Rapport. Bølgeforhold ved Golta. Forfatter(e) Grim Eidnes Christos Stefanakos Svein Vold

Transkript

1 Fortrolig Rapport Bølgeforhold ved Golta Forfatter(e) Grim Eidnes Christos Stefanakos Svein Vold Foto: Norvald Golten SINTEF Materialer og kjemi Miljøovervåkning og modellering

2

3 Historikk DATO SBESKRIVELSE Rapport 2 av 21

4 Innholdsfortegnelse 1 Innledning Generelt Statistikk Ekstremverdianalyse Laboratorieforsøk Overføringsfaktorer Bølgehøyder Referanser av 21

5 1 Innledning Sund kommune ønsker å utvide og regulere et tilrettelagt næringsareal til marin landproduksjon på Golta, sørvest i kommunen. I planarbeidet inngår blant annet steinuttak for utviding av landområdet og bølgevern for å sikre næringsarealet. Gjennom selskapet Gode Sirklar har Sund kommune bedt SINTEF foreta en beregning av de rådende bølgeforholdene utenfor Golta, og en beregning av hvordan bølgene forplanter seg inn i lokale viker og inn Goltasundet. Beregningene og vurderingene skal kunne brukes som beslutningsstøtte for videre utbygging som etablering av bølgeskjerm og utfylling i sjø. Foreliggende rapport presenterer resultatene av disse studiene. 2 Generelt Bølgeforholdene ved Golta er beregnet ved å bruke en transformasjon av bølger fra en posisjon til havs der bølger og vind antas å være kjent til en kystnær posisjon ved hjelp av en tredje generasjons bølgemodell, SWAN, og detaljert batymetri over området. Batymetridata er i utgangspunktet hentet fra databasen WorldWave, men har blitt forbedret ved å inkludere mer detaljerte data nært land fra Kartverket. Forbedringen vises godt i figur 1. Figur 1. Opprinnelig batymetri for det aktuelle området (til venstre), og korrigert med Kartverkets detaljerte dybdedata nær land (til høyre). Etterkontroll av helt spesifikke grunner og skjær ved innløpet til Goltasundet gjorde det imidlertid nødvendig med ytterligere korrigeringer av dybdedataene. Topografi som ikke var gjengitt tilstrekkelig detaljert i Kartverkets database, ble derfor digitalisert og lagt inn manuelt. 4 av 21

6 Som inndata for posisjonen offshore (60 N, 4.5 Ø), er det brukt tidsserier av vind- og bølgeparametere over en periode på ti år ( ). Disse dataene er hentet fra WAM-modellen som produseres av European Centre for Medium-range Weather Forecasts (ECMWF) kalibrert ved hjelp av satellitt høydedata (Topex og Jason). Beregningene ble kjørt som en nestet modell med et ytre rutenett som vist i figur 2, og et finere rutenett ved selve målpunktet Golta ("target point", TP). Som målpunkt har vi valgt 60 12,5 ' N, 5 0' Ø, se også figur 2. Figur 2. Modellområdet (gul avgrensning) med offshore-posisjonen (rosa kryss) og målpunktet Golta (TP) avmerket. 5 av 21

7 3 Statistikk De statistiske inndataene 1 for offshore-posisjonen og de tilhørende statistiske resultatene for målpunktet Golta er presentert i det etterfølgende med følgende grafer: Én-variabel sannsynlighetsfordeling - Vindhastighet, Ws (figur 3) - Signifikant bølgehøyde, Hs (figur 5a-b) - Pikperiode, Tp, i bølgespekteret (figur 6a-b) To-variabel sannsynlighetsfordeling - Signifikant bølgehøyde, Hs vs. pikperiode, Tp (figur 7a-b) Retningssannsynlighetsfordeling - Vindretning, θw (figur 4) - Bølgeretning, θ (figur 8a-b) Sesongvariasjon - Signifikant bølgehøyde, Hs (figur 9a-b), - Pikperiode, Tp (figur 10a-b), - Bølgeretning, θ (figur 11a-b), De tilhørende årlige frekvenstabellene er gitt i Appendiks. 1 Signifikant bølgehøyde: Gjennomsnittsverdien av den høyeste tredjedelen av individuelle bølgehøyder i en 20 minutters periode. Pikperiode: Bølgeperioden der energien i bølgespekteret er størst. Bølgeretning, vindretning: Retningen som bølgene og vinden kommer fra. 6 av 21

