De Digitale Dijk
Hevige regenval in juli dit jaar leidde tot grote wateroverlast in Limburg en over de grens in Duitsland, België en elders in Europa. In twee dagen tijd viel op sommige locaties in Zuid-Limburg meer dan 150 millimeter, ruim twee keer de normale hoeveelheid in de hele maand juli. Deze grote hoeveelheden water vielen op een al verzadigde bodem en zorgde ervoor dat vele beken en rivieren buiten hun overs traden. Uiteindelijk verzamelde veel van het regenwater zich in de Maas wat leidde tot een record afvoer. Ondanks de vele schade had het veel erger kunnen aflopen. In tegenstelling tot onze buurlanden is de schade in Nederland beperkt gebleven tot materiele schade, grotendeels dankzij onze waterschappen en de door hun onderhoudende waterkeringen.
Na eerdere vergelijkbare overstromingen in 1993 en 1995, waarbij de Maas op een aantal locaties buiten haar overs trad, zijn langs de gehele Maas maatregelen genomen om nieuwe overstromingen te voorkomen. De rivier werd verbreed, dieper en kades en dijken werden versterkt. Ook werden de uiterwaarden verlaagd en werden er waterbergingsgebieden en hoogwatergeulen aangelegd. Dit alles om de rivier meer ruimte te geven. De Maaswerken werden afgelopen juli op de proef gesteld. Er stroomde meer water dan in 1993 en 1995, maar toch waren de problemen aanzienlijk minder.
Waterkeringen
In totaal onderhouden de 21 waterschappen en Rijkswaterstaat 13.700 kilometer aan waterkering en zorgen ze al ruim 700 jaar dat wij droge voeten houden en toegang hebben tot schoon en voldoende water. De waterkeringen zijn onder te verdelen in Primaire en Regionale waterkeringen, waarbij de Primaire keringen ons beschermen tegen buitenwater van de zee en de grote rivieren, en de Regionale waterkeringen ons beschermen tegen binnenwater uit de meren, kanalen en kleine rivieren. De keringen zijn weer verder onder te verdelen in 8 groepen en 43 types op basis van o.a. het landschap, de ontstaansgeschiedenis, opbouw en de waterkerende rol.
Een aantal van deze typen werkt samen in één dijksysteem, een voorbeeld hiervan zijn de zomer- en winterdijk. De zomerdijk is de dijk die ten tijde van lage afvoer in de zomer de rivier in bedwang houdt, vaak in samenwerking met kribben die o.a. erosie en meanderen tegengaan. Wanneer de afvoer van de rivier stijgt, overstroomt de zomerkade en moet de achtergelegen winterdijk ons beschermen tegen de rivier. In tegenstelling tot de zomerdijk is de winterdijk bestand tegen de hoogst voorkomende waterstanden en wordt deze nauwlettend in de gaten gehouden en versterkt wanneer nodig. Tussen de zomer- en winterdijk liggen de uiterwaarden, deze geven ruimte aan de rivier gedurende tijdelijke afvoerpieken en worden daarnaast vooral gebruikt als weide voor vee.
Dijkversterking
Elke 12 jaar worden de dijken getoetst of deze nog voldoen aan de wettelijke normen en veiligheidseisen die zijn vastgelegd in de Waterwet (wordt in 2022 vervangen door de Omgevingswet) en wordt geborgd door het Hoogwaterbeschermingsprogramma (HWBP). De dijk moet bestendig zijn tegen verschillende hevige weersomstandigheden en watercondities, bijvoorbeeld extreem hoog water in de rivieren of grote golven die tijdens een storm tegen de kust slaan. Daarnaast wordt er gekeken naar de economische waarde en de bewonersdichtheid achter de dijk. Afgesproken is dat niemand in Nederland een risico van 1 op 100.000 per jaar mag lopen om te overlijden door een overstroming. Bij elke toetsing wordt rekening gehouden met klimaatverandering, zeespiegelstijging en de verandering van de normeisen achter de dijk. De dijk kan worden afgekeurd op een aantal factoren, de zogenoemde faalmechanismen. Wanneer een dijk wordt afgekeurd volgt er een dijkversterkingstraject met als doel de dijk voor de komende vijftig jaar te laten voldoen aan de verschillende normen en eisen. Door vast te stellen welke faalmechanismen van invloed zijn, weet het waterschap waar ze aan de slag moeten gaan en welke versterkingsmaatregelen ze moeten treffen, bijvoorbeeld het ophogen en verbreden van de dijk of het plaatsen van damwanden of geotextiel.
