Hydraulica van de Waterlopen

Prof. Niko Verhoest

Versie 1 (8 januari 2024)

Theorie schriftelijk: (zonder formularium)

1. Leid de debietvergelijking voor een Thomson-overlaat (V-vormige overlaat) af (10/20):
   • Vermeld alle gemaakte aannames.
   • Leg uit hoe deze theoretische aannames in de praktijk gecorrigeerd worden.
2. Beschouw een waterloop met op dezelfde locatie gelijktijdig een vernauwing en een drempelverhoging (10/20):
   • Bespreek de situatie aan de hand van het specifiek energiediagram.
   • Toon aan dat de kritieke waterhoogte niet noodzakelijk altijd bereikt wordt.
   • Toon aan onder welke voorwaarden de kritieke waterhoogte wél bereikt kan worden.
3. Vertrek van de advectie-diffusievergelijking voor golven (gegeven) en leid deze discreet af tot het Crank-Nicolson schema (10/20).

Theorie mondeling:

Niko is chill en helpt je goed op weg met gerichte bijvragen. No stress!

Beantwoord met Waar of Vals en motiveer grondig:

1. Een $M_2$-verhanglijn kan gevolgd worden door een $M_3$-verhanglijn wanneer de bodemhelling afneemt.
2. Als er opwaarts voor een brug een dalende verhanglijn optreedt, kan er afwaarts geen watersprong meer plaatsvinden.
3. Bij raccordering kan er nooit een opwaartse verhanglijn voorkomen.
4. Na een bodemdrempel kan er geen opwaartse verhanglijn voorkomen.

Oefeningen: (met formularium)

Tip: Het correct uitschrijven van de tussenstappen en je logische redenering is doorslaggevend voor de puntenverdeling.

1. Brede drempel: (10/20)
   Gegeven: waterdiepte $d$, bodemhelling $S_0$, Manning-coëfficiënt $n$, debiet $Q$ en breedte $b$.
   • Wat is de waterhoogte voor de drempel indien de opwaartse naderingssnelheid niet verwaarloosd wordt?
   • Wat is de waterhoogte voor de drempel indien deze opwaartse snelheid wel verwaarloosd wordt?
   • Is het verschil tussen beide benaderingen significant?
2. Verhanglijnen in trapeziumkanaal: (15/20)
   Gegeven een trapeziumvormig kanaal.
   • Bepaal en schets het opwaartse en eventuele afwaartse verloop van het wateroppervlak.
   • Duid eventuele watersprongen aan.
   • Benoem en motiveer alle toepasselijke randvoorwaarden.

Versie 2 (26 januari 2024)

Theorie schriftelijk:

1. Leid de analytische vergelijking af die de geconjugeerde waterhoogten vóór en na een watersprong aan elkaar koppelt. Hoe heet deze vergelijking? (10/20)
2. Beschouw een subkritische stroming waarbij de kanaalbreedte toeneemt van $2\text{ m}$ naar $4\text{ m}$ en tegelijk een bodemverlaging van $0{,}5\text{ m}$ wordt aangebracht (10/20):
   De initiële waterhoogte voor de transitie bedraagt $1\text{ m}$.
   • Gaat er ter plaatse meer waterberging ontstaan (m.a.w. stijgt of daalt de waterhoogte)? Toon aan.
3. Leid de kinematische golfvergelijking af voor een lineair schema vertrekkende van de gegeven basisformule (10/20).

Theorie mondeling: Beantwoord met Waar of Vals en motiveer:

• "Moet een afwaartse randvoorwaarde altijd aan de monding van een rivier gelegen zijn?"

