Havbrukstjenesten Vind og havbølgeberegning Tirstein, Bjugn

Transkript

1 Havbrukstjenesten Vind og havbølgeberegning Tirstein, Bjugn

2 TIRSTEIN, BJUGN OPPDRAGSGIVER Havbrukstjenesten AS Siholmen 7260 Sistranda Lokalitet: Kontaktperson: Tirstein Arild Kjerstad Dokument type Tittel Prosjektnr / akt Beregningsrapport Bølgeanalyse Lokalitetsklassifisering, Tirstein, Bjugn Filplassering E:\8466LOKA\Dokumenter\ Lokalitetsvurdering\Rapp039_34_9891_Havbrukstjenesten_tirstein.doc SAMMENDRAG Det er utført vind og havbølgeberegning av lokaliteten Tirstein, Bjugn kommune. En nummerisk 3D bunnmodell av området er bygget og forplantning av havbølger inn mot lokaliteten er beregnet. Strømmålinger har ikke vært tilgjengelig, slik at endelig lokalitetsklassifisering ikke kan fastsettes. Havbølger: Lokaliteten er eksponert for havbølger med offshore bølgeretning N-NV. 50 års dønning ved lokaliteten har signifikant bølgehøyde H s 1.6 m med topperiode 10.8 s og retning fra 20. Vindbølger: Lokaliteten er spesielt utsatt for vindbølger generert av nordlige vinder. 50 års vindbølge ved lokaliteten har signifikant bølgehøyde H s 2.9 m med topperiode 7.9 s og retning fra 20. Kombinertbølger: Kombinasjon av vindbølger og havdønninger gir 50-års kombinert bølgetilstand på lokaliteten. Kombinert sjøtilstand har en maksimal beregnet signifikant bølgehøyde på 3.1 m og en topperiode på 7.4 s. Denne sjøtilstanden oppstår når vind og havbølger kommer inn fra nord. Lokalitet Bølger (50-år) Strøm (10 år) Lokalitetsklasse Tirstein, Bjugn Signifikant bølgehøyde H s Nullkryssningsperiode, T m 7.4 s Retning (fra) 21 Strømhastighet V c Bølgeklasse E Strømklasse E Oppdragsansvarlig Saksbehandler Basile Bonnemarie Trond Sagerup REVISJONSSTATUS Rev Dato Beskrivelse Utf Kntr Godkjent Foreløpig rapport TS AF

3 TIRSTEIN, BJUGN 3 Innholdsfortegnelse 1. Bakgrunn Områdebeskrivelse Fastsettelse av 50-års vindhastighet Fastsettelse av 50-års vindbølgetilstand Beregningsgrunnlag Resultat av vindbølgeberegninger Fastsettelse av 50-års havbølgetilstand Beregningsgrunnlag Beregningsresultater Fastsettelse av 50-års kombinert sjøtilstand Konklusjon: Endelig lokalitetsklassifisering Litteratur og referanser Vedlegg 1 - Metode for lokalitetsklassifisering Vindfart og vindretning Fastsettelse av strøm Vedlegg 2 - Definisjoner Vedlegg 3 - Figurer Vedlegg Bølgespekter vindbølger Vedlegg Bølgespekter havbølger Vedlegg Bølgespekter kombinertbølger

