Alumnus in de spotlight Sem Geerts (AM/CEM’23)

Computermodellen laten zien hoe zandbanken reageren en herstellen na zandwinning in zand-schaarse gebieden

Interview met Sem Geerts (alumnus Applied Mathematics & Civil Engineering and Management) door Diana Dalenoord (UT Alumni Officer).

Sem had altijd een interesse in alles wat met water te maken had en was geboeid tijdens het zeilen dat je goed rekening moest houden met eb en vloed en de stromingen van het water om niet op zandbanken terecht te komen en zo efficiënt mogelijk te varen. Het is dus niet zo vreemd dat hij een PhD koos binnen Civil Engineering en Management (CEM) na zijn afstuderen binnen deze master en de master Applied Mathematics (AM).

Na het behalen van mijn bachelordiploma Applied Mathematics besloot ik een nieuwe uitdaging aan te gaan in de vorm van een dubbele master. Ik vervolgde de master Applied Mathematics en na een pre-master (via een minor in module 5 van BSc-AM) binnen Civiele Techniek schreef ik me ook in voor de master Civil Engineering and Management. Ik kom deze dubbele master afronden door een gecombineerde afstudeeropdracht doen. Mijn thesis draagt de titel “Estuarine sand dunes as a nature-based solution against salt intrusion: an idealised morphostatic model approach", die later ook als paper is gepubliceerd. Hierbij werd ik tijdens mijn afstuderen onder andere begeleid door Pieter Roos, ook een AM alumnus die nu al jaren binnen CEM te vinden is.

Sem en Pieter en In gesprek met wiskundige Henk Schuttelaars van de TU Delft op de PECS conferentie in Bordeaux, September 2024.

Academische wereld of toch het bedrijfsleven in

Voor mij was het tijdens m’n studie nog niet helemaal duidelijk of ik na mijn afstuderen verder wilde binnen de academische wereld of dat ik naar het bedrijfsleven zou gaan. Na een goed gesprek met Pieter en het schrijven van een paper van mijn afstudeerwerk waar ik ruim een jaar aan had gewerkt en me erg op me gemak te voelen met andere collega’s binnen CEM was het voor mij duidelijk; ik ga zeker een PhD doen. Naast het onderzoekwerk heb ik nog wat onderwijstaken. En dat laatste trok mij ook, want lesgeven heb ik altijd al leuk gevonden tijdens mijn studie.

Het BANX project: meer inzicht krijgen in de gevolgen van zandwinning op zee

Mijn onderzoek vindt plaats binnen de afdeling Water Systems van de faculteit Engineering Technology (ET). Ik ben betrokken bij het BANX project: Inzicht in de dynamiek van zandbanken en de effecten van zandwinning in sediment-schaarse gebieden. Ik werk weer samen met Pieter Roos en Suzanne Hulscher, maar ook met onderzoekers uit Nederland en België. Daarnaast zijn er nog een aantal bedrijven en kennisinstituten betrokken, zelfs de United Nations (UNEP) zit aan tafel.

Intensieve zandwinning in de Noordzee

Veel van het zand dat nodig is voor kustsuppleties, landaanwinning en bouwwerken (fundering en beton) wordt gewonnen uit zandbanken in zee. In Nederland is relatief veel zand beschikbaar, maar de zandreserves van bruikbaar zand in het Belgische deel van de Noordzee raken echter uitgeput. Hier is het zand meer geconcentreerd in zandbanken die heel langzaam door eb en vloed ontwikkelen en voortbewegen. Tussen de banken in zijn er blootgestelde niet-erodeerbare lagen van voornamelijk klei en grover grind.

Zandwinning op zee bedreigt de stabiliteit van zandbanken en de bijbehorende ecologie. Zandbanken zijn hele grote bodemvormen (kilometers lang, 3-4 huizen hoog) die door de stroming vanzelf ontstaan. Er werd altijd gedacht dat ze daarom ook vanzelf zouden herstellen nadat zand werd afgegraven, maar dit blijkt toch niet altijd het geval te zijn. Het zijn belangrijke ecologische gebieden, en beschermen de kust, maar worden ook gebruikt voor windmolen parken. In dit onderzoek willen we de dynamiek van zandbanken en de gevolgen van zandwinning in zand-arme omgevingen begrijpen. Dit doen we met het ontwikkelen en toe te passen van fysische morphodynamische modellen aan de UT, en d.m.v. data analyse en geologische modellen door een andere PhD’er in Brussel binnen het BANX project.

