BEHEERSEENHEID VAN HET MATHEMATISCH MODEL VAN DE NOORDZEE

GROEP MODELLEN

Bepaling van de Sedimentbalans voor de Belgi-sche Kustwateren (SEBAB)

Eindrapport

Michael Fettweis & Dries Van den Eynde

SEBAB/1/MF/200103/NL/ER/1

Voorbereid voor Afdeling Waterwegen Kust, Administratie Waterwegen en Zeewezen, Ministerie van de Vlaamse

Gemeenschap, contract SEBAB

BMM Gulledelle 100

B–1200 Brussel België

Inhoudstafel

1. Inleiding 3

1.1. Doel van het SEBAB project 3 1.2. Publicaties binnen het SEBAB-project 4

2. Particulair Suspensiemateriaal (SPM) op het Belgisch Continentaal Plat: Literatuurstudie 5

2.1. SPM brongebieden 5 2.2. SPM transport en concentratie 5 2.2.1. Residuele stroming door de Straat van Dover 5 2.2.2. SPM concentratie 6 2.2.3. SPM transport 6 2.3. Bagger en stortactiviteiten 7

3. Beschrijving van het Sedimenttransportmodel 9

3.1. Het 2D hydrodynamisch MU-BCZ model 9 3.2. Het MU-WAVE model 10 3.3. Het 2D MU-STM model 10

4. Transport van particulair suspensiemateriaal 11

4.1. Het sedimenttransportmodel 11 4.1.1. Oppervlaktesedimenten: actieve lagen en bodem 11 4.1.2. Parameterwaarden 12 4.1.3. Randvoorwaarde 12 4.2. Erosie- en sedimentatiegebieden 12 4.3. Turbiditeitsmaximum en residueel SPM transport 15 4.4. Dispersie van het fijn materiaal bij opeenvolgende dumpingen 18

5. Sedimentbalans van het Belgisch Continentaal Plat 20

5.1. Slibhoeveelheden in het model 20 5.2. Slibbalans 22 5.3. Efficiëntie van de stortplaatsen 24

6. Conclusies en aanbevelingen 26

6.1. Belangrijke conclusies 26 6.2. Aanbevelingen 27

1

7. Referenties 28

8. Lijst met afkortingen en definities 32

2

1. Inleiding De Belgisch/Nederlandse kustzone tussen Oostende en de Westerschelde (Zui-delijke Noordzee) is gekarakteriseerd door slibvelden en een hoge slibconcen-tratie in het water. De wateren zijn gekenmerkt door een geringe diepte, een goede menging en een hoge hydrodynamische energie. Het voorkomen van slibvelden geassocieerd met een turbiditeitsmaximum in een gebied met hoge hydrodynamische energie is in het verleden reeds het onderwerp geweest van enkele studies. De verklaringen die in deze studies worden gegeven zijn allen gebaseerd op een hydrodynamische valluik theorie, zoals een neer of diverge-rende of convergerende residuele stroming- of transportpatronen (Bastin, 1973; Nihoul, 1975; Gullentops et al., 1976). De tracerproeven en de STA-berekeningen (Sediment Trend Analyse) die in opdracht van Afdeling Water-wegen Kust (WWK) door HAECON NV (1994a, 1994b) werden uitgevoerd, suggereren dat de slibfractie van het gebaggerde materiaal, dat in een zone dicht bij de kust wordt gedumpt, zeer snel en volledig recirculeert en dus door de stromingen en golven als het ware ter plaatse ‘gevangen’ blijft. Malherbe (1991) besluit hieruit dat de sedimentbalans in een turbiditeitsmaximum best vergeleken kan worden met een nagenoeg gesloten systeem dat heel weinig uitwisseling kent met naburige systemen.

Uit de resultaten van berekeningen met sedimenttransportmodellen, die door de BMM in opdracht van WWK werden uitgevoerd (Van den Eynde, 1994; 1995; 1997a; 1997b) blijkt echter dat dit beeld niet volledig juist is vermits het baggermateriaal tijdens stormen in de richting van de residuele stroming wordt verplaatst. Omdat zuidwestenstormen overheersen, betekent dit dus een netto transport van het gedumpte materiaal naar Nederland.

Het is opmerkelijk dat theorieën van bijna gesloten sedimentsystemen ter hoogte van de Belgisch/Nederlandse kust nog steeds gebruikt worden om het voorkomen van turbiditeitsmaxima te verklaren. De huidige computer infra-structuur laat immers toe om de roosterafstand van een numeriek model zo-danig te verkleinen dat de lokale hydrodynamica met voldoende detail kan gesimuleerd worden. Resultaten van een 2D model met fijn rooster worden hieronder voorgesteld. Deze laten geen neer zien in de residuele circulatie die een ophoping van de fijnkorrelige sedimenten zou kunnen verklaren. Er kon ook geen gesloten sedimentsysteem geïdentificeerd worden.

1.1. Doel van het SEBAB project

Er wordt algemeen aanvaard dat een belangrijk transport van particulair ma-teriaal in suspensie (SPM) gebeurt via de Straat van Dover, langs het Belgisch Continentaal Plat (BCP) richting Nederland. De doelstellingen van het SEBAB project zijn om het sedimenttransport op het BCP te bespreken, om de moge-lijke brongebieden van het slib in suspensie en op de bodem te onderscheiden en om een slibbalans op te stellen. Gebruik makend van deze data kan de ver-houding tussen de hoeveelheid materiaal die jaarlijks gebaggerd en gestort wordt en de hoeveelheid materiaal die jaarlijks op natuurlijke wijze het BCP

3

binnenkomt en langs de Belgische kustzone stroomt bepaald worden. Een nauwkeurige kennis van deze verhouding samen met de hydrodyna-

mica en de sedimentologie van het gebied, laat toe om de efficiëntie van de huidige stortplaatsen te schatten. Wanneer deze verhouding groot is, kan dit betekenen dat het baggeren van de vaargeulen en havens een belangrijk pro-ces is in de Belgische kustwateren en dat door de keuze van goede stortplaat-sen het rendement van de baggerwerkzaamheden verhoogd kan worden. Is deze verhouding evenwel klein dan is het dumpen van de baggerspecie een onbelangrijk proces ten opzicht van de natuurlijke opvulling van de bagger-plaatsen met materiaal dat via de Franse grens het BCP binnenkomt. Dit zou dan betekenen dat de keuze van de ligging van de stortplaatsen van onderge-schikt belang is (wat betreft het rendement van de baggerwerken).

1.2. Publicaties binnen het SEBAB-project

Er werden volgende rapporten opgesteld: BMM. 2001. RV BELGICA Campagnes SEBAB-I 1999, Monitoring Sediment

Transport, BMM-MDO/2001-06/RV BELGICA 1999/MONIT/SEBAB. BMM. 2001. RV BELGICA Campagnes SEBAB-I 2000, Monitoring Sediment

Transport, BMM-MDO/2001-07/RV BELGICA 2000/MONIT/SEBAB. BMM. 2001. RV BELGICA Campagnes 2001/01 en 2001/06 SEBAB-I, Moni-

toring Sediment Transport, BMM-MDO/2001-08/RV BELGICA 2001/ MONIT/SEBAB.

Fettweis, M. & D. Van den Eynde. 1999. Bepaling van de Sedimentbalans voor de Belgische Kustwateren. Activiteitsrapport 1: Literatuurstudie. BMM-rapport SEBAB/1/XX/199912/NL/AR/1, 35 pp.

Fettweis, M. & D. Van den Eynde. 2000. Bepaling van de Sedimentbalans voor de Belgische Kustwateren. Activiteitsrapport 2: Berekeningen met sedi-menttransportmodellen. BMM-rapport SEBAB/1/MF/200006/NL/AR/2, 45 pp.

Fettweis, M. & D. Van den Eynde. 2000. Bepaling van de Sedimentbalans voor de Belgische Kustwateren. Activiteitsrapport 3: Berekeningen met sedi-menttransportmodellen. BMM-rapport SEBAB/1/MF/200011/NL/AR/3, 35 pp.

Fettweis, M. & D. Van den Eynde. 2001. Bepaling van de Sedimentbalans voor de Belgische Kustwateren. Eindrapport. BMM-rapport SEBAB/1/MF/ 200103/NL/ER/1, 33 pp.

Fettweis, M. & D. Van den Eynde. 2001. Sediment Balance of the Belgian Coastal Waters. Final report. MUMM-report SEBAB/1/MF/200103/EN/ FR/1, 33 pp.

Fettweis, M., S. Wartel & F. Francken. 2001. Bepaling van de Sedimentbalans voor de Belgische Kustwateren. Technisch rapport 1: Sedimentologische analysen van bodemstalen. BMM-rapport SEBAB/1/MF/200105/NL/TR/1.

Van den Eynde, D. 2001. Bepaling van de Sedimentbalans voor de Belgische Kustwateren. Technisch rapport 2: Het Bed-load transport model. BMM-rapport SEBAB/1/DVDE/200105/NL/TR/2.

