Bekijk het volledige artikel hier.
Kustengineering is een zeer gespecialiseerde vorm van engineering die is ontworpen om zowel natuurlijke als door de mens veroorzaakte veranderingen in kustgebieden aan te pakken.
Een weloverwogen kustengineering-oplossing kan de structurele en niet-structurele bescherming bieden tegen kustveranderingen, en kan de gunstige effecten maximaliseren en tegelijkertijd de nadelige gevolgen van mogelijke oplossingen voor problematische gebieden aan een kustlijn minimaliseren.
Kustengineering impliceert een toepassing van zowel fysische wetenschap als engineering, en vereist een grondig begrip van het gebied in kwestie om de aard en de complexiteit van het probleem in kwestie volledig te begrijpen.
In de Verenigde Staten is er meer dan 84.240 mijl kustlijn, met ongeveer 41 procent van die kustlijn blootgesteld aan de open oceaan, en de rest beschut door baaien, estuaria en lagunes.
De uitgestrekte kustlijnen van de VS variëren aanzienlijk in kenmerken, met rotsachtige kustlijnen in New England, moerassen in het Midden-Atlantische gebied, kustkliffen in Californië, en post-volcanische activiteit in het noorden van de Stille Oceaan en Alaska.
De grote variatie in de soorten Amerikaanse kustlijnen toont de noodzaak aan van een grondige studie alvorens een kustbouwkundig project te ondernemen.
De stranden en kustlijnen hebben bepaalde natuurlijke verdedigingen tegen de erosie veroorzaakt door golven, stromingen en stormen. Daartoe behoort een hellende kustbodem, waardoor golven voor de kust breken en hun energie over de brandingszone afvoeren. Andere vormen van bescherming zijn beschermende duinen en strandbermen die zich in de loop van de tijd vormen door de werking van wind en water.
Maar door de mens veroorzaakte ontwikkeling langs stranden en kustlijnen heeft in de loop van de tijd veel van deze natuurlijke beschermingen tegen erosie aangetast.
Daarnaast heeft het gebruik van waterwegen voor transportdoeleinden de natuurlijke waterstroom omgeleid die de snelheid van erosie kan versnellen. Het potentiële verlies van land door erosie als gevolg van stormen, golven en stromingen kan aanzienlijke geldelijke verliezen veroorzaken voor eigenaren en investeerders.
Een kustingenieur kan vaak oplossingen ontwikkelen om het risico van erosie in deze gebieden te helpen voorkomen of verminderen. Om dit te doen, moet een ingenieur niet alleen de basisprincipes van engineering begrijpen, maar ook de natuurlijke krachten die de erosie veroorzaken.
Een project voor kustengineering verloopt in drie fasen.
Eerst moet een ingenieur een studie uitvoeren om het fysische systeem te begrijpen dat op de kustlijn speelt, en de reactie van de kustlijn op deze krachten.
Tweede moet de ingenieur kustwerken ontwerpen om aan de doelstellingen van het project te voldoen, binnen de grenzen van een aanvaardbare impact op de kust.
Terde moet de ingenieur toezicht houden op de bouw van de kustwerken en hun prestaties controleren om een goede uitvoering te verzekeren.
In dit artikel worden de eerste twee fasen besproken: het bestuderen van de kustlijn en het onderzoeken van opties voor kustwerken.
Fase één: het bestuderen van de kustlijn
Voordat er met de uitvoering van een kustwerkenproject kan worden begonnen, moet de ingenieur eerst een uitgebreide studie maken van de betrokken kustlijn om de dynamiek van de betrokken elementen volledig te begrijpen.
Kustprojecten zijn uniek in die zin dat zij betrekking hebben op het snijpunt van lucht, land en water, met omstandigheden die vaak veranderen. Een ingenieur moet elk element observeren, met inbegrip van de oceaan en het strand, evenals hoe het strand reageert op verschillende gebeurtenissen, zoals stormen, om inzicht te krijgen in hoe het kustwerkenproject moet worden ontworpen.
In eerste instantie moet de ingenieur het getijdenbereik voor de specifieke geografische locatie onderzoeken. Deze informatie kan een ingenieur helpen te begrijpen op welk niveau de golven het strand zullen raken.
Ook informatie over stroming en golfslag kan informatie verschaffen over hoe het water zich tegen het land opstapelt of hoe het water tijdens een storm zal oplopen.
