Evaluatie van het OSR-model voor zoutindringing in de Rijn-Maasmonding (I)

(1)

Evaluatie van het OSR-model voor

zoutindringing in de

Rijn-Maasmonding (I)

(2)

(3)

Evaluatie van het OSR-model

voor zoutindringing in de

Rijn-Maasmonding (I)

Onderdeel KPP B&O Waterkwaliteitsmodelschematisaties 2014

1209459-000

(4)

(5)

Titel

Evaluatie van het OSR-model voor zoutindringing in de Rijn-Maasmonding (I)

Opdrachtgever Rijkswaterstaat Project 1209459-000 Kenmerk 1209459-000-ZKS-0028 Pagina's 114

Evaluatie van het OSR-model voor zoutindringing in de Rijn-Maasmonding (I) Trefwoorden

Zoutindringing, externe verzilting, Rijn-Maasmonding, Nieuwe Waterweg, OSR, SIMONA, TRIWAQ, 3D.

Samenvatting

Rijkswaterstaat heeft behoefte aan een proces-gebaseerd 3D-computermodel om effecten van ingrepen en beheermaatregelen in het Rijn-Maasmond gebied te onderzoeken. In dat kader heeft Deltares opdracht gekregen tot evaluatie van het OSR-model van het Havenbedrijf Rotterdam voor zoutindringing. De voornaamste onderdelen van deze evaluatie zijn een beschrijving en beoordeling van de opzet van de OSR-modelschematisatie, en een data-model-vergelijking, inclusief objectivering, voor twee geselecteerde verziltingsevents (mei en december 2011).

De belangrijkste waarnemingen en conclusies zijn: (1) De opzet van het OSR-model is over het algemeen duidelijk, degelijk en gedetailleerd. De modeleerkeuze om de windforcering over een deel van het domein sterk te reduceren ligt echter buiten de range van wat met het oog op de fysische processen acceptabel is. Dit levert een fundamenteel probleem voor toepassing van het model voor bv. voorspelling van effecten van ingrepen. Het ondermijnt namelijk het vertrouwen in de voorspelkracht van het model voor situaties anders dan die waarvoor het model nu is gekalibreerd. (2) De data-model-vergelijking voor chlorideconcentratie-tijdseries afkomstig van het vaste meetnet van Rijkswaterstaat laat zien dat het huidige model voor de noordelijke meetnetpunten vrij goed in staat is de gemeten chlorideconcentraties te reproduceren. Voor de zuidelijke meetpunten (Bernisse, Beerenplaat) worden de concentraties echter overschat. De oorzaak hiervan is een te grote naar binnen gerichte dispersieve zoutflux door de Haringvlietsluizen in het 2DH-modeldeel. (3) De data-model-vergelijking voor verticale saliniteitsprofielen gemeten in december 2011 laat zien dat het model zonder lokale wind reductie (‘LWR’) in het algemeen de gelaagdheid en het saliniteitsverschil over de waterkolom onderschat. Met LWR verbetert de kwaliteit van de reproductie voor de metingen van 5 december. Dit komt met name door toename van de saliniteit aan de bodem. De verklaring hiervoor is waarschijnlijk de reductie van het verhang op de Nieuwe Waterweg en van de menging op de Noordzee. Met LWR wordt voor de metingen van 7 december – een dag met meer wind – de saliniteit aan de bodem juist vaak overschat. Dit bevestigt de beperkte toepasbaarheid van de huidige windmodelering.

Belangrijkste aanbevelingen zijn om: 1) maatregelen te nemen in het model om de influx van zout via de Haringvlietsluizen te beperken; 2) voorafgaand aan eventuele toepassing van het model in kwantitatieve effectstudies de windmodelering aan te passen en een herkalibratie uit te voeren.

Projectteam:

Dr.ir. W.M. (Wouter) Kranenburg; Ir. T. (Theo) van der Kaaij; Drs. A.J. (Arno) Nolte

Versie Datum Auteur Paraaf Review Paraaf Goedkeuring Paraaf

1 16/12/’14 dr.ir. W.M. Kranenburg dr.ir. M.Verlaan Drs. F.M.J. Hoozemans 2 27/2/’15 dr.ir. W.M. Kranenburg dr.ir. M.Verlaan Drs. F.M.J. Hoozemans Status definitief

(6)

Titel

Evaluatie van het OSR-model voor zoutindringing in de Rijn-Maasmonding (I)

Opdrachtgever Rijkswaterstaat Project 1209459-000 Kenmerk 1209459-000-ZKS-0028 Pagina's 100

(7)

1209459-000-ZKS-0028, 27 februari 2015, definitief

Evaluatie van het OSR-model voor zoutindringing in de Rijn-Maasmonding (I) i

Inhoud

1 Introductie 1 2 Beschrijving OSR-model 3 2.1 Modeldomeinen 3 2.2 Modelstructuur 4 2.3 Modelparameters 8 2.4 Modeleersoftware 8 2.5 Evaluatie modelopzet 8

3 Beschrijving geselecteerde testperioden 1

3.1 Verziltingstypen 1

3.2 Beschrijving hydrometeo condities 3

3.2.1 Verziltingsevents in de jaren 2010-2014 3

3.2.2 Onderlinge vergelijking geselecteerde testperioden 5

3.2.3 Wind 7

3.2.4 Springtij en doodtij 7

3.3 Data geselecteerd voor modelevaluatie 7

3.3.1 Chloridemetingen vaste meetnet 8

3.3.2 Splitsingspunten mei 2011 8

3.3.3 Verticale zoutprofielen varende metingen nov/dec 2011 10

3.4 Evaluatie geselecteerde testcases en data 10

4 Beschrijving opzet modelsimulaties 13

4.1 Simulatieperioden 13 4.2 Input 2DH-model 13 4.2.1 Randvoorwaarden 13 4.2.2 Wind 14 4.2.3 Sluisbeheer Haringvlietsluizen 15 4.3 Input 3D-model 15 4.3.1 Randvoorwaarden en wind 15

4.3.2 Locaties voor modeluitvoer 15

4.4 Wijze van runnen 15

5 Data-model-vergelijking 17

5.1 Chlorideconcentraties vaste meetlocaties 17

5.1.1 Tijdserie-tijdserie vergelijking 17

5.1.2 Objectivering en aggregatie 19

5.1.3 Constateringen n.a.v. GoF-plots 24

5.2 Onderzoek n.a.v. structurele Cl-overschatting zuidelijke meetpunten 25

5.2.1 Probleemdefinitie 25

5.2.2 Verklaring 25

5.2.3 Mogelijke oplossingen 27

5.3 Debieten splitsingspunten 28

5.4 Verticale zoutprofielen 30

5.5 Onderzoek naar herkomst effect LWR 32

5.5.1 Mogelijke verklaringen 32

(8)

1209459-000-ZKS-0028, 27 februari 2015, definitief 1209459-000-ZKS-0024, Versie 02, 28 februari 2015 5.6 Evaluatie data-model-vergelijking 37 5.6.1 Inhoudelijk 37 5.6.2 Methodisch 37 6 Evaluatie 39 6.1 Overwegingen 39

6.1.1 N.a.v. de gebruikte testcases 39

6.1.2 N.a.v. de chlorideconcentratie tijdseries 39

6.1.3 N.a.v. de modelformulering en de saliniteitsprofielen 39

6.1.4 Met betrekking tot herkalibratie 40

6.2 Overige opmerkingen 40

6.2.1 Modeluitvoer en meetbehoefte 40

6.2.2 Overige mogelijke modelverbeteringen 41

7 Conclusies en aanbevelingen 43

7.1 Conclusies m.b.t. de modelopzet en de modelresultaten 43

7.2 Conclusies over toepasbaarheid van het model 44

7.3 Aanbevelingen 44

Referenties 47

Bijlagen: A-1

A Requirements A-1

B Figuren B-1

B.1 Figuren tijdserievergelijking case 1 B-1

B.3 Figuren debietvergelijking case 1 B-17

B.4 Figuren saliniteitsprofielvergelijking case 2 B-24

B.5 Figuren waterstandsvergelijking case 2 B-37

C Nadere toelichting Goodness-of-Fit grafieken C-1

D Over anti-creep in simona D-1

Bijlage(n)

Bijlagen: A-1

A Requirements A-1

B Figuren B-1

B.3 Figuren debietvergelijking case 1 B-17

B.4 Figuren saliniteitsprofielvergelijking case 2 B-24

B.5 Figuren waterstandsvergelijking case 2 B-37

(9)

Evaluatie van het OSR-model voor zoutindringing in de Rijn-Maasmonding (I) 1

1 Introductie

Rijkswaterstaat (RWS) heeft Deltares opdracht gegeven het Operationeel Stromingsmodel Rotterdam (OSR) te evalueren met betrekking tot zoutindringing. Dit rapport beschrijft de resultaten van deze evaluatie.