4

2. Particulair Suspensiemateriaal (SPM) op het Belgisch Conti-nentaal Plat: Literatuurstudie

2.1. SPM brongebieden

McManus & Prandle (1997) hebben aangetoond dat enkel de Straat van Do-ver, de noordelijke rand (56° N), The Wash en de Suffolk-kust statistisch sig-nificante SPM bronnen zijn in de Zuidelijke Noordzee. Op het BCP vallen de hoge gehaltes aan het mineraal smectiet op (Irion & Zöllmer, 1999). Dit wordt toegeschreven aan de erosie van de Krijt-formaties in de Straat van Do-ver.

Gossé (1977) en later Eisma (1981), Van Alphen (1990) en Salden & Mul-der (1996) maken melding van erosie van de Vlaamse Banken als een bron voor het SPM in de Belgische en Nederlandse kustzone. Baeteman (1999) vermeldt het voorkomen van dagzomende tertiaire en Holocene klei, slib- en turflagen in de dieper gelegen gebieden (zoals de vaargeulen). Deze zijn waar-schijnlijk ook een bron van het suspensiemateriaal.

Het bodemtransport tussen het Kanaal en de zuidelijke Noordzee is klein en sterk variërend (Velegrakis et al., 1997). Het bestaat uit herwerkte ‘lag’ af-zettingen en uit recente afzettingen. Het recent materiaal heeft een biologische en fysische (erosie van kliffen en van secundaire en tertiaire zand- en kleila-gen) oorsprong.

2.2. SPM transport en concentratie

2.2.1. Residuele stroming door de Straat van Dover Data wijzen op een op lange termijn netto residuele stroming naar de Zuide-lijke Noordzee vanuit het Engels Kanaal. De netto flux door de Straat van Do-ver is variabel en vooral afhankelijk van meteorologische condities. De jaar-lijkse fluctuaties kunnen 15-20% bedragen (Salden & Mulder, 1996).

Salomon et al. (1993) hebben met een 2D hydrodynamisch model een resi-dueel transport van 0.114x106 ± 0.016x106 m³/s berekend. Eveneens met een 2D hydrodynamisch model berekende Garreau (1997) een M2 flux van 0.048x106 m3/s door de Straat van Dover. De netto residuele stroming is op-gesteld voor een jaarlijks gemiddelde windsnelheid en richting en bedraagt 0.105x106 m3/s.

Prandle et al. (1993b) hebben met hoge frequentie (HF) radar metingen een netto residueel transport van 0.04x106 m3/s (M2 getijcomponent) verkregen. Prandle et al. (1993a) geven een waarde voor het lange termijn netto residuele transport door de Straat van Dover van 0.11x106 m3/s. Door de HF-radar metingen te combineren met ADCP snelheidsprofielen werd een netto residue-le instroming berekend van 0.094x106 m3/s (Prandle, 1993; Prandle et al., 1996).

5

2.2.2. SPM concentratie Voor de Belgisch/Nederlandse kust wordt een hoge SPM concentratie waar-genomen. De concentratie neemt af naar zee en is groter tijdens de winter dan de zomer. Ter hoogte van De Panne werden waarden van 70 mg/l (winter) en 6-45 mg/l (zomer) gemeten (Gullentops et al., 1976). Turbiditeitsmetingen langs de Nederlandse kust (Groenendijk, 1992) bevestigen deze grote verschil-len tussen de seizoenen. Groenendijk kan deze variatie niet verklaren door en-kel de meteorologische condities, hij wijst ook op het verschil in biologische activiteit. Eisma & Kalf (1987) vermelden dat de SPM concentratie langs de centrale as van de Zuidelijke Noordzee relatief constant is met een waarde la-ger dan 5 mg/l. De hoge concentraties langs de Belgisch kust en de Thames monding worden verklaard door neren in de residuele waterflux en door kustwaartse bodemstromingen (Van Raaphorst et al., 1998).

De jaarlijks gemiddelde SPM concentratie in de Straat van Dover varieert tussen 3.4 mg/l offshore en 10.6 mg/l langs de kusten (Van Alphen, 1990). Gedurende het FLUXMANCHE I project werden SPM concentraties gemeten in de Straat van Dover (Lafite et al., 1993). In het midden van het Kanaal zijn de SPM concentraties gedurende het volledige jaar laag (0.9-9.8 mg/l, gemiddeld 4.4 mg/l). In de kustwateren zijn de gemeten variaties gelegen tussen 1.5-70 mg/l (gemiddeld 15.3 mg/l). Uit de residuele lange termijn flux door de Straat van Dover van 0.094x106 m³/s (Prandle, 1993) en het jaarlijks gemid-delde SPM transport van 44.4x106 t/yr (McManus & Prandle, 1997), volgt een jaarlijks gemiddelde SPM concentratie van 15.0 mg/l (7.4-19.5 mg/l). Deze waarde is drie keer hoger dan de waarden, die werden bekomen in het FLUXMANCHE I project en dan de waarde van Holt & James (1999).

2.2.3. SPM transport In de wetenschappelijke literatuur worden waarden vermeld tussen 2.5x106 - 57.8x106 t/yr voor het residueel SPM transport door de Straat van Dover. Deze variaties kunnen zowel toegeschreven worden aan de gebruikte meet-technieken als aan natuurlijk optredende fluctuaties.

Eisma & Kalf (1979) berekenden een SPM transport van 11.5x106 -15.0x106 t/yr. Later worden waarden genoemd van 22x106 - 30x106 t/yr (Eisma & Kalf, 1988), 17x106 t/yr (Van Alphen, 1990) en 19.2x106 t/yr (Lafite et al., 1993), waarvan 5-22% langs de Franse kust ter hoogte van Cap Griz Nez (dit is 0.9x106 – 4.2x106 t/yr). Tijdens het MAST-FLUXMANCHE II project (Velegrakis et al., 1997) wordt het SPM transport geschat op 21.6x106 ± 2.1x106 t/yr. McManus & Prandle (1997) gebruikten numerieke modellen en meetdata om een gemiddelde waarde van 44.4x106 t/yr (21.8x106 - 57.8x106 t/yr) te berekenen. Metingen in het Engels Kanaal duiden op een netto flux van 2x106 - 71x106 t/yr in oostelijke richting (Velegrakis et al., 1999).

Uit metingen in het Kattegat en de Skagerrak blijkt de sedimentaccumula-tie vier keer hoger te zijn dan voordien werd aangenomen (de Haas, 1997). Hieruit volgt dat de slibflux door het Kanaal beduidend groter moet zijn en minimaal 46x106 t/yr bedraagt, wat ook de hoge waarde van McManus &

6

Prandle (1997) bevestigt. De residuele stroming- (Prandle, 1993; Prandle et al., 1993a) en SPM

transportdata (Eisma & Kalf, 1979; Van Alphen, 1990) laten blijken dat on-geveer de helft van de SPM flux door de Straat van Dover afgeleid wordt naar de zuidoostelijke kusten van de Noordzee. Steunend op de boven vermelde SPM-transport waarden stroomt dus tussen de 1.3x106 - 28.9x106 t/yr langs de Frans/Belgische kustzone. De waarde van 22.2x106 t/yr, die verder ge-bruikt zal worden is van McManus & Prandle (1997).

Het Westerschelde estuarium wordt gewoonlijk beschouwd als een put voor slib: 0.6x106 t/yr (Van Alphen, 1990) of 0.1x106 ± 0.2x106 t/yr (van Maldegem & Vroon, 1995).

2.3. Bagger en stortactiviteiten

Jaarlijks worden ongeveer 10x106 - 14x106 t aan sedimenten gebaggerd om de havens en vaargeulen open te houden voor scheepvaart. De belangrijkste baggerplaatsen zijn de haven van Zeebrugge en de vaargeulen Pas van het Zand, Scheur West and Scheur Oost, zie tabel 2.1. In figuur 2.1 wordt een kaart getoond met de ligging van de stortplaatsen. Zand+Slib Zand Slib Gebaggerd uit de vaargeulen B/1 3.78 (8.02) 0.94 (4.42) 2.84 (3.60) B/2 0.72 (0.08) 0.19 (0.02) 0.53 (0.06) B/6 0.00 (0.00) 0.00 (0.00) 0.00 (0.00) B/9 0.00 (0.45) 0.00 (0.08) 0.00 (0.37) Gebaggerd uit havens B/1 1.39 (2.91) 0.01 (0.03) 1.38 (2.88) B/2 0.18 (0.04) 0.01 (0.00) 0.17 (0.04) B/6 3.00 (2.96) 0.03 (0.03) 2.97 (2.93) B/9 0.62 (0.17) 0.01 (0.01) 0.61 (0.16) Som vaargeulen 4.50 (8.55) 1.13 (4.52) 3.37 (4.03) Som havens 5.18 (6.07) 0.05 (0.07) 5.13 (6.01) Totaal 9.68 (14.62) 1.18 (4.58) 8.50 (10.04)

Tabel 2.1: Hoeveelheid slib en zand (in 106 TDS) gebaggerd in 1998 (1999) uit de vaargeulen en de havens (95% is van Zeebrugge) en gestort op de vermelde stortplaatsen (data zijn afkomstig van Afdeling Waterwegen Kust, AWZ).

