Pollard willows stop waves

For Dutch scroll down

The trees stayed upright, wave height was reduced
The most important conclusion is that the trees can indeed work to dampen waves. The trees remained intact at maximum wave heights of 2.5 metres. The forest reduced the wave height up to 22%. In reality, however, trees can be taller or shorter and more or less densely packed.  To estimate how a forest attenuates waves in reality, good calculation models are needed. Existing models to calculate the wave attenuation caused by the branches were found to work reasonably well, as long as the structure of the trees is accurately known. Mapping this structure of trees on the other hand proved to be more difficult than expected, but it eventually succeeded. 

The trees attenuated wave energy most at medium-high water levels, where the wave passes right through the crown and thus encounters the most tree surface. Surprisingly enough, the leaves on the trees hardly contributed to the wave attenuation. The willows tested were also much more flexible than previously thought and the branches moved somewhat with the waves.  Perhaps this reduced the trees' damping capacity during the very high and longer waves – which is something to investigate further. 

Hybrid flood defences 
The results of the experiment in the Delta flume laid the foundation for the NWO research project WOODY, which kicked-off in 2020. WOODY project leader Bas Hofland: "The aim of WOODY is to develop the knowledge that is urgently needed to design hybrid flood defences. These are flood defences that combine nature and a hard dike. Trees can then be a functional part of a flood defence, as has already been implemented at one location in the Netherlands." 

Bregje van Wesenbeeck: "Especially with climate change and a rising sea level, we have to learn to work better with the naturally present systems. The research in WOODY focuses on better mapping the functions of those systems that can help us achieve this, so that we can start designing better solutions for different coastlines and river areas in the world. Combinations of natural landscapes and hard defences are promising and can make many places in the world a lot safer. This study is an important step in making design rules for such innovative designs. For example, we can now calculate much better how long a forest should be in front of a dike to achieve the desired wave attenuation. 

In WOODY, researchers Bas Hofland, Bregje van Weesenbeeck, Su Kalloe and Alejandra Gijón from Delft University of Technology refine the calculation models and measurement methods used to determine the wave attenuation by trees. They also study how the damping effect of trees can be tested in smaller-scale and less expensive experiments. 

3D printed trees
Su Kalloe is a PhD student and co-author of the paper. She has accurately measured all the willows in the large wave flume. "Based on those measurements, I estimated the exact shape and surface area of each tree. We use this tree model to calculate the wave attenuation of trees under extreme conditions." Based on the tree model, Kalloe can now 'grow' realistic small trees from the 3D printer, so that the large-scale tests outlined in the Scientific Reports article can be replicated and expanded on a small scale. She will use the 3D printed trees to see to what extent the flexibility of the branches does indeed reduce the wave attenuation capabilities of trees.

Biodiversity
In a work package led by Tjeerd Bouma of NIOZ, PhD student Corinne van Starrenburg focuses on the natural value of the forests. In addition to safety, these solutions can also contribute to important nature objectives. "Further optimising design rules which maximise biodiversity in addition to safety is a key challenge that we are focusing on in our field studies," says Tjeerd Bouma. "That is why, among other things, the biodiversity of various types of willow forests is being determined. Ultimately, this should make it possible to construct or grow a forest for wave attenuation, while it also exhibits a great wealth of biodiversity."

And beyond
Ultimately, WOODY aims to combine the results of the various work packages into design rules that can be used to design hybrid flood defences with forests that are both safe and of high nature value. 

Site-specific research will also continue to be necessary in the future. Bas Hofland: "If we are serious about including the role of nature in our water safety, we will have to subject different types of trees to equally thorough testing. These large-scale tests on the typically Dutch pollard willow show that this is well possible." That is why the parties involved in the first large scale test series, are also preparing for follow-up research in the Delta flume with mangrove trees, which grow in tropical areas along coasts and are also now growing in a greenhouse at Deltares.

Knotwilg kan waterveiligheid vergroten

Er wordt veel beweerd over de bijdrage die de natuur kan leveren om ons te behoeden voor  overstromingen. Bossen zouden bijvoorbeeld een rol kunnen spelen in het dempen van golven die op een dijk afkomen. Tot nu toe was er echter maar weinig kwantitatief bewijs voor het functioneren van bomen onder extreme condities. Hoe goed dempen bomen golven tijdens een grote storm en wanneer breken de bomen? Om dit te kwantificeren beproefden Deltares, TU Delft en het NIOZ in 2018 in de grootste golfgoot van de wereld, de Deltagoot, een echt bos van 40 meter breed van typisch Nederlandse knotwilgen onder de aanval van grote golven tot tweeëneenhalve meter). Uit de resultaten blijkt dat bomen uitstekend in staat zijn golven te dempen. Deze week publiceerde het team de eerste resultaten in Scientific Reports. Het artikel geeft inzicht in hoe we bomen en de kracht van de natuur het beste kunnen inzetten voor onze waterveiligheid. 