Daarnaast moeten ingenieurs het strand zelf onderzoeken om het aanwezige type sediment en de helling van het strand te bepalen. Deze factoren zijn een belangrijke overweging bij de aanleg van een kustwerkproject.
Als algemene regel geldt dat grotere zanddeeltjes meestal op steilere stranden te vinden zijn, terwijl zacht glooiende stranden meestal fijnere zandkorrels hebben.
Gineers moeten ook rekening houden met de verschillende natuurlijke beschermingen die een kustgebied kan hebben.
Barrière-eilanden zijn een belangrijke vorm van fysieke bescherming voor bepaalde kustlijnen, met name langs de Atlantische kust ten zuiden van Long Island. In theorie beschermen deze eilanden het vasteland tegen golven; veel eilanden zijn echter zo sterk ontwikkeld dat hun eigen kusten ook bescherming nodig kunnen hebben.
Lagunes zijn ondiepe watermassa’s die een barrièrestrand van het vasteland scheiden. Lagunes zijn met de oceaan verbonden door een inham.
Deze inhammen kunnen een doorgang naar zee bieden en kunnen ervoor zorgen dat door stormen verwijderd strandmateriaal weer naar zee kan worden afgevoerd. Veranderende omstandigheden kunnen ertoe leiden dat bepaalde inhammen sluiten terwijl nieuwe inhammen opengaan.
Door middel van onderzoek zullen ingenieurs de historische reactie van stranden op veranderende omstandigheden vaststellen. Kustlijnen hebben twee primaire dynamische reacties op de zee: een reactie op normale omstandigheden en een reactie op stormomstandigheden.
Tijdens normale omstandigheden wordt de golfenergie van de oceaan gewoonlijk afgevoerd door de natuurlijke verdedigingswerken van het strand, zoals hellende kustbodems en de ontwikkeling van natuurlijke beschermende duinen.
Tijdens stormen echter, vereist de enorme golfenergie vaak dat stranden grote hoeveelheden kustlijn opofferen. Dit kan resulteren in een permanent verlies van land.
Tijdens stormen genereren harde winden hoge, steile golven en kunnen stormvloeden ontstaan waardoor golven delen van het strand kunnen raken die normaal gesproken niet aan het water zijn blootgesteld.
Deze golven zijn dan in staat om het strand, de berm en soms de duinen te eroderen, waarbij materiaal naar de kustbodem wordt meegevoerd totdat het een zeereep vormt. Deze zeereep dient dan om de golven verder uit de kust te breken, waardoor het strand uiteindelijk wordt beschermd.
In zware stormen, zoals orkanen, is het niet ongebruikelijk dat hoge waterstanden door stormvloeden een duin binnen enkele uren geheel of gedeeltelijk wegvagen. Het strand offert in wezen een deel van het strand en duin op om een zeereep te bouwen, waardoor verdere erosie wordt voorkomen.
Op den duur kan het strand dat door een storm is geërodeerd, door de golven weer worden teruggebracht. Het verlies van land kan echter permanent zijn, vooral als de storm bijzonder hevig was of de erosie aanzienlijk.
Gineers moeten ook rekening houden met wat bekend staat als longshore transport van zand, dat is de beweging van sediment zowel parallel als loodrecht op de kust. Het is het resultaat van het opwoelen van sediment door de brekende golven, en de verplaatsing van dit sediment door de golfenergie en de stroming.
Het sediment dat zich op deze manier verplaatst staat bekend als littoraal materiaal. Het kan aanzienlijk variëren per seizoen, dag en zelfs van uur tot uur. In gebieden met inhammen en barrière-eilanden kan het longshore-transport worden onderbroken, waardoor zand in lagunes wordt vastgehouden.
De stabiliteit van de kustlijn is een van de belangrijkste doelstellingen van een kustbouwkundig project. Een strand wordt als stabiel beschouwd wanneer de aanvoer- en afvoersnelheden van zand op lange termijn gelijk zijn.
Er zijn veel krachten aan het werk die kunnen bijdragen aan erosie van de kustlijn en zandverlies, die elk door een kustingenieur moeten worden overwogen voordat hij aan een project begint.
