Hydropieken beperken de biodiversiteit in het zomerbed van de Gemeenschappelijke Maas. Dit verstoort het leefgebied van veel riviersoorten. Om de natuurdoelen van de KRW en Natura2000 Grensmaas te behalen, is het noodzakelijk om de intensiteit, frequentie en impact van hydropieken te verminderen.
Download hier de pdf van dit artikel
Geschreven door Pepijn van Denderen, Andries Paarlberg (HKV lijn in water), Frank Collas (Rijkswaterstaat)
De afvoer van de Maas wordt bepaald door een combinatie van natuurlijke variaties en menselijke ingrepen. In Frankrijk en België bevinden zich meerdere stuwen met waterkrachtcentrales in de Maas en haar zijrivieren. Deze stuwen zorgen bij lage afvoeren voor voldoende waterdiepte, maar worden ook gebruikt voor energieopwekking. De huidige wijze van sturing veroorzaakt kunstmatige afvoergolven, zogenoemde hydropieken. Deze ontstaan doordat het verval over de waterkrachtcentrale wordt gemaximaliseerd: de waterstand wordt tijdelijk verhoogd en vervolgens in korte tijd afgelaten.
In het Belgische traject versterken opeenvolgende stuwen dit effect. In het Nederlandse deel van de Gemeenschappelijke Maas (voorheen de Grensmaas genoemd) zijn deze hydropieken ongewenst, omdat ze leiden tot sterk fluctuerende bodemschuifspanningen. Dit maakt de rivier ongeschikt als habitat voor veel riviersoorten en heeft daarmee aanzienlijke gevolgen voor het natuurlijk functioneren.
Dit onderzoek richt zich op het onderscheiden van hydropieken van het natuurlijke afvoersignaal van de Maas – een uitdaging door de grote variatie in beide signalen. Eerdere methoden bleken niet robuust of objectief genoeg. Daarom wordt het hydropieksignaal gekarakteriseerd in relatie tot de afvoer en locatie langs de rivier. Vervolgens wordt berekend hoe hydropieken de bodemschuifspanning in de Gemeenschappelijke Maas beïnvloeden, om zo hun effect op de habitatkwaliteit beter te begrijpen.
Waveletmethodiek
Er is beperkt informatie beschikbaar over de precieze stuwsturing in het Belgische deel van de Maas. Wel zijn er langs de Belgische en Nederlandse Maas op verschillende locaties afvoermetingen beschikbaar (afbeelding 1). Deze metingen zijn gebruikt om de hydropieken vast te stellen.
Afbeelding 1. Geanalyseerde afvoermeetstations langs de Belgische en Nederlandse trajecten van de Maas
Hydropieken variëren in duur, grootte en vorm. Om deze dynamiek te analyseren, is een wavelettransformatie gebruikt. Net als een Fouriertransformatie onthult deze methode frequenties in een signaal, maar met een belangrijk voordeel: de wavelettransformatie toont ook hoe dominante frequenties in de tijd veranderen. Het resultaat is een wavelet-energiespectrum (zie afbeelding 2), dat inzicht geeft in de energieverdeling per golfperiode en tijdstip. In het energiespectrum komen verschillende karakteristieke golfperioden terug:
- Jaarvariatie: elk jaar is de afvoer in de wintermaanden een stuk hoger dan in de zomer. Dit levert veel energie op bij een golfperiode van 300-400 dagen.
- Hoogwaterperiode: de duur van deze hoogwaterperioden is rond de 100 dagen, waarbinnen ook variaties optreden (20-50 dagen). Tijdens deze golfperioden treden meerdere pieken in het energiespectrum op.
- Afvoerpieken: de grote afvoerpieken (bijv. in 2021) duren relatief kort en zijn terug te zien bij golfperioden tot enkele dagen.
- Hydropieken: vrijwel continu aanwezig, tussen 0,1 en 1,5 dagen (2,5 tot 36 uur) met uitzondering van laagwaterperioden in 2020 en 2022. Mogelijk is er op deze momenten te weinig water beschikbaar om energie op te wekken.
Afbeelding 2. Gemeten afvoer bij Borgharen tussen 2020 en 2023 en het bijbehorende wavelet-energiespectrum voor deze periode. De kleurenschaal geeft de energie weer die bij een golflengte en een moment in tijd hoort. Deze energie is genormaliseerd zodat golven met dezelfde amplitude met verschillende schalen dezelfde energie opleveren
Door een selectie te maken van bepaalde golfperiodes zijn verschillende typen golven van elkaar gescheiden (zie afbeelding 3). De gemeten afvoer is hierbij opgedeeld in golfperiodes groter dan 1,5 dag (de natuurlijke afvoer) en tussen 0,1 en 1,5 dag (2,5 tot 36 uur, hydropieken). Het natuurlijke signaal laat een geleidelijk verloop in afvoer zien. De hydropieken zijn relatief korte golven en zorgen voor grote variatie in de afvoer. Het hydropieksignaal ligt rond nul omdat dit uit een periode bestaat met een toename in afvoer en een periode met een afname in afvoer.