Het OSR-model is een modelschematisatie die is ontwikkeld door het Havenbedrijf Rotterdam en wordt gerund met de SIMONA modeleersoftware die eigendom is van RWS en in opdracht van RWS in beheer is bij Deltares. Momenteel wordt het OSR-model met name ingezet voor het opstellen van operationele stromingsverwachtingen voor het Rotterdamse havengebied. Daarnaast wordt het door het Havenbedrijf ook gebruikt voor het beantwoorden van lokale beheervragen. In het verleden werd niet veel gebruik gemaakt van de in het model beschikbare informatie over saliniteit. De laatste jaren wordt deze informatie meer en meer gebruikt, met name voor inschattingen van corrosie en constructielevensduur en voor effectstudies.

De opdracht van RWS aan Deltares bestond uit twee delen. Allereerst werd Deltares gevraagd het OSR-model te beschrijven, berekeningen uit te voeren en een objectieve vergelijking te maken tussen modelresultaten en meetgegevens. Daarnaast werd gevraagd in een doorkijk naar de toekomst verwachtingen te geven over toekomstige mogelijkheden met het OSR-model. De insteek van deze studie is dan ook allereerst op objectieve wijze te beschrijven hoe data en model zich met elkaar laten vergelijken en hoe de resultaten tot stand zijn gekomen. Het tweede onderdeel is meer beschouwend en interpreterend van aard. De achtergrond van deze studie is de behoefte van RWS aan een proces-gebaseerd 3D-computermodel waarmee de effecten van ingrepen en beheermaatregelen in het Rijn-Maas-mond gebied kunnen worden bestudeerd en gekwantificeerd. Dit model dient ingezet te kunnen worden voor het beantwoorden van vragen rondom vergunningverlening en waterkwantiteitsmanagement. Voorbeelden van ingrepen en beheermaatregelen zijn verdieping van de Nieuwe Waterweg, doorspoelen van de Hollandsche IJssel met zoet water, inlaten van zout via de Haringvlietsluizen (Kierbesluit) en het toelaten van getijwerking in het Volkerak-Zoommeer. Effecten dienen bijvoorbeeld te kunnen worden uitgedrukt in de toe- of afname van het aantal dagen dat een norm ter plaatse van een inlaatpunt wordt overschreden. Tegelijk is voor toepassing van het model bij het ontwerpen van ingrepen en beheermaatregelen ook een uitdrukking van de effecten in termen van processen van belang. Een aantal op de achtergrond spelende beheervragen op korte en langere termijn was beschreven in de project-requirements, opgenomen in bijlage A.

De opzet van dit rapport is als volgt: Hoofdstuk 2 beschrijft de opzet van het OSR-model en de in het model gebruikte parametersettings. Hoofdstuk 3 beschrijft de condities in de geselecteerde testperioden en de voor de validatie geselecteerde meetgegevens. Hoofdstuk 4 beschrijft de opzet van de modelsimulaties voor de gekozen testcases. De daadwerkelijke data-model-vergelijking is te vinden in hoofdstuk 5. Er is naar gestreefd de kern van de hoofdstukken 2 tot 5 een beschrijvend karakter te geven. Evaluerende opmerkingen en beschouwingen hebben zoveel mogelijk een plek gekregen in de laatste paragraaf van deze hoofdstukken. Nadere interpretatie van de resultaten en van de evaluerende opmerkingen in hoofdstukken 2 tot 5 wordt gegeven in hoofdstuk 6. Het rapport besluit met de conclusies en aanbevelingen in hoofdstuk 7.

(10)

Dit rapport beantwoordt zodoende voornamelijk de vragen behorend bij het eerste deel van de opdracht. Vooruitlopend op een ten tijde van de afronding van dit rapport verwachte tweede evaluatiestudie naar aanleiding van herkalibratie van het OSR-model draagt dit rapport de titel: ‘Evaluatie van het OSR-model voor zoutindringing in de Rijn-Maasmonding (I)’. De gevraagde beschouwing over mogelijkheden van het OSR-model voor toepassing in beheervragen is weergegeven in een aparte memo met de titel: ‘Memo Evaluatie OSR: toepassing in beheervragen’. Tijdens deze studie is ook onderzoek uitgevoerd naar de gevoeligheid van de modelresultaten voor aanpassing van de horizontale roosterresolutie. Dit onderzoek zal ook gerapporteerd wordt in een aparte memo, getiteld: ‘Memo Evaluatie OSR: gevoeligheidsanalyse horizontale resolutie’.

(11)

2 Beschrijving OSR-model

Het OSR-modelsysteem bestaat uit twee sub-modellen: het 2DH OSR-Haven-model en het 3D OSR-NSC-model. De modelversie die in deze studie wordt beschreven en geëvalueerd bestaat uit OSR-Haven-2012-v304 en OSR-NSC-2014-v702.

2.1 Modeldomeinen

De domeinen van de submodellen OSR-Haven en OSR-NSC zijn weergegeven in Figuur 2.1.

Figuur 2.1: Domeinen van de submodellen OSR-Haven (blauw, versie 2012-v304) en OSR-NSC (rood, versie 2014-v702) en verticale laagverdeling van OSR-NSC.

Het OSR-Haven modeldomein strekt zich uit vanaf Gouda, Hagestein, Tiel en Lith aan de kant van de rivieren, respectievelijk de Hollandsche IJssel, Lek, Waal en Maas, tot ongeveer 30 km uit de kust en bestrijkt de kust van Schouwen tot nabij Zandvoort. Het OSR-NSC modeldomein heeft een rand in de Hollandsche IJssel bij het begin van de Gouwe, en in de Lek en de Beneden Merwede bij Krimpen aan de Lek en Papendrecht. Aan de zuidzijde liggen de randen van het domein bij de zuidzijde van het Dordtsche Kil en de zuidzijde van het Spui. Op zee strekt het domein zich uit tot 15 tot 20 km offshore, bestrijkt het de kust van Goeree tot Monster en wordt het begrensd door de Haringvlietsluizen.

Het 3D OSR-NSC-model maakt in de verticaal gebruik van tien sigma-lagen met een niet-equidistante laagverdeling, zie Figuur 2.1. De lagen zijn onderin het dunst en worden naar boven dikker, met een maximale diktetoename van 50% tussen de tweede en derde laag van onder. In beide horizontale richtingen is het rooster van OSR-NSC drie keer zo fijn als het rooster van OSR-Haven en het volgt nauwgezet de details van het havengebied. In beide sub-modellen is de Tweede Maasvlakte gemodelleerd door ophoging van het bodemniveau ter plaatse van de landaanwinning. Om die reden zijn de land-water scheidingen ter plaatse van de Tweede Maasvlakte niet in Figuur 2.1 terug te zien als domeinranden.

OSR-NSC laagverdeling: (neerwaarts) 12% 12% 11% 11% 11% 11% 11% 9% 6% 6%

(12)

2.2 Modelstructuur

De opzet van een modelrun is als volgt: Eerst wordt het 2DH-model gerund. Dit gebeurt in feite twee keer. In beide slagen worden voor het oplossen van de impulsvergelijking Riemann-randvoorwaarden voorgeschreven op de zeeranden en debieten voorgeschreven op de rivierranden. Voor het oplossen van de zoutbalans wordt zowel op de zee- als op de rivierranden de saliniteit voorgeschreven.

In de eerste slag, de steadystate-run, bestaan de Riemann-randvoorwaarden uit harmonische componenten, betrokken uit een modelsimulatie voor 1998 voor alleen astronomisch getij. In deze steadystate-run wordt Kalman-filtering toegepast, waardoor, met behulp van vijf waterlevel-referentiepunten en een vooraf bepaald filter, geassimileerde modeluitkomsten en randvoorwaarden worden verkregen. In de tweede slag, de getser-run, worden op de zeeranden deze geassimileerde randvoorwaarden opgelegd in de vorm van Riemann-tijdseries. De gebruikte waterlevel-referentiepunten zijn Lichteiland Goeree, Brouwershavensche Gat 08, Haringvliet 10, Hoek van Holland en Scheveningen, zie Figuur 2.2. Figuur 2.3 laat zien dat deze wijze van simuleren al aan het begin van de gesimuleerde tijd zorgt voor een verbetering van de match tussen data en modelresultaten. De ervaring van het Havenbedrijf is dat de data-assimilatie met name tijdens vloed positief effect heeft op de modelprestaties (overleg Deltares-Havenbedrijf 28/10).

Figuur 2.2: Waterlevel-referentiepunten gebruikt voor data-assimilatie.

(13)

Evaluatie van het OSR-model voor zoutindringing in de Rijn-Maasmonding (I) 5 De overige randvoorwaarden zijn in de twee slagen van het 2DH-model gelijk. Voor de saliniteit wordt in beide runs op de zeeranden een waarde opgelegd die van Zandvoort tot de noordelijke roosterhoek toeneemt van 29.5 – 35.0 psu, langs de noordwestelijke zijde constant blijft en van de westelijke punt tot Schouwen afneemt van 35.0 naar 28.0 psu. Voor de rivierdebieten en saliniteitswaarden worden tijdseries of constante waarden opgelegd, al naar gelang een realistische casus of een hypothetisch scenario wordt gesimuleerd. Ook wordt in beide slagen bij simulatie van een realistische casus aan het oppervlak een windschuifspanning opgelegd, die voor het hele domein berekend wordt uit de potentiële wind in Hoek van Holland (d.w.z. de gemeten wind gecorrigeerd naar de windsnelheid op 10 meter hoogte over open land met een ruwheidslengte van 0.03 meter).

