een rivier zo complex dat hij niet begreep hoe zijn zoon zich eraan durfde te wagen. Helemaal ongelijk had hij niet. Op de vraag hoeveel zand en grind een rivier bij hoge waterstanden meevoert is geen kort antwoord te geven. De verplaatsing van bodemmateriaal varieert van plaats tot plaats en van uur tot uur. Zand en grind op de bodem van de rivier komen in beweging doordat het water een schuifkracht op de bodem uitoefent. Deze schuifkracht neemt toe als de rivier sneller gaat stromen. Het sediment komt in een wassende rivier pas in beweging wanneer de schuifkracht een minimale waarde overschrijdt. Die is groter voor grovere korrels. Eerst sleept de stroming alleen de fijnere bodemdelen mee. Bij hogere snelheden komt steeds grover zand in beweging en tenslotte zelfs grind. Deze wetmatigheid laat in de delen van de rivier met de hoogste stroomsnelheden slechts ruimte voor het grofste sediment. Stroomafwaarts gaat een rivier steeds langzamer stromen. Bovendien slijt en verbrokkelt het sediment op zijn reis door de rivier. Daardoor is de bodem naar de monding toe met steeds fijner materiaal bedekt. Er zijn echter ook plaatselijke verschillen. Die worden veroorzaakt doordat de stroming niet de as van de rivier volgt, maar de neiging heeft om uit de bocht te vliegen. Daardoor stroomt het water langs een schroefvormig traject door de bocht. De stroomsnelheid is het grootst in de buitenbocht. Daar ligt het grofste materiaal. Aan de bodem is de stroming een beetje naar de binnenbocht gericht, waardoor zij de buitenbocht uitschuurt en het losgewerkte materiaal in de binnenbocht afzet.

Het water stroomt in de buitenbocht van een rivier veel sneller dan in de binnenbocht. Daardoor verdwijnt al het fijne bodemmateriaal uit de buitenbocht. De spiraalvormige stroom (hier overdreven getekend) voert het naar de binnenbocht waar het neerslaat.
via drs. Maarten Kleinhans, dr. Wilfried ten Brinke

Pleisterlaag

Een stuk rivierbedding waarvan de korrels allemaal ongeveer even groot zijn, gedraagt zich redelijk voorspelbaar. Als echter fijn en grof materiaal door elkaar voorkomen, treden er effecten op die de rivierdeskundigen tot op heden alleen in grote trekken kennen. Een sterke stroming zuigt de lichte zandkorrels gemakkelijk uit de bedding, zodat alleen het grovere materiaal overblijft. In het extreme geval raakt de bodem geheel afgedekt door een laagje grof grind. Zo’n zogenaamde pleisterlaag ligt op veel plaatsen in de grindrijke delen van onze laaglandrivieren; in elk geval in de Grensmaas en vermoedelijk ook in de Boven-Rijn en de Duitse Niederrhein. Een pleisterlaag legt de rivierbodem stevig vast. Pas bij hoge stroomsnelheden komt er beweging in. Wanneer dat precies gebeurt, hangt af van de samenstelling van de pleisterlaag en die hangt op zijn beurt weer af van het verloop van het vorige hoogwater. Als bijvoorbeeld de snelheid na een afvoerpiek maar langzaam afneemt, heeft de grove bovenlaag veel tijd om zich te vormen. De pleisterlaag wordt dan grover en ontstaat op meer plaatsen dan wanneer het water snel daalt. Dat verschaft de rivierbodem dus een soort geheugen voor stromingscondities. Het beeld wordt nog ingewikkelder wanneer de verschillen in korrelgrootte tussen binnen- en buitenbocht worden meegenomen. Hoge afvoeren verplaatsen in verhouding veel meer sediment dan lage. Daardoor zijn hoge afvoeren van groot belang voor de morfologische ontwikkeling van de rivier, ook al komen ze maar af en toe voor. Het begrip van alle interacties en processen tijdens zeer hoge afvoeren is echter klein, doordat daar nog maar weinig metingen van beschikbaar zijn.

