Een kantelende zandbak om estuaria te begrijpen

Over estuaria is nog veel onbekend. Onderzoek op natuurlijke estuaria, met modellen of andere experimenten leverde tot nu toe nog niet voldoende inzichten op. Sinds een paar jaar gebruikt de Universiteit Utrecht een grote, kantelende zandbak, de 'metronoom'. Hiermee kunnen onderzoekers op schaal kijken hoe processen zoals de vorming van zandbanken, plaatsvinden in estuaria. Deze kantelende zandbak simuleert factoren die voor estuaria belangrijk zijn, namelijk rivieren, getij en de zee. De eerste resultaten zijn veelbelovend.

Estuaria zijn de plaatsen waar rivieren uitmonden in de zee. Door verschillende processen vormen deze gebieden een dynamisch systeem. Zandbanken en geulen kunnen in een tijdsbestek van weken veranderen. Over een tijdspanne van jaren en decennia kan een systeem zelfs drastisch veranderen. Zo kan de kans op overstromingen toenemen en kunnen geulen dichtslibben.

Estuaria zijn van groot belang van de mens, bijvoorbeeld voor voedselvoorziening en transport. De gebieden rondom estuaria zijn vaak dichtbevolkt. Door de aanwezigheid van zoveel mensen, vinden er veel ingrepen plaats, zoals bedijking en uitbaggeren van vaargeulen. Dit beïnvloedt natuurlijke processen, maar op welke manier is niet goed begrepen. Omdat met name processen op langere termijn slecht kunnen worden onderzocht in natuurlijke estuaria of met behulp van modellen, is het nodig om experimentele estuaria te creëren.

Fysisch geografen over de hele wereld proberen al lang processen in estuaria te verklaren. Op de Universiteit Utrecht gebeurt dit sinds twee jaar met behulp van een 20 meter lange kantelende zandbak, wegens de heen-en-weergaande beweging ook wel de 'metronoom' genaamd. Eerder werd al een kleiner exemplaar van een paar meter gebruikt voor onderzoek. De resultaten daarvan waren zo veelbelovend, dat de experimentele opstelling werd opgeschaald.

Het experiment

Zo’n experimentele opstelling bevat aspecten die een natuurlijk estuarium ook heeft. Aan één kant wordt water de zandbak ingepompt, als toevoer vanuit de rivier. De andere kant van de bak is gevuld met water dat op peil gehouden wordt, wat de zee voorstelt. De ‘rivier’ stroomt langzaam naar de ‘zee’, maar vooral door de kantelende beweging ontstaat er eb- en vloedstroming die sterk genoeg is om het zand te verplaatsen en het landschap te vormen. In de ’zee’ is een golfgenerator geplaatst, die ook golfwerking in het experiment brengt.

Het voordeel van een experimenteel onderzoek ten opzichte van onderzoek in natuurlijke estuaria is dat in de natuur veranderingen meer tijd kosten. Het getij, een van de belangrijkste factoren binnen estuaria, is immers beperkt tot een een- of tweemaal per dag optredend fenomeen. Aan de andere kant is onderzoek met behulp van computermodellen moeilijk door de complexiteit van de systemen. In een experimentele opstelling kan het landschap worden ontdaan van complexiteiten en is er controle over alle omstandigheden. Zo kan de regelmaat van het getij zelf worden bepaald, waardoor in de metronoom één getijdecyclus maar veertig seconden hoeft te duren; 1100 maal zo snel als in de werkelijkheid. Het principe is zo eenvoudig dat er al mini-metronomen van 3 meter lang voor onderwijs gebruikt worden.

Moeilijkheden

Dit klinkt veelbelovend, maar zijn er geen problemen? Leidt de schaling van een estuarium van tientallen kilometers, zoals de Westerschelde, naar een zandbak van 20 meter niet tot verschillen? Er zijn zeker wat moeilijkheden. Zo kan het zand niet met eenzelfde factor verkleind worden als het gehele systeem, omdat het anders klei zou zijn dat zich veel kleveriger dan zand gedraagt. Om het zand toch in beweging te krijgen zorgt de kanteling voor dezelfde beweeglijkheid als in de natuur. Slib wordt nagebootst door gruis van walnotenschalen. De estuaria die nu gevormd worden met deze experimentele opstelling zien er uit als natuurlijke estuaria en gedragen zich ook zo.

Desondanks zijn de gesimuleerde estuaria, zoals in elk model, een versimpeling van de werkelijkheid. In natuurlijke estuaria heeft vegetatie bijvoorbeeld een groot effect op hoe makkelijk de bodem wegspoelt en hoe veel sedimentatie er plaatsvind en er zijn verschillende soorten sediment aanwezig. Daarom wordt er de laatste tijd ook geëxperimenteerd met toevoeging van vegetatie. Hoe dit het beste kan gebeuren wordt nu uitgezocht. Vegetatie wordt in het experiment gebracht door bovenstrooms zaad los te laten, dat dan door de stroming benedenstroom ook komt. De soorten planten worden zorgvuldig geselecteerd. Groeit het wel goed en op de juiste plekken, bijvoorbeeld niet onder water? Heeft het een vergelijkbaar effect op de stroming en op het vasthouden van sediment als natuurlijke vegetatie? Momenteel wordt uitgezocht wat er het beste gebruikt kan worden, maar uit de eerste experimenten lijken mooie resultaten te komen.

BRONNEN

• Kleinhans, M. G., Van der Vegt, M., van Scheltinga, R. T., Baar, A. W., & Markies, H. (2012). Turning the tide: experimental creation of tidal channel networks and ebb deltas. Netherlands Journal of Geosciences, 91(03), 311-323.
• Kleinhans, M. G., Van Rosmalen, T. M., Roosendaal, C., & Van der Vegt, M. (2014). Turning the tide: mutually evasive ebb-and flood-dominant channels and bars in an experimental estuary. Advances in Geosciences, 39, 21.
• Kleinhans, M. G., Scheltinga, R. T., Vegt, M., & Markies, H. (2015). Turning the tide: Growth and dynamics of a tidal basin and inlet in experiments. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 120(1), 95-119.
• Temmerman, S., Bouma, T. J., Govers, G., Wang, Z. B., De Vries, M. B., & Herman, P. M. J. (2005). Impact of vegetation on flow routing and sedimentation patterns: Three‐dimensional modeling for a tidal marsh. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 110.