Een belangrijk begrip bij waterhuishouding is de waterbalans. Daarbij wordt voor een bepaald systeem bekeken hoeveel water erin komt, hoeveel in het systeem wordt opgeslagen en hoeveel eruit gaat). De waterbalans is altijd in evenwicht.
Voor de berg geldt de volgende waterbalans:
Hieronder zijn een aantal aspecten van de waterbalans wat verder uitgewerkt.
Neerslag
Op de berg hebben we te maken met regen en (in het voorjaar) smeltwater dat afgevoerd moet worden. Hoeveel neerslag zal er gaan vallen op deze berg? In Nederland valt (afhankelijk welke bron we raadplegen) gemiddeld ongeveer 750-900mm neerslag. Laten we eens uitgaan van het hogere getal aangezien het op de berg door de hoogte waarschijnlijk iets meer zal regenen. Het (loodrechte) oppervlak van de berg (met een diameter van het grondvlak van 12km) is gelijk aan 113.097.336 m². Dat betekent dat op jaarbasis ongeveer 113.097.336 x 0,9 = 101.787.602m³ = 101.787.602.000 liter water op de berg valt. Dit water verdampt voor een groot deel (zie volgende paragraaf) of infiltreert in de bodem (zie paragraaf over grondwater). Het water dat daarna nog overblijft stroomt via het oppervlak van de berg af.
Verdamping (evaporatie)
Verdamping is een belangrijke factor in de waterbalans. Voor de berg is de verdamping boven land (= evapotranspiratie = evaporatie + transpiratie door planten) van belang.
Voor het berekenen van evapotranspiratie bestaan verschillende modellen, de meest gebruikte is de formule van Penman. Hiermee kan de potentiële evapotranspiratie worden berekend (modelberekening).
Het uitrekenen van de actuele (werkelijke) evapotranspiratie is geen eenvoudige zaak omdat deze afhankelijk is van vele variabelen zoals de hoeveelheid zonneschijn (energie), de luchtvochtigheid, de windsnelheid, de aanwezige beschikbaar water (als er geen water is valt er niks te verdampen ;-) en de locale vegetatie (soort en hoeveelheid). Op de website van WaterWatch vinden we een kaart met de actuele evapotranspiratie gegevens over de periode maart-augustus berekend door middel van satellietbeelden en meteorologische observaties. Goed te zien is dat de lokale verschillen in verdamping groot zijn. Grote wateroppervlakken zoals meren hebben een hoge evaporatie.
Op wikipedia lezen we over evapotranspiratie in Nederland:
De referentie-gewas-verdamping hangt sterk samen met de zonnestraling en is 's zomers daarom veel groter dan 's winters. In De Bilt verdampt er door het referentie-gewas jaarlijks ongeveer 540 mm. Over de hele maand januari is de verdamping ongeveer 8 mm tegen 90 mm over juli. In april/mei verdampt er gemiddeld ongeveer 2,5 mm per dag, maar op zonnige dagen, zoals in mei 1998 verdampt de dubbele hoeveelheid. Op zeer warme, zonnige en winderige dagen in juli kan de verdamping wel 7 mm per dag bedragen.
Als er 900mm op jaarbasis aan neerslag valt en daarvan verdampt 540mm per jaar, dan houden we per saldo over 900-540 = 460mm/jaar. Invloed van hoogte speelt hierbij natuurlijk ook een rol. Hoe kouder des te minder verdamping plaatsvindt. Het getal 540 gaat uit van de situatie bij het KNMI in De Bilt (+2.0m NAP). Waarschijnlijk zal er dus minder water verdampen maar hoeveel precies dat is moeilijk te bepalen.
Grondwater
Een groot deel van het water zal in de berg infiltreren en naar het grondwater zakken. De mate van infiltratie hangt o.a. af van de hellingshoek, het bodemmateriaal aan het oppervlak en de mate van begroeiing.
Bij een steile hoek heeft het water minder kans om in de bodem te infiltreren en vindt meer afstroming via het oppervlak plaats. Het bodemmateriaal is een belangrijke factor voor de infiltratie; zo heeft zand een veel hogere infiltratiecapaciteit dan bvb klei, zie onderstaand grafiek.
Dit betekent dat het materiaal dat voor het oppervlak van de berg wordt gebruikt een heel belangrijke factor is voor de mate van oppervlakkige afstroming van water. Daarnaast is ook (mate en type) begroeiing van belang, die neemt immers ook veel water op, waardoor minder water richting grondwater gaat.
De grondwaterstroming in de berg is vergelijkbaar met bvb de Veluwe, de Utrechtse Heuvelrug, de duinen aan de Noordzee en de waddeneilanden. Deze gebieden bestaan uit zand met een goede doorlatendheid.
De snelheid waarmee het grondwater zich verplaatst is sterk afhankelijk van het type materiaal waaruit de berg is opgebouwd. Zware klei heeft een zeer lage doorlatendheid van 0,00001m per dag; in 100.000 dagen legt het water daarin dus 1 meter af. Fijn zand heeft een doorlatendheid van 1 meter per dag, grof zand 10 meter en in grind kan het richting 100 meter per dag gaan. Als we ervan uitgaan dat de berg met fijn zand wordt gebouwd dan doet een druppel die op 3000m valt er 3000/365 = 8,2 jaar over om de voet van de berg te bereiken.