Het zandgehalte van de gebaggerde sedimenten bedraagt gemiddeld 10% (variërend tussen 1% in de havens en 30% in de vaargeulen), De hoge zandge-haltes in de sedimenten die gestort werden op B/1 in 1999 zijn afkomstig van de verdiepingsbaggerwerken van het Scheur Oost en het Scheur West. Het zand- en slibgehalte wordt in het ruim van het schip bepaald met een zo ge-noemde ‘hopper well densimeter’ (TVNK, 1998b). De belangrijkste stortplaat-sen zijn B/1 en B/6. De hydrodynamische conditie op B/1 is zodanig dat het grootste deel van de fijne fractie in suspensie komt tijdens of kort na de stor-ting. Dit weerspiegelt zich ook in de bodemsamenstelling (BMM & BWZ, 1993; TVNK, 1998a) die uit meer dan 85% zand (D50: 230 µm) bestaat. Stortplaats B/6 is gesitueerd in een zone met ‘divergenties in het residueel transport patroon’, de bodemsedimenten bestaan hier uit 80% slib (<63 µm).

7

Gedurende 1999 werden hier ongeveer 3x106 TDS slib uit de haven van Zee-brugge gestort.

Figuur 2.1: Liggingplan van de stortplaatsen.

8

3. Beschrijving van het Sedimenttransportmodel In de toepassingen hier beschreven, wordt gebruik gemaakt van tweedimen-sionale modellen. De stromingen en waterstanden worden berekend met het hydrodynamische model MU-BCZ, terwijl het golfklimaat berekend wordt met het MU-WAVE model. Het sedimenttransport wordt gesimuleerd met het 2D MU-STM model. Elk van deze modellen zal kort worden toegelicht.

3.1. Het 2D hydrodynamisch MU-BCZ model

Het 2D hydrodynamische model MU-BCZ berekent de dieptegeïntegreerde stroomsnelheid en waterstanden op een rooster onder de invloed van getijden en meteorologische effecten. Het model lost de klassieke ondiepwatervergelij-kingen op. De bodemspanning wordt berekend met een kwadratische wet. De ‘lange golfvergelijkingen’ worden opgelost met een volledig expliciete eindige differentiemethode op een Arakawa-C rooster. Het model is toegepast op de Belgische kustzone en de Vlaamse Banken. Het rooster heeft een resolutie van 25” x 40”, d.i. ongeveer 750 m x 750 m, zie figuur 3.1. Aan de open rand-voorwaarden is het model gekoppeld met het hydrodynamische MU-STORM model, dat de Noordzee en het Kanaal omvat. Vier halfdagelijkse getijcompo-nenten (M2, S2, N2, K2) en vier dagelijkse componenten (O1, K1, P1, Q1) drijven dit Continentaal Plat model aan. Aan de uitstroming van de Schelde is het model gekoppeld met een ééndimensionaal model voor het Schelde-estuarium.

Figuur 3.1: Bathymetrie van de Belgische kustzone en de Vlaamse Banken.

9

3.2. Het MU-WAVE model

Voor de berekening van de golven op het Belgisch Continentale Plat wordt het MU-WAVE model (Van den Eynde, 1992) gebruikt. De kern van het model bestaat uit het tweede generatie HYPAS model (Günther & Rosenthal, 1985) dat de onafhankelijke berekening van de deiningenergie voor verschillende frequenties en richtingen met behulp van een straalmethode combineert met een parametrisch zeegangsmodel, dat de JONSWAP parameters en de gemid-delde zeegangsrichting als prognostische variabelen gebruikt. Voor deze toe-passing is het model geïmplementeerd op twee gekoppelde stereografische roosters. In de gehele Noordzee wordt een model met een resolutie van 50 km x 50 km gebruikt, terwijl in de Zuidelijke Bocht van de Noordzee een fijner modelrooster met een resolutie van 5 km x 5 km wordt gebruikt.

3.3. Het 2D MU-STM model

Het 2D sedimenttransportmodel MU-STM is een semi-Lagrangiaans model, dat gebaseerd is op de Second-Moment methode (de Kok, 1994). Het model kan rekening houden met verschillende sedimentklassen en berekent dan voor elk van deze klassen de advectie en de diffusie van het materiaal in suspensie onder de invloed van de getijdenstromingen en van de stromingen, voortge-bracht door golven (Stokesdrift). In de hier besproken toepassingen is enkel met slib (fractie <63 µm) rekening gehouden. De bodemspanning wordt be-rekend onder het gecombineerde effect van stromingen en golven volgens een aangepaste versie van Bijker’s formule (Van den Eynde & Ozer, 1993). De erosie en de depositie worden gemodelleerd volgens Partheniades (1962) en Krone (1962). De hoeveelheid geërodeerd materiaal is dus een functie van de erosieconstante M en van de kritische erosieschuifspanning tce, terwijl de af-zetting afhangt van de valsnelheid ws en de kritische schuifspanning voor de-positie tcd.

10

4. Transport van particulair suspensiemateriaal

4.1. Het sedimenttransportmodel

4.1.1. Oppervlaktesedimenten: actieve lagen en bodem Onderzoek naar de afzetting en consolidatie van niet homogene cohesieve se-dimenten (slib/zand mengsels) hebben aangetoond dat het zandgehalte een grote invloed heeft op de erosiedrempel, de erosieconstante en de consolidatie (Torfs et al., 1996; Williamson & Torfs, 1996). Lou & Ridd (1997) hebben een model voor verschillende sedimentfracties bestaande uit actieve lagen boven op een onbeweegbare bodem voorgesteld. In ons model zal enkel de fractie <63 µm beschouwd worden en wordt een ander concept van actieve lagen en bodem gebruikt. De vorming van een cohesieve sedimentlaag is het gevolg van het neerslaan van partikels en de consolidatie ervan. Deze processen ver-anderen de erosiegevoeligheid van de bodem en zijn geïmplementeerd in de ac-tieve lagen van het model. Het consolidatiemodel steunt op het werk van Hayter (1986), Le Normant (1995) en Williamson & Torfs (1996). Elke laag wordt gekenmerkt door een droge densiteit en een ouderdom. Indien het se-diment in een bepaalde laag een zeker ouderdom bereikt heeft dan ‘valt’ het in de volgende laag die een hogere densiteit heeft. De droge densiteit bepaalt de kritische schuifspanning voor erosie. De onderste actieve laag heeft dezelfde kritische erosieschuifspanning als de bodemlaag.

Figuur 4.1: Slibgehalte (gew. %) van de bodemsedimenten en residueel watertransportvectoren.

11

De bodemlaag wordt gebruikt als beginvoorwaarde voor de modelsimula-ties. Het concept van bodemlaag steunt op de veronderstellingen dat de sedi-menten geconsolideerd zijn, het zand en slib goed gemengd zijn, de sedimen-ten enkel kunnen eroderen indien de bovenliggende actieve lagen leeg zijn en de erosie van het slib uit de bodem evenredig is met het slibgehalte in de bo-dem. Dit laatste wordt bereikt door de erosieconstante te vermenigvuldigen met het slibgehalte. Het slibgehalte werd berekend in elke roostercel door een afstand gewogen interpolatie gebruikmakend van ongeveer 1400 bodemsta-len, figuur 4.1. In de bodemlaag kan geen sediment afgezet worden.

Drie soorten van simulaties worden besproken. De eerste (S1) heeft een be-ginvoorwaarde met overal evenveel slib (dit is 176 kg/m²). Bij de tweede si-mulatie (S2) is het slibgehalte verdeeld volgens de meetpunten. (176 kg/m² x slibgehalte in %). Een derde soort simulatie (S3) heeft een nul beginvoorwaar-de, dus geen slib in de bodem.

4.1.2. Parameterwaarden De kritische schuifspanning voor erosie τce van estuarien of kustslib varieert tussen 0.1-2 Pa (Berlamont et al., 1993) en wordt berekend als een functie van de bulk densiteit van het sediment (Williamson & Torfs, 1996). In het model worden waarden voor τce van 0.5 Pa (vers slib) en 0.79 Pa (na 48 uren) gebruikt. De schuifsterkte van de bodemlaag bedraagt 0.8 Pa. Voor 100% slib bedraagt de erosieconstante M 0.00012 kg m-2 s-1. In sedimenten met een la-ger slibgehalte (enkel in de bodemlaag) wordt de erosieconstante vermenig-vuldigd met de slibfractie.

De valsnelheid is constant en bedraagt 1 mm/s. Deze waarde houdt impli-ciet rekening met flocculatie processen (Brenon & Le Hir, 1999). Typische waarden voor de kritische depositieschuifspanning τcd, die in een laboratorium werden gemeten variëren tussen 0.05–0.2 Pa (Berlamont et al., 1993), hier werd een waarde van 0.5 Pa gebruikt. Een hoge waarde bevordert afzetting van slib.

