Bijlage D Memo
2. Verschillen in SWAN modelinvoer
Tussen de oude en nieuwe SWAN berekeningen ten behoeve van respectievelijk de
crashactie en HR2006 bestaan er verschillen die kunnen leiden tot andere modelresultaten.
We beperken ons tot de Hollandse Kust. In deze paragraaf geven we allereerst een overzicht van de verschillen in de SWAN modelinvoer tussen beide series berekeningen. Tot slot wordt aangegeven welke onderdelen uiteindelijk mogelijk effect kunnen hebben op de uitkomsten.
De SWAN modelinvoer bevat hoofdzakelijk uit de volgende onderdelen:
x rekenrooster, x bodemtopografie,
x offshore randvoorwaarden, x wind, stroming en waterstanden, x fysische en numerieke instellingen en x uitvoerlocaties.
Ten aanzien van de SWAN berekeningen welke voor de crashactie zijn gebruikt staat in het rapport van Alkyon (2006) een uitvoerige beschrijving van de bovengenoemde onderdelen.
Evenzo geldt dit voor de HR2006 berekeningen welke in Kieftenburg en Zijlema (2006) staan beschreven.
Naast de genoemde onderdelen is er nog een ander niet onbelangrijke aspect wat bijdraagt aan de verschillen tussen de oude en nieuwe golfparameters, te weten correctiefactoren. De modelresultaten welke zijn opgeslagen in de databases zijn gecorrigeerd voor de gemiddelde afwijking ten opzichte van metingen. Achtergrondinformatie is te vinden in Jacobse e.a.
(2002) en in Bijlage F in Kieftenburg en Zijlema (2006) voor respectievelijk de crashactie en HR2006. In dit memo beperken we ons echter tot de door SWAN berekende
modelresultaten zonder enige vorm van correcties. Hiermee beogen we een (zuivere) vergelijking tussen de oude en nieuwe berekeningen waarvan de verschillen uitsluitend door bovenstaande onderdelen van de SWAN invoermodel zijn of kunnen worden veroorzaakt.
Rekenrooster
De oude SWAN berekeningen zijn vervaardigd met geneste rechthoekige roosters terwijl de nieuwe berekeningen zijn uitgevoerd op basis van een kromlijnig rooster van het zg.
Kuststrookmodel. De roosters moeten zodanig verfijnd zijn dat daardoor de modelresultaten niet rooster-afhankelijk zijn. Dit blijkt inderdaad het geval te zijn. Zie voor details Bijlage A in Kieftenburg en Zijlema (2006). De conclusie is dan ook dat indien alle andere
invoer-onderdelen identiek zouden zijn voor beide series SWAN berekeningen, dan zouden de modelresultaten voor beide berekeningen nagenoeg gelijk zijn.
Bodem
Eind jaren ’90 zijn door RIKZ binnen de projecten DIJKBEKLEDINGEN en INVENT bodemschematisaties gemaakt van alle Nederlandse estuaria en kustwateren. Deze bodemschematisaties zijn vervolgens gebruikt bij het bepalen van de
ontwerpgolfrandvoorwaarden met behulp van SWAN (zg. RAND2001). De werkwijze staat beschreven in Svasek (1999).
In het HR2006 project zijn een 252-tal SWAN berekeningen uitgevoerd voor de Hollandse Kust. Voor al deze berekeningen is een bodemschematisatie gemaakt, waarvan uitgebreid verslag is gedaan in Walburg (2005).
Het belangrijkste verschil in de gebruikte bodems is dat in HR2006 het systeemgemiddelde van de bodem is gebruikt, terwijl in de crashactie een momentopname van de bodem is
Memo
gebruikt3. De consequentie is dat de waterdiepte nabij de kust in geval van HR2006 groter is dan die van de crashactie. Zie ook Bijlage B in Kieftenburg en Zijlema (2006). Dit impliceert dat de met nieuwe berekeningen verkregen golfhoogtes groter zijn dan die van de oude berekeningen.
Offshore golfrandvoorwaarden
Voor westenwinden moet het effect van de golven op de Noordzee worden meegenomen.
De golfrandvoorwaarden zijn gegeven voor enkele offshore meetstations zoals Eijerlandse Gat, IJmuiden en Europlatform in termen van een significante golfhoogte en een
periodemaat.
