Update en validatie van het windtransportmodel SCOPE/SAFE-1.0: Implementatie transportmodule met windmodule binnen het SCOPE-model

(1)

9.5

Opdrachtgever:

Dienst Weg- en Waterbouwkunde

in opdracht van TA W-C

Update en validatie van

het windtransportmodel

SCOPE/SAFE-1.0

Implementatie transportmodule

en koppeling met windmodule

binnen het scoPE-model

A118

md>ï\u'j,^iv

F' TSSl' , -^S-DteflstWfeg-ë*» < 4 » RndbqsStH: • TeLOlS-2518

r

Alkyon

(2)

cjs-toóo

opne.nn.in

Driori i et

Opdrachtgever

RWS / Dienst Weg- en Waterbouwkunde

in opdracht van Werkgroep C van de

Technische Adviescommissie voor de

Waterkeringen

Titel

Update en validatie van het

wind-transportmodel SCOPE/SAFE

Implementatie transportmodule en

koppeling met windmodel binnen het

SCOPE-model

Samenvatting

•

ibliclheek en doojrnsnt

V ' ie!. 015 - 251S 36 j/364

Als stap op weg naar het beschikbaar maken van een gedragsmodel waarmee op een relatief eenvoudige wijze het effect van beheersmaatregelen

inzichtelijk kan worden gemaakt, is in dit onderzoek aandacht besteed aan het verbeteren en valideren van een rekenmodel dat het effect van windtransport simuleert. De resultaten geven aan dat de optredende

tendenzen weliswaar goed door het verbeterde model worden weergegeven, maar dat onder andere niet gemodelleerde externe factoren als korstvorming.

1 ö OEC. 2003

~hoöe vochtigheid en neerslag er toe leiden dat de waargenomen ontwikkelingen kwantitatief sterk worden overschat.

•~e)Aanbevolen w o r d t dan o o k o m m e t g e b r u i k m a k i n g van h e t h u i d i g e

/at-rt:c::.*.:nderekenmodel onderzoek t e doen naar het f o r m u l e r e n van richtlijnen v o p r de o p t i m a l e helling en beplantingsdichtheid v a n een d u i n f r o n t . ,

.alsmede om het huidige model binnen een WINDOWS omgeving verder te

verbeteren door toevoeging van de afhankelijkheden van vocht en neerslag.

R e f e r e n t i e s DWW-overeenkomst 1388 (opdracht AK980954 d.d. 3 maart 1998) Alkyon-project A118 (offerte A118le04 d.d. 7 januari 1998)

Rev. 1 2 3 Auteur H.J. Steetzel H.J. Steetzel H.J. Steetzel

v

Datum 13/05/98 07/10/98 29/10/98 Bijzonderheden t/m fase 2 concept eindrapport definitieve versie Gecontroleerd door J. van Overeem

fr

Goedgekeurd door H.J. Steetzel

cP

Document Specificaties Inhoud Status

Rapportnummer: A118R1r3

Sleutelwoorden: Windtransport, modellen, validatie, metingen, duinen, strand

Project nummer: A118

tekst pagina's: 33 tabellen: figuren: 29 appendices: • voorlopig • concept ^ eindrapport

(3)

Samenvatting

Als stap op weg naar het beschikbaar maken van een gedragsmodel, het zogenaamde scoPE-model, waarmee op relatief eenvoudige wijze het effect van bepaalde

beheersmaatregelen inzichtelijk kan worden gemaakt, is in dit onderzoek aandacht besteed aan het verbeteren van een rekenmodel dat het effect van windtransport simuleert.

Hiertoe zijn in eerste instantie de daarbij gebruikte transportformuleringen verbeterd, dit gebaseerd op de resultaten van eerder bij de Universiteit van Amsterdam uitgevoerd onderzoek. Deze formuleringen hebben betrekking op de wijze waarop de grootte van het actuele sedimenttransport afhangt van de door wind geïnduceerde

bodemschuifspanning. Binnen het eerder genoemde kadermodel (SCOPE), betreft dit de zogenaamde SAFE-module dat in feite de rekenmodule vormt voor windtransport binnen het scoPE-model.

Teneinde de ruimtelijke verdeling van deze bodemschuifspanning vastte stellen is een koppeling aangebracht met een bestaand windmodel, het zogenaamde HiLL-MDL-model. Dit model berekent de windstroming over strand en duin uitgaande van een bekende windconditie aan de zeewaartse begrenzing van het dwarsprofiel. Hierbij is in het kader van dit project speciale aandacht gegeven aan het verrekenen van het effect van scheef invallende wind.

Vervolgens is aan de hand van een systematische verkenning de werking van het geïntegreerde scoPE/SAFE-rekenmode! getoetst. Ter illustratie zijn hierbij ook

berekeningen uitgevoerd gericht op de modellering van de effecten van stuifschermen en vegetatiegroei, welke beide op een vrij pragmatische wijze in het rekenmodel zijn ingebracht.

Tenslotte zijn de resultaten van het scoPE/SAFE-model gevalideerd aan de hand van een systematische vergelijking tussen berekende en gemeten profielontwikkelingen. Hiertoe zijn zowel de door S.M. Arens op Schiermonnikoog en bij Groote Keeten gemeten ontwikkelingen bekeken, als een speciaal voor deze validatiestudie uitgevoerde

meetserie te 's-Gravenzande. Op deze laatste lokatie is de profielontwikkeling ter plaatse van een drietal raaien met verschillende dichtheden van rietpoten in detail gemeten. Voor de eigenlijke validatie van het model zijn gemeten meteorologische condities en het initiële bodemprofiel met de bijbehorende vegetatiekarakteristieken als invoer voor het model vastgesteld en is vervolgens onderzocht in hoeverre de waargenomen

profielontwikkeling met het rekenmodel konden worden gesimuleerd.

De berekeningsresultaten geven aan dat de optredende tendenzen weliswaar goed door het model worden weergegeven, maar dat externe factoren als korstvorming, hoge vochtigheid en neerslag er toe leiden dat de waargenomen ontwikkelingen kwantitatief door het rekenmodel worden overschat.

Gegeven deze resultaten wordt aanbevolen om bij verdere toepassing van het model correctiefactoren voor deze externe factoren in rekening te brengen, teneinde het totale transporthoeveelheid beter te kunnen inschatten. De indruk bestaat verder dat het meenemen van het suspensieve deel van het transport (dus naast bodem ook zwevend) tot een significante verbetering van de plaats van de depositie kan leiden.

(4)

Update en validatie windtransportmodel SCOPE/SAFE-1.0 Rev.3: okt.1998

De huidige modelresultaten lijken eveneens aan te geven dat de effectiviteit van duinvegetatie voor het invangen van materiaal sterk door het model wordt overschat. Een mogelijke verklaring hiervoor is de veronderstelling dat de effectieve ruwheid van duinvegetatie sterk afneemt bij hogere windsnelheden; de effectieve hoogte van de vegetatie neemt af door ombuigen van de stengels en het gezamenlijk vormen van een juist gladder bovenoppervlak.

Aanbevolen wordt om een aantal van de nog ontbrekende processen en effecten in een volgende versie van het model te implementeren en vervolgens opnieuw de in het kader van deze studie beschreven data aan te wenden voor de validatie van het model.

Voor wat betreft deze aanpassingen wordt hierbij met name gedacht aan het

verdisconteren van de effecten van vochtigheid en neerslag op het sedimenttransport, alsmede aan het meenemen van het effect van de windsnelheid op de effectieve ruwheid.

In een latere versie kan wellicht ook het effect van suspensief transport worden ingebracht; dit kan echter gezien worden als een relatief grotere ingreep.

Ten aanzien van de effecten van stuifschermen wordt aanbevolen eerst het effect van een scherm op het windveld te onderzoeken, dit wellicht door verdere verbetering van het huidige HiLL-MDL-model. Het verwaarlozen van deze interactie resulteert in feitelijk onbruikbare resultaten.

Teneinde ook de nu nog gebrekkige koppeling met het windmodel HILL-MDL te verbeteren en het model beter toepasbaar te laten zijn, wordt aanbevolen om deze inspanningen overigens pas uit te voeren ten behoeve van een wiNDOWS-versie van het scoPE-model.

Met de huidige versie van het scoPE-SAFE-model lijkt het wel reeds mogelijk om op een vrij systematische manier de relatieve ontwikkeling van een duinfront te onderzoeken. Aanbevolen wordt dan ook om met gebruikmaking van het huidige rekenmodel onderzoek te doen naar het formuleren van richtlijnen voor de optimale helling en beplantingsdichtheid van een duinfront.

