Er zijn, zoals bekend, diverse instrumenten om golven mee te meten. Te denken valt aan (directional) wave riders (golfboeien), stappenbaken, ADCP’s en PUV-instrumenten. Laatstgenoemde instrumenten worden in het water geplaatst, en registreren zowel drukken (P) als horizontale snelheden (U en V). De drukken worden omgezet naar instantane waterhoogtes (waterstanden inclusief oppervlakte uitwijkingen van de korte golven). Het voorliggende document bevat een onderzoek naar een tweetal sets van metingen welke gedaan zijn met Interocean S4ADWi’s, kort aangeduid met S4’s. De ene set betreft metingen in de Deltagoot. De andere set bestaat uit veldmetingen nabij de kust van Petten. Doel hierbij was om de datakwaliteit van de S4’s te beoordelen.
Een oordeel over de datakwaliteit wordt verkregen door S4 metingen te vergelijken met andere, in de directe nabijheid gedane metingen waarvan het hoge niveau van datakwaliteit vastligt. Op basis van lineaire golftheorie is een relatie tussen spectra van de orbitaalsnelheden en oppervlakte uitwijking af te leiden. Wanneer de S4 snelheidsmetingen en oppervlakte uitwijking metingen onderling overeenkomen, spreken we van consistentie tussen snelheden en oppervlakte uitwijking.
Deltagoot metingen
Op basis van de analyse van de in oktober 2011 uitgevoerde S4 metingen in de Deltagoot (laboratoriumsituatie) kunnen de volgende conclusies getrokken worden aangaande de datakwaliteit van de S4:
De met de S4 gemeten snelheden zijn niet correct. Er is namelijk absoluut geen sprake van consistentie tussen spectra van de met de S4 gemeten snelheden en spectra van de met de S4 en Deltares golfhoogtemeters gemeten oppervlakte uitwijking. Ook in het tijdsdomein is dit zichtbaar: de grootte en het fasegedrag van de gemeten snelheden wijken sterk af van de verwachtingen. De oorzaak van de foutieve metingen is onbekend, maar het meest waarschijnlijk lijkt elektromagnetische interferentie tussen de S4 snelheidssensoren en het staal in gootwanden te zijn.
Aanbeveling: onderzoek wat de oorzaak is van deze foutieve snelheidsmetingen.
Omdat de gemeten snelheden niet correct zijn, is het niet mogelijk om op basis van S4 signalen het WAVES golfscheidingsalgoritme te testen. Dit algoritme heeft tot doel om de golven te scheiden in een inkomend en gereflecteerd deel.
Aanbeveling: controle van het scheidingsalgoritme in Waves op basis van andere
data, verkregen hetzij uit veld- of laboratoriummetingen, hetzij middels analytische methoden.
Bij de interpretatie van de door de S4 geleverde oppervlakte uitwijkingsignalen moet rekening gehouden worden met het afkappen van de drukversterkingsfactor
K
p. Uit de data blijkt dat de maximale versterkingsfactor gelijk is aanK
p,max = 2.0, wat voor de Deltagootproeven leidt tot een afkapfrequentie vanf
max = 0.27 Hz. Voor frequenties boven deze waarde wordt de versterkingsfactor niet op nul gezet (wat soms gebruikelijk is), maar (waarschijnlijk) gelijk gehouden aanK
p,max.Metingen op Pettemer meetsite
We hebben velddata afkomstig uit twee datasets op verschillende locaties vergeleken. Iedere dataset bevat data van een S4, een drukdoos en een stappenbaak, welke onderdeel zijn van
Geschiktheid en advies golfverwerkingsmethoden PUV-methode 1206432-004-ZKS-0002, 17 december 2012, definitief
42 van 50
de Pettemer meetsite. De instrumenten binnen een dataset bevinden zich in elkaars directe nabijheid (minder dan 4 m verschil), waardoor deze data onderling te vergelijken is. Data uit drie tijdvensters (2 t/m 6 januari 2012; 26 tot en met 28 januari 2012; 23 en 24 april 2012) is gebruikt.
De conclusies staan hieronder verwoord:
De WAVES verwerking van S4-data geeft foutieve waterstanden. Deze wijken ongeveer 30 cm af van de met de drukdoos en stappenbaak bepaalde waarden, welke we als correct beschouwen. Mogelijke oorzaken hiervoor zijn het niet correct verwerken van een in de S4-manual genoemde offset en het niet meenemen van luchtdrukvariaties.
