Hoogwatervoorspellingen in de Eems Dollard

Hoogwatervoorspellingen in de Eems Dollard Verschillen tussen voorspellingen en metingen

1206239-000 Deltares, 2012

ir. M.W.A. Hounjet

Titel Hoogwatervoorspellingen in de Eems Dollard Opdrachtgever DeltaProgramma Wadden

Project 1206239-000

Kenmerk 1206239-000-ZKS-0005

Pagina's 15

Trefwoorden Hoogwatervoorspelling, Eems Dollard, modellen. Samenvatting Hoogwatervoorspellingen in de Eems- Dollard zijn al een aantal jaren relatief lastig te voorspellen. Er is in deze rapportage genventariseerd aan de hand van de Allerheiligenstorm in 2006 welke oorzaken de verschillen tussen de voorspelling en de metingen kan veroorzaken. Daarnaast wordt er in 2012 een nieuw voorspellingsmodel gepre-operationaliseerd en zal onderzocht worden of er gebruik gemaakt gaat worden van een nieuw KNMI-model. Wanneer deze modellen gecombineerd worden, is de verwachting dat dit een behoorlijke verbetering in toekomstige voorspellingen kan hebben. Hoe groot deze verbetering is, kan nog uitgezocht worden. Eventuele verbeteringen aan het operationele voorspellingsmodel hebben mogelijk invloed op de kwaliteit van de hoogwatervoorspellingen en daarmee invloed op de kwaliteit van de waarschuwingen afgegeven door de Stormvloedwaarschuwingsdienst en andere diensten. Verbeteringen hebben geen directe invloed op de maatgevende waterstanden gebruikt voor het toetsen van de primaire waterkeringen omdat deze waterstanden op een geheel andere wijze tot stand komen. Referenties SBW Wadden Sea, water level modelling, 2009 Deltares 1200114 Effect of Ems sperrwerk on surge level in Eems-Dollard estuary, 2010 Deltares 1202341 Water level modelling of storm events in the Wadden Sea, 2012 Deltares 1204199 Allerheiligenvloed 2006, 2007 Rijkswaterstaat Versie Datum Auteur Paraaf Review Paraaf Goedkeuring Paraaf concept jun. 2012 ir. M.W.A. Hounjet dr. D.S. van Maren concept sep. 2012 Ir. M.W.A. Hounjet Dr. D.S. van Maren Status concept Dit document is een concept en uitsluitend bedoeld voor discussiedoeleinden. Aan de inhoud van dit rapport kunnen noch door de opdrachtgever, noch door derden rechten worden ontleend.

1206239-000-ZKS-0005, Versie concept, 4 oktober 2012, concept

Hoogwatervoorspellingen in de Eems Dollard

i

Inhoud

1 Inleiding 1

2 Situatie 3

3 Oorzaken 5 3.1 Inleiding 5 3.2 Modelresolutie 6 3.3 Meetresolutie 6 3.4 Windvelden 6 3.5 Ems-Sperrwerk 7 3.6 Bathymetrie 7 3.7 Slib en bodemruwheid 8 3.8 Golven 8 3.9 Slinger 8