(5)

Inhoud

Lijst van tabellen Lijst van figuren

1 Inleiding 1

1.1 Algemeen 1

1.2 Doel 1 1.3 Aanpak van de studie 2

2 Aanpassingen SAFE-module 3 2.1 Inleiding 3 2.2 Aanpassingslengtes 3 2.3 Vegetatiekarakteristieken 3 2.4 Vegetatiegroei 4 2.5 Windrichting 5 2.6 Stuifschermen 7 3 Inbouw in scoPE-model 8 3.1 Inleiding 8 3.2 Model settings 8 3.3 Standaard invoerfiles 9 3.4 File met amplificatiefactoren 10

3.5 Aanpassing user-interface 10

4 Koppeling met windmodel HILL-MDL 14

4.1 Inleiding 14 4.2 Uitwerking koppeling 15 4.3 Te volgen procedure 16 5 Testen scoPE/SAFE-model 17 5.1 Inleiding 17 5.2 Effect windinvalshoek 17 5.3 Effect vegetatiekarakteristieken 18 5.4 Effect groeimoduIe 19 5.5 Effect stuifschermen 19 6 Validatiegegevens 20 6.1 Inleiding 20 6.2 Schiermonnikoog 20 6.3 Groote Keeten 22 6.4 's-Gravenzande 23 7 Validatieresultaten 24

(6)

j

7.1 Algemeen 24 7.2 Resultaten individuele validatie-runs 25

7.3 Geïntegreerde resultaten per case 27 7.4 Evaluatie en gevoeligheden 28 8 Conclusies en aanbevelingen 30 8.1 Conclusies 30 8.2 Aanbevelingen 30 Referenties Figuren

(7)

Lijst van figuren

5.2 Resultaten testen geïntegreerd SCOPE/SAFE-model; Verloop amplificatie-factor voor verschillende windinvalsrichtingen; Details voor Schiermonnikoog, Groote Keeten en 's-Gravenzande.

5.3.1 Resultaten testen geïntegreerd SCOPE/SAFE-model; Gevoeligheid voor de vegetatiekarakteristieken; Effect vegetatiehoogte, stengeldiameter en bedekkingsgraad.

5.3.2 Resultaten testen geïntegreerd SCOPE/SAFE-model; Gevoeligheid voor de vegetatiekarakteristieken; Effect vegetatiehoogte, stengeldiameter en bedekkingsgraad.

5.4 Resultaten testen geïntegreerd SCOPE/SAFE-model; Effect geparameteriseerde groeimodule; Vergelijking situatie met en zonder volggroei.

5.5 Resultaten testen geïntegreerd SCOPE/SAFE-model; Effect van stuifschermen; Vergelijking situatie met en zonder additioneel stuifscherm.

6.2.1 Overzicht gebruikte validatiegegevens Schiermonnikoog; Berekende windsnelheden en gemeten windrichtingen; Case S1 t/m S5.

6.2.2 Overzicht gebruikte validatiegegevens Schiermonnikoog; Waargenomen profielontwikkelingen op strand en duinfront; Case S1 t/m S5.

6.3.1 Overzicht gebruikte validatiegegevens Groote Keeten; Berekende windsnelheden en gemeten windrichtingen; Case GK1 en GK2.

6.3.2 Overzicht gebruikte validatiegegevens Groote Keeten; Waargenomen profielontwikkelingen op strand en duinfront; Case GK1 en GK2. 6.4.1 Overzicht gebruikte validatiegegevens 's-Gravenzande; Berekende

windsnelheden en gemeten windrichtingen; Case GZ1; Week 1 t/m 4 6.4.2 Idem; Case GZ2; Week 1 t/m 3.

6.4.3 Overzicht gebruikte validatiegegevens 's-Gravenzande; Waargenomen profielontwikkelingen op strand en duinfront; Case GZ1; Week 1 t/m 4. 6.4.4 Idem; Case GZ2; Week 1 t/m 3.

7.2.1 Detailresultaten van uitgevoerde modelberekeningen Schiermonnikoog; Vergelijking gemeten en berekende profielontwikkelingen; Profielen en verschillen voor Case S1 t/m S3.

7.2.2 Idem; Profielen en verschillen voor Case S3 en S5.

7.2.3 Detailresultaten van uitgevoerde modelberekeningen Groote Keeten; Vergelijking gemeten en berekende profielontwikkelingen; Profielen en verschillen voor Case GK1 en GK2.

7.2.4 Detailresultaten van uitgevoerde modelberekeningen 's-Gravenzande; Vergelijking gemeten en berekende profielontwikkelingen raai 1, 3 en 5;

Profielen en verschillen voor Case GZ1 in week 1. 7.2.5 Idem; Profielen en verschillen voor Case GZ1 in week 2. 7.2.6 Idem; Profielen en verschillen voor Case GZ1 in week 3. 7.2.7 Idem; Profielen en verschillen voor Case GZ1 in week 4. 7.2.8 Idem; Profielen en verschillen voor Case GZ2 in week 1. 7.2.9 Idem; Profielen en verschillen voor Case GZ2 in week 2. 7.2.10 Idem; Profielen en verschillen voor Case GZ2 in week 3.

7.3.1 Geïntegreerde resultaten depositie modelberekeningen; Vergelijking gemeten en berekende depositie; Lokaties Schiermonnikoog en Groote Keeten.

(8)

'•

7.4.1 Onderzoek bijdragen onzekerheden in modelresultaten; Gevoeligheid voor instelling modelparameter Cq; Effect wijziging standaardinstellingen. 7.4.2 Onderzoek bijdragen onzekerheden in modelresultaten; Gevoeligheid van

instelling naijlingsparameters; Effect wijziging instellingen voor op- en afname transport.

7.4.3 Onderzoek bijdragen onzekerheden in modelresultaten; Gevoeligheid van windsnelheid U10; Effect wijziging ruwheidswaarde.

7.4.4 Onderzoek bijdragen onzekerheden in modelresultaten; Gevoeligheid voor regelmaat terugkoppeling; Effect herhaald aanroepen HiLL-MDL-programma.

(9)

1 Inleiding

1.1 Algemeen

Naar aanleiding van de offerteaanvraag van 12 december 1997 met kenmerk AK975667, heeft Alkyon Hydraulic Consultancy & Research bv op 7 januari 1998 een offerte

uitgebracht met kenmerk A118le04 voor het uitvoeren van de bouw en validatie van het model SCOPE/SAFE-1.0. Door middel van brief met kenmerk AK980954 d.d. 3 maart 1998 werd opdracht verleend tot uitvoering hiervan.

Het project is uitgevoerd in het kader van het TAW-C-project 'Fysische modellering zeereep-ontwikkeling' (TAWC/EOMOD1) en werd vanuit de zijde van de opdrachtgever, Rijkswaterstaat/DWW, in eerste instantie begeleid door Mw. Dr. M.A.C. Veer en in de eindfase door Mw. Drs. S. J. Fraikin.

Het project werd uitgevoerd onder leiding van Dr. Ir. H. J. Steetzel met bijdragen van Ir. M. C. Onderwater (Alkyon) en Dr. S. M. Arens (Arens - Bureau voor strand- en

duinonderzoek), waarbij eerstgenoemde verantwoordelijk is voor de rapportage en modelontwikkeling en S. M. Arens een bijdrage heeft gegeven aan de werkzaamheden met betrekking tot de validatie van het model. De verschillende berekeningen werden voorbereid en uitgevoerd door M. C. Onderwater.

De (tussen)resultaten van de studie zijn besproken in een speciaal daartoe namens Werkgroep C van de Technische Adviescommissie voor de Waterkeringen ingestelde begeleidingsgroep waarin, naast de RWS/DWW-projectleider zitting hadden Ir. HJ. Verhagen (IHE-Delft) en Ir. J. van der Kolff (Hoogheemraadschap Delfland).

1.2 Doel

Het uiteindelijke doel van het voorliggende project is het beschikbaar maken van een simulatiemodel waarmee een beheerder inzicht kan krijgen in het effect van bepaalde beheersmaatregelen op de van nature aanwezige verstuivingsprocessen.

Het doel van deze specifieke studie is het ontwikkelen en valideren van een module voor het kwantificeren van de effecten van windtransport en de implementatie hiervan in het in opdracht van TAW-C ontwikkelde kadermodel SCOPE.

De verschillende daarbij gebruikte formuleringen zijn conform de zogenaamde

SAFE-module [van Dijk e.a., 1995; Baas e.a. 1996], een research-versie van een bij de Universiteit van Amsterdam beschikbaar computermodel. Hierin zijn een aantal

aanvullingen en verbeteringen doorgevoerd op het gebied van de fysische modellering van het transportproces.

Teneinde dit aangepaste model te valideren is een reeks van reeds beschikbare veldgegevens beschreven en is een grote serie verificatieberekeningen opgestart.

(10)

D

1.3 Aanpak van de studie

De studie werd, geheel conform de offerte-aanvraag, uitgevoerd in een viertal opeenvolgende fasen, te weten:

- Fase 1 - de aanpassing van de dwarstransportmodule SAFE;

- Fase 2 - de aanpassing van het scoPE-model met betrekking t o t zowel de

koppeling met de aangepaste SAFE-module als de koppeling met het windmodel; - Fase 3 - de validatie van het geïntegreerde model;

- Fase 4 - rapportage en afronding.

Deze fasering is als zodanig ook terug te vinden in de voorliggende rapportage. In Hoofdstuk 2 worden daartoe de verschillende aanpassingen van de

windtransportmodule (de rekenroutine) besproken, dit als uitwerking van Fase 1. De wijze waarop een en ander in het scoPE-model is geïmplementeerd, is in meer detail beschreven in Hoofdstuk 3, waarna in Hoofdstuk 4 nader wordt ingegaan op de

koppeling met het gebruikte en reeds beschikbare windmodel HILL-MDL (Fase 2). De beschrijving van het geïntegreerde scoPE/SAFE-model is gegeven in Hoofdstuk 5, dit aangevuld met de resultaten van een systematische, edoch beknopte testserie.

De validatie van dit geïntegreerde model (feitelijk Fase 3 van het project) komt in de daarop volgende secties aan de orde. In Hoofdstuk 6 is daartoe een nadere beschrijving gegeven van de gebruikte validatiegegevens terwijl de vergelijking tussen metingen en berekeningen is uitgewerkt in Hoofdstuk 7.

