Aansturing keringen in MHWprocessor

Transcriptie

1 Opdrachtgever: Rijkswaterstaat RIZA Aansturing keringen in MHWprocessor Rapport september 2007 Q

2 Opdrachtgever: Rijkswaterstaat RIZA Aansturing keringen in MHWprocessor Hanneke van der Klis, Arjen Markus Rapport september 2007

3 WL delft hydraulics Opdrachtgever: Rijkswaterstaat RIZA Titel: Aansturing keringen in MHW-processor Samenvatting: In het kader van de Systeemanalyse Rijn-Maasmonding voert RWS RIZA een gevoeligheidsonderzoek uit met als doel om inzicht te verkrijgen in het effect van een aantal mogelijk relevante parameters, uitgangspunten en processen, op de extreme hoogwaterstanden (toetspeilen) en dijktafelhoogten in de Rijn-Maasmonding. Het huidige instrumentarium, bestaande uit de MHW-processor (MHWp) en Hydra-B, is niet geschikt voor de beoogde analyses. Er is meer flexibiliteit rond de aansturing van keringen nodig. Aan WL Delft Hydraulics (WL) is gevraagd om, in samenwerking met HKV Lijn in water, de benodigde aanpassingen aan de MHWp en Hydra-B te beschrijven in een functioneel ontwerp voor elk van de instrumenten. Dit rapport is het functioneel ontwerp voor de MHWp. Op basis hiervan zal de MHWp worden uitgebreid, waarbij MHWp versie 3.1 het uitgangspunt is. Het functioneel ontwerp van Hydra-BS, i.e. de aangepaste versie van Hydra-B, is in een apart rapport beschreven (Duits, 2007). Referenties: Opdrachtbrief BIO/HO/ , d.d. 26 juli 2007 Ver Auteur Datum Opmerk. Review Goedkeuring 1.0 Hanneke v.d. Klis, 27 september 2007 Johan Crebas C.A. Bons Projectnummer: Q Trefwoorden: MHW-processor, Hydra-B, Sobek Aantal bladzijden: 16 Classificatie: Geen Status: Definitief

4 Inhoud 1 Inleiding Vraagstelling en uitgangspunten Vraagstelling Uitgangspunten Aanpassingen van de code Overzicht programma s binnen MHWp Programma s mhwproc en neftool Programma sobeksim Programma mhwproc2hydrab User-interface MHW-processor Samenstellen invoer Uitvoeren berekeningen Nabewerking resultaten Aanpassingen mhwproc.mdb Interactie met Hydra-BS Referenties WL Delft Hydraulics i

5 1 Inleiding In het kader van de Systeemanalyse Rijn-Maasmonding voert RWS RIZA een gevoeligheidsonderzoek uit met als doel om inzicht te verkrijgen in het effect van een aantal mogelijk relevante parameters, uitgangspunten en processen, op de extreme hoogwaterstanden (toetspeilen) en dijktafelhoogten in de Rijn-Maasmonding. De gevoeligheidsanalyse is in verschillende onderdelen gesplitst. Een van de onderdelen betreft de gevoeligheid van diverse faalopties van de Maeslant-, Hartelkering en Haringvlietsluizen. Voor andere studies die al zijn voorzien is het bovendien gewenst om faalopties te kunnen doorrekenen voor de Volkeraksluizen, stormvloedkering Hollandsche IJssel, en de keersluis Heusdensch Kanaal. Het huidige instrumentarium, bestaande uit de MHW-processor (MHWp) en Hydra-B, is niet geschikt voor de beoogde analyses. Er is meer flexibiliteit rond de aansturing van keringen nodig, namelijk er moeten (maximaal) drie onafhankelijke keringen worden aangestuurd, namelijk combinaties van de Maeslant- en Hartelkering, de Haringvlietsluizen, de Volkeraksluizen, de Stormvloedkering Hollandsche IJssel en de Stormvloedkering Heusdensch Kanaal, het moet mogelijk zijn om andere wijzen van falen van de keringen te analyseren. Aan WL Delft Hydraulics (WL) is gevraagd om, in samenwerking met HKV Lijn in water, de benodigde aanpassingen aan de MHWp en Hydra-B te beschrijven in een functioneel ontwerp voor elk van de instrumenten. Dit rapport is het functioneel ontwerp voor de MHWp. Op basis hiervan zal de MHWp worden uitgebreid, waarbij MHWp versie 3.1 het uitgangspunt is. Het functioneel ontwerp van Hydra-BS, i.e. de aangepaste versie van Hydra-B, is in een apart rapport beschreven (Duits, 2007). WL Delft Hydraulics 1 1