4 Nieuwe modelleringen 9 4.1 Inleiding 9 4.2 DCSM-ZUNO 9 4.3 HARMONIE 10

5 Overige discussiepunten 13

6 Conclusies en aanbevelingen 14



1 van 15

1 Inleiding

Tijdens de Allerheiligenvloed in 2006 bleken er moeilijkheden te zijn met de hoogwatervoorspelling in de Eems Dollard. Op een gegeven moment was het verschil tussen de hoogwatervoorspelling en de gemeten waterstand bij Delfzijl opgelopen tot 0,82 m. Ook bij andere stormen in de afgelopen jaren vallen de verschillen tussen de voorspellingen en de meetwaarden in het gebied van de Eems Dollard buiten de gebruikelijke marges. Met de bestaande modelinstrumentaria en diverse onzekerheden in het gebied is het voor de ervaringsdeskundigen van de Stormvloedwaarschuwingsdienst lastig om waterstanden in de Eems Dollard binnen redelijke nauwkeurigheidsmarges te voorspellen. In de afgelopen jaren zijn er al onderzoeken gedaan naar mogelijke oorzaken en verbeteringen in de modellen doorgevoerd. Dit jaar wordt er een nieuw hoogwatermodel opgeleverd (DCSMv6 en DCSMv6-ZUNOv4). Hoewel DCSMv6-ZUNOv4 in de Eems-Dollard dezelfde resolutie heeft als het huidige (operationele) Kuststrook Fijn model, wordt een aanzienlijke verbetering van de getijrepresentatie bereikt (ca. 70 % in Delfzijl). Ook de kwaliteit van de opzet verbetert (in hindcast) met meer dan 10%. In deze rapportage worden mogelijke oorzaken nog een keer op een rij gezet en wordt gekeken of er met het nieuwe hoogwatermodel betere voorspellingsresultaten verwacht kunnen worden. De inventarisatie van de mogelijke oorzaken is aan de hand van individuele gesprekken met experts en een gezamenlijke expertsessie uitgevoerd.



2 van 15



3 van 15

2 Situatie

De Eems Dollard bevindt zich op de grens tussen Nederland en Duitsland (zie figuur 1). Bij stormvloed, veroorzaakt door onder andere een ongunstige windrichting en sterkte, wordt water vanaf de Waddenzee de Eems Dollard ingestuwd. In 2002 is er bij Emden het Ems Sperrwerk in gebruik genomen. Bij stormvloed en situaties waarbij schepen een bepaalde diepgang in de Eems nodig hebben, wordt deze gesloten. Wanneer dit tijdens een hoogwatersituatie gebeurt kan dit een extra verhoging in de waterstand van de Eems Dollard veroorzaken. Het meetpunt bij Delfzijl bevindt zich in een haven waarvan de toegangsgeul gescheiden is van de Eems Dollard door een lange strekdam met de opening aan bovenstroomse zijde. Dit zorgt ervoor dat van hoogwatergolven vertraagd kunnen optreden. Daarnaast bestaat de bodem van de Eems Dollard uit getijgeulen met een hoog slibgehalte. Af en toe wordt er gebaggerd om de toegankelijkheid voor schepen in de Eems te waarborgen. Dit kan effect hebben op de getijvoortplanting, stroomsnelheden en debieten in het gebied.

Figuur 1: Eems Dollard met de ligging van getijgeulen.



4 van 15



5 van 15

3 Oorzaken

3.1 Inleiding Uit de ervaringen van de afgelopen jaren bij voorspellingen tijdens diverse stormen blijkt dat er nog steeds teveel onzekerheid zit in de voorspelling ten opzichte van de werkelijk optredende waterstanden (zie figuur 2) bij Delfzijl. De oorzaken hiervan kunnen in verschillende onderwerpen gezocht worden: kwaliteit van afregeling van de gebruikte modellen, modelresolutie, meetresolutie, kwaliteit van de meteorologische voorspellingen, Ems-Sperrwerk, bodemruwheid, bathymetrie en golven.

Figuur 2: Voorbeeld van een Stormvloedflits. In de tabel is te zien dat bij Delfzijl het verschil tussen de verwachting en de stand groter is dan voor de andere locaties.



6 van 15

Nadat in 2006 bleek dat de verschillen tussen voorspelling en meetwaarden voor hoogwatersituaties behoorlijk groot kunnen zijn in de Eems-Dollard, is in diverse studies (o.a. Rijkswaterstaat, 2007) gekeken naar mogelijke oorzaken. In dit hoofdstuk staat een overzicht van deze oorzaken.

3.2 Modelresolutie De modelresolutie van het huidige DCSMv5 is met 8 km erg grof voor het gebied (zie figuur 3). Het fijnere Kuststrook fijn-model dat in het model genest is, heeft een resolutie van enkele honderden meters in dit gebied. De modellen zijn echter niet optimaal op elkaar afgestemd. Het nieuwe DCSM-ZUNOv4 model wat in 2012 gepre-operationaliseerd wordt, is in dit gebied veel nauwkeuriger dan het Kuststrook fijn-model met als voordeel dat er geen modellen op elkaar afgestemd moeten worden. De getijrepresentatie in de Eems-Dollard is in DCSM-ZUNOv4 sterk verbeterd ten opzichte van de huidige operationele modellen. Vanwege de interactie tussen getij en opzet heeft dit ook een verbetering van de opzet tot gevolg.