Dit kunnen natuurlijke oorzaken zijn, zoals zeespiegelstijging, variabiliteit in sedimentaanvoer, stormgolven, golf- en golfoverslag, deflatie, sedimenttransport over lange afstand en sortering van strandsedimenten.
Het kan ook worden veroorzaakt door de mens, die kan optreden als gevolg van bodemdaling door verwijdering van ondergrondse hulpbronnen, onderbreking van materiaal in het transport, vermindering van de sedimentaanvoer, concentratie van golfenergie op stranden, verhoogde waterpeilvariatie, verandering in natuurlijke kustbescherming, of verwijdering van materiaal van het strand.
Elke van deze factoren moet in overweging worden genomen bij het bestuderen van een kustlijn in afwachting van een kustbouwkundig project.
Fase twee: Het ontwerpen van kustwerken
Als een kustlijnstudie is voltooid, moet een kustingenieur vervolgens het type kustwerkenproject overwegen dat geschikt is voor het gebied.
Wanneer natuurlijke elementen zoals duinen en strandbermen een bepaald niveau van bescherming kunnen bieden, wanneer zij door stormen zijn geërodeerd of door menselijke ontwikkeling zijn verminderd, kunnen zonder kustwerken golven en stormvloeden het strand, eigendommen aan de oceaan en daarbuiten beschadigen.
De eerste oplossing die veel kustingenieurs zullen overwegen voor kustlijnbescherming zijn quasi-natuurlijke beschermingen, zoals het kunstmatig opbouwen van zandduinen of zandsuppletie.
Deze methoden kunnen helpen om het strand zelf te behouden, golfenergie af te voeren en het duin te herstellen als een verdediging tegen stormvloeden en golven.
Zandsuppletie heeft als bijkomend voordeel dat het strand zelf breder wordt, waardoor de recreatieve waarde ervan toeneemt.
Deze opties zijn echter slechts tijdelijke oplossingen en zullen geen levensvatbare oplossingen zijn voor erosie op lange termijn, veroorzaakt door de stijging van de zeespiegel of een afnemende aanvoer van sediment in het kustsysteem.
Als een meer permanente oplossing voor erosie nodig is om kustontwikkelingen te beschermen, moeten kunstmatige constructies worden gebouwd.
Deze projecten vallen in twee categorieën uiteen: (1) structuren ontworpen om te voorkomen dat golven een havengebied bereiken, zoals schotten, zeeweringen, revetments, of golfbrekers, en (2) structuren gebruikt om het longshore transport van littorale drift te voorkomen, zoals groins en steigers.
De eerste categorie van structuren wordt onshore gebouwd om bescherming te bieden voor het bovenste strand dat fronts backshore ontwikkeling of erodeerbare bluffs.
Schotten en zeeweringen hebben soortgelijke ontwerpen, maar verschillen in doel.
Zeeweringen zijn in de eerste plaats ontworpen om golven te weerstaan en enige grond vast te houden, terwijl schotten meestal zijn ontworpen om grond vast te houden en ook om golven te weerstaan. Ze kunnen worden opgebouwd uit staal, hout, betonnen palen, schanskorven of puinheuvels.
Schanskoppen bieden onvoldoende bescherming voor locaties die aan de oceaan zijn blootgesteld, als gevolg van erosie van de vooroever en flankerend water. Bulkheads moeten worden gecombineerd met andere soorten bescherming of worden uitgebreid tot een zeewering om de directe golven te weerstaan.
Zeeweringen kunnen verticale, gebogen, getrapte of hellende vlakken hebben. Hoewel zeeweringen het hoogland beschermen, kunnen ze plaatselijk een probleem vormen, omdat neerwaartse krachten zand vóór de muur kunnen wegspoelen. Stenen schorten kunnen overmatige uitslijting en ondermijning voorkomen.
Weringen zijn gewoonlijk gemaakt van een of meer lagen breuksteen of geprefabriceerde betonnen wapeningseenheden met een filterlaag die een gesorteerde in situ bodemhelling overlapt.
Het doel van een revetment is de bestaande helling van een duin te beschermen. Ze zijn geen kerende constructie, maar dienen als een soort pantser voor een stabieler duin of talud.
Escalaties hebben minder nadelige gevolgen voor het strand dan een verticaal schot, omdat de hellende zijde de energie van de golven kan afvoeren.