6 2 Vraagstelling en uitgangspunten 2.1 Vraagstelling Gevraagd wordt om de functionaliteit van de MHWp en Hydra-B zodanig uit te breiden dat met de combinatie van deze twee instrumenten meer flexibiliteit beschikbaar is rond de aansturing van keringen en de analyse van faalopties van deze keringen. We beschrijven eerst om welke faalopties van keringen het precies gaat. Omdat om applicatie-technische redenen de Maeslant- en Hartelkering bij de besturing vaak als één geheel beschouwd worden, wordt in die situaties gesproken over één kering: de Europoortkering. De keringen en bijbehorende faalopties waaruit gekozen kan worden liggen bij voorbaat vast: Europoortkering, of Maeslant- en Hartelkering afzonderlijk: Falen door niet keren: 1 variant, Falen door niet lozen: 1 variant, Haringvlietsluizen: Falen door niet keren: 2 varianten, Falen door niet lozen: 1 variant. Volkeraksluizen: Falen door niet lozen: 1 variant, Stormvloedkering Hollandsche IJssel: Falen door niet keren: 1 variant. Kering Heusdensch Kanaal: Falen door niet keren: 1 variant. De varianten op het falen van de Europoortkering en van de Haringvlietsluizen staan meer gedetailleerd uitgewerkt in een notitie van Henk de Deugd (Gevoeligheidsonderzoek systeemanalyse Rijn-Maasmonding. Onderdeel falen. 13 april 2007). We vatten de informatie uit deze memo samen: Als de Europoortkering gesloten is, is het van belang dat deze op het juiste moment weer opent. Er is sprake van falen als de kering later dan het bedoelde moment open gaat. In de MHW-processor kiest de gebruiker op wèlk later tijdstip de kering open gaat, namelijk na het passeren van een of meer stormtoppen. Bij de Haringvlietsluizen faalt een aantal van de schuiven bij sluiten of openen. De gebruiker specificeert dit falen door de volgende keuzes te maken: het aantal schuiven dat faalt: 1, 5, 10 of 17; voor het moment waarop de kering wel weer volledig werkt volgens plan (het einde van de faalsituatie); in geval van falen bij sluiten van de schuiven een van de twee varianten: de schuiven gaan open en blijven open, terwijl ze hadden moeten sluiten. de schuiven blijven in LPH-stand open staan, terwijl ze hadden moeten sluiten. WL Delft Hydraulics 2 1

7 De volgende combinaties van onafhankelijk falende keringen worden in de MHWp en Hydra-BS geïmplementeerd: 1. Maeslantkering en Hartelkering; 2. Europoortkering, Haringvlietsluizen en Volkeraksluizen; 3. Europoortkering, Haringvlietsluizen en SVK Hollandsche IJssel; 4. Europoortkering, Haringvlietsluizen en Keersluis Heusdensch Kanaal; 5. Europoortkering en Haringvlietsluizen; 6. Europoortkering. De combinaties 5 en 6 zijn in principe afgeleiden van optie 2 (of 3 of 4). Bijvoorbeeld, door in Hydra-BS voor de Volkeraksluizen een faalkans = 0 in te stellen wordt alleen het falen van de eerste twee keringen in de berekeningen verdisconteerd. Omdat de extra SOBEKberekeningen die nodig zijn voor het falen van de Volkeraksluizen wel de nodig rekentijd vergen worden ook opties 5 en 6 geboden. De aansturing van twee of drie onafhankelijke keringen betekent in feite dat deze keringen onafhankelijk van elkaar kunnen falen. Daarnaast kunnen allerlei andere keringen in het SOBEK model worden aangestuurd, waarvan echter in de probabilistische berekeningen geen mogelijkheid tot falen wordt meegenomen. 2.2 Uitgangspunten De aanpassingen aan de MHWp en Hydra-BS worden gemaakt voor de systeemanalyse van het benedenrivierengebied. Daarbij gaat het om probabilistische analyses op basis van drie stochasten: de zeewaterstand, de rivierafvoer en de toestand van de keringen. Deze laatste is in feite een combinatie van een aantal stochasten: de toestand van elk van de keringen waarvan het falen wordt meegenomen is een aparte stochast. Windrichting en windsnelheid worden niet als aparte stochasten beschouwd maar één op één gekoppeld aan de zeewaterstand, analoog aan de aanpak zoals gebruikelijk voor berekeningen met Special Hydra-B. Zowel in de MHWp als in Hydra-BS wordt de aansturing van keringen en de beschikbare faalopties zodanig geïmplementeerd dat de specifieke combinaties mogelijk zijn. Het betreft dus geen generieke implementatie voor een willekeurige kering met een willekeurige manier van falen. De gebruiker van de MHW-processor kiest per faaloptie één van de beschikbare varianten en faalduren. De varianten worden zodanig in de MHWp geïmplementeerd dat deze relatief eenvoudig kunnen worden uitgebreid met andere varianten, mocht dat in de toekomst wenselijk zijn. De varianten op de faalopties worden alleen in de MHWp geselecteerd. Voor Hydra-BS is het irrelevant welk van de varianten is gekozen. Mocht dit consequenties hebben voor de kans op falen, dan is het aan de gebruiker om de betreffende kans in Hydra-BS aan te passen. Informatie over de gekozen variant is, in passieve zin, beschikbaar in Hydra-BS (cf. hoofdstuk 6). WL Delft Hydraulics 2 2