8 Figur 3. Sannsynlighetsfordeling for vindhastighet i offshore-posisjonen. Figur 4. Sannsynlighetsfordeling for vindretning i offshore-posisjonen. 7 av 21

9 Figur 5. Sannsynlighetsfordeling for signifikant bølgehøyde offshore (øverst) og ved Golta (nederst). 8 av 21

10 Figur 6. Sannsynlighetsfordeling for pikperiode offshore (øverst) og ved Golta (nederst). 9 av 21

11 Figur 7. Kombinert sannsynlighetsfordeling for signifikant bølgehøyde og pikperiode offshore (øverst) og ved Golta (nederst). 10 av 21

12 Figur 8. Sannsynlighetsfordeling for midlere bølgeretning offshore (øverst) og ved Golta (nederst). 11 av 21

13 Figur 9. Månedlig signifikant bølgehøyde offshore (øverst) og ved Golta (nederst). 12 av 21

14 Figur 10. Månedlig pikperiode offshore (øverst) og ved Golta (nederst). 13 av 21

15 Figur 11. Midlere månedlig bølgeretning offshore (øverst) og ved Golta (nederst). 14 av 21

16 Noen av de viktigste resultatene er oppsummert i tabell 1 nedenfor. Tabell 1. Et sammendrag av vind og bølgeforhold ved offshore-posisjonen og ved Golta for 10 års perioden 1. august juli 2013 Vindhastighet Midlere Maksimum Hyppigste Dominerende retning Offshore 7,9 m/s laber bris 24,8 m/s full storm 5 6 m/s laber bris 165 /345 SSØ/NNV Signifikant bølgehøyde Offshore Golta Midlere 2,2 m 1,1 m Maksimum 9,9 m 7,2 m Hyppigste 1,0 1,5 m 0,0 0,1 m Dominerende retning Pikperiode Offshore Golta Midlere 8,9 s 8,0 s Maksimum 19,8 s 20,6 s Hyppigste 8,0 s 9,0 s 4 Ekstremverdianalyse Konturlinjer for kombinert sannsynlighet for signifikant bølgehøyde, Hs, og pikperiode, Tp, med returperioder på 1, 10, 50 og 100 år er beregnet både for offshore-posisjonen og for Golta. En tre-parameter Weibull-fordeling har blitt tilpasset en log-normal fordeling av de opprinnelige Tp -dataene. For Golta har vi bare sett på bølger innenfor sektoren Konturlinjene er gitt i Figur 12a-b, og viser ekstremverdier som vist i tabellen nedenfor: Tabell 2. Retningsuavhengige ekstrembølger offshore og utenfor Golta. Signifikant bølgehøyde, Hs, og tilhørende pikperiode, Tp. Returperiode (år) Offshore Golta Hs Tp Hs Tp 1 8,8 13,6 6,5 12, ,4 15,2 7,9 12, ,4 16,3 8,8 13, ,8 16,8 9,1 13,5 15 av 21

17 Figur 12. Konturlinjer for ekstrem signifikant bølgehøyde, Hs, som funksjon av pikperiode, Tp, offshore (øverst) og ved Golta (nederst). 16 av 21