4 TIRSTEIN, BJUGN 4 1. Bakgrunn På oppdrag fra Havbrukstjenesten ved Arild Kjerstad er det utført vind og havbølgeberegning ved lokaliteten Tirstein. Rapporten skal være en del av en lokalitetsklassifisering. I tillegg til denne rapporten må det utføres strømmålinger ved lokaliteten for en komplett lokalitetsklassifisering. Strømmålinger og analyse er ikke en del av denne rapporten. Med lokalitetsklassifisering menes å bestemme hvilken eksponeringsgrad lokaliteten faller inn under. Eksponeringsgrad er angitt ved maksimal opptredende bølgehøyde og strømhastighet. Standard for design, utforming og drift av oppdrettsanlegg NS 9415 har angitt en tabell som deler lokalitetene inn i ulike klasser avhengig av kombinasjonen bølger og strøm. Som en del av NYTEK (en ordning med mål om å redusere rømming av fisk) er det krav om forhåndsklassifisering av lokaliteter som skal brukes til oppdrettsvirksomhet. Norsk standard, NS 9415, beskriver hvilke parametere og metoder som brukes for undersøkelse av en lokalitet. Det er av myndigheter satt krav om at alle anlegg skal ha dugelighetsbevis. Klassifisering av utstyr blir gjort ut fra fysiske og oseanografiske forhold ved lokaliteten. Denne rapporten er avgrenset til vurdering av vind- og bølgeforhold. Klassifisering utført i henhold til Norsk Standard: NS 9415 og NS Områdebeskrivelse Lokalitetsopplysninger er som følger: Tabell 1. Lokalitetsopplysninger Lok.nr Lokalitet Geografisk koordinat Datum Kommune Art Tirstein N Ø WGS84 Bjugn

5 TIRSTEIN, BJUGN 5 Figur 1. Oversiktkart over området i Tirstein, Bjugn. Anleggets beliggenhet er merket med et rødt '+' og et 1-tall.

6 TIRSTEIN, BJUGN 6 2. Fastsettelse av 50-års vindhastighet Bestemmelse av 50-års vindhastighet for bruk i vindbølgeberegninger er i henhold til metoden beskrevet i NS For nærmere beskrivelse av input og metode vises til vedlegg 1. Referansevindhastighet V REF Referansevindhastighet er gjennomsnitt over 10 min av vindhastigheten på 10 m over et flatt landskap (terrengkategori II). Verdiene for referansevindhastighet, V REF, er basert på ekstremverdianalyse av vindmålinger og er ikke knyttet til noen spesiell årstid eller vindretning. Data for hver kommune er gitt i NS Referansevindhastighet, V REF, for Bjugn, Sør-Trøndelag er 29.0 m/s, se Tabell 2. Retningsfaktoren C RET Verdiene for retningsfaktoren er bestemt ved retningsavhengig analyse av observasjonsdataene for en rekke vindobservasjonsstasjoner eller referansestasjoner. Lokalitetens beliggenhet gjør at man har valgt dataserie for området "Trøndelag, vest" som basis for beregninger, se Tabell 2. Faktor for årstidsvariasjon Ekstremverdier for basisvindhastigheten avhenger av årstiden, jf NS , Tabell A.3. I våre beregninger er det valgt den mest ugunstige faktoren og dermed satt C ÅRS = Terrengkategori C r Lokaliteten defineres som terrengkategori 0 (jf NS tabell 1). Dette gir at terrengruhetsfaktor settes til 1.30 (10 m høyde). Stedsvindhastighet V s Stedsvindhastighet som er 50-års vind på lokaliteten på 10 m høyde, gjennomsnitt over 10 min kan da beregnes. Tabell 2 gir stedsvinden for forskjellige retninger. Tabell 2. Fra referansevindhastighet, V REF til stedsvindhastighet, V s, for Tirstein. (10 m, 10 min, 50-år returperiode se NS for flere detaljer). Vindretning [ ]: C RET : V b [m]: V s [m]:

7 TIRSTEIN, BJUGN 7 3. Fastsettelse av 50-års vindbølgetilstand 3.1 Beregningsgrunnlag Programmet SWAN (SWAN 2006) er benyttet for å beregne vindbølger på lokaliteten. Programmet er utviklet av Delft Technical University for å beregne utvikling og forplantning av bølger i kystområder. Bunnmodellene vist i Figur 2 - Figur 4 benyttes for å beregne bølger. Vindhastigheter er hentet fra NS og er benyttet som grunnlag for beregningene. Disse er justert fra stedvind til strøkvind basert på lokalitetens strøkgeometri. Strøkvinden for de forskjellige retningene framkommer i Tabell 3. Strøkgeometrien er vist i Figur 6. Bølgeberegningene er gjort i tre steg (Figur 5). Først er bølger regnet med grov oppløsning der punkt dekker havområdet rundt og utenfor Frohavet (Figur 2, ytterste ramme Figur 5). Resultatene fra første beregning er brukt som input til ny beregning med oppløsning hvor punkter dekker fjordområdene rundt Frohavet (Figur 3, blå ramme Figur 5). Denne beregningen danner så input for siste beregningssteg der punkter dekker Tirstein (Figur 4, grønn ramme Figur 5). Figur 2. 3D havbunnmodell benyttet i bølgeberegningene (x-akse og y-akse i geografiske koordinater, z-akse i meter).

