Verwerking met extrapolatie van de stroming naar het wateroppervlak

Transcriptie

1 Ingeneursbureau S.D.Kammnga BV Stromngsmetngen op de Boven-Zeeschelde bj de zeeslus te Hngene te Antwerpen op 17 november 1997 Verwerkng met extrapolate van de stromng naar het wateroppervlak Ir. S.D.Kammnga Oktober 1998 RIK-11a In opdracht van: Mnstere van de Vlaamse Gemeenschap Afdelng Marteme Schelde NLR/ESA

2 INHOUDSOPGAVE 1. Inledng 2. Bassgegevens 2.1. Meetcondtes 2.2. De ADCP 3. De verwerkng en resultaten 3.1. Verwerkng 3.2. Resultaten 4. Dscusse en concluses Bjlage 1: Wjze van berekenen Bjlage 2: Resultaten van de ADCP Bjlage 3: Vdeo kleuren presentate - 2 -

3 1. INLEIDING De Afdelng Marteme Schelde heeft op 17 november 1997 stromngsmetngen utgevoerd op de Zeeschelde bj de neuwe Wntam-zeeslus te Hngene. De metngen zjn utgevoerd met een schp met een Acoustc Doppler Current Profler (ADCP). In het eerdere rapport RIK-11 van Maart 1998 zjn de resultaten reeds gepresenteerd. In dt rapport worden de resultaten nogmaals gepresenteerd. Gebleken s dat de stroomnformate ook en met name nteressant zjn voor duwschepen en duwbakken met een nsteekdepte van 3 á 4 meter. In dt bovenste gedeelte van de waterkolom wordt net door de ADCP gemeten. Om toch stroomnformate van dt gedeelte te kunnen leveren s een extrapolate van het gemeten stromngsprofel naar het wateroppervlak utgevoerd. Deze extrapolate houdt bj vloed een afname van de stroomsterkte aan het wateroppervlak n. Bj eb neemt de stroom daarentegen engszns af naar het wateroppervlak. In dt rapport worden n hoofdstuk twee de meetcondtes en de nstellngen van de ADCP beschreven. In hoofdstuk dre worden de meetresultaten van de ADCP gepresenteerd. Hoofdstuk ver geeft een dscusse over de resultaten en concluses. Dt rapport s geschreven n opdracht van het Mnstere van de Vlaamse Gemeenschap, Afdelng Marteme Schelde, mddels een bref van 17 augustus

4 2. BASISGEGEVENS 2.1. Condtes tjdens de metng De metngen zjn utgevoerd op 17 november 1997 n de Zeeschelde bj Hngene. Er s gevaren op één meetraa, Tabel 2.1. De metngen met de ADCP zjn utgevoerd met het "MS Veremans". Tabel 2.1: De raaen met de begn- en endpunten n UTM, lengte en rchtng. Raa Begnpunt (E,N) Endpunt (E,N) Lengte (m) Rchtng , , De waterstand op de meetdag s weergegeven n Fguur 2.1. Het was Hoog Water om 5.55 uur, Laag Water om uur MET en Hoog Water om uur MET. Waterstand [m TAW] ZjtakWaterstand Verschl Bt-EchoS. 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 Tjd [MET] Fguur 2.1: De waterstand op de meetdag gemeten met een waterstand meter stroomafwaarts van de slus (--) en bepaald ut het verschl tussen de deptemetng van het echolood en de Bottom Track van de ADCP ( ). Met een echolood s een depteprofel gemeten, Fguur 2.2. In de verwerkng wordt normalter de gemeten waterstand gebrukt om de stromngsresultaten te kunnen presenteren t.o.v. de referente TAW. Controle vndt plaats door de deptemetng van het echolood en de ADCP te vergeljken. De verschllen denen klen te zjn. Gebleken s dat her de verschllen te groot waren. Bj alle ADCP metngen gaf de ADCP een depere bodem dan het echolood. Het verschl vareerde tussen de 0.50 m om 9.00 uur en 0.80 m om uur. De waterstandmeter bevndt zch net bj de Wntam-zeeslus zelf maar na het punt waar de Schelde en de Rpel samen komen. Het moet daarom net onwaarschjnljk worden geacht dat de waterstandsmeter net correct de waterstand bj de slus weergeeft. Andere oorzaken zoals een verkeerde geludssnelhed bj de ADCP of het - 4 -