Tot slot worden in Hoofdstuk 8 worden de resultaten van het onderzoek geëvalueerd en zijn conclusies gepresenteerd ten aanzien van de bruikbaarheid en betrouwbaarheid van het geïntegreerde scoPE/SAFE-model.

Ook zijn enkele aanbevelingen gegeven gericht op een verdere verbetering en

toepassing van het scoPE-model in het algemeen en het windtransportmodel SCOPE/SAFE in het bijzonder.

(11)

15 2 Aanpassingen SAFE-module

2.1 Inleiding

De eerste fase van het project omvat het inbouwen van de aangepaste formuleringen in de SAFE-module van het scoPE-model, dit conform de UvA-rapportages inzake

'Aanpassingslengtes, vegetatie en modelgevoeligheid' [van Dijk, 1996] en 'Windrichting, vegetatiegroei en seizoensvariatie' [Baas e.a., 1996].

Het gaat daarbij om aanpassing en verbetering van de volgende onderdelen: - Aanpassingslengtes;

- Vegetatiekarakteristieken; - Vegetatiegroei;

- Windrichting; - Stuifschermen.

Een nadere toelichting hierop is gegeven in het volgende.

2.2 Aanpassingslengtes

De aanpassingslengte is een maat voor de horizontale afstand waarover het transport zich aanpast aan gewijzigde condities. In de praktijk zal het immers zo zijn dat niet alle (instantane) wijzigingen in de (berekende) transportcapaciteit instantaan zullen/kunnen worden gevolgd.

Om dit effect modelmatig te simuleren is uitgegaan van een karakteristieke

naijlingsafstand. De hiertoe gebruikte formulering luidt (analoog aan [Stout, 1990]):

q(x) = 4c (

x

) + [q(x-Ax)- q

c

(x)] exp(-Ax I %) (2.2.1)

waarin:

q het actuele transport [mVmVuur]; qc de transportcapaciteit [mVm'/uur]; Ax de plaatsstap [m];

X de karakteristieke naijlingsafstand [m].

Daarbij wordt een onderscheid gemaakt tussen situaties met toenemend transport en situaties met afnemend transport, waarbij het in geval van een opbouwend transport gaat om relatief grotere afstanden (zie ook Paragraaf 3.2.2).

Ten aanzien van de aanpassingslengtes zullen de modelparameters algemeen toepasbaar zijn en dus niet gerelateerd zijn aan een specifieke toepassing.

2.3 Vegetatiekarakteristieken

2.3.1 Inleiding

De drie parameters die de karakteristieken van de vegetatie beschrijven zijn: Bedekkingsgraad;

- Vegetatiehoogte; - Vegetatiediameter.

(12)

•••

Deze vegetatieparameters hebben betrekking op een individuele toepassing en zullen derhalve moeten worden meegenomen in de modelinvoer voor een specifiek

dwarsprofiel. Bij een specifieke toepassing kunnen deze parameters dan ook als een functie van de positie in het duin worden opgegeven (zie Paragraaf 3.3.2 en 3.5.4).

2 . 3 . 2 Bedekkingsgraad

De bedekkingsgraad is een maat voor de dichtheid van de beplanting en wordt uitgedrukt in een bedekkingsfractie Cv.

Deze kan in principe variëren tussen 0,00 en 1,00, waarbij een dichtheid van orde 30 % veelal voldoende effectief blijkt voor het invangen van materiaal.

In sommige van de later besproken toepassingen is de grootte van de bedekkingsfractie berekend op basis van de gemiddelde vegetatiediameter en het aantal stengels per m2. De hiervoor gebruikte conversie luidt:

Cv=nv dv2 (2.3.1)

waarin:

dv de gemiddelde vegetatiediameter [m];

nv het aantal stengels per m2 [-].

2.3.3 Vegetatiehoogte

De hoogte van de initiële vegetatie wordt uitgedrukt in meters ten opzichte van de initiële bodemligging. Deze vegetatiehoogte wordt vervolgens omgezet naar een initieel vegetatieniveau hv, zijnde de hoogteligging van de bovenkant van de vegetatie.

De lokale momentane vegetatiehoogte is uiteindelijk afhankelijk van de lokale erosie of aanzanding, waarbij de laatste aanleiding zal geven tot een afnemende

vegetatiehoogte.

Daarnaast kan het niveau van de bovenkant van de vegetatie wijzigen bij groei van de vegetatie. De gebruikte formuleringen voor de vegetatiegroei-module komen aan de orde in Paragraaf 2.4.

2.3.4 Vegetatiediameter

De vegetatiediameter beschrijft de gemiddelde diameter van de vegetatie. Voor helmbegroeiing geldt ongeveer dv = 4 mm.

Ten behoeve van sommige toepassingen is deze vegetatiediameter in combinatie met het aantal stengels per m2, nv, ook gebruikt ter afschatting van de in Paragraaf 2.3.2 genoemde bedekkingsgraad Cv.

2.4 Vegetatiegroei

De groei van de vegetatie is in basis beschreven conform de UvA-rapportage.

Het betreft hier een uiterst simpele module waarbij in feite slechts onderscheid gemaakt is tussen een situatie zonder groei en een situatie met 'volggroei'. In dit laatste geval volgt de vegetatie de lokale erosie en aanzanding, waarbij de hoogte waarover de vegetatie zichtbaar is in de tijd constant blijft.

(13)

In principe behoort een betere modellering van de vegetatiegroei via een pragmatische beschrijving t o t de mogelijkheden. In het kader van deze studie is echter alleen de simpele 'volggroei'-module geïmplementeerd.

In Paragraaf 5.4 zal op de toepassing van deze module nog nader worden teruggekomen.

De groei van vegetatie speelt alleen een rol voor een specifieke toepassing waarbij op basis van een aanname van een windconditie, op basis van de verwachte seizoensvariatie een aantal verschillende vegetatiedichtheden in beschouwing zal moeten worden

genomen.

2.5 Windrichting

Naast de windsterkte (uitgedrukt in de windsnelheid op 10 m hoogte boven het zeeoppervlak) speelt ook de grootte van de relatieve windinvalshoek een rol. Scheef invallende wind zal daarbij immers aanleiding geven t o t een relatief geringer transport in dwarsrichting.

Daar hét gebruikte windmodel, het mu.-MDL-model (zie [Boxel e.a., 1997] en Hoofdstuk 4), in basis niet in staat is om scheef invallende wind te modelleren is ten behoeve van de voorliggende toepassing een vrij pragmatische aanpak gevolgd.

Om toch het effect van schuin invallende wind te kunnen berekenen wordt het dwarsprofiel in de richting van de wind in beschouwing genomen.

Daartoe wordt de ontwikkeling van het verticale windprofiel in landwaartse richting berekend over een enigszins opgerekt dwarsprofiel en wordt vervolgens de hiervan afgeleide verdeling van de maatgevende schuifspanningssnelheid gebruikt voor de feitelijke transportverdeling.

In principe kan het windtransport als gevolg van een schuin invallende windrichting op twee manieren in het scoPE/SAFE-model worden geïmplementeerd:

- Een eerste methode gaat uit van een procedure waarbij de berekende

schuifspanning wordt ontbonden in langs- en dwarsrichting en vervolgens het sedimenttransport in het dwarsprofiel wordt bepaald uit de dwarscomponent van de schuifspanningssnelheid. Door de schuifspanningssnelheid reeds voor de transportberekening te ontbinden, wordt echter niet goed rekening gehouden met het aan de bodemhelling gerelateerde 'begin van bewegingscriterium'; - Bij een tweede methode wordt het sedimenttransport eerst in de richting van de

wind berekend. Op deze wijze wordt tevens het begin van bewegen van sediment op de juiste wijze meegenomen in de modellering. Het berekende transport in de windrichting wordt vervolgens ontbonden in langsrichting (evenwijdig aan de kust) en dwarsrichting. De uiteindelijk profielveranderingen volgen dan uit de transportgradiënten in dwarsrichting (in de richting van de kustnormaal).

Aangezien de tweede benadering een betere beschrijving geeft van het proces, is deze methode in scoPE/SAFE-model geïmplementeerd.

(14)

Ten behoeve van de eerste stap in deze benadering wordt, voor een gegeven invalshoek, het aanwezige kustdwarsprofiel geconverteerd naar een verlengd profiel dat

karakteristiek is voor deze invalsrichting.

Hiertoe worden alle plaatsstappen in de bodemarray met een correctiefactor vermenigvuldigd conform:

Ax,=C,(0>)Ax f2.5.7;

met:

C

x

((p) = \lcos(<p) (2.5.2)

waarin:

AXy de gecorrigeerde plaatsstap [m];

A x de normale plaatsstap [m];

Cx de correctiefactor voor de plaatsstap [-];

q> de (relatieve) invalshoek t.o.v. de kustnormaal [°].

Het uitvoeren van een HiLL-MDL-berekening voor dit gecorrigeerde (opgerekte)

dwarsprofiel resulteert, geheel conform de standaardprocedures, in een verdeling van de amplificatiefactor van de schuifspanningssnelheid.

Voor de berekening van de grootte van het sedimenttransport en de daarmee samenhangende bodemveranderingen wordt in eerste instantie eveneens gebruik gemaakt van dit uitgerekte dwarsprofiel.

De volledige transportberekening verloopt nu min of meer standaard, dit afgezien van een aanpassing van de coëfficiënt die het effect van de bodemhelling op de kritieke wrijvingssnelheid verrekend.

