Leren van dijkdoorbraken met ILPD

Het falen van een waterkering kan vele mensen het leven kosten en grote economische schade veroorzaken, zoals de Watersnoodramp van 1953 en de overstroming van New Orleans hebben laten zien. Nederland heeft strenge veiligheidsnormen voor dijken. Om er zeker van te zijn dat dijken inderdaad de sterkte bieden waarop gerekend wordt, moeten de faalmechanismes goed begrepen worden. Vaak zijn evenwel de dijkopbouw, het gedrag tijdens kritieke omstandigheden, de hoeveelheid reststerkte en de modellering van het faalproces nog onzeker. Er blijft behoefte aan meer inzicht in deze onzekerheden en dus is validatie en kalibratie van modellen nodig. Dit kan met experimenten op ware grootte, helaas zijn dit soort experimenten kostbaar en uitdagend; zeker omdat ruimtelijke variatie in de ondergrond een belangrijke rol speelt, maar moeilijk te reproduceren is.

Historische dijkdoorbraken geven inzicht in daadwerkelijke faalprocessen en -condities en zijn daarom een belangrijke aanvullende bron van informatie. Wereldwijd wordt veel onderzoek verricht naar het falen van dijken, bijvoorbeeld na de grote overstromingen in New Orleans in 2015 en die in Duitsland (Elbe, 2002 en 2013). Deze informatie heeft betrekking op faalprocessen en mechanismen (erosie door overslag, piping, instabiliteit, bresvorming) die ook voor Nederland direct relevant zijn. Door deze informatie beschikbaar te maken en lessen te trekken uit het verleden, kunnen we in toekomst dit soort catastrofale gebeurtenissen voorkomen en dijkbeheer verbeteren. 

Leren van dijkdoorbraken 

De ‘International Levee Performance Database’ (ILPD) is opgezet, om het delen van gegevens over dijkdoorbraken makkelijker te maken. Naast informatie van historische dijkdoorbraken, bevat de database ook experimenten en data van dijken die niet zijn gefaald tijden extreme hoogwatercondities. De ILPD is de database voor systematische analyses, omdat dijkinformatie is gestandaardiseerd en geclassificeerd zodat eenvoudig events en faalgevallen van over de hele wereld kunnen worden vergeleken. Bovendien wordt – waar gegevens beschikbaar zijn – inzicht gegeven in opgetreden belastingen, faalmechanismen, eigenschappen van de dijk en ondergrond.

Met echte data kunnen we faalmechanismes beter begrijpen en toekomstige doorbraken voorkomen. Daarnaast krijgen dijkbeheerders door het delen van internationale ervaringen van doorbraken en bijna-doorbraken, meer inzicht over wat ze kunnen verwachten tijdens extreme omstandigheden en kunnen crisismanagers zich beter voorbereiden op een overstroming. De ILPD is daarom geschikt om faalmodellen en dijkontwerpen te verbeteren en kennis over crisisbeheersing te vergroten. 

Toepassing van de ILPD

De database bevat data over faalgevallen tijdens extreme catastrofale gebeurtenissen, faalgevallen tijdens de constructie van een dijk en van faalgevallen tijdens experimenten op zowel kleine- als grote schaal. Daarnaast beschikt de ILPD over informatie over de gevolgen (zoals schade, overstroomd gebied en aantal gekoste mensenlevens). De database is onder andere bedoeld voor onderzoekers, experts en dijkbeheerders en is geschikt voor de toepassing in de volgende gebieden: 

Beoordeling, ontwerp en management: Met de ILPD kunnen aan de hand van echte faalgevallen de verschillen tussen de praktijk en modelberekeningen worden verkleind, stabiliteits- en piping-modellen worden verbeterd, faalpaden gebruikt worden en kan inzicht worden verkregen in de correlatie tussen de verschillende faalmechanismen. 

Crisismanagement: Door eerdere overstromingen wordt het belang van inspectie en de uitvoering van noodmaatregelen zichtbaar. Ook leren beheerders over de verschillende faalmechanismen (het herkennen en de snelheid van optreden). 

Data science: Met de gestandaardiseerde informatie over dijkdoorbaken een faalgevallen kan datagedreven onderzoek worden uitgevoerd om fysische kennis en analyses te complementeren. Ook kunnen bestaande modellen systematisch worden gevalideerd en kan de nauwkeurigheid worden geëvalueerd. Verder is de data uit de ILPD eenvoudig te combineren met andere databronnen (zoals satellietdata of sensordata). 