Er zijn twee belangrijke verschillen tussen de oude en nieuwe berekeningen ten aanzien van de bepaling van de offshore golfrandvoorwaarden:
a) de waarden van de golfhoogte en periodematen in de offshore meetstations en b) de feitelijke randvoorwaarden op het zeewaartse modelrand.
Ad a)
In de oude berekeningen is uitgegaan van volledige afhankelijkheid tussen de golfhoogte Hm0 en de piekperiode Tp met de windsnelheid. Dus bij een windsnelheid met een
overschrijdingskans van 10-4 wordt er een golfhoogte en golfperiode gekozen met een overschrijdingskans van 10-4. In de nieuwe berekeningen wordt de gemiddelde golfperiode Tm1,0 berekend met de grootste kans van optreden gegeven de windsnelheid per
windrichtingsector. Hierbij wordt aldus gebruik gemaakt van de meervoudige statistiek gebaseerd op simultane waarnemingen van windsnelheid, windrichting en golfperiode Tm1,0. Vervolgens zijn de waarden voor Hs en Tp bepaald via een bepaalde relatie tussen Hs en Tm1,0 en tussen Tp en Tm1,0. Voor details en verdere informatie zie Stijnen e.a. (2005).
We hebben aldus,
x in geval van de oude berekeningen, de beschikking over een golfhoogte Hm0 en een piekperiode Tp, volledig afhankelijk van elkaar, bij verschillende windklassen en windrichtingen, en
x in geval van de nieuwe berekeningen, de beschikking over een golfperiode Tm1,0 met de grootste kans van optreden bij een gegeven windsnelheid en windrichting en
bijbehorende golfhoogte Hs en piekperiode Tp. Ad b)
Op de zeewaartse modelrand dienen de golfrandvoorwaarden zodanig bepaald te worden dat de diepwaterstatistiek in de offshore meetstations Eierlandse Gat (ELD), IJmuiden (YMW) en Europlatform (EUR) met voldoende nauwkeurigheid wordt gereproduceerd (<5%). In het verleden is gebleken dat SWAN bij het opleggen van randvoorwaarden op open randen last kan hebben van inspeeleffecten. In hoeverre daar rekening mee is gehouden in de oude SWAN berekeningen is niet bekend. Wel is het zo dat de grootste rechthoekige roosters zodanig zijn geconstrueerd dat de betreffende offshore meetstations precies op de open randen liggen. Op die locaties zijn dan de diepwaterstatistiek (Hs, Tp) opgedrukt. Hierbij is aangenomen dat de vorm van het spectrum van het type Jonswap (J=3.3) is. Tot slot worden op de tussenliggende offshore locaties de randvoorwaarden bepaald door middel van lineaire interpolaties.
In de nieuwe berekeningen is gerekend met het kromlijnig Kuststrook model. Een
uitgangspunt is dat de offshore stations in het domein van het Kuststrook model liggen. In Van Ledden e.a. (2005) staat een methode beschreven om de geschikte
golfrandvoorwaarden op de modelranden van het Kuststrook model af te leiden waarbij
3 Ten tijde van het project RAND2001 waren de bodemgegevens van 1995 het meest recent.
Memo
1. géén inspeeleffecten aanwezig zijn,
2. de diepwater statistiek voor met name de golfperiode Tm10 in de betreffende offshore stations goed wordt gereproduceerd en
3. de vorm van 1D spectrum op zowel de modelrand als in stations enkeltoppig is.
Deze aanpak is toegepast bij de SWAN berekeningen voor HR2006. Het resultaat is dat de gemiddelde golfperiode Tm10 in de offshore stations met een marge van maximaal 2.5%
onnauwkeurigheid door SWAN wordt gereproduceerd terwijl echter de significante golfhoogte Hm0 overschat wordt met gemiddeld 15 tot 30%. In principe kan dit aanleiding geven tot hogere nearshore waarden voor de golfhoogte. Echter, deze overschatting wordt voor een groot gedeelte tenietgedaan in de kustzone als gevolg van diepte-geïnduceerd breken. Deze hypothese zal in Paragraaf 3 worden getoetst.
