Groeiende gaten

In de computers van overstromingsdeskundigen vinden dagelijks de grootste dijkdoorbraken plaats, met virtuele slachtoffers en schade tot gevolg. Met deze simulaties wordt geschat hoeveel slachtoffers en schade er zijn als op een bepaalde plek de dijk doorbreekt. En hoe snel de polder volstroomt, dus hoe lang de burgemeester heeft om iedereen te evacueren. Vreemd genoeg is over een belangrijke factor voor deze schatting, de grootte van het gat in de dijk, nog weinig bekend.

Zhu liet zijn masterscriptie voor wat het was en begon aan zijn promotieonderzoek in Delft en China. Volgende week promoveert hij op een wiskundig model dat de bresgroei in kleidijken en de hoeveelheid water die door het gat in de polder stroomt bepaalt. Er bestond al wel een model om bresgroei in zanddijken te berekenen. Maar aan de kleidijk, die realistischer is maar door de cohesie in het materiaal ook een stuk ingewikkelder, had nog geen modelleur zich serieus gewaagd. “Om het niet meteen te moeilijk te maken, laat ik de dijkbekleding, bijvoorbeeld gras, en de invloed van de golven buiten beschouwing”, zegt Zhu.

De promovendus bestudeerde, voor hij zijn model maakte, experimenten van anderen. “Ik wilde eerst weten hoe zo’n bres precies ontstaat.” Water dat over de dijk stroomt, vernielt eerst de voet van de dijk aan de kant van de polder. Daar stroomt het water het snelst en komt het ineens hard op de grond terecht. Al snel slijt de waterkering verder en wordt de dijk aan de kant van de polder steeds steiler. “Binnen enkele uren kan de dijk zo instabiel zijn dat hij instort. Het gat dat dan ontstaat wordt gedurende enkele dagen steeds breder. Tot het water aan beide kanten van de dijk even hoog staat, of het water aan de buitenkant . waar de zee of rivier is – lager staat dan het laagste punt van de bres”, legt Zhu uit.

Gewapend met deze fysische kennis, maakte hij zijn model. Omdat een model niet af is voor het getest is, bestelde de onderzoeker een hele hoop zand en klei, een cementmolen en een schep en ging aan de slag.
Juiste mix

Vijf keer bouwde en vernietigde hij een dijk in een goot in het laboratorium voor vloeistofmechanica. “Voor iedere dijk was 1900 kilo zand en klei nodig. Samen met een studentassistent was ik per dijk twee dagen bezig om met een cementmolen nauwkeurig de juiste mix te maken. Daarna kostte het een dag scheppen om de dijk te bouwen.” Een leuke afwisseling van het kantoorwerk, vindt Zhu. “Maar vermoeiend. Ik heb goed geslapen in die periode.”

De proefdijk stond in een soort bak. Van bovenaf liet Zhu aan een kant van de dijk water stromen tot het over de dijk heen ging. Met een digitale videocamera en fotocamera hield hij bij hoe het gat in de dijk zich ontwikkelde. “Ik was er van tevoren wat zenuwachtig over, maar gelukkig verliep het proces zoals ik van tevoren had bedacht.” De gegevens uit deze experimenten op kleine schaal gebruikte hij om zijn model te controleren en verbeteren. Daarna paste Zhu zijn gevalideerde model toe op een echte dijkdoorbraak in zijn moederland China. In 1998 was er een grote overstroming van de Yangtze, waardoor de polders langs die rivier onderliepen. “Omdat de mensen maken dat ze wegkomen als een dijk doorbreekt, is er maar weinig bekend over bresgroei bij echte overstromingen.” Bij deze Chinese doorbraak waren achteraf toch wat gegevens verzameld waarmee Zhu’s model kon rekenen. Het schatte de uiteindelijke breedte van de bres op 274 meter en zat daarmee 40 procent naast de ‘echte’ bres van 390 meter. De hoeveelheid water die door het gat stroomde kwam wel nagenoeg overeen met de werkelijkheid. “Een behoorlijke stap in de goede richting”, vindt Zhu. Toch verwacht hij niet dat ingenieurs het model nu al in de praktijk zullen gebruiken. “Niemand heeft zin om alle vergelijkingen en formules die erin staan in te vullen. Voor mensen het gaan gebruiken, moet het eerst gebruiksvriendelijker gemaakt worden.”

