Floc size and setting velocity distribution of cohesive sediment (DCB.6545)
Project nummer:
dcb6545
Omschrijving van het onderzoek
Slib, of cohesief sediment is een mengsel van kleideeltjes, silt, fijn zand, organisch materiaal en veel water. Slib komt voor in de vorm van vlokken die honderden tot duizenden van deze elementaire deeltjes bevatten. De samenstelling van het slib en de grootte van de vlokken varieert voortdurend over de ruimte en in de tijd. De grootte van de slibvlokken wordt gekenmerkt door een grootteverdeling, welke dikwijls een bi-modale vorm heeft. De fijne slibfractie is relevant voor ecologische en waterkwaliteitsproblemen, omdat deze fractie in belangrijke mate bijdraagt aan lichtuitdoving in de waterkolom en omdat verontreinigingen zich effectief aan deze fractie kunnen hechten. Voor een evaluatie van het functioneren van ecosystemen is informatie over de gehele vlokgrootteverdeling noodzakelijk, en in het bijzonder van het organigehalte omdat dit een deel van de voedselketen vormt.
uspensie en bepaalt de aanslibbingshoeveelheden in havenbekkens en scheepvaartgeulen, dus het noodzakelijk baggeronderhoud. De fijne fractie bepaalt echter de kwaliteit van het te baggeren slib, en daarmee in belangrijke mate de kosten van baggeronderhoud.
In Nederland wordt de kwaliteit van slib (gehalte aan pcb's, zware metalen, enz.) onderverdeeld in vier klassen. Klasse 1 vertegenwoordigt schoon slib dat na baggeren in het oppervlaktewater (Noordzee) gestort mag worden. Klasse 4 wordt beschouwd als chemisch verontreinigd materiaal, en dient als zodanig behandeld en bewaard te worden.
Tijdens grootschalige bagger- en zandwinwerkzaamheden kunnen grote hoeveelheden fijn materiaal in het watersysteem terechtkomen als gevolg van overvloei, bij het ontgraven en tijdens het transport van het materiaal. Deze fijne fractie benvloedt het lichtklimaat in het oppervlaktewater en daarmee de primaire productie. Dit is bijvoorbeeld van belang in de Nederlandse kustzone waar primaire productie (algengroei) licht-gelimiteerd is. De algen staan aan de basis van de voedselketen.
Het moge duidelijk zijn dat het in veel gevallen noodzakelijk is om het transport en de lotgevallen van zowel de fijne als de grove slibfractie te kennen en te voorspellen. Het is daarbij van belang te onderkennen of deze fracties als individuele deeltjes, dan wel tezamen in de vorm van vlokken worden getransporteerd. Het doel van het voorliggende onderzoeksvoorstel is de ontwikkeling van algoritmen en (numerieke) modellen om de evolutie van de verdeling van vlokgrootte, valsnelheid en vlokstructuur te beschrijven en voorspellen als functie van de omgevingscondities.
Het onderzoek zal experimentele, theoretische en numerieke elementen bevatten, en zal worden uitgevoerd door een post-doc en een promovendus. De volgende taken zijn geïdentificeerd:
- literatuurstudie,
- aanpassing van de meetsectie van de bestaande slibkolom,
- upgrading van optisch meetsysteem,
- uitvoering van slibkolomexperimenten,
- onderzoek naar de aggregatie- en afbraakprocessen van slibvlokken,
- vaststellen van de verdeling in vlokgrootte, valsnelheid en vlokstructuur,
- ontwikkeling van een Lagrangeaans flokkulatiemodel
- calibratie en validatie van dit Lagrangeaanse flokkulatiemodel,
- ontwikkeling van een Eulers flokkulatiemodel (populatievergelijking)
- calibratie en validatie van dit Eulerse flokkulatiemodel
- parameterisatie van deze flokkulatiemodellen (populatievergelijkingen), en
- evaluatie van de toepasbaarheid van de onderzoeksresultaten voor praktijktoepassing.
