Kolkende stromen

De najaarsstormen staan voor de deur. Rijkswaterstaat voert weer massale zandsuppleties uit als kustbescherming. Dat kan gevaarlijke muistromen opleveren. Delftse waterbouwkundigen ontwikkelden een rekenmodel om het proces te bewaken.

ELK JAAR verdrinken mensen in muistromen, de sterke zeewaartse golfstromen tussen zandbanken langs de kust. Wie onverhoopt in een muistroom belandt moet er vooral niet tegenin proberen te zwemmen, zegt onderzoeker dr.ir. Ad Reniers van de TU Delft. ``Want dat verlies je altijd, de stroomsnelheid kan wel twee meter per seconde zijn. Het beste kun je proberen om evenwijdig met de kust te zwemmen tot je uit de mui bent. Of je kunt je met de muistroom laten meevoeren naar dieper water, waar de stroomsnelheid al snel een stuk minder wordt en iets verderop naar de kust terugzwemmen.''

Pas sinds kort zijn de tools beschikbaar om deze golfprocessen, die met name in de branding heel ingewikkeld zijn, te modelleren. Ad Reniers, expert op dit terrein, werkt met krachtige numerieke rekenmodellen, ontwikkeld in samenwerking met het Waterloopkundig Laboratorium. Ze worden stap voor stap verfijnd aan de hand van gedetailleerde veldmetingen middenin de kolkende muigaten. Reniers zat drie jaar in Monterey Bay in Californië om daar de muistromingen in kaart te brengen.

Het model beschrijft hoe de golven variëren in hoogte, in de ruimte en in de tijd, en hoe het sediment zich gedraagt. Het model laat zien hoe de golven de brandingszone ingaan, waar ze breken en welk effect dat heeft op de stromingen. In Monterey werkte Reniers samen met Amerikaanse collega's van de Naval Postgraduate School. Bij laag water plaatsten ze – niet zonder risico – middenin het muigat een metalen buis, die met een spuitlans in de grond wordt verankerd. Op deze buis zitten waterdichte meetinstrumentjes om zaken als stroomsnelheden, inkomende golfenergie, richting en golfperiode te meten. ``Als je beter begrijpt wat de mechanismen zijn, kun je ook voorspellen onder welke condities er muistromen zullen optreden'', zegt Reniers. ``Als je bijvoorbeeld weet dat er brekerbanken voor de kust liggen en je kent de golfpatronen, dan kan het model aangeven in hoeverre er problemen met muistromen te verwachten zijn.'' De Amerikaanse marine is in deze kennis geïnteresseerd met het oog op amfibische landingsoperaties in onstuimig water.

Volgens de Delftse hoogleraar waterbouwkunde Marcel Stive is deze kennis ook voor de Nederlandse kustbescherming van groot belang. ``Rijkswaterstaat voert 's winters grote zandsuppleties uit, bijvoorbeeld voor de kust van Egmond. Daardoor veranderen we de bodem voortdurend. Her en der ontstaan banken en kuilen. Dat maakt het systeem gevoeliger voor het ontstaan van muistromen en verkeerd uitgevoerde zandsuppleties werken dat in de hand. Een goed rekenmodel kan ertoe bijdragen zandsuppleties veilig uit te voeren.'' Muistromen hebben ook gevolgen voor de mate van duinafslag. Stive: ``Te vaak veronderstellen de waterschappen bij het berekenen van de duinafslag dat de kust overal hetzelfde is – in werkelijkheid is dat lang niet het geval.'' Vorig jaar publiceerden Reniers en Stive in Science over hun onderzoek naar het grillige gedrag van zandbanken op de zeebodem.

bloemkool

Muien ontstaan vooral naast de strandhoofden, de kribben in zee die als kustbescherming dienen. Op luchtfoto's van de Noordzeekust zijn de muien herkenbaar aan het fraaie bloemkoolpatroon van de `sedimentpluimen' die het snelstromende water aan weerszijden van de muistroom opwervelt. Waar de mui het nauwst is, is de stroomsnelheid het grootst en wordt het sediment snel zeewaarts gebracht. Buiten de brandingszone waaiert de muistroom uit en daar is de `bloemkool' op zijn breedst. Bij golfbrekers staan waarschuwingsborden, die het zwemmen tot op 50 meter afstand verbieden. Maar ook op onverwachte plekken langs een rechte kust zonder kribben kunnen muistromen ontstaan. En daarvoor hoeft het niet speciaal slecht weer te zijn. ``Ook op een kalme dag kunnen mensen in een onverwachte muistroom verdrinken'', zegt Ad Reniers.