8 Bij deze uitbreiding aan de MHWp zal ervoor zorg gedragen worden dat de bestaande functionaliteit behouden blijft (toepassing t.b.v. Special Hydra-B en Hydra-B met maar een kering) en dat indien gewenst de gebruiker een volledige set sommen kan doen (dat wil zeggen met de zeewaterstand, windsnelheid en windrichting als onafhankelijke stochasten). WL Delft Hydraulics 2 3

9 3 Aanpassingen van de code 3.1 Overzicht programma s binnen MHWp De onderstaande tabel geeft een overzicht van de voornaamste programma s die in de MHW-processor een rol spelen. Per programma is aangegeven wat de rol is. In de volgende paragrafen zal aan deze programma s worden gerefereerd. Programma sobselect mhwproc mhwproc2hydrab neftool (aangeroepen vanuit mhwproc) sobeksim Doelstelling Stelt de gebruiker in staat de benodigde keuzes te maken via de user interface, zoals het SOBEK-model waarmee de MHWprocessor gaat rekenen. (Paragraaf 4.1) Coördineert welke SOBEK berekeningen worden uitgevoerd en in welke volgorde. Stuurt de user-interface aan waarmee de berekeningen worden gestart en verzorgt de visuele feedback (Paragraaf 3.2). Programma voor het omzetten van de resultaten van SOBEK (de max-files) naar een of meer databases voor Hydra-B/Special Hydra-B (Paragraaf 3.4). Voegt de informatie over de stormopzet en de opening/sluiting van de keringen toe aan de modelinvoer voor SOBEK (Paragraaf 3.2). Rekenhart van SOBEK. Bevat speciale routines om de open/sluittijden voor de keringen te bepalen (Paragraaf 3.3). 3.2 Programma s mhwproc en neftool De keuzes die de gebruiker maakt voor de aan te sturen keringen en de faalopties moeten in de aansturing van SOBEK verwerkt worden. Dit vergt wijzigingen in de programma s mhwproc en neftool. In de huidige MHWp (versie 3.1) wordt altijd de volgende serie SOBEK-berekeningen uitgevoerd, aangestuurd vanuit het programma mhwproc: Eén om de initiële conditie te bepalen bij gegeven debiet; Eén om de situatie met open (Europoort)kering door te rekenen; Eén om de situatie met gesloten (Europoort)kering door te rekenen. Omdat er nu meer onafhankelijk falende keringen in de probabilistische berekeningen moeten worden verwerkt, zijn ook meer verschillende SOBEK-berekeningen nodig. Bovendien verschilt de serie berekeningen per combinatie van falende keringen. Voor de combinatie Europoortkering-Haringvlietsluizen-Volkerakzoommeer geldt bijvoorbeeld: Eén berekening om de initiële conditie te bepalen bij gegeven debiet; Eén om de situatie door te rekenen met open Europoortkering, de normaal werkende Haringvlietsluizen en gesloten Volkeraksluizen; WL Delft Hydraulics 3 1

