Uitkomsten
Dit project leidt tot een beter begrip van de grondwaterstroming door en rond rivierdijken en verbeterde methoden voor het bepalen van grondwaterstanden bij hoge rivierwaterstanden. Er zijn nieuwe methoden ontwikkeld voor het bepalen van grondwaterstroming gebaseerd op modellering in plaats van analytische benaderingen, welke de grondwatervoorspellingen nabij rivierdijken aanzienlijk kan verbeteren. Met de verbeterde methoden laten we zien hoe big data, historische dijkopbouw, en freatisch grondwater vanwege variabele rivierwaterstanden kunnen worden meegenomen in de dijkveiligheidsbeoordeling.
Figuur 1. Boven: Peilbuis die in de bodem wordt geplaatst om de grondwaterstand te meten (bron: Waterschap Brabantse Delta) en veldwerk voor dataverzameling (Foto: Bas van der Meulen).
Motivatie en uitdagingen
In Nederland, een land waar de geschiedenis verweven is met hoogwaterveiligheid, zijn we ons bewust van de grote invloed die hoge rivierwaterstanden hebben op dijkdoorbraken. De invloed van hoogwater op de grondwaterstroming wordt veel minder begrepen door zowel waterbeheerders als bewoners, omdat het vaak geen zichtbaar proces is. Toch is het zo dat als er vanuit de rivier meer water door de ondergrond sijpelt, sloten binnendijks vollopen en akkers nat worden zonder dat er sprake is van een overstroming (Figuur 1, bovenste foto).
Grondwaterstroming en hoge waterspanningen zijn daarnaast van groot belang voor verschillende faalmechanismen van dijken, waaronder piping en dijkstabiliteit. Uiteraard hangt het effect van grondwater sterk samen met de variabele ondergrondeigenschappen. Vanwege de beperkte kennis en beschikbaarheid van gegevens over de ondergrond en het dijksmaterial, wordt het grondwater echter vaak te simplistisch meegenomen. Omdat het proces ondergronds is, is visualisatie bovendien moeilijk en zijn veldgegevens voor validatie belangrijk maar schaars (Figuur 1, onderste foto).
Doel van het onderzoek
Het vergroten van de kennis over de relatie tussen ondergrond, rivierwaterstanden en grondwaterstanden, en het ontwikkelen van meer realistische grondwaterscenario’s in dijkstabiliteitsberekeningen.
Figuur 2. Belangrijkste onderdelen van het onderzoek ter verbetering van de grondwaterschematisatie voor de dijk stabiliteits berekeningen.
Innovatieve componenten
De huidige schematisering van grondwater in dijkbeoordelingen is sterk vereenvoudigd. Daarom richt mijn onderzoek zich op de temporele en ruimtelijke componenten van grondwatergerelateerde dijkstabiliteit.
- De vorm van hoogwatergolven is zeer variabel, maar dijkontwerpen worden gemaakt op basis van één karakteristiek hoogwater. Mijn onderzoek toont aan dat de hydrologie in de dijk en de ondergrond sterk verschilt bij hoogwatergolven, waarmee de huidige praktijk ter discussie wordt gesteld.
- Om de algemene kennis te vergroten besteed ik ook aandacht aan de interactie tussen materiaaleigenschappen, grondwaterhydrologie en dijkstabiliteit. Vele simulaties van een gekoppeld grondwater- en dijkstabiliteit-model resulteerde in belangrijkste factoren die van invloed zijn op de dijkstabiliteit en de grondwaterstanden. De resultaten zijn vergeleken met stabiliteitsberekeningen van een rivierdijk om de toepasbaarheid van deze interacties als een eerste-orde bepaling van dijkstabiliteit aan te tonen.
- Het beoordelen van de variabiliteit van de ondergrond in 3D is gebruikelijk in geologische omgevingen, maar het gebruik ervan bij de beoordeling van de veiligheid van dijken (en de bijbehorende grondwaterhydrologie) is tot nu toe beperkt gebleven. Dit hoofdstuk richt zich op het bepalen van verschillen tussen 2D en 3D modellering, en suggereert betere manieren om 3D effecten te parametriseren.