Oefeningen:

1. In een rechthoekig kanaal met debiet $Q = 40\text{ L/s}$ bevindt zich een vernauwing van $B_1 = 1{,}0\text{ m}$ naar $B_2 = 0{,}1\text{ m}$ (10/20):
   De waterhoogte na de vernauwing bedraagt $y_2 = 0{,}8\text{ m}$. Het wrijvingsverlies over de overgang bedraagt:
   $$h_v = C_c \cdot \left(\frac{U_1^2}{2g} - \frac{U_2^2}{2g}\right) \quad \text{met } C_c = 0{,}6$$
   De maximale oeverhoogte van het kanaal is $1{,}0\text{ m}$.
   • Bereken de waterhoogte $y_1$ opwaarts van de vernauwing.
2. Een kanaal met lengte $L = 250\text{ m}$, debiet $Q = 60\text{ L/s}$, Manning-ruwheid $n = 0{,}014$, bodemhelling $S_0 = 0{,}0015$ en taludhelling $2:3$ vertrekt aan een schuif met opening $20\text{ cm}$ en mondt uit in een reservoir met constante waterhoogte $0{,}65\text{ m}$ (15/20):
   • Bereken de normale diepte $y_n$ en kritieke diepte $y_c$.
   • Bepaal en teken de verhanglijn(en) inclusief eventuele watersprongen.

Meteorologie en Ecoklimatologie

Klassieke verplichte vraag (weerkaart):

• Weerkaartanalyse (voorspelling voor de huidige namiddag of de volgende dag):
  • Verklaar alle symbolen, fronten en isobaren (inclusief verband tussen isobarenafstand en windsnelheid).
  • Welk weertype wordt verwacht op basis van deze kaart? Komt dit overeen met de huidige waarnemingen buiten?
  • Welke bewolking is zichtbaar? Welk wolkentype hoort typisch bij een warmtefront versus koufront? Maak een schematische dwarsdoorsnede van beide fronten.

Overzicht van overige examenvragen (schriftelijk & mondeling):

1. Atmosferische stabiliteit en wolken:
   • Verklaar het verschil tussen de droog-adiabatische lapse rate (DALR) en verzadigd-adiabatische lapse rate (MALR).
   • Teken een grafiek met DALR, MALR en omgevings lapse rate (ELR) voor een stabiele, onstabiele en conditioneel onstabiele atmosfeer.
   • Hoe ontstaat een onstabiele luchtlaag en wat is de definitie van onstabiele lucht?
   • Leg de 4 voornaamste ontstaanswijzen van wolken uit en geef hun typische ruimtelijke schaal.
   • Leg orografische wolkenvorming en het Föhn-/Chinook-effect uit.
   • Geef de 4 soorten mist en verklaar hun ontstaansmechanisme (dauwpunt, straling, advectie).
   • Beredeneer: Een cirruswolk wordt waargenomen op $3000\text{ m}$ hoogte. Boven welke stad is dit realistisch mogelijk: Rome (Italië), een stad in Alaska of Manaus (Brazilië)? Motiveer je antwoord aan de hand van de tropopauzehoogte.
2. Straling en energiebalans:
   • Geef en verklaar de componenten van de netto stralingsbalans aan het aardoppervlak ($R_n$).
   • Schets het dagelijkse temperatuurverloop op een heldere dag en duid het koudste en warmste moment aan.
   • Waarom valt het koudste moment van de dag pas circa 30 minuten na zonsopgang?
   • Op welk tijdstip van de dag is de relatieve vochtigheid maximaal en waarom?
   • Wat zijn de manieren waarop warmte-energie getransporteerd wordt in het aardsysteem (conductie, convectie, straling, latente warmte, oceaan- en luchtcirculatie)?
   • Welk effect heeft een toename van de zonne-oppervlaktetemperatuur op de energiebalans van de aarde?
   • Bespreek de globale energiebalans met kwantitatieve grootheden (% absorptie atmosfeer vs. oppervlakte, latente en voelbare warmtestromen).
   • Waarom vertoont het zuidelijk halfrond minder uitgesproken seizoensvariaties dan het noordelijk halfrond?
3. Circulatie en windsystemen:
   • Er treedt een zeebries op. Op welk tijdsinterval keert deze om naar een landbries?
     • A. Dagelijks
     • B. Om de dag
     • C. Seizoenaal
     • D. Om de paar dagen

• Bijvraag: Teken de lokale circulatiecel van de zeebries en duid aan waar wolkenvorming optreedt.
• Wat is een straalstroom (jet stream) en hoe stuurt deze het weer aan het landoppervlak?
• Wat is het verschil tussen een tornado, een hurricane (orkaan) en een typhoon?
• Hoe zou de atmosferische circulatie eruitzien indien de aarde niet roteerde rond haar as?