Bij aanwezigheid van een hellend oppervlak zal de kritieke schuifspanningssnelheid in het basisgeval moeten worden vermenigvuldigd met een van de bodemhelling

afhankelijke coëfficiënt conform:

A^Jcasfi+^ï (2.5.3)

waarin:

Ap de (ongecorrigeerde) hellingsfactor [-]; P de (ongecorrigeerde) bodemhelling [°];

a de hoek van interne wrijving van het bodemmateriaal [°].

In het geval van het uitgerekte bodemprofiel zal deze bodemhelling geringer zijn. Na enige geometrische uitwerkingen volgt als formulering voor de gecorrigeerde

hellingsfactor:

I sin/L

^

=

W , + — ^ (2.5.4)

V tanor waarin: (p de (relatieve) invalshoek [°]; P de gecorrigeerde bodemhelling [°].

De gecorrigeerde helling volgt vervolgens uit:

(15)

'o

Deze procedure levert het transportverloop over het uitgerekte dwarsprofiel als resultaat. Voor de berekening van de grootte van de bodemveranderingen in het oorspronkelijke dwarsprofiel wordt de transportvector vervolgens weer ontbonden in een richting loodrecht en evenwijdig aan de duinen. De loodrechte component volgt hierbij uit:

q = COS(9>) q9 (2.5.6)

waarin:

q de relevante transportgrootte loodrecht op de kust [mVmVuur]; q^ de grootte van het transport op het uitgerekte profiel [mVm'/uur].

Een nadere uitwerking van het effect van scheef invallende wind is gegeven in Paragraaf 5.2.

Daar het hier een benadering betreft is bij de verdere implementatie de toepassing beperkt tot relatieve hoeken kleiner dan 60°. Voor grotere hoeken wordt het transport op nul gezet.

De windrichting heeft betrekking op een individuele toepassing en moet derhalve worden meegenomen in de modelinvoer voor een specifiek geval. De hiermee verband houdende aanpassing van de invoerfiles en de user-interface zijn nader uitgewerkt in respectievelijk Paragraaf 3.4 en 3.5.6.

2.6 Stuifschermen

Conform de offerte en daarover gevoerd overleg, is effect van stuifschermen slechts op een vrij pragmatische wijze ingebracht.

Het in groot detail doorrekenen van de bodemontwikkelingen in de onmiddellijke omgeving van een stuifscherm vereist immers op zijn minst een nauwkeurige berekening van het optredende stromingspatroon. Dit is echter niet mogelijk met het huidige model

(HILL-MDL is alleen toepasbaar voor niet al te grote discontinuïteiten).

Bij de implementatie van stuifschermen in het scoPE-model is de lokale aanpassing van de transportcapaciteit gebruikt om het gewenste effect te bereiken. In feite komt dit er op neer dat ter plaatse van een stuifscherm alleen hetwindgeïnduceerde sedimenttransport lokaal wordt gereduceerd.

Het windveld (en dus de berekeningen met het HiLL-MDL-model) wordt daarbij dus berekend voor een situatie waarbij de stuifschermen afwezig zijn verondersteld. Tijdens de berekening van de grootte van het actuele sedimenttransport wordt ter plaatse van een windscherm (dat boven de lokale bodem uitsteekt) de transportcapaciteit op 'nul' gezet.

Een nadere uitwerking hiervan is gegeven in Paragraaf 5.5, waarin enige resultaten van uitgevoerde simulaties zijn besproken.

Inmiddels is overigens in een nieuwe versie van het HlLL-MDL-model ook een simpele benadering opgenomen om het effect van stuifschermen op de stroming te bepalen [Boxel, 1998]. Deze laatste ontwikkelingen zijn echter niet in de huidige studie meegenomen.

(16)

'D

Update en validatie windtransportmodei SCOPE/SAFE-1.0 Rev.3: okt.1998

Inbouw in scoPE-model

3.1 Inleiding

In aanvulling op de in het vorige hoofdstuk beschreven aanpassingen van de rekenmodule is eerst de in- en uitvoer van het scoPE-model gemodificeerd. Als uitgangspunt is hierbij versie 0.71 van het model gebruikt.

Deze aanpassing heeft betrekking op een aantal zaken, te weten:

- De instelling van de aan de SAFE-module gerelateerde algemene parameters; - De normale invoerfiles die samenhangen met specifieke gevallen;

De additionele invoerfile met de amplificatiefactoren (zie ook Hoofdstuk 4); - De aanpassing van de user-interface.

Een nadere uitwerking van deze aspecten is gegeven in het volgende. Hierbij wordt regelmatig verwezen naar een specifiek scherm binnen het pc-model, steeds aangegeven met [xxx], waarbij 'xxx' verwijst naar het volgnummer van het betreffende scherm (aangegeven in de rechterbovenhoek).

3.2 M o d e l s e t t i n g s

3.2.1 Inleiding

De eerste categorie omvat de zogenaamde model settings. Deze parameters worden min of meer standaard gebruikt ten behoeve van de verschillende formuleringen van de

SAFE-module.

Deze instellingen worden bewaard in de zogenaamde scoPE.SET-file als aanwezig op de scoPE-programma-directory.

3.2.2 Parameters aanpassingslengte

In de transportmodule wordt bij de conversie van transportcapaciteit naar actueel transport gebruik gemaakt van een zogenaamde naijlingsafstand.

Hierbij is een onderscheid gemaakt tussen situaties met opbouwend en uitdovend transport.

Voor opbouwend transport geldt:

Zi=15m (3.2.1)

terwijl voor situaties met afnemend transport geldt:

Z2 = 5m (3-2-2)

Deze basiswaarden (default) kunnen worden aangepast op invoerscherm [634] binnen het scoPE-model.

3.2.3 Parameters vegetatiegroei

In de huidige versie van de vegetatiegroei-module is slechts een enkele parameter nodig. Hiertoe is op scherm [634] een extra invoerparameter toegevoegd.

Standaard is hierbij uitgegaan van geen groei, dat wil zeggen Fg= 0.

Voor het instantaan volgen van de bodemontwikkeling geldt voor deze constante de waarde 1.0. Tussenliggende waarden voor 'quasi-geleidelijke' groei zijn ook toegestaan. De effecten van deze instellingen komen uitgebreider aan de orde in Paragraaf 5.4.

(17)

3.3 Standaard invoerfiles

3.3.1 Inleiding

Met betrekking tot de normale invoerfiles voor het model zal ook een aanpassing moeten worden doorgevoerd. Het gaat hierbij om de zogenaamde PRF-, RVW- en AFK-file. Ten aanzien van de laatstgenoemde file met Algemene Fysische Kenmerken, de AFK-file, zijn ten opzichte van versie 0.71 van het model, geen nadere aanpassingen aangebracht. De aanpassingen in de andere files zijn beschreven in het volgende.

3.3.2 Profielfile

De PRF-file (met PRoFielinformatie) bevat naast de initiële dwarsprofielen (optioneel) aanvullende informatie aangaande de vegetatiekenmerken en de karakteristieken van eventueel aanwezige stuifschermen.

Per individueel dwarsprofiel (en dus elk blok met profielinformatie: #P01, #P02, ...) zijn daarbij achtereenvolgens gegeven:

- het aantal datapunten in de Z(X)-array (het bodemprofiel); - het aantal parameters per profiel (2 + (optioneel) 4); - de lokatie/kilometrering van de raai (als identificatie); - het tijdstip/jaartal (als identificatie).

De verdere formatie is samengebracht in de aantal kolommen, waarbij de basisgegevens zijn samengebracht:

- kolom 1: X [m] (landwaarts oplopend); - kolom 2: Z [m t.o.v. Ref.] (positief omhoog). In een aantal additionele kolommen:

- kolom 3: niveau bovenkant stuifscherm S(x) [m t.o.v. Ref] - kolom 4: initiële hoogte van de (lokale) vegetatie hv(x) [m]; - kolom 5: diameter van de stengels dv(x) [mm];

- kolom 6: de bedekkingsfractie Cv(x) [-].

3.3.3 Randvoorwaardenfile

In het geval van de Rvw-file (Randvoorwaarden) is naast de windsnelheid ook de invalsrichting van de wind (en de golven) in beschouwing genomen.

Per individuele randvoorwaardenset (en dus elk blok met randvoorwaardeninformatie: #S01, #S02, ...) zijn daarbij achtereenvolgens gegeven:

- het aantal opeenvolgende condities binnen de set; - het aantal parameters per conditie (= 6);

- de kans van voorkomen Pv [1/jaar]; - de overschrijdingskans P0 [1/jaar].

De verdere formatie is samengebracht in de aantal kolommen, te weten: - kolom 1: de duur van de individuele conditie dT [uren];

- kolom 2: de waterstand h [m t.o.v. Ref.]; - kolom 3: de significante golfhoogte Hs [m]; - kolom 4: de piekperiode Tp [s];

- kolom 5: de windsnelheid U10 [m/s]; - kolom 6: de windrichting Phi [graden].

(18)

3.4 File met amplificatiefactoren

Ten behoeve van de koppeling met het windmodel HILL-MDL, als in meer detail beschreven in Hoofdstuk 4, is een vierde invoerfile gedefinieerd.

Deze zogenaamde Aux-file (Amplificatie-factor U. als functie van X) is gekoppeld aan de bijbehorende file met de profielinformatie (de PRF-file) en bevat informatie over het relatieve verloop van de schuifspanningssnelheid op basis van een reeds uitgevoerde berekening met het HiLL-MDL-model (versie 2.01).