Een dijkversterking is een langdurig meerjarig traject met verschillende fases en overheidsinstanties. Allereerst vindt er een Voorverkenning plaats, in deze fase wordt de opgave vastgelegd en wordt er gekeken naar de omgeving en wat er speelt. Daarna volgt de Verkenning, hierin worden verschillende datasets verzamelt en in kaart gebracht om richting te geven aan de oplossing voor de opgave. Samen met de betrokkenen wordt bepaald welke oplossing de voorkeur heeft. In de Planvorming wordt het ontwerp gemaakt, hierbij spelen vele factoren, zoals de ondergrond, omringend landgebruik, aanwezige kabels & leidingen, beschermde natuurgebieden, klimaatverandering, etc... Er wordt gebruikt gemaakt van verschillende modellen voor het doorrekenen van het ontwerp om zo de juiste keuze te maken. Boringen en sonderingen worden bijvoorbeeld gebruikt om een schematisatie van de ondergrond te maken en het draagvermogen te bepalen. De opbouw van de ondergrond en de manier hoe deze is gevormd is immers essentieel voor het bepalen van de juiste keuze.
Voordat het definitieve ontwerp wordt vastgesteld is er eerst een voorlopig ontwerp waarbij onderdelen nog kunnen worden bijgesteld en bewoners kunnen meepraten en denken. Daarna wordt het definitieve ontwerp in de Realisatie uitgevoerd
Meer weten?
Dijken en Geografische Informatie Systemen
Dijken en GIS zijn onlosmakelijk met elkaar verbonden, als het gaat om het bijhouden van historische gebeurtenissen of het berekenen van overstromingsgebieden is locatie een onmisbaar component. Een van de bekendste datasets in Nederland komt voort vanuit de waterschappen en RWS, het Actueel Hoogtebestand Nederland (AHN). In 2003 was met een precisie van 15 centimeter de hoogte van het maaiveld voor Nederland opgemeten middels laseraltimetrie, de AHN-1. Helaas was deze precisie onvoldoende om bijvoorbeeld een hoogtemodel van de dijk te bereken ter toetsing van het beoordelen van de primaire waterkeringen. Hierop volgde een succesvol proefproject in het Waterschap Zeeuwse Eilanden met als doelstelling een hoogtebestand met 10 metingen per m2 en een precisie van 5 centimeter, met als uiteindelijke resultaat de AHN-2. Naar planning zal in 2022 de AHN-4 voor heel Nederland beschikbaar zijn, een gedeelte is al beschikbaar en door deze te vergelijken met de AHN-3 zie je sporen in het landschap.
Voorheen werd GIS bij de waterschappen vooral gebruikt om metingen en data in kaart te brengen of ter visualisatie of communicatie van dijkontwerpen. Waar wij vroeger in 2D van boven naar beneden keken, kijken de geotechnici en dijkontwerpers vooral dwars op de dijk bij het maken van hun berekeningen. De ontwikkelingen rondom 3D en Digital Twins en de introductie van de Basisregistratie Ondergrond (BRO) bracht hier verandering in. De BRO bevat gegevens van de diepe en ondiepe ondergrond en bestaat uit metingen en monsters uit veldonderzoek en de daaruit gegenereerde modellen van de ondergrond. Wanneer je de ondergrond gedetailleerd in kaart wilt brengen moet je wel gebruik maken van modellen. In tegenstelling tot de bovengrond, is de ondergrond lastig te bekijken. Je kijkt immers via boringen door een rietje de grond in en om echt diep te “kijken” moet je gebruik maken van ingewikkelde apparatuur, zoals grondradar. In opdracht van het Ministerie van Binnenlandse Zaken zijn diverse praktijkvoorbeelden uitgevoerd om de bijdrage van de BRO zichtbaar te maken in concrete projecten. Het BRO-team van Geodan heeft een groot aantal van deze projecten uitgevoerd, hierin werd de ondergrond inzichtelijk gemaakt voor vraagstukken rondom o.a. de energietransitie op land en zee, en infrastructurele projecten. Daarbij heeft Geodan verschillende visualisatie methode ontwikkeld om de datasets van de BRO inzichtelijk in 3D weer te geven.
