WMCN cursus, algemeen deel Hydrodynamica van meren. Hans de Waal Deltares

Transcriptie

1 WMCN cursus, algemeen deel Hydrodynamica van meren Hans de Waal Deltares

2 Deel 1: Inleiding

3 Inhoud 1. Focus 2. Doel 3. De inhoud in een notendop

4 1. Focus 1. Focus op Meren dus even geen overgangsgebieden 2. Focus op Wind als dreigingsbron dus even geen Meerpeil 3. Focus op Fysica dus nog even geen applicaties / knoppen

5 2. Doel 1. Overzicht van (en enig inzicht in) relevante fysische processen voor Meren 2. Met andere ogen kijken naar prognoses vanuit het RWsOS systeem naar metingen naar het water 3. Makkelijker communiceren, onderling en naar buiten

6 3. De inhoud in een notendop (Meerpeil en) Wind U 10 NAP M z B L

7 3. De inhoud in een notendop Waterstanden: scheefstand, opwaaiing U 10 h NAP M z B L

8 3. De inhoud in een notendop Golven: golfgroei U 10 H,T NAP M z B L

9 3. De inhoud in een notendop Waterstanden en golven gecombineerd U 10 H,T h NAP M z B L

10 3. De inhoud in een notendop Golfoploop / -overslag op de dijk h H,T z k,

11 3. De inhoud in een notendop z HBN U 10 H,T z k NAP z h M h z B L

12 3. De inhoud in een notendop referentie wind meerpeil Meteorologie WIND-MODEL Windveld op 10m in ruimte en tijd WATERSTAND-MODEL Hydrodynamica GOLF-MODEL waterstanden stromingen golfhoogte golfperiode golfrichting waterstand hydraulische randvoorwaarden Waterbouw DIJKBELASTING-MODEL Benodigde kruinhoogte

13 Deel 2: Wind

14 Positie in keten referentie wind meerpeil WIND-MODEL Windveld op 10m in ruimte en tijd GOLF-MODEL WATERSTAND-MODEL waterstanden stromingen golfhoogte golfperiode golfrichting hydraulische randvoorwaarden DIJKBELASTING-MODEL waterstand Benodigde kruinhoogte

15 Inhoud 1. Vergelijking wind - afvoer 2. Parameters 3. Variatie in de ruimte 4. Variatie in de tijd 5. Stormvelden in de tijd 6. Onzekerheden

16 1. Vergelijking wind - afvoer 1. Overstromingsdreiging in NL heeft twee natuurlijke drijvende krachten: (extreme) Rivierafvoer en (extreme) Wind 2. Sterk verschillend karakter

17 1. Vergelijking wind - afvoer Parameter Afvoer Wind scalar: debiet Q vector: snelheid U, richting R Ruimte 0D (punt) 3D Tijdschaal event Orde > week Orde etmaal Statistiek Werklijn / Grade RW (?) / HYDRA (?) Klimaatverandering Trend bekend Trend onduidelijk Oper. veiligheid Mogelijkheden Opties beperkt

18 1. Vergelijking wind - afvoer 1. Overstromingsdreiging in NL heeft twee natuurlijke drijvende krachten: (extreme) Rivierafvoer en (extreme) Wind 2. Sterk verschillend karakter: op Wind is minder vat 3. Het goede nieuws is: veel kennis en informatie zit verwerkt in de modellen-trein ECMWF - HiRLAM - Downscaling...!

19 2. Parameters: snelheid kracht KNMI-benaming windsnelheid gemiddeld over 10 minuten Bft km/h m/s 0 windstil zwakke wind zwakke wind matige wind matige wind vrij krachtige wind krachtige wind harde wind stormachtige wind storm zware storm zeer zware storm orkaan >117 > 32.5

20 2. Parameters: richting NNW N NNO 'vandaan' richtingen graden streken NW NO WNW ONO W O WZW OZO ZW ZO ZZW Z ZZO

21 2. Parameters: richting 337,5 0 22,5 'vandaan' richtingen graden streken ,5 67, ,5 112, , ,5

22 3. Ruimtelijke variatie Verandering van de windvector met de hoogte weersysteem Orde 1 km Orde 60 m oppervlakteruwheid Bron: Wieringa en Rijkoort (KNMI), Windklimaat van Nederland. Fig 3.3.

