Geluidsgolven in de Waal

Maar welk zand, en waar moet het worden gestort? En helpt het ook echt? Delftse onderzoekers zoeken naar antwoorden.

Op zee zijn de schepen die met een boog hun zand voor de kust spuiten al een vertrouwd gezicht. Maar nu wil Rijkswaterstaat ook zand in de rivieren storten. “Dat is om de rivieren ook op de langere termijn bevaarbaar te houden”, zegt dr.ir. Arjan Sieben van Rijkswaterstaat.

Op de Waal, aan boord van de knalgele Ir. J.W. Conrad van Rijkswaterstaat, legt Sieben uit hoe het extra zand de vaarweg bevaarbaar houdt. “De Waal is de snelweg van het Ruhrgebied tot de haven van Rotterdam”, zegt hij. Maar de bodem van die vaarweg zakt. Niet overal even veel. Vooral op de plekken waar fijner zand ligt dat makkelijk door het water wordt meegevoerd. Andere, hardere stukken, dalen niet mee en gaan uitsteken. Bij het Duitse Emmerich ligt inmiddels een natuurlijke drempel van grof grint. “Maar we hebben ook zelf drempels gemaakt door harde stukken aan te leggen in de bochten van de rivier, om ze bevaarbaar te houden, bijvoorbeeld bij Nijmegen.” Omdat de waterspiegel met de bodem mee daalt, heeft de scheepvaart last van die drempels.

Rijkswaterstaat is verantwoordelijk voor de vaarweg en wil graag weten hoe diep de bodem is. Maar ook de grootte van de korrels die er liggen. Dit alles bepaalt hoe snel het water de grond meevoert. De methode om de grondsoort te bepalen is in de laatste eeuw maar weinig veranderd. Met een speciale happer worden bodemmonsters genomen. Een tijdrovende methode die ook nog een vertekenend beeld kan geven. Sieben: “Je weet alleen wat op bepaalde punten ligt. En vaak spoelt er zand uit de happer en is het monster niet representatief.”

Hoog tijd voor een nieuwe manier om de bodem in kaart te brengen. Sieben kwam daarvoor terecht bij de onderzoeksgroep van prof.dr. Dick Simons van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek (L&R). “Ik was wel verbaasd dat ze bij L&R ook in het water kijken”, zegt Sieben. Dr.ir. Mirjam Snellen, die op hetzelfde schip achter een laptop zit, vertelt dat eenderde van deze faculteit al jaren de aarde observeert. Ook het water.

“Geluidsgolven zijn dé manier om te zien hoe het er onder water uitziet”, zegt Snellen. Aan de voorkant van de boot hangt, onzichtbaar onder het bruine water, een multi-beam echo sounder. Het is een schijf met een diameter van minder dan een halve meter die met honderdvijftig bundels geluidsgolven in evenveel richtingen ‘kijkt’. “Uit de teruggekaatste signalen kunnen we de diepte en de samenstelling van de bodem afleiden.”

Snellens collega’s gebruikten het geavanceerde sonarapparaat al eerder om, samen met TNO, de samenstelling van de bodem van de Klaverbank in de Noordzee in kaart te brengen. “Dat is een goed testgebied, omdat er veel bodemsoorten zijn. Van modder, via zanderig modder en zand tot grint.” Zachte, vlakke stukken modder kaatsen de geluidsgolven minder terug dan gebieden met grote grintkorrels. “Met onze analyses waren we goed in staat aan de hand van de intensiteit van de teruggekaatste signalen te bepalen hoe groot gemiddeld de korrels op de bodem zijn. Dat bleek op de Klaverbank goed overeen te komen met genomen monsters.”

Het Rijkswaterstaatschip met aan boord de multi-beam echo sounder vaart vanaf deze week drie weken vlakbij Tiel om te metingen te verrichten. Men wil weten of de metingen op de Waal net zulke goede informatie geven als op de Klaverbank. “De Klaverbank is dertig tot veertig meter diep. Voor onze methode is het lastig dat de Waal veel minder diep is en er grotere hellingen in de bodem zitten. We moeten de analysemethodes waarmee we uit de akoestische signalen de bodemsoorten bepalen daar nog op zien aan te passen.”

De onderzoekers controleren de uitkomsten van de analyse door ze te vergelijken met twee al beproefde methodes. Volgende week nemen speciale happers ook monsters van de bodem. Zo kan worden vergeleken of de metingen overeenkomen met wat er op de bodem is gevonden. Omdat uit de happers nog wel eens wat zand wil wegstromen, is er nog een extra controle.

