Kraijenhoff van de Leur Laboratorium voor Water- en Sedimentdynamica

Introduction to Hydraulics

Deze cursus is bedoeld voor studenten die basiskennis van hydraulica nodig hebben als inleiding op toepassingsgerichte cursussen zoals het ontwerpen van irrigatiesystemen en hydraulische constructies. Door zich te concentreren op een gedetailleerde uitleg van de wetten van behoud van massa, momentum en energie, wil de cursus de student een duidelijk inzicht geven in gelijkmatige waterstroming door leidingen, rivieren, kanalen en bodems. De cursus maakt gebruik van een reader die compatibel is met deze opzet. In dit tekstboek worden bewijzen, afleidingen, theorie en uitgewerkte voorbeelden volledig gegeven, maar met gebruik van eenvoudige wiskundige notatie en een ruime hoeveelheid verduidelijkende tekst. De volgende onderwerpen komen aan bod: hydrostatica, meting van druk, debiet en afvoer, stroming door pijpleidingen, uniforme en niet-uniforme stroming door open kanalen en gelijkmatige stroming rond hydraulische constructies. De cursus biedt basiskennis van hydraulica en hydrometrie voor toepassing op het gebied van irrigatie, rivierontwerp, drainage, erosie, waterbehoud en bescherming tegen overstromingen.

Fluid Mechanics

De cursus richt zich op de processen die de stroming van water en lucht bepalen en de bijbehorende dynamische krachten en energie. De drie belangrijkste behoudswetten worden besproken: behoud van massa, behoud van momentum en behoud van energie. De onderwerpen vorticiteit en systeemrotatie worden in detail besproken. De basisverschillen tussen water (incompressibel) en lucht (semi-incompressibel) en hun gevolgen voor de stromingseigenschappen worden besproken. De cursus geeft een uitgebreide inleiding in kinematica, dimensionale analyse, laminaire stroming, grenslaagtheorie en turbulentie. Aan het eind van de cursus wordt een overzicht gegeven van modelleerbenaderingen.

River flow and morphology

De cursus behandelt geavanceerde onderwerpen van rivierstroming en morfologie, met de nadruk op hydrodynamica, sedimenttransport en morfodynamica in rivieren en beken. Eerst wordt de basis van eendimensionale kanaalstroming behandeld door de St. Venant-vergelijkingen af te leiden en oplossingsmethoden te presenteren. Venantvergelijkingen worden geïntroduceerd die leiden tot kinematische en diffusiegolfbenaderingen, die de basis vormen voor hoogwatergeleidingsmethoden. Vervolgens worden de stromingskromming en de bijbehorende secundaire circulatie in rivierbochten besproken, inclusief de afleiding van een set regelende vergelijkingen. De cursus gaat verder met de bulkeigenschappen van sediment, waarbij de nadruk ligt op de grondslagen van het transport van sediment met bodembelasting en gesuspendeerde lading. Vervolgens wordt de dynamiek van de beddingvormen in rivieren geanalyseerd, waarbij de nadruk ligt op alternatieve typen beddingvormen en de bijbehorende weerstand tegen de stroming. De laatste colleges behandelen riviermorfologische concepten en introduceren eendimensionale analytische modellen die de evolutie van de rivierbedding simuleren, zowel theoretisch als in computeroefeningen. Een aanzienlijk deel van de tijd wordt besteed aan de analyse van stroming, sedimenttransport en bedvormingsdynamica in het Kraijenhoff van de Leur Laboratorium voor Water- en Sedimentdynamica.

Environmental Hydraulics

De cursus verschaft basiskennis van hydraulica voor toepassing in kwantitatief waterbeheer (bijv. ontwerp van rivieren, maatregelen ter bescherming tegen overstromingen en hydraulische constructies). Door zich te concentreren op een gedetailleerde uitleg van de wetten van behoud van massa, momentum en energie, beoogt de cursus de student een duidelijk begrip te geven van gelijkmatige waterstroming door leidingen, rivieren en kanalen.

Land Degradation & Remediation

Landdegradatie en sanering is een inleidende BSc cursus die een algemeen overzicht geeft van de onderwerpen landdegradatieprocessen, de meting ervan, behoudsstrategieën en duurzame interventiemogelijkheden. De cursus bestaat uit drie delen:

1. Herkennen en begrijpen van landdegradatie
2. Opties voor behoud en sanering
3. Hoe werken benaderingen voor het oplossen van landdegradatieproblemen in de realiteit?

Een gootmodel om de invloed van slibconcentratie in zand-slibmengsels op de geometrie van de bedding en sedimenttransport te testen.

Geometrische eigenschappen van de beddingvorm onder water, zoals hoogte, lengte en hellingshoek, zijn cruciaal bij het bepalen van de ruwheid van de hydraulische vorm en het interpreteren van sedimentaire gegevens. Traditioneel worden het bestaan en de geometrie van bedvormen voorspeld met fasediagrammen en empirische vergelijkingen, die meestal gebaseerd zijn op uniforme, cohesieloze sedimenten. Mengsels van zand, slib en klei komen echter veel voor in delta's, estuaria en laaglandrivieren waar beddingvormen alomtegenwoordig zijn. De afmetingen van de beddingvormen kunnen afnemen wanneer klei (<4μm) aanwezig is en wanneer hoge concentraties gesuspendeerd sediment (SSC's) de groei van de beddingvorm onderdrukken. Niet-cohesief slib (~30 - 63μm) wordt voornamelijk in suspensie getransporteerd en zal daarom naar verwachting de bedvormhoogte en -lengte beperken. Zwakcohesief slib (4-~30μm) zal naar verwachting de bedvormontwikkeling beperken, net als klei. Het is duidelijk dat de exacte invloed van slib op de afmetingen van de bedding onbekend is.

In dit gootmodel hebben we de invloed van slib in zand-slibmengsels op de beddingvormgeometrie en sedimenttransportkarakteristieken getest. De 15 m kantelende, recirculerende goot in het Kraijenhoff van de Leur Laboratorium werd gebruikt voor deze analyse. Zand en slib werden systematisch gevarieerd voor verschillende afvoeren en de resulterende dynamische bijna-evenwichtsbedgeometrie werd gemeten met een lijnlaserscanner (zie Figuur 1).

Waterniveaus, 3D-snelheidsprofielen, concentratie gesuspendeerd sediment (SSC) en korrelgrootteverdelingen werden ook geregistreerd. De verzamelde gegevens zullen worden gebruikt om relaties te zoeken tussen de geometrie van de bedding en het slibgehalte in de rivierbedding, de bodemschuifspanning en de SSC. De hypothese is dat met toenemende slibconcentratie, de SSC toeneemt en de hydraulische ruwheid afneemt, wat resulteert in een afname van de beddinghoogte en -lengte. Figuur 2 toont een voorbeeld van de duinvormen die tijdens de experimenten zijn gegenereerd, voorafgaand aan het laserscannen.