De randvoorwaarden voor het 3D-model worden betrokken uit de resultaten van de tweede slag met het 2DH-model (nesting). Het betreft hier tijdseries voor de Riemann-randvoorwaarden op de zeeranden, voor de debieten door de randen op de Lek, Beneden Merwede, Dordtsche Kil, Spui en de Haringvlietsluizen, en voor de saliniteit zowel op de rivierranden als op zee. Het 3D-model wordt gerund met een iets kleiner tijdsframe dan het 2DH-model. Zodoende worden het doorgeven van eventuele inspeelverschijnselen in het 2D model aan het 3D model beperkt.

Figuur 2.4: Het masker voor creatie van ruimtelijke variabele windsterkte over het gebied. In het rode gebied wordt een windsterkte opgelegd van 100%, in het paarse gebied van 10% van de gemeten waarde bij Hoek van Holland.

Ook in het 3D-model wordt aan het wateroppervlak een windschuifspanning opgelegd, gebaseerd op de wind in Hoek van Holland op 10 m hoogte. In de van het Havenbedrijf ontvangen som waarin de verzilting tussen 29/11 en 8/12/2011 is gesimuleerd (‘case 0’), gebeurt dit op twee manieren. In de 3D som voor de periode voorafgaand aan 29/11 wordt een windschuifspanning opgelegd die over het hele domein gelijk is en direct berekend wordt uit de wind bij Hoek van Holland. Uit deze som wordt middels een restart een som gestart voor de periode 29/11-8/12. In deze som wordt door middel van een masker een ruimtelijke variatie in de windsterkte geïntroduceerd: in een band over het domein wordt de windsterkte

(14)

gereduceerd tot 10% van de wind bij Hoek van Holland. Deze band en het effect daarvan op het windveld zijn weergegeven in Figuur 2.4 en Figuur 2.5. Concreet komt dit neer op een lokale reductie van de wind ongeveer vanaf het westen van Maassluis tot zeewaarts van Maasvlakte II, oftewel boven een gedeelte van de Nieuwe Waterweg en een deel van de gemodelleerde Noordzee (zie Figuur 2.1).

Figuur 2.5: Voorbeeld van een windveld na toepassing van het ruimtelijk variabele wind masker

In Figuur 2.6 is de volgorde van submodel-runs schematisch weergegeven, samen met de informatiestromen tussen de verschillende onderdelen.

(15)

Evaluatie van het OSR-model voor zoutindringing in de Rijn-Maasmonding (I) 7 Tabel 2.1 Overzicht parametersettings in het OSR-Haven-model en OSR-NSC-model

Parameter OSR-HAVEN (2DH) OSR-NSC (3D)

Rekenrooster _{Aantal domeinen} ₁ ₁

Horizontaal 7 cellen breedte NWW 20 cellen breedte NWW

Verticaal 1 10 σ-lagen (niet equidistant)

Diepte _Bron _{lodingen HBR} _{lodingen HBR}

Positie diepten Hoekpunten Hoekpunten

Zijkanten (UV punten) Gemiddeld Gemiddeld

Celmidden Gemiddelde v. hoekpunten Gemiddelde v. hoekpunten

Processen Saliniteit Saliniteit

Locatie Open Randen

Zee >30 km offshore 15 a 20 km offshore

Rivieren Lek (Hagestein) Lek (Krimpen aan de Lek)

Waal (Tiel) Beneden Merwede

(Papendrecht)

Maas (Lith) Dordtsche Kil (zuidzijde)

Spui (zuidzijde)

Ruwheid Type Manning Manning

Waarden [s/m1/3] Globaal 0.024; Ruimtelijk variërend 0.014 - 0.025; Globaal 0.020; Ruimtelijk variërend 0.016 - 0.026;

Viscositeit Horizontaal (coefficient) [-] 6.0 1.0

Verticaal n.v.t. k-ε turbulentie model;

Dispersie / diffusie Horizontaal [m2/s] Globaal 50; Ruimtelijk variërend 50 – 1500; 0.01

Verticaal n.v.t. k-ε turbulentie model;

Wind _{Dichtheid lucht [kg/m}3

] 1.205 1.205

Cd [-] Constant (0.0026) Constant (0.0026)

Windforcering Wind HvH Wind HvH + masker

Numerieke instellingen Tijdstap [s] 30 s 7.5 s Iteraties cont. 40 40 Afbreekcrit cont. [m3] - 0.002 Iteraties impuls 8 20 Afbreekcrit snelheid [m/s] 0.0005 0.0002 Tstap wrijvingsupdate 10 min 10 min

(16)

2.3 Modelparameters

Zowel in het 2DH-Havenmodel als in het 3D-NSC-model worden van tevoren gekozen waarden meegegeven aan diverse fysische en numerieke parameters. Een overzicht van parameters en waarden is weergegeven in Tabel 2.1, samen met karakteriseringen van het rooster en de randvoorwaarden die ook in de paragrafen hierboven zijn besproken.

2.4 Modeleersoftware

Het OSR-modelsysteem wordt gerund gebruik makend van de SIMONA-software, te weten WAQUA voor het 2DH-deel en TRIWAQ voor het 3D deel. De huidige parametersettings zijn tot stand gekomen na recente herkalibratie van het OSR-model door het Havenbedrijf op grond van simulaties met SIMONA 2013 (revision 5322). Aandacht voor de combinatie modelversie - softwareversie is niet onbelangrijk. Aanleiding voor de herkalibratie was de constatering van het Havenbedrijf dat voor een en hetzelfde model aanzienlijke verschillen in zoutconcentratie kunnen optreden tussen resultaten verkregen met SIMONA 2011 en met SIMONA 2013. In de beginfase van deze studie is daarnaast uit tests met een voorgaande versie van het OSR-model (NSC-2013-v601) ook gebleken dat het kan gebeuren dat bij simulatie met SIMONA 2014 (revision 5478) instabiliteiten ontstaan die afwezig zijn bij simulatie met SIMONA 2011.

De belangrijkste ontwikkelingen in de SIMONA-software over de laatste jaren die hier iets mee te maken kunnen hebben, zijn de implementatie van een verbeterde anti-creep formulering, en de verheffing tot standaard van double-precision rekenen. Anti-creep is een functionaliteit in de software om het omhoog kruipen van zout door diffusie in een sigma-lagen model over een niet-vlakke bodem te mitigeren. In de laatste jaren is de implementatie twee keer gewijzigd. De grootste wijziging heeft plaatsgevonden tussen SIMONA 2011 en 2012 (Release Notes Major Release SIMONA 2012). In de release van SIMONA 2014 is nog een wijziging aangebracht, met name relevant voor modelering met sigma-lagen van ongelijke dikte (Release Notes Major Release SIMONA 2014). Double-precision rekenen is een standaard instelling vanaf SIMONA 2012 (Release Notes Major Release SIMONA 2012). Enige relevante informatie over anti-creep, inclusief een vergelijking van modelresultaten voor een testsimulatie met en zonder anti-creep, is te vinden in bijlage D.

In de parametersettings van de huidige modelversie (v702) is de anti-creep functionaliteit uitgeschakeld. Dit was echter niet het geval in de eerdere versie (v601). Hiermee valt te verklaren dat voor deze eerdere versie grote verschillen werden gevonden tussen simulaties met SIMONA 2011 en 2013/2014. Ook de instabiliteiten kunnen hierdoor worden verklaard: de nieuwe formulering is aanzienlijk minder diffuus. Daardoor krijgen onregelmatigheden veel meer kans de modelresultaten te beïnvloeden. In onze tests bleek de instabiliteit getriggerd te worden door een onregelmatigheid in de bodem vlakbij de Lek-rand. De rekencellen zijn hier bijzonder smal. Deze schematisering kan negatief uitpakken voor de stabiliteit wanneer een berekening met anti-creep plaatsvindt rond de bodemonregelmatigheid. Dit vanwege het expliciete karakter van de creep berekening. Voor eventuele toepassing van de anti-creep functionaliteit in de toekomst, adviseren wij om, ervan uitgaande dat tijdstap en rooster ongewijzigd moeten blijven, het reliëf nabij de Lek-rand uit de bodemschematisering te verwijderen.

2.5 Evaluatie modelopzet

Met betrekking tot de opzet van het OSR-model kunnen we constateren dat goed duidelijk is geworden hoe het model in elkaar zit. We hebben gezien hoe de benodigde randvoorwaarden worden geformuleerd, hoe middels data-assimilatie de

(17)

Evaluatie van het OSR-model voor zoutindringing in de Rijn-Maasmonding (I) 9 Dit is behalve duidelijk ook degelijk en zeer acceptabel. Ook is duidelijk geworden welke waarden of formuleringen zijn gekozen voor belangrijke fysische en numerieke parameters. De meeste van deze keuzes kunnen we goed volgen. Er zijn enkele keuzes die in onze ogen op zich niet onredelijk zijn maar wel opvallen. Dit betreft de vrij hoge waarde voor de Cd

-coëfficiënt voor de winddrag, de vrij lage diffusie-coëfficiënt in het 3D-NSC-model, en het niet gebruiken van de anti-creep functionaliteit in het 3D-NSC-model. De eerste twee kunnen een acceptabel resultaat zijn van kalibratie. De derde keuze vinden wij echter niet optimaal, omdat is aangetoond dat in situaties met steile bodemhellingen of sterk bodemreliëf met anti-creep een betere representatie van de fysische processen wordt bereikt dan zonder (zie bijlage D). Bodemreliëf is ook in het hier geschematiseerde gebied aanwezig, waardoor gebruik van deze functionaliteit in onze ogen de voorkeur verdient. Het is echter geen kwestie van eenvoudig aanzetten. Gezien de eerder genoemde instabiliteiten vraagt gebruik van anti-creep waarschijnlijk enkele aanpassingen aan de bodemschematisatie nabij de instroomranden. Daarnaast zal herkalibratie nodig zijn, omdat de parametersettings in samenhang moeten worden bekeken.