23 3. Ruimtelijke variatie, aandachtspunten 1. Horizontaal: Oppervlakte ruwheid Weersysteem 2. Verticaal: Doorwerking overgangen in oppervlakte ruwheid (Gelaagde) overgangen/grenzen tussen weersystemen Stabiliteit vaak niet-neutraal 3. IJsselmeergebied vaak klein t.o.v. weersysteem maar niet altijd! 4. Vertrouw niet op de richting van buien op de buienradar als indicator voor de windrichting op 10 m

24 4. Variatie in de tijd

25 4. Variatie in de tijd

26 5. Stormvelden in de tijd 6.4 x x

27 5. Stormvelden in de tijd x x

28 5. Stormvelden in de tijd 6.4 x x

29 5. Stormvelden in de tijd x x

30 5. Stormvelden in de tijd x x

31 5. Stormvelden in de tijd x x

32 5. Stormvelden in de tijd x x

33 5. Stormvelden in de tijd x x

34 5. Stormvelden in de tijd x x

35 5. Stormvelden in de tijd x x

36 6. Onzekerheden 1. Variatie in ruimte en tijd is vrij sterk 2. Er is geen 'standaard' storm (bovengenoemde variatie varieert) 3. Ongestoorde representatieve meetlocatie ontbreekt 4. Oppervlakte-ruwheid (zie ook deel 3, 6) 5. Atmosferische stabiliteit 6. 'Intermediate' variatie kan stoten of resonantie veroorzaken (zie ook deel 3)

37 Deel 3: Waterstanden

38 Positie in keten referentie wind meerpeil WIND-MODEL Windveld op 10m in ruimte en tijd GOLF-MODEL WATERSTAND-MODEL waterstanden stromingen golfhoogte golfperiode golfrichting hydraulische randvoorwaarden DIJKBELASTING-MODEL waterstand Benodigde kruinhoogte

39 Inhoud 1. Nut beschouwing evenwicht 2. Beschrijving evenwicht: relaties en onzekerheden 3. Aanstippen niet-evenwicht

40 1. Nut beschouwing evenwicht 1. Beperkt tot kern: geeft inzicht in bepalende factoren 2. Waterstand in IJsselmeer reageert vrij snel op de wind: quasi-stationaire beschouwing (evenwicht) geeft vaak behoorlijk goede benadering ( maar niet overal, en niet altijd)

41 2. Beschrijving Evenwicht: relaties Relatie tussen scheefstand en wind, diepte h U 10 h 0 D h(x) 0 x L L

42 2. Beschrijving Evenwicht: relaties Relatie tussen scheefstand en wind, diepte h U 10 h 1 h 2 h 0 x 1 x x 2

43 2. Beschrijving Evenwicht: relaties Relatie tussen scheefstand en wind, diepte a h 2 h 1 h h gh x w a b p 1 p 2 x 1 x 2 b x

44 2. Beschrijving Evenwicht: relaties Bodem schuifspanning h gh x w a b Bodemschuifspanning: In evenwicht dezelfde richting als wind (!) Verwerking in praktijk: verwaarlozen OF vereenvoudigen tot fractie (ca 0.2) van windschuifspanning w h gh x a met 1.0 of (!) 1.2

45 2. Beschrijving Evenwicht: relaties Wind schuifspanning w h gh x a Windschuifspanning: C U 2 a a D 10 Winddragcoefficient onzeker Massadichtheid lucht: Vaak standaard waarde genomen... eigenlijk ten onrechte: Variatie in orde 10% mogelijk h gh C U x 2 w a D 10

46 2. Beschrijving Evenwicht: relaties Scheefstand bepalende factoren dh 2 a h CD U10 dx wg Scheefstand Constante (zij het onzeker!) Analytische oplossing diff vgl voor h(x) Waterdiepte Grotere waterdiepte kleinere scheefstand Scheefstand neemt kwadratisch toe met de windsnelheid U 10 Scheefstand neemt lineair toe met, a en C D

47 2. Beschrijving niet-evenwicht Stromingen 1. Vernauwingen tussen meren demping vertraging 2. Overgang naar rivier voortplanting waterstandsvariatie benedenrand als lange golf stroomopwaarts (uitdempend)

48 2. Beschrijving niet-evenwicht Slingeringen

49 Deel 4: Golven

50 Positie in keten referentie wind meerpeil WIND-MODEL Windveld op 10m in ruimte en tijd GOLF-MODEL WATERSTAND-MODEL waterstanden stromingen golfhoogte golfperiode golfrichting hydraulische randvoorwaarden DIJKBELASTING-MODEL waterstand Benodigde kruinhoogte

51 Inhoud 1. Inleiding 2. Algemene beschrijving 3. Parameters 4. Processen 5. Onzekerheden

52 1. Inleiding 1. Ruimtelijke variatie veel sterker dan bij waterstand 2. Omvangrijk onderwerp; behandeling hier kwalitatief, op hoofdlijnen 3. Complex: veel aspecten zijn verweven en processen lopen door elkaar sommige verschijnselen zijn verrassend maar het positieve is: Je kunt het zien! (aanrader, fascinerend)