4. Neerslagvorming:
   • Wanneer vallen gemiddeld de grootste regendruppels: in de zomer of in de winter? Verklaar aan de hand van het neerslagvormingsproces (botsings-invangstproces vs. Bergeron-Findeisen).
5. Weersvoorspelling en modellering:
   • Welke methoden bestaan er om het weer te voorspellen buiten numerieke computermodellen?
   • Uit welke stappen en componenten is een moderne numerieke weersvoorspelling (NWP) opgebouwd (observatienetwerk, data-assimilatie, fysisch model, nabewerking)?
   • Wat is het doel van data-assimilatie en hoe linkt dit aan ensemble forecasting?
   • Wat is het fundamentele verschil tussen een weermodel en een klimaatmodel?
6. Ecoklimatologie en vegetatiemodellen:
   • Bespreek de structuur van een mechanistisch vegetatiemodel.
   • Hoe gaan vegetatiemodellen om met de enorme soortendiversiteit (link met Plant Functional Types - PFT's en het Leaf Economics Spectrum)?
   • Hoe worden vegetatiemodellen opgeschaald in ruimte en tijd?
   • Leg de invloed van het macroklimaat op het microklimaat uit (en omgekeerd).
   • Bespreek de effecten van klimaatverandering op de fenologie van planten en de potentiële gevolgen voor ecosysteemdiensten.
   • Op welke manieren passen planten zich aan klimaatvariabiliteit aan (morfologisch, fysiologisch, fenologisch)?

Soil Physics

Theorie en conceptuele vragen:

1. Beantwoord met Waar of Niet waar en motiveer grondig:
   • a. "Agricultural droughts occur less often than Meteorological droughts."
   • b. "Hydraulic head is always zero at the groundwater table (GWT)."
2. DDT-vraagstuk afkomstig uit de Ufora-zelftests.
3. Bespreek de verschillende soil physical quality indices en hun betekenis.
4. Hysteresis-vraagstuk:
   • Gegeven zijn drie synchrone tijdreeksen: neerslag in de tijd, matrixpotentiaal ($h$) in de tijd en volumetrisch vochtgehalte ($\theta$) in de tijd.
   • Er valt op dat bij eenzelfde matrixpotentiaal verschillende vochtgehaltes worden opgemeten. Verklaar dit fysische verschijnsel (bodemhysteresis) aan de hand van een schets van de bodemwaterretentiecurve en verklaar de onderliggende mechanismen (inktflesseneffect, contacthoekverschil, ingesloten lucht).
   • Er wordt een foto van een meetinstrument getoond: identificeer het toestel en leg het werkingsprincipe uit.
   • Bijvraag: Kan je op basis van de tijdreeksen en de bulkdichtheid ($\rho_b$) de volumetrische lucht策划fractie ($\varepsilon_{air}$) uitzetten in functie van de tijd? Toon aan met formules.
5. Vraagstuk over hydraulisch evenwicht (hydraulic equilibrium) met bijbehorende interpretatievragen.

Oefeningen:

Belangrijke tip van studenten: Onderschat het oefeningengedeelte van Soil Physics niet! Dit onderdeel staat op zeer veel punten, ondanks de beperkte contacttijd tijdens het semester.

6. Berekening bodemwaterpotentiaal:
   • Bepaal en plot het verloop van de gravitatielast ($z$), drukhoogte/matrixpotentiaal ($h$) en totale hydraulische potentiaal ($H$).
   • Bereken de stationaire waterflux $J_w$ doorheen de bodemkolom aan de hand van de wet van Darcy-Buckingham.

Hydrologisch Modelleren

Schriftelijk:

1. PDM-model (Probability Distributed Model):
   • Leg de conceptuele werking en reservoir-opbouw van het PDM-model gedetailleerd uit.
   • Bevat het PDM-model standaard een routingcomponent? Zo ja, hoe werkt deze? Zo nee, hoe kan hydrodynamische of hydrologische routing hieraan gekoppeld worden?
2. MCMC (Markov Chain Monte Carlo):
   • Waarvoor staat het acroniem MCMC en wat is het werkingsprincipe van deze samplingtechniek?
   • Wat zijn de specifieke voordelen van MCMC-algoritmen bij de kalibratie van hydrologische parameters en onzekerheidsanalyse?
3. Ensemble Kalman Filtering (EnKF):
   • Leg het principe van de Ensemble Kalman Filter uit (conceptueel, matrixformules waren niet vereist).
   • Hoe worden ensembles gegenereerd? Wordt de neerslagonzekerheid additief of multiplicatief gemodelleerd?
   • Geef een geschikte methode om de betrouwbaarheid en scherpte van een ensemblevoorspelling te verifiëren.

