3D-modellering Lauwersmeer

Transcriptie

1 Opdrachtgever: Rijkswaterstaat RIKZ 3D-modellering Lauwersmeer Opzet 3D operationeel model voor zoutindringing en morfologie A1618 Mei 2006

2 Opdrachtgever Rijkswaterstaat RIKZ Titel 3D-modellering Lauwersmeer Opzet 3D operationeel model voor zoutindringing en morfologie Samenvatting In dit onderzoek is een eerste opzet gemaakt voor de operationalisering van een 3 dimensionale modellering van het Lauwersmeer. Daarvoor is het originele model uit 2001 met rooster en bodem (Herstel 1: 3 koppeling) als basis gebruikt. Het model is verder uitgebreid met een nieuwe bodem, barrierelementen om de spuisluizen te modelleren, randvoorwaarden en uitvoerpunten. Met het model zijn een aantal testsommen gedraaid in zowel 2D als 3D. Hoofddoel was om te kijken of het model goed presteert (vergelijking op waterstanden) en of het mogelijk is om op de droogvallende platen in het Lauwersmeergebied via een gecontroleerd spuibeheer zout water te krijgen. De resultaten laten zien dat het model de waterbeweging en de zoutdoordringing op het Lauwersmeer redelijk kan representeren. Punten die in de vervolgstudie nog aandacht behoeven zijn onder andere de wind, de anti-creep optie en betere randvoorwaarden m.b.v. Kalman-filtering voor Kuststrook. Ook zijn er nog enkele opvallende verschillen tussen het 2D- en het 3D-model die verder onderzocht dienen te worden. Referenties Opdrachtbon nummer dd 25 nov Rev. Auteur Datum Bijzonderh. Gecontroleerd door Goedgekeurd door 0 R. Agtersloot 7 feb 2006 G. van Banning M. van Reen 1 R. Agtersloot 31 maart G. van Banning M. van Reen R. Agtersloot 25 april G. Hartsuiker M. van Reen R. Agtersloot M. van Reen 11 mei 2006 definitief G. Hartsuiker G. v. Banning Document Specificaties Inhoud Status Rapport nummer: A1618R2r3 tekst pagina s : 23 Sleutelwoorden: getij, zout, Lauwersmeer, tabellen : 6 voorlopig barriers, Waqua-in-Simona figuren : 50 concept Project nummer: A1618 appendices : - eindrapport Bestand: A1618R2r3.doc postadres PO Box AE, Emmeloord bezoekadres Voorsterweg 28, Marknesse tel : fax: info@alkyon.nl internet

3 3D-modellering Lauwersmeer mei 2006 Samenvatting In dit onderzoek is een eerste opzet gemaakt voor de operationalisering van een 3 dimensionale modellering van het Lauwersmeer. Daarvoor is het originele model met rooster en bodem uit 2001 (Herstel 1: 3 koppeling) als basis gebruikt. Het model is verder uitgebreid met een nieuwe bodem, barrierelementen om de spuisluizen te modelleren, randvoorwaarden en uitvoerpunten. Voor de diepteschematisatie is gebruik gemaakt van het AHN (Actueel Hoogtebestand Nederland). Gegevens over de vegetatie zijn nog niet in het model ingebracht, omdat deze nog niet beschikbaar waren. Dit kan in een vervolgstudie alsnog worden gedaan. Met het model zijn een aantal testsommen gedraaid in zowel 2D als 3D. Hoofddoel was om te kijken of het model goed presteert (vergelijking op waterstanden) en of het mogelijk is om op de droogvallende platen in het Lauwersmeergebied via een gecontroleerd spuibeheer zout water te krijgen. De waterstanden in een viertal stations op de Waddenzee zijn voor zowel het Kuststrook model als het Lauwersmeer model met en zonder wind vergeleken met metingen. De waterstanden kwamen redelijk goed overeen. Vooral de laag waters laten nog grote verschillen zien. De resultaten voor zoutdoordringing en verspreiding laten zien dat zich in enkele weken een evenwichtssituatie instelt. De 3D-simulaties laten ook de verwachte verticale gelaagdheid zien. Nabij de inlaatpunten van zoet water is zoals verwacht de sterkste gelaagdheid zichtbaar. Punten die in de vervolgstudie nog aandacht behoeven zijn onder andere de wind, de anti-creep optie en betere randvoorwaarden m.b.v. Kalman-filtering voor het Kuststrook model. Ook zijn er nog enkele opvallende verschillen tussen het 2D- en het 3D-model die verder onderzocht dienen te worden. Het gebruik van zowel horizontale als verticale domein decompositie is in deze studie niet toegepast omdat er in deze fase weinig meerwaarde mee kon worden bereikt. file: A1618R2r3.doc i

4 3D-modellering Lauwersmeer mei 2006 Inhoud Lijst van tabellen Lijst van figuren 1 Inleiding Aanleiding Doel Aanpak Waarom 3D berekeningen Werkzaamheden realisatie 3D-model Lauwersmeer Leeswijzer 3 2 Beschikbare gegevens Gebiedsbeschrijving Lauwersmeer Geografische informatie Digitaal hoogtemodel Ruwheden Wegen, kaden en overlaten Spuisluizen en gemalen Meetgegevens 6 3 Model schematisatie WAQUA-model Lauwersmeer Randvoorwaarden Randvoorwaarden op open zee Randvoorwaarden sluizen en gemalen Windcondities 12 4 Testsimulaties in 2D Doel van de 2D-testsimulaties Simulatie met volledig geopend spuimiddel Spuibeheer Initiële condities Randvoorwaarden Resultaten Simulatie met gecontroleerd peilbeheer op Lauwersmeer Spui beheer Initiële condities Randvoorwaarden Resultaten 15 file: A1618R2r3.doc ii

5 3D-modellering Lauwersmeer mei Simulaties in 3D Inleiding Verschillen tussen het 2D- en 3D-model Verticale verdeling Diffusiecoëfficient Tijdstap Simulatie met gecontroleerd peilbeheer op Lauwersmeer Spuibeheer Initiële condities Randvoorwaarden Resultaten 19 6 Conclusies en aanbevelingen Conclusies Aanbevelingen 20 Referenties Tabellen Figuren file: A1618R2r3.doc iii

6 3D-modellering Lauwersmeer mei 2006 Lijst van Tabellen 2.1 Beschikbare meetgegevens t.b.v. Lauwersmeer-studie 2.2 Saliniteitsmetingen nabij het Lauwersmeer op de Waddenzee 2.3 Maand- en jaargemiddelde debieten voor spuisluizen, sluizen en gemalen Lauwersmeer 4 1 Spuibeheer Lauwersoog, maximale waterstand 0,0 m+nap in Lauwersmeer 5 1 Samenvatting 2D-simulaties 5 2 Verticale verdeling van het 3D-model file: A1618R2r3.doc iv

7 3D-modellering Lauwersmeer mei 2006 Lijst van Figuren 2.1 Overzicht van het Lauwersmeergebied 2.2 Bodemhoogte van het WAQUA/TRIWAQ-Lauwersmeermodel 2.3 Bodemhoogteverschil tussen het nieuwe- en oude-lauwersmeermodel 2.4 Top10 vector-kaart van het Lauwersmeer 2.5 Ligging stations met beschikbare meetgegevens uit tabel 2.1, waterstand, wind en saliniteit Waddengebied 2.6 Ligging stations met beschikbare meetgegevens uit tabel 2.1, waterstand en debiet Lauwersmeer 2.7 Maandgemiddelde debieten sluizen en gemalen Lauwersmeer 3.1 Lauwersmeer model rekenrooster; gehele model 3.2 Lauwersmeer model rekenrooster; Matrix afbeelding van het rooster 3.3 Lauwersmeer model rekenrooster; gedeelte Lauwersmeer 3.4 Lauwersmeer model rekenrooster; Omgeving Dokkumer Nieuwe Zijlen 3.5 Lauwersmeer model rekenrooster; Omgeving Zoutkamp 3.6 Lauwersmeer model rekenrooster; Resolutie van het rooster, gehele model 3.7 Lauwermeer model rekenrooster; Resolutie van het rooster, gedeelte Lauwersmeer 3.8 Ligging controlepunten in Kuststrookmodel en steunpunten voor randvoorwaarden Lauwersmeermodel 3.9 Vergelijking simulaties Kuststrookmodel en Lauwersmeermodel met metingen; station Lauwersoog 3.10 Vergelijking simulaties Kuststrookmodel en Lauwersmeermodel met metingen; station Schiermonnikoog 3.11 Vergelijking simulaties Kuststrookmodel en Lauwersmeermodel met metingen; station Wierumergronden 3.12 Vergelijking randvoorwaarden Lauwersmeermodel uit Kuststrookmodel, station (m,n)=(118,81) 3.13 Vergelijking randvoorwaarden Lauwersmeermodel uit Kuststrookmodel, station (m,n)=(118,46) 3.14 Vergelijking randvoorwaarden Lauwersmeermodel uit Kuststrookmodel, station (m,n)=(118,36) 3.15 Vergelijking randvoorwaarden Lauwersmeermodel uit Kuststrookmodel, station (m,n)=(156,36) 3.16 Vergelijking randvoorwaarden Lauwersmeermodel uit Kuststrookmodel, station (m,n)=(188,36) 3.17 Vergelijking randvoorwaarden Lauwersmeermodel uit Kuststrookmodel, station (m,n)=(188,55) 3.18 Vergelijking randvoorwaarden Lauwersmeermodel uit Kuststrookmodel, station (m,n)=(188,84) 3.19 Verschil in zoutconcentratie tussen continue lozing buiten van 45 m 3 /s en 100 m 3 /s, 18 augustus 3 uur 3.20 Verschil in zoutconcentratie tussen continue lozing 100 m 3 /s buiten en binnen met continu open spuisluizen, 18 augustus 3 uur 3.21 Windsnelheid en richting Lauwersoog 4.1 Ligging uitvoerstations in het Lauwersmeermodel 4.2 Tijdreeksen van de waterstand in het Lauwersmeer en op de Waddenzee, volledig geopende spuisluis file: A1618R2r3.doc v