53 2. Algemene beschrijving Hoogte, lengte, periode H h L (T)

54 2. Algemene beschrijving Voortplanting Golven bewegen, maar het water verplaatst zich niet met de golf

55 2. Algemene beschrijving Voortplanting Beweging waterdeeltjes

56 2. Algemene beschrijving Voortplanting Golven bewegen, maar het water verplaatst zich niet met de golf de voortplantingssnelheid varieert, afhankelijk van periode en waterdiepte individuele golven zijn niet duurzaam (kun je niet blijven volgen)

57 2. Algemene beschrijving Onregelmatigheid Een mooie sinusvormige golf? zeldzaam... Wateroppervlak in de praktijk: kan (tot op zekere hoogte) beschouwd worden als de som van een groot aantal sinusvormige golven met verschillende richting, hoogte, periode (en fase)

58 energie dichtheid amplitude 3. Parameters 1. Tijdsdomein 2. Frequentiedomein frequentie H 4 m m0 0 f p frequentie

59 4. Processen 1. Wind: golfgroei white-capping (eig: steilheid) 2. Bodem: wrijving breking refractie shoaling set-down / set-up 3. Obstakels: reflectie diffractie transmissie 4. [overig: NL-wisselwerking, stroming] open meer voorland dam

60 4. Processen Golfgroei 1. Basis: meetgegevens en schaalregels 2. Golfgroeikrommen (veel varianten), met als invoer: windsnelheid strijklengte waterdiepte [stormduur]

61 4. Processen Golfgroei

62 4. Processen Breking (diepte-geïnduceerd) Reductie golfhoogte tot ca 0.5 x waterdiepte Kan heftig zijn

63 4. Processen Refractie 1. Bijdraaien van golfkammen tot bodemcontourlijnen 2. Reductie van golfhoogte

64 5. Onzekerheden 1. Golfgroei 2. Golfperiode 3. Lokale effecten van dammen en voorlanden niet in SWAN (2D), maar vereenvoudigd (1D) meegenomen

65 Deel 5: Golfoploop en -overslag

66 Positie in keten referentie wind meerpeil WIND-MODEL Windveld op 10m in ruimte en tijd GOLF-MODEL WATERSTAND-MODEL waterstanden stromingen golfhoogte golfperiode golfrichting hydraulische randvoorwaarden DIJKBELASTING-MODEL waterstand Benodigde kruinhoogte

67 Inhoud 1. Parameters 2. Formules (vereenvoudigd) 3. Onzekerheden

68 1. Parameters Algemeen: z 2% (m) Golfoploophoogte; overschreden door 2% van aantal inkomende golven q (l/s/m) Golfoverslagdebiet bij gegeven kruinhoogte Handig(er): z qc (m) Golfoverslaghoogte bij kritiek overslagdebiet z HBN (mnap) Hydraulisch belastingniveau vgl kruinniveau

69 2. Formules (vereenvoudigd) Basis: loodrecht invallende golven en glad, recht talud H,T z Dijkprofiel taludhelling: Golfperiode golflengte: Golfsteilheid: g L T 2 HL tan Brekerparameter: tan 2 HL NB: diep water steilheid dijk steilheid golven

70 2. Formules (vereenvoudigd) Empirisch z H brekende golven z H 2 niet-brekende golven z H constant z T H z H

71 3. Onzekerheden Empirie Variatie in profielkenmerken Witte vlekken pragmatisch ingevuld

72 Deel 6: Wind-water interactie en andere "instellingen"

73 Winddrag-model Water-ruwheid Positie in keten referentie wind meerpeil WIND-MODEL Windveld op 10m in ruimte en tijd GOLF-MODEL WATERSTAND-MODEL waterstanden stromingen golfhoogte golfperiode golfrichting waterstand hydraulische randvoorwaarden DIJKBELASTING-MODEL Benodigde kruinhoogte

74 Gebied-schematisatie rekeninstellingen Positie in keten referentie wind meerpeil WIND-MODEL Windveld op 10m in ruimte en tijd WATERSTAND-MODEL waterstanden stromingen GOLF-MODEL golfhoogte golfperiode golfrichting hydraulische randvoorwaarden DIJKBELASTING-MODEL waterstand Benodigde kruinhoogte

75 Afronding

76 Resume Scope neergezet Modellentrein ontleed... veel wagons Processen, parameters en onzekerheden benoemd Wind: complexer en verandert sneller dan afvoer Waterstanden: basis (evenwicht) eenvoudig maar onzeker Golven: complexer en ruimtelijk variabeler dan waterstanden Dijkbelasting: empirie Hopelijk: wat gevoel gekregen voor samenhang (meer) waardering gekregen voor operationele trein

77 Tijd voor vragen en discussie