Figuur 3: grofheid van het oude DCSM-model.

3.3 Meetresolutie In het gebied is een relatief lage resolutie aan meetpunten (meetstations) aanwezig. Bij een dichter meetnet zou het makkelijker zijn om de waterbeweging in de Wadden te modelleren en te monitoren en de resultaten te verwerken in modellen of andere hulpmiddelen.

3.4 Windvelden Het gebied is erg gevoelig voor de windrichting en sterkte. Bij een richting uit het Noordwesten is de invloed van de wind op de waterstand bij Delfzijl het grootst. Wanneer de daadwerkelijk optredende windrichting enkele graden afwijkt van de voorspelde windrichting kan dit grote invloed hebben op het verschil tussen hoogwatervoorspelling en -meting. Daarnaast trad er in november 2006 ook een plaatselijke buistoot op die zorgde voor onvoorziene windtoename en een verhoging van de waterstand. Het KNMI onderzoekt of er inde nabije toekomst overgestapt kan worden op een nieuw meteorologisch model, HARMONIE, en kan hiermee naar verwachting ook nauwkeuriger windrichting en -sterkte voorspellen. Op dit moment wordt het model getest op diverse stormsituaties, o.a. de Allerheiligenstorm. Indien HARMONIE de locale windvelden beter kan voorspellen, zal dit bijdragen aan een verbeterde nauwkeurigheid van de hoogwatervoorspelling.



7 van 15

3.5 Ems-Sperrwerk In 2002 is het Ems-Sperrwerk (zie figuur 4) in bedrijf gegaan. Bij hoogwater of bij het doorlaten van grote schepen wordt het tijdelijk gesloten. Dit zorgt voor een waterstandverhoging in de Eems-Dollard. Het aantal extra centimeters wat er bij de waterstand opgeteld kan worden is meerdere malen onderzocht (o.a. Deltares, 2010) en varieert van 8 cm tot 20 cm bij tot nu toe opgetreden stormen. Het hangt erg van de storm af of de waterstandsverhoging significant is of niet. In de praktijk wordt door de ervaringsdeskundigen van de Stormvloedwaarschuwingsdienst 15 20 cm bij de voorspelling opgeteld wanneer het Ems-Sperrwerk dicht gaat.

Figuur 4: Ems-Sperrwerk bij doorgang cruise-schip (www.oz-online.de)

3.6 Bathymetrie In het nieuwe model DSCMv6-ZUNOv4 wordt gebruik gemaakt van bodemmetingen uit 2002. Omdat de bodem in het gebied getijgeulen (zie figuur 5) bevat die veranderen in de tijd en de waterbeweging hierdoor benvloed wordt, kan het zijn dat de bodem in het model na een aantal jaren teveel af gaat wijken van de werkelijke bodem. Omdat dit de stroming benvloedt kan het ook effecten hebben op de waterstanden.

Figuur 5: Ligging van de geulen in de Eems Dollard.



8 van 15

In het huidige Kuststrook fijn model is de Eems gemodelleerd als een kanaal met uniforme bodem, terwijl deze in werkelijkheid varieert. Door de aanwezigheid van uiterwaarden is het natte oppervlak afhankelijk van de waterstand. Een verbeterde schematisatie van de bathymetrie van de Eems is in 2009 opgenomen in het Kuststrook fijn model.

3.7 Slib en bodemruwheid De bodem in het gebied bestaat vermoedelijk gedeeltelijk uit slib. Een slibrijke bodem heeft een lagere ruwheid dan een slibarme bodem. Een verandering in het slibgehalte op de bodem (tijdens of na stormen) kan daarom invloed hebben op getijvoortplanting en de golfhoogtes en voortplanting. Onduidelijk is nog of de aanwezigheid van slib een significant (een of meerdere decimeters) effect kan hebben op de hoogwatervoorspelling. Hoewel de slibhoeveelheid in het gebied redelijk bekend is, is er nog geen systematisch onderzoek gedaan naar de invloed hiervan op de hoogwatervoorspelling.