8 3D-modellering Lauwersmeer mei Tijdreeksen van de saliniteit in het Lauwersmeer en op de Waddenzee, volledig geopende spuisluis 4.4 Zoutconcentratie op T = 0 dagen in PSU (initiële conditie 2D) 4.5 Zoutconcentratie op T = 1 dagen in PSU uit 2D simulatie 4.6 Zoutconcentratie op T = 2 dagen in PSU uit 2D simulatie 4.7 Zoutconcentratie op T = 5 dagen in PSU uit 2D simulatie 4.8 Zoutconcentratie op T = 10 dagen in PSU uit 2D simulatie 4.9 Zoutconcentratie op T = 15 dagen in PSU uit 2D simulatie 4.10 Tijdreeksen van het debiet door de spuisluizen, volledig geopende spuisluis 4.11 Snelheidsveld tijdens maximale instroom, volledig geopende spuisluis 4.12 Snelheidsveld tijdens maximale uitstroom, volledig geopende spuisluis 4.13 Tijdreeksen van de waterstand in het Lauwersmeer en op de Waddenzee, gecontroleerd spuibeheer 4.14 Tijdreeksen van de saliniteit in het Lauwersmeer en op de Waddenzee, gecontroleerd spuibeheer 4.15 Stroombeeld tijdens maximale instroom, gecontroleerd spuibeheer 4.16 Stroombeeld tijdens maximale uitstroom, gecontroleerd spuibeheer 4.17 Tijdreeksen afvoer door spuisluis Lauwersoog, gecontroleerd spuibeheer 5.1 Tijdreeksen van de waterstand in het Lauwersmeer en op de Waddenzee, gecontroleerd spuibeheer 5.2 Tijdreeksen afvoer door spuisluis Lauwersoog, gecontroleerd spuibeheer 5.3 Tijdreeksen van de saliniteit in het Lauwersmeer en op de Waddenzee, gecontroleerd spuibeheer 5.4 Zoutconcentratie aan het oppervlak 5.5 Zoutconcentratie aan de bodem file: A1618R2r3.doc vi

9 3D-modellering Lauwersmeer mei Inleiding 1.1 Aanleiding Ten behoeve van het behoud van het open karakter van het Lauwersmeergebied (instandhoudingsdoelstelling) wil SBB de verruiging van de vegetatie tegengaan. Het behoud en herstel van brakwaterhabitat wordt daarbij wenselijk bevonden. Ter bestrijding van de verruiging heeft RWS-NN aan RIKZ gevraagd om te (laten) onderzoeken of het mogelijk is om het gebied (periodiek) te laten overstromen met zout water. Daarnaast wil men nader onderzoek doen naar de mogelijkheden van een zeker herstel van estuariene gradiënten en de gevolgen van diverse klimatologische scenario s op het gebied. Geconcludeerd is dat voor het uitvoeren van de verkennende studies naar het inlaten van zout water in het Lauwersmeer een driedimensionaal (3D) hydrodynamisch model onontbeerlijk is. In deze studie worden de werkzaamheden beschreven die hebben geleid tot een eerste versie van een operationeel 3D-model van het Lauwersmeer. 1.2 Doel Het doel van deze studie is het uitvoeren van werkzaamheden aan het Lauwersmeer model die moeten leiden tot een operationeel 3D model van het Lauwersmeer. 1.3 Aanpak Waarom 3D berekeningen De tot op heden uitgevoerde berekeningen (1D en 2D) bieden te weinig inzicht in de zoutverdeling, zowel horizontaal als verticaal. In de Verkenning Lauwersmeergebied (2001) werden reeds aanbevelingen gedaan voor de inzet van een 3D-model en ook door RIKZ is in reactie op de Quick Scan Estuarien de noodzaak tot 3D-modelleren aangegeven. Het fundamentele verschil tussen 2D en 3D modellen is nu juist dat de effecten van dichtheidsverschillen in de vertikaal netjes kunnen worden meegenomen. Dergelijke effecten kunnen onmogelijk in een 2D model worden gesimuleerd. Door middel van variabele diffusieblokken is het wel mogelijk de zoutdoordringing te simuleren, maar om op deze manier een realistische zoutverspreiding te krijgen vergt de nodige calibratie van de waarde van de diffusiecoëfficiënten aan de hand van metingen. Met de inzet van een 3D-model, waarbij ook de windinvloed wordt meegenomen, is een realistischer (en mogelijk ook betrouwbaarder) beeld te verkrijgen van de verdeling en menging van zoet en zout water, en wel in alle richtingen van het watersysteem (lengte, breedte en diepte). Hiermee is ook de kans op stratificatie (en daarmee ook op zuurstofloosheid) beter te voorspellen en kan meer inzicht worden verkregen in de slibsedimentatie op o.a. de intergetijde platen. file: A1618R2r3.doc 1 van 23

10 3D-modellering Lauwersmeer mei Werkzaamheden realisatie 3D-model Lauwersmeer De werkzaamheden worden in twee fases opgeknipt. In deze eerste fase (deze studie) is het bestaande bij het RIKZ aanwezige WAQUA/TRIWAQ-model van het Lauwersmeer (inclusief buitengaats een verdicht deel van het 2D Kuststrookmodel) geschikt gemaakt voor het kunnen uitvoeren van verkennende 3D berekeningen. Uit deze eerste verkenningen moet o.a. blijken of het überhaupt mogelijk is om binnen korte tijd het gebied (zone waar zoutminnende vegetatie gewenst is) te laten verzilten. Het instrumentarium is in deze studie geschikt gemaakt om hydraulische en morfologische effecten bij een aantal (nader te bepalen) scenario s inzichtelijk te maken. In de aanbevelingen zijn enkele aandachtspunten opgenomen die in een vervolgstudie nader bekeken dienen te worden om het model verder te optimaliseren. In deze fase van het project zijn de volgende werkzaamheden uitgevoerd: 1. Het model is gereed gemaakt voor simulaties in 2 en in 3 dimensies met zout. Het oude model heeft nooit gedraaid, maar bestond slechts uit een rooster en een bodem en enkele basale schematisatie-elementen. Daartoe zijn de volgende werkzaamheden uitgevoerd: a. De bodemschematisatie is geüpdatet (Reitdiep, hoogte maaiveld, wegen, kaden en overlaten); b. De ruwheidsvelden zijn nog niet aangepast, aangezien de vegetatiekarteringen ten tijde van de simulaties nog niet beschikbaar waren (er is voor nu gerekend met een uniforme Manning-waarde); c. Er is gekeken naar de mogelijkheden van toepassing van DDH/DDV domeindecompositie, maar in dit stadium is dit niet zinvol geacht; d. Randvoorwaarden zijn bepaald voor een doodtij-springtij periode met de Modellentrein; e. Modelresultaten voor een viertal meetstations in de Waddenzee nabij het Lauwersmeer zijn vergeleken met metingen; f. De gevoeligheid van het wel of niet meenemen van wind in het Lauwersmeermodel op de meetstations in de Waddenzee is onderzocht; en g. Er is gekeken of de open randen van het Lauwersmeermodel voldoende ver weg liggen, zodanig dat het open zetten van de sluizen geen of nauwelijks effect heeft op de waterstanden, snelheden en saliniteiten langs de rand. 2. Testsimulaties in 2D: a. Er is een simulatie gedraaid met een volledig open spuimiddel; b. Er zijn testsimulaties gedraaid om de sturing van de spuimiddelen te bepalen voor gecontroleerd spuibeheer; en c. Er is een simulatie gedraaid voor gecontroleerd spuibeheer. 3. Testsimulaties in 3D a. Er is een keuze gemaakt voor een verdeling van de (sigma)lagen in het model; b. Er is gekeken naar de diffusie verdeling en de viscositeitsverdeling in de 3D simulaties, in combinatie met k-epsilon turbulentiemodellering; en c. De resultaten zijn vergeleken met de 2D simulaties Er is geen aandacht besteed aan de performance van het Kuststrook model. Dit model is veelvuldig gacalibreerd, gevalideerd en getest en heeft bewezen met en zonder wind naar behoren te presteren. Voor de volledigheid wordt hier ook verwezen naar de resultaten van het Kuststrook model met wind zoals die worden weergegeven in het rapport over het Herstel van de 1:3-koppeling van de modellentrein (Alkyon 2001). In de figuren 5.51 t/m 5.56 in dit rapport en in de bijbehorende beschrijving op bladzijden 24 t/m 26 is te zien dat het Kuststrook model in de omgeving van het Lauwersmeer naar file: A1618R2r3.doc 2 van 23

11 3D-modellering Lauwersmeer mei 2006 behoren presteert (ook in een situatie met wind). Door met behulp van Kalman-filtering de randvoorwaarden voor het Kuststrook model te optimaliseren, is nog wel een verbetering van de resultaten te behalen. 1.4 Leeswijzer Hoofdstuk 2 beschrijft de beschikbare gegevens. In hoofdstuk 3 wordt de inrichting van het model en de wijze waarop schematisaties zijn gemaakt/verbeterd omschreven. In hoofdstuk 4 worden de testsimulaties beschreven die met het model in 2 dimensies zijn uitgevoerd. Hoofdstuk 5 beschrijft de resultaten van enkele 3D testsimulaties. Op basis van de bevindingen tijdens het uitvoeren van de werkzaamheden, worden in hoofdstuk 6 conclusies en aanbevelingen gegeven. file: A1618R2r3.doc 3 van 23