Aanbeveling: nader onderzoeken en verhelpen van deze fout in de WAVES
verwerking.
De S4 inhanghoogte, de lokale diepte en de optredende golfcondities zijn zodanig dat de analyse van de hier beschouwde S4 metingen niet gehinderd wordt door een te lage afkap (cut-off) frequentie. Deze afkapfrequentie is de maximale frequentie waarvoor de gemeten druksignalen nog zonder al te veel ruis omgezet kunnen worden tot oppervlakte uitwijking signalen.
De S4 geeft dezelfde golfparameters (golfhoogte Hm0, periodematen Tm-1,0 en Tm02) en variantiedichtheidsspectra als de drukdoos zolang de waterstand zich boven de S4 inhanghoogte bevindt. Dat betekent dus dat de S4 voldoende waterdekking moet hebben. Opvallend is dat de harde begrenzing (het ‘knippen’) van de tijdsignalen, veroorzaakt door het droogvallen van de S4 in de golfdalen bij waterstanden iets boven de S4 inhanghoogte, blijkbaar geen negatief effect heeft op de gevonden parameters.
Aanbeveling: onderzoek waarom deze harde begrenzing klaarblijkelijk geen negatief
effect heeft.
Gedurende milde condities (golfhoogtes kleiner dan 1m) komen de genoemde golfparameters bepaald met de S4, drukdoos en stappenbaak onderling overeen. Gedurende stormsituaties (golfhoogtes groter dan 1m, waarbij op de beschouwde
locaties veel golfbreken optreedt) geeft de stappenbaak een beduidend grotere golfhoogte (zo’n 30 à 50 cm) dan de drukdoos of S4. Tevens geeft de stappenbaak dan een beduidend lagere golfperiode (zo’n 0.5 à 1.0 s, voor zowel Tm02 als Tm-1,0) dan de drukdoos en S4. De met drukdoos en S4 (druksensor) gemeten golfhoogtes en golfperiodes liggen dicht bij elkaar. Mogelijke oorzaken voor de verschillen tussen enerzijds de stappenbaak en anderzijds de op druk gebaseerde metingen zijn oploop tegen de baak of gebruik van lineaire golftheorie buiten zijn geldigheidsgebied.
Aanbeveling: onderzoek de oorzaken van de verschillen tussen enerzijds de
stappenbaak en anderzijds de drukdoos en S4.
Voor het overgrote merendeel van de beschouwde spectra geeft de stappenbaak over het gehele frequentiebereik iets grotere spectrale waarden dan de drukdoos en de S4 druksensor. De oorzaak hiervoor is onbekend, maar zou zowel het gebruik van lineaire golftheorie voor de drukinstrumenten als oploop tegen de baak kunnen zijn. De met de S4 bepaalde golfrichting is (waarschijnlijk) correct wanneer de waterstand
zich boven de inhanghoogte van de S4 bevindt.
De uit de S4 metingen bepaalde golfrichtingsspreiding is naar alle waarschijnlijkheid te groot. Dit is zeer waarschijnlijk te wijten aan de aanwezigheid van turbulente snelheden en ruis. Klaarblijkelijk is de golfrichting-bepaling minder gevoelig voor de aanwezigheid van deze turbulente snelheden en ruis, omdat de golfrichting wel correct gemeten wordt (indien de waterstand hoog genoeg is, dat wil zeggen boven de S4 inhanghoogte).
1206432-004-ZKS-0002, 17 december 2012, definitief
Geschiktheid en advies golfverwerkingsmethoden PUV-methode 43 van 50
Aanbeveling: onderzoek de oorzaak van de overschatting van de golfrichtingsspreiding.