10 Eén om de situatie met gesloten Europoortkering door te rekenen (de Europoortkering opent op het correcte moment, de Haringvlietsluizen werken gewoon en de Volkeraksluizen zijn gesloten). Uit deze berekening wordt ook afgeleid of en op welk moment de Volkeraksluizen geopend moeten worden om water op te vangen in het Volkerak-Zoommeer; Eén om de situatie met gesloten blijvende Europoortkering door te rekenen (verder als boven); Eén om de situatie met gesloten Europoortkering (correct openend) en geopende Volkeraksluizen door te rekenen; Etcetera. De lijst van hydraulisch verschillende situaties is daarmee veel langer en afhankelijk van de specifieke combinatie van keringen die door de gebruiker is gekozen. Elke hydraulische berekening krijgt een afzonderlijke codering, zodat Hydra-BS onderscheid kan maken tussen de situaties. Of er al dan niet sprake is van falen wordt niet expliciet in de database voor Hydra-BS vastgelegd. Hydra-BS leidt dit af uit de sluitfuncties, analoog aan de bestaande aanpak in de MHWp en Hydra-B. Het programma neftool wordt uitgebreid om ook de andere keringen dan alleen de Europoortkering vanuit de MHWp te kunnen aansturen. Bovendien wordt binnen neftool de concrete vertaling gemaakt van de gemaakte faaloptie naar de specifieke aanpassingen aan structures in het SOBEK model. Bijvoorbeeld de doorlaatopening van de schuiven in de Haringvlietsluizen. 3.3 Programma sobeksim Zoals beschreven in de voorstudie (Van der Klis et al., 2007) bevat SOBEK RE een aantal routines die specifiek voor de MHWp zijn geschreven. Met deze routines wordt nagegaan óf de Europoortkering moet sluiten en zo ja, op welk moment. Deze routines vormen onderdeel van het programma sobeksim. Deze routines worden nu uit sobeksim verwijderd en overgezet naar de MHWp-omgeving. Uitwisseling van informatie met SOBEK verloopt voortaan via uitvoerbestanden van SOBEK, in een batchrun, waarvan de gebruiker van de MHWp niets merkt. Het voordeel daarvan is dat dan in SOBEK RE geen specifieke kennis meer zit over het beheer van de keringen vanuit een heel ander instrumentarium, namelijk de MHWp. Bovendien, een klein apart programma dat onder het beheer van de MHWp valt is gemakkelijker aan te passen aan de wensen van de gebruikers dan een algemeen programma als SOBEK. Overigens zijn de routines van het huidige SOBEK-RE niet voldoende: om te kunnen werken met de optie van falen (de keringen blijven gedurende een vastgestelde tijd open of juist dicht), moeten we uit de berekeningsresultaten niet alleen het moment afleiden waarop de keringen volgens plan in werking zullen treden, maar ook de momenten na falen waarop de keringen weer gewoon kunnen gaan werken (dus het moment na een, twee of drie stormtoppen dat het waterstandsverval openen/gewone werking toelaat) en dit voor alle betrokken keringen. WL Delft Hydraulics 3 2

11 Uit een analyse van de op dit moment beschikbare SOBEK-modellen blijkt dat alle faalvarianten, ook die voor de Haringvlietsluizen, in een en hetzelfde SOBEK-model gesimuleerd kunnen worden door het manipuleren van de juiste triggers. Met andere woorden: als de juiste controllers en structures aanwezig zijn, kunnen we volstaan met een paar relatief kleine wijzigingen in de invoer voor SOBEK, zoals dat nu ook gebeurt. Naast de schematisatie is het ook van belang dat gedurende de berekening voldoende gedetailleerde informatie wordt weggeschreven om achteraf de maximale waterstand en de sluitmomenten te kunnen bepalen. Daarvoor is een history-bestand nodig met een voldoend kleine tijdstap waarin waterstand en debiet staan vermeld. 3.4 Programma mhwproc2hydrab Zoals in het functioneel ontwerp van Hydra-BS is beschreven verandert er het een en ander aan de invoerdatabase voor Hydra-BS. Er komen enkele tabellen bij en de betekenis van enkele kolommen in bestaande tabellen gaat veranderen. Dit heeft gevolgen voor het programma mhwproc2hydrab: Indien er uitvoer aangemaakt moet worden voor Hydra-BS, dan moet de sluitfunctie worden weggeschreven naar de resultatendatabase, in plaats van een aparte database. Er moet een soortgelijke tabel worden geschreven met informatie over de Volkeraksluizen. Er moet een tabel komen met meta-informatie (zie hoofdstuk 6). Er moet een afzonderlijke tabel komen in de invoerdatabase voor Hydra-BS met de geometrische informatie die nodig is voor kruinhoogteberekeningen. Als de geografische punten op de rivieras liggen en niet op de oever, dan heeft deze tabel geen betekenis. Hij zal dan gevuld worden met waarden 0. Twee kolommen in de tabel Resultaat die voor Hydra-B en Special Hydra-B geen betekenis hebben, zullen nu gebruikt worden om de toestand van de overige keringen vast te leggen. WL Delft Hydraulics 3 3