12 3D-modellering Lauwersmeer mei Beschikbare gegevens 2.1 Gebiedsbeschrijving Lauwersmeer Het Lauwersmeer, een gebied met een oppervlakte van ongeveer 9000 hectare, bevindt zich in het noorden van Nederland rond de grens van de provincies Friesland en Groningen, zie figuur 2.1. Van oorsprong was het gebied, als de Lauwerszee bekend en als een open estuarium verbonden met de Waddenzee. Het Lauwersmeer is het restant van een riviermonding waarvan de totale oppervlakte rond het jaar 1000 nog ca ha besloeg. Dit estuarium, de monding van enkele riviertjes in de Waddenzee, is in de eeuwen daarna door opeenvolgende bedijkingen verkleind. In mei 1969 wordt het gebied in verband met de veiligheid tegen overstromingen afgesloten van de Waddenzee. De afsluitdijk is 13 kilometer lang en bevat een schutsluis en een serie van 12 spuisluizen van elk 10 meter breed. De spuisluizen zorgen voor de afwaterende functie van de omliggende gebieden. Al deze gebieden lozen via gemalen of spuisluizen. De grootste afgesloten waterlopen zijn het Dokkumerdiep en het Reitdiep. Het gehele buitendijkse gebied is nu ca hectare groot. In het Lauwersmeer wordt een beheerspeil aangehouden van 0,93 m+nap. Onderdeel van het Lauwersmeer is het militair oefengebied Marnewaard. Dit gebied gelegen aan de noordoostzijde van het Lauwersmeer beslaat een gebied van ongeveer 1600 hectare. Het gebied wordt aan de Lauwersmeer zijde omsloten door de Marne weg. Deze wat hoger gelegen weg sluit het gebied min of meer af van de rest van het Lauwersmeer. 2.2 Geografische informatie Digitaal hoogtemodel Met name voor de ondiepe gebieden in het Lauwersmeer model is het van belang dat deze gebieden met de juiste bodemhoogte in het model zitten. De bodemhoogte van deze gebieden is bepaald uit het AHN-hoogtemodel uit Dit hoogtemodel gaat uit van een raster van 5 x 5 meter (1 punt / 25 m 2 ) en dit is meer dan voldoende om het Lauwersmodel te kunnen actualiseren. In figuur 2.2 is zichtbaar dat bij het opnemen van het AHN de waterspiegel terugkomt. In de geulen van het gebied blijkt de waterstand circa -0,88 m+nap te zijn geweest tijdens het opnemen van het AHN. Middels een triangulatie-interpolatie zijn de AHNhoogtegegevens vertaald naar het rekenrooster van het Lauwersmeer-model. Vervolgens zijn de natte delen (herkenbaar aan een waarde van -0,88 m+nap) verwijderd uit het hoogtemodel en vervangen door de oorspronkelijke bodemhoogten. Figuur 2.2 toont het geactualiseerde hoogtemodel. Ten behoeve van de TRIWAQmodellering (Triwaq kan niet met overlaten omgaan) is besloten om de in het gebied voorkomende wegen alleen in het hoogtemodel op te nemen. Dit is dus ook de enige mogelijkheid om het wel/niet overstromen van de Marnewaard eventueel mee te nemen. De hoogte van de weg rond de Marnewaard is in overleg met de opdrachtgever op NAP + 0,5 m gezet. Buiten het Lauwersmeer zelf zijn de hoogtegegevens niet vervangen, hier is gebruik gemaakt van de gegevens uit het bestaande Lauwersmeer model (zie Hoofdstuk 3) file: A1618R2r3.doc 4 van 23

13 3D-modellering Lauwersmeer mei 2006 Het verschil tussen het oorspronkelijke hoogtemodel en het nieuwe hoogtemodel wordt zichtbaar gemaakt in figuur 2.3. Te zien is dat de verschillen over het algemeen binnen de 0,5 meter liggen. Een uitzondering daarop vormt bijvoorbeeld de afsluiting van de Marnewaard, waar de scheiding nu duidelijk hoger ligt dan in het oorspronkelijke model Ruwheden Van het Lauwersmeergebied gebied is een vegetatiestructuurkaart beschikbaar uit Aangezien deze kaart pas na afloop van de uitvoering van de simulaties beschikbaar kwam, is deze niet in het model meegenomen. Voor de ruwheid is daarom vastgehouden aan de in het model aanwezige uniforme Manning-ruwheid van 0,024. Voor de 3D simulaties is gebruik gemaakt van een ruwheidslengte formulering volgens de Z0-methode. Naar verwachting zal de invloed van het meenemen van de vegetatiekaarten in de bodemruwheid over het algemeen zeer gering zijn, voornamelijk omdat het op de ondiepten waar dit van invloed is niet of nauwelijks stroomt. Op de diepere delen is de gekozen benadering voldoende nauwkeurig. Immers ook op de diepere delen zijn de stroomsnelheden gering Wegen, kaden en overlaten In het huidige WAQUA-model komen geen wegen voor. Op basis van topografische kaarten is vastgesteld dat in het gebied wel wegen voorkomen die (op basis van hun hoogte) een aanmerkelijke invloed op het inundatiegedrag kunnen hebben. Daarom zijn de betreffende wegen, kaden en andere lijnelementen overgenomen uit de Top10 vector kaart (zie figuur 2.4) en vertaald naar bodemhoogten in het WAQUA-model (zie figuur 2.2) Spuisluizen en gemalen In het gebied komen verschilllende kunstwerken voor. Het betreft hier de spuisluis bij Lauwersoog, het gemaal Electra, de Friese Sluis bij Zoutkamp, de spuisluis bij Dokkumer Nieuwe Zijlen en de gemalen Dongerdeel en Ezumazijl. Met uitzondering van de spuisluizen bij Lauwersoog zijn deze kunstwerken niet gemodelleerd maar in het model opgenomen als continue (jaargemiddelde) lozingen. De spuisluis bij Lauwersoog speelt een belangrijke rol bij het toelaten van het getij op het Lauwersmeer. Daarom is getracht om de afmetingen van de spuisluis zo nauwkeurig mogelijk over te nemen in het Lauwersmeermodel. Uit gegevens van de opdrachtgever blijkt dat de vloer van de spuisluis op -5,00 m+nap ligt en de bovenzijde op -0,50 m+nap. De totale breedte aan doorstroomopeningen is 120 meter, zodat het totale oppervlak aan uitstroomopeningen 4,5 x 120 = 540 m 2 bedraagt. Het gaat om 12 openingen van 10 meter elk, waarbij om de 4 openingen een breder steunpunt is gecreëerd (m.a.w. 3 groepen van elk 4 openingen). De debietgegevens worden hieronder beschreven file: A1618R2r3.doc 5 van 23

14 3D-modellering Lauwersmeer mei Meetgegevens In en rond het Lauwersmeer zijn metingen verricht. Deze metingen hebben betrekking op debieten, wind, saliniteiten en waterstanden. In tabel 2.1 staat een overzicht van de beschikbare meetgegevens. De coördinaten van de meetpunten staan erbij en de locaties zijn weergegeven in figuur 2.5 (Waddenzee) en figuur 2.6 (Lauwersmeer). De beschikbare gegevens van de wind, saliniteiten en waterstanden zijn niet allemaal gebruikt in deze studie. In een vervolgfase kunnen deze eventueel gebruikt worden om een verdere vergelijking te maken met actuele simulatieresultaten voor de dagen dat de metingen verricht zijn. De saliniteitsgegevens zijn weergegeven in tabel 2.2. De tabel laat zien dat de veranderingen in saliniteit op de Waddenzee gering zijn. De variatie is uiteraard groter vlak onder de kust. De variaties zijn het gevolg van variaties in Rijn afvoer (Kornwerderzand en Den Oever en Haringvliet/Nieuwe waterweg), maar ook de zoete afvoer vanuit het Lauwersmeer. Anderzijds kunnen seizoensinvloeden en stormen een rol spelen. De zoete afvoer vanuit Kornwerderzand wordt bijvoorbeeld bij een zuidwesterstorm langs de Friese kust naar het Oosten gedreven. Het maximum ligt over het algemeen dichter bij het gemiddelde dan het minimum. Kortstondige hoge afvoeren kunnen leiden tot wat minder zoute uitschieters. De wind in Lauwersoog is niet gebruikt in de simulaties. Wel is gekeken naar het effect van het wel of niet meenemen van HIRLAM wind- en drukvelden op de resultaten op de Waddenzee. Indien er wordt gerekend met astronomische condities (of een periode met weinig wind), is het ook niet nodig wind op te leggen. Indien een periode met forse wind zou worden doorgerekend, is het mogelijk om in plaats van HIRLAM wind- en drukvelden de tijdserie voor Lauwersoog op te leggen als een alleen in de tijd en niet ruimtelijk variërende wind. Naar verwachting speelt de wind op het Lauwersmeer onder normale omstandigheden een ondergeschikte rol. De reden daarvoor is dat de omvang van het gebied beperkt is en anderzijds dat de spuisluizen en de turbulentie die deze genereren leiden tot een goed gemengd systeem nabij de spuisluizen. De stratificatie die er mogelijk op enige afstand van de spuisluizen optreedt is voornamelijk het gevolg van zout-zoet effecten en niet van wind. Onder stormomstandigheden zorgt de wind enerzijds voor een verticale menging en anderzijds voor windgedreven stromingen die de verspreiding mede bepalen. In de beginfase na openen van de spuisluizen zal de wind mogelijk wel een rol van betekenis spelen bij de initiële menging en verspreiding. Voor het opleggen van de wind bestaat naast de HIRLAM wind- en drukvelden en de tijdserie van Lauwersoog ook de mogelijkheid van downscaling. Deze module van het KNMI neemt de omliggende landmassa s mee om meer realistische land-water overgangen in de windvelden te genereren. Gezien de kleine omvang van het Lauwersmeer en het experimentele karakter van de downscaling geeft deze methode weinig meerwaarde ten opzichte van het opleggen van tijdseries van Lauwersoog. De debietgegevens zijn gebruikt om de debietaanvoer van het model te bepalen. De debietaanvoer voor het model is het jaargemiddelde debiet, uitgedrukt in m 3 /s (zie tevens paragraaf 3.2.2). In tabel 2.3 staan per locatie het maandgemiddeld en het jaargemiddeld debiet. De debieten bij Lauwersoog zijn de debieten uit het Lauwersmeer en zijn opgenomen als negatieve debieten. De jaren waarover de gemiddelde debieten file: A1618R2r3.doc 6 van 23

15 3D-modellering Lauwersmeer mei 2006 zijn bepaald, verschillen per locatie. Dit verschil in periodes is één van de oorzaken dat de waterbalans (laatste kolom) niet sluitend is. In de waterbalans zijn de neerslag (825 mm/jaar) en de verdamping (575 mm/jaar) niet meegenomen. In figuur 2.7 zijn de maandelijkse debieten van de verschillende locaties uitgezet. De positieve debieten zijn cumulatief uitgezet op de linker verticale as en het negatieve debiet op de rechter verticale as. In de maanden april, mei en augustus is er een gemiddeld debietoverschot terwijl de andere maanden er een debiettekort is. file: A1618R2r3.doc 7 van 23