Op het schip staat een kraan, met daaraan een camera die in het water kan worden gelaten. Op een monitor is te zien hoe korrels op de bodem bewegen door de stroming en voorbijvarende schepen. Om in te schatten hoe groot die korrels zijn, is een metalen plaatje met een schaalverdeling onder de camera gemonteerd. Als deze akoestische methode werkt, is hij een stuk sneller en goedkoper dan de huidige manieren om de diepte en bodemsamenstelling te bepalen. “Bovendien kijk je met één ping, een uitzending van een signaal, in honderdvijftig richtingen tegelijk”, zegt Snellen. “We zijn in staat om op afstand, met remote sensing dus, een zeer gedetailleerd beeld van de bodemsamenstelling te krijgen.”

De meetmeester van de Ir. F.W. Conrad, Henk Leenders, laat in de stuurhut zien hoe de baan waar het schip overheen vaart eruit ziet. Op een van de vijf computerschermen is een blauwe streep te zien met groene streepjes. Dat zijn zandribbels die door de stroming zijn ontstaan. De onderzoekers leiden, terug in Delft, de grondsoort af uit de meetgegevens. “Het lijkt goed te gaan met de dataverzameling”, zegt Snellen als ze de eerste metingen bekijkt. “Alleen de positie van het schip komt niet in mijn tabellen. En ik moet natuurlijk wel weten bij welke plek de gegevens horen.”

Als de nieuwe methode werkt, kan hij volgens Sieben goed gebruikt worden om te bekijken waar bodemonderhoud nodig is. “Maar dat hoeven we maar eens in de tien jaar te doen. Echt interessant wordt het als we suppleties gaan doen in de rivier. Dan moeten we veel vaker kijken waar het zand dat we erin gooien heen gaat.”

Waar de korrels blijven, is niet zo makkelijk te zeggen. Ter illustratie: nog geen week voor de eerste metingen, viel een container van een vrachtschip in de Waal. Die werd pas dagen later honderden meters verder teruggevonden. “Als we zand in de rivier gaan storten, willen we wel weten waar dat het beste effect heeft. En welke grootte de korrels moeten hebben”, vertelt Sieben. “Als we het verkeerd doen, lopen we het risico dat we de bevaarbaarheid juist verslechteren.”

Rijkswaterstaat gaat in 2009 de eerste proef doen met zandsuppleties in de Rijn bij Lobith. Sieben: “En daarvóór oefenen we ‘droog’ met numerieke computermodellen.” Met die modellen werkt dr.ir. Erik Mosselman bij de afdeling waterbouwkunde van Civiele techniek en bij het Waterloopkundig laboratorium in Delft. “We kunnen kwalitatief al behoorlijk zeggen waar het zand heen gaat”, zegt Mosselman. “Maar we hebben nog geen getallen.”

Mosselman werkt aan de ontwikkeling van modellen die preciezere voorspellingen doen. “De modellen kunnen een voorspelling voor tien of twintig jaar geven.” Daarvoor staat een computer wel een week te rekenen. Mosselman en zijn collega’s maakten het model met meetgegevens over de afgelopen tien jaar. “We gaan kijken of het model de daarop volgende tien jaar goed voorspelt, door deze uitkomsten weer te vergelijken met oude metingen.”

Mosselman kan metingen, zoals die van Snellen, gebruiken om de modellen steeds verder te verbeteren. Maar over een langere termijn voorspellen waar het zand terechtkomt, blijft lastig. “Net als voor het weer zijn voorspellingen voor de kortere termijn beter dan voor een langere tijd”, zegt Mosselman. Bovendien is er nog weinig bekend over hoe mengsels van fijner en minder fijn zand of grint zich door de rivier verplaatsen.

Is het met al deze onzekerheden niet een stuk eenvoudiger de drempels gewoon te verwijderen? Sieben als Mosselman denken van niet. “Het zakken van de rivierbodem kan ook de waterkeringen instabiel maken. En de natuur in de uiterwaarden kan last hebben van het dalende waterpeil omdat het er dan droger wordt”, zegt Mosselman. Sieben: “Als we de rivier duurzaam willen gebruiken, moeten we de trend van de zakkende bodem verminderen en liefst helemaal stoppen.”
Toekomstmuziek

Bijna alle schepen zenden geluidsgolven naar de bodem met de sonar die ze aan boord hebben. Het is er meestal een apparaat met één bundel, en niet een geavanceerde met honderdvijftig, zoals dr.ir. Mirjam Snellen gebruikt voor haar metingen. Maar ze zouden in de toekomst toch een goed beeld kunnen geven van de rivierbodems. “Omdat er zoveel schepen zijn die met een sonar varen, kun je toch veel data krijgen”, zegt Snellen. “Je moet dan wel al die gegevens verzamelen. Ooit zal dat gebeuren. Het zou een goede manier zijn om de bodem in de gaten te houden.”

