Verbeterde golfmodellering in de Waddenzee Ap van Dongeren met vele anderen: Andre van der Westhuysen, Jacco Groeneweg, Gerbrant van Vledder, Joost Lansen, Robert Zijlstra, Caroline Gaultier, Ivo Wenneker 19 november 2009 – ENW Dag

Nederlandse kustveiligheid Motivatie Waddenzee Holland Zeeland Veiligheid van de Nederlandse waterkering moet elke vijf jaar bepaald worden Hiervoor zijn Hydraulische (Golf)randvoorwaarden nodig aan de teen van de dijk Voor de Hollandse and Zeeuwse kust wordt SWAN gebruikt voor de vertaling van golven van offshore naar de kust In Waddenzee tot nu toe gebruik van historische/ontwerpgegevens

“Diep” water golfboeien en transformatie naar de kust SWAN hier nog niet gebruikt! “vertaling”/transformatie naar de kust voor HR met SWAN

Wat is het probleem met SWAN in de Waddenzee? SWAN resultaten onvoldoende ivm metingen in zeegat van Norderney, m.n. doordringing van deining. Geen relevante golfdata in NL Waddenzee om model te verifieren Doel: een consistent, goed-afgeregeld golfmodel + ondersteunende instrumenten om in 2011 en daarna zo betrouwbaar mogelijke HR te produceren voor de Waddenzee (en rest van de kust+grote meren)

En: wat is SWAN eigenlijk? SWAN staat voor “Simulating Waves Nearshore” ontwikkeld door TU Delft obv oudere oceaanmodellen (WAM) rekent NIET in tijddomein (golf voor golf) maar rekent spectraal. Dit betekent dat het golfveld wordt gezien als een optelling van veel componenten, elk met eigen hoogte (energie), periode (frequentie) en richting. Door wind, stroming, waterstand en bodem vervormt het golfveld van buitengaats naar de kust SWAN kan dus gebruikt voor vertaling van golfrandvoorwaarden van meetboeien naar dijk

SWAN: niet in de tijd, wel in de frequentie ruimte tijdsdomein frequentiedomein f=1/T t f + t f + t f Hs Tp Tm-1,0

8 april 2017 Fysica in SWAN Fysische processen van opwekking, dissipatie, en herverdeling van golfenergie wind diepwaterbreken golfwisselwerkingen breken op diepte bodemwrijving

Onderzoeksgebieden Norderneyer Seegat Groninger Wad Amelander Zeegat 8 april 2017 Onderzoeksgebieden Norderneyer Seegat Groninger Wad Amelander Zeegat Slotermeer Lake George Australië IJsselmeer Oosterschelde

Meetopstelling in 2009 Waves buoys Wind Water level Currents 8 april 2017 Meetopstelling in 2009 Waves buoys Wind Water level Currents Bathymetry

Aandachtspunten verbetering golfmodellering golfdoordringing vanaf open zee (“deining”) golven op stroom - opsteilen, bijdraaien en breken diepte-gelimiteerde golfgroei door wind

Effect van wind-gedreven/reststroming 8 april 2017 Effect van wind-gedreven/reststroming Berekende (paarse) spectra niet gelijk aan meting (zwart) vanwege eerdere foute aanname “kerend tij = geen stroming” Met reststroming en windgedreven stromingsvelden gaat het wel goed (blauw) consequentie: golven op tegenstroom groeien verder door, consequentie: golven op meestroom hebben kleinere golfhoogte en periode Stroomvelden berekend door Coastal Research Station met Delft3D waarbij HIPOCAS (waterstand, wind) data als randvoorwaarden zijn gebruikt. Energie frequentie f=1/T

8 april 2017 Typische resultaten Amelander Zeegat (8 Feb 2004) (met rest- /windstroming) The measured spectra are shown in black. Measured mean wave directions are given as black dots. As a reference, the wind direction is given as a horizontal dashed blue line. The results of the swan simulations without current effects are shown as red lines. The frequency spectra at the outer buoys AZB11 and AZB12 are uni-modal and correspond to North Sea waves; The peak levels are generally under-predicted by swan; The measured and simulated spectra for the buoys AZB21/22 and AZB31/32 typically show double peaked spectra. The lower peak consists of North Sea waves and the upper peak consists of higher harmonics due to triads and local wind-sea. The frequency spectra for the buoys AZB41/42 and AZB51/52 correspond to locally generated waves. They do not contain any peak corresponding to North Sea waves; For the buoy locations AZB41 and AZB42 swan over-estimates the peak levels significantly (up to a factor 3), except for the event of 8 January 2005, which has a relatively high water level; For the buoy locations AZB51 and AZB52 swan also over-estimates the peak levels significantly (up to a factor 4); Another feature is that the simulated peak frequency is lower than the measured one. This behaviour is an indication that the imposed wind speed is too high for this location. goede overeenkomst ------- Gemeten ------- Model

Invloed van stroming op golven Consequentie voor typisch geval van golven op meestroming Invloed van stroming op golven ΔTm-1,0 Golfperiode wordt kleiner met golven en stroming in dezelfde richting

