Voor de verkenning van geo-hydrologische parameters van de ondergrond bij dijken worden in veel voorkomende gevallen waterspanningsmetingen (peilbuiswaarnemingen) in de zandlaag uitgevoerd. Daarbij wordt op verschillende plaatsen in een raai loodrecht op de lengte-as van de dijk de (verandering van) waterspanning als functie van de (verandering van) de waterstand in de rivier gemeten. De waterspanning in de zandlaag wordt verder aangeduid als respons. Met behulp van de gemeten respons kunnen, via trial and error, hydrologische parameters van de ondergrond worden bepaald.
De basisvorm van het geo-hydrologische model is een watervoerende zandlaag waarin horizontale stroming optreedt en die afgedekt is door een slecht doorlatende toplaag waarin het spanningswater verticaal kan afstromen. Voor het model zijn verschillende opties mogelijk, namelijk met of zonder weerstand tussen rivier en zandlaag, met of zonder verschillende parameters voor de aquifer/aquitard onder de dijk en in het 'verre' achterland, een wel of niet gelaagde aquifer etc. (zie de Leidraad Rivierdijken, deel II). Deze opties zijn uitgewerkt in bijvoorbeeld het computerprogramma WATEX.
Met behulp van het programma WATEX kan de respons in de zandlaag als functie van de rivierwaterstand bij gegeven hydrologische parameters worden berekend. Omgekeerd kan dit programma worden gebruikt om aan de hand van een gegeven rivierwaterstandsverloop en de bijbehorende respons in de waarnemingspunten, de parameters van het model te 'fitten'.
De methodiek van interpretatie van peilbuiswaarnemingen is ontwikkeld ten behoeve van het voorspellen van extreme waterspanningen die tot opdrijven van de deklaag kunnen leiden en daardoor een potentiële bedreiging voor de stabiliteit van de dijk vormen.
Welke parameters voor de pipinganalyse?
In sommige gevallen kan de methodiek worden gebruikt om parameters, die in de pipinganalyse een rol spelen, te schatten. Met name gaat het om de doorlaatbaarheid van de zandlaag en de lengte van het voorland. Met het laatste wordt bedoeld de afstand tussen een 'fictief' intreepunt en de buitenteen van de dijk. Deze afstand reflecteert de dempende invloed van 'voorland' en van eventuele afsluitende werking van op de rivierbodem afgezette sliblagen. De lengte van het voorland, vermeerderd met de afstand tussen de buitenteen van de dijk en de potentiële (of actuele) opbarstlocatie (slot) achter de dijk, geeft de kwellengte die in de pipinganalyse moet warden gebruikt.
Een nog niet goed opgelost probleem is hoe moet worden omgegaan met metingen waarbij het voorland niet of slechts gedeeltelijk onder water loopt. Een voorkomende situatie is dat het voorland incidenteel (bijvoorbeeld om de vijf à tien jaar) onder water komt en dat derhalve in de ontwerptoestand van een dijkversterking geen informatie beschikbaar is.
Bij de huidige werkwijze in de praktijk wordt er min of meer van uitgegaan dat de resultaten van interpretatie van metingen extrapoleerbaar zijn naar die situaties, waarbij andere aanwijzingen op basis van 'engineering judgement' mede in beschouwing worden genomen.
Wanneer niet bruikbaar?
Schattingen van de fictieve lengte van het voorland op basis van interpretatie van peilbuiswaarnemingen reflecteren een bestaande toestand. Daarbij spelen zaken als slechtdoorlatende afzettingen op de bodem van de rivier en onaangetastheid van de buitendijkse afsluitende deklaag een belangrijke rol.
Wordt in een controle op het mechanisme piping gebruik gemaakt van de op deze wijze geschatte lengte van het voorland, dan zal gewaarborgd moeten zijn dat de bestaande situatie in de toekomst niet in ongunstige zin gewijzigd mag worden. Er moeten dus beheersmaatregelen worden genomen met betrekking tot bijvoorbeeld baggeren in de rivier of afgraven van de buitendijkse deklaag.
Kunnen zulke maatregelen niet genomen worden, of is om andere redenen te verwachten dat de situatie in ongunstige zin gewijzigd kan worden, dan is de onderhavige methodiek niet bruikbaar.
Technische voorwaarden
Andere voorwaarden voor gebruik van de methodiek hebben betrekking op schattingsmethode zelf. Schatting van geo-hydrologische parameters op basis van vergelijking van respons in de zandlaag op fluctuaties van de rivierstand is een invers schattingsprobleem. Moeilijkheid bij zulke problemen is dat de te schatten parameters soms niet eenduidig zijn te bepalen. Bijvoorbeeld, wanneer de rivierstand en potentiaalresponses t.p.v. de peilbuizen (nagenoeg) constant in de tijd zijn (stationaire situatie), dan is het principieel onmogelijk om de doorlatendheid van het zandpakket te bepalen. Immers, in een stationaire situatie is de potentiaalverdeling in het zandpakket onafhankelijk van de feitelijke doorlatendheid (wel van de verhouding tussen horizontale doorlatendheid in het zandpakket en de verticale doorlatendheid van de deklaag). Praktisch betekent dit dat bij zeer langzame variaties van de rivierstand de schatting van de doorlatendheid hoogst onzeker zal zijn.