3.8 Golven Golven hebben invloed op de waterstand. Windvelden spelen een grote rol bij het ontstaan van golven. Wanneer golven breken kan dit een waterstandverhoging (golfopzet) veroorzaken. In zowel het oude model als het nieuwe DCSM-model is er geen golfopzet meegenomen in de berekeningen. In het model Delft 3D is dat wel het geval. De verwachting is dat het effect van golfgedreven opzet geen halve meter zal zijn maar enkele decimeters is wel mogelijk.

3.9 Slinger Tijdens diverse stormen is er in de meetwaarden een soort slinger of hikje te zien rondom de piekwaarden (zie figuur 6). Deze slinger kan soms voor 20 cm hogere waterstanden zorgen. Het is bij elke storm onduidelijk of de slinger op zal treden en op welk moment. Dit kan voor de piek, erna of zelfs tijdens de piek gebeuren. Het fenomeen is niet goed te modelleren en het vermoeden bestaat dat het veroorzaakt wordt door niet-stationaire wind of resonantie in het bekken. Wat wel bekend is, is dat in bijvoorbeeld het Ketelmeer soortgelijke fenomenen voorkomen.

Figuur 6: Aanwezigheid van een hikje of slinger op de piekwaarden van het hoogwater.



9 van 15

4 Nieuwe modellen

4.1 Inleiding In 2012 wordt het nieuwe model DCSMv6-ZUNOv4 gepre-operationaliseerd. Vooral de representatie van het getij is hierin een grote verbetering ten opzichte van de huidige operationele modellen. Daarnaast wordt er een nieuw meteorologisch model van het KNMI getest, HARMONIE, waarvan verwacht wordt dat het beter de lokale windvelden voorspelt. Het is interessant om te kijken hoe de modelvoorspellingen in 2006 eruit gezien zouden hebben wanneer het DCSM-ZUNO model in combinatie met het HARMONIE-model van KNMI beschikbaar zou zijn geweest. Op dit moment is er afzonderlijk gekeken naar DCSMv6-ZUNOv4 en naar HARMONIE.

4.2 DCSM-ZUNO Een van de belangrijkste verbeteringen voor de Eems Dollard in het DCSMv6-ZUNOv4 model is de getijvoortplanting. In de Eems Dollard heerst een grote variabiliteit in getij. DCSMv6 is in diverse historische situaties getest en gevalideerd aan de hand van hindcasts. In onderstaande tabel en figuren is te zien dat in de getijvoortplanting de grootste winst behaald is voor wanneer naar de resultaten van een heel jaar gekeken wordt (2007). Ook de opzet laat betere resultaten zien, zowel de hoogwater- als de laagwatervoorspelling is verbeterd.

Model (2007)

RMSE (getij)

RMSE (opzet)

RMSE (volledig)

RMSE (hoogwater)

RMSE (laagwater)

DCSMv5 9.5 9.1 13.1 11.3 11.0 DCSMv6 3.7 6.9 7.8 7.4 7.5 -61% -24% -40% -35% -32% Tabel 1: Resultaten over het jaar 2007 bij een selectie van locaties langs de kust met het oude (DCSMv5) en het nieuwe (DCSMv6) hoogwatervoorspellingsmodel. Onderstaande grafieken (figuur 7) laten zien dat wanneer de resultaten van 1 maand vergeleken worden tussen de twee modellen, dat dan ook de getijvoortplanting de grootste verbeteringen laat zien. In de grafieken staan de resultaten van DCSMv6-ZUNOv4 rechts van de resultaten van DCSMv5.



10 van 15

Figuur 7: Vergelijking tussen de resultaten van DCSMv5 (links) en DCSMv6-ZUNOv4 (rechts) gedurende de maand januari.

4.3 HARMONIE De hoogwatervoorspellingsmodellen maakten tot nu toe gebruik van het HIRLAM-model. KNMI heeft een nieuw meteorologisch model ontwikkeld. Naar verwachting zal dit model, genaamd HARMONIE, HIRLAM binnen een jaar vervangen en wordt op dit moment getest. Dit model zou de windrichting en kracht preciezer kunnen voorspellen. Het nieuwe model HARMONIE beslaat echter een kleiner gebied dan het oude HIRLAM-model.