18 Vi har i tillegg kjørt retningsbestemt ekstremverdianalyse for 15 -sektorer mellom 240 og 300. Den beregnede bølgefordelingener da tilpasset en tre-parameter Weibullfordeling ved hjelp av momentmetoden. Det har gitt oss følgende retningsbestemte ekstremverdier for signifikant bølgehøyde, Hs: Tabell 3. Retningsbestemte ekstremverdier for signifikant bølgehøyde, Hs, utenfor Golta. Returperiode år 4,1 5,9 6,4 5,5 2,4 10 år 5,0 7,2 7,8 6,8 2,9 50 år 5,6 8,1 8,6 7,6 3,3 100 år 5,9 8,5 9,0 8,0 3,4 Figur 13. Retningsbestemte ekstremverdier for signifikant bølgehøyde for innkommende bølger ved Golta. Tabell 3 viser at de høyeste ekstremverdiene kan forventes fra vest innenfor sektoren med en 100- års signifikant bølgehøyde på 9,0 m. Det er i god overensstemmelse med den retningsuavhengige maksimalverdien i tabell 2 på 9,1 m der beregningene er basert på en litt annen statistisk metode. Resultatene underbygger hverandre. 5 Laboratorieforsøk I 1983 ble det gjennomført fysiske modellforsøk av Goltasundet ved det som da het Norges Hydrodynamiske Laboratorier (NHL) i Trondheim. Bakgrunnen for modellforsøkene var å undersøke roligheten i havna for alternative utbygginger. Bølgemaskinene ble plassert ute i Sveggasundet, og det ble målt bølgehøyder ved bølgemaskinen, og i åtte soner (sone A - H) innover Goltasundet (figur 14). 17 av 21

19 Figur 14. Til venstre: Modellert område av Golta havn under laboratorieforsøkene i De tre aktuelle områdene for bølgeskjerming i dag er avmerket (posisjon 1-3). Til høyre: Målesondenes plassering under forsøkene; åtte måleposisjoner merket A-H med fire bølgesonder i hver posisjon. (Fra Vold, 1983). Under forsøkene var signifikant bølgehøyde ved bølgemaskinen 4 m, og det ble kjørt med fire forskjellige perioder mellom 7,5 og 12,0 s fra tre forskjellige bølgeretninger (sør, sør-sørvest og sørvest). Målesondene i Goltasundet viste hvordan bølgehøyden gradvis avtok innover som funksjon av bølgeperiode og -retning. 6 Overføringsfaktorer Overføringsfaktoren er definert som forholdet mellom signifikant bølgehøyde i et punkt inne i havna, i forhold til signifikant bølgehøyde utenfor havna. For å beregne overføringsfaktoren for havsjøen som kommer inn fra en gitt sektor til et gitt punkt, benyttes det et regneark. For å kunne sammenlikne overføringsfaktorene fra den fysiske modellen med resultatene fra regnearket, ble det beregnet overføringsfaktorer for sone A og sone B fra regnearket. Det viser seg at det er god overensstemmelse mellom disse to metodene, slik at man benytter regnearket til å beregne overføringsfaktorer for de forskjellige bølgeretningene inn mot de tre posisjonene (se også figur 15). 18 av 21

20 Figur 15. Tabell 4. Aktuell avgrensing av planert næringsområde på Golta. De tre aktuelle posisjonen for bølgeskjerming er avmerket. Overføringsfaktor i sone A og B for de ulike bølgeperiodene og -retningene. Overføringsfaktoren er definert som forholdet mellom signifikant bølgehøyde i et punkt inne i havna, i forhold til signifikant bølgehøyde utenfor havna. En overføringsfaktor på 0,4 betyr at den signifikante bølgehøyden er redusert til 0,4 eller 40 %. (Resultater fra Vold, 1983). Hs Tp Bølgeretning, θ Sone A / Pos. 2 Sone B / Pos.3 4,0 4,0 4,0 7,5 9,0 10,0 12,0 7,5 9,0 10,0 12,0 7,5 9,0 10,0 12,0 S SSV SV 0,225 0,288 0,350 0,295 0,535 0,448 0,335 0,358 0,545 0,575 0,410 0,400 0,103 0,143 0,203 0,295 0,223 0,203 0,235 0,370 0,230 0,265 0,263 0, av 21