16 3D-modellering Lauwersmeer mei Model schematisatie 3.1 WAQUA-model Lauwersmeer De schematisatie van het WAQUA Lauwersmeer model is gemaakt door Alkyon in het kader van herstel 1:3 koppeling van de modellentrein (Alkyon, 2001). Het betrof slechts een eerste opzet van het model bestaande uit een rooster en een bodem, onvoldoende om simulaties met het model te draaien. Het WAQUA-model voor het Lawersmeer is in het zeegebied genest in het Kuststrookmodel. Het Lauwersmeer-model is globaal een factor drie fijner dan het Kuststrookmodel. Verder beschrijft het model het Lauwersmeer met uitzondering van het meest noordelijke deel van de Marnewaard. Vanwege de gekozen matrix-opbouw was het niet mogelijk dit gebied op te nemen in de schematisatie. Hieronder volgt een beschrijving (grotendeels overgenomen uit Alkyon 2001) Het rooster Het roosterontwerp voor het buitengebied is gestart vanuit een uitsnede van het Kuststrook model. Door het invoegen van extra roosterlijnen in M-richting is de gewenste resolutie in de omgeving van het spuicomplex bereikt. Het rooster voor het binnengebied volgt zo goed mogelijk de hoofdrichting van de oude stroomgeulen. Vooral de ligging van de relatief smalle geulen in het zuidelijk deel van het Lauwersmeer zijn bepalend geweest. De koppeling tussen het buitengebied en het binnengebied vindt plaats in een traject van circa 4 kilometer rondom het bestaande spuicomplex (vooral in westelijke richting). In dit traject waar de oude hoofdgeul nog aanwezig is kunnen extra spuimiddelen worden gebouwd voor het realiseren van een getemd getij op het Lauwersmeer. In oostelijke richting is het rooster losgeknipt waardoor geen koppeling tussen het binnen- en buitengebied mogelijk is. Een en ander geeft echter wel de mogelijkheid tot het ontwerpen van een acceptabel rooster voor dit gedeelte van het Lauwersmeer gebied. Het ontworpen rooster representeert, afgezien van een klein gedeelte in het noordoostelijke deel, het volledige Lauwersmeer tot aan de oude hoogwater kerende dijken. Ten aanzien van het rekenrooster van het Lauwersmeer gebied zijn uiteindelijk de volgende uitgangspunten gehanteerd: onder aanname van een vaste verdichtingsfactor is een koppeling met het rooster van het Kuststrook model mogelijk; ten aanzien van de resolutie zijn ook de relatief smalle geulen met een voldoende mate van detail (4 à 5 mazen in de breedte) geschematiseerd; de mogelijkheid tot het doorrekenen van een 'getemd' getij is door de keuze van het rooster niet geblokkeerd. Een overzicht van het gehele rooster is gegeven in figuur 3.1. De ligging van de buitenranden van het zeegebied zijn min of meer voorlopig gekozen, op basis van de veronderstelling dat dit ver genoeg van het Lauwersmeer is om aldaar geen invloed te merken van het weer openstellen van het Lauwersmeer op de waterstanden, stroomsnelheden en saliniteiten. Of dit inderdaad het geval is, zal in paragraaf file: A1618R2r3.doc 8 van 23

17 3D-modellering Lauwersmeer mei 2006 nader worden bekeken. De westelijke waddenrand ligt globaal ter plaatse van het wantij achter Ameland. De oostelijke waddenrand is gelegd ter hoogte van de ondiepe gedeelten achter het Simonszand, tussen Schiermonnikoog en Rottummeroog. Mogelijk moet deze rand in westelijke richting worden verschoven tot het wantij achter Schiermonnikoog. De binnenranden zijn gelegd bij de Dokkummer Nieuwe Zijlen aan de uitloper van het Dokkummerdiep en op het Reitdiep bij het gemaal Electra. De matrixrepresentatie van het rooster wordt gegeven in figuur 3.2. Het aantal roosterpunten van het rooster bedraagt 229 x 556 = waarvan circa , dus orde 63%, actief. In figuur 3.3 wordt het rooster gegeven voor het gehele Lauwersmeer gebied. Deze figuur geeft een duidelijk beeld van de aansluiting op het buitengebied. Over een lengte van circa 4 kilometer rondom het bestaande spuicomplex bestaat de mogelijkheid tot een koppeling van het Lauwersmeer en de Waddenzee. De gebieden achter de aanwezige hoofdwegen zijn vrijwel volledig opgenomen in het rekenrooster. De figuren 3.4 en 3.5 geven details van het rooster voor respectievelijk de omgeving van de Dokkummer Nieuwe Zijlen en de omgeving van Zoutkamp. Te zien is dat de relatief smalle geulen in deze gebieden met minimaal 4 cellen worden gerepresenteerd. De figuren 3.6 en 3.7 geven de resolutie van het rekenrooster voor respectievelijk het gehele model en het gedeelte van het Lauwersmeer. Te zien is dat de resolutie varieert van orde 200 m langs de buitenrand van het zeegebied tot orde 20 à 30 m in de smalle geulen in het zuidelijk deel van het Lauwersmeer Tussen de Waddenzee en het Lauwersmeer zit één doorlaatopening, spuisluis Lauwersoog. In het WAQUA-model is deze spuisluis meegenomen als barrier over twee roostercellen. De effectieve lengte van de spuisluis is 120 meter. Omdat de totale lengte van de roostercellen 167 meter is is een correctiefactor van 0,72 op de WAQUA-lengte toegepast om de werkelijke lengte van de spuisluis goed te kunnen weergeven. Aan de zuidzijde van het Lauwersmeer zitten zowel het Reitdiep als het Dokkumerdiep over een lengte van enkele kilometers in het model. Ter plaatse van het gemaal Electra en Dokkumer Nieuwe Zijlen liggen debiet-instroomranden De bodem In het kader van de opdracht Herstel 1:3 (Alkyon, 2001) is geen volledig model voor het Lauwersmeer gebied gebouwd. Er is alleen een diepteschematisatie uitgevoerd op basis van de indertijd beschikbare dieptegegevens. Een en ander betekent voor de verschillende gebieden van dit model het volgende: de diepten in het waddengebied en aansluitende zeegebied zijn geschematiseerd volgens peilingen van 1999; de geulen in het Lauwersmeer gebied zijn geschematiseerd volgens de gedigitaliseerde lodingen van 1982 tot 1984; de ondiepe delen zijn geschematiseerd volgens de lodingen van 1967 en 1968; en de diepten in het Reitdiep zijn niet geschematiseerd wegens het ontbreken van gegevens. Voor deze studie was tevens het Actueel Hoogtebestand van Nederland beschikbaar. Voor het gedeelte boven het referentieniveau zijn deze gebruikt. Voor dieper gelegen file: A1618R2r3.doc 9 van 23

18 3D-modellering Lauwersmeer mei 2006 delen is de bodemschematisatie op basis van de hierboven beschreven gegevens gebruikt, zoals omschreven in paragraaf 2.2. De wegen en de kades zijn in de bodem ingebracht voorzover binnen de schematisatie mogelijk. 3.2 Randvoorwaarden Randvoorwaarden op open zee De randvoorwaarden op open zee zijn afgeleid uit een simulatie voor 6 maanden met het Kuststrook model. In dit Kuststrook model zijn HIRLAM wind- en drukvelden opgelegd. De randvoorwaarden voor het Kuststrook model zijn weer afkomstig uit het Zuidelijke Noordzee model. Ook dit model is met wind- en drukvelden gedraaid. Uit deze 6 maanden simulatie is een willekeurige periode van 15 dagen gekozen. Het betreft de periode van 18 augustus tot en met 2 september Het was de bedoeling hiervoor een representatieve springtij doodtij simulatie van 15 dagen te kiezen. Dat is niet gebeurd. Het betreft nu deze min of meer willekeurige periode van 15 dagen (die natuurlijk wel een springtij doodtij cyclus dekt) met windinvloed. De windinvloed is in deze periode zeker niet te verwaarlozen, maar er hebben zich geen stormen in deze periode voorgedaan. De maximale windsnelheid voor station Lauwersoog in deze periode bedroeg ruim 10 m/s (Beaufort 5). Vervolgens is voor bovengenoemde periode van 15 dagen bepaald wat de optredende waterstanden en snelheden zijn ter plaatse van de randen van het Lauwersmeer-model. Hiertoe zijn in het Kuststrook-model controlepunten gelegd (zie figuur 3.8). Deze gegevens zijn vervolgens samengesteld tot een randvoorwaarden file voor het Lauwersmeer model. Aan de west- en oostrand van het Lauwersmeer-model zijn snelheidsranden opgelegd. Aan de noordzijde van het model is een Riemann-rand gedefinieerd. De keuze voor snelheidsranden hangt samen met het feit dat Riemann-randen niet op ondiep water opgelegd kunnen worden. De met het Kuststrookmodel en met het Lauwersmeermodel berekende getij is vergeleken met de meetreeksen in diverse vaste meetstations in de omgeving van het Lauwersmeer, te weten: Lauwersoog, Schiermonnikoog en Wierumergronden, (zie figuur 3.8). De resultaten van het Kuststrookmodel en het Lauwersmeermodel wordt gepresenteerd in de figuren 3.9, 3.10 en Eveneens zijn de resultaten van een simulatie van het Lauwersmeer model weergegeven waarin wel dezelfde wind zoals gebruikt in het Kuststrook model (HIRLAM) is opgelegd. Een vergelijking tussen de modelresultaten van het Kuststrookmodel en de metingen toont aan dat voornamelijk rond laag water de grootste verschillen optreden. Zelfs op zee in station Wierumergronden (figuur 3.11) zijn verschillen tot 20 cm zichtbaar, terwijl in station Lauwersoog de verschillen oplopen tot 40 cm. Opvallend is dat in het Kuststrookmodel de hoog waters in station Schiermonnikoog slechter worden gesimuleerd dan in de twee andere stations. Een resultaten van het Lauwersmeermodel laten zien dat voor station Wierumergronden de laag waters nog iets hoger uitkomen dan in het Kuststrookmodel. De hoog waters liggen ongeveer 15 cm lager. De simulatie met en zonder wind in het Lauwersmeermodel tonen geen verschillen. In station Lauwersoog is de getijrange in het file: A1618R2r3.doc 10 van 23