Naast deze kleinere opmerkingen, hebben wij een groter punt van kritiek: wij vinden de keuze voor een lokale reductie van de windsterkte boven een gedeelte van de Nieuwe Waterweg en een de Noordzee tot 10% van de sterkte in de rest van het domein, en daarmee van de windschuifspanning tot 1% van de sterkte in de rest van het domein, buiten de range van wat met het oog op de fysische processen acceptabel is. Wij zien in de fysica geen aanknopingspunt voor deze keuze, die, afgezien van het moment van starten, enigszins willekeurig lijkt ten aanzien van de grootte en de locatie van de windreductie. Zelfs als validatie en kalibratie resultaten met deze keuze redelijk tot goed zijn, voorzien wij een fundamenteel probleem voor de toepassing van het model voor voorspelling van effecten van maatregelen. Door de afstand die hiermee genomen wordt van proces-gebaseerd modelleren wordt de waarde van de modelvoorspellingen voor cases anders dan de kalibratie-case negatief beïnvloed. Dat doet geen recht aan de rest van de modelschematisatie en modeleersoftware, waarin wel nauwkeurig en proces-gebaseerd wordt gemodelleerd.

Het is niet het doel van deze studie om een gevoeligheidsonderzoek te doen gericht op de windmodellering. Het lijkt ons echter voor een zinnige evaluatie van het model wel noodzakelijk om op zijn minst inzicht te krijgen in het effect van de in het model aanwezige lokale wind reductie. Om die reden hebben wij ervoor gekozen om in de modelruns ten behoeve van de model-data vergelijking de 3D-NSC-simulatie waaruit de 3D-NSC-simulatie met lokale wind reductie (LWR) wordt opgestart, door te laten lopen tot het einde van de evaluatieperiode. Dit geeft de gelegenheid zowel resultaten verkregen met als zonder LWR in de evaluatie te betrekken.1

(18)

(19)

3 Beschrijving geselecteerde testperioden

Direct bij aanvang van deze studie zijn in gezamenlijk overleg twee evaluatieperioden geselecteerd, te weten de hele maand mei 2011 (case 1) en de periode 29 november tot 8 december 2011 (case 2). Deze keuze is voornamelijk bepaald door overwegingen over de fysica en over de beschikbaarheid van data. Allereerst was daar de wens om het OSR-model te evalueren voor fysisch gezien verschillende typen externe verzilting, en lijken we hier te maken te hebben met twee verschillende typen, te weten een oprukkende zouttong bij lage rivierafvoer en verzilting onder invloed van een lage rivierafvoer in combinatie met een windopzet op zee. Daarnaast zijn dit allebei perioden waarvoor meer gegevens voor de evaluatie beschikbaar zijn dan alleen de metingen van het vaste meetnet van Rijkswaterstaat. Dit hoofdstuk beschrijft de hydrodynamische en meteorologische omstandigheden in de geselecteerde testperioden. Al doende evalueren we de keuze voor deze perioden door ze te plaatsen in de context van wat in de omliggende jaren is gebeurd, en door na te gaan of we hier inderdaad te maken hebben met twee verschillende verziltingstypen en –mechanismen. Met het oog daarop beginnen we dit hoofdstuk met een beschrijving van verschijningsvormen van externe verzilting. Tot slot beschrijft dit hoofdstuk de voor de testperioden beschikbare meetgegevens.

3.1 Verziltingstypen

De Vries (2014) beschrijft, onder verwijzing naar rapporten van Rijkswaterstaat, vier ‘verschijningsvormen’ van externe verzilting:

0) Geringe verzilting, wanneer bij extreem lage rivierafvoer en normale getijomstandigheden (d.w.z. zonder windopzet) de zouttong in de Nieuwe Waterweg steeds verder stroomopwaarts kan indringen. Deze vorm van verzilting is bedreigend voor de zoetwaterinlaatpunten aan de noordrand van de Rijn-Maas-mond (Hollandsche IJssel, Lek), maar niet voor de zuidrand (Oude Maas, Spui, Haringvliet, Hollandsch Diep).

1) Kortdurende maar extreme verzilting (enkele uren tot enkele getijperioden) door de combinatie van lage rivierafvoer en hoge zeewaterstand door windopzet. Deze combinatie komt vrijwel uitsluitend in najaar en winter voor. Onder deze omstandigheden vindt ook ‘achterwaartse’ verzilting plaats doordat het getijdebiet via Nieuwe Waterweg en Oude Maas ook doordringt in het Spui en zelfs tot in het Haringvliet.

2) Langdurige en forse verzilting (weken - maanden), doordat als na-ijleffect van verziltingstype 1 een hoeveelheid zout water die is achtergebleven in de bodemwaterlaag van het Haringvliet, in de weken-maanden daarna via het Spui weer wordt afgevoerd. Hierbij geeft een klein beetje zeewater al een forse verzilting. Voor bijvoorbeeld een verhoging met 150-200 mg Cl/l boven het achtergrondniveau van de rivier is bijmenging van slechts 1% zeewater nodig. Ook dit type verzilting komt vrijwel uitsluitend voor in najaar en winter, en wordt altijd voorafgegaan door extreme achterwaartse verzilting.

3) Zeer langdurige maar geringe verzilting (>> een maand), veroorzaakt doordat bij langdurig lage rivierafvoeren gaandeweg de chlorideconcentratie van het rivierwater steeds verder oploopt.

(20)

(21)

Evaluatie van het OSR-model voor zoutindringing in de Rijn-Maasmonding (I) 3 Tabel 3.1 Overzicht van de verschijningsvormen van verzilting in de Rijn-Maas-mond, met kaartjes van de

zoutverspreiding, omstandigheden van optreden en inschatting van frequentie en duur van de verzilting.

De tabel is samengesteld door Herman Haas (WVL), Sacha de Goederen en Ary van Spijk (beide RWS-WNZ). Vergrote weergave op vorige pagina.

Er zijn verschillende parameters die een indicatie kunnen geven voor verzilting aan de zuidrand van het Rijn-Maas-mond gebied (RMM). Een daarvan is de HL-parameter: het verschil tussen het ongeveer gelijktijdig optredende hoogwater bij Hoek van Holland en laagwater bij Moerdijk. Deze parameter geeft het maximale waterstandverschil over de RMM en daarmee de maximale druk van het zoute water landinwaarts. Op grond van langjarige ervaring hanteert Rijkswaterstaat HL = 1,0 m als grenswaarde waarboven verzilting verwacht kan worden aan de zuidrand van het RMM gebied, tot in het Spui en het Haringvliet. Bij LH < -1,3 m kan verwacht worden dat het zout weer wordt teruggedrongen, waarbij LH staat voor laagwater bij Hoek van Holland minus hoogwater bij Moerdijk.

3.2 Beschrijving hydrometeo condities 3.2.1 Verziltingsevents in de jaren 2010-2014

Figuur 3.1 toont de chlorideconcentratie bij meetpunt Brienenoord op -6.50 m NAP vanaf januari 2010 tot september 2013 (rode lijn). Hieraan is te zien wanneer in de afgelopen jaren verziltingsevents zijn opgetreden. Het maakt duidelijk dat de verziltingsevents in de perioden mei en nov/dec 2011 behoren tot de grotere verziltingsevents, zowel wat betreft duur als sterkte van de verzilting.

De figuur toont ook het debiet in de Rijn bij Lobith (zwarte lijn). Het is goed waarneembaar dat de verziltingsevents samenvallen met perioden van lage rivierafvoer, zeg beneden de 1800 m3/s. We kunnen constateren dat in beide testperioden sprake was van een zeer laag debiet van rond de 1000 m3/s.

Naast chlorideconcentraties en debieten toont Figuur 3.1 ook de opzet in Hoek van Holland (blauwe lijn, rechter as). Deze informatie is afkomstig van Matroos (waterlevel_surge). Aan de grafiek is te zien dat er slechts weinig verziltingsevents zijn die samenvallen met een serieuze opzet. Voor de testperiode mei 2011 is dat in ieder geval tot 20 mei niet het geval. Voor de

(22)

(23)

Evaluatie van het OSR-model voor zoutindringing in de Rijn-Maasmonding (I) 5 testperiode nov/dec 2011 is dat duidelijk wel het geval. Deze periode valt samen met het op twee na hoogste opzet-event in de weergegeven tijdsspanne. Alleen in januari 2012 en december 2013 (Sinterklaasstorm) is sprake van een hogere opzet. De eerste is duidelijk geen verziltingsevent. December 2013 valt buiten de hier gebruikte meetreeks voor chlorideconcentratie, maar van dit met een vrij laag rivier debiet samenvallend opzet-event is bekend dat er sprake was van verzilting.

