FORFATTER(E) Arne E. Lothe OPPDRAGSGIVER(E) Kystverket Vest. Rita Svendsbøe GRADER. DENNE SIDE ISBN PROSJEKTNR. ANTALL SIDER OG BILAG

Transkript

1 SINTEF RAPPORT TITTEL SINTEF Byggforsk Kyst- og havneteknikk Postadresse: 7465 Trondheim Besøk: Klæbuveien 153 Telefon: Telefaks: Foretaksregisteret: NO MVA NY HAVN VED RABBEN/SALTHELLA FORFATTER(E) Arne E. Lothe OPPDRAGSGIVER(E) Kystverket Vest RAPPORTNR. GRADERING OPPDRAGSGIVERS REF. Rita Svendsbøe GRADER. DENNE SIDE ISBN PROSJEKTNR. ANTALL SIDER OG BILAG ELEKTRONISK ARKIVKODE PROSJEKTLEDER (NAVN, SIGN.) VERIFISERT AV (NAVN, SIGN.) SINTEF RAPPORT.doc Arne E. Lothe Svein Vold ARKIVKODE DATO GODKJENT AV (NAVN, STILLING, SIGN.) Kristina Heilemann SAMMENDRAG Kystverket Vest har startet planleggingen av Rabben/Salthella fiskerihavn, og har definert følgende behov for utredninger: 45 Der er behov for å kjenne til bølgepågangen og hvilken effekt moloene vil ha for havneområdet. Kystverket ønsker en vurdering/forslag til molotraseer, lengde og kurvatur for å oppnå akseptable rolighetsforhold og trygg innseiling. Kystverket ønsker forslag til moloprofil og dimensjonering (kronehøyde og blokkdimensjon). I denne rapporten er det redegjort for resultatet av bølgemålinger og analyser, og det er gitt anbefalinger om utbygging av havna. STIKKORD NORSK ENGELSK GRUPPE 1 GRUPPE 2 EGENVALGTE

2 2 INNHOLDSFORTEGNELSE 1 INNLEDNING KONKLUSJONER BESKRIVELSE MÅLEPROGRAM Måleutstyr og utførelse Resultater BØLGER I ÅPENT HAV NUMERISK ANALYSE Generelt Kartdata Resultater ANALYSER Dønning og havsjø Vind Vindsjø Bølger samlet Forhold inne i havna Bølgeforhold inne i havna Langperiodiske bølger Bygging av moloer...44 REFERANSER 45

3 3 1 INNLEDNING På anmodning fra fiskerinæringen, blant annet gjennom Austevoll Næringsråd, tok Austevoll kommune initiativ til å sette fiskerihavnprosjektet Rabben - Salthella på dagsorden. Prosjektet har lenge vært under kommunal utredning og det er utarbeidet reguleringsplaner både for Rabben og Salthella med tilrettelegging for næringsaktivitet. Planen er å tilrettelegge Salthella / Rabben med alle servicefunksjoner fartøyene trenger. I den forbindelse planlegges det 2 motgående moloer samt nødvendig utdyping i havneområdet. Austevoll er en av de største fiskerikommunene i landet. Satsing innen fiskeri, havbruk og offshore har gitt positive ringvirkninger for nyetablering og utvikling i Austevoll og har vært helt avgjørende for befolkningsutviklingen i kommunen. Flere bedrifter har blitt etablert innenfor maritim næringsvirksomhet, spesielt knyttet til fiskeri og havbruk. En relativ rask utbygging av fiskerihavnen Rabben - Salthella anses derfor som avgjørende for en videre bærekraftig utvikling i Austevoll kommune. Utbyggingen vil også ha positive ringvirkninger for fiskeri og havbruksnæringen i regionen og for fiskere fra hele landet som driver fiske i området, eller som leverer fangst her. Den vil bidra til opprettholdelse og videreutvikling av en unik kompetanse innen pelagisk fiskeri og havbruk. Kystverket Vest har startet planleggingen av Rabben/Salthella fiskerihavn, og har definert følgende behov for utredninger: Der er behov for å kjenne til bølgepågangen og hvilken effekt moloene vil ha for havneområdet. Kystverket ønsker en vurdering/forslag til molotraseer, lengde og kurvatur for å oppnå akseptabel rolighetsforhold og trygg innseiling. Kystverket ønsker forslag til moloprofil og dimensjonering (kronehøyde og blokkdimensjon). For å imøtekomme Kystverkets behov for detaljinformasjon og gi forslag til utforming, er det startet opp et prosjekt ved SINTEF Byggforsk, Kyst og havneteknikk. I desember 2008 ble det utplassert en bølgemåler utenfor Salthella. Hensikten med målingene var å få informasjon om i hvor stor grad bølger fra havet trenger inn mot det planlagte området. Disse bølgedata er grunnlaget for både forslag til utforming av havnebasseng, plassering av innseiling og dimensjonering av moloer. Bølgemåleren som ble benyttet er en avansert bøye av typen Wavescan. Bøya måler bølgehøyder, retning og periode, og gir i tillegg informasjon om vind, strøm og temperatur. Bøya var utplassert i farvannet fra 22 desember 2008 til 09 juni 2009.