’t giet ôn

Sedimenttransport meten is vooral interessant tijdens hoogwater. Sinds de extreme riviervloed van eind 1993 en die van begin 1995 stonden beide auteurs in de startblokken om bij een volgend hoogwater een meetcampagne uit te voeren. Zij hadden hun oog al laten vallen op de Waal bij Pannerden, waar ze gedurende de hele passage van een afvoergolf, dus zowel tijdens het wassen als het zakken van het water, het sedimentttransport zouden bepalen. Dinsdagmiddag 25 februari 1997 krijgt de Universiteit Utrecht een telefoontje van het RIZA: “’t giet ôn!”. De Waal bij Lobith is snel aan het wassen en het lijkt erop dat dit nog een aantal dagen door zal gaan. Er valt al dagen veel regen in het gebied van de Moezel. Dat water komt snel naar Nederland.

Het transport van rollend en stuiterend bodemmateriaal is moeilijk precies te meten. Met een soort stofzuigerzak lukt het wel, maar zo’n apparaat verstoort al snel het proces dat het wil meten. Rijkswaterstaat en het Waterloopkundig Laboratorium hebben een Helley-Smith-bodemtransportmeter, zo heet zo’n stofzuiger, zo aangepast dat het water in de vangmond even snel stroomt als er buiten, ondanks de weerstand van de vangzeef. Een vin aan het frame houdt de mond precies in de stroming.
RIZA via drs. Maarten Kleinhans, dr. Wilfried ten Brinke

Drie dagen wordt er koortsachtig gewerkt om alle benodigde schepen en bemanningen van Rijkswaterstaat bij elkaar te krijgen, en de meetapparatuur op te tuigen. Er zullen zes schepen gaan varen: vijf om de veranderingen van de rivierbedding continu met peilapparatuur in kaart te brengen en een schip om het transport van zand en grind te meten. In de vroege zaterdagochtend van de eerste maart verzamelt de meetploeg zich in Tolkamer, waar Waalhaven 1 ligt afgemeerd. Rond acht uur vaart Waalhaven 1 de vluchthaven bij Lobith uit; de campagne is begonnen. Van alle kanten stromen de getallen binnen. Computers registreerden een deel, maar het grootste deel moest handmatig worden ingewonnen. Bij het inwerken kwamen de meetwerkers voortdurend een extra paar handen en ogen in hun rug tekort. Gaandeweg kwam de routine en raakte iedereen goed ingespeeld op elkaar en op de apparatuur. Anderhalve week later is het hoogwater alweer voorbij. De piek is zeer snel gekomen, en heeft een maximum bereikt van meer dan 7000 m3/s bij Lobith. Dit was een stuk minder hoog dan in 1993-1994 en 1995, toen er meer dan 11000 m3/s door de Rijn stroomde. Zo’n lagere piek is uit technisch oogpunt plezierig. De stroomsnelheden nabij de bodem zijn dan immers niet te hoog om de meetinstrumenten op de rivierbodem geplaatst te krijgen. Ergens in het achterhoofd blijft echter het verlangen om te ‘bekijken’ wat er onder water gebeurt bij een afvoer waar het hele land voor waakt.

Rollen en springen

Als korrels in beweging komen, rollen en schuiven ze over de bodem. Boven een bepaalde stroomsnelheid beginnen ze echter te springen. Net zoals de luchtstroom over de bolle bovenkant een vliegtuigvleugel omhoog tilt, schieten korrels van de bodem op doordat ze aan de bovenkant bol zijn. Zodra een korrel in het water zweeft, is de bolle onderkant ook aan de stroming blootgesteld en wordt de opwaartse kracht opgeheven. De korrel valt terug naar de bodem en het spel kan opnieuw beginnen. Intussen heeft de sterke stroming de korrel wel een stukje meegevoerd. Het sedimenttransport is bij deze stroomsnelheid veel hoger dan wanneer de korrels alleen maar rollen.

Suspensie

Als de stroomsnelheid nabij de bodem nog verder toeneemt, maken de korrels steeds grotere sprongen, totdat ze in het water blijven zweven. De rivier voert het sediment dan in suspensie naar zee. Dat gebeurt altijd zo met slibdeeltjes, die het water een bruine kleur geven. Sedimenttransport in suspensie is veel effectiever dan bodemtransport (rollen en springen), maar voor grof zand en fijn grind zijn daar zeer hoge snelheden voor nodig. Die komen onder normale omstandigheden niet in onze rivieren voor. Bij de stroomsnelheden van een ‘gewoon’ hoogwater beweegt de bovenste laag van de rivierbedding in zijn geheel. In de Waal stroomt het water dan sneller dan twee meter per seconde. Het fijnste sediment is in suspensie, terwijl het grofste nog rolt of zelfs stilligt. In de grindrivier Grensmaas verzorgt bodemtransport het leeuwendeel van het de jaarlijkse verplaatsing van bodemmateriaal. Voor de zandige Rijntakken zijn zwevend transport en bodemtransport ongeveer even groot. Normaal rolt en springt het sediment voornamelijk, maar bij hoge afvoeren neemt het zwevend transport sterk toe.