4.1.3. Randvoorwaarde De SPM concentratie randvoorwaarde werd opgesteld door gebruik te maken van metingen uit het BMM Monitoring Programma 1976-1996 en andere meetdata (Eisma & Kalf, 1987; Gossé, 1977; Groenendijk, 1992; Gullentops et al., 1976; Salden, 1998), in Fettweis & Van den Eynde (2000) wordt een gede-tailleerde beschrijving hiervan gegeven.

4.2. Erosie- en sedimentatiegebieden

Gebieden met een hoog gehalte aan slib zijn overwegend sedimentair, alhoe-wel in de diepere geulen ook oudere (Holoceen of Tertiair) slib- of kleilagen mogelijk dagzomen en eroderen. De hoge hydrodynamische energie in het be-schouwde gebied, zie figuren 4.2-4.3, bevordert niet de afzetting van fijnkor-relige sedimenten. Dronkers & Miltenburg (1996) hebben echter aangetoond dat slib ook kan afgezet worden in een woelige omgeving.

12

Figuur 4.2: Percentage van de tijd dat de bodemschuifspanning groter is dan de kritische schuif-spanning voor erosie van niet geconsolideerd slib (τce = 0.5 Pa). (a) doodtij (b) springtij.

Figuur 4.3: Maximum bodemschuifspanning gedurende (a) doodtij en (b) springtij.

Figuur 4.4: Slib in de bodemlaag na 2 jaar simulatie (a) S1 (initieel 176 kg/m²), (b) S2 (176 kg/m² x slibgehalte).

13

Figuur 4.5: Slib (kg/m²) in actieve lagen na 2 jaren simulatie voor een S1-simulatie, dit is initieel overal evenveel slib in bodemlaag (176 kg/m²). (a) doodtij en (b) springtij. 100 kg/m² komt over-een met een sliblaag van ±8 cm bij een bulkdensiteit van 1300 kg/m².

Figuur 4.6: idem als figuur 4.5 maar nu voor een S2-simulatie, dit is met een initiële slibverdeling in bodemlaag volgens meetdata, zie figuur 4.1 (176 kg/m² x slibgehalte).

Figuur 4.7: idem als figuur 4.5 maar nu voor een S3-simulatie, dit is initieel geen slib in bodem-laag.

14

De modelresultaten laten zien dat het slib in het turbiditeitsmaximum en in de slibvelden afkomstig is uit zowel de Straat van Dover, als van resuspen-sie en van erosie van oudere sliblagen. De vaargeulen tussen Zeebrugge en de Westerschelde zijn erosief zoals uit figuren 4.2 en 4.3 mag blijken.

Uit de bodemlaag kan enkel slib verdwijnen. In figuur 4.4 wordt de hoe-veelheid slib getoond die na 2 jaar simulatie nog aanwezig is in de bodem (enkel S1 en S2 simulatie). Deze hoeveelheid is nog steeds hoog bij de S1 si-mulatie omdat in de zandige gebieden de erosieconstante voor slib heel klein is. De modelresultaten tonen aan dat de vaargeul Scheur Oost slibvrij is, dit is een erosief gebied. In de slibrijke gebieden is de slibhoeveelheid nauwelijks veranderd, omdat hier de bodemlaag afgeschermd wordt door het slib in de bovenliggende actieve lagen.

In figuren 4.5-4.7 wordt het slib getoond, dat werd afgezet in de actieve lagen na 2 simulatiejaren getoond. De resultaten werden gemiddeld over een tijcyclus. Het volgende kan opgemerkt worden: •

•

Gedurende een springtij bevindt zich minder slib op de bodem dan gedu-rende een doodtij. De SPM concentratie volgt een tegengesteld patroon, met hoge concentraties gedurende een springtij en lage gedurende een doodtij (zie figuren 4.8-4.9). Met de randen als enige slibbron (S3) zijn de slibvelden minder uitge-strekt. Het vraagt lange termijn simulaties (meerdere jaren) om een ver-gelijkbare distributie te verkrijgen als in S1 en S2.

Slib moet aanwezig zijn in de bodemlaag om een slibverdeling in de actieve lagen te verkrijgen die (beter) overeenkomt met de meetdata, omdat niet al het slib in de bodem van recente oorsprong is. De verschillen tussen modelre-sultaten en velddata zijn daarom de oorzaak van zowel de beperkingen van het model, de gebruikte interpolatietechniek om de beginvoorwaarde op te zetten als ook een te geringe kennis van de zeebodem. Gedurende enkele RV

BELGICA campagnes die binnen dit project werden uitgevoerd, werden ook bo-demstalen genomen. Deze lieten zien dat de compactie, de kleur, densiteit, het schelpen- en zandgehalte van de slibrijke sedimenten sterk verschilden van plaats tot plaats. De stalen tonen dat verschillende typen van slib in de kust-zone voorkomen. Deze variabiliteit is enkel beperkt in het model aanwezig.

4.3. Turbiditeitsmaximum en residueel SPM transport

De distributie van het suspensiemateriaal wordt beïnvloed door een reeks met elkaar verweven processen, zoals temperatuur en biologische activiteit, resus-pensie en depositie, hydrodynamica en turbulentie, mineralogische samenstel-ling, chemische eigenschappen, aggregaatvorming en flocculatie. Het relatieve belang van elk van deze processen is moeilijk te kwantificeren, deels wegens gebrek aan observaties en deels wegens de complexe aard van de processen en de koppeling tussen elkaar.

Het voorkomen van slibvelden geassocieerd met turbiditeitsmaxima in een gebied met hoge hydrodynamische energie is reeds het onderwerp geweest van diverse studies. De in deze studies gegeven verklaringen steunen allen op een zogenoemde ‘hydrodynamische val’, waarin het uit de Franse kustzone

15

komende suspensiemateriaal gevangen wordt. Deze val is een neer of een di-vergerende of convergerende residuele stroming- of transportpatroon (Bastin, 1973; Nihoul, 1975; Gullentops et al., 1976; Malherbe, 1991). Steunend op de modelresultaten die hier voorgesteld worden, verklaren we het voorkomen van een turbiditeitsmaximum door de toevoer van het suspensiemateriaal via de Straat van Dover, het ondiepe karakter van het gebied, de specifieke hy-drodynamische eigenschappen en de afname in grootte van de residuele transportvector vanaf de Frans/Belgische grens naar Zeebrugge. Het turbidi-teitmaximum is verbonden met het voorkomen van de slibvelden en omge-keerd. In figuren 4.8-4.9 worden de getijgemiddelde SPM concentraties gedu-rende een dood- en een springtij voor een S1- en een S3-simulatie getoond.

Figuur 4.8: Getijgemiddelde SPM concentratie (in mg/l) na 2 jaar simulatie (S1-simulatie). De SPM randvoorwaarde werd afgeleid uit meetdata. Initieel is er overal evenveel slib in de bodem-laag (176 kg/m²). (a) doodtij en (b) springtij. 100 kg/m² komt overeen met een sliblaag van ±8 cm bij een bulkdensiteit van 1300 kg/m².

Figuur 4.9: idem als figuur 4.8 maar nu voor een S3-simulatie, dit is initieel geen slib op de bo-dem.

16

Figuur 4.10: Concentratie (mg/l) van het totale suspensiemateriaal afgeleid uit SeaWifs beelden. voor 1999. De beelden werden genomen op 14/03, 28/03, 27/04, 28/04, 29/04, 09/07, 11/07, 24/07 en 28/07. Schaal is van donker blauw (0 mg/l) tot donker rood (100 mg/l).

De satellietbeelden (figuur 4.10) tonen de oppervlakteconcentratie van het totale suspensie materiaal op een bepaald moment gedurende een tijcyclus. De beelden laten duidelijk zien dat de SPM concentratie sterk varieert, deze varia-ties gebeuren met een tijdschaal van een getij, een doodtij-springtij cyclus en de seizoenen.

Voor een S1-simulatie bedraagt het gemiddeld residueel SPM transport door de westelijke rand 7.9x106 - 10.8x106 t/yr. De eerste waarde is zonder, de tweede met meteorologische aandrijving. Indien initieel geen slib op de bo-dem is (S3-simulatie), dan bedraagt het residueel SPM transport 8.1x106 -11.7x106 t/yr. De iets hogere waarden bij S3 zijn het gevolg van het noord-

17

oostwaarts gerichte residueel water transport (figuur 4.11) en benadrukken het belang van de zeebodem (resuspensie of erosie) als bijkomende slibbron (§2.1).

De meetdata die gebruikt werden om de slibconcentratierandvoorwaarde op te stellen, geven een lagere waarde voor het residueel slibtransport dan werd afgeleid uit literatuurgegevens. D kan wijzen op een onderschatte SPM concentratie langs de randen of op een overschat residueel slibtransport langs de Belgische kust (§2.2).