19 3D-modellering Lauwersmeer mei 2006 Lauwersmeermodel kleiner dan in het Kuststrookmodel. Indien wind wordt opgelegd, wordt de amplitude nog kleiner doordat de laag waters hoger komen. Behalve snelheid en Riemann randvoorwaarden zijn op de open rand van het Lauwersmeermodel voor dezelfde reeks van controlepunten de zoutconcentratie als tijdreeks opgegeven. Uitgangspunt bij de zoutconcentratie op de randen van het Lauwersmeer-model is een constante lozing in het Kuststrookmodel van 45 m 3 /s vanuit het Lauwersmeer. Om na te gaan in hoeverre de zoutconcentratie ter plekke van de open rand van het Lauwersmeermodel wordt beïnvloed door deze zoete lozing is ook een simulatie uitgevoerd met het Kuststrookmodel met een constante lozing van 100 m 3 /s. Deze 100 m 3 /s stemt overeen met de maximale lozing zoals deze is bepaald uit de meetgegevens (zie paragraaf 2.3). Tenslotte is een simulatie gedraaid waarbij de lozing van 100 m 3 /s is opgelegd in het Lauwersmeer en de spuisluizen volledig open staan. Deze simulatie dient om te kijken of de rand van het Lauwersmeermodel invloed ondervindt van het open stellen van het spuisluizen. In de figuren 3.12 tot en met 3.18 zijn voor de apart aangegeven steunpunten uit figuur 3.8 de waterstand, de stroomsnelheid en richting en de saliniteit als functie van de tijd weergegeven. De open rand ligt, gelet op de eerste drie parameters, voldoende ver weg om geen invloed meer te zien van het Lauwersmeer. (In de stroomrichting zijn wel verschillen tijdens de kentering zichtbaar, maar dat komt doordat de richting dan onbepaald is.) Alleen in de saliniteit treden duidelijke verschillen op. Ten opzichte van de simulatie met een lozing van 45 m 3 /s neemt voor een lozing van 100 m 3 /s de gemiddelde saliniteit af, en wordt de variatie groter. Dit gebeurt hoofdzakelijk in de Waddenzee ten zuidoosten van Schiermonnikoog (station (m,n)=(118,81)). Op zee en langs de rand ten zuiden van Ameland zijn de verschillen minimaal. Ten opzichte van de simulatie waarbij op de Waddenzee wordt geloosd, laat de simulatie met lozing op het Lauwersmeer kleinere variaties zien. De variatie neemt in de loop van de tijd nog wel af. In figuur 3.19 is voor een moment het verschil in verspreiding te zien tussen de continue lozingen van 45 en 100 m 3 /s op de Waddenzee. Het gebied waarin het verschil groter dan 2 PSU is, strekt zich ongeveer 20 km oostwaarts uit, voorbij de ligging van de oostelijke rand van het Lauwersmeergebied. Figuur 3.20 geeft het verschil in verspreiding tussen de simulatie met 100 m 3 /s op de Waddenzee en dezelfde hoeveelheid op het Lauwersmeer met volledig open spuisluizen. Indien op het Lauwersmeer wordt geloosd, zal tijdens de vloed geen water naar buiten stromen. Het gedurende de vloedperiode geloosde debiet stroomt dan tijdens de ebperiode naar buiten. Netto stroomt er echter nog steeds 100 m 3 /s zoet water naar buiten. Er zijn duidelijk drie gebieden te onderscheiden: Oostelijk van het Lauwersmeer: doordat er tijdens de vloed geen zoet water naar buiten stroom, wordt er door de vloedstroom op de Waddenzee meer zout water naar het oosten getransporteerd. Westelijk van het Lauwersmeer: doordat er tijdens de eb extra zoet water naar buiten stroomt en dit door de ebstroom naar het westen stroomt, neemt daar de saliniteit af. file: A1618R2r3.doc 11 van 23

20 3D-modellering Lauwersmeer mei 2006 Net buiten de spuisluizen: doordat het zoute water in het Lauwersmeer doordringt is de zoutgradiënt naar het Lauwersmeer verplaatst, waardoor de saliniteit direct voor de spuisluizen toeneemt Randvoorwaarden sluizen en gemalen De randvoorwaarden voor de in het gebied liggende sluizen en gemalen zijn afgeleid uit meetgegevens die door de opdrachtgever beschikbaar zijn gesteld (zie ook paragraaf 2.3). Voor de in deze paragraaf genoemde constructies gelden de volgende jaargemiddelde waarden: sluis Electra / Zoutkamp 17,5 m 3 /s sluis Dokkumer Nieuwe Zijlen 21,0 m 3 /s gemaal Dongerdeel 1,4 m 3 /s gemaal Ezumazijl 0,1 m 3 /s (niet meegenomen in WAQUA-model) Totaal komt dit uit op 41 m 3 /s. Het jaargemiddelde lozingsdebiet van spuisluis Lauwersoog bedraagt 44 m 3 /s. Er zijn vele verklaringen mogelijk voor dit verschil. Het kan het gevolg zijn van neerslag of verdamping, van meetonnauwkeurigheden of van een niet volledig juiste bepaling van de afvoercoëfficiënten van de spuisluis. Soortgelijke fouten worden gevonden bij vele andere balansen (b.v. Amsterdam Rijnkanaal, Noordzeekanaal en IJsselmeer Vecht en IJsseldelta). Het water wat het Lauwersmeer instroomt via de sluizen en gemalen wordt zoet veronderstelt, dus een zoutconcentratie van 0,3 kg/m Windcondities In deze verkennende studie zijn voor de simulaties met het Kuststrookmodel (t.b.v het genereren van randvoorwaarden) ruimtelijk variërende HIRLAM wind- en drukvelden opgelegd. Voor het Lauwersmeermodel is gekeken hoe groot het effect van het wel of niet meenemen is. In figuur 3.21 is de tijdserie van de wind in station Lauwersoog weergegeven. Voor de periode 18 tot 25 augustus is te zien dat de wind nauwelijks boven de 8 m/s uitkomt (Beaufort 4). Dit betekent dat het getij in de geselecteerde periode vrijwel overeenkomt met een astronomisch getij. In figuren 3.9 tot en met 3.11 is het effect op de waterstanden van het wel of niet meenemen van de wind voor het Lauwersmeermodel bekeken. De simulatie zonder wind gaf betere waterstanden in de drie meetstations in de waddenzee. In deze studie is alleen gekeken naar het effect van de wind op de Waddenzee en niet op de stroming en zoutverspreiding in het Lauwersmeer. In een vervolgfase dient het effect van wind verder onderzocht te worden, bijvoorbeeld voor de verspreiding van het zout op het Lauwersmeer. file: A1618R2r3.doc 12 van 23

21 3D-modellering Lauwersmeer mei Testsimulaties in 2D 4.1 Doel van de 2D-testsimulaties De testsimulaties dienen verschillende doelen. In eerste instantie moet het WAQUAmodel van het Lauwersmeer 'aan de praat' worden gekregen met randvoorwaarden uit het Kuststrook-model. Vervolgens kunnen de 2D-simulaties worden gebruikt om relatief snel een gevoel te krijgen van de mogelijkheden voor getij in het Lauwersmeer, zoals: Wat zijn de consequenties van het volledig openen van de spuisluis Lauwersoog? Komt het water wel op de hogere delen? Hoe snel en hoe ver is de zoutindringing? En wat zijn de gevolgen van een specifiek spuibeheer waarbij de spuisluis Lauwersoog slechts een deel van de tijd geopend is? Ervaringen met WAQUA modellen van de Waddenzee hebben aangetoond dat het lozen door spuisluizen goed kan worden nagebootst door het definieren van barrierelementen. Voor een validatie met geopende spuimiddelen zijn uiteraard geen metingen beschikbaar en zullen voorlopig ook niet beschikbaar komen. De betrouwbaarheid van het model voor een getij -situatie zal zonder metingen niet kunnen worden aangetoond. Een factor die hier een rol inspeelt is de afvoercoëfficiënt bij vulling van buiten naar binnen. De spuisluizen zijn waarschijnlijk gebouwd op een zo optimaal mogelijke lozing van binnen naar buiten. Daarom is bij gebruik van de huidige spuimiddelen van buiten naar binnen naar verwachting een veel lager rendement te verwachten. 4.2 Simulatie met volledig geopend spuimiddel Spuibeheer In deze simulatie staan alle schuiven van het spuimiddel Lauwersoog volledig open. Dit betekent dat er tot 2000 m 3 /s uitwisseling is tussen het Lauwersmeer en de Waddenzee Initiële condities Het uitgangspunt van deze simulatie is (onder ander) het visualiseren van de zoutindringing. Om dit goed zichtbaar te maken wordt het Lauwersmeer volledig zoet verondersteld. Hierdoor is met deze simulatie het binnendringen van het zout goed te volgen. Verder is de waterstand in het Lauwersmeer initieel -0,93 m+nap. Omdat de initiële waterstand op de Waddenzee hoger ligt (0 m+nap) zal het zoute water direct het gebied instromen. Deze keuze is arbitrair. Ook had bij laag water kunnen worden begonnen. De diffusiecoëfficiënt is voor deze simulatie op 30 gezet. Dat is een niet ongebruikelijke waarde voor een 2D simulatie van een goed gemengd systeem. In het verleden hebben soortgelijke simulaties met de spuimiddelen in de Afsluitdijk aangetoond dat dit een juiste keuze is, die zorgt voor een redelijke overeenkomst met een 3D simulatie. Overigens is uiteraard de gelaagdheid en het zouteffect met een 2D simulatie nooit juist na te bootsen. file: A1618R2r3.doc 13 van 23