Kort samengevat zijn de verschillen in de randaansturing tussen de oude en nieuwe berekeningen als volgt:
x de diepwaterstatistiek in de offshore meetstations Eierlandse Gat, IJmuiden en
Europlatform als gevolg van toepassing van resp. marginale en meervoudige statistiek, x mogelijke inspeeleffecten in de oude berekeningen, en
x de door SWAN berekende te hoge golfhoogte in de offshore stations in de nieuwe berekeningen.
In Paragraaf 3 zal gekeken worden wat voor mogelijke consequenties deze verschillen in de randaansturing hebben op de modeluitkomsten.
Wind, stroming en waterstanden
Zowel in de oude als in de nieuwe berekeningen is er géén stroming meegenomen.
Daarnaast wordt de waterstand vlak of constant in de geografische ruimte verondersteld4. Tot slot zijn in de oude en nieuwe berekeningen de windrichting uniform gekozen. De windsnelheid is echter ruimtelijk variërend gekozen doordat de windsnelheid bij een bepaalde kans van voorkomen in de drie windstations van Texel, IJmuiden en Hoek van Holland verschillend zijn. Bij de constructie van het 2D windveld is daar rekening mee gehouden5. Hoewel de wind een belangrijke rol speelt doordat in de extreme condities relatief jonge zeegang aanwezig is, is het geen dominant proces omdat het relatief zeer ondiep is in de kuststrook. Aldus ervan uitgaande dat de overige onderdelen (rooster, bodem, etc.) identiek zijn zouden naar verwachting de uitkomsten van beide series berekeningen niet noemenswaardig verschillen bij een gekozen waterstand, 2D windsnelheidsvlak en windrichting. Deze laatste zin graag beter onderbouwen.
Fysische instellingen
In de oude SWAN berekeningen zijn de standaard fysische instellingen van de fysische processen op diep water (windinput, white-capping en quadruplets) in combinatie met surfbreking, triads en bodemwrijving gekozen. Voor details, zie SWAN User Manual (2004).
In Bijlage E in Kieftenburg en Zijlema (2006) is aanbevolen om in het kader van het HR2006 project de SWAN berekeningen voor de Hollandse Kust uit te voeren met andere fysische instellingen, te weten de n-switch in de whitecapping formulering6 en het niet meenemen
4 Dat is uiteraard fysisch niet realistisch. Echter, het effect van de waterstand op de golfparameters is lokaal-gebonden.
Daarnaast bepaalt het probabilistisch model Hydra-K uiteindelijk voor iedere locatie of kering het toetspeil. Bij dat toetspeil kunnen vervolgens uit de database de golfparameters worden bepaald.
5 De constructie van de windvelden zijn in beide berekeningen verschillend.
6 De default waarde 1 voor de parameter n wordt verhoogd naar 2. Dit leidt tot een verbeterde verdeling van de energie-dissipatie als functie van frequentie. Dit heeft tot gevolg dat de golfenergie bij lagere frequenties beter voorspeld wordt en daarmee uiteindelijk ook de verbeterde voorspelling van de gemiddelde golfperiode. In sommige gevallen kan er
Memo
van triads. De achterliggende reden is dat alleen met deze aangepaste instellingen het mogelijk is om 2D golfrandvoorwaarden te construeren, i.e. in overeenstemming te brengen met de zg. golfgroeikrommes onder milde hydraulische condities. Daarnaast staat vast dat de structurele onderschatting van de periodematen door onder andere de huidige whitecapping formulering in SWAN wordt veroorzaakt (zie Rogers e.a., 2003 en Van der Westhuysen e.a., 2007). Tot slot is bekend dat de huidige triads formulering in SWAN slechts beperkt
toepasbaar is. Vergeleken met metingen blijkt het beter om dit proces ‘uit’ te zetten in de modelberekeningen. Voor meer details, zie Bijlage E in Kieftenburg en Zijlema (2006) . De consequentie voor het verschillend gebruik van de fysische instellingen is dat met name de golfperiodematen in de nieuwe berekeningen groter zullen zijn dan in de oude
berekeningen.
Hoewel de numerieke instellingen in beide SWAN berekeningen verschillend zijn blijkt het aantal iteraties in beide gevallen voldoende groot te zijn zodat er sprake is van convergentie in de stationaire modelresultaten in beide series berekeningen.
Uitvoerlocaties
De uitvoerlocaties zijn qua posities in het rekenmodel verschillend tussen de oude en nieuwe SWAN berekeningen. Doch in beide gevallen is er sprake van locaties welke 100m uit de kruinlijn zijn gepositioneerd. De onderlinge afstand is respectievelijk 200m en 250m.