Figuur 4.11: Residueel watertransport op het Belgisch Continentaal Plat voor het jaar 1999 (en-kel getij), berekend met het twee-dimensionaal hydrodynamisch model MU-BCZ.

4.4. Dispersie van het fijn materiaal bij opeenvolgende dumpingen

Door de overvloed aan fijnkorrelige sedimenten ter hoogte van de Belgische kust moeten grote onderhoudsbaggerwerken (gemiddeld 107 TDS per jaar) uitgevoerd worden om vaargeulen en havens (vooral Zeebrugge en Oostende) toegankelijk te houden voor de scheepvaart. Het frequent storten (om de 2-4 h) van de gebaggerde specie (vooral slib en silt) heeft geen oorzakelijk verband met het voorkomen van het turbiditeitsmaximum. Het heeft wel een invloed op de uitgestrektheid ervan en op de slibafzettingen ter hoogte van B/1 en B/2, omdat de baggergebieden en de stortplaatsen verwijderd zijn van elkaar.

We veronderstellen dat de dumpingen van materiaal uit onderhoudsbag-gerwerken in evenwicht zijn met de aanslibbing of aanzanding. Sedimentatie in de havens kan niet worden gesimuleerd, wegens de te lage resolutie van het rooster. Het is daarom ook niet zinvol om het storten van baggerspecie uit de havens te simuleren met als doel het opstellen van een sedimentbalans. Op B/1 en B/2 wordt vooral specie uit de vaargeulen gestort. We beschouwen in

18

de simulatie daarom ook enkel het storten op deze twee plaatsen. De modelresultaten laten zien dat het storten op B/1 en B/2 de SPM con-

centratie doet toenemen in een cirkel met straal van ±10 km rond de stort-plaats. De tij-gemiddelde SPM concentratie stijgt met maximaal 30-75 mg/l. De resultaten laten ook zien dat de slibafzetting ten Noorden van de Vlakte van de Raan toeneemt gedurende een doodtij. Een groot deel van dit afgezette slib, wordt terug in suspensie gebracht tijdens een springtij. Ondanks de grote storthoeveelheden op vooral B/1, neemt de slibafzetting in de vaargeulen nauwelijks toe t.o.v. een simulatie zonder storten. Dit resultaat is in overeen-stemming met de resultaten uit het VESTRAM project (Van den Eynde, 1999) en laat toe om te besluiten dat het gestorte materiaal elders werd afgezet of het modeldomein heeft verlaten.

19

5. Sedimentbalans van het Belgisch Continentaal Plat

5.1. Slibhoeveelheden in het model

Om een sedimentbalans te kunnen opstellen, moeten de hoeveelheden slib in het model bepaald worden. Een sedimentbalans wordt gewoonlijk voor een langere periode (1 jaar) opgesteld. De variaties in slibgehalte die op kortere tijdschalen (doodtij-springtij) optreden zijn belangrijk en beïnvloeden de resul-taten, zie figuren 5.1-5.3.

De slibhoeveelheid in de actieve lagen van het model neemt gestaag toe tij-dens de simulatie, zoals kan worden opgemerkt in figuur 5.1. De curve wordt gesuperponeerd met variaties die in tegenfase zijn met de getijamplitude. Tij-dens een doodtij bevindt zich tot 3.2x106 t meer slib in de actieve lagen van het model dan tijdens een springtij. De jaarlijkse slibtoename is van dezelfde grootteorde dan de variaties die optreden tussen een springtij-doodtij, zie ta-bel 5.1a. Het slib dat afgezet werd tijdens een doodtij, wordt (deels) weer ge-resuspendeerd tijdens een springtij. De massa slib in suspensie is tot 3.5x106 t hoger tijdens een springtij dan tijdens een doodtij, zie figuur 5.2. De som van de hoeveelheid slibsuspensie en slibafzettingen geeft een vlakkere curve zon-der grote variaties (figuur 5.3).

0

5

10

15

20

25

30

35

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720-1

0

1

2

3

4

5

6

Sed

imen

t mas

s (m

illio

n to

ns)

Tid

al r

ange

(m

)

Time (days)

S1 BedS2 BedS3 Bed

Tidal Range

Figuur 5.1: Totale slibhoeveelheid in de actieve lagen van het model (in 106 t) in functie van de tijd.

20

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

Sed

imen

t mas

s (m

illio

n to

ns)

Tid

al r

ange

(m

)

Time (days)

S1 SPMS2 SPMS3 SPM

Tidal Range

Figuur 5.2: Totale slibhoeveelheid in suspensie in het model (in 106 t) in functie van de tijd.

0

5

10

15

20

25

30

35

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720-1

0

1

2

3

4

5

6

Sed

imen

t mas

s (m

illio

n to

ns)

Tid

al r

ange

(m

)

Time (days)

S1 Bed+SPMS2 Bed+SPMS3 Bed+SPM

Tidal Range

Figuur 5.3: Som van de totale slibhoeveelheid in de actieve lagen en in suspensie in het model (in 106 t) in functie van de tijd.

Bij simulaties S1 en S2 zijn de belangrijkste slibbronnen de westelijke open rand en de bodemlaag. Tussen alle simulaties bestaan belangrijke kwantita-tieve verschillen. Een nauwkeurige kennis van de erosiegevoeligheid van de zeebodem is daarom een belangrijke parameter bij het opzetten van het mo-del. In tabel 5.2 worden de hoeveelheden slib vermeld die afgezet werden in de vaargeulen. Alle simulaties onderschatten de slibafzetting.

21

∆ actieve lagen ∆ SPM Totalemassa S1 -6.7 0.1 -6.6 S2 -3.3 0.2 -3.1 S3 -3.8 0.0 -3.8

S1-wind -3.0 0.4 -2.6 S2-wind -2.2 0.3 -1.9 S3-wind -3.0 0.3 -2.7

Tabel 5.1a: Slibmassa aanwezig in het model (in 106 TDS) voor 1999, ∆ actieve lagen: slibafzet-ting, ∆ SPM: slib in suspensie; Totale massa: actieve lagen + SPM. Simulatie met en zonder me-teorologische aandrijving (wind & golven), de massa worden voorgesteld als een verschil tussen het begin en het einde van tweede simulatiejaar, negatieve waarden wijzen dus op een aangroei van de slibvoorraad.

∆ Bodemlaag West Schelde Noord Totaal in/uit S1 30.8 7.9 -0.5 -31.6 6.6 S2 7.3 8.1 1.5 -13.7 3.2 S3 0 8.1 1.5 -5.8 3.8

S1-wind 34.6 10.8 -0.4 -42.3 2.7 S2-wind 5.4 11.4 1.8 -16.5 2.1 S3-wind 0 11.7 1.9 -10.7 2.9

Tabel 5.1b: Slibmassa (in 106 TDS) die het modeldomein binnenkomt (+) of buitengaat (-) gedu-rende 1999. Modelresultaten worden voor het tweede simulatiejaar getoond. ∆ Bodemlaag: slib-toevoer door erosie van de bodemlaag; West: residuele slibmassa door de westelijke rand; Schelde: idem door de monding van de Westerschelde; Noord: idem door de noordelijke rand. Totale in/uit is de som van de slibmassa die het model binnenkomt en buitengaat.

Pas v/h Zand Scheur West Scheur Oost S1 119 1384 7 S2 8 165 3 S3 6 32 3 S1 – wind 119 826 10 S2 – wind 12 516 6 S3 – wind 12 26 6 slib gestort in 1998 805 2121 449 slib gestort in 1999 392 630 2632

Tabel 5.2: Slibafzetting (in 10³ TDS) in de vaargeulen gedurende 1999. Modelresultaten worden voor het tweede simulatiejaar getoond.. Onderaan wordt de gebaggerde slibhoeveelheid uit de vaargeulen voor 1998 en 1999 vermeld.

5.2. Slibbalans

Een van de doelstellingen van het SEBAB project is het opstellen van een slib-balans. Gebruikmakend van gekende data (zie hoofdstuk 2) werd een slibba-lans opgezet, zie tabel 5.3. Een analoge balans werd berekend uit de modelre-sultaten van simulaties S2 en S3 met en zonder meteorologische effecten. (ta-bel 5.4). De resultaten zijn voor 1999. Het hoge SPM transport in de Belgische kustzone is afkomstig uit de Straat van Dover en ook deels uit erosie van de

22

zeebodem. Beide balansen tonen aan dat het grootste deel van de slibmassa die het model binnenkomt het model ook weer verlaat richting noordoosten. In de ‘literatuur-balans’ is de hoeveelheid slib die buiten de baggerplaatsen zich afzet hoogstwaarschijnlijk onderschat (enkel Paardenmarkt en Wester-schelde worden vermeld) en dus de hoeveelheid slib die het gebied verlaat overschat. Dit wordt bevestigt in de ‘model-balans’, waar grotere hoeveelhe-den slib afgezet worden buiten de baggerplaatsen. 106 TDS/yr Input

Straat van Dover +22.2 Kanaal van de Leie +0.1

Sedimentatie in havens en vaargeulen Haven van Oostende -0.5 Haven van Zeebrugge -5.9 Pas v/h Zand -0.4 Scheur West -0.6 Scheur Oost -2.6

Gestorte hoeveelheden B/1 +6.5 B/2 +0.1 B/6 +2.9 B/9 +0.5

Accumulatie Paardenmarkt -0.2 Westerschelde -0.1

Output +22.0

Tabel 5.3: Slibbalans voor het Belgisch Continentaal plat in 106 TDS/yr, gebaseerd op literatuur-data. Sedimentatie en stortgevens zijn voor 1999. Positief: in suspensie, Negatief: afgezette hoeveelheid.