21 De beregnete overføringsfaktorer for de forskjellige bølgeretninger er vist nedenfor (figur 16). Som aktuell bølgeperiode er brukt verdiene i tabell 2. Figur 16. Beregnete overføringsfaktorer for de tre aktuelle posisjonene som funksjon av bølgeretningen. 7 Bølgehøyder Posisjon 1 Bølgehøyden er beregnet i innløpet til vika ved alternativ 2 (figur 15) da dette på grunn av dybdeforholdene synes som det mest aktuelle alternativet. Bunnkonturen er slik at man vil få noe refraksjon inn i området. Vi velger derfor å øke bølgehøyden med 5 % på grunn av dette. Bølgehøyden vil øke innover etter hvert som vika blir smalere. Bølgehøydene er forholdsvis store, som igjen fører til at man må ha store blokker for å beskytte området innenfor. Det vil trolig være mest aktuelt å fylle opp hele området innenfor fyllingen. Ved å bygge en såkalt skuldermolo kan vektene på blokkene reduseres en del (i størrelsesorden W 50 = 10 tonn), men dette vil imidlertid kreve langt flere blokker enn ved bygging av en konvensjonell molo. Posisjon 2 Her vil refraksjonen trekke bølgen mot landsiden som er glatt fjell innover mot vika på innsiden av Klubben. Vi velger derfor å øke bølgehøyden med 10 %. Her vil det også trolig være mest aktuelt å fylle opp hele området innenfor fyllingen. Posisjon 3 Ved befaring på stedet fikk vi opplyst at den kraftigste bølgepågangen var inne ved rota på moloen. Grunnen til dette kan være at etter at bølgene har passert Klubben, får man en refraksjon som øker bølgene i dette området. Fyllingen som skal legges her, kommer lenger ut enn dagens strandlinje, og dagens situasjon vil dermed endre seg. Vi velger derfor å øke bølgehøydene inn mot fyllingen med 10 %. Man må imidlertid 20 av 21

22 være oppmerksom på at bølgepågangen mot eksisterende molo kan øke, men dette kan reduseres med å bygge en porøs fylling. Hvis vi baserer oss på de retningsavhengige ekstremverdiene (figur 13), de beregnete overføringsfaktorene (figur 16) og inkluderer de justeringene som er nevnt ovenfor, får vi forventede 100-årsverdier for signifikant bølgehøyde i de tre posisjonene som vist i Figur 17. De tilhørende verdiene er vist i tabell 5. Oppsummert viser beregningene at den høyeste 100-årsbølgen er forventet fra vest-sørvestlig sektor ( ) i alle de tre posisjonene. Den vil ha størst signifikant bølgehøyde i Posisjon 1 med 6,4 m. I Posisjon 2 og 3 vil den være henholdsvis 3,0 og 2,2 m. Figur 17. Forventet 100-års signifikant bølgehøyde i de tre aktuelle posisjonene. Tabell 5. Forventet 100-års signifikant bølgehøyde. Posisjon Pos 1 4,8 6,4 5,8 3,9 1,1 Pos 2 2,8 3,0 1,9 0,9 0,2 Pos 3 2,2 2,2 1,4 0,5 0,1 8 Referanser Vold, S. (1983): Golten havn modellforsøk. SINTEF NHL-rapport nr av 21

23 Appendix

24 Frekvenstabell over signifikant bølgehøyde, Hs (offshore) Data point(s) identification 1. WORLD.203 (0.5) (60 N, 4 30'E) Data: Month(s) : 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 Total number of observations: Hs [m] [o/oo] Statistical Parameters Mean Value: 2.17 Standard Deviation: 1.31 Variance: 0.60 Skewness Coeff.: 1.26 Kurtosis Coeff.: 1.91 Sample Min: 0.13 Sample Max: 9.89

25 Frekvenstabell over signifikant bølgehøyde, Hs (Golta) Target Point ID Location: (60 12' 30"N, 5 E) Depth: 56 m Period of observ. : Month(s) : 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 Total number of observations: Hs [m] [o/oo] Statistical Parameters Mean Value: 1.10 Standard Deviation: 0.99 Variance: 0.90 Skewness Coeff.: 1.39 Kurtosis Coeff.: 2.25 Sample Min: 0.00 Sample Max: 7.17