Een van de praktijkvoorbeelden is de versterking van de Lekdijk, waarbij verschillende datasets van de boven- en ondergrond zijn samengebracht in één digitale omgeving. De 55 kilometer lange dijk beschermt een groot deel van de randstad tegen overstromingen van de rivier de Lek. Deze meanderende zijtak van de Rijn heeft zich door de eeuwen heen meerdere keren drastisch verlegd en zandbanen in de ondergrond achtergelaten. Wanneer deze zandbanen onder de dijk doorlopen kan dat piping veroorzaken. Piping is een verzamelbegrip voor verschillende vormen van interne erosie en een van de belangrijkste faalmechanismen in dit gebied. Het kan optreden wanneer een ondoorlatende deklaag (bijv. klei) zich bovenop een watervoerende zandlaag bevindt en de waterstand in de rivier hoger is dan het achterliggende land. Door een verschil in waterdruk ontstaat er een grondwaterstroom die onder de dijk doorgaat, wanneer deze stroom toeneemt vormen zich pipes en zandvoerende wellen. Bij een constante of toenemende waterstand vindt terugschrijdende erosie plaats en wordt de pipe richting het intredepunt groter. Door de groeiende pipe kan het water sneller stromen en vindt er meer en meer erosie plaats totdat de dijk bezwijkt.
Door in een Digital Twin de zandbanen en gegevens van de ondergrond driedimensionaal inzichtelijk te maken kun je de locaties identificeren met kans op piping. Dit levert efficiënter grondonderzoek op en vermindert de kosten van de versterking. Daarnaast draagt het inzichtelijk in beeld brengen van de problemen en oplossingen bij aan de communicatie met de omwonenden. Een 3D beeld is voor de meeste van hen duidelijker dan een 2D weergave, waardoor er sneller begrip wordt gecreëerd en minder kans op weerstand van de noodzakelijke maatregelen. Een Digital Twin draagt bij aan alle fases van de dijkversterking en zorgt voor één gezamenlijk beeld voor alle betrokkenen.
Toekomst...
In een consortium van waterschappen, kennisinstellingen en bedrijfsleven is Geodan Research betrokken bij het TKI project “DigiTwin Waterkering en Ondergrond”. De kennis en ervaring van onder andere de Lekdijk wordt gebruikt om de Digital Twin op een hoger niveau te brengen. Geologische, geotechnische en geofysische data wordt gecombineerd met bestaande gegevens van waterkeringen en real-time sensordata en aardobservaties om zo tot een actueel driedimensionaal digitaal model van de opbouw en eigenschappen van waterkeringen met een hoge resolutie te komen. Door rekenmodellen, kunstmatige intelligentie en een te ontwikkelen gedragsprotocol te integreren wordt de stap gezet naar een simulatie van het gedrag van de kering door de tijd gedurende verschillende kritieke situaties, zoals hoog water of extreme droogte. Onzekerheden worden verkleind en de gevoeligheden van faalmechanismen worden inzichtelijker. De uitwerking zal plaatsvinden aan de hand van aantal use-cases met waterschappen. Daarbij worden workshops georganiseerd om de gebruikersbehoefte te inventariseren om zo tot functionele bouwblokken te komen die daarna worden uitgewerkt. Het doel is om een ‘open framework’ te realiseren voor een digitale tweeling van waterkeringen en ondergrond om daarmee de toestand van de waterkeringen nu en in de toekomst nauwkeuriger te voorspellen, scherper te beoordelen en beter te ontwerpen.