106 TDS/yr Input

W-rand (Straat van Dover) +11.4 (+11.7) Westerschelde +1.8 (+1.9) Slib in suspensie +0.3 (+0.3) Erosie van de bodemlaag +5.4 (-) Totale Input +18.9 (+13.9)

Afzetting Vaargeulen -0.5 (-0.04) Rest van het modelgebied -1.7 (-3.0) Totale afzetting -2.2 (-3.0)

Output -16.7 (-10.9)

Tabel 5.4: Slibalans voor het MU-STM model (in 106 TDS/yr), gebaseerd op S2 (S3) simulatiere-sultaten met meteorologische effecten.

23

De hoge SPM-concentraties in de kustnabije zone is een secundair feno-meen dat veroorzaakt wordt door afnemende waterdiepte en de geleidelijke vermindering van het residueel watertransport van west naar oost. Het is niet het gevolg van een zogenoemde hydrodynamische val waaruit geen sedimen-ten kunnen ontsnappen. Een verhoogde slibconcentratie in het water vergroot echter de afzetting van slibrijke sedimenten.

De randen van het model zijn niet de enige slibbronnen. Slib komt ook in het model terecht door erosie, vergelijk S1, S2 met S3. De werkelijke hoeveel-heden slib die uit de bodem eroderen en ook de hoeveelheden slib aanwezig in de slibvelden zijn niet gekend. In het model wordt minder slib afgezet in de vaargeulen dan er gerapporteerd wordt van de stortoperaties. Dit wijst ver-moedelijk op een onnauwkeurige schatting van (enkele) slibparameters.

5.3. Efficiëntie van de stortplaatsen

Door de literatuurdata uit dit en de vorige hoofdstukken te gebruiken is de verhouding tussen de hoeveelheid materiaal die jaarlijks gebaggerd en gestort wordt en de hoeveelheid materiaal die jaarlijks op natuurlijke wijze het BCP binnenkomt en langs de Belgische kustzone stroomt bepaald. Vooraleer ver-der te gaan is het belangrijk dat men zich bewust is van het feit dat in deze verhouding twee verschillende soorten data worden gebruikt. In de teller wordt de som van alle gestorte hoeveelheden genomen, terwijl in de noemer een residuele hoeveelheid staat. De afzetting van slib op de baggerplaatsen en ook de baggerwerkzaamheden zijn continue processen, die zowel tijdens eb als vloed plaatsvinden. Bij een grote verhouding kan dit betekenen dat het baggeren van de vaargeulen en havens een belangrijk proces is in de Belgische kustwateren. Door een goede keuze van de locatie van de stortplaatsen kan dan het rendement van de baggerwerkzaamheden verhoogd worden. Is deze verhouding evenwel klein dan is het dumpen van de baggerspecie een onbe-langrijk proces ten opzicht van de natuurlijke opvulling van de baggerplaat-sen met materiaal dat via de Franse grens het BCP binnenkomt. Dit betekent dan dat de keuze van de ligging van de stortplaatsen van ondergeschikt be-lang is.

Met de baggergegevens (vaargeulen) en de literatuurdata wordt een waar-de voor de verhouding verkregen van 0.15-0.17, zie tabel 5.5. Hogere waar-den worden berekend indien de slibafzetting in de havens ook wordt be-schouwd (0.38-0.45).

Indien we enkel de modelresultaten nemen (zonder de havens) dan is de verhouding kleiner (0.004-0.19). Uit deze resultaten volgt dat de keuze van de stortplaats relatief onbelangrijk is. Ondanks de hoge waarde verkregen met de literatuurdata, voeren we hieronder toch aan dat het storten van bagger-specie van ondergeschikt belang is t.o.v. de natuurlijke opvulling van de bag-gerplaatsen met materiaal dat het BCP binnenkomt of op het BCP wordt geë-rodeerd, en dit om volgende redenen: 1. Het storten van baggerspecie beïnvloedt enkel lokaal de slibconcentratie. 2. Recirculatie van het gestorte materiaal naar de baggerplaatsen is belang-

rijker bij stortplaatsen B/6 en B/9 dan bij B/1 en B/2 (Van den Eynde,

24

1999). 3. De SPM-concentratie en het SPM-transport zijn reeds van natuur uit hoog

in de kustzone. De aanslibbing van de havens en de vaargeulen zal daar-om enkel weinig worden beïnvloedt bij een verandering van de locatie van de stortplaatsen B/6 en B/9. De invloed van het storten van baggerspecie op de natuurlijke turbiditeit in heel het gebied is klein.

4. De efficiëntie van de stortplaatsen (B/6 en B/9, maar ook B/1) is waar-schijnlijk laag. Omdat er zich echter een turbiditeitsmaximum ter hoogte van de kust situeert, zullen de te baggeren hoeveelheden enkel weinig ver-anderen bij een verandering van de positie van de stortplaatsen. De positie is dus van ondergeschikt belang bij het beschouwen van de efficiëntie van de baggerwerken.

VG/R VG/(R+E) (VG+H)/R Modelresultaten S1 (S1-wind) 0.19 (0.09) 0.04 (0.02) S2 (S2-wind) 0.02 (0.05) 0.01 (0.03) S3 (S3-wind) 0.005 (0.004) 0.003 (0.003) Metingen 1998 0.15 0.38 1999 0.17 0.45

Tabel 5.5 Verhouding tussen de hoeveelheid slib die jaarlijks sedimenteert in de vaargeulen (VG) van het model en de hoeveelheid die het model binnenkomt via de W-rand (R) of die het model binnenkomt via erosie of via alle twee (R+E). Resultaten zijn voor het tweede simulatiejaar be-rekend. Onderaan wordt een analoge verhouding vermeld die berekend is met baggergegevens (voor 1998 en 1999) en literatuurdata; het eerste getal is enkel voor sedimentatie in de vaargeu-len (VG) en het tweede voor vaargeulen én havens. (VG+H).

25

6. Conclusies en aanbevelingen Aangezien dit eindrapport als dusdanig reeds een samenvatting is van het on-derzoek dat binnen de studieopdracht werd uitgevoerd, zullen hier enkel de belangrijke conclusies aangehaald worden. Voor een samenvatting van het onderzoek wordt verwezen naar hoofdstukken 2 tot 5 of naar de activiteiten-rapporten 1 tot en met 3.

6.1. Belangrijke conclusies

•

•

•

•

•

•

De belangrijkste bronnen van fijn particulair materiaal (slib) op het BCP zijn de Straat van Dover en de dagzomende en eroderende tertiaire kleilagen en holocene sliblagen. Gebaseerd op de in de wetenschappelijke literatuur vermelde meest recente metingen en berekeningen, wordt de instroming via de Frans/Belgische grens geschat op 22.2x106 TDS. De hoeveelheid slib die uit de bodem erodeert en ook de hoeveelheid slib aan-wezig in de slibvelden is niet gekend. Uit de modelresultaten blijkt dat gedurende een springtij zich minder slib op de bodem bevindt dan gedurende een doodtij. De concentratie aan fijn particulair materiaal (SPM) volgt een tegengesteld patroon, hoge concen-traties gedurende een springtij en lage gedurende een doodtij. Uit de modelresultaten blijkt bovendien dat slib aanwezig moet zijn in de bodemlaag om een slibverdeling in de actieve lagen te verkrijgen die (be-ter) overeenkomt met de meetdata. Dit omdat niet al het slib in de bodem van recente oorsprong is. In het model wordt minder slib afgezet in de vaargeulen dan in werkelijk-heid wordt gebaggerd. Dit wijst vermoedelijk deels op een onnauwkeurige schatting van (enkele) slibparameters. De verschillen tussen modelresulta-ten en velddata zijn echter ook het gevolg van een te geringe sedimentolo-gische kennis van de zeebodem en van het feit dat baggeren en storten de sedimentologische en hydrodynamische processen actief beïnvloeden. Dit laatste kan niet met de gebruikte modellen gesimuleerd worden. Het voorkomen van het turbiditeitsmaximum en de slibvelden in de Belgi-sche kustzone is niet het gevolg van een zogenoemde hydrodynamische ‘val’ waaruit de sedimenten niet kunnen ontsnappen, zoals vroeger werd aangenomen. De hoge SPM-concentraties in de kustnabije zone is een se-cundair fenomeen dat veroorzaakt wordt door afnemende waterdiepte en de geleidelijke vermindering van het residueel watertransport van west naar oost. Een verhoogde slibconcentratie in het water vergroot ook de afzetting van slibrijke sedimenten. Zodoende is het turbiditeitmaximum nauw gerelateerd met het voorkomen van de slibvelden en omgekeerd. De modelresultaten laten zien dat het storten op B/1 en B/2 de SPM con-centratie doet toenemen in een cirkel met straal van ±10 km rond de stortplaats. De getijgemiddelde SPM concentratie stijgt met maximaal 30-75 mg/l. Dit is weinig vergeleken met de natuurlijke turbiditeit. Ondanks de grote storthoeveelheden op vooral B/1, neemt de slibafzetting in de