Aan een kraan hangt, vastgemaakt aan een zware metalen stellage, een camera die in het water kan worden gelaten. Op een monitor op het dek is de bodem van de rivier te zien. (Foto: Maaike Muller)

Op zee zijn de schepen die met een boog hun zand voor de kust spuiten al een vertrouwd gezicht. Maar nu wil Rijkswaterstaat ook zand in de rivieren storten. “Dat is om de rivieren ook op de langere termijn bevaarbaar te houden”, zegt dr.ir. Arjan Sieben van Rijkswaterstaat.

Op de Waal, aan boord van de knalgele Ir. J.W. Conrad van Rijkswaterstaat, legt Sieben uit hoe het extra zand de vaarweg bevaarbaar houdt. “De Waal is de snelweg van het Ruhrgebied tot de haven van Rotterdam”, zegt hij. Maar de bodem van die vaarweg zakt. Niet overal even veel. Vooral op de plekken waar fijner zand ligt dat makkelijk door het water wordt meegevoerd. Andere, hardere stukken, dalen niet mee en gaan uitsteken. Bij het Duitse Emmerich ligt inmiddels een natuurlijke drempel van grof grint. “Maar we hebben ook zelf drempels gemaakt door harde stukken aan te leggen in de bochten van de rivier, om ze bevaarbaar te houden, bijvoorbeeld bij Nijmegen.” Omdat de waterspiegel met de bodem mee daalt, heeft de scheepvaart last van die drempels.

Rijkswaterstaat is verantwoordelijk voor de vaarweg en wil graag weten hoe diep de bodem is. Maar ook de grootte van de korrels die er liggen. Dit alles bepaalt hoe snel het water de grond meevoert. De methode om de grondsoort te bepalen is in de laatste eeuw maar weinig veranderd. Met een speciale happer worden bodemmonsters genomen. Een tijdrovende methode die ook nog een vertekenend beeld kan geven. Sieben: “Je weet alleen wat op bepaalde punten ligt. En vaak spoelt er zand uit de happer en is het monster niet representatief.”

Hoog tijd voor een nieuwe manier om de bodem in kaart te brengen. Sieben kwam daarvoor terecht bij de onderzoeksgroep van prof.dr. Dick Simons van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek (L&R). “Ik was wel verbaasd dat ze bij L&R ook in het water kijken”, zegt Sieben. Dr.ir. Mirjam Snellen, die op hetzelfde schip achter een laptop zit, vertelt dat eenderde van deze faculteit al jaren de aarde observeert. Ook het water.

“Geluidsgolven zijn dé manier om te zien hoe het er onder water uitziet”, zegt Snellen. Aan de voorkant van de boot hangt, onzichtbaar onder het bruine water, een multi-beam echo sounder. Het is een schijf met een diameter van minder dan een halve meter die met honderdvijftig bundels geluidsgolven in evenveel richtingen ‘kijkt’. “Uit de teruggekaatste signalen kunnen we de diepte en de samenstelling van de bodem afleiden.”

Snellens collega’s gebruikten het geavanceerde sonarapparaat al eerder om, samen met TNO, de samenstelling van de bodem van de Klaverbank in de Noordzee in kaart te brengen. “Dat is een goed testgebied, omdat er veel bodemsoorten zijn. Van modder, via zanderig modder en zand tot grint.” Zachte, vlakke stukken modder kaatsen de geluidsgolven minder terug dan gebieden met grote grintkorrels. “Met onze analyses waren we goed in staat aan de hand van de intensiteit van de teruggekaatste signalen te bepalen hoe groot gemiddeld de korrels op de bodem zijn. Dat bleek op de Klaverbank goed overeen te komen met genomen monsters.”

Het Rijkswaterstaatschip met aan boord de multi-beam echo sounder vaart vanaf deze week drie weken vlakbij Tiel om te metingen te verrichten. Men wil weten of de metingen op de Waal net zulke goede informatie geven als op de Klaverbank. “De Klaverbank is dertig tot veertig meter diep. Voor onze methode is het lastig dat de Waal veel minder diep is en er grotere hellingen in de bodem zitten. We moeten de analysemethodes waarmee we uit de akoestische signalen de bodemsoorten bepalen daar nog op zien aan te passen.”

De onderzoekers controleren de uitkomsten van de analyse door ze te vergelijken met twee al beproefde methodes. Volgende week nemen speciale happers ook monsters van de bodem. Zo kan worden vergeleken of de metingen overeenkomen met wat er op de bodem is gevonden. Omdat uit de happers nog wel eens wat zand wil wegstromen, is er nog een extra controle.