Figuur 8: De grootte van het DCSMv5 ten opzichte van HARMONIE (zwarte kader). HARMONIE valt ook in een kleiner gebied dan de hoogwatervoorspellingsmodellen (zie figuur 8). In een studie waarin het effect van HIRLAM en HARMONIE-windvelden op de waterbeweging met DCSMv5 bestudeerd is (2009, Deltares) was het allereerst nodig om de meteorologische waarden uit HARMONIE te extrapoleren over het hele gebied waarin de



11 van 15

hoogwatervoorspellingen gedaan worden (zie figuur 8). Dit kan door de resultaten van HARMONIE op de grens te extrapoleren naar de rest van het gebied of door de waarden van HARMONIE te combineren met de waarden van HIRLAM op de plekken waar HARMONIE geen resultaten geeft. In figuur 9 is te zien hoe de voorspellingen ten opzichte van de meetwaarden bij Delfzijl in de 2006 storm verlopen wanneer DCSMv5 gebruikt wordt met HIRLAM of met HARMONIE. Hierin wordt met HARMONIE in de piek een 30 cm kleiner verschil tussen voorspelling en meetwaarde verkregen. Verwacht wordt dat wanneer HARMONIE gecombineerd wordt met DCSMv6-ZUNOv4 het verschil tussen voorspelling en meetwaarde nog kleiner kan worden.

Figuur 7: Resultaten van HIRLAM en HARMONIE in combinatie met het hoogwatervoorspellingsmodel

DCSMv5.



12 van 15



13 van 15

5 Overige discussiepunten

Een belangrijk punt van deze inventarisatie is dat er niet alleen naar de storm uit 2006 en de locatie Delfzijl gekeken moet worden. Voor een eerste overzicht is dat in deze studie wel gedaan. Elke storm is echter weer anders en kan goede of slechte resultaten geven voor een bepaald voorspellingsmodel. Om een goede nauwkeurigheidsanalyse te doen zullen meerdere stormsituaties vergeleken moeten worden. Wat een algemene vraag was bij de raadgepleegde experts is of de hoogwaters de afgelopen jaren veranderd zijn en of het klopt dat de herfstperiodes warmer zijn dan voorheen en er meer turbulentie in de atmosfeer is. Dit zou ook een verklaring kunnen zijn voor steeds lastiger voorspellingen. Verder ligt er een wens voor een dichter meetnet in het gebied om meer gegevens over de waterbeweging in de Wadden ter beschikking te hebben. Dit zorgt voor meer inzicht in de problematiek in het gebied en modellen kunnen beter gemonitord worden. Tenslotte is er nog gesproken over de relatie tussen de lastiger voorspellingen en de maatgevende hoogwaterstanden: met andere woorden geldt dezelfde onder/overschatting ook voor de waterstanden waarmee de primaire waterkeringen worden getoetst? Een vervolgvraag hierop is de vraag of de lastigere voorspellingen de toekomstige veiligheidsopgave benvloeden. Op basis van de huidige aanpak geldt dat er geen relatie is tussen de lastiger voorspellingen en de maatgevende hoogwaterstanden of de toekomstige veiligheidsopgave. Dit komt door het feit dat de maatgevende waterstanden (en de toekomstige veiligheidsopgave) worden vastgesteld met een heel ander instrumentarium. Om te beginnen wordt voor de afleiding van de maatgevende waterstanden gebruik gemaakt van een set van modellen dat een veel fijnere resolutie heeft dan het model dat gebruikt wordt voor de operationele voorspellingen. Ten tweede is het zo dat de resultaten van de berekeningen voor de maatgevende waterstand gecombineerd worden met statistiek van lokaal gemeten waterstanden. Dit maakt dat de over/onderschatting van de waterstanden in het operationele voorspellingsmodel geen invloed hebben op de maatgevende waterstanden en/of de toekomstige veiligheidsopgave. Geconcludeerd wordt dan ook dat de over/onderschatting van de waterstanden door de operationele waterstandmodellen geen invloed heeft op de veiligheid tegen overstromen.