26

vaargeulen nauwelijks toe t.o.v. een simulatie zonder storten. •

•

Het storten van baggerspecie (slib) is van ondergeschikt belang t.o.v. de natuurlijke opvulling van de baggerplaatsen met materiaal dat het BCP binnenkomt of op het BCP wordt geërodeerd. De efficiëntie van de stortplaatsen (vooral B/6 en B/9, maar ook B/1) is laag. De baggerhoeveelheden kunnen iets verminderen indien de stort-plaatsen voldoende ver afwaarts van de baggerplaatsen gesitueerd worden zodat er geen recirculatie van het gestorte materiaal naar de baggerplaat-sen kan plaatsgrijpen.

6.2. Aanbevelingen

Het vaststellen van de efficiëntie van de stortplaatsen is een belangrijk doel van het SEBAB project, dat verder in de toekomst beschouwd kan worden. Om de conclusies uit voorgaande paragrafen te kunnen verfijnen, is het ui-termate belangrijk om de kennis van het natuurlijk sedimenttransport op het Belgisch continentaal plat te vergroten. Een beter inzicht in de sedimentbewe-gingen is cruciaal om met een grotere zekerheid de effecten te voorspellen van een verandering van de locatie van de stortplaatsen of van de hoeveelheid ma-teriaal gestort op een bepaalde plaats. De belangrijkste tekortkomingen in de resultaten van het project zijn gerelateerd aan de beperkte nauwkeurigheid en de lage distributie van de staalnamepunten langs de Belgische Oostkust. Zo is bijvoorbeeld de uitgestrektheid van de slibvelden en de densiteit van het slib nog weinig gekend. De erosie-eigenschappen van cohesieve sedimenten veran-deren afhankelijk van de samenstelling en de densiteit. In het model is een eenvoudig consolidatiemodel geïmplementeerd. Een betere formulering is zin-vol als het sedimentbed beter gekend is. Ook een belangrijke maar ook te wei-nig gekende variabele is de slibconcentratie langs de open randen van het mo-del. Bijkomende metingen (in situ en satelliet) kunnen hierbij helpen. De re-sultaten van het project kunnen verfijnd en aangevuld worden door: 1. de SPM-concentratie en zijn temporele, horizontale en verticale variaties

te bepalen. 2. de uitgestrektheid, samenstelling en densiteit van de slibvelden ter hoogte

van de Oostkust te bepalen. 3. het modelgebied te vergroten zodat de invloed van de randen op de turbi-

diteitsmaximumzone vermindert.

27

7. Referenties Baeteman, C., 1999. The Holocene depositional history of the IJzer palaeoval-

ley (western Belgian coastal plain) with reference to the factors controlling the formation of intercalated peat beds. Geologica Belgica, 2/3-4: 39-72.

Bastin, A., 1973. Natural radioactive tracers and their use in Belgium. Tracer Techniques in Sediment Transport. Technical Report Nr. 145, IAEA, Vi-enna.

Berlamont, J., Ockenden, M., Toorman, E. & Winterwerp, J., 1993. The char-acterisation of cohesive sediment properties. Coastal Engineering, 21: 105-128.

Bijker, E.W., 1966. The increase of bed shear in a current due to wave mo-tion, Proc. 10th Conference on Coastal Engineering, Tokyo, pp. 746-765.

BMM & BWZ, 1993. Ecologische impact van baggerspecielossingen voor de Belgische kust, MUMM, Brussels.

Brenon, I. & Le Hir, P., 1999. Modelling the turbidity maximum in the Seine estuary (France): Identification of formation processes. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 49: 525-544.

de Haas, H., 1997. Transport, preservation and accumulation of organic car-bon in the North Sea. Geologica Ultraiectina, 155. University Utrecht, 149 pp.

de Kok, J.M., 1994. Numerical modelling of transport processes in coastal waters. PhD Thesis, Univ. Utrecht, Utrecht, 158 pp.

Dronkers, J. & Miltenburg, A.G., 1996. Fine sediment deposits in shelf seas. Journal of Marine Systems, 7(2-4): 119-131.

Eisma, D. & Kalf, J., 1979. Distribution and particle size of suspended matter in the Southern Bight of the North Sea and the Eastern Channel. Nether-lands Journal of Sea Research, 13(2): 298-324.

Eisma, D., 1981. Supply and deposition of suspended matter in the North Sea. In: D.D. Nio, R.T.E. Shuttenhelm & T.C.E. van Weering (Editors), Ho-locene Marine Sedimentation in the North Sea Basin. Int. Ass. Sediment. Spec. Publ. 5. Blackwell Scientific Publ., Oxford, pp. 415-428.

Eisma, D. & Kalf, J., 1987. Dispersal, concentration and deposition of sus-pended matter in the North Sea. Journal of the Geological Society of Lon-don, 144: 161-178.

Eisma, D. & Irion, G., 1988. Suspended matter and sediment transport. In: W. Salomons, W.L. Bayne, E.K. Duursma & U. Förstner (Editors), Pollution of the North Sea: an assessment. Springer-Verlag, Berlin, pp. 20-35.

Fettweis, M. & D. Van den Eynde. 2000. Bepaling van de Sedimentbalans voor de Belgische Kustwateren. Activiteitsrapport 2: Berekeningen met sedi-menttransportmodellen. BMM-rapport SEBAB/1/MF/200006/NL/AR/2, 45 pp.

Garreau, P., 1997. Task N: Numerical hydrodynamic modelling, Hydrody-namics Biogeochemical Processes and Fluxes in the Channel, FLUXMANCHE II Final report, MAS2CT940089, pp. 12-38.

28

Gossé, J.G., 1977. A preliminary investigation into the possibility of erosion in the area of the Flemish Banks. FA 7702, RIKZ.

Groenendijk, F.C., 1992. Distribution in time and space of fresh water and suspended matter in the Dutch coastal zone. DGW-92.021, RIKZ.

Gullentops, F., Moens, M., Ringelé, A. & Sengier, R., 1976. Geologische ken-merken van de suspensie en de sedimenten. In: J.C.J. Nihoul & F. Gullen-tops (Editors), Project Zee - Projet Mer, Volume 4: Sedimentologie. Science Policy Office, Brussels, pp. 1-137.

Günther & Rosenthal, 1985. The hybrid parametrical (HYPAS) wave model, Ocean wave modelling, Swamp group. Plenum Press, New York, pp. 211-214.

Hayter, E.J., 1986. Estuarial sediment bed model. In: A.J. Mehta (Editor), Es-tuarine Cohesive Sediment Dynamics, Lecture Notes on Coastal and Estua-rine Studies 14, pp. 326-359.

Holt, J.T. & James, I.D., 1999. A simulation of the southern North Sea in comparison with measurements from the North Sea Project Part 2 Sus-pended Particulate Matter. Continental Shelf Research, 19: 1617-1642.

Irion, G. & Zöllmer, V., 1999. Clay mineral associations in fine-grained sur-face sediments of the North Sea. Journal of Sea Research, 41: 119-128.

Krone, R.B., 1962. Flume studies of the transport of sediment in estuarial shoaling processes, Hydraulic and Sanitary Eng. Research Lab., Univ. Cali-fornia, Berkeley.

Lafite, R., Shimwell, S.J., Nash, L.A., Dupont, J.P., Huault, M.F., Grochowski, N.T.L., Lamboy, J.M. & Collins, M.B., 1993. Sub-Task S1: Suspended ma-terial fluxes through the Strait of Dover, Hydrodynamics and Biogeo-chemical Fluxes in the Eastern Channel: Fluxes into the North Sea. FLUXMANCHE I Second annual report, MAST 0053-C (EDB), pp. 81-106.

Le Normant, C., 1995. Modélisation numérique tridimensionelle de processus de transport des sédiments cohésifs en environnement estuarien. PhD The-sis, Institut National Polytechnique, Toulouse, 237 pp.

Lou, J. & Ridd, P.V., 1997. Modelling of suspended sediment transport in coastal areas under waves and currents. Estuarine, Coastal and Shelf Sci-ence, 45(1): 1-16.

