Wettelijk Toets Instrumentarium (WTI) Ferdinand Diermanse Deltares

Transcriptie

1 Wettelijk Toets Instrumentarium (WTI) Ferdinand Diermanse Deltares

2 Deltares Kennisinstituut op het gebied van water en geotechniek Ongeveer 800 werknemers Vestigingen in Utrecht en Delft (+ USA, Singapore, Jakarta) In 2008 ontstaan door fusie van o WL Delft Hydraulics hydraulica, morfologie, integraal waterbeheer o GeoDelft - geotechniek o Onderdeel TNO ondergrond en grondwater o Onderdelen Rijkswaterstaat - hydraulica, integraal waterbeheer, beleid 2

3 Deel I: achtergrond WTI

4 Lange historie van overstromingen in Nederland 4

5 Overstromingen Zuiderzee huidig 5

6 Overstronigen 1953 Zeeland/Zuid Holland Overstromingen 1836 slachtoffers 1800 km 2 overstroomd Deltaplan Afsluiten van estuaria en rivieren Definitie van veiligheidsnormen 6

7 Systeem van (primaire) waterkeringen Duinen Dijken Stormvloedkeringen The system is a closed ring 7 of several structures

8 Veiligheidsnormen primaire waterkeringen Sinds 1996: elke 5/6 jaar een APK keuring van de waterkeringen: De landelijke toetsing 8

9 Voorbeeld: resultaten tweede toetsronde : 19% 2001: 40% 2001: 41% HoogWaterBeschermingsProgramma 9

10 Landelijke toetsing waterkeringen Uit te voeren door de keringbeheerder (waterschappen, provincies) Rijkswaterstaat stelt Wettelijk Toetsinstrumentarium (WTI) beschikbaar WTI bestaat uit: o Toetsprocedure o Maatgevende hoogwatergebeurtenissen o Modellen voor faalmechanismen van keringen 10

11 Toetslagen van het WTI WTI 1. Relevantietoets/Eenvoudige toets eenvoudig conservatief 2. Gedetailleerde toets 3. Geavanceerde toets/toets op maat complex scherp 11

12 Ontwikkeling kennisbasis toetsing Sinds de 1 e Deltacommissie (1958) is veel fysische kennis en inzicht verworven. De grote stappen: Veiligheidsbenadering toets/ontwerp Overschrijdingskans waterstanden (1958) vuistregels Overbelastingskans waterkering (1996) Overstromingskans dijkring (2017) veilige rekenregels faalkansberekening 12

13 Advies 2000 TAW aan staatsecretaris Eerste vervolgstap: VNK 13

14 Advies TAW Verschil met bestaande manier van toetsen o Berekening per dijkring in plaats van per dijkvak o Bepalen van de faalkans in plaats van goedgekeurd of afgekeurd o Meer expliciet meewegen van kennisonzekerheden o Meer gelijkwaardige behandeling van faalmechanismen Gevolg: o betere prioriteitsstelling voor verbeteringswerken o beter inzicht in kennislacunes 14

15 Hydra-Ring Rekenroutines grotendeels gebaseerd op PC-Ring (VNK) Ivm PC-Ring meer gebruiksvriendelijk, robuust, efficient, nauwkeurig, beter gedocumenteerd, beter getest, meer flexibel/uitbreidbaar an makkelijker te onderhouden. Onderdeel van de toetssoftware Ringtoets 15

16 Ringtoets en Hydra-Ring 1. Relevantietoets/Eenvoudige toets Gedetailleerde toets Ringtoets Hydra-Ring 2a. per vak 2b. per Ring 3. Geavanceerde toets/toets op maat 16

17 Deel II WTI 2017 berekening van overstromingskansen

18 Computes failure probability of protected area (dike ring) Combining dikes, dunes, barriers and structures 18

19 Diverse faalmechanismen falen indien belasting > sterkte 19

20 Falen waterkering Z = R - S Z: grenstoestandsfunctie R: sterkte/weerstand kering (doorgaans deterministisch model) S: hydraulische belasting (doorgaans probabilistisch model) Z>0: sterkte>belasting geen falen Z<0: sterkte<belasting falen Z=0: sterkte=belasting grenstoestand 20

21 voorbeeld formulering faalmechanisme overloop Z = R - S = K - h K: kruinhoogte [m+nap] h: waterstand [m+nap] grenstoestand: waterstand = kruinhoogte falen: waterstand>kruinhoogte 21

22 voorbeeld: faalmechanisme golfoploop Z = K (h + h r ) K: kruinhoogte [m+nap] h: waterstand [m+nap] h r : golfoploop tov waterlijn [m] 22

