Rivierdelta’s zijn over het algemeen kwetsbaar voor overstromingen. Nederland is daarop geen uitzondering. Ons land bestaat voor een groot deel uit het aaneengesloten deltagebied van de rivieren Rijn, Maas en Schelde. Om overstromingen te voorkomen bouwen we dijken en stormvloedkeringen. Deze constructies worden zorgvuldig ontworpen maar om zeker te weten dat er geen fouten zijn gemaakt, is het geen overbodige luxe om ze vooraf te testen.
Om dit te doen wordt vaak gebruik gemaakt van driedimensionale schaalmodellen. “Het model is dan meestal ongeveer 50 keer verkleind ten opzichte van de werkelijkheid”, zegt Wiel Tilmans van kennisinstituut Deltares. Schaalmodellen geven volgens hem echter geen perfect beeld van de werkelijkheid. “Je kan een ontwerp niet ongestraft verkleinen. Door te verschalen treden er namelijk altijd zogenoemde schaaleffecten op. Er is met deze werkwijze daarom altijd een vertaalslag nodig om de werkelijkheid zoveel mogelijk te benaderen.” Dit geeft soms problemen. Zo zijn grondeigenschappen en ecologie bijvoorbeeld lastig te verschalen. Testen op een realistische grootte is daarom beter. “Een schaal van 1:5 of liever nog 1:1 is ideaal.”
Deltagoot
Een volledig, driedimensionaal model bouwen op ware grootte is duur en gebeurt daarom maar zelden. “Maar het is soms wel mogelijk om te testen op een bestaande locatie waar de omstandigheden vergelijkbaar zijn. Natuurlijk kan dit alleen wanneer de veiligheid niet in het geding komt. Deze methode heeft wel nadelen. In de natuur zijn testcondities zoals golfhoogte en stromingssnelheid bijvoorbeeld niet te beheersen. Op locatie is het daarom bijvoorbeeld lastig om na te gaan hoe een dijk zich gedraagt tijdens een storm.”
In een ‘testgoot’ is het wel mogelijk om op ware grootte proeven te doen onder controleerbare condities. “We bouwen daar dan een tweedimensionale doorsnede van de driedimensionale werkelijkheid in na”, zegt Tilmans. “In onze testgoot in de Noordoostpolder, de ‘Deltagoot’, hebben we ook wel eens een doorsnede van een bestaande dijk geplaatst. Een deel van de dijk is toen voor transport in grote kubussen gesneden en in de goot opnieuw opgebouwd.”
Beperkingen
De Deltagoot in de Noordoostpolder is al sinds 1980 in gebruik, en is aan het eind van zijn economische en technische levensduur. De plannen voor een nieuwe goot zijn inmiddels in een ver gevorderd stadium. “We willen in het eerste kwartaal van 2012 de eerste palen slaan”, zegt Tilmans. “In het beste geval is de nieuwe goot dan eind 2013 operationeel. De geschatte kosten van de nieuwe testfaciliteit liggen rond de 25 miljoen euro.”
Deltares hoopt met de nieuwe goot een grote stap vooruit te zetten. “Sinds de bouw van de huidige goot is ons inzicht in processen en metingen geëvolueerd. We lopen tegen beperkingen aan bij de bestaande opstelling. Het is lastig om deze met de huidige stand van de techniek mee te laten groeien. Maar we hebben wel veel geleerd van het oude ontwerp. Nu nemen we de geleerde lessen mee bij het ontwerp van de nieuwe Deltagoot. Hiermee moeten we de problemen en processen, waarvan we denken dat ze de komende 10 à 20 jaar aan bod komen, kunnen onderzoeken. Qua grootte en mogelijkheden is de nieuwe goot uniek in de wereld. Maar er zijn wel meer grote testgoten. Onder andere in Duitsland en Japan.”
Groter
Het nieuwe ontwerp is aanzienlijk groter dan het bestaande ontwerp. De oude goot was 220 m lang, 7 m diep en 5 m breed. De nieuwe wordt 300 m lang, 9,5 m diep en 5 m breed. “Vanwege de grotere diepte kunnen we straks golven opwekken van 2,20 m hoog. Momenteel is de maximaal opwekbare golfhoogte ongeveer 1,70 m”, zegt Tilmans. “De lengte van de faciliteit is noodzakelijk om golfvervorming over geleidelijk oplopende kustprofielen perfect te kunnen simuleren.”
De nieuwe testfaciliteit zal niet zoals de vorige in de Noordoostpolder, maar in Delft komen te staan. De wisseling van locatie levert momenteel nog wel wat nieuwe problemen op. “In de Noordoostpolder konden we grondwater gebruiken om de goot te vullen. In Delft hebben we die mogelijkheid niet. En aangezien het voor zulke enorme hoeveelheden water geen optie is om water via de drinkwaterleiding te betrekken, overwegen we een combinatie van een reservoir met buitenwater uit De Schie. Hoe haalbaar deze oplossing is, hangt af van de waterkwaliteit van het buitenwater. Dit is van belang in relatie met de instrumenten, de troebelheid van het water en de aangroei van organismen op de wanden.”
Parel in de goot
De golven in de Deltagoot worden opgewekt met behulp van een golfschot. Door dit schot te laten bewegen in het water ontstaan er golven. “Het ontwerp van het nieuwe golfschot is inmiddels klaar”, zegt Tilmans. “In de natuur zijn golven een optelling van een hoop onregelmatige golven. Het nieuwe golfschot kan dit nabootsen dankzij een softwarematig stuursignaal.”
Normaal gesproken treedt hierbij een modeleffect op: “Na het uitsturen bereiken de golven de begrenzing van de constructie waardoor ze terugkaatsen en de nieuwe golven beïnvloeden. In de nieuwe situatie kunnen we de hierdoor ontstane afwijking van het stuursignaal meten en compenseren met een ander signaal dat in tegenfase is.” Tilmans spreekt daarom van een ‘slim’ golfschot. “Het is de parel in de goot.”
Om de simulatie van natuurlijke omstandigheden nog realistischer te maken, moet ook de waterstand kunnen fluctueren tijdens een ‘storm’. “Bij de oude goot was het niet mogelijk om de waterstand continu te laten verlopen. Dit losten we daar op door verschillende tests te doen met stapsgewijs variërende waterstanden.”
Hersenen
“Er zit ook veel vernieuwing in de ‘hersenen’ van de nieuwe opstelling”, zegt Tilmans. “In de oude situatie konden we bijvoorbeeld alleen op een aantal discrete plekken aan de golven meten. In de nieuwe situatie kan dat in de hele goot. In de sectie met de te beproeven opstelling maken we gebruik van meetwanden; valse wanden waaruit we delen kunnen verwijderen om er meetapparatuur in te zetten.” Hiervoor moeten er wel nieuwe meetinstrumenten komen. “We hebben wel een hoop instrumenten, maar die zijn voor tests op kleine schaal. Op grotere schaal, zoals in de nieuwe Deltagoot, is het geweld van de golven groter waardoor de instrumenten eerder stuk kunnen gaan.”