Mondeling:

1. Modelkalibratie en performantiematen:
   • Waarom is het gebruik van de determinatiecoëfficiënt ($R^2$) alleen geen goed idee als doelfunctie bij de kalibratie van een hydrologisch model?

• Wat zijn typische bronnen van bias in hydrologische modellen?

2. Equifinaliteit en optimalisatie:
   • Leg het concept equifinaliteit (Beven) uit.
   • Definieer en verklaar het begrip Pareto-optimum / Pareto-front in multidoelstellingskalibratie.
3. Data-integratie:
   • Beschouw een satellietproduct dat elke 12 dagen een ruimtelijk verdeelde meting van het oppervlakkig bodemvochtgehalte levert. Hoe zou je deze data assimileren in een hydrologisch model?
   • Bespreek de voor- en nadelen van lumped conceptuele modellen versus ruimtelijk gedistribueerde modellen bij dit type datatoepassingen.

Soil Erosion Control

Versie 1 (4 januari 2024)

1. Bespreek de vegetatiefactor ($C$-factor in USLE/RUSLE): welke subfactoren en processen omvat deze parameter?
2. Maatregelen voor bodemerosiebestrijding:
   • Leg de hydrodynamische en sedimentvangende werking uit van grasstroken (grass buffer strips) en grasbanen (grassed waterways).
   • Leg de milieu-index SER (Specific Erosion Risk / Soil Erosion Risk) uit.

Versie 2 (10 januari 2024)

Note: Questions are formulated and answered in English. Hints and tables are provided during the exam.

1. Erosion processes and sediment dynamics:
   • Explain the interaction between splash erosion and water sheet/overland flow erosion, and how this impacts cohesive sediments with a uniform grain size distribution.
   • Based on the provided figure, explain the transport and detachment mechanics when overland flow reaches $15\text{ m/s}$ (use correct terminology: critical shear stress, detachment capacity, transport capacity).
   • How does this interaction evolve as the slope length increases?
2. Vegetative control measures:
   • What is the quantitative impact of vegetation canopy and root systems on soil erosion processes?
   • Explain the engineering design and working mechanisms of grassed waterways versus grassed buffer strips. Under which topographic and hydrological conditions is each applied? What are critical design constraints?
3. Case study - Watershed management in Ethiopia:
   • Context: A rural catchment in Ethiopia experiences severe gully erosion and shallow landslides, impacting downstream watercourses. Local government, farmers, and community leaders collaborate to establish an erosion mitigation plan.
   • Is the application of USLE integrated with GIS a suitable approach to model this catchment, identify hotspot areas, and design control measures? Critically discuss limitations (e.g., sheet/rill erosion vs. gully/mass movement).
   • Which erosion risk index can be used to communicate risks clearly to local stakeholders and justify intervention priorities?
4. Calculation exercise - USLE application:
   • Data provided:
     • Soil profile divided across two distinct soil units along the slope.
     • Soil erodibility nomograph provided to determine the $K$-factor.
     • Uniform slope gradient of $5%$.
     • Support practice factor $P = 1$ (derived from context).
     • Rainfall erosivity factor $R$ and reference tables for $C$-factors given.
   • a. Calculate the annual soil loss ($A$ in $\text{ton}\cdot\text{ha}^{-1}\cdot\text{year}^{-1}$) using the USLE.
   • b. Propose suitable agronomic measures to reduce soil loss (excluding contour tillage and strip cropping). Justify your selection and calculate the resulting soil loss.
   • c. Propose structural engineering measures (focus on slope segmentation / terracing rather than check dams).
   • d. Formulate a final recommendation plan for the farmer and relate the predicted soil loss to the Soil Loss Tolerance ($T$-value).