23 Voorbeeld: faalmechanisme instabiliteit talud Z en R complexe functies, afhankelijk van: type bekleding (gras, steen, asfalt), dikte bekleding, dikte onderliggende laag, materiaal onderliggende laag ) 23

24 Belasting Load versus resistance Hydraulisch belastingmodel getij, wind, neerslag bedreiging waterstand golven Hydraulische belasting bij de kering Falen?? Sterktemodel 24

25 Oosterschelde Verschillende belastingmodellen Wadden Sea Westerschelde Sea and estuaries 25

26 Gevraagd Jaarlijkse faalkans van een dijkring (deel) 26

27 Falen kan optreden Op elke plek in de dijkring Op elk moment in het jaar Als gevolg van een scala aan faalmechanismen 27

28 Systeemanalyse: combineren van alle faalkansen overstroming Falen dijkvak 1 Falen dijkvak 2 Falen dijkvak 3 Piping instabiliteit Overslag t1 t2 t3 28

29 The major components of Hydra-Ring Hydraulisch belastingmodel Crude Monte Carlo FORM Numerical integration Directional sampling Importance sampling Probabilistiche rekentechnieken Systeem analyse Faalkans dijkring sterkte model Faalkans element 29

30 Faalkans van een enkel element - Monte Carlo falen geen falen 30

31 Faalkans van een enkel element - Numerieke Integratie failure no failure Z=R-S X 2 Z=0 x 2 x 1 X 1 31

32 Faalkans van een enkel element - FORM 32

33 Resumerend Numerieke integratie Crude Monte Carlo snelle Monte Carlo methoden o MC with importance sampling o Directional sampling First Order Reliability Method (FORM) 33

34 Systeemanalyse: combineren van alle faalkansen overstroming Falen dijkvak 1 Falen dijkvak 2 Falen dijkvak 3 Piping instabiliteit Overslag t1 t2 t3 34

35 Hydra-Ring: systeemanalyse met meerdere elementen Een element is: 1 doorsnede van een waterkering 1 faalmechanisme 1 basistijdstap (getijperiode) 35

36 Voorbeeld: parallel system of 2 elements 1 2 Falen gebeurt als alle elementen falen Als de elementen onafhankelijk zijn: P Fail = P F1 * P F2 36

37 Voorbeeld: serie systeem van twee elementen 1 2 Falen gebeurt als 1 of meer elementen falen Indien de elementen onafhankelijk zijn: P Fail = 1 (1-P F1 ) * (1-P F2 ) P F1 + P F2 als P F1 and P F2 zeer klein 37

38 Complexer als er sprake is van correlatie 1 2 P Fail = P F1 * P F2 F1 38

39 Correlatie in tiijd Zeewaterstand (getijperiode) Rivierafvoer (weken) Dijk-karakteristieken (jaren) 39

40 Correlatiie in de ruimte Belastingvariebelen zoals windsnelheid, rivierafvoer, zeewaterstand: vele kilometers Dijk-karakteristieken: typisch in de orde van enkele honderden meters 1 ( x) x d x x 40

41 Correlatie tussen belastingvariabelen 41

42 Gecombineerde faalkans met correlatie 1 2 P Fail = P F1 * P F2 F1 Correlatie tussen elementen wordt bepaald op basis van mate van overeenkomst van invloedsvariabelen 42

43 Afleiden correlaties tussen elementen 1 2 Variabele dijkvak 1 dijkvak 2 rivierafvoer 100% 100% zeewaterstand 0% 0% windsnelheid 0% 0% Dijkvakken 100% gecorrelleerd 43

44 Afleiden correlaties tussen elementen 1 2 Variabele dijkvak 1 dijkvak 2 rivierafvoer 100% 0% zeewaterstand 0% 100% windsnelheid 0% 0% Dijkvakken 0% gecorreleerd 44

45 Afleiden correlaties tussen elementen 1 2 Variabele dijkvak 1 dijkvak 2 rivierafvoer 80% 20% zeewaterstand 15% 30% windsnelheid 5% 50% Dijkvakken 77% gecorreleerd 0.8* * *

46 Tabellen met combinatieresultaten Sectie 1 Sectie 2 Sectie j Combinatie Mechanisme 1 P 11 P 12 P 1j P 1,ring Mechanisme 2 P 21 P 22 P 2j P 2,ring Mechanisme i P i1 P i2 P ij P i,ring Combinatie P mech,1 P mech,2 P mech,j P overstroming 46

47 Voorbeeld resultaat dijkring 47