Een soortgelijke situatie doet zich voor indien het verschil tussen de gemiddelde rivierstand en het polderpeil gering is. De schatting van de lengte van het voorland zal dan uiterst dubieus zijn.
Voorts blijkt uit rekenexercities met het WATEX-model dat sommige geo-hydrologische parameters weinig kritiek zijn. Omgekeerd kan dan verwacht worden dat de schatting van die parameters ook niet nauwkeurig zullen zijn. Dit geldt met name voor consolidatiecoefficiënten. Echter die spelen in de pipinganalyse geen rol.
Samenvattend kan gesteld worden dat:
- Voor schatting van de doorlatendheid van de zandlaag is bruikbaarheid van de methodiek dan alleen te verwachten indien de rivierstand en de responsmetingen een substantiële tijdsafhankelijke (niet-stationaire) component bevatten.
- Voor schatting van de lengte van het voorland (en daar mee de kwellengte voor de pipinganalyse) is bruikbaarheid dan alleen te verwachten indien tijdens de meting een substantieel verval over de waterkering aanwezig is.
Het begrip substantieel is een kwalitatieve indicatie die alleen dient om de kans op succes van de methodiek vooraf enigszins in te schatten. In de verdere uitwerking zal een methodiek gegeven worden om de betrouwbaarheid van parameter schattingen te kwantificeren. Bij toepassing van die methodiek blijkt onmiddellijk of de parameterschattingen zinvol zijn. Echter dit is een controle achteraf. Op basis van bovenstaande criteria kan men zich een teleurstelling achteraf besparen.
Gevoeligheidsanalyse
Na het uitvoeren van een eerste 'parameterfit' moet worden onderzocht of de gevonden schattingen voor de lengte van het voorland en/of de doorlatendheid van de zandlaag, technisch gezien, bruikbaar zijn voor de pipinganalyse. Dit onderzoek gebeurt met behulp van een gevoeligheidsanalyse. Deze dient altijd te worden uitgevoerd.
De waarneming van het piëzometrisch niveau in een peilbuis is behept met een foutenmarge. In de praktijk zal de waarnemingsnauwkeurigheid in de orde van ±5 cm liggen. Dat wil zeggen, het echt aanwezige niveau in een peilbuis kan 5 cm hoger of lager liggen dan de waarneming uitwijst.
Dit betekent dat parametercombinaties, die afwijken van de via fitting gevonden combinatie, en die tot afwijkende (berekende) respons leiden met een afwijking die niet meer is dan ca 5 cm, niet beter of slechter zijn dan de via fitting gevonden parametercombinatie.
Via een 'trial and error' kan worden gezocht naar van de eerste fit afwijkende parameterwaarden die leiden tot een verschil in respons t.p.v. de peilbuizen van maximaal ca 5 cm, ten opzichte van de respons die hoort bij de gefitte parameterwaarden.
Voor de parameters die in de pipinganalyse worden gebruikt kan op die manier gezocht worden naar de meest conservatieve schattingen. Deze kunnen dan worden opgevat als representatieve parameterwaarden voor de pipinganalyse. Met representatief wordt hier bedoeld 'voldoende conservatief', conform de norm NEN6700 en conform de voorlopige richtlijn voor pipinganalyse.
Voorbeeld: Bij een parameterfitting wordt een voorlandlengte van 60 m gevonden. In de gevoeligheidsanalyse wordt gevonden dat een lengte van 45 m leidt tot een maximaal respons verschil t.p.v. de peilbuizen van 5 cm. In dat geval zal in de pipinganalyse moeten worden gewerkt met een representatieve waarde voor de lengte van het voorland van 45 m.
Zou uit de gevoeligheidsanalyse volgen dat een voorlandlengte van 0 m niet leidt tot een responsverschil groter dan 5 cm, dan moet achteraf geconcludeerd worden dat de meting niet bruikbaar is voor schatting van de lengte van het voorland. Zoals eerder is aangegeven kan zich dit voordoen indien het verschil tussen gemiddelde rivierstand en polderpeil erg klein is.
Aanbevelingen
Interpretatie van peilbuiswaarnemingen met behulp een programma zoals WATEX vereist vooralsnog goed inzicht in het geo-hydrologische model dat eraan ten grondslag ligt. De 'trial and error' methodiek vereist ervaring en behendigheid. In beginsel is het WATEX programma niet toegerust met mogelijkheden om het inverse schattingsprobleem automatisch uit te voeren. Het is derhalve 'handwerk'.
De methodiek om met behulp van gevoeligheidsanalyses te onderzoeken of de parameterschattingen technisch bruikbaar zijn en, zo ja, te komen tot representatieve schattingen, is zeer recent ontwikkeld. Het 'trial and error' karakter ervan vereist behendigheid. Aanbevolen wordt om bij toepassing ervan professionele ondersteuning in te schakelen.
Verdere aanbevelingen zijn:
- De aangestipte problematiek rond de situatie waarbij het voorland niet onder water komt te onderzoeken.
- De methodiek voor het inschattingsprobleem en de gevoeligheidsanalyse op een meer wiskundige grondslag te baseren.
