Probleemstelling
Een schip dat zich vanuit volle zee naar een aanlegplaats begeeft, wordt in de toegangsgeulen en de havens vaak geconfronteerd met beperkingen van de beschikbare waterdiepte. De ruimte die voorhanden is tussen de kiel van het schip en de bodem van de vaarweg wordt kielspeling genoemd. Die moet altijd een zeker percentage van de diepgang van het schip bedragen: in de vaargeulen naar de Scheldemonding en Zeebrugge is dit minimaal 15%, in de havens zelf 10%.
Deze minimumwaarden worden niet alleen gehanteerd om contact met de bodem te vermijden, maar ook omdat schepen alsmaar moeilijker manoeuvreerbaar worden naarmate de kielspeling afneemt.
Wanneer de bodem uit een vast, hard materiaal bestaat (rots, klei, zand, ...), dan kan de waterdiepte gemakkelijk gemeten worden met behulp van ultrasone golven (echosounding). In havens en toegangsgeulen komt het echter geregeld voor dat de harde bodem bedekt is met een soms meters dikke sliblaag, waarin vaste bodemdeeltjes in het water zweven (suspensie). Soms bestaat de bovenlaag uit zuiver vloeibaar slib ("zwart water"); naarmate men dieper in de sliblaag doordringt, neemt de concentratie aan vast materiaal toe en gaan de eigenschappen geleidelijk over naar deze van een vaste stof.
In dergelijke omstandigheden is het moeilijk de bodem ondubbelzinnig te definiren. Ook de courante meettechnieken geven geen duidelijk antwoord.
Het concept "bodem" is dus niet langer bruikbaar in deze situaties, en wordt vervangen door het begrip "nautische bodem". Deze wordt door de International Navigation Association (PIANC) gedefinieerd als het niveau waar de fysische karakteristieken van de bodem een kritische limietwaarde bereiken. Als een schip daarmee in aanraking komt dan is er schade of is de controleerbaarheid of manoeuvreerbaarheid van het schip ontoereikend.
Om de waterdiepte te definiren bij een vaste bodem wordt gebruik gemaakt van het eerste deel van deze definitie: bij contact tussen de scheepskiel en de bodem kan schade ontstaan. Bij contact met slib is schade onwaarschijnlijk, maar wanneer een schip in aanraking komt met de onderste, stijvere sliblagen, dan wordt het bijzonder moeilijk een schip onder controle te houden.
In heel wat havens die te kampen hebben met slibafzettingen, wordt de nautische bodem om meettechnische redenen gekoppeld aan een waarde van de soortelijke massa (densiteit). Voor de haven van Zeebrugge neemt men aan dat de nautische bodem zich bevindt op het niveau waar de sliblaag een densiteit bezit van 1150 kg/m3.
Men heeft vastgesteld dat dit een voorzichtige schatting is voor de overgang van vloeibaar naar vast slib. Thans ligt dit niveau ongeveer een halve meter onder het scheidingsvlak tussen water en slib, zodat de kiel van de schepen met de grootste diepgang niet in contact komt met de vloeibare sliblaag.
Bodemonderzoek heeft uitgewezen dat deze kritische waarde van 1150 kg/ m3 eventueel verhoogd zou kunnen worden. Dit zou de kosten voor de onderhoudsbaggerwerken in de haven van Zeebrugge aanzienlijk kunnen verminderen. Anderzijds impliceert dit ook dat diepstekende schepen met de kiel door het bovenste gedeelte van de sliblaag zullen varen.
De vraag rijst of de manoeuvres die de schepen in de haven moeten uitvoeren nog altijd even veilig en vlot uitgevoerd kunnen worden.
Om meer inzicht te verwerven in het gedrag van schepen in deze zeer specifieke omstandigheden, werd er een onderzoeksproject opgestart getiteld "Bepaling van de nautische bodem in de haven van Zeebrugge: nautische implicaties". Het onderzoek wordt uitgevoerd in samenwerkingsverband tussen de Afdeling Maritieme Technologie van de Universiteit Gent en de Afdeling Waterbouwkundig Laboratorium en Hydrologisch Onderzoek in Antwerpen-Borgerhout van de AWZ (Administratie Waterwegen en Zeewezen, Ministerie van de Vlaamse Gemeenschap).
Opdrachtgever is de T.V. Noordzee & Kust (Oostende), bestaande uit N.V.Baggerwerken Decloedt en Zoon, N.V. Dredging International en Ondernemingen Jan De Nul N.V. in het kader van de optimalisatie van de onderhoudsbaggerwerken voor de haven van Zeebrugge, gefinancierd door de Afdeling Maritieme Toegang van de AWZ.