Het waterniveau bepaalt waar golven breken. Voor de kust breken de golven op ondiepe zandbanken onder de waterspiegel. Een brekende golf draagt een deel van zijn energie (impuls) over aan het water. Hierdoor wordt de waterstand tussen de zandbank en het strand zo'n 10 cm opgestuwd. In het gat tussen twee zandbanken breken de golven niet, hier zal de gemiddelde waterstand lager blijven. Doordat het aan weerszijden opgestuwde water vanzelf naar de plek met de lagere waterstand stroomt, ontstaat achter de zandbanken een sterke zeewaarts gerichte stroming door het muigat, de opening tussen de zandbanken, door.

Reniers: ``Het getij bepaalt vooral hoeveel golven er zullen breken. Bij hoog water rollen de binnenkomende golven gewoon over de zandbanken heen en dan ontstaat geen sterke muistroming. Dat gebeurt pas bij wat lagere waterstanden. Bij nog lagere waterstanden, als alle golven voor de kust breken, zal de muistroom weer zwakker zijn. Hij varieert dus erg met het getij.'' Bovendien kan de muistroom om de paar minuten flink in sterkte toenemen of weer afnemen doordat de hoogte van golfgroepen voortdurend verandert en de waterstand verandert mee. ``Je ziet dat hele systeem als het ware ademen'', zegt Reniers. ``Surfers weten dat heel goed en profiteren ervan.''

afdrijven

Bij de strandhoofden is de situatie nog complexer indien de golven schuin invallen. Vlak achter de kribben ontstaan schaduwplekken waar weinig golven breken. Op de plek waar de golven wèl breken, wordt het water extra opgestuwd en dat leidt tot het ontstaan van een sterke stroom langs de kust richting de kribben, die vervolgens als een muistroom langs de kribben naar buiten gaat. Aan de andere zijde wordt de door de golven opgewekte brandingsstroom geblokkeerd door de kribben en deze stroom gaat vervolgens ook als een muistroom naar buiten. Het is diezelfde brandingsstroom die ervoor zorgt dat je als zwemmer soms ongemerkt afdrijft bij je handdoek op het strand vandaan. Het ontstaan van muistromen is sterk afhankelijk van de richting van de golf. Golven die loodrecht op de kust breken, wekken de sterkste muistroom op tussen brekerbanken. Breken ze echter schuin op de kust, dan wordt een deel van hun energie omgezet in de brandingsstroom die evenwijdig aan de kust stroomt. Met als gevolg dat de muistromen nabij strandhoofden juist sterker zijn bij schuin invallende golven.

Langs buitenlandse kusten liggen soms prachtige pocket beaches, strandjes tussen twee grote rotspunten. Als de bodem geschikt is, pellen de aanrollende golven bij de rotspunt prachtig af. Surfers maken daar graag gebruik van. Ze wachten bij het rif op geschikte golven. Maar bij de rotspunten ontstaan, net als bij strandhoofden, ook circulatiestromen. Daardoor ontstaan muien. Als de afstand tussen de beide rotspunten groot genoeg is, kunnen daar tussenin nog meer muistromen ontstaan. Soms zelfs een hele serie, zo blijkt ondermeer uit onderzoek naar kustgedrag in Palm Beach in Australië. Hier zijn de golven bijzonder energierijk en krachtig. ``Als zwemmer hou je daar je hart vast'', zegt Stive, ``en die golven breken daar ook veel krachtiger. Zelf als zo'n golf maar één meter hoog is, word je ondersteboven geslingerd, je komt proestend boven.''

Reniers: ``Je moet in elk geval nooit in paniek raken. Dat geldt ook als je muistroom in moet zwemmen om je instrumenten schoon te maken. Dat moet nu eenmaal van tijd tot tijd gebeuren. Je moet gewoon wachten op het juiste moment om erin te zwemmen. En na het schoonmaken blijf je aan die paal hangen en dan wacht je een paar minuten tot de zee weer kalm genoeg is om veilig weg te zwemmen. Een veiligheidslijn aan je pak? Nee, dat nooit. Anders raak je hopeloos verstrikt in al die instrumenten.''

Dankzij de uitgebreide datasets die Reniers in het Californische veldonderzoek verzamelde om het model te verifiëren kunnen ook morfologische ontwikkelingen in de zeebodem steeds beter worden voorspeld. Eind volgend jaar vertrekt hij voor langere tijd naar Palm Beach, Australië voor een reeks nieuwe veldexperimenten. Reniers: ``Zo kunnen we steeds beter voorspellen waar de zandbanken verschijnen en de muigaten ontstaan. Alleen zitten ze na elke storm weer op een andere plek. Uiteindelijk hopen we tot een waarschuwingssysteem voor zwemmers en surfers te komen.''