Malherbe, B., 1991. A case study of dumping of dredged material in open ar-eas. Terra et Aqua, 45: 5-32.

McManus, J.P. & Prandle, D., 1997. Development of a model to reproduce ob-served suspended sediment distributions in the southern North Sea using Principal Component Analysis and Multiple Linear Regression. Continental Shelf Research, 17: 761-778.

Nihoul, J.C.J., 1975. Effect of tidal stress on residual circulation and mud de-position in the Southern Bight of the North Sea. Review of Pure and Ap-plied Geophysics, 113: 577-591.

Partheniades, E., 1962. A study of erosion and deposition of cohesive soils in salt water. PhD Thesis, Univ. California, Berkeley.

Prandle, D., 1993. Year-long measurements of flow through the Dover Strait by H.F. Radar and acoustic Doppler current profiler (ADCP). Oceanologica

29

Acta, 16(5-6): 457-468. Prandle, D., Jago, C.F., Jones, S.E., Purdie, D.A. & Tappin, A., 1993a. The in-

fluence of horizontal circulation on the supply and distribution of tracers. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, A 343: 405-421.

Prandle, D., Loch, S.G. & Player, R., 1993b. Tidal flow through the Dover Strait. Journal of Physical Oceanography, 23: 23-37.

Prandle, D., Ballard, G., Flatt, D., Harrison, A.J., Jones, S.E., Knight, P.J., Loch, S.G., McManus, J.P., Player, R. & Tappin, A., 1996. Combining mod-elling and monitoring to determine fluxes of water, dissolved and particu-late metals through the Dover Strait. Continental Shelf Research, 16(2): 237-257.

Salden, R.M., 1998. Een model voor het transport van slib in de Nederlandse kustzone. Een hulpmiddel naar scenario studies naar kustuitbreidings-plannen. Rapportage van SILTMAN deelprojecten 11 & 14. OS-98.119X, RIKZ.

Salden, R.M. & Mulder, H.P.J., 1996. De slibbalans voor de Nederlandse kustwateren onder invloed van slibonttrekking als gevolg van strengere kwaliteitstoetsing van baggerspecie. OS-96.116X, RIKZ.

Salomon, J.C., Breton, M. & Guegueniat, P., 1993. Computed residual flow through the Dover Strait. Oceanologica Acta, 16(5-6): 449-455.

Torfs, H., Mitchener, H., Huysentruyt, H. & Toorman, E., 1996. Settling and consolidation of mud/sand mixtures. Coastal Engineering, 29: 27-45.

TVNK, 1998a. Rapport onderzoek stortplaats S1. TVNK/Z/N/98031/MDR/ PHE, Tijdelijke Vereniging Noordzee en Kust.

TVNK, 1998b. Rapport over stortplaatsen B&W S1. TVNK/ZB/MDR/98018/ PHE, Tijdelijke Vereniging Noordzee en Kust.

Van Alphen, J.S.L.J., 1990. A mud balance for Belgian-Dutch coastal waters between 1969 and 1986. Netherlands Journal of Sea Research, 25: 19-30.

Van den Eynde, D., 1992. mu-WAVE: An operational wave forecasting sys-tem for the Belgian coast, 3rd International Workshop on Wave Hindcast-ing and Forecasting, Montréal, Canada, pp. 313-324.

Van den Eynde, D. & Ozer, J., 1993. Sediment Trend Analyse: Berekening van het sedimenttransport met behulp van een mathematisch model. BMM/STA/TR01, MUMM.

Van den Eynde, D., 1994. Beschrijving van het sedimenttransportmodel mu-STM. BMM/STM/TR04, MUMM, Brussels.

Van den Eynde, D., 1995. Project "Sedimenttransportmodel", Executive sum-mary. BMM/STM/ER, MUMM, Brussels.

Van den Eynde, D., 1997a. Project "Sedimenttransportmodel - Fase II", Eind-rapport. STM2/1/DVDE/199709/NL/ER/1, MUMM, Brussels.

Van den Eynde, D., 1997b. Validatie van de sedimenttransportmodellen mu-STM, mu-STMF en mu-STM3. STM2/1/DVDE/199709/TR/5, MUMM, Brussels.

Van den Eynde, D., 1999. Toepassing van het sedimenttransportmodel mu-STM voor het beheer van baggerspeciestortingen. VESTRAM/1/DVDE/

30

199912/NL/TR/2, MUMM, Brussels. van Maldegem, D.C. & Vroon, J., 1995. Invloed speciestorting uit haven van

Zeebrugge op water- en bodemkwaliteit Westerschelde. 94.049, RIKZ, Middelburg.

Van Raaphorst, W., Philippart, C.J.M., Smit, J.P.C., Dijkstra, F.J. & Malschae-rt, J.F.P., 1998. Distribution of suspended particulate matter in the North Sea as inferred from NOAA/ AVHRR reflectance images and in situ obser-vations. Journal of Sea Research, 39(3-4): 197-215.

Velegrakis, A.F., Bishop, C., Lafite, R., Oikonomou, E.K., Lecouturier M. & Collins, M.B., 1997. Sub-Task S3: Investigation of meso- and macro-scale sediment transport, Hydrodynamics Biogeochemical Processes and Fluxes in the Channel. FLUXMANCHE II Final report, MAST II, MAS2CT940089, pp. 128-143.

Velegrakis, A.F., Michel, D., Collins, M.B., Lafite, R., Oikonomou, E.K., Du-pont, J.P., Huault, M.F., Lecouturier, M., Salomon, J.C. & Bishop, C., 1999. Sources, sinks and resuspension of suspended particulate matter in the eastern English Channel. Continental Shelf Research, 19(15-16): 1933-1957.

Williamson, H. & Torfs, H., 1996. Erosion of mud/sand mixtures. Coastal Engineering, 29: 1-25.

Winterwerp, J., 1999. On the dynamics of high-concentrated mud suspen-sions. PhD Thesis, TU Delft, Delft, 172 pp.

31

8. Lijst met afkortingen en definities

BCP Belgisch Continentaal Plat

CDNB centraal deel van de nieuwe buitenhaven (Zeebrugge).

HF hoge frequentie

HWD Hopper Well Densimeter

Klei sediment met een korrelgrootte < 2 µm

NSP NERC North Sea Community Research Project 1987-1992.

QSR North Sea Task Force Quality Status Report 1993.

Silt sediment met een korrelgrootte tussen 2 en 63 µm. Slib is een cohesief sediment bestaande uit anorganisch en organisch

materiaal (korrelgrootte ≤ 63 µm). Slib komt voor op de bodem (niet of wel geconsolideerd, het zandgehalte van slibbodems is klei-ner dan 36%) of in suspensie. Winterwerp (1999) maakt onder-scheid tussen volgende vormen van slibsuspensies: • Vloeibaar slib is een suspensie met een concentratie van enkele

10 g/l tot enkele 100 g/l. • Hooggeconcentreerde slibsuspensie heeft een concentratie van

enkele 100 mg/l tot enkele 1000 mg/l, met een meetbare inter-actie met de turbulente waterbeweging.

• Laaggeconcentreerde slibsuspensie heeft een concentratie van enkele 10 mg/l tot enkele 100 mg/l.

SPM Suspended Particulate Matter. Het particulair suspensiemateriaal bestaat uit fijne deeltjes met een korrelgrootte ≤ 63 µm. Deeltjes met een grotere korrelgrootte worden vooral als bodemmateriaal getransporteerd. De grootte van de mineraal-deeltjes is gelegen tussen < 2 µm en 15 µm, terwijl de in situ vlokken een factor 10 tot 100 groter kunnen zijn (10-500 µm).

STA Sediment Trend Analyse

TDS ton droge stof

yr year

Zand siliclastisch sediment met een korrelgrootte > 63 µm. Men maakt onderscheid volgens korrelgrootte tussen: • Zeer fijn zand: 63-125 µm • Fijn zand: 125-250 µm • Medium zand: 250-500 µm • Grof zand: 500-1000 µm • Zeer grof zand: 1000-2000 µm

32

❦ COLOPHON

Dit rapport werd voorbereid door de BMM in december 1999 Zijn referentiecode is SEBAB/1/MF/200103/NL/ER/1. Status draft finale versie herziene versie vertrouwelijk Beschikbaar in het Engels Nederlands Frans Indien u vragen hebt of bijkomende copies van dit document wenst te verkrij-

gen, gelieve een e-mail te zenden naar M.Fettweis@mumm.ac.be, met vermel-ding van de referentie, of te schrijven naar:

BMM 100 Gulledelle B–1200 Brussel België Tel: +32 2 773 2111 Fax: +32 2 770 6972 http://www.mumm.ac.be/

BEHEERSEENHEID VAN HET MATHEMATISCH MODEL VAN DE NOORDZEE

GROEP MODELLEN

De lettertypes gebruikt in dit zijn Gudrun Zapf-von Hesse’s Carmina Medium 10/14 voor de tekst en Frederic Goudy’s Goudy Sans Medium voor titels en onderschriften.

33