4 4 2 KONKLUSJONER A. Det er foretatt målinger av vind og bølger ved Rabben/Salthella i en periode vinteren 2008/2009. De målte data er sammenlignet med samtidige beregninger av bølger i havet utenfor, og med beregninger av bølger i numeriske modeller. Det er godt samsvar mellom data observert i felt og beregninger i numerisk modell. B. Bølger som skal fra havet og inn til Rabben/Salthella må passere gjennom et smalt sund mot VNV. Sundet er ikke rett, men kurver svakt, slik at bølgene ikke når direkte fram. Til sammen gjør dette at bølgene ved Rabben/Salthella er sterkt dempet. Forslag til dimensjonerende bølgeparametere (uthevet) for havneanlegget ved Rabben/Salthella for Punkt 1 (Målepunktet SV for Lunnøy) og Punkt 2 7 (foran de foreslåtte moloer) ved returperiode 100 år er gitt t tabell nedenfor. Punkt H m0,dønni ng m H m0,vind m Dempingsfaktor, vindsjø H skip m Total bølgehøyde H m0,dim m Retning Periode s C. Analyse av forholdene inne i havna viser at to områder i havna (i øst og i sør) vil være dårlig egnet til havneformål der det settes normale krav til operasjoner og regularitet. For øvrig er hele den vestre delen av havnebassenget godt egnet til havneformål. D. Det er ikke funnet noe som tyder på at det vil oppstå langperiodiske bølger eller drag inne i havna E. Det må forventes at vinden kan gi noe høyere driftsavbrudd i den nye havna enn i de eksisterende anleggene på stedet. Det skyldes at dagens kaier ligger relativt godt skjermet bak lokale hindere, mens den nye havna vil måtte ta i bruk mer eksponerte lokaliteter. Hvor store driftavbruddene blir vil avhenge av hvor mye reduksjon en kan forvente fra nærmeste målestasjon ved Slåtterøy til havna. Hvis operasjonsgrensen for vind settes lik 15 m/s forventes 186 timer/år med overskridelse ved 0 % reduksjon, og 86 timer/år ved 10 % overskridelse. F. De moloene som er skissert av Kystverket er moderat påkjent, og de vil kunne bygges som vanlige to-lagsmoloer med dekklag, filter og kjerne. Et første-ordens estimat er at nødvendig blokkstørrelse i det ytre dekklaget på de to moloene mot nord er W 50 = 6-7 tonn. Det ansees som en fordel at det skal bygges flere moloer med ulik belastning fordi det gir en mulighet til en større utnyttelse av total mengde produsert stein i et steinbrudd.

5 5 3 BESKRIVELSE Området Rabben/Salthella ligger ved den nordre enden av Stolmasundet, som er sundet mellom øyene Selbjørn og Stolmen, jfr. Figur 1 - Figur 3. Området er i stor grad skjermet mot havsjø, og er bare delvis eksponert mot vestlig sektor. Rabben/ Salthella Figur 1 Oversiktskart Det finnes et eksisterende havneanlegg på stedet, og utenfor dette ligger det noen mindre holmer som er et naturlig utgangspunkt for bygging av moloer.

6 6 Rabben/ Salthella Figur 2 Kart over Austevoll Måleposisjon Rabben/ Salthella Figur 3 Kart over Rabben/Salthella-området, basert på sjøkart 1 : 50,000. Kartet er levert av C-MAP Norway AS.

