Een noordwestelijke storm zoals in de nacht van 21 op 22 december trok de aandacht voor de waterveiligheid aan de Nederlandse kust. Zo sloot de Maeslantkering voor het eerst automatisch tijdens een hoogwater. Afgelopen twee jaar is binnen HKV onderzoek uitgevoerd naar extreme stormen op de Noordzee. Hiervoor hebben we een prototype ontwikkeld om extreme wind en waterstanden te beschrijven. Dit is uitgevoerd in opdracht van Rijkswaterstaat (RWS). Met dit model kunnen waterstanden en golven berekend worden langs de Nederlandse kust, voor het toetsen en ontwerpen van de waterkeringen. In vergelijking met de huidige aanpak, het WBI 2017, is in dit prototype meer aandacht voor de fysische processen tussen wind, stormopzet en getij. Dit leidt tot een model waarmee niet alleen de kans op extreme stormen, maar ook het verloop in de tijd van de stormen (wind- en waterstanden) kan worden meegenomen. Het prototype, genaamd “KustProfy” is in Python gekoppeld aan meerdere faalmechanismen van waterkeringen. Op deze manier kunnen we met modellen bepalen hoe de schade ontwikkelt bij een dijk tijdens extreme stormgebeurtenissen, om zo de overstromingskans realistisch te benaderen.
Data
In het onderzoek is de beschikbare data vanuit het Europees Centrum voor Weersverwachtingen op Middellange Termijn (ECMWF) van bijna 8.000 jaar aan gesimuleerde windgegevens gebruikt. Ter vergelijking, de huidige aanpak is gebaseerd op ca. 100-150 jaar aan metingen. Door het KNMI zijn de gesimuleerde tijdreeksen met windgegevens van het ECMWF omgezet naar tijdreeksen van zeewaterstand. Deze tijdsverlopen zijn door HKV geanalyseerd om karakteristieke wind- en waterstandsverlopen en bijbehorende kans van voorkomen af te leiden. Dit is hieronder nader toegelicht.
Verlopen
Uit een data analyse is gebleken dat het stormverloop afhankelijk is van bepaalde eigenschappen, zoals de windrichting, de duur van de windsnelheid en het faseverschil tussen de stormopzet en het astronomisch getij. Op basis van deze karakteristieken hebben we de stormen gebundeld en vertaald naar representatieve stormverlopen. Een voorbeeld is gegeven in Figuur 1.
Figuur 1: Vergelijking van de tijdsverlopen voor wind, stormopzet en waterstand voor Harlingen tussen de huidige schematisatie (zwart) en de afgeleide verlopen uit het prototype (blauw). Voor een windrichting van 270 °N, een fase van 4.7 uur, een maximale windsnelheid van 25 m/s en een maximale opzet van 1.5 m.
In de figuur zijn de representatieve verlopen met verschillende duren weergegeven in het blauw, voor één fase en één windrichting. In het zwart is het geschematiseerde trapeziumvormige verloop op basis van de huidige aanpak uit het WBI2017 weergegeven. Een opvallend verschil met de huidige schematisatie zijn de nevenpieken in het opzetverloop van de middelste figuur (surge height). Dit komt doordat de wind bij laag getij meer opzet creëert dan bij een grotere waterdiepte. Daarnaast is veel variatie te zien in de stormduur, voor de verschillende stormkarakteristieken en locaties langs de kust. Dit soort fysische eigenschappen komen dankzij het gebruik van de gesimuleerde tijdreeksen beter terug in het model. Hierdoor kunnen we het verloop van een hoogwater in de toekomst nauwkeuriger modelleren.
Statistieken
Dankzij de gesimuleerde data is het mogelijk om de wind- en opzetstatistiek op te stellen gegeven het faseverschil tussen getij en opzet, de windduur en windrichting. Ter vergelijking, in het huidige model is alleen onderscheid gemaakt naar de windrichting. Figuur 2 illustreert dat het meenemen van deze stormkarakteristieken veel invloed hebben op de statistiek.
Figuur 2: Vergelijking van de statistiek voor opzet (links) en windsnelheid (rechts) voor verschillende combinaties van windduur en fase, voor de windrichting Noordwest bij Hoek van Holland.
De kleuren geven verschillende duren van de windsnelheid weer (dcu), die variëren in klassen van de 20% ([0-20]) kortste stormen tot de 20% langste stormen ([80-100]). De lijnstijlen geven verschillende fases tussen getij en opzet (ϕ) in uren weer. De lijnen zijn een extrapolatie van de datapunten o.b.v. van het fitten van een verdeling. Als we de verschillende kleuren met elkaar vergelijken, dan zien we in de linker figuur dat een lange windduur gepaard gaat met hogere opzetten (paarse lijnen liggen boven). In de rechterfiguur is echter te zien dat hogere windsnelheden vaak samengaan met een korte windduur (blauwe lijnen liggen boven). Bij een terugkeertijd van 100 jaar is het verschil in opzethoogte circa een halve meter en in windsnelheid circa vier meter per seconde. Dergelijke verschillen in de statistiek hebben grote invloed in de doorvertaling naar de overstromingskans en naar operationele modellen. In de huidige aanpak voor de statistiek is geen onderscheid gemaakt voor verschillende duren of fases. We adviseren dan ook om de statistiek in de toekomst uit te breiden met deze karakteristieken.
Overstromingskansen
Door HKV is het prototype ontwikkeld en toegepast binnen een Kennis voor Keringen onderzoeksproject om voor verschillende faalmechanismen de invloed op de overstromingskans te bepalen. Hieruit blijkt dat het toepassen van deze tijdsverlopen flinke verschillen kan geven in de overstromingskans van dijken, in vergelijking met de huidige aanpak. Zo zien we met dit model een tien keer kleinere overstromingskans voor graserosie op het buitentalud bij Vlissingen, maar een tien keer grotere overstromingskans voor piping. Dit prototype biedt ons de mogelijkheid om de variabiliteit in stormen en het effect daarvan op het falen van keringen beter te beschrijven.
Conclusies
Het prototype maakt gebruik van een nieuwe aanpak waarbij gebruik wordt gemaakt van grote hoeveelheden gesimuleerde tijdreeksen van wind- en waterstanden. Dankzij deze tijdreeksen is het mogelijk om extrapolaties naar (zeer) zeldzame situaties (die eens per 1000 jaar of minder voorkomen) te verbeteren. Daarnaast geven de gesimuleerde reeksen inzicht in het tijdsverloop van de wind en waterstand gedurende extreme stormen aan de Nederlandse kust. Dit is belangrijk, omdat we daarmee het verloop van een hoogwater en de veroorzaakte schade beter kunnen modelleren.
WaterForum heeft in haar nieuwsbrief van week 6 een artikel gewijd aan het KustProfy model: https://www.waterforum.net/41466-kustprofy-kan-mogelijke-stormschade-aan-keringen-nauwkeurig-in-beeld-brengen/