26 Frekvenstabell over pikperioden, Tp (offshore) Data point(s) identification 1. WORLD.203 (0.5) (60 N, 4 30'E) Data: Month(s) : 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 Total number of observations: T_-10 [s] [o/oo] Statistical Parameters Mean Value: 8.86 Standard Deviation: 2.44 Variance: 0.28 Skewness Coeff.: 0.56 Kurtosis Coeff.: 0.10 Sample Min: 2.42 Sample Max: 19.81

27 Frekvenstabell over pikperioden, Tp (Golta) Target Point ID Location: (60 12' 30"N, 5 E) Depth: 56 m Period of observ. : Month(s) : 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 Total number of observations: T_P [s] [o/oo] Statistical Parameters Mean Value: 8.05 Standard Deviation: 3.30 Variance: 0.41 Skewness Coeff.: Kurtosis Coeff.: Sample Min: 0.74 Sample Max: 20.57

28 Frekvenstabell over midlere bølgeretning, θ (offshore) Data point(s) identification 1. WORLD.203 (0.5) (60 N, 4 30'E) Data: Month(s) : 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 Total number of observations: Theta [deg] [%] Statistical Parameters Mean Value: Standard Deviation: Variance: 0.24 Skewness Coeff.: Kurtosis Coeff.: Sample Min: 0.20 Sample Max:

29 Frekvenstabell over midlere bølgeretning, θ (Golta) Target Point ID Location: (60 12' 30"N, 5 E) Depth: 56 m Period of observ. : Month(s) : 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 Total number of observations: Theta [deg] [%] Statistical Parameters Mean Value: Standard Deviation: Variance: Skewness Coeff.: 0.40 Kurtosis Coeff.: 3.08 Sample Min: 0.05 Sample Max:

30 To-variabel frekvenstabell over Hs og Tp (offshore) Data point(s) identification 1. WORLD.203 (0.5) (60 N, 4 30'E) Data: Month(s) : 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 Total number of observations: Hs [m] T_P [s] Total Total Statistical Parameters Hs[m] T_P[s] Mean Value: Standard Deviation: Variance: Skewness Coeff.: Kurtosis Coeff.: Sample Min: Sample Max:

31 To-variabel frekvenstabell over Hs og Tp (Golta) Target Point ID Location: (60 12' 30"N, 5 E) Depth: 56 m Period of observ. : Month(s) : 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 Total number of observations: Hs [m] T_P [s] Total Total Statistical Parameters Hs[m] T_P[s] Mean Value: Standard Deviation: Variance: Skewness Coeff.: Kurtosis Coeff.: Sample Min: Sample Max:

32 Midlere månedsverdier av signifikant bølgehøyde, Hs (offshore) Data point(s) identification 1. WORLD.203 (0.5) (60 N, 4 30'E) Data: Month(s) : 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 Total number of observations: Months Mean Hs [m] JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC Overall Mean Value Midlere månedsverdier av signifikant bølgehøyde, Hs (Golta) Target Point ID Location: (60 12' 30"N, 5 E) Depth: 56 m Period of observ. : Month(s) : 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 Total number of observations: Months Mean Hs [m] JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC Overall Mean Value 97

33 Midlere månedsverdier av pikperioden, Tp (offshore) Data point(s) identification 1. WORLD.203 (0.5) (60 N, 4 30'E) Data: Month(s) : 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 Total number of observations: Months Mean T_P [s] JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC Overall Mean Value Midlere månedsverdier av pikperioden, Tp (Golta) Target Point ID Location: (60 12' 30"N, 5 E) Depth: 56 m Period of observ. : Month(s) : 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 Total number of observations: Months Mean T_P [s] JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC Overall Mean Value 8.052

34 Midlere månedsverdier av midlere bølgeretning, θ (offshore) Data point(s) identification 1. WORLD.203 (0.5) (60 N, 4 30'E) Data: Month(s) : 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 Total number of observations: Months Mean Theta [deg] JAN 2504 FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC Overall Mean Value Midlere månedsverdier av midlere bølgeretning, θ (Golta) Target Point ID Location: (60 12' 30"N, 5 E) Depth: 56m Period of observ. : Month(s) : 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 Total number of observations: Months Mean Theta [deg] JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC Overall Mean Value

35 Teknologi for et bedre samfunn