Meteorologie en Ecoklimatologie

Standaardvraag (voor iedereen):

1. Weerkaart (voorspelling van die dag 's middags of de volgende dag):
   • Leg alle tekens en onderdelen uit.
   • Benoem en verklaar de wolken die op dat moment in de lucht zichtbaar zijn.

Theorievragen: 2. Wat zijn (naast de $\text{CO}_2$-concentratie) andere factoren die klimaatverandering beïnvloeden? 3. Welke adaptaties kunnen planten ondergaan tegen klimaatvariabiliteit? Geef telkens een voorbeeld op korte en lange termijn. 4. Hoe zouden winden waaien rond hoge- en lagedrukgebieden indien de aarde niet zou roteren? 5. Wat zijn andere methodes om het weer te voorspellen naast computermodellering? 6. Wat is typerend voor het El Niño-fenomeen (ENSO)? 7. Wat zijn de voornaamste processen in vegetatiemodellen en hoe kunnen we deze opschalen naar een grotere ruimtelijke schaal? 8. Geef en bespreek de globale energiebalans van de aarde (inclusief bijvragen over radiatie). 9. Waarom is het zonlicht wit op de middag en rood bij zonsondergang? 10. Waar verwacht je wolkenvorming bij een zeebries? 11. Geef 6 noodzakelijke condities voor het ontstaan van een tropische cycloon. 12. Geef voorbeelden van directe en indirecte effecten van aërosolen op de klimaatvariabiliteit. 13. Leg het concept ensemble forecasting uit. 14. Wat zijn de vier belangrijkste mechanismen voor wolkenvorming? Geef telkens de typische ruimtelijke schaal. 15. Rangschik de volgende vier wolkentypes op basis van de hoogte van hun wolkenbasis:

• Cumulonimbus
• Cirrus
• Altostratus
• Cumulus

16. Leg het Plant (leaf) Economics Spectrum uit.
17. Leg het verschil uit tussen geostrofische wind, gradiëntwind en oppervlaktewind.
18. Wat zijn de ideale meteorologische condities voor het ontstaan van een temperatuurinversie?
19. Geef vier types klimaatmodellen.
20. Wat zijn de sturende factoren (drivers) van een microklimaat? Geef concrete voorbeelden.
21. Bespreek het verband tussen luchtvochtigheid en temperatuur.
22. Waarom waaien geostrofische winden parallel aan de isobaren (oost-west gericht)?
23. Leg het verschil uit tussen een stabiele, onstabiele en conditioneel onstabiele atmosfeer. Pas dit toe op de weersituatie van vandaag.
24. Leg de Ekmanspiraal uit en bespreek de invloed ervan op ENSO.
25. Bespreek het warmtetransport en de warmteverdeling in de atmosfeer, inclusief de invloed van de breedtegraad (latitude).

Hydrologisch Modelleren

Deel Miralles

1. Wat is het forcing-feedback framework en waarvoor wordt het gebruikt in de klimaatwetenschap?

2. Wat zijn de Equilibrium Climate Sensitivity (ECS) en de Transient Climate Response (TCR) en hoe worden deze twee parameters afgeleid?

3. Welke astronomische en atmosferische factoren bepalen de totale zonnestraling die de aarde ontvangt?
4. Bespreek kritisch de voorspellingen en modelonzekerheden omtrent de mondiale watercyclus en hydrologische extremen.

Deel Sleutel

1. Beschrijf concrete agronomische maatregelen waarmee de landbouwsector de gewasproductie kan adapteren aan hetere en drogere groeiseizoenen via verbeterd bodem- en waterbeheer.
2. Waar of niet waar:
   • "Opslag van $\text{CO}_2$ in diepe zoute aquifers is een veelbelovende techniek voor permanente koolstofopslag." Motiveer.
3. Waarom slaagde het Europese emissiehandelssysteem (EU-ETS) er initieel (fase 1 en 2) nauwelijks in om broeikasgasemissies te reduceren, terwijl dit recenter wel effectief blijkt te zijn?

4. Wat gebeurt er wanneer we het historische waterpeil herstellen in gedraineerde veengebieden (rewetting of drained peatlands)? Verwacht je een netto positieve of negatieve impact op de totale broeikasgasbalans?

Analysis of high dimensional data