14 van 15

6 Conclusies en aanbevelingen

In de op stapel staande modellen is veel verbeterd en er zijn goede resultaten te verwachten wanneer deze modellen operationeel draaien. De getijvoortplanting in het hoogwatervoorspelmodel is al een grote verbetering en zal juist omdat getij een belangrijk mechanisme is in de Eems Dollard, tot betere resultaten leiden. Daarnaast waren windrichting en wind-kracht een onzekere factor in het gebied. Wanneer ook HARMONIE operationeel is kan de combinatie van deze twee modellen vermoedelijk veel onzekerheid wegnemen. De mate van deze onzekerheid kan nog verder onderzocht worden door middel van historische forecasts. Resultaten uit toekomstige stormseizoenen kunnen na operationalisering van beide modellen ook onderzocht worden om te kijken welke overige factoren onzekerheden veroorzaken en in welke mate ze voor onzekerheden zorgen. Aanbevolen wordt om in het vervolgtraject 2 sporen op te pakken: een spoor waarin onderzocht wordt of er op korte termijn technische aanpassingen gedaan dienen te worden en hoe er geprioriteerd moet worden en een spoor waarin een communicatietraject opgezet wordt.

Het eerste spoor bevat een studie naar de werking van de modellen HARMONIE en DCSM-ZUNO door middel van historische forecasts voor diverse stormen en locaties. Hieruit wordt afgeleid of de waterbeweging in het gebied beter ingeschat wordt door de modellen dan op dit moment het geval is. Wanneer dit zo is en de ervaringsdeskundigen van de Stormvloedwaarschuwingsdienst voldoende vertrouwen hebben in de uitkomsten als basis voor hun voorspellingen kan tijdens het operationeel draaien van de modellen in toekomstige stormseizoenen bekeken worden of er aanleidingen zijn om nauwkeurigheid van de modellen nog eens na te gaan. Wanneer er toch tot de conclusie gekomen wordt dat bepaalde processen nog beter verwerkt kunnen worden in het hoogwater voorspelmodel of als hulpmiddel voor de ervaringsdeskundigen, wordt een prioritering vastgesteld op basis van de uitkomsten van bovenstaande studie. De processen kunnen te maken hebben met: Slib: er wordt vermoed dat de hoeveelheid slib in het gebied toeneemt. Dit wordt in

lopende projecten onderzocht. Om de impact op de hoogwatervoorspelling vast te stellen, is echter aanvullend onderzoek nodig.

Bathymetrie: er is onzekerheid over de snelheid van de verandering van de bodem (ligging en diepte van de getijgeulen) en of de getijvoortplanting hierdoor benvloed wordt.

Golven: gekeken kan worden welke rol golfopzet in het gebied speelt en of dit voldoende groot is om golfopzet mee te nemen in de modellen.

Slingering: onduidelijk is nog waar de slingering die regelmatig in de hoogwatermetingen teruggezien wordt vandaan komt en wanneer deze optreedt. Meer duidelijkheid hierover verbetert het inzicht van de ervaringsdeskundigen.

Daarnaast wordt voor het tweede spoor aanbevolen om de communicatie rondom de nieuwe voorspellingsmodellen en de resultaten tot nu toe op te zetten. Het is belangrijk dat de diverse betrokken partijen die met het gebied te maken hebben inzicht hebben in de werking van de nieuwe en oude modellen. De resultaten van de studie naar de werking van HARMONIE en DCSMv6-ZUNOv4 dienen hiervoor als input. Geadviseerd wordt om een



15 van 15

bijeenkomst te organiseren met de betrokken partijen in het gebied, de resultaten te presenteren en overige vragen en zorgen te verzamelen. Het doel hiervan is om weer meer vertrouwen te wekken in de voorspelmodellen en hoe de ervaringsdeskundigen van de Stormvloedwaarschuwingsdienst hiermee omgaan en om aanvullende informatie in te winnen over mogelijke andere oorzaken die voor onzekere voorspellingen zorgen.

Hoogwatervoorspellingen in de Eems Dollard

Documents

Transcript of Hoogwatervoorspellingen in de Eems Dollard