Gebruikers en beheerders van open watersystemen worden geconfronteerd met steeds strengere wet- en regelgeving, zowel op nationaal als Europees niveau. Voorbeelden van voor het voorliggende onderzoek relevante wet- en regelgeving zijn:
De Ramsar Conventie en de Europese Vogelrichtlijnen vereisen maatregelen ter compensatie van het verlies of verslechtering van habitat als gevolg van bijvoorbeeld infrastructurele ingrepen. Zulke maatregelen bestaan dikwijls uit het maken van nieuwe habitat, dan wel uit veranderingen in de omgevingscondities om de ontwikkeling van nieuwe habitat te stimuleren. Een belangrijke parameter waarmee de kwaliteit van habitat wordt gemeten is de sedimentsamenstelling in het algemeen, en de zand-slibverhouding in het bijzonder.
Momenteel wordt de kwaliteit van een slibbodem bepaald op basis van chemische analyses. Echter, sinds kort zijn in Nederland ook zogenaamde bio-assays vereist, waarmee het effect van verontreinigingen in slib op levende organismen wordt bepaald. Deze analysemethode zal binnen een jaar in geheel Europa vereist zijn.
Deze nieuwe analysemethode heeft bijvoorbeeld al geleid tot een gedeeltelijke herclassificatie van slib in de haven van IJmuiden, als gevolg waarvan gebaggerd materiaal uit sommige delen van de haven niet meer op zee gestort mag worden. Dit verhoogt de onderhoudskosten aanzienlijk.
De Waddenzee is een belangrijk en waardevol natuurgebied. Daarom vereist iedere ingreep in de Nederlandse kustzone een milieueffectrapportage waarin de effecten van zo'n ingreep op het Waddenzee-ecosysteem wordt bestudeerd. Een belangrijk aspect van dat ecosysteem is haar sedimentsamenstelling en veranderingen daarin ten gevolge van natuurlijke ontwikkelingen en die menselijke ingrepen.
Het voorspellen van de effecten van genoemde ingrepen, c.q. wet- en regelgeving en het ontwikkelen van mitigerende maatregelen vereist gedegen kennis van het gedrag de verschillende vlokgrootteklassen en (numerieke) modellen om dit gedrag te voorspellen. Momenteel wordt hiervoor gebruik gemaakt van één-fractie modellen of worden meerdere slibfractie gemodelleerd, waarbij de vlokgrootteverdeling niet anders dan willekeurig bepaald kan worden en interactie tussen de fracties (dus flokkulatie) in het geheel niet wordt beschouwd. Het voorliggende onderzoeksvoorstel voorziet in opvullen van deze leemtes.
De voortgang van het onderzoek en de bruikbaarheid van de onderzoeksresultaten zal gemonitoord worden door een Gebruikerscommissie (User Panel), welke twee keer per jaar gedurende de vierjarige onderzoeksperiode bijeen zal komen. Leden van deze commissie zijn in hun dagelijks werk betrokken bij aanslibbings-, waterkwaliteits- en ecologische vraagstukken. Aanvankelijk zal de beoordeling van de bruikbaarheid van het onderzoek vooral op kwalitatieve gronden geschieden. In een latere fase van het onderzoek kan dit meer kwantitatief op basis van:
- parameterisatie van flokkulatie-algoritmen ten behoeve van praktijktoepassingen,
- evaluatie van de bruikbaarheid van de onderzoeksresultaten en de parameterisatie(s) voor praktijktoepassingen in de vorm van een door de Gebruikerscommissie geformuleerde casus die op conceptueel niveau zal worden uitgewerkt.
De resultaten van de studie zullen mondeling aan de Gebruikerscommissie worden gerapporteerd en schriftelijk in de vorm van verslagen, publicaties in wetenschappelijke tijdschriften en in een proefschrift.
Gebruikers
Er zijn nog geen gebruikers geïdentificeerd, interesse?
Projectleider
| Prof.dr.ir. G.S. Stelling |
Technische Universiteit Delft
Civiele Techniek en Geowetenschappen
| Postbus 5048
2600 GA Delft
|
Status van het project
| Gestart | : 02-05-2005 |
| Einddatum | : 02-05-2008 |
.