GIS-routine van Nelen & Schuurmans

26 februari 2018

Het afleiden van stabiliteitszones

Voor Evides Waterbedrijf is risicogestuurd assetmanagement van groot belang voor het leveren van drinkwater. Daarom worden in een meerjaarlijkse cyclus de risico’s geïnventariseerd van leidingen in de nabijheid van vitale infrastructuur. Door middel van deze inventarisatie kunnen maatregelen worden getroffen voor leidingen met risico’s op de omgeving. Door risicogestuurd assetmanagement zorgt Evides voor een veilige en betrouwbare levering van drinkwater.

Door Wouter van Esse en Patrick van den Ende

Stabiliteitszone bij het verdedigingswerk van Brielle.

Voor leidingen nabij belangrijke waterstaatswerken zijn aanvullende eisen opgenomen in de NEN3651. Hierin is vastgelegd dat leidingen in een zone rondom deze vitale infrastructuur aan stengere eisen moeten voldoen. De omvang van de zones is afhankelijk van de hoogte van de kering of het wegelement ten opzichte van het maaiveld. Nelen & Schuurmans heeft voor het afleiden van de zones een GIS-routine ontwikkeld. De routine combineert de ligging van de kruinlijnen met de combinatie van de AHN2 en 3, en tekent vervolgens een buffer langs de kruinlijnen. Evides heeft voor Nelen & Schuurmans gekozen op basis van een duidelijke en reproduceerbare aanpak die efficiënt wordt uitgevoerd dankzij de beschikbare GIS-tools en expertise.

Voorbeeld van afgeleide zones rondom Arnekanaal.

De ‘4xH-regel’ en ligging
De NEN3651 stelt dat de stabiliteitszone vereenvoudigd wordt vastgesteld volgens de 4xH-regel. Dit houdt in dat de stabiliteitszone vier maal zo breed is als de hoogte van het werk. De zone wordt getekend vanaf de teen van het werk. Voor het afleiden van de ligging van de zone zijn drie eigenschappen uit de AHN afgeleid: 1) De kruinhoogte van het werk, 2) de maaiveldhoogte aan beide zijden van het werk, en 3) de locatie van de teen van het werk. Alle drie de eigenschappen worden voor elke 100 strekkende meter van de kruinlijn afgeleid.

Verzamelen en homogeniseren
De analyse begint met het verzamelen van de ligging van hoogte-elementen. Het gaat daarbij om: alle primaire keringen beheerd door Rijkswaterstaat en waterschappen; alle regionale keringen beheerd door de waterschappen; de spoor- en tramwegen en metrolijnen uit de Basisregistratie Grootschalige Topografie (BGT); de A- en N-wegen uit het Nationaal Wegen Bestand (NWB). Deze gegevens worden door verschillende instanties beheerd die allerlei verschillende coderingen en omschrijvingen hanteren. Om ervoor te zorgen dat achteraf nog onderscheid kan worden gemaakt tussen de verschillende bronnen zijn identificatiecodes en omschrijvingen zoveel mogelijk overgenomen in een beperkt aantal kolommen. Vervolgens zijn alle lijnsegmenten opgeknipt in segmenten van circa 100 meter, zodat de zones in breedte kunnen variëren als een kering niet overal even hoog is. Daarnaast zijn extra opmerkingen geplaatst bij bruggen en tunnels, omdat hier andere regels gelden.

Detail van kering en stabiliteitszone (uit NEN3651). 

Voorbeeld van het bepalen van de kruinhoogte.

Bepaling van de ligging van de teen inclusief zoekgebied rondom maaiveldhoogte.

Kruinhoogte
Voor het bepalen van de kruinhoogte beschikt Nelen & Schuurmans over een GIS-routine die de hoogte afleidt uit de AHN op basis van een lijngeometrie. De routine zoekt loodrecht op de kruinlijn de hoogste waarde uit de AHN. De aangeleverde kruinlijn hoeft daarbij niet precies over de hoogste pixels te liggen. De zoekafstand is instelbaar en de routine houdt rekening met een minimale breedte van het hoogste deel van de kering of weg.

Maaiveldhoogte
De maaiveldhoogte wordt zowel links als rechts van de kering bepaald op basis van een zoekgebied. Van elk zoekgebied links en rechts van de kering wordt een afzonderlijke maaiveldcurve afgeleid. Het 40ste percentiel gaf na beoordeling van voorlopige resultaten de beste resultaten bij het bepalen van de hoogte en het selecteren van de ligging van de teen.

Ligging van de teen
De teen is het deel van de kering, verhoogde weg of spoorweg waar het talud overgaat in het maaiveld. Voor iedere 100 meter langs de kering, weg of spoorweg maken we een hoogteprofiel dwars op de kering. De eerste waarde in het hoogteprofiel dat voldoende overeenkomt met de gevonden maaiveldhoogte beschouwen we als de locatie van de teen. De hoogtewaarde komt voldoende overeen als hij voldoet aan: Maaiveldhoogte – Profielwaarde < 0,05 * (Kruinhoogte – Maaiveldhoogte). Hierbij hanteren we een minimum van 20 centimeter. Deze formulering maakt het bepalen van de teen robuust; hij is zowel voor hoge als lage keringen geschikt.