8 TIRSTEIN, BJUGN 8 Figur 3. 3D havbunnmodell benyttet i bølgeberegningene (x-akse og y-akse i geografiske koordinater, z-akse i meter). Figur 4. 3D havbunnmodell benyttet i bølgeberegningene (x-akse og y-akse i geografiske koordinater, z-akse i meter).

9 TIRSTEIN, BJUGN 9 Figur 5. Tre inndelinger av området Frohavet og Tirstein brukt i bølgeberegningen: Akser i geografiske koordinater.

10 TIRSTEIN, BJUGN 10 Figur 6. Lokalitet Tirstein, Bjugn, med inntegnet åpent strøk (røde streker) og effektive strøklengder (blå stiplet linje). 3.2 Resultat av vindbølgeberegninger Maksimal vindbølgetilstand for lokaliteten er estimert for åtte forskjellige retninger. Resultatene er vist i Tabell 3 og Figur 7. Høyeste vindbølge har retning fra 20 og er generert av vind med retning fra N. Signifikant bølgehøyde H s med 50 års returperiode er estimert til 2.9 m med topperiode T p = 7.9 s. Figur 8 viser bølgespredningen omkring Tirstein for dette tilfellet. Usikkerheten i beregningene er estimert til å ligge på omkring 20 %. Tabell 3. Beregnet 50-års signifikant bølgehøyde H s med topperiode T p for åtte forskjellige retninger. Vindretning: N NØ Ø SØ S SV V NV Strøkvindhastighet [m/s] H s [m] T p [s] Retning for høyeste bølge [ ]

11 TIRSTEIN, BJUGN 11 Figur 7. Bølgespekter for største vindbølge på lokaliteten. Figur 8. Visualisering av bølgespredning inn i Frohavet. 50-års vindbølge fra nord.

12 TIRSTEIN, BJUGN Fastsettelse av 50-års havbølgetilstand 4.1 Beregningsgrunnlag Fra kartutsnittet vist i Figur 6 ser vi at havbølger fra åpent hav kan trenge inn til Tirstein. Det er vanskelig å kun benytte kart for å si hvordan dette vil påvirke bølgesituasjonen rundt lokaliteten. Det er derfor gjort en nummerisk beregning av havbølgeforplantning fram til lokaliteten. Maksimal signifikant bølgehøyde med 50-års returperiode offshore utenfor Bjugn er vurdert til H s = m med topperiode T p = s (Barlindhaug Consult 2008). Ut fra kartutsnittene er det forventet at innkommende havbølger med retning fra N-NV er mest sannsynlig å trenge fram til lokaliteten. Det er derfor utført havbølgeberegninger med bølgeretning fra Til beregningene er det brukt SWAN. Spredning av havdønninger er simulert over et bredt område vist i Figur 8. Vanndyp vil påvirke demping av havbølger, så det er laget en tredimensjonal modell av havbunnen vist i Figur Beregningsresultater Figur 9 viser posisjonen for beregnet lokalitet og gir en oversikt over havbølgesituasjonen. Bølgespekter for største havbølge på lokaliteten er vist i Figur 10. Tabell 4 oppsummerer resultatene. Havdønninger på lokaliteten er forventet å ha signifikant bølgehøyde på inntil 1.6 m og topperiode på 10.8 s. Figur 9 viser havbølgespredning ved Tirstein for tilfellet med havsjø fra nord. Tabell års signifikant bølgehøyde, H s, og topperiode T p forventet på lokaliteten. Retninger er hvor bølger kommer fra. Signifikant Topperiode, T p Bølgeretning bølgehøyde, H s Offshore m s Tirstein 1.6 m 10.8 s 20 Usikkerheten i beregnet bølgehøyde er estimert til å ligge rundt 20 %.

