Sedimenttransport

Van Veen bodemstaal
Sediment transport

Op de zeebodem ligt er zand en slib (sediment). Er wordt een onderscheid gemaakt tussen niet-cohesief (dat niet aan elkaar kleeft) en cohesief materiaal (korrels die wel aan elkaar kleven). Het niet-cohesieve materiaal is het fijn tot grof zand, met een korrelgrootte tussen 63 µm (0,063 mm) en 2 mm, en het grind, met een korrelgrootte groter dan 2 mm. Onder de invloed van de waterstromingen en de golven zullen deze sedimenten verplaatst worden. Het zand en grind zal hierbij vooral als ‘bodemtransport’ worden verplaatst en zal over de bodem rollen. Het cohesief materiaal is het fijnere materiaal, het slib en de kleideeltjes, met een korrelgrootte kleiner dan 63 µm. Het fijnere slib zal door de sterke stromingen opwervelen en in de waterkolom terechtkomen, waar het verder verplaatst wordt. Van zodra de wrijving van het water met de zeebodem (de bodemspanning) opnieuw onder een bepaalde waarde zakt, zal het materiaal in suspensie opnieuw neerslaan op de bodem. Bovendien zullen deze kleine deeltjes aan elkaar kunnen plakken en zo veel grotere vlokken vormen. Afhankelijk van onder andere de stromingen, de hoeveelheid biologisch materiaal in het water en de turbulentie kunnen deze vlokken groeien of terug afgebroken worden.

Zand en slib worden door stromingen en golven getransporteerd, en dit sedimenttransport wordt uitvoerig bestudeerd o.a. om het storten van baggermateriaal beter te beheren.

Tripode
Metingen

Een eerste belangrijke pijler in het onderzoek naar het sedimenttransport is het uitvoeren van metingen op zee. Hiervoor hebben we verschillende meetinstrumenten.

De stromingen van het water, de belangrijkste oorzaak van het transport van de sedimenten, kunnen worden opgemeten met een ‘Acoustic Current Doppler Profiler’ (ADCP), die in het oceanografisch onderzoeksschip RV Belgica is ingebouwd of die op de bodem wordt gelegd en een heel stromingsprofiel in de waterkolom kan opmeten.

De hoeveelheid fijn materiaal in suspensie wordt opgemeten met behulp van de ‘tripode’. Dit is een groot ijzeren frame dat op de zeebodem wordt geplaatst en waarop instrumenten worden gemonteerd om verschillende parameters over een langere periode te meten. Met de CTD-sensor worden het zoutgehalte en de temperatuur van het water gemeten. Op verschillende hoogten boven de zeebodem wordt de turbiditeit of troebelheid gemeten, met ‘Optical Back Scatters’. Om juist te weten hoeveel materiaal er zich in het water bevindt, worden vanop RV Belgica bovendien ook waterstalen genomen met Niskin-flessen. Deze waterstalen worden gefiltreerd, om de juiste concentratie van het sediment in het water te bepalen en om de relatie tussen het materiaal in het water en de opgemeten turbiditeit op te stellen. De waterstalen worden aan land verder onderzocht om de korrelgrootteverdeling en de hoeveelheid organisch materiaal te bepalen.

Verder zijn op de tripode een elektromagnetische stroommeter geïnstalleerd, die de stromingen in één punt kan meten, en een kleine ADCP, die het stromingsprofiel dicht tegen de bodem kan opmeten. Tot slot is op de tripode ook de ‘Laser In-Situ Scattering and Transmissionmeter’ (LISST) sensor gemonteerd, die sedimentpartikels en de evolutie van de grootte van de slibvlokken in het water kan schatten. Hieruit kan ook de valsnelheid van de vlokken worden berekend.

Naast het meten van de stromingen en van de hoeveelheid sedimenten in het water, is het ook van belang te weten welke soorten sedimenten zich op de bodem bevinden. Bodemstalen worden bijvoorbeeld genomen met een ‘Van Veen grijper’, die een hap uit de zeebodem kan nemen. Deze bodemstalen worden dan in het laboratorium aan land geanalyseerd.

In samenwerking met het REMSEM-team, worden ook satellietbeelden gebruikt voor de schatting van het materiaal in suspensie aan het wateroppervlak.