De Aux-file kan worden aangemaakt met behulp van een hulpprogramma, genaamd PRE-SAFE. Voor meer informatie over dit hulpprogramma kan worden verwezen naar Sectie 4.2 e. v.

Gerelateerd aan elk individuele dwarsprofiel in de bijbehorende profielfile (en dus elk blok met amplificatiefactorinformatie: #A01, #A02, ...) zijn daarbij achtereenvolgens gegeven:

- het aantal opeenvolgende posities binnen de reeks; - het aantal kolommen (= 1+4);

De verdere formatie is samengebracht in de aantal kolommen, te weten: - kolom 1: X [m] (landwaarts oplopend);

- kolom 2: de amplificatiefactor voor loodrechte windinval [-]; - kolom 3: idem, voor een invalshoek van 20° [-];

- kolom 4: idem, voor een invalshoek van 40° [-]; - kolom 5: idem, voor een invalshoek van 60° [-].

De amplificatiefactor voor een willekeurige invalshoek wordt via interpolatie vastgesteld. Daarbij gaat het steeds om absolute afwijkingen van de kustnormaal.

Voor aanvullende informatie over deze file wordt verwezen naar de behandeling van de koppeling met het windmodel als in meer detail beschreven in Hoofdstuk 4.

3.5 Aanpassing user-interface

3.5.1 O v e r z i c h t

Gegeven deze aanpassingen is de user-interface van het scoPE-model aangepast. De eerste aanpassing heeft betrekking op de modelsettings in het algemene menu. Verder zijn bij een gegeven dwarsprofiel de volgende schermen aangepast:

- Het plaatselijk aanbrengen van extra materiaal (suppleren); - Het aanbrengen van een specifieke vegetatie;

Het aanbrengen van stuifschermen. Ten aanzien van de randvoorwaarden:

- Het specificeren van de windcondities.

(19)

3.5.2 Specificatie modelsettings

De algemene modelsettings voor de windtransport module worden ingewonnen via invoerscherm [634].

Het gaat hierbij om: - Windmodel:

- basisruwheid boven water/zee: Zte = 0.00020 [m]; - basisruwheid boven strand/duin: Zol = 0.00500 [m]; - Transport-model:

- constante in u*c-formulering: Cu = 0.100 [-]; - constante in transportformule: Cq = 2.600 [-]; - constante in transportreductie: e, = 1.000 [-]; - naijlingsafstand bij opname: Chi,= 15.00 [m]; - naijlingsafstand bij afname: Chi2= 5.00 [m]; - Groeimodel:

- groeifactor: Fg = 0.00 [-].

Daarnaast zijn voor een reeks van parameters nog standaardinstellingen aanwezig, zie [Steetzel, 1995].

3.5.3 Specificatie suppleties

De wijze waarop met het scoPE-rnodel allerlei vormen van suppleties in het dwarsprofiel kunnen worden aangebracht is reeds beschreven in [Steetzel, 1995].

De specificatie voor een specifieke suppletie verloopt via interactieve communicatie met scherm [252] (bereikbaar via [240] en [250]).

Hier bestaat de mogelijkheid om, op interactieve wijze, de vormgeving van een min of meer willekeurig banket te specificeren. Een dergelijke suppletievorm bestaat in principe uit een tegen het duin (de duinvoet) aangelegen, terrasvormige berm.

De exacte geometrie wordt bepaald door een viertal parameters, te weten:

- het niveau van de zeewaartse knik in de berm, Zb uitgedrukt in m t.o.v. Ref.; - de helling van het zeewaartse beloop ('strandhelling' 1 : Ss);

- de helling van het, eventueel horizontale, bovenbeloop ( 1 : Sb);

- de horizontale positie van de knik in de suppletie (overgang tussen het buitenbeloop en het bovengedeelte) Xb, dit echter uitgedrukt in de daarbij aanwezige bermuitbouw Bb in m (breedte suppletie op niveau van de knik). Bij gegeven waarden van bermniveau Zb, buitenbeloop Ss, binnenbeloop Sb en

bermbreedte Bb, ligt het totaal benodigde volume V, (in mVm1) vast. Centraal bij deze vaststelling staat de breedte van de berm Bb, in termen van een (niet-continue) functie uitgedrukt als: V,= F{ Bb | Zb, Ss, SJ.

Voor gegeven waarden van Zb (en controle op relevant interval), de grootte van de strandhelling Ss (en controle of deze voldoende steil is), de grootte van bankethelling Sb (en controle of deze juist niet te steil is), wordt voor de gegeven Bb-waarde het totale suppletie-volume V, (in m3/m') berekend. Deze bestaat uit een strandbijdrage Vs zeewaarts van de knik en een banketbijdrage Vb landwaarts hiervan: Vt = Vs + Vb. Bij grote(re) Bb-waarden kan het zo zijn dat bijvoorbeeld de helling van het banket te steil is waardoor deze voorbij de top van het duin 'schiet' (evt. verflauwen Sb en/of verlagen Zb)

of de helling van het strand te flauw is waardoor deze boven het meest zeewaartse bodempunt uitkomt (evt. versteilen Ss en/of verlagen Zb).

(20)

r

n

Update en validatie windtransportmodel SCOPE/SAFE-1.0 Rev.3:okt.1998

Door definitie van een dBb-waarde (>0 en in m) en het gebruik van <PGUP> of <PGDN>,

kan de Bb-waarde 'automatisch' worden opgehoogd/verlaagd en het daarbij benodigde suppletie-volume worden berekend. Op deze wijze kan ook invulling worden gegeven aan een suppletie met een bepaald gewenst volume.

Opgemerkt kan nog worden dat elke willekeurige vorm van een suppletie kan worden verkregen door 'sommatie' van meerdere enkelvoudige suppleties.

In het kader van de onderhavige studie zijn een aantal van de bij dit 'numeriek

suppleren' in gebruik zijnde rekenroutines verbeterd en aangepast en zijn bovendien de meldingen bij niet correcte invoer nader uitgewerkt.

3.5.4 Specificatie v e g e t a t i e k a r a k t e r i s t i e k e n

De specificatie van de karakteristieken van de vegetatie verloopt via invoerscherm [265] (bereikbaar via [230]).

Zoals reeds eerder aangegeven wordt de vegetatie in het huidige model gekarakteriseerd door een drietal parameters, te weten:

- de initiële vegetatiehoogte hv (in m) ten opzichte van het initiële bodemniveau; - de diameter d„ van de vegetatie ofwel de stengeldiameter in mm, waarbij voor

helmbegroeiing dv = 4 mm een redelijke waarde lijkt; - de bedekkingsgraad Cv.

Deze vegetatie-array moet voldoen aan de volgende eigenschappen: - het aantal elementen is beperkt tot 250;

- de successievelijke X-waarden moeten oplopend zijn; - de (initiële) vegetatiehoogte h„ moet positief zijn; - de diameter van stengels dv groter dan nul;

- de vegetatiedichtheid Cv kan variëren op het interval 0.0 t o t 1.0.

Ten aanzien van het eerste en het laatste element in de array (begin en eind van de vegetatie) moet gelden dat:

- de vegetatiehoogte hv gelijk aan nul is en/of ... - de bedekkingsgraad Cv gelijk aan nul is.

Opgemerkt moet worden dat uit de initiële vegetatiehoogte het topniveau van de vegetatie wordt berekend en dat dit niveau (zonder groei) in de tijd constant is. Dit betekent dat er bij afzetting van materiaal in een gebied met vegetatie sprake is van een kleinere vegetatiehoogte en dus afnemend effect van de vegetatie!

Bij confirmatie van de invoer wordt gecontroleerd in hoeverre de vegetatie-array voldoet aan genoemde randvoorwaarden en wordt eventueel een specifieke melding gegeven. Deze array wordt vervolgens toegevoegd aan de profielfile als beschreven in Paragraaf 3.3.2. Eventueel worden hiertoe additionele punten aan het dwarsprofiel toegevoegd.

3.5.5 Specificatie stuifschermen

Via invoerscherm [260] (ook weer bereikbaar via scherm [230]) kan de lokatie en niveau van de bovenkant van een of meerdere stuifschermen worden opgegeven. Opgemerkt moet worden dat het hierbij gaat om individuele schermen, die bovendien als volledig dicht worden beschouwd.

(21)

n

Bij de berekening van de verdeling van het transport door wind vindt hierbij (als het scherm zich boven de bodem bevindt) een reductie van het lokale transport plaats. De S(x)-array moet voldoen aan de volgende eigenschappen:

- het aantal elementen is beperkt tot 10; - de X-waarden moeten oplopend zijn.

Deze array wordt na confirmatie toegevoegd aan de profielfile als beschreven in Paragraaf 3.3.2. Eventueel worden hiertoe additionele punten aan het dwarsprofiel toegevoegd.

3.5.6 Specificatie windconditie

Via invoerscherm [440] (bereikbaar via [430]) kan een reeks van individuele hydraulische en eolische condities worden opgegeven (zie ook Paragraaf 3.3.3).

Aan het reeds aanwezige invoerscherm is een 6e kolom toegevoegd waarin de invalshoek dient te worden opgegeven.

Verdere aan deze toevoeging gerelateerde aanpassingen (bereikbaar via scherm [430]) zijn:

- toevoeging van karakteristieke informatie aangaande de windrichting in het identificatie-scherm [435];

- toevoeging van de mogelijkheid t o t het grafisch weergeven van een tijdserie van de opgegeven windrichting als optie 6 in scherm [450];

- toevoeging van de mogelijkheid t o t het grafisch weergeven van de correlatie tussen windrichting en windsnelheid als optie 5 in scherm [460].