De golfspectra
S
,reconf
, dat wil zeggen het naar variantiedichtheidsspectrum omgezette spectrum van gemeten S4 snelheden, vertonen vaak sterke overeenkomsten met de spectra gebaseerd op oppervlakte uitwijking. Dat betekent dat er in deze gevallen duidelijk sprake is van consistentie tussen snelheden en oppervlakte uitwijking. Dat bevestigt dat de S4 metingen van zowel de druksensor als de snelheden onderling consistent zijn. En omdat de S4 druksensormetingen goed overeenkomen (in ieder geval onder relatief milde condities) met de drukdoosmetingen en stappenbaakmetingen, betekent dit dat de S4 metingen correct zijn.De golfspectra
S
,reconf
bevatten een ruisvloer. Deze is ‘groot’ (meer dan 0.5 m2/Hz) of ‘klein’ (minder dan 0.1 m2/Hz) wanner de waterstand zich minder of meer dan 50 cm boven de S4 inhanghoogte bevindt.Verder blijken de met WAVES en Wavelab berekende golfspectra en de daarvan afgeleide niet-directionele golfparameters (nagenoeg) perfect op elkaar liggen. Uitzondering hierop zijn de spectrale periodematen Tm-1,0, Tm01 en Tm02 zoals bepaald op basis van de data ingewonnen in de Deltagoot, welke onderling, waarbij de met Wavelab bepaalde waarden orde 0.1 s, 0.2 s en 0.3 s groter zijn.
Aanbeveling: onderzoek de oorzaak van dit verschil tussen golfparameters bepaald
met WAVES en Wavelab.
Het ligt in de lijn der verwachting dat een aantal van bovenstaande conclusies ook geldig zullen zijn voor S4’s op andere locaties onder soortgelijke hydrodynamische omstandigheden in de nabijheid van de kust. Dat verklaart waarom er voor gekozen is om de conclusies zo veel mogelijk generiek te verwoorden, door bijvoorbeeld te spreken over de positie van de waterstand ten opzichte van de inhanghoogte. De enige manier om dit zeker te weten, is door S4-velddata van andere locaties te bestuderen, waarbij tevens referentiedata in de vorm van drukdoos- en stappenbaakmetingen beschikbaar is. Ook kan het waardevol zijn om de in Hoofdstuk 4 beschreven analyse uit te breiden met (veel) meer tijdvensters. Door een slimme keuze van statistische parameters kan men bijvoorbeeld meetdata van één of meer stormseizoenen analyseren.
Aanbeveling: analyseer data van S4’s op andere locaties (inclusief referentiedata)
en/of voer een statistische analyse uit op Petten S4 data en referentiedata van één of meer stormseizoen.
1206432-004-ZKS-0002, 17 december 2012, definitief
Geschiktheid en advies golfverwerkingsmethoden PUV-methode 45 van 50
6 Referenties
Dean and Dalrymple (1984), Water Wave Mechanics for Engineers and Scientists (World Scientific, Singapore).
Deltares (2010). Meetsystemen voor korte golven. Kenmerk 1203818-000-HYE-0002, december 2010.
Deltares (2011a). PUV validatie Deltagoot. Meetrapport. Kenmerk 1204851-000-HYE-0007, december 2011.
Deltares (2011b). PUV validatie Atlantic Basin. Meetrapport. Parametrisch en fenomenen onderzoek. Kenmerk 1204851-001-HYE-0001, december 2011.
Deltares (2011c). Suitability of directional wave measurement with PUV method. Kenmerk 1203818-000-HYE-0010, februari 2011.
Deltares (2012a). Projectplan Advies meetmethoden en technieken. KPP2012, Meten en Monitoring, LT Basis Informatie DID. Volgnummer MM17. Kenmerk 1206432-000- ZKS-0003, 20 april 2012.
Deltares (2012b). Twee-dimensionale golfspectra. Kenmerk 1206019-003-HYE-0008, 14 september 2012.
Mansard, E. and E. Funke (1980), The measurement of incident and reflected spectra using a least-square method, Proc. ICCE’80, ASCE, pp.154-172, Sydney.
Ruessink, G. (2011). Geschiktheid PUV-sensoren voor de Rijkswaterstaat-praktijk. Aanzet tot een vervolgstudie. Maart 2011.
Rijkswaterstaat (2012). Maandrapportage 2012. Pettemer meetraai. Datum 16-03-2012.
WAVES (2012). GUI gebruikershandleiding, Gebruikershandleiding, Technische Documentatie. Versie 4.0, 16 mei 2012.
Geschiktheid en advies golfverwerkingsmethoden PUV-methode 1206432-004-ZKS-0002, 17 december 2012, definitief
46 van 50