3.2.2 Onderlinge vergelijking geselecteerde testperioden

Om nader te bestuderen of de twee geselecteerde verziltingsevents ook aangemerkt kunnen worden als twee verschillende typen van verzilting, toont Figuur 3.2 voor 2011 naast de informatie uit figuur Figuur 3.1, ook de chlorideconcentratie bij Beerenplaat (groene lijn, bovenste grafiek), en de HL- en LH-parameter (blauwe en rode lijn, onderste grafiek).

Allereerst constateren we dat er inderdaad een duidelijke overlap is tussen de momenten van verzilting bij Beerenplaat en de momenten dat de HL-parameter groter is dan 1.0 m. We zien echter dat deze momenten in beide testperioden voorkomen. Vooral rond 20 mei vertoont de chlorideconcentratie bij Beerenplaat een uitschieter. Dat betekent dat in deze periode het zout ook doordringt in het Spui en dat je niet kunt zeggen dat mei 2011 een ‘louter type 0’ situatie is. Maar we kunnen wel vaststellen dat in de periode eind november / begin december de HL-parameter aanzienlijk ruimer boven de 1.0 m uitkomt, de concentraties bij Beerenplaat aanzienlijk groter zijn en ook de verhouding tussen de concentraties bij Beerenplaat en Brienenoord aanzienlijk anders is dan in mei. Waar de concentratie in Beerenplaat in mei op een enkele piek na ongeveer de helft is van die bij Brienenoord, is die eind november / begin december een groot deel van de tijd juist groter. Een strikt onderscheid is dus misschien niet te maken, maar we kunnen wel stellen dat case 1 duidelijk meer past bij type 0 en case 2 duidelijk thuis hoort bij type 1.

Figuur 3.2 (boven) De chlorideconcentratie bij Beerenplaat op -2.00 m (groen), samen met de informatie voor 2011 uit Figuur 3.1; (onder) HL-parameter (blauw) en LH-parameter (rood), oftewel respectievelijk het maximum en minimum van het verschil tussen de waterstand bij Hoek van Holland en Moerdijk per getijperiode. Streepjeslijnen op 1.0 en -1.3 m.

(24)

Figuur 3.3 Voor testperiode 1, mei 2011: (boven) waterstanden; (midden) windsterkte; (onder) windrichting, allen bij Hoek van Holland.

(25)

Evaluatie van het OSR-model voor zoutindringing in de Rijn-Maasmonding (I) 7 3.2.3 Wind

Figuur 3.3 en Figuur 3.4 tonen de sterkte en richting van de (potentiële) wind bij Hoek van Holland voor de geselecteerde testperioden, samen met de waterstand.

Kijken we naar de wind in mei 2011, dan zien we dat we begin mei (1-3) te maken hebben met een wind van zo’n 10 m/s uit het oosten. Daarna (4-12) is de wind gedurende enige tijd aanzienlijk minder sterk. Van 12-19 mei hebben we te maken met wind uit westelijke richtingen die ook gedurende een dag of twee (16-17) toeneemt tot waarden tussen de 8 en 10 m/s. Tussen 19 en 22 mei is de windsterkte weer een stuk minder, maar vanaf 22-30 mei is er een periode van overwegend zuidwestelijke wind waarin een aantal uitschieters voorkomt iets boven de 10 m/s.

De wind in testperiode 2 is eigenlijk, op een dal in de middag van 1/12 na, gedurende de hele periode rond de 10 m/s. Grote delen van 5-7 december ligt de windsterkte daar zelfs nog een stuk boven, tot zo’n 18 m/s 7/12 ’s middags. 29/11 is de wind zuidelijk, van 30/11 tot 3/12 is onduidelijk dan wel variërend. 3/12 draait de wind ’s ochtends vanuit het zuiden naar het westen. Dat blijft de rest van de periode de dominante windrichting.

Testperiode 2 laat zich dus (zie Tabel 3.2) karakteriseren als een case met een groot gedeelte van de tijd een krachtige wind uit het westen. Testperiode 1 is een case met in ieder geval het eerste, grootste deel van de tijd minder wind. Het tweede deel is er overwegend een vrij krachtige tot krachtige wind uit het zuidwesten.

Tabel 3.2 Overzicht relevant gedeelte Beaufortschaal

Beaufort Snelheid (m/s) Benaming (zee / land)

2 1.6 - 3.3 Flauwe koelte / Zwakke wind

3 3.4 - 5.4 Lichte koelte / Matige wind

4 5.5 - 7.9 Matige koelte / Matige wind

5 8.0 - 10.7 Frisse bries / Vrij krachtige wind

6 10.8 - 13.8 Stijve bries / Krachtige wind

7 13.9 - 17.1 Harde wind

8 17.2 - 20.7 Stormachtig

3.2.4 Springtij en doodtij

De getijslag bij Hoek van Holland varieert ongeveer tussen de 1.4 m en 2.0 m. Het faseverschil tussen de maancyclus en de getijcyclus is langs de Nederlandse kust twee dagen. Rond de geselecteerde testperioden vielen nieuwe en volle maan op 3 en 17 mei en op 25 november en 10 december. Dat betekent dat case 2 ongeveer een periode beschrijft van twee dagen na springtij tot 4 dagen voor het volgende springtij. De opzet na de draaiing van de wind van zuid naar west op 3/12 valt dus ongeveer samen met doodtij.

3.3 Data geselecteerd voor modelevaluatie

Deze studie evalueert het OSR-model voor verziltingspredictie. Om die reden ligt de focus in de data-model-vergelijking op chlorideconcentraties.

(26)

3.3.1 Chloridemetingen vaste meetnet

De eerste dataset gebruikt in de data-model-vergelijking is afkomstig van het Vaste Meetnet van Rijkswaterstaat en betrokken uit DONAR. Het betreft hier tijdreeksen van de chlorideconcentratie met intervallen van een uur. Voor beide geselecteerde testperioden zijn tijdreeksen beschikbaar. We gebruiken vijftien verschillende meetreeksen, die horen bij zeven meetlocaties, vallend binnen het domein van het OSR-3D-NSC-model. Op sommige locaties wordt op meerdere diepten gemeten. Een overzicht van de meetpunten is gegeven in Tabel 3.3 en Figuur 3.5.

Tabel 3.3 Overzicht Vaste Meetnet meetlocaties chloridemetingen

Nr. Locatie Diepten [m] Reeksnamen X- coörd. [m] Y-coörd. [m]

1 Brienenoordbrug -2.50 -6.50

bri250 bri650

96869 435532

2 Hoek van Holland -2.50 -4.50 -9.00 hoe250 hoe450 hoe900 67927 443982 3 Spijkenisserbrug -2.50 -4.50 -9.00 spk250 spk450 spk900 82854 430636 4 Lekhaven -2.50 -5.00 -7.00 lek250 lek500 lek700 89100 435500

5 Krimpen a.d. IJssel -4.00 -5.50

kri400 kri550

99463 436795

6 Beerenplaat Spui -2.00 bpl200 86786 427517

7 Bernisse Zuidland -3.00 zui300 78840 424680

Merk op dat er meer meetpunten bestaan die binnen het OSR-NSC-domein liggen en waar chlorideconcentraties gemeten worden. Dit betreft meetpunten van het Havenbedrijf of van waterschappen, drinkwaterbedrijven of energiemaatschappijen. De huidige analyse beperkt zich tot de hierboven weergegeven punten.

3.3.2 Splitsingspunten mei 2011

In mei 2011 zijn varende metingen uitgevoerd over dwarsraaien nabij de diverse splitsingspunten in het RMM-gebied. Deze metingen richtten zich primair op de debieten / debietverdeling. Vanuit de heen en weer varende vaartuigen werden met een ADCP stroomsnelheidsmetingen uitgevoerd. Middels integratie over diepte en breedte zijn hieruit debieten bepaald. In de meeste gevallen betreft het een 13-uurs meting, waardoor debieten zijn verkregen voor een hele getijperiode. Figuur 3.6 toont de dwarsraaien nabij de splitsingspunten. In Tabel 3.4 is aangegeven wanneer de metingen voor de verschillende splitsingspunten zijn uitgevoerd. Ook is de deelverzameling van splitsingspunten aangegeven die binnen het 3D-NSC-domein liggen en zijn geselecteerd voor de data-model-vergelijking. Dit betreft acht splitsingspunten. De relevantie van deze metingen schuilt in de overweging dat het voor goede voorspelling van de chlorideconcentraties noodzakelijk is een goede voorspelling te doen van de debietverdeling.