12 4 User-interface MHW-processor Om de aansturing van de keringen vanuit de MHWp volgens de wensen uit te breiden is het nodig dat de gebruiker van de MHWp een aantal keuzes maakt. Dit gebeurt via de userinterface, op een manier die direct aansluit bij de bestaande user-interface (MHWp versie 3.1). Dit hoofdstuk beschrijft de aanpassingen die nodig zijn om de nieuwe mogelijkheden duidelijk te presenteren. 4.1 Samenstellen invoer Bij het starten van een serie berekeningen moet de gebruiker aangeven om welk SOBEKmodel het gaat (het blokje Stel invoer samen) en hoe de diverse stochasten zijn gedefinieerd. Daar komen nu de volgende keuzes bij: De combinatie van keringen waarvan de kans op falen wordt meegenomen; De variant per faaloptie. Deze vragen zijn niet altijd relevant: afhankelijk van welk SOBEK-model gekozen wordt, zullen bepaalde (combinaties van) keringen wel of niet aangestuurd kunnen worden. Bijvoorbeeld, in het huidige TMR2006-model kan alleen de Europoortkering, worden aangestuurd omdat de benodigde Mastertriggers voor de MHWp niet in het SOBEK-model aanwezig zijn. Deze logica, of afhankelijkheid, wordt ingebouwd in het selectieprogramma sobselect. 4.2 Uitvoeren berekeningen Voor de gebruiker verandert er niet veel aan de user-interface waarmee de feitelijke berekeningen gestart kunnen worden. Het enige verschil is dat in de lijst van keringsituaties er meer dan twee mogelijkheden zullen staan zodra er meer dan één keringen worden aangestuurd. Omdat het doorrekenen van de keringsituaties afhangt van de resultaten van voorgaande, verdient het de voorkeur de user-interface zodanig aan te passen dat de gebruiker geen deelselectie meer kan maken uit die situaties. 4.3 Nabewerking resultaten Het aantal mogelijkheden binnen de MHWp om een database te maken met de modelresultaten neemt verder toe. Om de selectie van de benodigde database te vergemakkelijken worden de bestaande afzonderlijke nabewerkingsblokken in de user interface van de MHWp vervangen door een interactief scherm, aan te roepen via één taakblak in het CMT-scherm. WL Delft Hydraulics 4 1

13 Hieronder is een ontwerp van het beoogde invoerscherm: 1 Als de gebruiker op OK drukt wordt de gewenste database met resultaten aangemaakt (of databases, al naar gelang de gekozen uitvoeroptie). Dit betekent een aanpassing van het programma mhwproc2hydrab. 1. In eerdere versies waren deze twee correcties gecombineerd, maar op verzoek van R. Slomp kun je ze nu afzonderlijk toepassen. WL Delft Hydraulics 4 2