Grondmassief
Uitzonderingen op bovenstaande methode zijn locaties waar de kruinlijn niet hoger ligt dan het maaiveld. Ook hiervoor specificeert de NEN3651 een aanpak: het grondmassief onder het werk geldt als stabiliteitszone. Dit grondmassief bevindt zich onder de kering of weg en loopt met een helling van 1:3 af (dus in de diepte).

Voorbeeld van de maaiveldcurve.

Uitschieters
De afgeleide zones, kruin- en maaiveldhoogte zijn visueel gecontroleerd met de AHN als onderlegger. Uit deze controle blijkt dat in een aantal gevallen uitschieters op kunnen treden. Het gaat daarbij om de volgende zaken. Langs de kruinlijn ligt een ander hoog element, bijvoorbeeld een oprit naar een weg. In deze gevallen ligt de oprit ook hoger en ‘denkt’ de routine dat een deel van het talud van de oprit bij de kering of weg hoort. Langs de kruinlijn ligt een huis, kas of groot wateroppervlak. In de AHN zijn deze gebieden uitgefilterd, waardoor de maaiveldhoogte minder nauwkeurig is vastgesteld. Ook het berekenen van de teen is minder nauwkeurig. In beide gevallen is sprake van een uitschieter; de naastgelegen zones geven goede resultaten. Om de uitschieters zoveel mogelijk te filteren en te corrigeren, is de relatie tussen de originele lijnsegmenten (dus voor het opknippen naar stukken van 100 meter) gebruikt. Per lijn is de gemiddelde hoogte en afstand naar de teen bepaald van alle korte segmenten. Wijkt een individuele zone hier teveel van af, dan is hij vervangen voor een zone op basis van het gemiddelde van de hele lijn.

Techniek
Totaal zijn voor bijna 100.000 segmenten stabiliteitszones links en rechts afgeleid. Per segment is de kruinhoogte, maaiveldcurve links en rechts en hoogteprofielen tot 150 meter links en rechts van elk segment. Dit betekent dat er voor een groot aantal lijnen en vlakken AHN-statistieken zijn afgeleid. Om dit snel te kunnen doen, maken we gebruik van de raster-store. De raster-store is een unieke oplossing waarmee efficiënt rasterdata worden opgeslagen, ontsloten en geanalyseerd. De store is gebouwd met behulp van open software (onder andere gdal, python en scipy) en is gericht op het zo snel mogelijk verwerken en beantwoorden van allerlei vragen aan de data. Zo is on the fly gebiedsaggregatie beschikbaar, waarbij tussenresultaten niet worden opgeslagen maar voor iedere opvraag opnieuw via het geheugen verwerkt. Voorbeelden van toepassingen zijn snelle weergave via WMS, uitrekenen van waterdiepte en afleiden van statistische eigenschappen van een gegeven gebied. Voor het afleiden van de eigenschappen van de hoogtelijnen in dit project zijn routines geschreven die optimaal gebruikmaken van de raster-store. Door de efficiëntie van de store en deze routines zijn de statistieken voor alle zones binnen enkele minuten afgeleid. De stabiliteitszones zijn vervolgens op basis van de AHN-statistieken met PostGIS getekend.

Resultaat
De werkwijze heeft voor alle segmenten succesvol stabiliteitszones afgeleid. Circa 40 procent hiervan bleek minder dan 1 meter boven het maaiveld te liggen, waarvoor het grondmassief als stabiliteitszone is gedefinieerd. Voor zo’n 45 procent van de segmenten zijn de stabiliteitszones getekend volgens de lokaal gevonden eigenschappen voor de hoogte en afstand tot de teen. De overige 5 procent bestaat uit uitschieters. Door deze aanpak zijn de stabiliteitszones voor het gehele verzorgingsgebied van Evides eenduidig en transparant afgeleid. De methode is transparant en breed inzetbaar op alle locaties waar een verhoging in het landschap aanwezig is.

Schematische weergave stabiliteitszone op basis van grondmassief.

Vervolg
Voor Evides Waterbedrijf zijn de stabiliteitszones het startpunt van een uitgebreide analyse van de ligging van leidingen in de buurt van keringen, A- en N-wegen en spoorwegen. De leidingen die binnen de zones vallen, worden geselecteerd en uitvoerig getoetst volgens een risicobenadering. Hierbij wordt onderscheid gemaakt tussen het type object en de faalkans van de leiding. Als uit de risicoanalyse blijkt dat er sprake is van een hoog risico, worden er maatregelen getroffen. Ook kan ervoor worden gekozen om de stabiliteitszone in meer detail uit te rekenen. Voorbeelden van maatregelen zijn het aanleggen van een mantelbuis onder een weg of het vervangen van een leiding. De afgeleide zones zijn hierbij een stabiele basis voor het selecteren van risicovolle leidingen.

Afgeleiden per segment: kruinhoogte, maaiveldhoogte voor vier zoekgebieden en hoogteprofiel loodrecht op kruinlijn.

Wouter van Esse wouter.vanesse@nelen-schuurmans.nl is adviseur bij Nelen & Schuurmans, Patrick van den Ende p.vandenende@evides.nl is GIS-risico-analist bij Evides. 

Website Nelen & Schuurmans

Website Evides

Comments are closed.