22 3D-modellering Lauwersmeer mei Randvoorwaarden De randvoorwaarden voor deze simulatie staan beschreven in het vorige hoofdstuk. Voor het Lauwersmeer model zijn geen HIRLAM wind- en drukvelden opgelegd, zodat de verspreiding niet door wind wordt beïnvloed. Doordat de ruimtelijk en in de tijd variërende wind wel in het Kuststrook is meegenomen, is het effect van de wind wel in de randvoorwaarden meegenomen Resultaten Bij een volledig geopende spuisluis ontstaat een beperkte vorm van getij in het Lauwersmeer. Tussen eb en vloed zit een verschil van circa 0,6 meter. Figuur 4.2 toont het getijde in het Lauwersmeer ter plaatse van de vier controlepunten uit figuur 4.1. Duidelijk zichtbaar is dat de waterstand in het Lauwersmeer nauwelijks onder 0,0 m+nap komt. De maximale waterstand in het gebied bedraagt circa 0,70 m+nap. Ter illustratie is ook een tijdreeks van het getij in de Waddenzee opgenomen. Zichtbaar is dat het getij bereik op de Waddenzee tussen de 1,5 en 2,5 meter bedraagt. (doodtij springtij). Uiteraard zal de gemiddelde waterstand op het Lauwersmeer hoger liggen dan de gemiddelde waterstand op de Waddenzee. Dat is een logische gevolg van de weerstand die de spuisluizen vormen bij het naar binnen en naar buiten laten van water en anderzijds de zoete afvoer die er vanuit de verschillende gemalen op het gebied wordt geloosd. Uiteraard zijn dit allen berekende waarden. Er bestaan immers geen meetwaarden voor de situatie met geopende sluizen. De positie geul Waddenzee is een positie voor de spuisluizen op de Waddenzee. In deze situatie komt het zoute water ook op de hoogst gelegen gebieden. In figuur 4.2 is te zien dat er weinig variatie in de waterstand op het Lauwermeer is. De maximale waterstand die bereikt wordt is ongeveer m NAP. Op een aantal gebieden langs de randen van het Lauwersmeer na is het gehele gebied dan gevuld. Ook het gebied van de Marnewaard is dan overstroomd. De zoutindringing gaat in deze situatie zeer snel. Na circa 10 dagen is het Lauwersmeer vrijwel volledig verzilt en zijn ook het Reitdiep en het Dokkumerdiep niet meer volledig zoet. Figuur 4.3 geeft een tijdserie van het verloop van de zoutconcentratie op een aantal punten in het Lauwersmeer. Figuur 4.4 tot en met 4.9 laten de zoutconcentratie verdeling in het horizontale vlak zien, vanaf T = 0 dagen tot en met T = 15 dagen. Goed zichtbaar is dat er na zo'n 10 dagen weinig veranderingen meer optreden. Het model lijkt na 10 dagen goed te zijn ingespeeld. Dit komt overeen met de verwachtingen, het kost relatief weinig tijd het zout te laten inspelen. Het volume zout water dat tijdens een getij in en uitstroomt, is vele malen groter dan de zoete aanvoer vanuit het Reitdiep en het Dokkumerdiep (samen 41 m 3 /s). Bij een volledig geopende spuisluis Lauwersoog ontstaan ter plaatse van de spuisluis hoge debieten en stroomsnelheden. Een negatief debiet is naar buiten gericht. Figuur 4.10 toont de tijdreeks van het debiet door de spuisluis tijdens de simulatie. Zichtbaar is dat de maximale afvoer circa 2000 m 3 /s bedraagt. Dit komt goed overeen met het (theoretisch) maximaal mogelijke debiet door de spuisluis, op basis van de doorsneden file: A1618R2r3.doc 14 van 23

23 3D-modellering Lauwersmeer mei 2006 van de spuimiddelen, de afvoercoëfficiënten en het waterstandsverschil. Figuur 4.11 en 4.12 tonen voor maximale in- en uitstroom de snelheden bij de spuisluis. De berekende snelheden bedragen circa 4,0 m/s. 4.3 Simulatie met gecontroleerd peilbeheer op Lauwersmeer Spui beheer Doel van deze simulatie is het toelaten van het getij op het Lauwersmeer waarbij de maximale waterstanden in het gebied circa 0,0 m+nap mogen bedragen. Het is niet de bedoeling dat er een afgetopt getijde ontstaat waarbij het spuimiddel volledig sluit zodra de waterstand in het Lauwersmeer 0,0 m+nap is en vervolgens voor een periode van enkele uren gesloten blijft. Het getij moet een zo natuurlijk mogelijk verloop hebben, met een maximale waterstand van circa 0,0 m+nap en een getijvormig verloop van de waterstanden in de tijd. Om dit gewenste verloop te krijgen is de sturing in een aantal iteratieslagen zo aangepast dat een zo natuurlijk mogelijk verloop wordt bereikt. Het stuwbeheer uit tabel 4.1 is uiteindelijk in de definitieve simulaties opgelegd. In werkelijkheid zijn er veel meer mogelijkheden om de spuisluizen te sturen, immers er zijn 12 spuisluizen in het complex aanwezig die onafhankelijk van elkaar kunnen worden aangestuurd. In het model zijn er echter slechts twee spuimiddelen geschematiseerd Initiële condities In deze simulatie is de getijbeweging belangrijker dan het binnendringen van het zout. Voor het zout zal na verloop van tijd een evenwichtstoestand ontstaan, waarbij er een evenwicht ontstaat tussen het zoete water uit de gemalen en sluizen en het binnenkomende zoute water uit de Waddenzee. Als initiële condities voor deze simulatie is dan ook een moment gekozen uit de simulatie van paragraaf 4.2, dat qua getij overeenstemt met het begin van de randvoorwaardenreeks. Met de waterstanden, snelheden en zoutverdeling van dit moment is de simulatie met gecontroleerd peilbeheer begonnen. Hierbij is dus de Marnewaard in de simulatie met volledig open sluizen al ondergelopen en brak, terwijl in deze simulatie met een maximale waterstand van 0,0 m NAP dit gebied niet onder zou lopen. Aangezien er verder ook geen wind is opgelegd, zal de Marnewaard een uniforme saliniteit krijgen Randvoorwaarden De randvoorwaarden op de Waddenzee zijn voor deze simulatie hetzelfde gehouden als voor de eerdere simulatie. Deze staan beschreven in paragraaf Resultaten Met het spuibeheer zoals beschreven in tabel 4.1 ontstaat een getijvorm in het Lauwersmeer die voldoet aan de gestelde eisen. Figuur 4.13 toont het getij in het Lauwersmeer ter plaatse van de controlepunten uit figuur 4.1. In deze situatie komt de waterstand niet boven 0,00 m+nap. Dit betekent dat de hoger gelegen gebieden niet overstroomd zullen raken. Het getij bereik is afgenomen tot circa file: A1618R2r3.doc 15 van 23

24 3D-modellering Lauwersmeer mei ,4 m. In de situatie met een volledig geopend spui Lauwersoog was het getij bereik iets meer dan 0,6 m. Ten opzichte van het initiële zoutveld (doorstart op vorige simulatie) wordt een nieuwe evenwichtswaarde bereikt, zie figuur Dit initiele zoutveld benadert het evenwichtsveld voor volledig geopende spuisluizen. Door het getij ontstaat een beeld van variërende saliniteitsconcentraties die met het getij zoeter en zouter worden. De belangrijkste factoren hierin zijn het getij bereik (springtij doodtij) en het zoutgehalte buiten en de zoete lozingen binnen. Opvallend is dat t.o.v. de situatie met volledig geopende spuien er slechts kleine veranderingen optreden. Een aantal locaties (met name ter plaatse van de sluizen en gemalen) wordt wat zoeter. Daarentegen zijn er ook locaties (bijvoorbeeld Robbengat) waar het water nog beduidend zouter wordt. Op deze locaties was er blijkbaar nog geen evenwichtstoestand bereikt. Uiteraard is er sprake van een dynamisch evenwicht met voortdurend veranderende zout zoet verhoudingen. Om een goede uitspraak hierover te kunnen doen zijn een aantal 3D simulaties nodig, omdat deze een juist beeld geven van de gelaagdheid en de zout-zoet verhoudingen onder wisselende omstandigheden. Deze 3D simulatie zal in het volgende hoofdstuk worden besproken. Het beperken van de getij op het Lauwersmeer zorgt ook voor een gematigder stroombeeld. Waar in de situatie met volledig geopende sluizen de snelheden nog tegen de 4,0 m/s bedroegen, is de maximale snelheid nu circa 3,0 m/s. De maximale snelheden lijken ook meer op te treden in de uitstromende situatie dan bij het instromen (zie figuur 4.15 en 4.16). Bij de instroom is ook te zien dat inmiddels één barrier al dicht is. Door de kleinere getijslag neemt vanzelfsprekend ook de afvoer door de spuisluis af. In figuur 4.17 is zichtbaar dat de maximale afvoer nu nog circa 1000 m 3 /s bedraagt, een halvering t.o.v. de situatie met een volledig geopende spui. file: A1618R2r3.doc 16 van 23

25 3D-modellering Lauwersmeer mei Simulaties in 3D 5.1 Inleiding In de verkennende studie die is uitgevoerd door HKV (Termes, 2005) werd aangegeven dat het zeer wel mogelijk zou zijn dat er een horizontale scheiding zou ontstaan tussen het zoute en het zoete water. Het zoute water zou zich concentreren in onderste lagen van de diepe geulen (vaarwater naar Oostmahorn, Robbengat, Slenk etc.) en het zoete water zou zich in de ondiepere geulen en boven het zoute water concentreren. Een belangrijk randvoorwaarde in (Termes, 2005) was wel dat de waterstand in het Lauwersmeer niet boven de 0,5 m+nap zou mogen uitkomen. Met deze randvoorwaarde is slechts zeer beperkt getij (en dus een zeer beperkte uitwisseling) in het Lauwersmeer mogelijk. De resultaten van de simulaties uit paragrafen 4.2 en 4.3 zijn vergeleken met de uitgangspunten van (Termes, 2005) in tabel 5.1. Om na te gaan in hoeverre het getij uit paragraaf 4.3 nog zou kunnen zorgen voor een betere menging van zout en zoet water is het Lauwersmeermodel met meerdere lagen doorgerekend. Met dit model is vervolgens de simulatie uit paragraaf 4.3 herhaald om na te gaan wat de verticale verdeling van het zout zou kunnen worden. Er is slechts gekeken naar hoe de gelaagdheid zich uiteindelijk ontwikkeld, niet naar de indringing direct nadat de spuisluizen voor de eerste keer zout water inlaten. Zout in 3D modellen gedraagt zich anders dan zout in 2D modellen. Zout is zwaarder dan zoet en heeft daardoor de neiging zich dichter bij de bodem te bevinden dan zoet. Nabij de spuisluizen waar het zout binnenkomt zal veel turbulentie aanwezig zijn. Deze turbulentie zorgt voor een goede verticale menging van het zoute en het zoete water direct achter de sluizen. Naar verwachting zal zich in de diepere geulen een geringe stratificatie ontwikkelen die zorgt voor een zoutere onderlaag en een zoetere bovenlaag. Nabij de zoetwaterlozingen is wel een stratificatie te verwachten, aangezien daar het zoete water in een brakke omgeving stroomt. 5.2 Verschillen tussen het 2D- en 3D-model Het 2D-model uit paragraaf 4.2 is de basis voor het 3D-model. Op een aantal punten zijn echter wijzigingen aangebracht. Hieronder worden deze wijzigingen kort opgesomd Verticale verdeling In het 3D-model moet een verticale verdeling van de sigma-lagen worden opgegeven. In overleg met de opdrachtgever is gekozen voor 10 lagen in het gehele model. 10 lagen is voldoende om een redelijk beeld te krijgen van de verticale verdeling. Meer lagen geeft een beter beeld maar maakt dat de rekentijd (nu enkele dagen bij een parallelle simulatie op twee procesoren) langer wordt. Voor de verdeling van de lagen in de verticale richting is gekozen voor een logaritmische verdeling met fijne cellen aan de bodem en grove cellen aan het oppervlak. De percentages van de lokale waterdiepte voor elke laag is vermeld in tabel 5.2. file: A1618R2r3.doc 17 van 23