Gebruik database

De ILPD is te bezoeken via de website ‘leveefailures.tudelft.nl’, waarvan de gegevens gratis gedownload kunnen worden en openbaar zijn. Wanneer de website bezocht wordt, ziet de gebruiker op de startpagina een interactieve kaart. Elke stip op de kaart vertegenwoordigt de locatie van een faalgeval. Onder de kaart is de lijst te zien met alle getoonde faalgevallen. Na selectie van een specifiek faalgeval verschijnt de algemene informatie over de case en kan eventuele media worden bekeken. Aan de linkerkant van de kaart kunnen filtercriteria worden geselecteerd. Er kan op diverse parameters gefilterd worden zoals op jaar, land, geometrie eigenschappen, faalmechanismes en verdedigingstype (dijken, dammen, duinen, etc.). 

De data in ILPD is in te delen in drie niveaus, waarvan de mate van detail toeneemt:

Niveau 1 – Algemene informatie – geeft algemene informatie over meer dan 1500 individuele faalgevallen en overstromingen. De data bestaat voornamelijk uit informatie over de dijk (geometrie, locatie, materiaal, etc.), de hydraulische randvoorwaarde (waterpeil, piekafvoer, terugkeertijd, etc.), de bres, de bodemeigenschappen, het beheer en de gevolgen. Maar niveau 1 data kan ook bestaan uit referenties, video’s en foto’s. 

Niveau 2 – Geavanceerd – bevat goed gedocumenteerde informatie over 59 faalgevallen en bijna-faalgevallen uit het verleden, gebaseerd op bijvoorbeeld veldbezoeken en grondgegevens. De informatie is bedoeld om meer inzicht te geven in de fysische processen en het valideren van rekenmodellen. Tot dit niveau behoren bijvoorbeeld faalgevallen uit 2005 in New Orleans en omgeving na orkaan Katrina. En in detail geanalyseerde dijkdoorbraken en bijna-doorbraken in Duitsland, waar in 2020 extreme regenval tot enorme waterstanden leidde in de Elbe rivier. 

Niveau 3 – Diepgaand – bevat gedetailleerde informatie van veertien casussen over het faalproces inclusief informatie over de geotechniek en tijdsafhankelijke hydraulische randvoorwaarden. De data in dit niveau is voornamelijk verkregen door de uitvoering van grootschalige experimenten. Zoals de data verkregen door de uitvoer van lab experimenten in 2002 in Noorwegen. In deze experimenten zijn op ware grootte verschillende dijken gebouwd met variërende grondeigenschappen. Vervolgens is een dijkdoorbaak (veroorzaakt door overslag en piping) gesimuleerd en is er voor elke doorbraak een gedetailleerde rapportage beschikbaar gesteld over de vorming van de bres. 

Voorbeelden toepassing ILPD

Met de data uit de ILPD is een analyse uitgevoerd om vast te stellen wat de meest voorkomende oorzaak van dijkfalen is. Het meest voorkomende faalmechanisme lijkt externe erosie te zijn, veroorzaakt door overloop en overslag. Maar ook de faalmechanismes piping en instabiliteit dragen aanzienlijk bij aan het aantal faalgevallen. Ook is er gekeken naar de grootte van de bresbreedte. Voor externe erosie is de breedte kleiner dan voor andere faalmechanismen. De faalmechanismes instabiliteit of interne erosie leiden tot de grootste bressen.

In hetzelfde onderzoek is voor de overstromingen in Duitsland (Elbe 2002 en 2013) en Tsjechië (1997) gekeken naar het aantal bressen dat voorkomt bij extreme rivierafvoeren. Er blijken een tot twee bressen op te treden per 10 kilometer dijk. De bressen zijn uitgedrukt in bresdichtheid, dat gelijk is aan de totale bresbreedte als ratio van de totale lengte van de dijken. Deze waargenomen bresdichtheden kunnen worden gebruikt om risico’s beter in te schatten, bijvoorbeeld in combinatie met fragility curves. Tot slot kan met individuele faalgevallen, de modellering van faalmechanismen worden verbeterd. Zoals is gedaan bij de dijkdoorbaak bij Breitenhagen als gevolg van macro-instabiliteit bij de rivieroverstromingen in 2013 langs de Elbe (Duitsland)

Pauline van Leeuwen is adviseur Waterveiligheid en Waterkeringen; Joost Stenfert is adviseur Waterveiligheid en Data Science (beiden bij HKV) en Bas Jonkman is hoogleraar Waterbouwkunde bij de TU Delft.