De bomen bleven overeind, golfhoogte werd minder
De belangrijkste conclusie is dat de bomen kunnen werken om golfen te dempen. De bomen bleven intact bij maximale golfhoogtes van 2,5 meter. De golfhoogte werd door het beproefde bos tot 25% lager. In werkelijkheid kunnen de bossen echter langer of korter, en dichter of minder dicht begroeid zijn. Om dit in te schatten zijn goede rekenmodellen nodig. Het bleek dat bestaande modellen om de golfafname te berekenen die door de takken wordt veroorzaakt redelijk goed werkten, zolang de structuur van de bomen maar nauwkeurig bekend is. Het in kaart brengen hiervan bleek juist moeilijker dan gedacht, maar is uiteindelijk ook gelukt. De bomen dempten het meeste bij middelhoge waterstanden waarbij de golf midden door de kruin gaat en daardoor de meeste boomoppervlakte tegenkomt. Verrassend genoeg bleken de bladeren aan de bomen nauwelijks bij de dragen aan de golfdemping. Ook waren de geteste wilgen veel flexibeler dan tot nu toe gedacht en de takken bewogen enigszins met de golven mee.  Misschien nam daardoor bij de zeer hoge en langere golven de dempende capaciteit van de bomen af.

Verder onderzoek
De resultaten van het onderzoek zijn de basis voor het NWO onderzoeksproject WOODY. Dit onderzoekproject richt zich op het generaliseren van de resultaten van de test. Daartoe worden ten eerste aan de TU Delft de rekenmodellen en meetmethoden verfijnd die gebruikt worden om de golfdemping door bomen te bepalen. Ook wordt de mogelijkheid van het uitvoeren van (minder kostbare) kleinschalige proeven bestudeerd. Verder wordt de bijdrage van bossen aan de totale veiligheid van hybride keringen (een combinatie van harde dijk en natuurlijke elementen) bepaald. Een deelstudie bij het NIOZ richt zich op de natuurwaarde van de bossen.

Su Sudarshini, promovenda aan de TU Delft en co-auteur van het paper is bezig met haar promotie op deze resultaten van het onderzoek. Zij heeft alle wilgen in de golfgoot nauwkeurig ingemeten “Op basis van die metingen en de golfdemping in de goot heb ik de precieze vorm en oppervlakte van elke boom ingeschat. Dit boommodel gebruiken we om de golfdemping van bomen onder extreme condities na te kunne rekenen.” Over de details van deze methode wordt binnenkort ook een artikel gepubliceerd. Ook kan Sudarshini op basis van het boommodel nu realistische kleine bomen laten ‘groeien’ uit de 3D-printer, zodat de grootschalige proeven die in het Scientific Reports artikel staan op kleine schaal nagedaan en uitgebreid kunnen worden. Ook gaat worden gekeken in hoeverre de flexibiliteit van de takken de geldemping inderdaad vermindert.

Hybride keringen
Die kennis uit de grootschalige test en het WOODY onderzoek is hard nodig om hybride keringen, een combinatie van functionele natuur en een harde kering, te kunnen ontwerpen. Bomen kunnen hierbij deel zijn van een waterkering, zoals pas voor één locatie in Nederland toegepast is.

Bregje van Wesenbeeck: “Zeker met klimaatverandering en een stijgende zeespiegel moeten we beter leren werken met de van nature aanwezige systemen. Dit onderzoek richt zich erop om de functies van die systemen die daarbij kunnen helpen beter in kaart te brengen, zodat we betere oplossingen voor verschillende kustlijnen en riviergebieden in de wereld kunnen gaan ontwerpen. Combinaties van natuurlijke landschappen en harde keringen zijn veelbelovend en kunnen veel plekken in de wereld een stuk veiliger maken. Deze studie is een belangrijke stap bij het maken van ontwerpregels voor dergelijke innovatieve ontwerpen. We kunnen nu bijvoorbeeld veel beter berekenen hoe lang een bos voor een dijk moet zijn om de gewenste golfdemping te bereiken”.

Ook zal locatie-specifiek onderzoek ook in de toekomst nog nodig zijn. WOODY-projectleider Bas Hofland: “Er worden in de Deltagoot regelmatig grootschalige proeven gedaan voor elk type betonblok dat op een dijk gelegd wordt. Als we de rol van natuur serieus mee willen nemen in onze waterveiligheid, dan zullen we meerdere soorten bomen aan even grondige testen moeten onderwerpen. Deze grootschalige testen aan de oer-Nederlandse knotwilg laten zien dat dit goed mogelijk is.”

Behalve veiligheid, kunnen deze oplossingen ook bijdragen aan belangrijke natuurdoelen. “Het verder optimaliseren van de ontwerpregels om naast de veiligheid, ook de biodiversiteit te maximaliseren, is een belangrijke uitdaging waar we ons in het lopende veldonderzoek op richten” aldus Tjeerd Bouma, onderzoeker NIOZ. “Daarom wordt onder andere de biodiversiteit van diverse type wilgenbossen bepaald. Uiteindelijk moet het hiermee mogelijk worden om een bos voor golfdemping aan te leggen of te laten groeien, terwijl het ook een grote rijkdom aan biodiversiteit heeft.”

De partijen bereiden zich voor op vervolgonderzoek in de Deltagoot met mangrovebomen, die in tropische gebieden langs kusten voorkomen, en die nu opgroeien in een kas bij Deltares.