Mijn taak binnen het project

Ik houd me bezig met het ontwikkelen en analyseren van geïdealiseerde proces-gebaseerde modellen om te begrijpen wat er gebeurt als er zand wordt gewonnen uit een zandbank. Hierbij kijken we specifiek naar systemen met een beperkte hoeveelheid beschikbaar sediment (= door wind, water of ijs getransporteerd materiaal, zoals grind, zand, silt en klei) in het systeem. Dit onderzoek is nog niet eerder gedaan. Op dit moment zijn er dus praktisch nog geen modellen beschikbaar. Ik probeer met mijn wiskundeachtergrond deze modellen altijd netjes te onderbouwen en dicht te timmeren. Ook denk ik dat het belangrijk is de limieten en beperkingen van een model zelf te erkennen en duidelijk te communiceren met iedereen die er gebruik van maakt.

Voorbeeld van output van een zandbank model (in ontwikkeling). Laat een dwarsdoorsnede van een zandbank zien (in geel) boven een niet-erodeerbare laag (in grijs). Kleine subplots bovenaan laten de stroming als getijden-ellips zien op verschillende plekken over het domein.

Ik wil nieuwe modellen ontwikkelen en de onderliggende fysica van het systeem begrijpen. Daarbij moet het wiskundig netjes zijn, mooi convergeren, numerieke fouten limiteren en rekentijd binnen de perken houden. Dat laatste is niet direct een expliciete vereiste vanuit het project, maar komt vooral uit interne motivatie. Een mooie uitdaging!

Zand-schaarste: een crisis op wereldschaal

Na water is zand wereldwijd de meest gebruikte ruwe grondstof. We hebben het nodig voor het in tact houden van de kustlijn, voor kustverdediging vanwege klimaatverandering (intensere stormen + zeespiegelstijging), voor de infrastructuur en voor de industrie (bouw). De kustlijn kunnen we via zandsuppletie beschermen. Er wordt extra zand op het strand of op de zeebodem gespoten. Hierna kan dit zand aanspoelen op het strand en doorstuiven naar de duinen. Op die manier helpt de natuur mee bij het beschermen van de kust.

Zand-schaarste is een opkomende crisis van wereldschaal. Onderzoek naar de bewegingen van zand in zand-schaarse gebieden is een relatief nieuw onderwerp. Onze computer(simulatie)modellen worden daarom extra belangrijk voor ons – maar ook toekomstig – onderzoek en vormen een directe link naar de praktijk.

Is duurzaam baggerextractie mogelijk?

Als in België de huidige intensiteit van zandwinning wordt doorgezet, dan is het zand voor 2100 al op. Er moet meer aandacht komen voor dit probleem en men moet bewust worden van de urgentie hiervan. Sahara-zand is bijvoorbeeld onbruikbaar, en beleid moet afgestemd worden op lange-termijn inzichten en voorspellingen over de gevolgen van zandwinning. Het is dus belangrijk dat er onderzoek gedaan wordt naar zandwinning in België, de mogelijke verstoringen die dit meebrengt en hoe deze zandbanken zich herstellen. Er is gebleken dat zandbanken zich heel langzaam tot niet herstellen en we willen het systeem niet op grotere schaal verstoren. Naast dat we willen begrijpen wat er nu gebeurt bij zandwinning van zandbanken en het herstel ervan – de zand-dynamica -, willen we ook onderzoeken of duurzame baggerextractie mogelijk is. Door de huidige manier van werken wordt het zeeleven in de buurt verstoord of komt zeeleven onder het verschoven sediment terecht. Binnen ons project willen begrijpen hoe dit werkt. Het is erg lastig om dit te modelleren vanwege de tijdschaal die het systeem met zich meebrengt, en het hebben van weinig validatie-data, maar we hebben vertrouwen in de modellen die essentiële fysica meenemen.