Sluizen IJmuiden

Een groot deel van Nederland is veilig dankzij grote kunstwerken die ons beschermen. Sluizen, stormvloedkeringen, de deltawerken, dijken en dammen vormen samen een complex systeem van waterkeringen, dat ervoor zorgt dat 60% van ons lage achterland niet overstroomt. Rijkswaterstaat is verantwoordelijk voor deze infrastructuur. Deltares speelt een grote rol bij het testen van de veiligheid en de functionele levensduur van de kunstwerken.

Nederland heeft een bloeiende economische scheepvaarttransportsector. Om onze havens bereikbaar te houden voor de steeds groter wordende tankers en vrachtschepen zijn aanpassingen in de bestaande infrastructuur nodig. Ter vervanging van de Noordersluis in IJmuiden wordt naast de bestaande sluis Zeesluis IJmuiden gebouwd, de grootste sluis ter wereld: 70 meter breed, 545 meter lang en 17,75 meter diep. Ook in Terneuzen wordt één van de huidige sluizen vervangen. Die grotere sluizen zorgen voor meer indringing van zoutwater, ook daar is een oplossing voor onderzocht.

Testen op schaal

Vanaf de planstudie tot het hydraulisch ontwerp is Deltares nauw betrokken bij het ontwerp van de nieuwe IJmuider zeesluis. Nieuwe sluizen worden zo ontworpen dat schepen veilig kunnen passeren en er zo weinig mogelijk oponthoud is. Deltares heeft in opdracht van RWS samen met MARIN en het Waterbouwkundig Laboratorium in Borgerhout als eerste naar de nautische aspecten gekeken. Schaalmodelproeven en real-time manoeuvreersimulaties lieten zien hoe breed en hoe diep de sluis moest worden om er veilig in te kunnen varen. Een referentieontwerp van het nivelleersysteem is vastgesteld op basis van numerieke simulaties en vervolgens getest in een nieuw gebouwde schaalmodelfaciliteit bij Deltares. De zeesluis met beide voorhavens, volledig functionerende sluisdeuren en nivelleerschuiven, is in detail nagebouwd (op schaal 1:40).

Na gunning van de bouwopdracht aan aannemerscombinatie OpenIJ is het definitieve ontwerp van het nivelleringssysteem ook getest in dezelfde schaalmodelfaciliteit. In opdracht van Rijkswaterstaat is onder andere onderzocht hoe dichtheidsverschillen het nivelleerproces beïnvloeden en of het ontwerp van de nieuwe sluis hydraulisch veilig is.

Noordersluis

400x50 m

500x70 m

Verdiepte bak nieuwe sluis

13,75m

max.

diepgang

schepen

Zeelsuis

Oude sluis

Nieuwe sluis

schepen per jaar

Bron: Rijkswaterstaat

Zoutindringing tegengaan door selectieve onttrekking

Selectieve onttrekking zal worden toegepast om de toename aan zout water dat ten gevolge van de nieuwe zeesluis van IJmuiden het Noordzeekanaal op komt, af te voeren via de spuisluis en het gemaal. Een strategisch geplaatst zoutscherm aan de mond van het Binnenspuikanaal zorgt ervoor dat met name het zwaardere zoute water wordt teruggevoerd naar zee, terwijl het zoetere water achterblijft in het Noordzeekanaal.

Een zoutscherm is eerder toegepast in Den Helder, met goede resultaten. De stroming rondom het sluizencomplex is echter complexer, waardoor de werking van een zoutscherm hier beter moest worden onderzocht. In opdracht van Rijkswaterstaat heeft Deltares de effecten van het zoutscherm op grote schaal doorgerekend in een Delft3D model, waarin het hele Noodzeekanaal en een deel van het Amsterdam-Rijnkanaal wordt meegenomen.

Rijkswaterstaat wil weten hoeveel zout er via de sluizen binnen komt en hoeveel hiervan direct weer kan worden afgevoerd naar zee via de spuisluizen en het gemaal

Speciaal voor dit project zijn er modellen van de voorhaven van IJmuiden ontwikkeld en is er een schaalmodel gebouwd. Deze modellen zijn vervolgens weer gekoppeld aan het Delft 3D model, waarmee de effecten op het achterland zijn bepaald. Het 75 meter lange schaalmodel ligt in de faciliteitenhal van Deltares. Twee aparte pijpleidingen pompen zout- en zoetwater met 30 liter per seconde het schaalmodel in aan de kant van het Noordzeekanaal. De tweelagen-stroming stroomt dan richting het zoutscherm en de geschematiseerde spuisluizen.

Het zoute water uit de onderlaag stroomt onder het scherm door en het grootste deel van het zoete water wordt tegengehouden, waardoor het bijna stil staat. Door het afgevoerde water uit het schaalmodel vervolgens op te vangen in tanks en het zoutgehalte met pekel weer op peil te brengen wordt het zoute water hergebruikt. Het zoete water blijft grotendeels achter in het model.

De resultaten uit het schaalmodel werden vergeleken met de resultaten uit de computerberekeningen. In totaal worden er 150 meetgegevens per seconde opgeslagen in het schaalmodel, die werden gebruikt in de rekenmodellen. Er werd hierbij speciaal gekeken naar de stromingen rondom het zoutscherm en de dichtheid van de waterlagen. Deze bepalen uiteindelijk de effectiviteit van het zoutscherm. Het doorrekenen en testen heeft bij elkaar een jaar geduurd.

De dichtheid van zout- versus zoetwater

Een zeesluis heeft aan de ene kant van de kolk zoutwater en aan de andere kant zoetwater. Zoutwater is zwaarder dan zoetwater en bij het vullen of ledigen van de sluis en na het openen van de sluisdeur zorgen deze verschillen in dichtheid voor stromingen in de sluiskolk. Het zoute water zakt naar de bodem en het zoete water stroomt hier overheen. Dit leidt tot grote krachten op de schepen die afgemeerd liggen in de sluiskolk en potentieel tot onveilige situaties zoals het breken van trossen of te grote scheepsbewegingen met zelfs aanvaringen tot gevolg.

Het zoute water dat via de sluizen in het kanaal terecht komt, kan een bedreiging vormen voor de zoetwatervoorziening in het achterland. Op den duur kan het zorgen voor een lokaal tekort aan zoetwater voor gebruik in de landbouw en als drinkwater, want bij oplopende zoutbelasting van het Noordzeekanaal kan brak water zich verder verspreiden in het kanalensysteem dan nu het geval is. Hierdoor kunnen de innamelocaties van de waterschappen en drinkwaterbedrijven onbruikbaar worden. Het is dus belangrijk om ervoor te zorgen dat er op die locaties zoet water is voor de doorspoeling van polders, landbouw, kwetsbare natuur en drinkwater. Het is dus noodzakelijk om de extra zoutbelasting door de nieuwe Zeesluis in balans te houden met de afvoer van verzilt water naar zee. Dit kan door selectieve onttrekking.

Het schaalmodel van de Zeesluis IJmuiden is recent omgebouwd, waarna het gebruikt is voor het testen van de hydraulische ontwerpen van de nieuwe sluis bij Terneuzen. De schaalmodelonderzoeken, in combinatie met veldmetingen en numeriek rekenwerk, leverden essentiële kennis voor een veilig hydraulisch ontwerp van twee van de grootste zeesluizen ter wereld.