26 3D-modellering Lauwersmeer mei Diffusiecoëfficient In het 2D-model is in een diffusiecoëfficient van 30 gebruikt voor het zout. Deze waarde was gebaseerd op ervaringen met eerdere simulaties uit het IJsselmeer model. Deze waarde is in eerste instantie abusievelijk ook gebruikt in het 3D-model. Dit bleek een onrealistisch glad beeld van de verdeling van het zout te geven. Vervolgens is in overleg met de opdrachtgever besloten de diffusiecoëfficent op 1 te zetten. Van deze simulatie worden de resultaten gepresenteerd. De anti-creep is niet aangezet. In de gebruikte SIMONA exportversie 2004_01 is de mogelijkheid meegenomen om deze optie aan of uit te zetten. In eerdere exportversies werd anti-creep standaard meegenomen. In export 2004_01 is er echter voor gekozen om standaard anti-creep niet mee te nemen. De gebruiker moet in de invoer expliciet aangeven dat het moet worden meegenomen door de regel ANTICREEP= on in de invoer op te geven. Indien anti-creep wordt meegenomen, wordt de horizontale diffusie bepaald met behulp van een interpolatie met de omliggende cellen op een vast niveau, in plaats van langs sigma-cellen. Dit geeft grote verschillen indien er grote bodemgradiënten en grote verticale zoutgradiënten in het model aanwezig zijn. In het model zijn zeker grote bodemgradiënten aanwezig, zeker langs de diepe geulen en ten tijde van het binnendringen van het eerste zout zullen ook de verticale zoutgradiënten groot zijn. Het effect van deze parameter zal in de vervolgstudie verder onderzocht worden Tijdstap In het 2D-model is een tijdstap van 0,5 minuut gebruikt. Deze waarde is in eerste instantie ook gebruikt in het 3D-model maar dit bleek in sommige simulaties te leiden tot instabiele simulaties. Daarom is de tijdstap in de definitieve simulatie verlaagd naar 0,25 minuut. 5.3 Simulatie met gecontroleerd peilbeheer op Lauwersmeer Spuibeheer Het spuibeheer is overeenkomstig het spuibeheer zoals beschreven in paragraaf Initiële condities Als initiële conditie is gebruik gemaakt van het resultaat (waterstanden, snelheden en zoutconcentraties) van de 2D-simulaties. Deze resultaten zijn voor ieder van de 10 lagen gebruikt. Na de eerste simulatie (met de diffusiecoëfficient van 30) is de tweede simulatie (met de diffusiecoëfficient van 1) herhaald met het eindresultaat van de eerste simulatie als startpunt Randvoorwaarden De randvoorwaarden voor deze simulatie zijn gelijk aan die voor de 2D-simulatie en staan beschreven in paragraaf 3.2. file: A1618R2r3.doc 18 van 23

27 3D-modellering Lauwersmeer mei Resultaten Figuur 5.1 laat de tijdreeksen zien van de waterstanden in vier controlepunten. Zichtbaar is dat de waterstanden niet boven 0,00 m+nap uitkomen. Wel liggen de laagste waterstanden iets lager dan in de 2D-simulatie. Verder is opvallend dat op de Waddenzee de waterstanden in de 3D-simulatie een iets grotere getijslag kennen dan in de 2D-simulatie (zie de tijdreeks van geul Waddenzee 2D in figuur 5.1 in vergelijking met figuur 4.13). Dit behoeft enig nader onderzoek. Het is mogelijk het gevolg van de zoute initialisatie in het 3D model. Figuur 5.2 toont de afvoeren door het spuimiddel Lauwersoog voor zowel de 2D- als de 3D-simulatie. In de 3D-simulatie zijn de debieten duidelijk groter dan voor de 2Dsimulatie, tot wel 200 m 3 /s. Dit zou een logisch gevolg kunnen zijn van de grotere getijslag op de Waddenzee, waardoor de verhangen over de spuisluis ook groter zijn. Of dit ook echt het geval is, of dat dit ligt aan de verschillen die er nu eenmaal zijn tussen WAQUA (2D) en TRIWAQ (3D), zal in een vervolgstudie nader onderzocht moeten worden. De tijdseries van de saliniteit in de uitvoerstations (figuur 5.3) laten zien dat na 15 dagen al een redelijke evenwichtssituatie is ontstaan. Duidelijk zichtbaar is het verschil tussen de zoutconcentratie aan de oppervlakte en de bodem in het Lauwersmeer. De concentratie aan de bodem is enkele PSU-punten hoger dan aan het oppervlak. Vooral in station Slenk_3 is er een duidelijke verticale gradiënt zichtbaar. Een vergelijking met figuur 4.14 laat zien dat de saliniteit in het Lauwersmeer in de evenwichtssituatie in de 3D-simulatie hoger is dan in de 2D-simulatie. Dit zou een aanwijzing kunnen zijn dat de diffusieparameter in de 2D-simulaties te klein is genomen. In tabel 5.3 zijn voor de laatste dag de maximale en minimale saliniteiten aan de bodem en bij het oppervlak voor de vier stations in tabelvorm weergegeven. De zoutconcentratie verdeling aan het oppervlak en bij de bodem zijn weergegeven in respectievelijk figuur 5.4 en 5.5. De weergegeven velden zijn genomen op het laatste tijdstip van de simulatie. Langs de geul Vaarwater Oostma Slenk is bij de bodem een duidelijke zouttong te zien. Grote horizontale gradiënten zijn zoals verwacht zichtbaar nabij de inlaatpunten Zoutkamp, Dokkumer Nieuwe Zijlen en de gemalen Dongeradielen en Nieuw Robbengat. De Marnewaard is brak doordat is doorgestart van een simulatie met volledig open sluizen en het gebied aan het begin van de simulatie al water en zout bevat. file: A1618R2r3.doc 19 van 23

28 3D-modellering Lauwersmeer mei Conclusies en aanbevelingen 6.1 Conclusies Het Kuststrook model dat voor de randvoorwaardenvoorziening voor het Lauwersmeer model is gebruikt is een goed gekalibreerd en gevalideerd model. Ook in de buurt van het Lauwersmeer levert het Kuststrook model redelijk goede resultaten. De resultaten kunnen nog wel verbeteren door gebruik te maken van met Kalman-filtering gegenereerde randvoorwaarden. Het Lauwersmeer model gedraagt zich zoals mag worden verwacht. Het model is gedraaid zowel met als zonder HIRLAM wind- en drukvelden terwijl het Kuststrook model met deze ruimtelijk en in tijd variërende wind- en drukvelden heeft gerekend. Hierdoor is het grootschalige effect van de wind in elk geval in de randvoorwaarden van het Lauwersmeer model meegenomen. In de uiteindelijke simulaties voor het Lauwersmeer is de wind niet meegenomen. Op deze manier verstoort de wind ook niet de verspreiding van het zoute water op het Lauwersmeer en worden er in feite astronomische condities doorgerekend. Aangezien de windsnelheden in de betreffende periode gering zijn, wordt er hierdoor geen grote fout geïntroduceerd, zoals een vergelijking van een simulatie met en zonder wind ook laat zien. De simulatie van het gedrag van de spuisluizen nabij Lauwersoog bij een gehele of gedeeltelijke opening van de spuisluizen is in het Lauwersmeer model goed mogelijk. De sturing van de barriers is zodanig te regelen dat een gecontroleerd peilbeheer mogelijk is. De wens om het zout hoog op de droogvallende platen in het Lauwersmeer te krijgen is strijdig met de natuurlijke eigenschap dat zout water zwaarder is dan zoet water. In combinatie met wind is echter een goed gemengd systeem te verwachten, waardoor ook op de platen zout water mogelijk is. Bij een volledig geopend spuimiddel worden maximale waterstanden van circa 0,7 m+nap in het Lauwersmeer bereikt, voldoende voor het overstromen van de meeste hoger gelegen gebieden. Uit de simulaties met het 3D-model blijkt dat het zoute water meer onder in de geulen blijft hangen. Dit komt overeen met de verwachtingen (zie Termes, 2005). 6.2 Aanbevelingen Op basis van de hier uitgevoerde studie (met vooral een verkennend karakter), kunnen de volgende aanbevelingen worden gedaan om het model verder te optimaliseren: Het verdient aanbeveling te zorgen voor een recente bodem van het Lauwersmeer. Voor de Waddenzee bodem zijn redelijk recente gegevens gebruikt (1999) voor het Lauwersmeer zijn geen recente gegevens beschikbaar. Er is gebruik gemaakt van kaarten uit 1967, 1968 en 1982 t/m Een uitzondering hierop wordt gevormd door de gebieden die zich boven water bevinden, en waarvoor het AHN (Actueel Hoogtebestand Nederland) is gebruikt. Het is echter voor het simuleren van de wateren zoutbeweging in 3D op het Lauwersmeer ook van belang de diepten met meer detail te kennen. file: A1618R2r3.doc 20 van 23