(27)

Evaluatie van het OSR-model voor zoutindringing in de Rijn-Maasmonding (I) 9 Figuur 3.5 De locaties van de gebruikte vaste meetnet punten van het RWS meetnet. De nummers verwijzen naar

Tabel 3.3. y -c oordi nat e [ m ] x-coordinate [m]

(28)

Op een aantal splitsingspunten zijn naast snelheidsprofielen ook chlorideconcentratie-profielen gemeten. Dit betreft dan CTD-metingen nabij het midden van de dwarsraai. Zonder twijfel zijn ook deze profielen relevant validatiemateriaal. Ze zijn echter in de huidige studie (nog) niet meegenomen, onder andere omdat het hier nog goeddeels onbewerkte data betreft.

Tabel 3.4 Overzicht locaties splitsingspuntmetingen mei 2011

Nr. Datum Selectie Nr. Datum Selectie

1a 12 mei 2011 Y 5a 19 mei 2011 N 1b 12 mei 2011 Y 6a 23 mei 2011 N 1c 12 mei 2011 Y 6b 23 mei 2011 N 2a 16 mei 2011 Y 7a 26 mei 2011 Y 3a 17 mei 2011 Y 8a 30 mei 2011 Y 4a 18 mei 2011 Y 9a 31 mei 2011 N

3.3.3 Verticale zoutprofielen varende metingen nov/dec 2011

In de periode 29 november t/m 7 december 2011 zijn varende metingen uitgevoerd op de Nieuwe Maas, Nieuwe Waterweg en Oude Maas, waarbij verticale saliniteitsprofielen zijn gemeten. Op 29 en 30 november zijn verticalen gemeten op locaties nabij de Lekhaven en Waalhaven, op 6 december nabij de Van Brienenoordbrug. Op 1, 5 en 7 december zijn trajecten gevaren in de lengterichting van de waterwegen. Op 1 december is gevaren op de Nieuwe Maas van km 1005 tot km 995, waarbij ongeveer om de 500 meter tweemaal het saliniteitsprofiel is gemeten (A en B). (Eén meting levert zelf ook al twee profielen, één behorend bij het neerlaten en één bij het ophalen van de CTD). Op 5 december is gevaren op de Nieuwe Waterweg. Daarbij is het traject tussen km 1027 en km 1015 twee keer heen en weer gevaren, waarbij om de kilometer is gemeten. Op 7 december is gevaren vanaf km 1005 op de Nieuwe Maas tot km 1016 op de Nieuwe Waterweg. Daarna is teruggevaren tot het splitsingspunt, is de Oude Maas opgevaren tot km 1002 en is weer via het splitsingspunt teruggevaren naar km 1005 op de Nieuwe Maas. Bij het varen van dit traject is om de kilometer gemeten, met bij het splitsingspunt één keer een kleinere afstand. Figuur 3.7 toont de locaties van de saliniteitsprofielmetingen op 1, 5 en 7 december, geselecteerd voor de data-model-vergelijking.

3.4 Evaluatie geselecteerde testcases en data

We hebben gezien dat de voor de data-model-vergelijking geselecteerde testperioden verziltingsevents vertonen van het type 0 en 1, resp. verzilting bij lage rivierafvoer en normale getijomstandigheden en bij lage rivierafvoer en hoge zeewaterstand door opzet. Een kenmerk van deze verziltingsscenario’s is dat het zout direct afkomstig is uit zee. In events van het type 2 en 3 is sprake van een terug levering van zout vanuit het Haringvliet of is het zout afkomstig van de rivieren. Deze andere herkomst maakt deze verziltingstypen tot wezenlijk andere situaties. De huidige selectie van testcases brengt daardoor met zich mee dat de resultaten van deze studie allereerst iets zeggen over de kwaliteit van het model bij verziltingsevent van het type 0 en 1, en niet zondermeer veralgemeniseerd kunnen worden naar verziltingsevents van type 2 en 3.

(29)

Evaluatie van het OSR-model voor zoutindringing in de Rijn-Maasmonding (I) 11 Figuur 3.7 De locaties van de varende metingen op 1, 5 en 7 december 2011

De geselecteerde data maken het mogelijk een beeld te krijgen van de modelperformance over een groot deel van het RMM-gebied. De vastemeetnetpunten liggen over het algemeen, net als veel innamepunten, dicht bij de kant en op geringe diepte. Dat maakt het mogelijk na de data-model-vergelijking voor deze punten uitspraken te doen over de te verwachten kwaliteit van modelpredicties voor bijvoorbeeld normoverschrijding bij innamepunten in de buurt van deze punten. Voor een meer op processen gerichte evaluatie zijn juist de debietmetingen en verticale saliniteitsprofielen van groot belang. Daarbij moet worden opgemerkt dat er een vrij grote onzekerheid aanwezig is in de debietmetingen. De integratie van gemeten snelheden over diepte en breedte zijn grote bronnen van onzekerheid, net als het feit dat voor de bepaling van het debiet op één moment gebruik gemaakt wordt van

(30)

snelheidsmetingen die gespreid in de tijd hebben plaatsgevonden. Grote verschillen tussen modelresultaten en debieten worden dus niet per se veroorzaakt door onnauwkeurigheden in het model.

(31)

4 Beschrijving opzet modelsimulaties

Dit hoofdstuk beschrijft de opzet van de modelsimulaties voor de geselecteerde evaluatieperioden mei en eind november / begin december 2011, respectievelijk case 1 en 2. 4.1 Simulatieperioden

Op grond van eerdere ervaringen van het Havenbedrijf is er voor gekozen een inspeelperiode aan te houden van zo’n honderd dagen. Daarnaast is er voor het aanvangsmoment van de simulaties gezocht naar een moment van hoogwater bij Hoek van Holland met een waterstand in de buurt van de in het model beschikbare initiële condities. De 3D-simulaties beginnen een aantal dagen later dan de 2DH-simulaties. Zoals vermeld in paragraaf 2.5, laten we de 3D-simulatie waar de simulatie met lokale wind reductie middels een restart op voortbouwt, ook doorlopen tot het einde van de evaluatieperiode. De uiteindelijk gekozen simulatieperioden zijn weergegeven in Tabel 4.1.

Tabel 4.1 Overzicht simulatieperioden

Aanvang Einde

Case 1

2DH-OSR-Haven (slag 1) 16-Jan-2011 11:50 01-Jun-2011 03:50

2DH-OSR-Haven (slag 2) 16-Jan-2011 12:00 01-Jun-2011 02:00

3D-OSR-NSC 21-Jan-2011 16:00 01-Jun-2011 02:00

3D-OSR-NSC (restart met LWR) 24-Apr-2011 14:00 01-Jun-2011 02:00

Case 2

2DH-OSR-Haven (slag 1) 01-Aug-2011 03:10 16-Dec-2011 00:20

2DH-OSR-Haven (slag 2) 01-Aug-2011 03:20 15-Dec-2011 23:50

3D-OSR-NSC 15-Aug-2011 03:30 15-Dec-2011 23:50

3D-OSR-NSC (restart met LWR) 25-Nov-2011 15:30 08-Dec-2011 03:30

4.2 Input 2DH-model 4.2.1 Randvoorwaarden

In paragraaf 2.2 is beschreven dat in OSR-model voor het oplossen van de modelvergelijking Riemann-randvoorwaarden en saliniteit worden voorgeschreven op de zeeranden en debieten en saliniteit op de rivierranden. Voor de randvoorwaarden op zee maken we gebruik van de harmonische componenten voor de Riemann-randen (getij) en de beschrijving van de zoutverdeling langs de zeeranden die in het model aanwezig zijn. De waterstanden in de referentiepunten benodigd voor de data-assimilatie hebben we betrokken van DONAR via live.waterbase.nl. Ook de tijdseries van de rivierdebieten zijn afkomstig van waterbase. Daarbij moet worden opgemerkt dat we voor het debiet door de Maasrand bij Lith gebruik hebben gemaakt van het debiet bij het nabijgelegen Megen, aangezien voor Lith in waterbase geen informatie beschikbaar is voor 2011. De frequentie van de Maastijdreeks is 1x per tien minuten, die van de Waal en Lektijdreeksen 1x per dag.

(32)

De tijdseries voor saliniteit op de rivieren zijn gebaseerd op de gemeten chlorideconcentratie na filtratie aanwezig in DONAR. Deze zijn eerder door Rijkswaterstaat middels de conversie gebruikelijk voor zeewater (saliniteit = chlorideconcentratie * 1.80655) vertaald in saliniteit en gebruikt in een SOBEK-som voor 2011. Voor deze studie is de input van die som vertaald in SIMONA input. Zodoende zijn voor de Maas en Lek reeksen verkregen met een frequentie van respectievelijk 1x per week, en ongeveer 1x per vier weken. De saliniteitsreeks voor de Waal heeft tot eind augustus 2011 een frequentie van 1x per dag, daarna van 1x per 2 weken. De tijdreeksen voor de saliniteit zijn, samen met die voor de rivierdebieten, weergegeven in Figuur 4.1.

Figuur 4.1: Tijdseries van de debieten en saliniteit gebruikt als rivierrandvoorwaarden in het 2DH-model

4.2.2 Wind

Voor de berekening van de windschuifspanning wordt gebruik gemaakt van de wind in Hoek van Holland op 10 meter hoogte, betrokken van het KNMI (potentiële wind). De KNMI-uurreeksen geven op de hele uren het gemiddelde van het voorafgaande uur. Daarnaast worden de tijden weergegeven in GMT. Voor het genereren van modelinput zijn, naast de verschuiving van GMT naar MET, de reeksen ook zo verschoven dat de waarde van de gemiddelde wind over een uur in het midden van dat uur valt.