Golven op tegenstroom - spectra op 8 Feb 2004 (eb) 8 april 2017 Golven op tegenstroom - spectra op 8 Feb 2004 (eb) overschatting van golfhoogte op eb stroming The measured spectra are shown in black. Measured mean wave directions are given as black dots. As a reference, the wind direction is given as a horizontal dashed blue line. The results of the swan simulations without current effects are shown as red lines. The frequency spectra at the outer buoys AZB11 and AZB12 are uni-modal and correspond to North Sea waves; The peak levels are generally under-predicted by swan; The measured and simulated spectra for the buoys AZB21/22 and AZB31/32 typically show double peaked spectra. The lower peak consists of North Sea waves and the upper peak consists of higher harmonics due to triads and local wind-sea. The frequency spectra for the buoys AZB41/42 and AZB51/52 correspond to locally generated waves. They do not contain any peak corresponding to North Sea waves; For the buoy locations AZB41 and AZB42 swan over-estimates the peak levels significantly (up to a factor 3), except for the event of 8 January 2005, which has a relatively high water level; For the buoy locations AZB51 and AZB52 swan also over-estimates the peak levels significantly (up to a factor 4); Another feature is that the simulated peak frequency is lower than the measured one. This behaviour is an indication that the imposed wind speed is too high for this location. ------- Gemeten ------- Model

Golfstroom interactie bij tegenstroom Probleem: bij eb (tegen) stroom wordt golfenergie niet voldoende gedissipeerd. Consequentie: golfhoogten zijn te groot in de geul en bij de nabije keringen (eilandkoppen, dammen) 1e oplossing: verhoogde dissipatie van steile golven: werkt niet voldoende goed en tast ook jonge golven aan. 2e oplossing: lokale jonge golven scheiden van oudere golven op tegenstroom. Dit kan via een extra afgeregelde parameter Resultaat: veel betere voorspelling (dik=meting, rood = nieuwe methode, stippels = Ris en Holthuijsen, streepjes=default)

Aandachtspunten verbeteren golffysica golfdoordringing vanaf open zee (“deining”) golven op stroom - opsteilen, bijdraaien en breken diepte-gelimiteerde golfgroei door wind

Amelander Zeegat hindcast No evidence of substantial wave energy around NS peak (0.14 Hz) SWAN does a good job in the lf range.

Gemis aan golfdoordringing in oostelijke Waddenzee Probleem: laag-frequente golven (5-30 seconden) worden gemeten maar niet berekend Gevolg: golfhoogte en golfperiode worden onderschat aan de teen van de dijk, m.n. effect op golfoploop Oplossing: onderzoek naar effect van bodemwrijving en refractie (bijdraaiing van golven)

Resultaten – verlaagde bodemwrijving lagere bodemwrijving: minder dissipatie en dus hogere golven m.n. in het laagfrequente gedeelte verhoging van de golfhoogte en golfperiode langs de dijk, dichter bij metingen

Resultaten – verlaagde bodemwrijving en refractie uit uit berekeningen bleek dat “refractie uit” er voor zorgt dat er meer golfenergie doordringt. echter, dit is contra-fysisch! grotere verhoging van de golfhoogte en golfperiode langs de dijk, nu op de metingen

Aandachtspunten verbetering golffysica golfdoordringing vanaf open zee (“deining”) golven op stroom - opsteilen, bijdraaien en breken diepte-gelimiteerde golfgroei door wind

Diepte-gelimiteerde golfgroei AZB51 AZB62 SWAN onderschat Hm0 en Tm-1,0 (symbolen onder de 1:1 lijn) geeft een bovengrens aan Hm0/D dit geldt ook voor extreme omstandigheden! AZB61  AZB51 o AZB61 o AZB62 Hm0 [m] Tm-1,0 [s] Hm0/D SWAN gemeten gemeten gemeten bovengrens aan Hm0/D verhouding in SWAN -> conservatief foutief

storm extreem Relevantie voor extreme stormen Hm0/d Hm0 golven nog steeds diepte-beperkt!!!! 3.44 3.52 3.45 3.53

Nieuwe golfgroei formulering Breken is conventioneel gerelateerd aan golfhoogte en diepte Echter ook golflengte is van belang Maw de verhouding H*L2/h3 moet meegenomen worden Effect: relatief korte golven breken minder Resultaat: grote verbetering in reductie van “scatter” = betere voorspelling voor zowel horizontale bodems als stranden Hm0/h Tm-1,0 Hm0 OUD NIEUW

Validatie in het Amelander Zeegat dik = meting, stippel = oude formulering, dun = nieuwe formulering

SWAN presteert veel beter dan voorheen, maar .. door (rest/windgedreven) stroming toe te passen wordt de golfvoorspelling beter nieuwe dissipatieterm bij tegenstroom geeft betere resultaten nieuwe dieptebrekerformulering geeft veel betere resultaten op vlakke bodems bij de dijk, geen kunstmatige bovengrens aan golfhoogten meer golfdoordringing is verbeterd door lagere bodemwrijving en uitzetten van refractie (het laatste voor het geval van de Oostelijke Waddenzee) model toepasbaar voor berekeningen HR2011, op tijd en met goede kwaliteit. Nog te doen in 2010-2016: Golfdoordringing verifieren (labmetingen, radar vanaf vuurtoren) Instationaire (tijdsafhankelijke) berekeningen Waterstandsvoorspelling moet beter (nu afwijking van 30 cm of meer) Golfmodel te verbeteren op golfwisselwerkingen en doordringing Validatie en toepassing op andere watersystemen