Kraijenhoff van de Leur Laboratorium voor Water- en Sedimentdynamica

Model met gesloten leidingen

In dit model kunnen twee soorten energieverliezen in gesloten leidingen worden bestudeerd:

• wrijvingsverliezen (veroorzaakt door wrijving aan de binnenwand van de leiding) en
• plaatselijke verliezen (veroorzaakt door plotselinge veranderingen in de leiding).

Deze goot van 2,5 m lang en 0,08 m breed biedt leerlingen de mogelijkheid om de stromingsverschijnselen van stuwen en sluisdeuren te bestuderen. Er kan ook sediment op de bodem worden aangebracht om de dynamiek van de beddingvorm en het sedimenttransport te demonstreren. Het stromingssysteem is volledig autonoom en het kanaal is draagbaar, wat betekent dat het naar elk geschikt laboratorium of klaslokaal kan worden verplaatst voor gebruik.

Met deze 5 m lange en 0,3 m brede goot kunnen leerlingen een groot aantal onderwerpen bestuderen, waaronder de hydraulica van verschillende soorten stuwen en sluizen. De ruwheid van de bedding en de helling van het kanaal kunnen ook worden aangepast en het apparaat bevat een gesloten sedimentcircuit waarmee een zand-sedimentlading in de stroming kan worden gebracht, zodat de transportsnelheden van de beddinglading en verschijnselen zoals plaatselijke uitschuring rond brugpijlers kunnen worden onderzocht.

Het meten van ontladingen in gesloten leidingen is mogelijk met een orifice- of Venturi-meter. Leerlingen leren hoe deze veelgebruikte systemen werken door de wet van behoud van energie en de vergelijking voor continuïteit van massa toe te passen.

Wageningen University biedt, verspreid over meerdere vakgroepen, een aantal cursussen aan, die gebruikt maken van de faciliteiten van het Kraijenhoff van de Leur Laboratorium voor Water en Sediment Dynamica. Hieronder volgt een overzicht van het cursus aanbod.

Het experimentele onderzoek richt zich voornamelijk op morfologische reacties op kanaalstroming en overlandstroming. De huidige onderzoeksonderwerpen liggen op het gebied van beekherstel, geulerosie en nevengeulen gecreëerd door langsdammen.

Een gootmodel om de invloed van slibconcentratie in zand-slibmengsels op de geometrie van de bedding en sedimenttransport te testen.

Geometrische eigenschappen van de beddingvorm onder water, zoals hoogte, lengte en hellingshoek, zijn cruciaal bij het bepalen van de ruwheid van de hydraulische vorm en het interpreteren van sedimentaire gegevens. Traditioneel worden het bestaan en de geometrie van bedvormen voorspeld met fasediagrammen en empirische vergelijkingen, die meestal gebaseerd zijn op uniforme, cohesieloze sedimenten. Mengsels van zand, slib en klei komen echter veel voor in delta's, estuaria en laaglandrivieren waar beddingvormen alomtegenwoordig zijn. De afmetingen van de beddingvormen kunnen afnemen wanneer klei (<4μm) aanwezig is en wanneer hoge concentraties gesuspendeerd sediment (SSC's) de groei van de beddingvorm onderdrukken. Niet-cohesief slib (~30 - 63μm) wordt voornamelijk in suspensie getransporteerd en zal daarom naar verwachting de bedvormhoogte en -lengte beperken. Zwakcohesief slib (4-~30μm) zal naar verwachting de bedvormontwikkeling beperken, net als klei. Het is duidelijk dat de exacte invloed van slib op de afmetingen van de bedding onbekend is.

In dit gootmodel hebben we de invloed van slib in zand-slibmengsels op de beddingvormgeometrie en sedimenttransportkarakteristieken getest. De 15 m kantelende, recirculerende goot in het Kraijenhoff van de Leur Laboratorium werd gebruikt voor deze analyse. Zand en slib werden systematisch gevarieerd voor verschillende afvoeren en de resulterende dynamische bijna-evenwichtsbedgeometrie werd gemeten met een lijnlaserscanner (zie Figuur 1).

Waterniveaus, 3D-snelheidsprofielen, concentratie gesuspendeerd sediment (SSC) en korrelgrootteverdelingen werden ook geregistreerd. De verzamelde gegevens zullen worden gebruikt om relaties te zoeken tussen de geometrie van de bedding en het slibgehalte in de rivierbedding, de bodemschuifspanning en de SSC. De hypothese is dat met toenemende slibconcentratie, de SSC toeneemt en de hydraulische ruwheid afneemt, wat resulteert in een afname van de beddinghoogte en -lengte. Figuur 2 toont een voorbeeld van de duinvormen die tijdens de experimenten zijn gegenereerd, voorafgaand aan het laserscannen.

Fysiek schaalmodel met een mobiele bedding bestaande uit lichtgewicht sediment om morfodynamisch gedrag rond een oefendam vast te stellen (Rijn - Nederland).

Om de verwachte extremen in hoge en lage rivierafvoeren in goede banen te leiden, is de Nederlandse overheidsinstantie voor infrastructuur Rijkswaterstaat op zoek naar een alternatief rivierontwerp. Momenteel worden de oevers aan beide zijden van de Rijn beschermd door kribben. Naast de oeverbescherming houden de kribben de doorsnede van de rivier relatief smal, om de waterdiepte voor de scheepvaart te garanderen. Bij hoogwater lopen de kribben echter onder water, waardoor de hydraulische ruwheid toeneemt en de waterstand stijgt.

Een mogelijkheid om de vaardiepte bij laagwater te garanderen en het waterniveau bij hoge afvoeren te verlagen, is het vervangen van de kribben door een oefendam in de binnenbocht van de rivier. De oefendam wordt geplaatst op 30 meter van de kop van de verwijderde kribben en parallel aan de rivieroever. Alleen bij de ondiepe binnenbocht is er ruimte voor een nieuwe constructie zonder de breedte van de vaargeul te verminderen. Tussen de oefendam en de oever wordt een nieuwe geul gecreëerd. Het debiet in deze nevengeul wordt geregeld door een vaste stuw, zodat er bij een laag debiet slechts een beperkte afvoer door de nevengeul zal stromen. Tijdens een overstroming kan de grote hoeveelheid water door de nevengeul stromen, omdat er extra ruimte is ontstaan doordat de kribben zijn verwijderd.

Een onzekerheid in het ontwerp van de nieuwe dam en stuw is het gedrag van de rivierbedmorfologie tijdens laag- en hoogwater. Om de onbekende morfologische effecten op lokale schaal (schaal van de dam) adequaat te testen, is een fysiek schaalmodel gebouwd in een goot (Figuur 1). Het schaalmodel vangt zowel de beddingsniveaus rond het inlaatpunt van de nevengeul als het effect van de beddingsniveaus in de vaargeul. Het model heeft een beweegbare bedding die bestaat uit lichtgewicht polystyreen om het transport van de bodembelasting in het kanaal te simuleren. De relatieve dichtheid van het materiaal in water is 1,055. In polystyreen ontwikkelen zich duinen in dezelfde verhoudingen als duinen in het prototype van de rivier. De toegepaste stroomsnelheid in het model is gebaseerd op een schalingsanalyse van de dimensieloze bodemschuifspanning.

Laserscanresultaten van het bedniveau laten zien dat de oefendam tijdens lage afvoeren een positief effect heeft op het bedniveau in de vaargeul. De interpretatie van de modelresultaten en de vertaling naar het prototype richt zich voornamelijk op het ruimtelijke patroon van erosie en sedimentatie en de relatieve beddingsniveaus.

River scale model of a training dam using lightweight granulates [download]