Kering

3 oktober 2019 Uit Door Hessel Voortman

Raar verhaal
Nadat ik vorige week de zeespiegelprojecties van het IPCC onder de loep nam, had ik deze week willen kijken naar de zeespiegel in het verleden. Maar na publicatie van mijn blog werd in de media de suggestie gewekt dat de Deltawerken niet bestand zouden zijn tegen meer dan 0,40 m zeespiegelstijging. Een raar verhaal.

De Brouwersdam (Beeldbank RWS)

De zeespiegels in het verleden houdt u daarom van me tegoed. Deze week wil ik u meenemen naar het ontwerp van een waterkering en de betekenis van zeespiegelstijging daarvoor. Aan het eind zal ik dan de vraag beantwoorden of 0,84 m in plaats van 0,40 m hanteerbaar is of niet.

Keringen langs de kust
Een belangrijke regel voor succes is: “Vertel nooit alles wat je weet”. Dat zal ik dan ook niet doen. Ik beperk me nu tot keringen aan de kust. En ik kijk naar dammen en dijken. De beweegbare keringen, zoals de spuisluis Haringvliet en de stormvloedkering Oosterschelde zijn wat complexer; die parkeren we ook.

Kijk eens naar de foto’s van de Brouwersdam en van de Hondsbossche zeewering (oude situatie), dan heeft u een beeld.

De Hondsbossche zeewering, voor de versterking met zand (Beeldbank RWS)

Hoogte
Een dijk wordt gebouwd om water te keren bij storm. De dijk moet in ieder geval hoger zijn dan de tijdens storm optredende waterstand. Verder is er tijdens storm altijd golfslag. Golven hebben de eigenschap tegen de dijk op te lopen (golfoploop). Onder extreme omstandigheden kunnen golven over de dijk heen slaan (golfoverslag).

‘De meeste salicheijt hanght aen de hoochte van eenen dijck’

Andries Vierlingh, 16e eeuw

De hoogte van de dijk wordt zo gkozen dat een beperkte mate van golfoverslag (bij extreme storm) optreedt. De golfoverslag moet klein genoeg zijn om schade aan de binnenkant van de dijk te voorkomen. Maar overslag over een dijk bij extreme storm is dus normaal!

De optredende overslag wordt, naast de hoogte, ook bepaald door de vorm en ruwheid van de zeezijde van de dijk. De toelaatbare overslag wordt bepaald door de sterkte van de landzijde; een sterke bekleding op de binnenkant laat meer overslag toe en dan kan de dijk lager blijven. Of een reeds aangelegde dijk kan, door het versterken van de landzijde, een hogere waterstand veilig keren.

De ontwerper heeft dus een heleboel regelknoppen om te komen tot een veilige kering. Mogelijk duizelt het u inmiddels; ik zal de onderdelen één voor één afpellen.

Waterstanden
We willen dus een dijk die hoger is dan de ontwerpwaterstand plus een beetje meer. De waterstand langs de Nederlandse kust gaat 2x per dag op en neer door het getij. Het getij wordt veroorzaakt door de Maan en de Zon en is enkele jaren vooruit goed voorspelbaar; het astronomisch getij. Het getij zelf varieert ook nog eens in hoogte; 2x per maand is het springtij en zijn de vloedstanden het hoogste en de ebstanden het laagst. Een dijk moet dus om te beginnen hoger liggen dan het hoogst voorspelde springtij.

Als u wind over een wateroppervlak ziet strijken, dan ziet u aan de golfjes dat de wind kracht op het water uitoefent. Gebeurt dat over een grote lengte en met een grote windsnelheid, zoals bij Noordwesterstorm over de Noordzee, dan “schuift” de wind het water voor zich uit. Het gevolg is dat de waterstanden hoger komen dan het voorspelde getij. De afwijking tussen getij en werkelijke waterstand heet “windopzet” of “opwaaiïng”. Overigens gebeurt bij Oostenwind hetzelfde, maar leidt het tot een verlaging van de waterstand; dat heet “afwaaiïng”. Voor de dijkhoogte is alleen de opwaaiïng belangrijk.