13 TIRSTEIN, BJUGN 13 Figur 9. Havbølgesituasjon for lokaliteten Tirstein, Bjugn. Figur 10. Bølgespekter for største havbølge på lokaliteten.

14 TIRSTEIN, BJUGN Fastsettelse av 50-års kombinert sjøtilstand Lokaliteten er utsatt for vind- og havbølger. Kombinasjon av vindbølger og havdønninger gir 50-års kombinert bølgetilstand på lokaliteten. Kombinert sjøtilstand har en maksimal beregnet signifikant bølgehøyde på 3.1 m og en topperiode på 7.4 s. Denne sjøtilstanden oppstår når vind og havbølger kommer inn fra nord. Forplantning av kombinertbølge er vist i Figur 11 og bølgespekteret er vist i Figur 12. I henhold til NS9415 har denne lokaliteten bølgeklasse E (se Tabell 5). Figur 11. Bølgeforplantning ved Tirstein for et tilfelle med vind- og havsjø fra nord.

15 TIRSTEIN, BJUGN 15 Figur 12. Bølgespekter for største kombinertbølge på lokaliteten. Tabell 5. Kombinert sjøtilstand og bølgeklasse Vindbølger: H s 2.9 m T p 7.9 s Havbølger: H s 1.6 m T p 10.8 s Kombinert bølge: H s 3.1 m Bølgeklasse: E Bølgene vil ha energi spredt over et bredt frekvensintervall. Usikkerheten i beregnet bølgehøyde er estimert til å ligge rundt 20 %.

16 TIRSTEIN, BJUGN Konklusjon: Endelig lokalitetsklassifisering Ved å kombinere bølge- og strømhastighetsklasse finnes endelig lokalitetsklasse. Siden strømmålinger ikke er tilgjengelig kan ikke endelig lokalitetsklasse bestemmes. Straks slike målinger foreligger er tilgjengelig vil endelig lokalitetsklasse være tilgjengelig. Tabell 6 viser foreløpig lokalitetsklassifisering. Tabell 6. Endelig lokalitetsklassifisering Lokalitet Bølgeklasse Strømklasse Lokalitetsklasse Tirstein E - E

17 TIRSTEIN, BJUGN Litteratur og referanser Barlindhaug Consult (2008): Nota Estimering av hindcastbølger. Hasselmann, K. et al. (1973): Measurements of wind-wave growth and swell decay during the Joint North Sea Wave Project, Deutches Hydrographisches Institut, Hamburg Leenknecht D.A., Szuwalski A.and Sherlock A.R. (1992): Automated Coastal Engineering System Technical Reference, Chapter I. Windspeed Adjustment and Wave Growth. Coastal Engineering Research Center, Department of the Army Waterways Experiment Station, Corps of Engineers. 12 s. NS 9415 (2003). Flytende oppdrettsanlegg. Krav til utforming, dimensjonering, utførelse, installasjon og drift. Norsk Standard 2003: 75s. NS (2002). Prosjektering av konstruksjoner. Dimensjonerende laster, del 4: Vindlaster. Norsk Standard 2002: 106s. Olex (2007): Olex, Navigasjon og kartlegging av havet. Vincent, L., and Demirbilek, Z. (editors), Coastal Engineering Manual, Part II, Hydrodynamics, Chapter II-2, Engineer Manual , U.S. Army Corps of Engineers, Washington, DC.