5 echolood leden net tot dergeljke verschllen. Het s aan te bevelen dt te controleren mddels een geljktjdge metng van de waterstand op bede punten. Er s daarom voor gekozen de ut de Bottom Track van de ADCP afgelede waterstand te gebruken. De gegevens van de raaen, depteprofelen en waterstand zjn geleverd door de Afdelng Marteme Schelde. 0 Depte [m TAW] Afstand langs de raa [m] Echolood Fguur 2.2: Bodemprofel van de meetraa, gemeten met het echolood De ADCP In Tabel 2.2 zjn de gegevens over de ADCP en de nstellngen van de ADCP weergegeven. Tabel 2.2: Instellngen van de ADCP. Frequente Bundelhoek 600 khz Frmware verse 5.52 TRANSECT verse 2.72 Water Proflng Mode 4 Bottom Track Mode 1 Bn Lengte Depte eerste bn t.o.v. wateroppervlak Aantal Pngs per Ensemble 4 30 graden 0.50 m 2.58 m De ADCP was gekoppeld met een dgps-plaatsbepalngssysteem, een gyro-kompas en een ptch- en roll-sensor. Parallel aan de metngen met de ADCP zjn het - 5 -

6 zoutgehalte en de watertemperatuur gemeten. Al deze gegevens zjn opgeslagen n de bestanden de het besturngsprogramma TRANSECT produceert. In Tabel 2.3 zjn de varende metngen met de ADCP vermeld. Tabel 2.3: De varende metngen met de ADCP Nr. Begntjd (MET) Begntjd (t.o.v HW) Salntet [ppt] Temperatuur [ C] 1 9h58 +4h h45 +4h h29 +5h h15 +6h h59 +7h h45-4h h29-3h h15-2h h00-2h h45-1h h29-0h h15 +0h h59 +0h h48 +1h

7 3. MEETRESULTATEN EN VERWERKING VAN DE ADCP DATA 3.1. Verwerkng Voor de verwerkng s utgegaan van de 'Processed'-bestanden, de het programma TRANSECT maakt, en van de waterstand. Het doel van de verwerkng s het presenteren van de stroomsnelheden n het doorstroomoppervlak n de raaen en het berekenen van debeten voor elke metng. Her wordt de verwerkng beknopt beschreven. De verwerkng wordt utgebred beschreven n Bjlage 1. Elke ADCP-metng s op de volgende wjze verwerkt. Eerst s de poste van elk ensemble omgezet van geografsche coördnaten (ED50) n UTM coördnaten. Daarna s van elk ensemble de afstand tot het begnpunt van de raa (Tabel 2.1) berekend. Ensembles de net tussen het begnpunt en het endpunt van de raa lggen zjn verwjderd. De bodemdepte wordt bepaald door het echolood en net door de Bottom Track van de ADCP. Het echolood s nauwkeurger dan de Bottom Track, met name bj snelle veranderngen van de bodemdepte onder het schp. Het echolood werkt bovenden zonder storng. De Bottom Track kende tjdens deze metngen n tegenstellng tot eerdere metngen weng ensembles zonder correcte bodemdepte. Door de meest robuste Bottom Track mode, Tabel 2.2, te kezen werd de metng net negatef beïnvloed door het soms grote sedmenttransport langs de bodem. Een aantal ensembles bevat geen goede stromngsgegevens. Deze ensembles worden net gebrukt voor de berekenngen. De redenen waarom ensembles net worden gebrukt zjn: - Te snelle draang van het schp, b.v. bj het begn en het end van de metng, - Gerngen waterdepte onder het schp. Bovenden s van alle ensembles de bovenste bn buten beschouwng gelaten omdat deze n het algemeen geen goede resultaten levert. De stromng n deze bn wordt beïnvloedt door het schp en door akoestsche egenschappen van de ADCP en het schp, het zogenaamde rngng. De volgende stap s de berekenng van stroomsnelhedsprofelen. De door de ADCP gemeten stroomsnelheden zjn geprojecteerd op een coördnatenstelsel xyz. De x- component wordt her langs de geul genomen. De y-component staat dwars op de geul. De rchtngen t.o.v. het noorden zjn vermeld n Tabel 3.1. Tabel 3.1: Rchtng van de x- en de y-coordnaten x-rchtng y-rchtng De z-component s vertcaal. De x-, y- en z- componenten van de stromng zjn respecteveljk u x, v y en w z. De vloedstroom s n de posteve x-rchtng en de ebstroom s n de negateve x-rchtng