Experimenteel onderzoek
Het eerste gedeelte van het onderzoeksprogramma wordt uitgevoerd op de Sleeptank voor manoeuvres in ondiep water in het Waterbouwkundig Laboratorium in Antwerpen-Borgerhout. Deze sleeptank bestaat uit een bassin met een mechanisme dat toelaat "gedwongen manoeuvreerproeven" uit te voeren: hierbij wordt een scheepsmodel onderworpen aan trajecten in het horizontale vlak, terwijl de krachten waaraan het schip onderhevig is continu worden opgemeten.
De resultaten van een dergelijk proevenprogramma laat toe het manoeuvreergedrag van een schip wiskundig te beschrijven. Omdat natuurlijk slib onbruikbaar is bij dergelijke proeven, wordt gebruik gemaakt van mengsels van gechloreerde paraffines en petroleum om de sliblaag na te bootsen. Twee scheepsmodellen worden ingezet: een containercarrier en een voller scheepstype (bulkcarrier/tanker), waarbij het eerste type de meeste aandacht krijgt.
Het proevenprogramma wordt steeds herhaald onder verschillende omstandigheden: de samenstelling en de dikte van de sliblaag, de waterdiepte en bijgevolg de kielspeling worden gevarieerd, zodat er al dan niet contact optreedt tussen schip en slib. De krachten die opgemeten werden, worden voor elke situatie in een wiskundig model verwerkt, waarbij zoveel mogelijk rekening gehouden wordt met de fysische achtergrond van de krachtwerkingen. Dit wil zeggen dat de invloed van de scheepsromp, de schroef en het roer apart gemodelleerd worden, en hun invloed daarna gekoppeld wordt.
Op basis van de gemodelleerde krachten, kunnen met behulp van simulatortechnieken realistische havenmanoeuvres nagebootst worden. Deze simulaties vormen het tweede gedeelte van het onderzoeksprogramma.
Simulaties
De simulaties zelf kunnen onderverdeeld worden in twee stadia. In een eerste stadium neemt een computerprogramma beslissingen over het gebruik van roer en machine tijdens de manoeuvres. Dergelijke simulaties worden fast-time simulaties genoemd, vergelijkbaar met hetgeen een automatische piloot doet. Zo'n simulatierun laat toe de invloed van de omgevingsparameters objectief te beoordelen.
Het uitvoeren van havenmanoeuvres is echter ondenkbaar zonder menselijke tussenkomst. In de praktijk wordt een ervaren loods ingezet. Een tweede fase - eveneens de eindfase van het onderzoek - zal dan ook bestaan uit simulaties in real-time, uit te voeren door loodsen op de scheepsmanoeuvreer-simulator van het Waterbouwkundig Laboratorium in Antwerpen-Borgerhout. Deze fase is gepland voor april 2004.
In de huidige fase van het onderzoek (januari 2004), worden de fast-time simulaties afgewerkt. De invloed van de aanwezigheid van de sliblaag is al duidelijk. De draaicirkel van een schip zal significant groter zijn wanneer de kiel zich dicht of in de sliblaag bevindt. Ook zal de snelheid van het schip afnemen door een toename van de weerstand.
Het gedrag van het schip wordt ook sterk benvloed door een golfpatroon dat ontstaat in het scheidingsvlak tussen water en slib. In sommige omstandigheden storen deze golven de schroefwerking, waardoor het rendement van de voortstuwing vermindert. Het manoeuvre zal hierdoor bemoeilijkt worden, waardoor het eventueel meer tijd en meer plaats in beslag zal nemen.
Economische overwegingen versus veiligheid
Met behulp van de bevindingen van de loodsen tijdens de real-time simulaties zullen operationele en optimale limieten vastgelegd kunnen worden. Deze limieten hangen nauw samen met de volgende overwegingen:
- Veiligheid: kan het manoeuvre nog redelijk snel en binnen de beschikbare ruimtes uitgevoerd worden?
- Kosten: toename van de kritische limieten leidt tot minder baggerwerken, waardoor de kost van de onderhoudsbaggerwerken daalt.
Anderzijds dient men erover te waken dat de kost van het manoeuvreren niet beduidend toeneemt door tijdverlies, inzet van meer sleepboten, enzovoort waardoor de concurrentiepositie van de haven in het gedrang kan komen.
Het onderzoeksproject draagt op deze manier bij tot het optimaliseren van de onderhoudsbaggerwerken, door te streven naar een optimum tussen deze twee spanningsvelden, waardoor de totale kost vermindert.
Info
Drs. ir. Guillaume De Le Fortrie & Prof. dr. ir. Marc Vantorre
Vakgroep Mechanische constructie en productie
Grote Steenweg Noord 2
9052 Zwijnaarde
tel. resp. 09/264.32.96 & 09/264 55 55
Guillaume.Delefortrie@UGent.be
Marc.Vantorre@UGent.be
Sophie Dewaele
Persattach UGent
Sint-Pietersnieuwstraat 25
9000 Gent
tel. 09 264 30 66
fax 09 264 35 85
Sophie.Dewaele@UGent.be
Bron : Persberichten Universiteit Gent