29 3D-modellering Lauwersmeer mei 2006 Om een betere weergave van het spuimiddel Lauwersoog te krijgen zou overwogen kunnen worden om de schematisatie van het Lauwersmeermodel aan te passen zodat het spuimiddel door drie WAQUA-cellen wordt beschreven i.p.v. twee WAQUA-cellen. Denkbaar is ook dat er hier on line nesting wordt toegepast met een zeer gedetailleerd model rond de spuisluizen, waarbij elke spuisluis kan worden meegenomen. Het is echter de vraag of dit meerwaarde heeft gezien de onnauwkeurigheden die in veel andere onderdelen van de simulatie aanwezig zijn. Zo is bijvoorbeeld het gedrag van het spuimiddel bij instroming niet bekend. Om dit gedrag beter te weten te komen, zijn metingen noodzakelijk. Hierbij moet ook opgemerkt worden dat de modellering van de barrier-elementen in WAQUA geschikt is om debieten te berekenen aan de hand van waterstandsverschillen en niet om gedetailleerde stromingen in de spuisluizen te simuleren. Er is afgezien van het gebruik van zowel horizontale als verticale domein decompositie. Het toepassen van domeindecompositie in de horizontaal dan wel in de vertikaal lijkt in dit geval weinig meerwaarde te hebben. Voor verticale domeindecompositie zou het gedeelte van het model met minder lagen beperkt blijven tot een klein deel van de Noordzee en Waddenzee. Dan is uit het oogpunt van rekentijd weinig winst te behalen. Voor horizontale domein decompositie is de modellering van het effect van spuisluizen niet dermate nauwkeurig dat een fijner model rond de spuisluizen betere resultaten geeft. Ook zou dit fijnere model met een kleinere tijdstap moeten worden doorgerekend en diezelfde tijdstap moet in het hele model worden meegenomen. Daardoor neemt de rekentijd fors toe. Het Lauwersmeer model is niet voldoende groot om op de randen van het model geen effecten te merken van het wel of niet openstellen van het Lauwersmeer voor getijwerking. Een simulatie met het Kuststrookmodel met en zonder een kombergingsgebied dat representatief moet zijn voor het Lauwersmeer laat duidelijke verschillen zien langs de rand van het Lauwersmeermodel. Eén oplossing is het uitbreiden van het Lauwersmeermodel, maar om de rekentijd niet te laten toenemen is het ook mogelijk om zoutrandvoorwaarden te baseren op Kuststrooksimulaties waarin de ingreep is meegenomen in de modellering. Het verdient aanbeveling het effect te bepalen van gecontroleerd getij beheer (tot - 0,5 of -0,9 m+nap) in combinatie met 1 of 2 perioden sluizen maximaal geopend. Hiermee wordt bedoeld dat het mogelijk zou zijn om bijvoorbeeld 1 of 2 maal in de maand een volledige opening van de sluizen over het gehele getij toe te staan (bijvoorbeeld tijdens springtij). Tijdens de rest van de maand zou dan het gecontroleerde getij kunnen worden toegelaten. Op die wijze kan het zout mogelijk tot hoger op de platen komen. Het verdient aanbeveling te kijken naar simulaties van situaties waarbij er weinig of juist veel zoet water wordt geloosd vanuit de gemalen bij Electra en bij Dokkumer Nieuwe Zijlen. Hiermee zou een beter beeld van de variatie van de zoet-zout gradiënt in het Lauwersmeer worden verkregen. In deze simulaties zijn slechts gemiddelde afvoeren gemodelleerd. Overigens zal bij het toelaten van het getij op het Lauwersmeer nog slechts bij lage waterstanden onder natuurlijk verval kunnen worden geloosd. Mogelijk moeten er dus gemalen worden aangelegd. In de simulaties tot nu toe heeft de anti-creep optie uitgestaan. Voor de gevoeligheid in het 3D-model is het aanbevelingswaardig te kijken naar het effect hiervan. De anticreep optie is bedoeld om de mengende effecten van de sigma lagen benadering bij file: A1618R2r3.doc 21 van 23

30 3D-modellering Lauwersmeer mei 2006 sterk hellende bodems tegen te gaan. Gezien de grote bodemgradiënten is het zeker goed om dit verder uit te zoeken. Op het moment van het binnendringen van het eerste zoute water zal deze optie een grote rol spelen. De resultaten van de vergelijking van waterstanden tussen metingen en berekeningen (zowel Kuststrook- als Lauwersmeermodel) laat zien dat er nog wel grote verschillen optreden tussen metingen en berekeningen. Zeker de laag waters worden niet juist gemodelleerd. De laag waters bepalen juist de hoeveelheid water die gespuid kan worden. Het zou beter zijn om randvoorwaarden voor het Kuststrookmodel met behulp van Kalman-filtering te optimaliseren. De vergelijkingen tussen de resultaten van de 2D- en 3D-simulaties laten duidelijke verschillen zien in waterstand, debiet door de spuisluizen en evenwichtssaliniteiten. In de vervolgopdracht zal verder bekeken moeten worden of hier een verschil in modelinvoer aan ten grondslag ligt, of dat dit komt door de verschillen tussen WAQUA en TRIWAQ. In deze studie waren nog geen ruwheidskaarten beschikbaar. Deze kunnen in een vervolg in de schematisatie meegenomen worden. De invloed van de wind op de verspreiding kan verder uitgezocht worden. De verwachting is dat door het effect van de wind een goede verticale menging zal plaatsvinden. Onderzocht kan worden of voor verschillende windcondities het doel, zout op de ondiepe gebieden, beter haalbaar is dan als weinig wind is. Indien het gewenst is om het model ook intensief te gaan gebruiken voor simulaties met het huidige spuibeheer (streefpeil 0,93 m+nap), verdient het aanbeveling het rooster verder te verfijnen. De geulen zijn nu met slechts 1 of 2 rekencellen geschematiseerd. Voor een goede representatie van de snelheden is meer cellen wel gewenst. Voor simulaties waarbij er getij in het Lauwersmeer is, zou dit ook nog wel een rol kunnen spelen in de initiële verspreiding van zout direct na het inlaten van zout water door de spuisluizen. file: A1618R2r3.doc 22 van 23

31 3D-modellering Lauwersmeer mei 2006 Referenties Termes, A.P.P. en Eysink, W.D., 2005 Watervisie Lauwersmeer, Quick Scan Estuarien, HKV lijn in water, juli Staatsbosbeheer, It Fryske Gea, Friese Milieu Federatie, Milieufederatie Drenthe, Milieufederatie Groningen, Natuurmonumenten, Waddenvereniging, 2005, Uitwerking van de visie, Stroomlijnen, Gedempt getij in het Lauwersmeer, nieuwe afvoerroutes naar de kust, G. Wintermans en J. Vegter, Oktober 2005 Alkyon, 2001, Herstel 1 : 3 koppeling binnen modellentrein, Fase 1, Roostergeneratie, A705, April Alkyon, 2001, Herstel 1 : 3 koppeling binnen modellentrein, Fase 2, Modelbouw en afregeling, A705, Oktober file: A1618R2r3.doc 23 van 23

32 begin eind eenheid aantal X Y Debieten Spuisluis Lauwersoog 1/1/88 31/12/2004 m 3 /getij Gemaal Nieuwe Robbengat 1/10/97 30/12/2004 m 3 /d Gemaal Dongeradielen 8/12/97 31/12/2001 m 3 /d Dokkumer Nieuwe Zijlen 1/1/95 31/12/2004 m 3 /s Zoutkamp - Friese Sluis 1/1/95 31/12/2004 m 3 /s Zoutkamp - Electraboezem 1/10/92 30/12/2004 m 3 /d 2217* Wind Lauwersoog 1/1/97 1/8/04 m/s Saliniteit Zuid Oost Lauwers oost 5/2/97 10/11/05 PSU Zoutkamperlaag 31/1/ /11/05 PSU Zoutkamperlaag zeegat 31/1/ /11/05 PSU Dantziggat 30/1/ /11/05 PSU Waterstand Wierumergronden 1/1/97 19/12/2005 m NAP West-Terschelling 1/1/97 19/12/2005 m NAP Terschelling Noordzee 1/1/97 19/12/2005 m NAP Schiermonnikoog 1/1/97 19/12/2005 m NAP Nes 1/1/97 19/12/2005 m NAP Lauwersoog 1/1/97 19/12/2005 m NAP Holwerd 1/1/97 19/12/2005 m NAP Dokkumer N. Zijlen schutsl. 1/1/95 31/12/2004 m NAP Dokkumer N. Zijlen spuisluis 1/1/95 31/12/2004 m NAP Zoutkamp - Friese Sluis 1/1/95 31/12/2004 m NAP * voor 50% van de periode zijn metingen beschikbaar Tabel 2.1: Beschikbare meetgegevens t.b.v. Lauwersmeer-studie

33 Saliniteit [PSU] minimum maximum gemiddelde st. afwijking Zuid Oost Lauwers oost Zoutkamperlaag Zoutkamperlaag zeegat Dantziggat Tabel 2.2: Saliniteitsmetingen nabij het Lauwersmeer op de Waddenzee Locatie Spuisluis Lauwersoog Gemaal Nieuwe Robbengat Gemaal Dongerdielen Dokkumer Nieuwe Zijlen Zoutkamp Friese Sluis Zoutkamp Electraboezem Waterbalans Lauwersmeer periode ,1998, 2002 m 3 /s m 3 /s m 3 /s m 3 /s m 3 /s m 3 /s m 3 /s januari februari maart april mei juni juli augustus september oktober november december gemiddelde Tabel 2.3: Maand- en jaargemiddelde debieten voor spuisluizen, sluizen en gemalen Lauwersmeer

34 Waterstand (m+nap) Waddenzee Lauwersmeer Spui 1 Spui 2 Opmerking waterstand binnen > waterstand buiten n.v.t. > Waddenzee Volledig open Volledig open In deze situatie moet er zoveel mogelijk gespuid worden waterstand buiten > waterstand binnen > Lauwersmeer < -0,5 Volledig open Volledig open > Lauwersmeer > -0,5 < -0,4 lineair Volledig open Spui 1 sluit tussen -0,5 en - 0,4 > Lauwersmeer > -0,4 < -0,15 Volledig dicht Volledig open > Lauwersmeer > -0,15 < -0,05 Volledig dicht lineair Spui 2 sluit tussen -0,15 en - 0,05 > Lauwersmeer > -0,05 Volledig dicht Volledig dicht Tabel 4.1: Spuibeheer Lauwersoog, maximale waterstand 0,0 m+nap in Lauwersmeer

35 Spui Lauwersoog Waterstanden in Lauwersmeer (m+nap) Getij bereik (m) Uitwisseling (m 3 /s) minimaal maximaal maximaal Open (4.2) -0,1 0,6 0, Beperkt (4.3) -0,5 0,0 0, HKV (Termes, 2005) -1,0-0,5 0,5 500 Tabel 5.1: Samenvatting 2D-simulaties Laag Dikte (%) 1 (oppervlak) (bodem) 2 Tabel 5.2: Verticale verdeling van het 3D-model station oppervlak bodem max min max min geul Waddenzee Vaarwater Oostma_ Dokkummer_diep_ Slenk_ Tabel 5.3 minimale en maximale saliniteiten bij het oppervlak en bodem

36 P:\A1618_Lauwersmeer-3D\Report\plots-ja\A1618fig-ja.xls Overzicht van het Lauwersmeergebied PROJECT 3D MODELLERING LAUWERSMEER A1618 Fig. 2.1