Naast deze aanpassingen van de invoerroutines, zijn verder aangepast:

- het voortgangsscherm [660] waarin de voor een individuele berekening gebruikte hydraulische en eolische condities zijn samengebracht, dit door toevoeging van de windrichting als additionele variabele;

- de 'relatietabel' in de tijdens een berekening aangemaakte ms-file, waarin een relatie is gelegd tussen de code van het begin- en eindprofiel en de daarvoor verantwoordelijke hydraulische en eolische condities, dit door toevoeging van de windrichting als additionele variabele;

- het informatiescherm (scherm [730]) waarin per uitgevoerde berekening een overzicht is gegeven van verantwoordelijke condities en de gerelateerde afslagresultaten.

(22)

r

a

4 Koppeling met windmodel

HILL-MDL

4.1 Inleiding

4.1.1 Algemeen

Voor de berekening van de lokale windtransportcapacrteit vormt het verloop van de grootte van de schuifspanningssnelheid in feite de sturende randvoorwaarde. Daar het relatieve verloop van deze schuifspanningssnelheid onafhankelijk is van de absolute grootte van het verloop van deze schuifspanningssnelheid over het profiel (er blijkt sprake van schaling), is een beschrijving van het relatieve verloop over het

dwarsprofiel reeds voldoende.

4.1.2 Amplificatiefactor

In de huidige vorm van het scoPE-model wordt voor dit relatieve verloop, feitelijk de 'amplificatie-factor voor de U/, een pragmatische formulering gebruikt als beschreven in [Steetzel, 1995]. Deze eerste schatting is echter slechts gebaseerd op de

ruwheids-karakteristieken.

Het directe gebruik van het HiLL-MDL-model (versie 2.00 van maart 1997) levert echter de mogelijkheid om de effecten van met name de meer grootschalige geometrie (het duin zelf) op een betere manier mee te nemen en daarmee dus voor het verloop van deze amplificatie-factor een betere schatting te geven (zie ook [Steetzel, 1995]).

4.1.3 Koppelingsopties

In het ideale geval vindt de aanroep van het hiertoe reeds ontwikkelde HiLL-MDL-model plaats vanuit het scoPE-model, telkens voordat een transportberekening binnen de

SAFE-module wordt opgestart. Dit vraagt dus om een herhaalde aanroep van HILL-MDL.

Aan deze aanpak kleven echter een tweetal bezwaren, te weten:

1) Het gebruik van de 'stand-alone'-versie van het HiLL-MDL-programma laat zien dat het doorrekenen van een dwarsprofiel een vrij tijdrovende zaak is, waarbij zelfs op een snelle PC (zeg 100 MHz) toch één tot enkele minuten nodig is. Dit

tijdbeslag lijkt onaanvaardbaar voor de nagestreefde werking van het gedragsmodel (het snel verkennen van een aantal beheersmogelijkheden); 2) Een ander (welhaast onoverkomelijk) nadeel van het direct vanuit het

SCOPE-model aanroepen van het HiLL-MDL-SCOPE-model, blijkt de nog beschikbare geheugencapaciteit van de computer (uitgaande van een normale

DOS-applicatie). Het aanroepen van een redelijk zwaar extern programma (HILL-MDL)

vanuit een draaiende applicatie (SCOPE/SAFE) vraagt immers om een zekere hoeveelheid nog beschikbaar geheugen. Het huidige scOPE-modei neemt al een significant deel van de maximaal beschikbare 640 Kb in beslag en laat het simultaan draaien van HILL-MDL in de huidige vorm eenvoudig niet toe. De verwachting is dat het verder reduceren van het geheugengebruik van SCOPE bij in stand houden van tenminste de huidige functionaliteit geen oplossing zal bieden, zeker als de functionaliteit in het kader van dit project zal worden uitgebreid (zie eerdere hoofdstukken).

Een vrij drastische oplossing ten aanzien van het laatste aspect zou kunnen zijn om het hele model te verbouwen naar een wiNDOWS-applicatie; de geheugenproblemen zijn dan weliswaar niet meer aan de orde, maar dit vraagt om een relatief zeer significante

(23)

r

n

inspanning (het huidige SCOPE-model met alle in- en uitvoer zal dan moeten worden herschreven).

Gelet op deze nadelen en het feit dat het waarschijnlijk voldoende is om alleen voor het initiële dwarsprofiel een windberekening uit te voeren (de relatieve bodemveranderin-gen zijn ten opzichte van de globale geometrie van het duin immers gering), is bij de verdere uitwerking gekozen voor een andere oplossing, die de directe online-koppeling van SCOPE/SAFE en HILL-MDL omzeilt. In hoeverre deze aanname eigenlijk gerechtvaardigd is zal overigens nog aan de hand van een vergelijkende berekening worden vastgesteld (zie Sectie 7.4.4).

4.2 Uitwerking koppeling 4.2.1 Inleiding

Zoals reeds aangegeven in Sectie 3.4, is de koppeling met het HiLL-MDL-model aange-bracht via een aparte invoerfile voor het SCOPE-model, waarin informatie is weggeschre-ven over het verloop van de amplificatie-factor voor de U..

Voorafgaand aan één of meerdere berekeningen van de profielontwikke|ing met het scoPE/SAFE-model dient dus voor elk van de te gebruiken dwarsprofielen (als aanwezig in een PRF-file) een specifieke HiLL-MDL-berekening te worden uitgevoerd en het verloop van de amplificatie-factor te worden opgeslagen in een aparte, additionele invoerfile voor het SCOPE-model.

Deze zogenaamde Aux-file (Amplificatie-factor U. als functie van X) is gekoppeld aan de file met de profielen vegetatie-informatie en bevat het relatieve verloop van de schuifspanningssnelheid op basis van een met het HiLL-MDL-model uitgevoerde berekening.

4.2.2 Hulpprogramma PRE-SAFE

Voor het aanmaken van deze AUX-files is een apart programma (PRE-SAFE.exe)

geformuleerd, dat voor elke initieel dwarsprofiel het bijbehorende relatieve U.-verloop berekent.

Het opstarten van het PRE-SAFE-programma met een bepaalde PRF-file als argument, levert een bijbehorende Aux-file als resultaat. De informatieblokken in de beide files, respectievelijk #P01, #P02, enz. In de PRF-file en #A01, #A02, enz. in de AUX-file zijn aan elkaar gerelateerd.

Daarbij worden de in de PRF-file gegeven karakteristieken van de vegetatie gebruikt om de voor het windmodel te gebruiken ruwheidswaarde te bepalen. De hiervoor gebruikte procedures in PRE-SAFE en SCOPE/SAFE zijn identiek.

Uitgangspunt hierbij is dat het niveau van de waterstand gelijk is aan de referentiewaarde (zeg NAP); voor een specifieke waterstandsconditie wordt de

transportopbouw pas ingezet op het droge strand, waarmee het mogelijk incorrect zijn van de amplificatiefactoren zeewaarts ervan geen rol meer speelt.

4.2.3 Afwijkende windrichting

Het effect van afwijkende windinvalsrichtingen is ingebracht door toevoeging van drie additionele kolommen in de AUX-file waarin naast het verloop van de amplificatiefactor voor loodrechte inval, ook het verloop voor 'schevere inval' (20 graden) en 'nog schevere inval' (40 en 60 graden) is gegeven.

(24)

Voor tussenliggende waarden kan dan eenvoudig worden geïnterpoleerd.

De beschrijving van deze hulpfile is reeds in meer detail beschreven in Paragraaf 3.4

4.3 Te volgen procedure

Teneinde bij de berekening van het windveld over het dwarsprofiel op een nette wijze rekening te houden met de effecten van zowel de duingeometrie als de aan de vegetatie gerelateerde ruwheid dient voorafgaand aan het draaien van het scoPE/SAFE-model een hulpprogramma worden gedraaid.

Dit programma (PRE-SAFE.EXE) maakt gebruik van de HiLL-MDL-executable en levert, met een bepaalde PRF-file als argument, een bijbehorende Aux-file als resultaat.

In versie 0.71 van het scoPE/SAFE-model bestond reeds de mogelijkheid om de

amplificatie-factor voor de u. uit het HILL-MDL te gebruiken als invoer voor het

SCOPE/SAFE-model. Wanneer deze optie niet wordt gebruikt, maakt het scoPE-model zelf een schatting op basis van de bodem-ruwheid z0. In deze benadering wordt echter geen rekening gehouden met de vervorming van het windveld als gevolg van het aanwezige duinprofiel (zie ook [Steetzel, 1995]).

Teneinde (eventueel) de informatie uit de Aux-file te gebruiken is aan het SCOPE/SAFE-model een routine toegevoegd, die in het betreffende blok van de Aux-file de juiste waarde voor de amplificatie-factor zoekt. In deze Aux-file zijn op een zeker rooster de amplificatie-factoren voor de windinvalsrichtingen 0, 20, 40 en 60 graden

samengebracht. Voor een gegeven invalsrichting wordt de betreffende relatieve u,-waarde door lineaire interpolatie vastgesteld.