Astronomisch getij (bovenste paneel, lichtgrijs), waterstand (bovenste paneel, zwart) en windopzet (onderste paneel). Bron: Wikipedia, lemma: windopzet

Opwaaiïng is veel minder voorspelbaar dan het getij. Het hangt af van de windsnelheid en de windrichting en is dus, net als het weer, slechts enkele dagen tot een week vooruit enigszins voorspelbaar. Voor de dijkhoogte hebben we een waterstand nodig die ook rekening houdt met opwaaiïng. De vraag is hoeveel opwaaiïng .

Ir. P.J. Wemelsfelder
In 1939 publiceerde Ir. P.J. Wemelsfelder in de Ingenieur het artikel “Wetmatigheden in het optreden van stormvloeden”. Stormvloed is een ouderwets woord voor de waterstanden die optreden bij storm. Wemelsfelder had de hoogste waterstanden bij Hoek van Holland uitgezet op logaritmisch papier (met kroontjespen!!) en ontdekt dat er min of meer een rechte lijn doorheen kon worden getrokken. Wemelsfelder stelde voor om voortaan ontwerpwaterstanden langs de kust te bepalen met deze statistische analyse. Hij stelde voor om het ontwerppeil te baseren op de overschrijdingsfrequentie van 1/1.000 per jaar. Dat zou voor Hoek van Holland een forse dijkversterking betekenen.

Monument op de Stormvloedkering Oosterschelde (Beeldbank RWS)

Ir. T. Huitema herhaalde Wemelsfelders analyse voor locaties van Zeeland tot Groningen en ontdekte dat de kans op overstromen hoog tot zeer hoog was en bovendien over het land zeer verschillend. Huitema pleitte in zijn boek voor de invoering van het systeem van Wemelsfelder ter verhoging van de veiligheid en om tot een landelijk consistent veiligheidsniveau te komen. Het boek verscheen in 1947. In 1953 werd Nederland (voorlopig) voor de laatste keer getroffen door een overstroming.

Overschrijdingsfrequentie als basis
Als gevolg van de ramp werd niet alleen het Deltaprogramma gestart, maar werd ook de veiligheidsbenadering van Wemelsfelder, met wat aanpassingen, ingevoerd. In 1956 kwamen deze normen in de wet en bleven daar tot 31 december 2016. De ontwerpfrequenties langs de kust werden 1/4.000 per jaar tot 1/10.000 per jaar, afhankelijk van de economische waarde en bevolkingsdichtheid van het beschermde gebied. De nieuwe normen betekenden dat in heel Nederland de kustverdediging moest worden versterkt. Ook de Hondsbossche zeewering en de Helderse zeewering werden versterkt. De invloed van de wijziging reikte dus veel verder dan de Deltawerken op de Zuid-Hollandse en Zeeuwse eilanden.

(De wetswijziging per 1 januari 2017 bewaar ik voor een volgende blog. Als u nieuwsgierig bent kunt u de “Grondslagen” er alvast op naslaan).

Golven
Nu de waterstand bekend is rest ons nog de overhoogte van de dijk voor het voorkomen van golfoverslag. Net als de windopzet worden de golven veroorzaakt door de wind. Er zit daarom in Nederland een sterke samenhang tussen hoge waterstanden en golven; ik benadruk in Nederland omdat dat niet overal zo is. Ik heb onder meer gewerkt in het Skagerrak en daar werkt het weer heel anders.

Golfoverslag in Noord-Duitsland in 1954 (Beeldbank RWS)

De golfhoogte vlak voor de Nederlandse kust is 3 tot 4 m. De overhoogte die nodig is voor het keren van golfoverslag ligt in de orde van 2x die golfhoogte boven de ontwerpwaterstand. Met ontwerpwaterstanden rond NAP +5 m geeft dat een dijkhoogte van rond NAP +12 m. Maken we nu de zeezijde ruwer en de landzijde sterker dan kan de overhoogte bijvoorbeeld dalen tot 1x de golfhoogte, in ons voorbeeld NAP + 9 m. Er is zelfs een veilige dijk te bouwen zonder overhoogte, zij het dat u daar als burger waarschijnlijk niet rustig achter gaat slapen vanwege de gewelddadige overslag.

Waar is de zeespiegelstijging?
Ik denk dat u langzamerhand ongeduldig wordt. U heeft in mijn hele verhaal tot nu toe nergens zeespiegelstijging gezien.