14 5 Aanpassingen mhwproc.mdb De uitgebreide functionaliteit voor het aansturen van keringen vergt een aanpassing in de invoerdatabase van de MHWp (mhwproc.mdb) waarin de eigenschappen van de SOBEKmodellen zijn opgeslagen: er zullen diverse extra gegevens nodig zijn. In de onderstaande tabel is samengevat hoe die uitbreiding er uit zal zien. Databasetabel Faalopties Faaltypes Wijzigingen Het specifieke SOBEK-model waarmee de MHWp berekeningen uitvoert bepaalt straks welke faalopties voor welke keringen beschikbaar zijn. Om dit verband vast te leggen voegen we een extra kolom toe aan Tabel Faalopties. Er moet een extra tabel komen (Tabel Faaltypes) waarin beschreven is welke faalmodes er zijn per kering. De inhoud betreft: ID kering Omschrijving faalmode ID faalmode De ID van de faalmode bepaalt dan later hoe precies de kering opent of sluit in de berekeningen waarin de specifieke faalmode moet worden doorgerekend. WL Delft Hydraulics 5 1

15 6 Interactie met Hydra-BS Onderscheid naar windrichting en windsnelheid Om in Hydra-BS meerdere onafhankelijk falende keringen en meerdere faalopties te verwerken zijn substantieel meer hydraulische berekeningen nodig. Een voorbeeld: Voor het falen van de Europoortkering zijn per combinatie van zeewaterstand en rivierafvoer drie berekeningen nodig: normaal functionerende kering, een niet sluitende kering en een niet meer opengaande kering. Een analoge uitwerking geldt voor de overige keringen. Dit resulteert voor optie 2 (Europoortkering, Haringvlietsluizen en Volkeraksluizen) in 3 x 3 x 2 = 18 berekeningen per combinatie van zeewaterstand en rivierafvoer. Dit betekent 9 maal zoveel berekeningen vergeleken met de klassieke aanpak voor Special Hydra-B berekeningen. In de huidige versie van de MHWp bestaat de mogelijkheid om de 108 berekeningen voor Special Hydra-B op te blazen naar een database voor Hydra-B. Deze aanpak levert voor dit veel grotere aantal berekeningen problemen met de grootte van de resulterende database. Daarom kiezen we ervoor om dit opblazen binnen Hydra-BS uit te voeren. De MHWp levert dus een waterstands- of oeverlocatiedatabase aan Hydra-BS waarin alleen de uitgerekende resultaten staan. Het exacte ontwerp van deze invoerdatabase voor Hydra-BS staat beschreven in het functioneel ontwerp van Hydra-BS. Sluitfunctie In tegenstelling tot de nu gebruikelijke aanpak verwerken we de benodigde sluitfuncties (één per falende kering) in de waterstandsdatabase voor Hydra-BS. De sluitfunctie voor de Volkeraksluizen definiëren we als de waterstanden bij Rak Noord waarbij de sluizen gaan spuien, gegeven het feit dat de Europoortkering dicht is of zou moeten zijn (rekening houdend met het feit dat de Europoortkering kan falen). Daarbij gaan we uit van een normaal functioneren van de overige keringen. Meta-informatie De gebruiker van de MHWp maakt een aantal keuzes die niet direct blijken uit de resultaten van de hydraulische berekeningen en wel relevant zijn voor de vervolgberekeningen met Hydra-BS. Het gaat om de volgende informatie: De gebruikte SOBEK-schematisatie, Het klimaatscenario, De keringen die onafhankelijk falen, De varianten van de faalopties, Rijndominant of Maasdominant, Al dan niet verwerken van het effect van bochtwerking, Al dan niet verwerken van het effect van dwarsopwaaiing. WL Delft Hydraulics 6 1

16 Deze informatie wordt door de MHWp via een nieuwe tabel in de invoerdatabase doorgegeven aan Hydra-BS. WL Delft Hydraulics 6 2

17 7 Referenties Deugd, H. den, Gevoeligheidsonderzoek systeemanalyse Rijn-Maasmonding, Onderdeel Falen RIZA, 13 april 2007 Duits, M.T., Hydra-BS.. Conceptrapport HKV PR Opdrachtgever: Rijkswaterstaat RIZA Geerse, Chris, Hydra-BS. Formules voor de inbouw van keringen. Conceptrapport HKV PR Opdrachtgever: Rijkswaterstaat RIZA. Van der Klis, Hanneke, Arjen Markus, Nadine Slootjes, Matthijs Duits Voorstudie voor uitbreiding functionaliteit MHW-processor en Hydra-B. Aansturing keringen en SOBEK River. WL Delft Hydraulics en HKV Lijn in water. WL-rapport Q Opdrachtgever: Rijkswaterstaat RIZA. WL Delft Hydraulics 7 1