Via het grondwater zal het water uiteindelijk aan de voet van de berg in de vorm van kwelwater uitstromen. Onder het midden van de berg zal zich echter een zoetwaterlens vormen net zoals dat gebeurt onder de duinen en de waddeneilanden! Op de website wateropdewadden lezen we dat de “rule-of-thumb” voor de diepte van een zoetwaterbel luidt
Op deze website lezen we dat de vorming van een zoetwaterbel veel tijd kost. Bij een zandlichaam van 4000m breedte duurt het 500 jaar (zie tabel).
Het verband is lineair dus voor een berg met een 12000m brede basis zal het 12000/4000*500= 1500jaar duren voordat een stabiele eindsituatie wordt bereikt.
Oppervlaktewater
In de paragraaf over neerslag hadden we al uitgerekend hoeveel neerslag er ongeveer zal vallen op de berg, namelijk 101.787.602m³. Een jaar heeft 60x60x24x365 = 31.536.000 seconden, het debiet (de afvoer van water in kubieke meter per seconde) is dan 101.787.602 / 31.536.000 = 3,23 m³/s. Eigenlijk best weinig, zeker gezien het feit dat veel van de neerslag die op de berg valt zal verdampen en infiltreren en niet via rivieren zal afstromen, waardoor het werkelijke debiet nog veel minder zal zijn. Ter vergelijking, bij Lobith voert de rijn gemiddeld 2.300 m³/s af, de maas 230 m³/s. De Maas is een regenrivier, de afvoer vertoont daardoor grotere verschillen. De Rijn heeft een regelmatiger afvoer door smeltwater uit de Alpen in de zomer. De waterafvoer van een 3000m hoge berg zal lijken op dat van de Rijn, met in de zomer afvoer van smeltwater.
In dit overzicht zijn de afvoeren van de belangrijkste rivieren in de wereld af te lezen.
Voor de afvoer van water via het oppervlak van de berg is een ingenieus drainagesysteem nodig om erosie door water te voorkomen. We kunnen kunstmatige riviertjes aanleggen waarop allerlei coole buitensportactiviteiten georganiseerd kunnen worden! Die 3,23 m³/s (zeg maar een riviertje van 3m breed en 1m diep...) is echter niet voldoende om lekker op te kunnen raften. In het voorjaar en najaar zal het debiet iets hoger zijn maar in de zomer kan de afvoer in perioden van droogte wel eens compleet stilvallen... We zullen dus spaarbekken moeten aanleggen die in de zomer leeglopen om het debiet in de rivier op een constant peil te houden. Dat leeglopen van die spaarbekkens kunnen we natuurlijk combineren met het opwekken van hydro-energie.
De vorm van rivieren is o.a. afhankelijk van het hellingspercentage. Bij steile hellingen ontstaat een zogenaamd vlechtend (“braided”) rivierpatroon. Wanneer de hellingshoek lager wordt onstaat een meanderend patroon zoals wij dat kennen in Nederland. In onderstaand figuur zijn de verschillende vormen mooi weergegeven. Zie voor details over de verschillende riviervormen deze website.
Ook interessant is het drainagepatroon (drainage pattern) van de waterstromen op de berg. De geomorfologie (vorm) van de berg lijkt erg op die van een vulkaan, een ronde en redelijk uniforme kegelvorm. Op een vulkaan ontstaat een radiaal afstromingspatroon waarbij rivieren naar buiten toe uitwaaieren.
Een mooi voorbeeld van een radiaal drainagepatroon is te zien op de Vesuvius vulkaan in Italie (bron).
Zeestromingen
De zeestromingen in de noordzee worden voor een belangrijk deel veroorzaakt door de getijden. Hoe lopen de huidige zeestromingen eigenlijk precies? Dit is mooi weergegeven in onderstaande figuren (bron).
De huidige getijdenstroming wordt ook mooi weergegeven in onderstaande animaties.
Duidelijk te zien is dat het water zich als een golf van zuid naar noord langs de Nederlandse kust verplaatst. Ook is goed te zien dat in de smalle gebieden (het Kanaal tussen Frankrijk en Engeland en het smalle zeestraat tussen Engeland en Ierland) de stroomsnelheden en getijdeverschillen groter zijn. Dit effect treedt ook op tussen de waddeneilanden, waar grote hoeveelheden water bij iedere getijdecyclus tussen de eilanden door wordt geperst, waardoor de stroomsnelheden tussen de eilanden bij eb en vloed zeer hoog zijn, tot 2.05 m/s (zie figuur).
Wanneer de Berg in zee wordt gebouwd dan zal dit invloed hebben op de zeestromingen en getijden. Een berg voor de kust van Nederland zal de huidige getijdenstroom verstoren. In het gebied tussen de berg en de kust zal de stroomsnelheid toenemen en de hoogte van het getij veranderen (grotere verschillen).
Met een interactieve animatie kan worden geexperimenteerd met het effect van versmalling van een doorlaat op de stroomsnelheid.
Een ander fenomeen dat gaat optreden aan de stroomafwaartse zijde van de berg is turbulentie. In onderstaande animatie is mooi te zien hoe achter een circelvormig object (in deze meetopstelling wordt gebruik gemaakt van een glazen buis in het water, waarachter allerlei turbulentie optreedt. Wanneer de berg voor de Nederlandse kust wordt gebouwd dan zullen dergelijke turbulentiestromen gaan optreden.
Deze kunnen invloed hebben op de huidige kustlijn, locale erosie maar ook sedimentatie is mogelijk. De precieze gevolgen kunnen alleen met nummerieke rekenmodellen worden doorgerekend maar dan moet de exacte plaats van de berg bekend zijn.
Naar Inhoudsopgave
Naar Vorige
Naar Volgende
No comments:
Post a Comment