8 De snelheden zjn geflterd met een laag-doorlaat flter. Tevens s de grootte van de stroomsnelhed berekend ((u 2 x+ v 2 y+ w 2 z ) ½ ). De stroomprofelen zjn geëxtrapoleerd van de deptecellen van de ADCP naar het wateroppervlak en naar de bodem. Aan het wateroppervlak zjn vanwege de nsteekdepte van het meetnstrument 5 extra deptecellen gecreëerd. De stromng n deze cellen s berekend volgens het onderstaande schema: Deptecel t.o.v. wateropp. bj vloed bj eb 0.08 m m m m m m (meetwaarde) De bovenste gemeten deptecel bljft hermee zjn waarde houden. In de extra cellen daarboven neemt de stromng bj vloed af tot 94% van de meetwaarde van de bovenste cel en bj eb neemt de stromng toe tot 106%. Deze extrapolate s utgevoerd voor u x en v y. en net voor w z. De stroomrchtng n de extra cellen s daarmee geljk aan de stroomrchtng n de bovenste bemeten deptecel. De ADCP meet net dcht bj de bodem. Het verles aan de bodem s ongeveer 15% van de bodemdepte. Op een eendere maner als aan het wateroppervlak wordt de stromng geëxtrapoleerd naar de bodem. De stromng aan de bodem zelf s geljk aan nul. Tussen de bodem en de depste cel van de ADCP zjn de componenten u x en v y. lnear geëxtrapoleerd. Bj elk ensemble s de gemddelde stromngscomponent u x over de vertcaal en de bjdrage n het debet berekend. Voor de berekenng van de gemddelde snelhed zjn de geëxtrapoleerde gegevens gebrukt, ze de vorge paragraaf. De stroomsnelhed aan de bodem s nul verondersteld. De bjdrage n het debet, q, s de gemddelde stroomsnelhed vermengvuldgd met de depte. De ADCP meet net van oever tot oever. De gemddelde stroomsnelhed en de bjdrage aan het specfeke debet q [m 2 /s] worden daarom geëxtrapoleerd van de eerste en het laatste ensemble naar de oevers, ze Bjlage 1. Hervoor wordt de met het echolood gemeten bodemdepte gebrukt Resultaten In Bjlage 2 zjn de resultaten van de ADCP-metngen gepresenteerd. Her volgt eerst een beschrjvng van de fguren. Van elke metng zjn dre fguren gemaakt. De eerste, getteld 'globale snelhedsverdelng volgens de meetraa (hoofdstroomrchtng)' geeft de stromngscomponent u x als functe van de afstand langs de raa tot het begnpunt, en de depte. De schaalverdelng van de kleur staat rechts naast de fguur. De horzontale ljn bovenaan de fguur geeft de waterstand weer. Onder het gekleurde gedeelte geeft de getrokken ljn het depteprofel weer. Met pjlen, of vectoren, zjn de - 8 -

9 stromngscomponenten v y en w z weergegeven. rechts ondern de fguur s als referente een vector weergegeven met componenten van 0.5 m/s. De tweede fguur, getteld 'horzontale snelhedscomponente volgens de meetraa (hoofdstroomrchtng)', s eender aan de eerste fguur, slechts de vectoren ontbreken. De derde fguur, getteld 'horzontale snelhedscomponente langs de meetraa (dwarsstroomrchtng)', geeft echter de dwars component v y

10 4. DISCUSSIE EN CONCLUSIES Het debet (Fguur 4.1), de over het gehele doorstroom oppervlak gemddelde stroomsnelhed (Fguur 4.1) en het doorstroomoppervlak (Fguur 4.2) kunnen nu worden utgezet als functe van de tjd. Debet [m3/s] Debet Tjd (MET) Gemddelde stroomsnelhed -0.3 Fguur 4.1: Debet en gemddelde stroomsnelhed als functe van de tjd Doorstroomoppervlak [m2] Tjd (MET) Fguur 4.2: Het doorstroomoppervlak als functe van de tjd

11 Dudeljk s dat de metng nauwkeurg s verlopen. De grafek van het debet vertoont weng rus. De meetresultaten van de ADCP, Bjlage 2, geven een goed beeld van de varate van de stromng met de tjd. Door het gebruk van een andere mode van de Bottom Track s er maar zeer weng utval van gegevens geweest. Voorheen werden va nterpolate ontbrekende gegevens aangevuld. Hoewel het resultaat bevredgend was s het resultaat nu beter. Dt ut zch met name n de vertcale en dwars-componenten van de stromng. In Hoofdstuk 2 s beschreven hoe ut de deptemetng van de Bottom Track van de ADCP en van het echolood te samen de waterstand s berekend. Aanbevolen wordt om te controleren of de waterstand zoals gemeten stroomopwaarts van het punt waar de Schelde en de Rpel samen komen, representatef s voor de waterstand bj de Wntam-zeeslus. Tabel 4.1: De meetresultaten met U de stroomsnelhed gemddeld over het door stroomoppervlak A. Nr. Begntjd (MET) Begntjd (t.o.v HW) Debet [m 3 /s] A [m 2 ] U [m/s] 1 9h58 +4h h45 +4h h29 +5h h15 +6h h59 +7h h45-4h h29-3h h15-2h h00-2h h45-1h h29-0h h15 +0h h59 +0h h48 +1h