Laat ik eens resumeren. Voor Hoek van Holland is de springvloed rond NAP +1,5 m en de ontwerpwaterstand rond NAP + 5 m. Een dijk wordt dus ontworpen op 3,5 m windopzet. Met een golfhoogte van 4 m komen we op een dijkhoogte van rond NAP + 12 m. Dat is genoeg voor vandaag.

Een dijk wordt meestal gebouwd voor een ontwerpperiode van 50 jaar. En in die 50 jaar gaat de zeespiegel wel omhoog. In de metingen met ongeveer 20 cm per eeuw; in de scenario’s van het KNMI wat sneller. Maken we een ambitieus ontwerp, dan kijken we 80 jaar vooruit en gebruiken het hoge scenario van het IPCC; 90 cm extra want centimeterwerk lukt niet in grondwerk. We trekken onze fictieve dijk bij Hoek van Holland iets hoger op; niet NAP +12 m, maar NAP +12,9 m. Als u erlangs fietst ziet u het niet.

Maar als de dijk er al ligt?
Maar de Deltawerken liggen er al! En daarbij is slechts gerekend op 40 cm zeespiegelstijging!

Een zeespiegelstijging van 40 cm krijg je als je 100 jaar vooruitdenkt met het dubbele van de waargenomen stijgsnelheid of 50 jaar vooruit met de viervoudige snelheid. Dat is dus helemaal geen raar uitgangspunt in een tijd ruim voordat we waterstanden gingen vaststellen door middel van consensus. Men ging uit van metingen; heel raar natuurlijk, maar zo ging het.

En als de zeespiegel echt meer dan 40 cm gaat stijgen? Dan zijn er legio mogelijkheden om de kering aan te passen en veilig te houden. Bij een beperkt hoogtetekort ligt versterking van de landzijde voor de hand. Bij groter hoogtetekort aangevuld met een verruwing van de zeezijde. Een ingrijpende operatie maar zeer uitvoerbaar. Verhogen kan natuurlijk ook.

Geen reden tot paniek
De Afsluitdijk komt in bovenstaand verhaal niet voor en dat heeft een reden. De Afsluitdijk is ontworpen en gebouwd zonder de veiligheidsbenadering van Wemelsfelder. De voltooiïng was in 1932 en Wemelsfelder publiceerde zijn werk in 1939.

De ontwerpwaterstand van de dijk werd in de jaren 1920 vastgesteld en was 1,5 m tot 2 m lager dan uit de huidige inzichten zou volgen. Het onderzoek naar golfoverslag was veel minder ver dan nu. Desondanks heeft de dijk vanaf 1932 prima gefunctioneerd. Op dit moment is er een opknapbeurt in uitvoering die een hoogtetekort van meerdere meters gaat oplossen. Dat is zeker een groot werk, maar technisch een zeer haalbaar verhaal. En ik zeg het nog een keer: een hoogtetekort van meerdere meters!

Kortom, 84 cm in plaats van 40 cm in 2100? Kom maar op!

Bronnen
P.J. Wemelsfelder – Wetmatigheden in het optreden van stormvloeden, de Ingenieur, 1939

P.J. Wemelsfelder – Beknopte nota over de frequenties van stormvloeden, Stormvloedcommissie, 1938

T. Huitema – Dijken langs zee, rivieren en kanalen. Kaden om polders, droogmakerijen enz. Samenstelling, aanleg, onderhoud, uitgeverij Kosmos

Andries Vierlingh – Tractaet van Dyckagie

J. Th. Thijsse – Een halve eeuw Zuiderzeewerken

H.G. Voortman – Risk-based design of large-scale flood defence systems – Proefschrift TU Delft, 2003

1200 jaar Waterstaatsgeschiedenis kunt u lezen in; G.P. van de Ven (Red.) – Leefbaar Laagland, uitgeverij Matrijs

www.hoogwaterbeschermingsprogramma.nl

Salomon Kroonenberg – Spiegelzee, Atlas Contact

Achtergronden van het ontwerpen van waterkeringen in Nederland zijn te vinden in “Grondslagen voor Waterveiligheid”; te vinden op https://www.enwinfo.nl/index.php/publicaties/grondslagen