Modelling of wave penetration in complex areas: analyses of hindcast data

Als onderdeel van het Wettelijk Toetsinstrumentarium 2017 (WTI2017) worden Hydraulische Randvoorwaarden (HR) berekend. Deze zullen aan het einde van 2015 beschikbaar zijn en naar verwachting in 2017 door de Minister worden vastgesteld. De HR bestaat uit een combinatie van waterstanden en golfcondities onder maatgevende omstandigheden. Om de maatgevende golfcondities te bepalen wordt de golfstatistiek op dieper water vertaald naar de teen van de dijk met het golfmodel SWAN. Deze vertaling is vooral in complexe watersystemen als de Waddenzee en de Westerschelde uitdagend. In de afgelopen jaren zijn er vele modelverbeteringen in SWAN doorgevoerd, vooral op het gebied van voortplanting, bodemwrijving en diepte-geïnduceerd breken. Uit de diverse hindcasts is gebleken dat SWAN echter de doordringing van Noordzee golven (frequentiebereik van 0.03 Hz en 0.20 Hz) in de estuaria en zeegaten onderschat.\r\nVooralsnog is dit probleem niet opgelost.\r\n\r\nVoorgaande studies toonden aan dat 2D niet-lineaire wisselwerkingen (en in het bijzonder de subharmonische interacties) een belangrijke rol spelen in de transmissie van energie van de ondiepe platen naar de diepe geulen. Dit 2D mechanisme zou de onderschatting van laagfrequente energie in complexe getijdebekkens en estuaria kunnen verklaren. Met het bovenstaande mechanisme in het achterhoofd is in deze studie onderzocht voor welke situaties de golfenergie in SWAN onderschat wordt, wanneer golven zich in complexe getijdebekkens en estuaria voortplanten.\r\nMet dit doeleinde zijn verschillende bestaande hindcast studies opnieuw geanalyseerd. Het gaat om 30 hindcast momenten in de Westerschelde, 26 hindcast momenten in het Amelander Zeegat en 11 hindcast momenten in de Oostelijke Waddenzee. Hierbij is niet alleen gebruik gemaakt van 1.5D golfspectra en ruimtelijke velden van golfrichting en water diepte, maar ook van 2D golfspectra en radar informatie.\r\n\r\nUit de analyse volgt dat de verschillen tussen gemeten en berekende laag-frequente energie vaak al te zien zijn in de buitendelta van een getijdebekken of estuarium. Hierbij speelt de lokale geometrie, zoals de ligging en vorm van platen en geulen, een belangrijke rol. In alle drie de onderzochte gebieden konden sommige verschillen tussen de gemeten en berekende golfhoogtes verklaard worden aan de hand van de hypothese van niet-lineaire wisselwerkingen. Uit de 2D golfspectra kon worden afgeleid dat de gemeten golven in sommige gevallen wel tot de geul kunnen doordringen, terwijl de berekende golven door refractie op de geulwand blijven hangen. \r\n\r\nDe hoek van golfinval en de waterstand kunnen de sterkte van de niet-lineaire wisselwerkingen (resulterend in verbreding van de richtingsruimte van het spectrum) bepalen en hebben daardoor invloed op de doordringing van golfenergie van platen naar geulen en uiteindelijk naar de dijken binnenin het zeegat of estuarium. Echter, niet alle gevallen waarbij de laag-frequente energie wordt onderschat, kunnen worden verklaard met de hypothese van de niet-lineaire wisselwerkingen. Tal van andere aspecten, die niet verder onderzocht zijn in deze studie, hebben invloed op de betrouwbaarheid van de SWAN resultaten.\r\n\r\nHet is daarom onmogelijk om een generieke conclusie te trekken ten aanzien van de modelfout van SWAN met betrekking tot de onderschatting van laag-frequentie energie. Op dit moment kan alleen worden aangegeven voor welke gebieden deze modelfouten in SWAN waarschijnlijk optreden. Uit de analyse in deze studie kan worden afgeleid dat dit waarschijnlijk het geval is voor de SWAN resultaten voor de kust van Zeeuws-Vlaanderen, de landhoofden van de Waddenzee eilanden en voor de dijken in het Eems-Dollard estuarium, tijdens stormcondities met noordelijke tot noordwestelijke windrichtingen.\r\n