Bij het uitvoeren van een berekening met het scoPE/SAFE-model, dient voorafgaand aan het daadwerkelijk beginnen van de berekeningen nog een confirmatie te worden gegeven van de daarbij gebruikte randvoorwaarde-files. Op basis van scherm [655] (bereikbaar via scherm [600]) kan worden beoordeeld of de gebruikte invoer correct is en kan bovendien een indruk worden verkregen over het aantal te doorlopen

berekeningen. Als er informatie over een voorafgaande berekening bekend is zal er tevens een schatting worden gegeven van de met de uitvoering van de berekeningen gemoeide tijd. Met het oog op de koppeling met het windmodel, is in dit scherm nu ook de eventueel gebruikte Aux-file toegevoegd.

(25)

• 5 Testen scoPE/SAFE-model

5.1 Inleiding

In dit hoofdstuk zijn de resultaten van een aantal van de uitgevoerde testen beschreven. Het geïntegreerde scoPE/SAFE-model is daarbij met name getoetst voor wat betreft de werking van een aantal van de in het kader van deze studie aangepaste onderdelen.

In eerste instantie is daartoe het effect van scheef invallende wind onderzocht. Hierbij is met name gekeken naar de wijze waarop de in Hoofdstuk 4 beschreven amplificatie-factor gevoelig is voor een van de kustnormaal afwijkende windrichting.

Vervolgens is op een systematische wijze gekeken naar: - De invloed van de vegetatiekarakteristieken; - Het effect van de geïmplementeerde groeimodule; - Het effect van stuifschermen.

Hiertoe is steeds uitgegaan van ook voor de verdere validatie van het model gebruikte dwarsprofielen (zie Hoofdstuk 6 voor meer details).

5.2 Effect windinvalshoek

Het effect van afwijkende invalshoek op de grootte van de amplificatiefactoren is systematisch onderzocht door voor een drietal verschillende dwarsprofielen het verloop van de amplificatiefactor te berekenen voor zowel loodrecht invallende wind als voor een drietal scheve invalsrichtingen, te weten 20°, 40° en 60°.

Hiertoe zijn de dwarsprofielen gebruikt die eveneens bij de validatie van het model aan de orde komen, te weten: Schiermonnikoog (zie Sectie 6.2), Groote Keeten (Sectie 6.3) en 's-Gravenzande (zie Sectie 6.4).

De resultaten van deze berekeningen zijn samengebracht in Figuur 5.2.

Opgemerkt moet worden dat het hierbij in alle gevallen een ruimtelijk detail betreft, waardoor de amplificatiefactor in het eerste (boven het zeeoppervlak gelegen)

rekenpunt steeds buiten de figuren valt. De waarde in dit eerste rekenpunt is per definitie gelijk aan de eenheid.

Verder mag duidelijk zijn dat slechts de absolute grootte van de invalshoek van belang is; het doet er immers niet toe of deze invalshoek bijvoorbeeld -20° of +20° is.

Uit elk van de figuren blijkt duidelijk dat langs het duinfront de amplificatie-factor afneemt bij een toenemende windinvalshoek. Naarmate de wind onder een grotere hoek invalt, zal het effectieve dwarsprofiel verder uitgerekt zijn (en dus een vloeiender

verloop vertonen), resulterend in een relatief lagere schuifspanningssnelheid. Achter de top van de duin is de situatie precies omgekeerd. Omdat bij een grote windinvalshoek de top van het profiel wat vloeiender verloopt, zal de wind achter de duin de bodemveranderingen beter volgen en dit leidt tot een grotere schuifspannings-snelheid.

Opvallend is nog wel dat de extremen voor het dwarsprofiel van 's-Gravenzande relatief groot zijn. Een sluitende verklaring voor deze discrepantie is (nog) niet gevonden.

(26)

In algemene termen worden de geometrie-geïnduceerde slingeringen in het verloop van de amplificatiefactor minder extreem bij toenemende afwijkingen van de kustnormaal. Dit is geheel conform de verwachtingen.

5.3 Effect vegetatiekarakteristieken

5.3.1 Inleiding

Vegetatiekarakteristieken hebben invloed op de effectieve ruwheid van het

dwarsprofiel. Deze ruwheid bepaalt vervolgens ook het verloop van de wrijvingssnelheid en daarmee de uiteindelijke transportcapaciteit.

Door middel van enige berekeningen is het effect van de volgende vegetatie-karakteristieken nader uitgewerkt:

- Vegetatiehoogte h [m]; - Stengeldiameter d [mm]; - Bedekkingsgraad Cv [-].

Deze berekeningen zijn uitgevoerd uitgaande van de basisinvoer voor Case 1 van

Schiermonnikoog (zie Sectie 6.2 voor meer details). Daarbij is deze basisinvoer steeds als referentie gebruikt.

De resultaten van de uitgevoerde berekeningen zijn samengebracht in Figuur 5.3.1 (in overzicht) en 5.3.2 (in detail) en toegelicht in het volgende.

5.3.2 Effect vegetatiehoogte

De bovenste figuur geeft het effect van de vegetatiehoogte op de profielontwikkeling. Ten opzichte van de basisinstelling van Casel van Schiermonnikoog is de vegetatie respectievelijk verhoogd en verlaagd met 25%.

Hogere vegetatie resulteert in een verlaging van de transportcapaciteit en er zal daarom meer aanzanding aan de duinvoet optreden. Minder zand zal daardoor het duinfront bereiken. De aanzanding is hier dus kleiner.

5.3.3 Effect stengeldiameter

Het effect van de stengeldiameter op de profielontwikkeling is gegeven in de middelste figuur, waarbij diameters van 3, 5 en 7 mm zijn toegepast.

Een dunnere stengel bij een onveranderde bedekkingsgraad, resulteert daarbij overigens in een toename van het aantal stengels per m2. Hierdoor wordt de transportcapaciteit sterker gereduceerd en er zal meer aanzanding optreden bij de duinvoet.

5.3.4 Effect b e d e k k i n g s g r a a d

De onderste afbeeldingen van Figuur 5.3.1 en 5.3.2 geven het effect van de bedekkings-graad op de profielontwikkeling.

Ten opzichte van het basisgeval is de bedekkingsgraad respectievelijk verhoogd en verlaagd met 25%. Wanneer de bedekkingsgraad groter is, zal de transportcapaciteit afnemen en er zal dus meer aanzanding plaatsvinden bij de duinvoet. Minder zand zal het duinfront bereiken.

(27)

•s

5.4 Effect groei module

In het volgende is het effect van het gebruik van de eerder beschreven groeimodule nader uitgewerkt. Hiertoe is gebruik opnieuw gebruik gemaakt van Case 1 van Schiermonnikoog.

Het basisgeval is daarbij uitgegaan van geen groei van de vegetatie, dus gelijk blijvend niveau van de bovenzijde van de vegetatie.

Voor het geval dat afzetting van materiaal instantaan aanleiding geeft tot een groei van de vegetatie en daarmee tot een toename in van het niveau van de bovenkant van de vegetatie, is het resultaat toegevoegd in Figuur 5.4.

Hierbij is gebruik gemaakt van zogenaamde volggroei, waarbij de grootte van de afzetting direct tot een verhoging van het vegetatieniveau leidt. Deze aanvullende berekeningen zijn uitgevoerd voor twee verschillende waarden van de groeifactor, te weten 0.0 en 1.0. In het tweede geval is de instantane toename in het vegetatieniveau gelijk aan de per rekentijdstap optredende afzetting, een situatie die uiteindelijk leidt t o t een volledige bedekking van de vegetatie.

Als blijkt uit de figuren zal groei van vegetatie aanleiding geven t o t een eerder en meer invangen van materiaal in de eerste begroeiing, dit geheel conform de verwachtingen. In hoeverre een dergelijke modellering zinnige resultaten geeft is overigens de vraag. Het ontbreken van elke vorm van tijdsvertraging in de aanpassing van de

vegetatiehoogte lijkt hierbij een van de voornaamste bezwaren.

5.5 Effect stuifschermen

In het volgende is het effect van het aanbrengen van een stuifscherm nader uitgewerkt door toevoeging van een stuifscherm in het bodemprofiel van Case 1 van

Schiermonnikoog.

In Figuur 5.5 zijn de resultaten samengebracht van zowel het normale bodemprofiel als het profiel waarbij op 110 m uit de RSP-lijn een stuifscherm is geplaatst met een

bovenkant op NAP +2.8 m.

De aanwezigheid van een stuifscherm leidt tot aanzanding voor en erosie achter de constructie. Het feit dat in het windstromingsmodel geen rekening wordt gehouden met de aanwezigheid van het scherm en het feit dat er geen regelmatige terugkoppeling is (de optredende bodemveranderingen hebben geen invloed op de windstroming) maakt dat de resultaten van dit soort berekeningen met de nodige voorzichtigheid moeten worden beschouwd.

(28)

• D

6 Validatiegegevens

6.1 Inleiding

In dit hoofdstuk is een korte karakterisering gegeven van de set validatiemetingen die gebruikt is voor de validatie van het windtransportmodel SCOPE/SAFE.

Bij deze validatie zullen een aantal veldmetingen in beschouwing worden genomen, te

weten:

- Een vijftal geselecteerde datasets op Schiermonnikoog (Case S1 t/m S5); - Twee geselecteerde datasets van Groote Keeten (Case GK1 en GK2);

- De resultaten van additionele veldmetingen te 's-Gravenzande (Case GZ1 en GZ2).

Meer details aangaande deze gevallen is gegeven in Hoofdstuk 2 van deel III van het UvA-rapport [Arens e.a., 1997]. Een korte beschrijving van de verschillende cases is gegeven in het volgende.