(33)

Evaluatie van het OSR-model voor zoutindringing in de Rijn-Maasmonding (I) 15 4.2.3 Sluisbeheer Haringvlietsluizen

In een gezamenlijke projectbespreking met Rijkswaterstaat, Deltares en het Havenbedrijf is besloten voor de modelering van de Haringvlietsluizen gebruik te maken van informatie over de daadwerkelijke sluisstanden in de simulatieperioden. Deze informatie is, net als de tijdreeksen voor saliniteit op de rivierranden, gehaald uit de eerder door Rijkswaterstaat opgezette SOBEK-som voor 2011. Hiermee vervangen we voor simulatie van deze historische cases de normaal in het OSR-model toegepaste modelering van spui scenario LPH84, waarin het Waaldebiet en het waterstandsverschil over de sluizen bepalend zijn voor opening en hefhoogtes. Een overzicht van voor het 2DH-model gebruikte informatie met bron is weergegeven in Tabel 4.2.

Tabel 4.2 Overzicht van de herkomst van de input-tijdreeksen voor het 2DH-model

Informatie Bron

Waterstanden referentiepunten: Waterbase

Debieten rivieren: Waterbase

Saliniteit rivieren: RWS via SOBEK-som 2011

Potentiële wind HvH: KNMI

Schuifstanden Haringvlietsluizen: RWS via SOBEK-som 2011

4.3 Input 3D-model

4.3.1 Randvoorwaarden en wind

Alle benodigde informatie voor de randvoorwaarden van de 3D-simulaties wordt betrokken uit de resultaten van de 2DH-modelruns. De enige tijdreeks die daarnaast aan het model hoeft te worden meegegeven is die van de wind. Daarvoor wordt dezelfde tijdserie gebruikt als in de 2DH-modelruns. Ook het ruimtelijk variabele windveld voor de simulatie waarin de wind boven de Nieuwe Waterweg wordt gereduceerd tot 10% van de sterkte in de omgeving, is gemaakt op grond van deze tijdreeks. Bij het aanmaken van het windveld is gebruik gemaakt van een door het Havenbedrijf met het model meegeleverd fortran-script.

4.3.2 Locaties voor modeluitvoer

De enige informatie die daarnaast aan het model is toegevoegd, betreft locaties voor extra modeluitvoer. De vaste meetnetpunten waren reeds in het model aanwezig. Dit geldt ook voor de locaties van de varende metingen in november/december 2011. In aanvulling daarop zijn in deze studie aan het model toegevoegd de ‘belangrijke innamepunten’ en ‘locaties van secundair belang’, zoals genoemd in de Excel-sheet ‘Gewenste nauwkeurigheid op Uitvoerpunten’ afkomstig van Sacha de Goederen, die als Bijlage 1 was toegevoegd aan de requirements van dit project. Daarnaast zijn ook de dwarsraaien van de splitsingspuntmetingen (debieten) en de punten op die dwarsraaien waarop zoutprofielen zijn gemeten, aan de modeluitvoerlocaties toegevoegd.

4.4 Wijze van runnen

De simulaties gebruikt voor de model-data vergelijking zijn uitgevoerd met SIMONA 2014, revision 5478, op het cluster van Deltares. Voor beide submodellen is parallel gerekend, respectievelijk met 24 en 40 cores (Intel Core i7-2600 CPU @ 3.40GHz). Voor de 2DH-modelruns is gebruik gemaakt van een automatisch door de modelsoftware gegenereerde partitionering. Om een toename van de rekensnelheden te bereiken zijn de 3D-modelruns

(34)

uitgevoerd met een partitionering die na automatische creatie met de hand verder is geoptimaliseerd. Dit levert voor het 3D-model uiteindelijk een rekensnelheid van zo’n 12 gesimuleerde dagen per dag rekenen. De gegevens zijn op een rij gezet in Tabel 4.3.

De wijze van runnen is met name van invloed op de rekentijd. Op de resultaten zou het echter geen noemenswaardige invloed mogen hebben. Om uit te sluiten dat de evaluatie van de OSR-modelresultaten beïnvloed wordt door de wijze van runnen, hebben we naast de simulaties met de hierboven beschreven input ook de door het Havenbedrijf verstrekte som (‘case 0’) nagerekend. In een snelle vergelijking tussen enkele resultaten uit de door het Havenbedrijf verstrekte en de door ons zelf berekende output, hebben we gezien dat de resultaten weliswaar niet exact gelijk zijn, maar de verschillen zeer gering zijn. Wij achten de wijze van runnen daarom verder niet van invloed op de evaluatie van de modelresultaten. Tabel 4.3 Overzicht wijze van runnen

2DH-deel, beide slagen 3D-deel

Cores: 24, cluster Deltares 40, cluster Deltares

Partitionering: automatisch handmatig geoptimaliseerd

Rekensnelheid: 125 dagen per dag 12 dagen per dag

(35)

5 Data-model-vergelijking

Dit hoofdstuk beschrijft de vergelijking van de simulatieresultaten voor de gekozen testperioden met de geselecteerde data. We kijken achtereenvolgens naar tijdseries van chlorideconcentraties op de vaste meetnet locaties gedurende de volledige evaluatieperioden (5.1), korte tijdseries van debieten op de splitsingspunten (5.3), en momentane verticale saliniteitsprofielen op tijdstip en locatie van de varende metingen (5.4). In paragraaf 0 en 5.5 beschrijven we enig nader onderzoek ter verklaring van observaties in respectievelijk de tijdserie- en profielvergelijking. In paragraaf 5.6 evalueren we de data-model-vergelijking. 5.1 Chlorideconcentraties vaste meetlocaties

5.1.1 Tijdserie-tijdserie vergelijking

De vergelijking voor de tijdseries van de chlorideconcentraties is uitgevoerd voor beide testperioden en in beide cases voor vijftien verschillende x-y-z locaties en gevisualiseerd in figuren. Figuur 5.1 toont de vergelijking voor meetlocatie Brienenoordbrug (-2.50m) voor testperiode 1, Figuur 5.2 die voor locatie Hoek van Holland (-2.50m) voor testperiode 2. De figuren tonen van boven naar beneden:

a) Chlorideconcentratie-tijdreeksen, voor de mei case omwille van de leesbaarheid over een tijdsspanne beperkt tot de tweede helft van de maand.

b) Verschil-tijdreeksen, waarbij het verschil is modelresultaat minus data c) Een uitvergroting van plot (a), case 1: 24/5 t/m 28/5, case 2: 30/11 t/m 4/12 d) Cumulatieve verdelingsfuncties

We vergelijken de data (zwart) met de modelresultaten verkregen zowel met (rood) als zonder (blauw) de lokale wind reductie (LWR). Voor alle drie de reeksen zijn enkele statistische karakteristieken bepaald over de duur van de volledige evaluatieperiode. Dit betreft de gemiddelde waarde, de standaard deviatie, de maximale waarde, en waar relevant het aantal dagen dat een bepaalde concentratienorm wordt overschreden. De gebruikte normen zijn respectievelijk 180 mg/l voor locatie Brienenoordbrug, Krimpen a/d IJssel en Beerenplaat, 150 mg/l voor Spijkenisserbrug (bovenlaag), en 200 mg/l voor Bernisse/Zuidland. Feitelijk is deze informatie ook onderdeel van de cumulatieve verdelingsfunctie. Deze geeft op de y-as het percentage van de waarnemingen/modeluitvoer onder een concentratiewaarde op de x-as. Dit betekent dat als de model-lijn naar rechts is verschoven ten opzichte van de data-lijn, de concentraties in het model gemiddeld genomen hoger zijn. Is de ene lijn steiler dan de andere, dan is de spreiding in de tijdserie behorend bij de steilste lijn het kleinst.

Met vijftien verschillend meetreeksen en twee testperiode levert deze wijze van vergelijken dertig figuren. Deze zijn weergegeven in de bijlagen. Doorbladeren van deze figuren levert al een goed beeld op van de modelprestaties. Het laat bijvoorbeeld zien dat het model over het algemeen goed in staat is de timing van de pieken in de concentratiemetingen te reproduceren. Ook de grootte van de pieken lijkt in veel gevallen aardig te worden weergeven, met name voor de meetpunten hoger in de waterkolom.

(36)

Figuur 5.1: Data-model-vergelijking voor de chlorideconcentratie-tijdserie voor meetlocatie Brienenoordbrug (-2.50m), mei 2011. Van boven naar onder: a) chlorideconcentratie-reeksen; b) Model-data-verschil-reeksen; c) een uitvergroting van (a); d) cumulatieve verdelingsfuncties, allen voor de vaste meetnet meting (zwart), en de modelsimulatie, zowel zonder (blauw) als met (rood) lokale wind reductie. Links onder: het gemiddelde, de standaard deviatie, het maximum en het aantal dagen van normoverschrijding over de duur van de evaluatieperiode.