Relevant voor wie en waar?
Onderzoekers die werken op het raakvlak van aardwetenschappen en civiele techniek. Innovatieve organisaties die gebruik willen maken van de nieuwste kennis over processen aan de basis van dijkveiligheid.
De bevindingen van dit onderzoek zullen toepasbaar zijn op dijkversterkingsprojecten in Nederland.
Voortgang en toepassing
Dynamische grondwaterberekeningen lieten zien wat de invloedrijkste parameters voor dijkstabiliteit zijn: (1) variaties in waterspanningen, (2) de geometrie en het materiaal van de dijk en (3) materiaaleigenschappen van de ondergrond.
Dijkheterogeniteit als gevolg van historische dijkversterkingen heeft ook een grote invloed op de waterspanningen in de dijk. Er is een methode ontwikkeld om mogelijke scenario’s van dijkopbouw te creëren, die elk resulteren in verschillende waterspanningen. Door meerdere scenario’s van dijkopbouw en waterspanningen te gebruiken kan een probabilistische analyse van de grondwaterstanden worden uitgevoerd.
In een volledige probabilistische analyse moeten ook dynamische waterspanningen als functie van de rivierwaterstanden worden meegenomen. Het gebruik van tijdsafhankelijke grondwaterstroming leidt in veel gevallen tot een aanzienlijke verlaging van de faalkans van dijken in vergelijking met statische grondwaterstanden. Voor details van de resultaten, zie de desbetreffende outputs.
Last but not least, de historische dijk bij Nijmegen-Lent wordt gebruikt als voorbeeld voor hoe heterogeniteit in een dijk kan worden bepaald door de bouwgeschiedenis te simuleren. Archeologische waarnemingen kunnen de kennis van historische dijken vergroten en simulaties van variabele dijkopbouw verbeteren.
Aanbevelingen voor de praktijk
- Gebruik modelsimulaties met realistische ondergrond- en dijkopbouwscenario’s voor voor het bepalen van grondwaterstanden.
- Tijdsafhankelijke grondwaterstanden als gevolg van variabele rivierwaterstanden geven een realistischere schatting dan statische grondwaterstanden.
- Het meenemen van variabiliteit in dijkopbouw geeft een duidelijk beeld van de spreiding in mogelijke grondwaterstanden.
Last modified: 23/12/2021
Main researcher
Teun van Woerkom
Universiteit Utrecht
Project outputs
Global Sensitivity Analysis of Groundwater Related Dike Stability under Extreme Loading Conditions
Om de kennis over grondwatergerelateerde dijkstabiliteit te vergroten, hebben we een globale gevoeligheidsanalyse uitgevoerd op een uitgebreid hydro-stabiliteitsmodel. Dijkstabiliteit is vooral afhankelijk van de helling van het talud, gevolgd door het type materiaal. Ook de interactie tussen dijk en ondergrond is van belang, omdat deze direct invloed heeft op zowel de grondwaterstanden als de dijkstabiliteit.
20/12/2021 by Teun van Woerkom et al.
Bevat: Publication open access journal
- Van Woerkom, T.A.A, van Beek, L.P.H., Middelkoop, H., Bierkens, M.F.P. (2020, February 13-14). A coupled hydro-stability model for a sensitivity analysis on dike stability [Conference presentation abstract]. Managing changing rivers: NCR Days 2020, Nijmegen, the Netherlands.
- Van Woerkom, T.A.A, van Beek, L.P.H., Middelkoop, H., Bierkens, M.F.P. (2020, March 12-13). Sensitivity analysis of river dike macro-stability: It’s just hydro-logic! [Poster session]. Nederlands Aardwetenschappelijk Congres 2020, Utrecht, the Netherlands.
- Assessing lithological uncertainty in river dikes: Simulating construction history and its implications for flood safety assessment; van Woerkom et al. (in preparation).