Baggerschip
Numerieke modellen

Naast de metingen ontwikkelt de OD Natuur verschillende computermodellen die het gedrag van de zee proberen te beschrijven. Deze modellen worden dan gebruikt om voorspellingen te maken en om het effect van bepaalde parameters of beheeracties te kunnen evalueren. Op het ogenblik zijn er twee transportmodellen beschikbaar: een slibtransportmodel en een zandtransportmodel.

Het slibtansportmodel (mu-STM) is een model dat de bewegingen van het fijne cohesieve materiaal bepaalt. Het model is een advectie-diffusie model: het bepaalt de verplaatsing (advectie) en de verspreiding (diffusie) van het slib. Het model is een ‘Lagrangiaans’ model, wat wil zeggen dat een bepaalde hoeveelheid materiaal doorheen het modelrooster wordt gevolgd. Dit is het tegengestelde van een Euleriaans model, waarbij in elk roosterpunt de hoeveelheid materiaal bepaald wordt. Hierbij wordt ook rekening gehouden met erosie of depositie van materiaal.

Het mu-STM model wordt in eerste instantie gebruikt om het gedrag van baggerspecie dat in zee gestort wordt te modelleren. Het model wordt hiervoor continu gevalideerd: de resultaten van het model worden gecontroleerd en vergeleken met de metingen aan de hand van experimenten op zee. Zo kunnen plaatsen worden gelokaliseerd, waar het baggerslib meer ter plaatse blijft liggen, of waar het slib niet terugkeert naar de plaatsen waar het werd gebaggerd.

Verder wordt het model gebruikt om een “slibbalans” op te stellen voor het gehele Belgisch deel van de Noordzee: er wordt onderzocht hoeveel slib er de Belgische kustwateren binnenkomt en hoeveel er terug verdwijnt. De concentratie langs de randen van het model worden bepaald aan de hand van satellietbeelden. Het model wijst uit dat er een grote doorstroming is van slib komende vanuit het Kanaal langsheen de Belgische kustwateren naar het Noorden toe. Het turbiditeitsmaximum (maximale hoeveelheid materie in het water) is een effect van een soort opstopping van het materiaal en van het ondieper worden van het water ter hoogte van de Scheldemonding.

Het mu-STM model wordt ook gebruikt om de aangroei van een nieuwe ‘zandbank’ ter hoogte van Heist, ten oosten van de havendam van de haven van Zeebrugge, met succes te modelleren.

Het zandtransportmodel (mu-SEDIM) is een zandtransportmodel, dat de bewegingen van het zand modelleert. Het model berekent in elk roosterpunt lokaal het sedimenttransport en de richting, uitgaande van de lokale stromingen en golven. De erosie en sedimentatie worden nu bepaald door de ‘divergentie’ van de transporten in een roostercel, dat wil zeggen dat in elke roostercel wordt bepaald hoeveel zand er binnenkomt en hoeveel er buitengaat. Als er meer materiaal binnenkomt dan buitengaat, zal er depositie optreden, in het andere geval treedt er erosie op. De veranderingen van de bodem kunnen op die manier worden berekend.

Dit zandtransportmodel wordt vooral toegepast bij de modellering van het transport op de zandbanken, bijvoorbeeld bij de installatie van windmolenparken op zee. Het model wordt ook gebruikt bij de modellering van de effecten van grootschalige extractie van zand uit zee op de zandbanken. Het model lijkt uit te wijzen dat de extractie van zand van de zandbanken de stabiliteit van de zandbanken niet in gevaar brengt, en stelt een mechanisme voor ‘regeneratie’ van de zandbanken voor.

Verder onderzoek
  • Ontwikkeling van een model dat het transport van zowel zand als slib kan modelleren en dat de interacties tussen deze twee in rekening brengt.
  • Ontwikkeling van een aangepast model voor de modellering van de grootte van de slibvlokken in het water en van de bijhorende valsnelheid.
  • Gebruik van satellietbeelden om de informatie over het slib in het water te verbeteren.
  • Ontwikkeling van operationele beheersinstrumenten, gebaseerd op de sedimenttransportmodellen, en voor gebruik voor de operationele voorspelling van het zand- en slibtransport. Voorbeelden: de bepaling van de meest optimale stortlocaties of zandwinningszones, rekening houdende met de heersende meteorologische omstandigheden en andere parameters.
Go to top