In de computers van overstromingsdeskundigen vinden dagelijks de grootste dijkdoorbraken plaats, met virtuele slachtoffers en schade tot gevolg. Met deze simulaties wordt geschat hoeveel slachtoffers en schade er zijn als op een bepaalde plek de dijk doorbreekt. En hoe snel de polder volstroomt, dus hoe lang de burgemeester heeft om iedereen te evacueren. Vreemd genoeg is over een belangrijke factor voor deze schatting, de grootte van het gat in de dijk, nog weinig bekend.

Zhu liet zijn masterscriptie voor wat het was en begon aan zijn promotieonderzoek in Delft en China. Volgende week promoveert hij op een wiskundig model dat de bresgroei in kleidijken en de hoeveelheid water die door het gat in de polder stroomt bepaalt. Er bestond al wel een model om bresgroei in zanddijken te berekenen. Maar aan de kleidijk, die realistischer is maar door de cohesie in het materiaal ook een stuk ingewikkelder, had nog geen modelleur zich serieus gewaagd. “Om het niet meteen te moeilijk te maken, laat ik de dijkbekleding, bijvoorbeeld gras, en de invloed van de golven buiten beschouwing”, zegt Zhu.

De promovendus bestudeerde, voor hij zijn model maakte, experimenten van anderen. “Ik wilde eerst weten hoe zo’n bres precies ontstaat.” Water dat over de dijk stroomt, vernielt eerst de voet van de dijk aan de kant van de polder. Daar stroomt het water het snelst en komt het ineens hard op de grond terecht. Al snel slijt de waterkering verder en wordt de dijk aan de kant van de polder steeds steiler. “Binnen enkele uren kan de dijk zo instabiel zijn dat hij instort. Het gat dat dan ontstaat wordt gedurende enkele dagen steeds breder. Tot het water aan beide kanten van de dijk even hoog staat, of het water aan de buitenkant . waar de zee of rivier is – lager staat dan het laagste punt van de bres”, legt Zhu uit.

Gewapend met deze fysische kennis, maakte hij zijn model. Omdat een model niet af is voor het getest is, bestelde de onderzoeker een hele hoop zand en klei, een cementmolen en een schep en ging aan de slag.
Juiste mix

Vijf keer bouwde en vernietigde hij een dijk in een goot in het laboratorium voor vloeistofmechanica. “Voor iedere dijk was 1900 kilo zand en klei nodig. Samen met een studentassistent was ik per dijk twee dagen bezig om met een cementmolen nauwkeurig de juiste mix te maken. Daarna kostte het een dag scheppen om de dijk te bouwen.” Een leuke afwisseling van het kantoorwerk, vindt Zhu. “Maar vermoeiend. Ik heb goed geslapen in die periode.”

De proefdijk stond in een soort bak. Van bovenaf liet Zhu aan een kant van de dijk water stromen tot het over de dijk heen ging. Met een digitale videocamera en fotocamera hield hij bij hoe het gat in de dijk zich ontwikkelde. “Ik was er van tevoren wat zenuwachtig over, maar gelukkig verliep het proces zoals ik van tevoren had bedacht.” De gegevens uit deze experimenten op kleine schaal gebruikte hij om zijn model te controleren en verbeteren. Daarna paste Zhu zijn gevalideerde model toe op een echte dijkdoorbraak in zijn moederland China. In 1998 was er een grote overstroming van de Yangtze, waardoor de polders langs die rivier onderliepen. “Omdat de mensen maken dat ze wegkomen als een dijk doorbreekt, is er maar weinig bekend over bresgroei bij echte overstromingen.” Bij deze Chinese doorbraak waren achteraf toch wat gegevens verzameld waarmee Zhu’s model kon rekenen. Het schatte de uiteindelijke breedte van de bres op 274 meter en zat daarmee 40 procent naast de ‘echte’ bres van 390 meter. De hoeveelheid water die door het gat stroomde kwam wel nagenoeg overeen met de werkelijkheid. “Een behoorlijke stap in de goede richting”, vindt Zhu. Toch verwacht hij niet dat ingenieurs het model nu al in de praktijk zullen gebruiken. “Niemand heeft zin om alle vergelijkingen en formules die erin staan in te vullen. Voor mensen het gaan gebruiken, moet het eerst gebruiksvriendelijker gemaakt worden.”