(37)

Evaluatie van het OSR-model voor zoutindringing in de Rijn-Maasmonding (I) 19 Figuur 5.2: Data-model-vergelijking voor de chlorideconcentratie-tijdserie voor meetlocatie Hoek van Holland

(-2.50m), nov/dec 2011. Van boven naar onder: a) chlorideconcentratie-reeksen; b) Model-data-verschil-reeksen; c) een uitvergroting van (a); d) cumulatieve verdelingsfuncties, allen voor de vaste meetnet meting (zwart), en de modelsimulatie, zowel zonder (blauw) als met (rood) lokale wind reductie. Links onder: het gemiddelde, de standaard deviatie en het maximum over de duur van de evaluatieperiode.

5.1.2 Objectivering en aggregatie

Om de data-modelvergelijking naast de visualisatie in figuren meer kwantitatief te maken, zijn de gemiddelden, standaard deviaties en normoverschrijdingen zoals gegeven in de figuren in Tabel 5.1 tot Tabel 5.3 op een rijtje gezet.

(38)

Tabel 5.1 Gemiddelde chlorideconcentratie in mg/l over de evaluatieperiode; Voor alle meetreeksen, voor case 1 en 2, en voor meting, model zonder en model met wind reductie

Meetreeks

CASE 1:

Meting Model Model-LWR

CASE 2:

bri250 599 663 703 1212 1253 1359 bri650 720 814 855 1407 1325 1452 hoe250 9819 9052 8978 11153 11383 10867 hoe450 11786 10875 10904 12171 12339 12197 hoe900 14158 11380 11394 14970 12668 12555 spk250 1890 2390 2497 3248 4556 4755 spk450 2366 2801 2952 3891 4950 5203 spk900 2725 3969 4266 4455 5931 6486 lek250 2251 1945 2056 3077 2923 3175 lek500 2534 2233 2383 3544 3267 3594 lek700 3207 2750 2986 4638 3873 4302 kri400 211 273 273 595 678 733 kri550 213 276 275 716 710 770 bpl200 362 1038 1086 1529 3124 3249 zui300 158 929 934 285 1447 1485

Tabel 5.2 Standaard deviaties van de chlorideconcentratie in mg/l over de evaluatieperiode; Voor alle meetreeksen, voor case 1 en 2, en voor meting, model zonder en model met wind reductie

Meetreeks

CASE 1:

CASE 2:

bri250 553 666 668 920 1029 1111 bri650 706 916 898 1094 1079 1182 hoe250 3391 2912 2612 3706 3799 3134 hoe450 4120 3726 3617 5073 3742 3286 hoe900 3043 3944 3876 3226 3724 3335 spk250 1875 1890 1977 2737 3323 3466 spk450 2284 2220 2326 3139 3472 3611 spk900 2674 3125 3292 3551 3856 4039 lek250 552 801 728 808 1311 1428 lek500 570 953 871 980 1430 1530 lek700 832 1216 1120 1569 1671 1786 kri400 84 130 124 376 321 357 kri550 96 134 127 583 369 407 bpl200 552 1118 1206 2032 3041 3150

(39)

Evaluatie van het OSR-model voor zoutindringing in de Rijn-Maasmonding (I) 21 Tabel 5.3 Aantal dagen van normoverschrijding tijdens de evaluatieperiode; Voor alle meetreeksen, voor case 1

en 2, en voor meting, model zonder en model met wind reductie. NB: evaluatieperiode 1 duurt 31 dagen, evaluatieperiode 2 9 dagen.

Meetreeks

Gebruikte norm [mg/l]

CASE 1:

CASE 2:

bri250 180 22.9 22.8 23.6 9.0 8.8 8.9 bri650 180 24.2 22.9 23.7 9.0 8.8 8.8 spk250 150 23.0 31.0 31.0 8.7 9.0 9.0 spk450 150 23.3 31.0 31.0 8.7 9.0 9.0 kri400 180 18.7 22.7 23.5 8.9 8.9 8.9 kri550 180 18.5 22.9 23.6 9.0 8.9 8.9 bpl200 180 9.0 29.9 29.9 6.9 9.0 9.0 zui300 200 0.1 31.0 31.0 1.3 9.0 9.0

Met behulp van Goodness-of-Fit grafieken of target diagrammen (Jolliff et al., 2009) is geprobeerd om de data-model-vergelijking verder te objectiveren en de kwaliteit van de vergelijking voor alle 15 meetpunten tegelijk in een grafiek weer te geven. Deze grafieken zijn weergegeven in Figuur 5.3 voor testperiode 1 en Figuur 5.4 voor testperiode 2. Deze grafieken tonen op de y-as het verschil tussen het gemiddelde van het modelresultaat en dat van de meting. De x-as toont de Root-Mean-Square van het verschil tussen model en meting wat betreft de uitwijking ten opzichte van hun eigen gemiddelde waarde. Hierbij zijn beide verschillen genormaliseerd met de standaarddeviatie van de meting. Als de standaarddeviatie van de modelresultaten groter is dan die van de data wordt het punt rechts geplot, zo niet, dan links. Een nadere toelichting op deze wijze van weergeven is te vinden in bijlage C. Merk op dat voor de meetlocaties met meerdere meetpunten de meetpunten alle zijn weergegeven met hetzelfde symbool, terwijl het hoogste meetpunt is weergegeven met blauw, het tweede van boven met rood, en – indien aanwezig – het derde van boven met paars. Daarnaast moet worden opgemerkt dat voor alle plots het punt voor meetlocatie Zuidland - Bernisse buiten de hier afgebeelde range ligt, voor de mei-case zelfs bijzonder fors. De coördinaten van dit punt zijn voor alle vier de simulaties weergegeven in Tabel 5.4. Tabel 5.4 Coördinaten van Goodness-of-Fit-punt voor meetlocatie Zuidland – Bernisse

Simulatie RMSD’* Bias*

Case 1, Model zonder LWR 14.18 37.74

Case 1, Model met LWR 15.12 37.99

Case 2, Model zonder LWR 2.11 1.99

(40)

(41)

Evaluatie van het OSR-model voor zoutindringing in de Rijn-Maasmonding (I) 23 Figuur 5.4: Goodness-of- Fit diagrammen van de data-modelvergelijking voor case 2. Boven: voor de

(42)

5.1.3 Constateringen n.a.v. GoF-plots

Allereerst kunnen we aan de hand van de tijdseries en de GoF-plots opmerken dat voor de meeste meetpunten de verschillen tussen de modelversies vrij klein zijn. Of meer objectief geformuleerd: de verschillen tussen de modelversies zijn over het algemeen kleiner dan de verschillen tussen een modelversie en de data. Dat is ook te zien in de GoF-plots: de verschuiving van de punten tussen bovenste en onderste grafiek is doorgaans kleiner dan de afstand tot de oorsprong in beide grafieken. Dit geldt in het bijzonder voor case 1, waar eigenlijk alleen de punten behorend bij meetlocatie Lekhaven en het punt voor Spijkenisserbrug -4.50m noemenswaardig verschuiven. Daarbij is die laatste de enige die van kwadrant wisselt. Voor case 2 zijn de verschillen iets groter, en vertonen in ieder geval Brienenoord -6.50m en Hoek van Holland -2.50m een grotere verschuiving: eerst werd de RMS van het verschil in uitwijking onderschat en daarna overschat, of juist andersom.

In de GoF-plots is Beerenplaat altijd het bovenste punt. Daarbij moeten we bedenken dat Bernisse-Zuidland daar eigenlijk nog een aanzienlijke afstand boven valt (zie Tabel 5.4). Hoek van Holland -9.00m is altijd het onderste. Dit betekent dat voor Beerenplaat en Bernisse-Zuidland de gemiddelde concentratie in alle simulaties structureel wordt overschat. De gemiddelde concentratie in Hoek van Holland -9.00m wordt juist altijd onderschat. Als we terugkeren naar de tijdserie-grafieken zijn deze over- en onderschattingen ook duidelijk te zien. Dit geldt zowel voor de tijdserie-grafiek zelf als voor de grafiek van de cumulatieve verdelingsfuncties, zie de grafieken in de bijlagen en Figuur 5.5. In beide is een verschuiving waar te nemen tussen de data-lijn en de model-lijn. Dit verschil is het grootst voor Bernisse-Zuidland, waar een verschuiving van bijna 1000 mg/l lijkt te zijn opgetreden. Op grond hiervan constateren we dat de performance in het noordelijk modeldomein (Nieuwe Waterweg, Nieuwe Maas) duidelijk beter is dan in het zuidelijk deel (Spui).

Figuur 5.5: Data-model-vergelijking voor de chlorideconcentratie-tijdserie voor locatie Beerenplaat (-2.00m), mei 2011. Boven: uitsnede chlorideconcentratiereeksen; Onder: cumulatieve verdelingsfuncties. Legenda: zwart is vaste meet netmeting, blauw en rood zijn resp. de modelsimulatie zonder en met lokale wind reductie.

We merken andermaal op dat het model de timing van de pieken in de concentratiemetingen over het algemeen goed reproduceert (dit is niet specifiek te zien aan de Goodness of Fit diagrammen, maar wel in de tijdseries). Alleen in de tijdseries van Krimpen aan de IJsel lijkt