12 BIJLAGE 1: BEREKENING VAN GEMIDDELDE SNELHEID UIT VARENDE ADCP METINGEN. In deze Bjlage wordt de wjze van berekenen van de ADCP stromngs-profelen beschreven. Er wordt utgegaan van de 'Processed'-bestanden de door het programma TRANSECT tjdens de metng worden gemaakt. Van de ADCP bestanden worden de volgende gegevens gebrukt: p g = geografsche poste n ED50-coördnaten van ensemble d n = bodemdepte van bundel n van ensemble ( 0 s wateroppervlak, -H s de bodem) u xj = stroomsnelhed n x-rchtng (oost) van bn j van ensemble v yj = stroomsnelhed n y-rchtng (noord) van bn j van ensemble w zj = stroomsnelhed n z-rchtng (vertcaal) van bn j van ensemble b j = depte van bn j onder het wateroppervlak ( 0 s het wateroppervlak, -H s de bodem) E = aantal ensembles van een metng B = aantal bns van ensemble l = bnlengte Daarnaast s nog de waterstand w t.o.v. TAW ten tjde van de metng bekend. De geografsche postes worden omgezet van ED50-coördnaten naar RDcoördnaten n het kaartvlak. Hervoor wordt de methode gebrukt zoals beschreven door Kösters [1]. Eerst worden de ED50-coördnaten omgezet naar UTMcoördnaten [1, blz 22]. Daarna worden de UTM- coördnaten omgezet n RDcoördnaten n het kaartvlak [1, blz 34]. De postes p g van de ensembles worden herdoor omgezet n postes p rd n RDcoördnaten. Van elke raa s het begnpunt P RDb en het endpunt P RDe bekend n RDcoördnaten. Nu wordt van elk ensemble de afstand tot het begnpunt a en de afstand tot het endpunt a ' berekend volgens: a = p rd - P RDb a ' = p rd - P RDe Als a of a ' groter s dan de lengte van de raa dan wordt ensemble verwjderd. Verder wordt gerekend met a. De stromngscomponenten u x, v y, en w z t.o.v. het Oosten, Noorden en de vertcaal denen te worden geroteerd naar een coordnatenstelsel met de x-coordnaat φ U graden t.o.v. het noorden en y-coordnaat loodrecht op x en φ V graden t.o.v. het noorden: u xj = sn( φ U ). v yj + cos( φ U ). u xj v yj = sn( φ V ). v yj + cos( φ V ). u xj w zj = w zj

13 De stroomprofelen zjn geëxtrapoleerd van de deptecellen van de ADCP naar het wateroppervlak en naar de bodem. Aan het wateroppervlak zjn vanwege de nsteekdepte van het meetnstrument 5 extra deptecellen gecreëerd. De stromng n deze cellen s berekend volgens het onderstaande schema: Deptecel t.o.v. wateropp. bj vloed bj eb 0.08 m m m m m m (meetwaarde) De bovenste gemeten deptecel bljft hermee zjn waarde houden. In de extra cellen daarboven neemt de stromng bj vloed af tot 94% van de meetwaarde van de bovenste cel en bj eb neemt de stromng toe tot 106%. Deze extrapolate s utgevoerd voor u x en v y. en net voor w z. De stroomrchtng n de extra cellen s daarmee geljk aan de stroomrchtng n de bovenste bemeten deptecel. De ADCP meet net dcht bj de bodem. Het verles aan de bodem s ongeveer 15% van de bodemdepte. Op een eendere maner als aan het wateroppervlak wordt de stromng geëxtrapoleerd naar de bodem. De stromng aan de bodem zelf s geljk aan nul. Tussen de bodem en de depste cel van de ADCP zjn de componenten u x en v y. lnear geëxtrapoleerd. In prncpe kan nu een grafek gemaakt worden van de dre stromngscomponenten u x, v y en w z als functe van de afstand tot het begnpunt a en de depte van de bn b j. Per ensemble zjn echter maar een beperkt aantal pngs gebrukt om de stromng te meten. De dre stromngscomponenten zjn herdoor net erg nauwkeurg bepaald. Een grafek met de stromngscomponenten zal daarom geen dudeljk beeld geven. Daarom worden de stromngscomponenten eerst geflterd. Met een laag-doorlaat flter worden de korte varates van de stromng verwjderd. Herdoor bljven de varates van de stromng met een grote lengteschaal behouden en ontstaat een vloeend beeld van de stromng als functe van de depte en de afstand tot het begnpunt van de raa. Het toegepaste flter s een IIR flter. Dt flter wordt toegepast voor alle ensembles met flterng over de bns: K ' ' u = b. u a. u xj k x( j k ) k = 0 k = 1 K k x( j k ), voor = 1.. E, dem voor v y en w z. Het flter wordt ook voor alle bns toegepast met flterng over de ensembles: K '' ' u = b. u a. u xj k x( k ) j k = 0 k = 1 K k '' x( k ) j, voor j = 1.. B, dem voor v ' y en w ' z