6.2 Schiermonnikoog

6.2.1 Algemeen

Deze metingen dateren uit januari, april en mei 1991. De meetlokatie bevond zich aan de noordwestkant van het eiland en werd gekenmerkt door een relatief breed strand met een lage zeereep. De duinvoet is schaars begroeid met biestarwegras, de helling en de top van de zeereep zijn voornamelijk met helm begroeid, dit met vanaf de duinvoet gezien snel toenemende vegetatiedichtheid.

Het aanwezig duinzand heeft een gemiddelde korrelgrootte van 172 urn.

Voor verdere achtergronden betreffende deze metingen kan worden verwezen naar [Arens, 1992; Arens, 1994; Arens e.a., 1997].

De windsnelheidsmetingen zijn uitgevoerd op drie hoogtes, te weten ca. 0,8, 2,0 en 5,0 m boven het strand, waarbij op het hoogste niveau tevens windrichtingsmetingen zijn uitgevoerd. Verder zijn temperaturen, relatieve vochtigheid en neerslag gemeten. De profielveranderingen zijn bepaald in een zestal raaien met behulp van erosiepinnen. De globale vegetatiekarakteristieken zijn bepaald aan de hand van een tijdens het veldwerk gemaakte vegetatiekaart, terwijl de waterstanden zijn ontleend aan het Monitoring Systeem Water (MSW).

Voor de validatie van het windtransportmodel is een aantal dagen met aanlandige wind en dus verstuiving en waarneembare profielveranderingen geselecteerd. Voor elk van de geselecteerde vijf gevallen, verder aangeduid met Case S1 t/m Case S5, is een aantal opeenvolgende profielmetingen geselecteerd.

De eerste vier gevallen hebben betrekking op noordelijke winden met duinopbouw (uit april en mei), de laatste op stormomstandigheden met zuidwestelijke wind in combinatie met veel neerslag.

(29)

De karakteristieke meteorologische condities voor deze vijf gevallen zijn samengebracht in Figuur 6.2.1, terwijl de waargenomen profielontwikkelingen in Figuur 6.2.2 zijn gegeven.

6.2.2 Case S1

Deze meting, van 22 t o t 23 mei 1991, vond plaats tijdens vrij krachtige t o t krachtige noordwestelijke wind. Op het strand was er als gevolg van korstvorming sprake van slechts beperkte verstuiving. Meer significante verstuiving vond plaats vanaf de duinvoet richting zeereep.

Figuur 6.2.1a en 6.2.2a geven respectievelijk een overzicht van meteorologische condities de daarbij waargenomen profielontwikkeling.

Ten behoeve van de in het volgende hoofdstuk uitgewerkte validatie is de

tijdsontwikkeling tussen van het dwarsprofiel van 11:20 uur op 22 mei en 7:30 uur op de volgende ochtend (23 mei) in beschouwing genomen; totaal 20:10 uur.

6.2.3 Case S2

De meting (van 14 t o t 15 mei 1991), vond plaats tijdens krachtige noordwestelijke t o t noorden wind. Verstuiving trad voornamelijk op vanaf de duinvoet richting zeereep, ofschoon er tijdens buien ook transport vanaf het strand aanwezig was.

Voor de validatie is de tijdsontwikkeling tussen van het dwarsprofiel van 20:00 uur op 14 mei en 10:00 uur op 16 mei in beschouwing genomen, in totaal een tijdsinterval van 38:00 uur.

Een overzicht van de waargenomen ontwikkelingen en de daarbij optredende condities is gegeven in Figuur 6.2.2b en 6.2.1b.

6.2.4 Case S3

Deze meting in de periode 1 t o t 5 mei 1991, vond plaats tijdens krachtige tot harde noordenwind. Naast de verstuiving uit de duinvoet zijn er ook perioden met sterke verstuiving op het strand aanwezig. Deze verstuiving stopte echter tijdens perioden met overvloedige regenval.

Figuur 6.2.1c en 6.2.2c geven respectievelijk een overzicht van meteorologische condities de daarbij waargenomen profielontwikkeling.

Voor de validatie is in eerste instantie het volledige tijdsinterval van 15:00 uur op 1 mei t o t 9:00 uur op 6 mei bekeken. In het totaal een periode van 114:00 uur.

6.2.5 Case S4

De metingen in de periode 13 t o t 18 april 1991 hebben betrekking op een situatie met krachtige tot harde wind uit noordelijke en noordwestelijke richtingen. Tussen 13 en 14 april vindt daarbij vooral depositie voor de duinvoet plaats. Daarna wordt dit zand echter weer geërodeerd en verder landwaarts verplaatst. Er zijn perioden aanwezig met zeer sterke verstuiving op het strand.

Enkele karakteristieke resultaten van de uitgevoerde metingen zijn samengebracht in Figuur 6.2.1d en 6.2.2d.

De uitgevoerde validatieberekeningen hebben betrekking op het tijdsinterval tussen 9:00 uur op 13 april en 9:00 uur op 18 april, in het totaal dus 5 dagen ofwel 120:00 uur.

(30)

• 6.2.6 Case S5

In de periode 5 tot 8 januari 1991 was er sprake van harde t o t stormachtige wind uit westelijke richting en veel neerslag, met afzettingen aan de loefzijde van het duin als resultaat.

Figuur 6.2.1e en 6.2.2e geven respectievelijk een overzicht van meteorologische condities de daarbij waargenomen profielontwikkeling.

Voor de validatie is een tijdsinterval van 95:00 uur bekeken, en wel van 17:00 uur op 4 januari tot 16:00 uur op 8 januari.

6.3 Groote Keeten

6.3.1 Algemeen

Deze meetlokatie bevindt zich op circa 10 km ten zuiden van Den Helder en w o r d t gekenmerkt door een smal strand en een steile zeereep tot een hoogte van NAP+10 m. Tijdens de metingen van februari 1992 zijn de duinvoet en de helling schaars bekleed met biestarwegras. De top van de zeereep is bekleed met helm, waarbij ook hier sprake is van een bedekkingsgraad die snel in landwaartse richting toeneemt. De karakteristieke korreldiameter bedraagt 259 urn.

Voor verdere achtergronden betreffende deze metingen kan worden verwezen naar [Arens, 1992];Arens, 1994; Arense.a., 1997].

De windsnelheidsmetingen zijn hierbij uitgevoerd op twee hoogtes. Verder zijn ook hier windrichtingen, temperaturen, relatieve vochtigheid en neerslag gemeten.

De globale vegetatiekarakteristieken zijn bepaald aan de hand van een luchtfoto. De waterstanden zijn ontleend aan het Monitoring Systeem Water (MSW) en bepaald uit interpolatie tussen de meetstations Petten en Den Helder.

Voor de validatie zijn een tweetal selecties met voldoende verstuiving en waarneembare profielveranderingen uitgezocht.

6.3.2 CaseGKI

Dit betreft een situatie met loodrecht aanlandige harde westenwind en verstuiving over de gehele zeereep. In deze periode, 15 tot 16 februari 1992, was er relatief weinig neerslag.

In Figuur 6.3 is een overzicht gegeven van de karakteristieke condities en de daarbij waargenomen profielontwikkelingen.

Voor de validatie is het tijdsinterval van 25:30 uur tussen 10:00 uur op 15 februari t o t 11:30 uur op de volgende dag in beschouwing genomen

6.3.3 CaseGK2

Case GK2 betreft een situatie met schuin aanlandige harde zuidwestenwind en verstuiving tegen het duinfront op met depositie boven aan de helling. Tijdens deze metingen, in de periode 19 t o t 22 februari 1992, was er wel sprake van neerslag. Enkele karakteristieke resultaten van de uitgevoerde metingen zijn samengebracht in Figuur 6.3.

Voor de validatie is het tijdsinterval van 72:45 uur tussen 12:00 uur op 19 februari t o t 12.45 uur op 23 februari gekozen.

(31)

r

n

6.4 's-Gravenzande

6.4.1 Algemeen

Speciaal ten behoeve van de validatie van het windtransportmodel is een serie van aanvullende veldmetingen verricht op een lokatie nabij 's-Gravenzande, enkele kilometers ten noorden van Hoek van Holland {Arens e.a., 1997]. De zeereep, hier gevormd door een vrij smalle duinenrij, wordt ter plaatse van de voorzijde van het duinfront ieder jaar ingepoot met rietpoten.

Deze metingen zijn uitgevoerd in de periode juni tot juli 1996 (Set I) en januari t o t februari 1997 (Set II).

6.4.2 C a s e G Z I

Deze meetserie omvat een totale tijdsduur van 4 weken, waarbij elke week metingen zijn uitgevoerd. Voor de validatie zijn in eerste instantie de profielen van 13:30 uur op 28 juni en 9:00 uur op 26 juli gebruikt (totaal tijdsinterval 667:30 uur)

In Figuur 6.4.1 is een overzicht gegeven van de karakteristieke condities en terwijl de daarbij waargenomen profielontwikkelingen zijn gegeven in Figuur 6.4.3. De

windmetingen zijn hierbij afkomstig van een station bij Hoek van Holland.

6.4.3 Case GZ2

Deze meetserie omvat een tijdsduur van 3 weken, waarbij elke week, zowel lokaal als in bij Hoek van Holland, metingen zijn uitgevoerd.

Voor de validatie zijn in eerste instantie de profielen van 14:00 uur op 31 januari en 8:30 uur op 21 februari gebruikt (totaal tijdsinterval 498:30 uur)

In Figuur 6.4.2 is een overzicht gegeven van de karakteristieke condities. De daarbij waargenomen profielontwikkelingen staan in Figuur 6.4.4.