The seasonal mass transport curve of frazil slush and a hanging dam investigation in a gravel-bed river

NATTE VOETEN DOOR IJS

We bevinden ons in St-Raymond, een klein dorp ten noorden van Québec, Canada. Een aantal voorjaarse regendagen hebben net het einde van de lange, koude winter aangekondigd. Enkele inwoners staan op de brug over de rivier en kijken toe hoe een gigantische ijsmassa langzaam in beweging komt en hoe het water zienderogen stijgt. Een kwestie van minuten, hooguit enkele uren, weten ze…

Een mooie plek langs de rivier
Rivieren zijn talrijk in Canada, en waren lange tijd de belangrijkste transportwegen voor de plaatselijke bevolking. Ook in de winter vormden de bevroren waterwegen ideale routes om zich te verplaatsen. Oevers waren vaak de locatie bij uitstek om tijdelijke nederzettingen te bouwen. Toen de Europeanen in Canada aankwamen zagen ook zij het nut van de nabijheid van rivieren. In St-Raymond verdreven ze de indianenstammen om zich definitief langs de rivier te kunnen vestigen. Daarbij zagen ze echter over het hoofd dat ze hun huizen in een overstromingsvlakte aan het bouwen waren. Aan het einde van de 19de eeuw begonnen ingenieurs aan de rivier te sleutelen om overstromingen tegen te gaan. Oevers werden gewijzigd, eilanden verwijderd uit de rivier, zelfs de loop van de rivier werd veranderd. Zeer recent nog, in 2009, bouwde men een dijk langs de oevers. Deze dijk was bedoeld om slechts 1 keer in de 100 jaar een overstroming te laten gebeuren, maar werd al 2 keer overspoeld de laatste 6 jaar. De oorzaak is niet een rekenfout door de ingenieurs, maar wel een factor die ze niet in rekening hebben gebracht: ijs. Een andere structuur die wel gericht is op ijs, werd gebouwd met de bedoeling om ijsvorming te controleren. Ook deze structuur faalde echter meermaals. Blijkbaar is er in St-Raymond nog een moeilijker fenomeen aanwezig dan het ijs dat we aan de oppervlakte zien, namelijk frazil.

Van stroomversnelling tot hangende dam
Stroomopwaarts van St-Raymond vormt de rivier stroomversnellingen, die ter hoogte van de stad tot rust komen in kalmer water. Zoals elders in Québec zakt de temperatuur vanaf eind november onder het vriespunt, om pas eind maart terug de positieve kant van de thermometer te zien. Ondanks de sterke vriestemperaturen, worden de stroomversnellingen niet meteen door ijs bedekt. Er worden ijsdeeltjes gevormd, maar het wilde water sleurt die deeltjes telkens mee in de diepte, zodat ze aan het oppervlak geen ijslaag kunnen vormen. Deze kleine schijfvormige kristallen die in het water zweven, noemt men frazil ijs (Figuur 1). De stroming vervoert het frazil stroomafwaarts, tot de ijskristallen in het kalmere water van de stad naar de oppervlakte drijven. Stroomafwaarts van St-Raymond bevindt zich een dam, die een overblijfsel is van een oude papierfabriek. Tegen de dam komen de frazildeeltjes tot stilstand en beginnen ze een ijslaag te vormen op de rivier. Naarmate de winter vordert en de vrieskou aanhoudt, groeit de ijslaag stroomopwaarts. En zolang de stroomversnellingen bloot staan aan de vrieskou, gaat de frazilproductie door. Een deel van het frazil wordt echter ook onder de ijslaag gezwiept en begint zich daar op te stapelen. Aangezien de ijspartikels lichter zijn dan water, plakken ze tegen de onderzijde van het ijs. Daarom wordt de gevormde ijsstructuur, die bestaat uit ijs met daaronder een dikke frazilafzetting, een hangende dam genoemd (Figuur 2). Dit vormt als het ware een prop in de rivier waar het water nog amper doorheen kan stromen, een vergelijkbaar effect als een dam die water tegenhoudt.

Meten is weten
Nieuw onderzoek van Université Laval is erop gericht doeltreffende maatregelen in kaart te brengen om de wateroverlast in St-Raymond te verminderen. Hiertoe werd in de winter van 2014-2015 een veldonderzoek uitgevoerd om de hoeveelheid frazil te meten die de rivier produceert en naar de stad vervoert en die daar onder het ijs opslaat.

Een dag op het veld om transport van frazil te meten zag er uit als volgt. We kwamen toe op de meetplaats voor zonsopgang, rond 5u in de ochtend, voorzien van lieslaarzen, een koplamp, waterdichte handschoenen, een chronometer, een weegschaal en het meetinstrument om het frazildebiet te meten. Dit laatste bestond uit een baar met 3 ringen waarrond telkens een nylonkous gespannen was (Figuur 3). Daarmee kon op 3 verschillende dieptes de hoeveelheid frazil gemeten worden die in de nylonkousen opgevangen werd. Hiertoe waadden we door de rivier om op verschillende plaatsen over de volledige breedte te kunnen meten. Meten voor zonsopgang was noodzakelijk om het effect van het koudste moment te zien, namelijk de nacht. In de stad zelf werd met behulp van boorgaten in het ijs de dikte van de frazilafzetting gemeten op een honderdtal locaties van de hangende dam.

Op basis van drie aanvullende methoden werd de massa frazil in de hangende dam geschat tussen 300 000 en 420 000 ton. Deze allereerste schatting van de frazilmassa in een hangende dam geeft een idee van de omvang van het probleem, noodzakelijk om maatregelen te bepalen. Zo kan men inschatten hoeveel warmte nodig zou zijn om deze hoeveelheid frazil te smelten. Ook kunnen deze cijfers gebruikt worden als maatstaf voor modellen. De vermindering in frazilmassa die een maatregel teweeg brengt kan dan een maat zijn voor de doeltreffendheid ervan. Het verband tussen de oppervlakte aan stroomversnellingen (waar de frazilproductie plaatsvindt) en de omvang van de hangende dam, kan ook gebruikt worden om in andere gelijkaardige rivieren de problemen een stapje voor te zijn.

Droge voeten in St-Raymond
Met de resultaten van de metingen in de rivier en de boringen in het ijs kan het onderzoeksteam van Université Laval nu verder aan de slag in de zoektocht naar oplossingen voor St-Raymond. Koude voeten zijn niet weg te denken uit het veldonderzoek op ijs. Hopelijk leidt dat voor de inwoners van St-Raymond op een dag tot droge voeten!