Breakwaters zijn barrières die zijn ontworpen om een landvorm of watergebied tegen golven te beschermen door de energie van de golven te absorberen. Omdat deze constructies offshore worden gebouwd, kosten ze meer om te bouwen dan onshore structuren, zoals zeeweringen, en worden ze voornamelijk gebruikt voor havenbescherming en navigatiedoeleinden.
Breakwaters kunnen op een aantal manieren worden gemaakt, waaronder parallel aan de kust, vrijstaand, en gesegmenteerd. Breakwaters worden meestal gebouwd met op puin gestorte secties met pantsersteen die onderlagen en kernmateriaal omsluiten.
Hoe ze ook worden gebouwd, ze kunnen het longshore-transport van sediment verminderen, wat resulteert in de ophoping van zand en de regelrechte stranderosie.
Het pompen van zand van de plaats waar het zich heeft opgehoopt naar het geërodeerde strand is één manier geweest waarop kustingenieurs dit probleem hebben aangepakt.
De tweede categorie constructies is ontworpen om het transport van sediment over lange afstand te voorkomen.
Daartoe behoren kribben, dat is een barrièrestructuur die zich uitstrekt van een backshore in de littorale zone.
Kribben worden meestal gebouwd in een reeks langs de lengte van een strand dat moet worden beschermd, om de beweging van zand te wijzigen, met het uiteindelijke doel om ofwel zand op de kust op te hopen of zandverlies te voorkomen.
Groins hebben het potentieel om andere stranden negatief te beïnvloeden, aangezien opgesloten zand niet beschikbaar zal zijn voor hen, en dus zal zand vaak kunstmatig moeten worden geplaatst om schade en erosie aan die kustlijn te voorkomen.
Groins kunnen worden gebouwd met behulp van hout, staal, beton of breuksteen, en worden geclassificeerd, als hoog of laag, lang of kort, permeabel of ondoordringbaar, of, vast of verstelbaar.
Jetties worden bij inlaten gebruikt om schepen tegen golfkrachten te beschermen, de beweging van zand langs de stranden te controleren om te voorkomen dat het zich ophoopt in de vaargeul, en om de positie van de vaargeul te stabiliseren.
Jetties zijn vaak nodig aan beide uiteinden van een inlaat om een vaargeul te beschermen en te voorkomen dat deze zich vult met zand als gevolg van longshore transport.
Ze kunnen van verschillende materialen worden gebouwd, waaronder hout, staal, beton of breuksteen.
Zoals bij strandhoofden kunnen aanlegsteigers een nadelige invloed hebben op de stuifstranden, doordat ze het transport van zand over lange afstand verhinderen. Om erosie van deze stranden te minimaliseren, voorzien sommige projecten in het verpompen van zand van de steiger naar het stuifstrand.
Typisch worden kustwerken het best ontworpen als grootschalige, allesomvattende projecten. Bescherming voor afzonderlijke percelen of kleinere projecten heeft de neiging te mislukken, aangezien de aangrenzende kustlijn zal blijven eroderen. Gedeeltelijke beschermingsmaatregelen kunnen deze erosie in feite versnellen.
Gecoördineerde actie over een regionaal gebied is efficiënter, effectiever en economischer.
Het belang van kustwerkprojecten
Het behoud van zand door goed geplande kustwerkprojecten is van vitaal belang voor het behoud van stranden en de bescherming van eigendom en investeringen langs zeekusten in de hele Verenigde Staten.
Weliswaar bieden stranden een zekere mate van natuurlijke bescherming tegen erosie, maar stormen en door de mens veroorzaakte ontwikkelingen kunnen resulteren in terugtrekkende stranden – en een grote kans op schade aan huizen, bedrijven en infrastructuur in het geval van een storm.
Kustwerken kunnen veel van deze problemen oplossen door middel van strategische projecten zoals kunstmatige zandduinen, zeeweringen, beschoeiingen, golfbrekers, aanlegsteigers, strandhoofden en schotten.
Deze projecten zijn complex. Ze vereisen een grondig begrip van zowel technische principes als de wetenschap achter hoe en waarom erosie op een bepaalde locatie optreedt.
Na een zorgvuldige studie en ontwerpproces kan een kustwerkenproject helpen erosie te voorkomen en zowel het strand als eigendommen in een kustgebied te beschermen.
Bekijk het volledige artikel hier.