Afbeelding 3. De gemeten afvoer bij Borgharen (A) met een uitsplitsing in de natuurlijke afvoervariatie (B) en hydropieken (C). NB: A = B + C
Variaties van de hydropieken
Op verschillende plekken langs de Maas is op basis van gemeten afvoeren de grootte van de gemiddelde hydropiek bepaald (afbeelding 4). Merk op dat een extreme hydropiek (95-percentiel) mogelijk bepalender is voor de habitatgeschiktheid dan de gemiddelde hydropiek. Bovenstrooms bij Chooz (aan de Frans-Belgische grens) zijn tot 2018 geen duidelijke hydropieken zichtbaar. Vanaf dat punt lijken er wel hydropieken op te treden. Dit valt samen met de vernieuwing van stuwen in Frankrijk, wat waarschijnlijk heeft geleid tot een aangepaste sturing van de waterkrachtcentrales en stuwen.
Verder benedenstrooms bij Salzinnes in de Sambre (een zijtak van de Maas) zijn over de gehele periode hydropieken aanwezig. Vanaf Salzinnes neemt de grootte van de hydropieken toe door de stuwen en waterkrachtcentrales in het Belgische deel van de Maas (traject Salzinnes – Amay – Borgharen). Benedenstrooms van Borgharen neemt de grootte van de hydropieken in de Gemeenschappelijke Maas snel af (bijv. nabij meetpunt Maaseik) en bij meetlocatie Venlo zijn ze niet meer zichtbaar.
De Gemeenschappelijke Maas is relatief ondiep, waardoor de ruwheid relatief groot is, en er zijn meerdere aangetakte uiterwaardplassen. Deze combinatie zorgt waarschijnlijk voor de demping van hydropieken in de Gemeenschappelijke Maas.
Er is een duidelijke relatie met de afvoer in de Maas. Bij lagere afvoeren is er minder water beschikbaar en zijn de hydropieken lager. Bij hogere afvoeren neemt de grootte van de hydropiek niet verder toe. Dit is mogelijk het resultaat van een geoptimaliseerde aansturing van de stuwen en waterkrachtcentrales in de Belgische Maas.
Afbeelding 4. Gemiddelde grootte van de hydropieken als functie van de maandgemiddelde afvoer bij Borgharen (2016-2023). De bandbreedte geeft 1x de standaardafwijking weer. De focus ligt op hydropieken bij lage afvoeren (<250 m3/s), omdat deze de grootste impact hebben op de bodemschuifspanning
Effect van hydropieken
Wanneer de hydropieken de Gemeenschappelijke Maas binnenkomen zijn deze relatief groot ten opzichte van de Maasafvoer. Het effect van een hydropiek op de bodemschuifspanning is bepaald met het D-Hydromodel van de Maas. Dit model beschrijft de 2D-stroming in de Gemeenschappelijke Maas. Als randvoorwaarde is op een stationaire afvoer de hydropiek opgelegd met een grootte die overeenkomt met het 95-percentiel (extreme waarde) bij een Maasafvoer van 50 m3/s. De maximaal opgetreden bodemschuifspanning is hierbij vergeleken met die van een stationaire afvoer.
Hydropieken leiden tot meer dan een verdubbeling van de bodemschuifspanningen in de Gemeenschappelijke Maas ten opzichte van een stationaire afvoer. Deze verhoging is het grootst bij lokale ondieptes, grindbanken en drempels. Deze zeer frequente tijdelijke verhoging van de bodemschuifspanning resulteert in een lagere habitatkwaliteit van de Gemeenschappelijke Maas. Bij een te hoge (variatie in) bodemschuifspanning spoelen dieren en planten weg.
Het effect op schuifspanning wordt momenteel verondersteld dé meest bepalende verklaring te zijn voor de achteruitgang van het onderwaterleven in de Gemeenschappelijke Maas. Om in de toekomst te voldoen aan de wettelijke opgave voor de Gemeenschappelijke Maas vanuit de Kaderrichtlijn Water (KRW) en Natura2000 Grensmaas, is het verminderen van de frequentie en amplitude van de hydropieken cruciaal.
Afbeelding 5. Toename in bodemschuifspanning in de Gemeenschappelijke Maas bij 50 m3/s door een extreme (95-percentiel) hydropiek, ten opzichte van een stationaire afvoer
Conclusie
Met de waveletmethodiek kunnen natuurlijke en door de mens veroorzaakte afvoersignalen van elkaar worden onderscheiden. Er is aangetoond dat er hydropieken ontstaan en in omvang toenemen in het Belgische deel van de Maas. In de Gemeenschappelijke Maas leidt dit tot sterk verhoogde en grote variatie in bodemschuifspanningen, waardoor organismen kunnen wegspoelen. Om te voldoen aan de eisen vanuit KRW en Natura 2000 Grensmaas is het noodzakelijk om de frequentie en de grootte van hydropieken te verminderen.
Er lopen initiatieven om hydropieken of hun effecten te verminderen, zoals aangepaste sturing van stuwen en waterkrachtcentrales in België. Ook in Nederland is verder onderzoek nodig naar hoe een andere sturing van stuwen en aanpassingen in de rivier (zoals het verwijderen van drempels) de impact kunnen verlagen.