Op het schip staat een kraan, met daaraan een camera die in het water kan worden gelaten. Op een monitor is te zien hoe korrels op de bodem bewegen door de stroming en voorbijvarende schepen. Om in te schatten hoe groot die korrels zijn, is een metalen plaatje met een schaalverdeling onder de camera gemonteerd. Als deze akoestische methode werkt, is hij een stuk sneller en goedkoper dan de huidige manieren om de diepte en bodemsamenstelling te bepalen. “Bovendien kijk je met één ping, een uitzending van een signaal, in honderdvijftig richtingen tegelijk”, zegt Snellen. “We zijn in staat om op afstand, met remote sensing dus, een zeer gedetailleerd beeld van de bodemsamenstelling te krijgen.”

De meetmeester van de Ir. F.W. Conrad, Henk Leenders, laat in de stuurhut zien hoe de baan waar het schip overheen vaart eruit ziet. Op een van de vijf computerschermen is een blauwe streep te zien met groene streepjes. Dat zijn zandribbels die door de stroming zijn ontstaan. De onderzoekers leiden, terug in Delft, de grondsoort af uit de meetgegevens. “Het lijkt goed te gaan met de dataverzameling”, zegt Snellen als ze de eerste metingen bekijkt. “Alleen de positie van het schip komt niet in mijn tabellen. En ik moet natuurlijk wel weten bij welke plek de gegevens horen.”

Als de nieuwe methode werkt, kan hij volgens Sieben goed gebruikt worden om te bekijken waar bodemonderhoud nodig is. “Maar dat hoeven we maar eens in de tien jaar te doen. Echt interessant wordt het als we suppleties gaan doen in de rivier. Dan moeten we veel vaker kijken waar het zand dat we erin gooien heen gaat.”

Waar de korrels blijven, is niet zo makkelijk te zeggen. Ter illustratie: nog geen week voor de eerste metingen, viel een container van een vrachtschip in de Waal. Die werd pas dagen later honderden meters verder teruggevonden. “Als we zand in de rivier gaan storten, willen we wel weten waar dat het beste effect heeft. En welke grootte de korrels moeten hebben”, vertelt Sieben. “Als we het verkeerd doen, lopen we het risico dat we de bevaarbaarheid juist verslechteren.”

Rijkswaterstaat gaat in 2009 de eerste proef doen met zandsuppleties in de Rijn bij Lobith. Sieben: “En daarvóór oefenen we ‘droog’ met numerieke computermodellen.” Met die modellen werkt dr.ir. Erik Mosselman bij de afdeling waterbouwkunde van Civiele techniek en bij het Waterloopkundig laboratorium in Delft. “We kunnen kwalitatief al behoorlijk zeggen waar het zand heen gaat”, zegt Mosselman. “Maar we hebben nog geen getallen.”

Mosselman werkt aan de ontwikkeling van modellen die preciezere voorspellingen doen. “De modellen kunnen een voorspelling voor tien of twintig jaar geven.” Daarvoor staat een computer wel een week te rekenen. Mosselman en zijn collega’s maakten het model met meetgegevens over de afgelopen tien jaar. “We gaan kijken of het model de daarop volgende tien jaar goed voorspelt, door deze uitkomsten weer te vergelijken met oude metingen.”

Mosselman kan metingen, zoals die van Snellen, gebruiken om de modellen steeds verder te verbeteren. Maar over een langere termijn voorspellen waar het zand terechtkomt, blijft lastig. “Net als voor het weer zijn voorspellingen voor de kortere termijn beter dan voor een langere tijd”, zegt Mosselman. Bovendien is er nog weinig bekend over hoe mengsels van fijner en minder fijn zand of grint zich door de rivier verplaatsen.

Is het met al deze onzekerheden niet een stuk eenvoudiger de drempels gewoon te verwijderen? Sieben als Mosselman denken van niet. “Het zakken van de rivierbodem kan ook de waterkeringen instabiel maken. En de natuur in de uiterwaarden kan last hebben van het dalende waterpeil omdat het er dan droger wordt”, zegt Mosselman. Sieben: “Als we de rivier duurzaam willen gebruiken, moeten we de trend van de zakkende bodem verminderen en liefst helemaal stoppen.”
Toekomstmuziek

Bijna alle schepen zenden geluidsgolven naar de bodem met de sonar die ze aan boord hebben. Het is er meestal een apparaat met één bundel, en niet een geavanceerde met honderdvijftig, zoals dr.ir. Mirjam Snellen gebruikt voor haar metingen. Maar ze zouden in de toekomst toch een goed beeld kunnen geven van de rivierbodems. “Omdat er zoveel schepen zijn die met een sonar varen, kun je toch veel data krijgen”, zegt Snellen. “Je moet dan wel al die gegevens verzamelen. Ooit zal dat gebeuren. Het zou een goede manier zijn om de bodem in de gaten te houden.”

Aan een kraan hangt, vastgemaakt aan een zware metalen stellage, een camera die in het water kan worden gelaten. Op een monitor op het dek is de bodem van de rivier te zien. (Foto: Maaike Muller)