Ongelijkmatige verbreding van een rivier kan bij hoogwater tot extreme rivierbodemerosie leiden. Dat blijkt uit onderzoek van Wageningen University & Research en Rijkswaterstaat dat op 10 juli in het wetenschappelijke tijdschrift Nature is gepubliceerd. Met een combinatie van veldwerk en rekenmodellen laten de onderzoekers zien hoe de Maas zich tijdens het hoogwater van juli 2021 op onverbrede stukken door ‘flessenhalzen’ moest wurmen, met hoge rivierduinen en diepe erosiekuilen tot gevolg. De rivierduinen zijn mogelijk verantwoordelijk geweest voor een aandeel van 0.25 meter in de stijging van het maximale waterpeil. Daarmee moet volgens de onderzoekers voortaan rekening worden gehouden in hoogwatervoorspellingen.
Op 13 en 14 juli 2021 werden Limburg, België, Duitsland, Luxemburg en Zwitserland getroffen door extreme regenval, toen de Rijn en Maas door depressie ‘Bernd’ buiten hun oevers traden. Het hoogwater kostte 240 mensen in Duitsland en België het leven, en was met een geschatte schade van 32 miljard euro één van de vijf kostbaarste rampen die Europa in de afgelopen halve eeuw trof.
In Limburg viel in 48 uur tijd ruim twee keer zoveel regen als gemiddeld (over 1991-2020) in de hele maand juli valt, en kreeg de Maas extreme hoeveelheden regenwater te verwerken. Nabij Maastricht steeg de afvoer in twee dagen tijd van zo’n 50 m3/s naar 3.310 m3/s.
Voor Hermjan Barneveld, Lieke Melsen, Joris Beemster en Ton Hoitink van de onderzoeksgroep Hydrologie en Omgevingshydraulica bood het hoogwater een unieke kans om, in samenwerking met Rijkswaterstaat, te onderzoeken hoe de erosiekuilen ontstonden en hoe het sediment van de Maas zich verplaatste. Over het gedrag van rivierbodems tijdens overstromingen was tot dusver weinig bekend.
Flessenhalzen
In het bodemonderzoek richtten de onderzoekers zich met name op de smallere rivierdelen van de (Grens)Maas, waar afkalving van oevers en diepe erosie kwetsbare pijpleidingen blootlegde en de veerstoep van een veerpont vernielde. Grote delen van de Maas zijn verbreed in het kader van het programma ‘Ruimte voor de Rivier 1.0’ (ook wel de Maaswerken), maar deze verbreding is niet overal mogelijk en nog niet overal voltooid. Het Wagenings onderzoek laat nu zien wat het effect is van deze ongelijkmatige verbreding.
Barneveld: “Doordat de Maas niet overal evenveel werd verruimd, ontstonden nieuwe \'flessenhalzen\' in de niet of minder verruimde stukken. Daar stroomde het water veel sneller dan vóór de verruiming. Tijdens het hoogwater van 2021 liep dit op tot 20 kilometer per uur. Als het zo hard stroomt, gebeuren er onverwachte dingen onder water."
Onderwaterduinen
Bodemonderzoek dat drie dagen na de hoogwaterpiek werd uitgevoerd, laat zien dat in met name de smallere rivierdelen enorme hoeveelheden grind en zand zijn weggespoeld en dat hier diepe erosiekuilen tot 15 meter diepte ontstonden.
Dit fenomeen bleek te wijten aan ongebruikelijk hoge onderwaterduinen die in de ‘flessenhalzen’ ontstonden en over de rivierbodem wandelden. Al doende spoelden deze duinen eerst de grindlaag en vervolgens het daaronder liggend fijnkorrelig zand weg. Berekeningen van de onderzoekers laten zien dat de plotselinge vorming van rivierduinen en erosiekuilen verantwoordelijk kan zijn geweest voor een aandeel van 0.25 meter in de stijging van het maximale waterpeil.
Hoogwatervoorspellingen houden hier volgens de onderzoekers onvoldoende rekening mee, waardoor piekwaterstanden worden onderschat. “We hebben nu voor het eerst in Nederland gezien hoe groot dit effect van bodembeweging en erosie kan zijn”, aldus Barneveld.
Vergelijkbare erosiekuilen hebben zich voorgedaan in de Mekong, Mississippi, Saskatchewan, Mahakam, Tisza, Rijn, Petit Rhône en Salzach rivieren, en in de Mackenzie- en Rijn-Maasdelta. Waar erosierisico’s zich precies kunnen voordoen is ongewis. "Het probleem is dat informatie over de diepere grondlagen wereldwijd slechts mondjesmaat voorhanden is. Die kennis moet nodig opgebouwd worden, anders zijn maatregelen in rivieren risicovol", stelt Barneveld.
Het gedrag van de Maasbodem in 2021 onderstreept volgens de onderzoekers ‘een dringende noodzaak om de geologische structuur van rivierbeddingen en ingedijkte uiterwaarden te karakteriseren’.
Ruimte voor de Rivier
In de weken na de overstromingen verzamelden de Wageningse onderzoekers, met de hulp van collega’s van de Vrije Universiteit Amsterdam, meer dan 200 sedimentmonsters langs 225 km van de Maas en maten ze op bijna 3.000 locaties de dikte van nieuwe afzettingen. Dit leverde, tezamen met metingen die Rijkswaterstaat al tijdens het hoogwater vanuit meetvaartuigen en vliegtuigen deed om rivierbodem en wateroppervlak in kaart te brengen, waardevolle informatie op over de mobiliteit van het riviersediment.
In de Grensmaas, waar de rivier de grens vormt tussen Nederland en België, bleek het snelstromende water in twee dagen tijd meer zand en grind te hebben meegesleurd dan zich normaliter in 10 jaar tijd verplaatst. Het merendeel van dit sediment werd afgezet op benedenstroomse uiterwaarden, alwaar het bulten van soms meer dan drie meter hoog vormde.
De mobiliteit van het sediment ramen de onderzoekers op 5,5 keer zo hoog ten opzichte van ‘een identieke hoogwatersituatie’ die zich in de Maas voordeed in 1995, toen de rivier nog niet verbreed was. Met modelsimulaties berekenden ze dat zelfs wanneer in 1995 een hypothetische afvoerpiek van 6.000 m3/s zou zijn bereikt, er nog steeds niet zo’n extreme verplaatsing van sediment had plaatsgevonden als in 2021. Dit verschil toont volgens de onderzoekers hoe groot de impact van ongelijkmatige rivierverbreding is.
Risicolocaties in beeld brengen
Het onderzoek laat zien dat een beter begrip van de ondergrond en het gedrag van riviersediment helpt om te identificeren wat risicolocaties zijn voor snelle rivierbederosie. Op die manier kunnen hoogwatervoorspellingen worden verbeterd en valt beter te bepalen welke veiligheidsmaatregelen nodig zijn bij hoogwater.
Eén van de doelen van het programma Ruimte voor de Rivier 2.0 is het tegengaan van bodemerosie in de Maas en Rijn. Rijkswaterstaat maakt daarom plannen om de bodem van de Maas beter in kaart te brengen. “Een belangrijke stap, en ook voor de Rijn belangrijk”, zegt Barneveld, “want we willen met toekomstige rivieringrepen geen nieuwe risicolocaties introduceren, en verbeterde voorspellingen zijn cruciaal bij beslissingen om noodkeringen te maken of mensen te evacueren.”
LEES OOK
H2O Actueel: Tekort aan zand en grind voor herstel rivierbodems
H2O Premium: Ruimte voor de Rivier 2.0: veel ambities, amper budget