Aangezien de ruimtelijke variaties in de golfparameters kustlangs relatief klein zijn mogen we aldus verwachten dat voor een specifieke locatie of kering de verschillen in de
golfparameters van beide berekeningen eveneens klein zijn.
Samengevat
Kort samengevat zullen naar verwachting de verschillen in de bodemtopografie,
randaansturing en fysische instellingen van SWAN de belangrijkste verklaringen vormen tussen de verschillen in de modelresultaten van respectievelijk de crashactie en HR2006.
3. Resultaten
Inleiding
Het doel van dit memo is het inzichtelijk maken van de verschillen in de modeluitkomsten tussen de oude en nieuwe berekeningen voor de Hollandse Kust. De resultaten van de oude berekeningen, zoals uitgevoerd door Alkyon (1999), zijn gebruikt tijdens de crashactie, terwijl die van de nieuwe berekeningen (Van Ledden e.a., 2005) voor HR2006 zullen worden gebruikt.
Tijdens de crashactie zijn een 8-tal harde keringen in beschouwing genomen waaronder de Pettemer en Hondsbossche Zeeweringen. Deze twee genoemde locaties worden het meest interessant beschouwd omdat, naar verwachting, daar de grootste verschillen in de
golfparameters tussen de oude en nieuwe berekeningen zullen optreden (o.a. vanwege de significante verschillen in de gebruikte bodemligging). We beperken ons daarom tot de bestudering van de modeluitkomsten in deze genoemde locaties.
Van zowel de oude als de nieuwe SWAN berekeningen zijn er enkele honderden berekeningen uitgevoerd. De uitkomsten van iedere berekening zijn gekoppeld aan de hydraulische conditie, bestaande uit waterstand, windklasse cq. windsnelheid en
Memo
windrichting. In dit memo kiezen we de min of meer maatgevende conditie voor de Pettemer en Hondsbossche Zeeweringen, t.w. waterstand van +6m NAP, windklasse 7 (overschrijdingsfrequentie is 104) en windrichting van 330 graden Nautisch7.
Strategie
Uitgangspunt zijn de berekeningen zoals die door Alkyon zijn uitgevoerd (Alkyon, 1999, 2006). We maken aldus gebruik van de bijbehorende invoerbestanden. De berekeningen bestaan uit geneste roosters van grof (500m u 500m) tot fijn (20m u 20m). Het fijnste rooster omvat een deel van de Hollandse Kust. Er zijn aldus tientallen gedetailleerde roosters in gebruik welke met zijn allen de hele Hollandse Kust bedekken. In dit memo beperken we ons tot het zg. fijnste rooster D63 welke de keringen Pettemer Zeewering en Hondsbossche Zeewering bevatten. Als eerste stap worden met dit rooster de resultaten van Alkyon (1999) gereproduceerd.
Vervolgens voeren we de berekeningen uit waarbij we telkens één aspect in de SWAN invoer wijzigt zodat het effect van dat specifieke aspect op de modeluitkomsten inzichtelijk wordt.
De volgende aspecten worden bestudeerd:
x bodemtopografie, x randaansturing, en x fysische instellingen.
Tot slot herhalen we de berekeningen waarbij we alle drie genoemde aspecten in één keer meenemen. Op deze wijze kunnen we dan een vergelijking maken met de berekening zoals uitgevoerd in het kader van HR2006 (Van Ledden e.a., 2005).
Bij de bestudering van de modelresultaten beperken we ons tot de significante golfhoogte en de periodemaat Tm1,0 in een aantal uitvoerpunten van zowel de Pettemer Zeewering als van de Hondsbossche Zeewering.
In de presentatie wordt het resultaat van de originele SWAN berekening (zoals destijds gebruikt tijdens de crashactie) aangeduid met ‘Crash’ terwijl die van HR2006 met ‘HR2006’.
De resultaten van de berekeningen waarbij telkens één hierboven genoemde aspect wordt gewijzigd worden aangegeven met resp. ‘bodem’, ‘rvw’ en ‘fysische instell.’. Het resultaat van de berekening waarin alledrie de onderdelen van de invoer worden veranderd wordt met
‘totaal’ aangeduid.