18 TIRSTEIN, BJUGN 18 Vedlegg 1 - Metode for lokalitetsklassifisering Lokaliteten er bestemt av kombinasjonen mellom: H s Signifikant bølgehøyde med 50 års returperiode V c 10 minutters middelstrøm med 10 års returperiode De ulike kombinasjonene av H s og V c gir lokalitetsklassifiseringen som vist i Tabell 7. Lokalitetsbetegnelsen på grunnlag av bølgedata skal skje i henhold til Tabell 8. Tabell 7 Lokalitetsklassifisering Hs [m] Vc [m/s] a b c d e > 1.5 A Aa Ab Ac Ad Ae B Ba Bb Bc Bd Be C Ca Cb Cc Cd Ce D Da Db Dc Dd De E > 3.0 Ea Eb Ec Ed Ee Tabell 8. Bølgeklasser på lokalitet bestemt av signifikant bølgehøyde og topperiode Bølgeklasse H s [m] T p [s] Betegnelse A 0,0-0,5 0,0-2,0 Liten eksponering B 0,5-1,0 1,6-3,2 Moderat eksponering C 1,0-2,0 2,5-5,1 Stor eksponering D 2,0-3,0 4,0-6,7 Høy eksponering E > 3,0 5,3-18,0 Svær eksponering H s (m = meter) er signifikant bølgehøyde for en måling med en varighet på 3 timer og en returperiode på 50 år. T p (s = sekunder) er topperiode i bølgespekteret for en måling med en varighet på 3 timer. For estimering av forventet ekstremverdi med spesifisert returperiode, er multiplikasjonsfaktorer gjengitt i Tabell 9 benyttet. Denne tabellen benyttes for beregninger ved vind og bølger for ulike tidsperioder.

19 TIRSTEIN, BJUGN 19 Vindfart og vindretning Vindforholdene på lokaliteten er bestemt i henhold til NS Basisvindhastighet Vb defineres som midlere vindhastighet over 10 minutter, 10 meter over flatt landskap for terrengkategori I (NS :2002, tabell 1) og med spesifisert returperiode eller årlig sannsynlighet for overskridelse. Basisvindhastighet fastsettes fra ligning 1: Der: Vb = VREF CRET CÅRS CHOH CSAN (likning 1) VREF = referansevindhastighet, som angitt i tabell 1. CRET = retningsfaktoren som kan velges 1,0 for alle vindretninger. Eventuelle lavere verdier for enkelte sektorer er angitt i tabell 2. CÅRS = årstidsfaktoren som settes lik 1,0. CHOH = nivåfaktoren som settes lik 1,0 CSAN = en faktor som bestemmer årlig sannsynlighet for overskridelse, satt lik 1,0. For vanlige konstruksjoner velges C SAN = 1.0, som tilsvarer en årlig sannsynlighet for overskridelse på 0,02, dvs. en returperiode på 50 år, jf NS Verdiene for V REF er basert på ekstremverdianalyse av vindmålinger og er ikke knyttet til noen spesiell årstid eller vindretning. Typisk er at ettårsvind (generelt) ligger rundt 28 m/s og 50-årsvind rundt 35 m/s ytterst på kysten. Innover fra kysten avtar vinden. Dette skyldes at vinden dempes som følge av friksjon over land. Vinden km innover fra kysten kan være % lavere enn vinden ytterst i skjærgården. Etter dette vil 50-årsvind i kystsonene typisk variere mellom 25 m/s og 35 m/s. Generelt vil pålandsvinden være vesentlig sterkere enn fralandsvinden. NS angir 50-årsvind for områder med spredte små bygninger og trær (Terrengkategori II) som referansehastighet. For kystnære områder uten trær og busker (Terrengkategori I) er vinden 17 % høyere. Retningsfaktoren I tabell A.2 i NS er det angitt verdier for C RET for regioner. Verdiene er bestemt ved retningsavhengig analyse av observasjonsdataene for en rekke vindobservasjonsstasjoner eller referansestasjoner. Regional retningsavhengighet ligger til grunn for tabellen. Lokalitetens beliggenhet avgjør hvilke dataserie som velges. Ekstremverdier for basisvindhastigheten avhenger av årstiden. Denne variasjonen bestemmes ved faktoren C ÅRS 1,0 som inngår i ligning 1 og som er angitt i NS , Tabell A.3. I våre beregninger er det valgt den mest ugunstige faktoren og dermed satt C ÅRS = 1,0. Ut fra beregninger av vindforhold finner man verdien Vb. For bestemmelse av bølgeforhold ved anlegget brukes stedvindhastigheten i NS Denne bestemmes for nivå, z=0 m, ved havflaten for 10 minutter midlingstid ved ligningen: ( ) ( ) ( ) v z = c z c z v s r t b Der følgende parametere i tillegg til Vb inngår: C r (z) = Faktor for terrengkategorier som bestemmes ut fra NS C t (z) = Topografifaktor for terreng, som bestemmes ut fra NS For bestemmelse av bølgetilstand settes faktoren til 1.0.