14 De a k en de b k zjn de coëffcënten van het flter. Bj deze metngen was de ensemble lengte ongeveer 15 meter. In prncpe kunnen daarom stromngsvarates met een lengte van 30 meter worden gemeten. De coëffcënten van het flter zjn zo gekozen dat het flter frequentes groter dan 0.3π afkapt. Voor het begrp s dt vertaalt naar meters n het horzontale vlak (langs de raa). Stromngsvarates met lengteschalen klener dan 60 meter worden vrjwel geheel weg geflterd. Stromngsvarates met een lengteschaal van 90 meter worden verzwakt met een factor 2. Stromngsvarates met een lengteschaal groter dan 120 meter worden vrjwel net verzwakt. Voor de stromngsvarates n het vertcale vlak ( de depte) worden varates met een lengteschaal groter dan 3 meter verzwakt met een factor 2. Varates met een grotere lengteschaal worden net verzwakt. Varates met een klenere lengteschaal worden vrjwel geheel weg geflterd. De stromngscomponenten u'' x, v'' y en w'' z kunnen nu worden utgezet tegen de afstand langs de raa tot het begnpunt en de depte t.o.v TAW. De depte t.o.v. TAW van een bn s de depte van de bn t.o.v. het wateroppervlak b j + w, met w de waterstand t.o.v. TAW. De ADCP meet voor elk ensemble de depte van de bodem t.o.v. het wateroppervlak voor 4 bundels d n.. De bodemdepte H t.o.v TAW wordt dan: H = ( d 1 + d 2 + d 3 + d 4 ) / 4 + w. De deptegemddelde-stromng n de x-rchtng van ensemble wordt berekend volgens: U = l u J '' xj j= 1 ; De stromng n de bovenlaag en aan de bodem wordt geextrapoleerd ut de bemeten bns volgens het bovenvermelde schema. De gemddelde x-component van de stromng s dan: Top Md Bot U = (( b1 l / 2) U + JlU + ( H w + bj l / 2 ) U ) / ( H w). De stromng wordt geëxtrapoleerd naar de gedeelten van de raa waar het schp met de ADCP net heeft gemeten. Dt gebeurt met gebrukmakng van het depteprofel van het echolood. Bj de lnkeroever gebeurt dt volgens: U ( d l l ) ( ) l = ( ) l L d L L U L 1 ( ), ( ) met l de afstand tot de lnker oever, L de afstand van het eerste ensemble tot de lnkeroever, U 1 (L) de gemddelde x-component van de stromng n het eerste ensemble. Voor de rechteroever geldt een eendere formule. Het doorstroomoppervlak A s berekend volgens:

15 E A = H.( a a ), met a 0 = 0. = 1 1 De bjdrage van een ensemble aan het debet Q s berekend volgens: Top Q = ( b l / ) U 1 2 Top Q Md = JlU Md Bot Q = ( H w + b l / ) U 1 2 Bot Het totale debet Q Tot s berekend volgens: Q Q Q Top Md Bot = = = E = 1 E = 1 E = 1 Q Q Q Top Md Bot QTot = QTop + QMd + QBot De over het hele doorstroomoppervlak gemddelde snelhed V Tot s berekend volgens: V Tot = Q Tot / A. LITERATUUR [ 1] A.J.M. Kösters, 'Cöordnatentransformates en kaartprojectes', Rjkswaterstaat, Meetkundge Denst, Delft, Augustus