Bedrieglijk evenwicht

Als de afvoer stijgt, krijgt de bewegende bodem van de rivier langzamerhand een golvende vorm. Er ontstaan beddingvormen die zich stroomafwaarts verplaatsen. Bij lagere snelheden zijn dat nog ribbels van enkele meters lengte en een paar decimeters hoog, maar als het hoogwater hoog genoeg wordt en lang genoeg duurt, kunnen ze uitgroeien tot duinen van honderd meter lengte en enkele meters hoog. Hier overheen bewegen op hun beurt de kleinere ribbels. De duinen vormen een forse weerstand voor het water en zijn mede bepalend voor de waterstand. Wanneer de duinen tijdens een hoogwater fors groeien, kan het rivierpeil zelfs nog stijgen terwijl de afvoer alweer daalt. De flauwe bovenstroomse zijde van het duin slijt voortdurend af en het erosiemateriaal bezinkt op de steile ‘achterkant’ van het duin. Op deze wijze beweegt het hele zandlichaam zich stroomafwaarts. Anders gezegd, het rollende en springende transport vindt plaats in de vorm van bewegende duinen. Door tijdens hoogwater hun beweging van dag tot dag te volgen met peilapparatuur, kan de hoeveelheid bodemtransport worden bepaald.

Factoren en terugkoppelingen

Voor een goed begrip van sedimenttransport op een bepaald moment of in een heel jaar, ontkomen we er niet aan alle factoren te beschouwen. Dat zijn de schuifkracht nabij de bodem, grootte en samenstelling van het sedimentmengsel in dwarsdoorsnede en over de hele lengte van de rivier, ontwikkeling van beddingvormen en hoogte, duur en verloop van het vorige hoogwater. Bovendien moet rekening worden gehouden met de terugkoppelingen tussen waterbeweging, sedimenttransport en morfologie. Met zoveel factoren en terugkoppelingen lijkt het bijna een wonder dat een rivier zich op de tijdschaal van een mensenleven stabiel voordoet. De rivier is feitelijk ook niet stabiel. Peilingen van de afgelopen vijftig jaar laten zien dat de rivierbodem van de Rijntakken gemiddeld met wel twee centimeter per jaar daalt. Deze twee meter per eeuw kan op den duur een probleem vormen voor de scheepvaart, de civiel-technische werken in en langs de rivier en de natuur. Er is geen eenduidige oorzaak van deze daling aan te wijzen. In een rivier zijn immers alle processen tegelijkertijd werkzaam.

Mens en natuur

De grote rivieren in Nederland en België, die ooit grote delen van het landschap vormden, spelen nog steeds een belangrijke rol in de samenleving. Toch is het accent in de afgelopen eeuwen verschoven van landschapsvorming naar economisch belang. De afgelopen jaren is het belang van een natuurlijk riviersysteem volop in de belangstelling komen te staan. Op dit moment wordt hard gewerkt aan de aanleg van nevengeulen in de uiterwaarden. Langs deze geulen zullen zich planten en dieren vestigen die van nature bij onze laaglandrivieren horen. De natuurontwikkeling mag rivierfuncties als scheepvaart en veilige hoogwaterafvoer niet in de weg staan. Rivierkundigen zullen de voorgestelde ingrepen dan ook zorgvuldig doorrekenen met hun computermodellen. En voor deze modellen is kennis nodig over waterbeweging, sedimenttransport, vorm van de rivier en de wisselwerking daartussen. Herodotus zou misschien jaloers zijn op de kennis en de rekenmodellen van vandaag. Rivierkundigen realiseren zich terdege dat zij nog lang niet alle luimen van trage stromen en woest kolkende watermassa’s kennen.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 januari 1998

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.