20 TIRSTEIN, BJUGN 20 Fastsettelse av strøm I følge NS-9415 skal man estimere forventet ekstremverdier for lokaliteten. Generelt er det flere metoder som kan benyttes. Det er ved å foreta strømmålinger etter spesifikasjon gitt i NS 9415, slik som angitt nedenfor eller ta utgangspunkt i eksisterende målinger. Disse dataene skal være av samme kvalitet som spesifisert i NS 9415: - Appendiks A, 4 ukers målingsvarighet på lokalitet - Appendiks B, Registrering av fart og retning i hele perioden - Appendiks C, Statistisk beregning av maksimal verdi basert på harmonisk analyse - Appendiks D, Målingene skal følge NS eller NS avhengig av bunndybde og eksponering - Appendiks E, Strøm skal måles i dybde 1 og -15 meter Vi har tatt utgangspunkt i eksisterende data fra tidligere utførte strømmålinger. Målingene er i følge oppdraggiver representativ for lokaliteten. Målinger tatt ved andre dyp enn 1 m og 15 m dyp må interpoleres til 1 og 15 m dyp. For interpoleringen tar vi utgangspunkt i at strømmen avtar lineært med økende dyp. I beregning av 10 minutters middelstrøm med 10 års returperiode taes det utgangspunkt i registrert maksimal strøm, og denne verdien skaleres opp med 1.65, (jf Strøm i NS 9415). Tabell 9 Multiplikasjonsfaktor som resultat av returperiode. Returperiode (år) Multiplikasjonsfaktor 1,4 1,65 1,85 2,0

21 TIRSTEIN, BJUGN 21 Vedlegg 2 - Definisjoner Jonswap spektrum Bølgeenergispektrum utarbeidet gjennom Joint North Sea Wave Project ved tilpassing av målinger i Nordsjøen. Jf Hasselmann, K. et al. (1973) Topperiode Bølgeperiode der energien i bølgespekteret er størst Sannsynlighet for overskridelse Frekvens som forteller hvor ofte en gitt terskelverdi gjennomsnittlig overskrides i løpet av en gitt tidsperiode. MERKNAD: Når en gitt signifikant bølgehøyde sies å ha en årlig sannsynlighet for overskridelse på 0.02 (1/50), betyr det at denne sjøtilstanden i gjennomsnitt overskrides én gang per 50 år. Sjøtilstanden har en returperiode på 50 år. Signifikant bølgehøyde for 50-års sjøtilstand omtales som 50-årsbølgen. Signifikant bølgehøyde Gjennomsnittlig bølgehøyde for den høyeste tredjedelen av bølgene i en registrering. Spisshetsparameter Angir bredde på jonswap-spekteret rundt topperioden. Strøklengde Avstand fra lokalitet til nærmeste land, regnet i vindretningen.

22 TIRSTEIN, BJUGN 22 Vedlegg 3 - Figurer Vedlegg Bølgespekter vindbølger. Figurene under viser bølgespekter for vindbølger fra 8 retninger.

23 TIRSTEIN, BJUGN 23

24 TIRSTEIN, BJUGN 24

25 TIRSTEIN, BJUGN 25

26 TIRSTEIN, BJUGN 26

27 TIRSTEIN, BJUGN 27 Vedlegg Bølgespekter havbølger. Figurene under viser bølgespekter for havbølger med retning fra

28 TIRSTEIN, BJUGN 28

29 TIRSTEIN, BJUGN 29 Vedlegg Bølgespekter kombinertbølger. Figurene under vise bølgespekter for kombinasjonen av nordlig vind og havdønninger på lokaliteten.

30 TIRSTEIN, BJUGN 30