7 7 Figur 4 Foreløpig skisse og utkast til molotraseer, levert av Kystverket. 4 MÅLEPROGRAM 4.1 Måleutstyr og utførelse Måleren stod i posisjon N / E i perioden 22 desember juni Posisjonen er avmerket på Figur 3. Bøya er av typen Wavescan, levert av Fugro Oceanor, Trondheim. Bøya er en såkalt retningsbøye. Bøya har et skrog som er diskus-formet og ca 3.5 m i diameter. Den vil derfor flyte opp og ned med vannets vertikale bevegelser, men også følge vannspeilets helning slik at den også kan registrere bølge-retningen. På grunn av størrelsen har den begrenset evne til å detektere små og korte bølger, men disse er ikke relevante for den studien som skal utføres her. Ved siden av bølgesensorer har bøya også en vindmåler og en strøm-måler, samt utstyr for å måle temperatur og konduktivitet. For denne spesielle lokaliteten ble det ansett å være en fordel at bøya er stor og tydelig, slik at en unngår konflikt med skipstrafikken gjennom Stolmasundet. Data lagres internt i bøya, men sendes også ut via mobiltelefon-nettet til en mottaker i Trondheim. I måleperioden ble data lagt ut fritt tilgjengelig på Internet.

8 8 Figur 5 Målebøye Wavescan. Bøya og bildet er levert av Fugro Oceanor, Trondheim.

9 9 4.2 Resultater Resultatet av bølgemålinger knyttes til noen sentrale målestørrelser. H m0 eller H s signifikant bølgehøyde. Den signifikante bølgehøyden er middelverdien av den høyeste tredjedel av alle bølgene i en registrering. En registrering er oftest fra 15 til 60 minutter lang. Den signifikante bølgehøyden vil oppfattes som den mest dominerende bølgehøyden. H max er den høyeste enkeltbølgen innenfor en registrering. Et estimat på H max er H max = x H m0 θ m Middel bølgeretning. Alle sjøtilstander inneholder bølger med ulik periode, høyde og retning. Middel bølgeretning er definert som den bølgeretningen der 50 % av bølgeenergien ligger på hver side av middelretningen. T p - spektral topp-periode er den bølgeperioden der det finnes mest energi, og vil oppfattes som den dominerende perioden. Dønning og havsjø har gjerne perioder s, men lokal vindsjø og fjordsjø har perioder på 2 5 s. Wavescanbøya analyserer data slik at alle bølgeregistreringer inndeles en total sjøtilstand, som består at en dønningsdel (lavfrekvent) og en vindsjødel (høyfrekvent). I tillegg er det et sentralt begrep som kalles refraksjon, som er bunnens påvirkning på bølgene. Bølgene går fortere på store vanndyp enn på små, og dermed vil bunnen få bølgene til å endre retning og høyde, slik at de f eks kan gå rundt øyer eller dreie over grunner. Refraksjonseffekter er mest merkbare på dybder grunnere enn 100 m. I Figur 6 er det vist observasjoner av total signifikant bølgehøyde, dønningsbølgehøyde (signifikant) og spektral topp-periode for dønningsdelen av bølgespekteret gjennom hele måleperioden. De totale bølgehøyden har bare i noen få tilfeller vært over 1.0 m, og sjøtilstanden er dominert av dønning. En fordeling av observasjonene med H m0 vs retning og H m0 vs periode er vist i Tabell 1 og Tabell 2.

10 10 Bølgemålinger Salthella Des 08 - Juni Hm0_tot Hm0_døn Tp_døn Bølgehøyde m Bølgeperiode s Dato Figur 6 Oversikt over utvalgte bølgeparametere Salthella 22 des juni 2009.

11 11 Tabell 1 Fordeling av signifikant dønningsbølgehøyde vs. middelretning ved målepunktet utenfor Salthella Hs vs direction data at Salthella from 22 dec 08 to Marg. Cum. Hmo m Sum distr. distr Sum Marg. distr Cum. distr Average mean max. Hm

12 12 Tabell 2 Fordeling av signifikant dønningsbølgehøyde vs. spektral topp-periode ved målepunktet utenfor Salthella FREQUENCY TABLE of Hm0 vs. Tp Dønning data at Salthella from 22 des 08 to 09 jun 09 Tp Marg. Cum. Hm0 < >20 Sum distr. distr. < Sum Marg. distr Cum. distr Average mean max. Hm Tp

13 13 5 BØLGER I ÅPENT HAV For å kunne lage en langtids-statistikk for bølger ved Salthella trenger man en serie med data over lengre tid fra stedet. Siden vi bare har en kort serie med data fra Salthella, må vi bruke en dataserie fra et punkt lengre unna, og så bruke den korte serien og en numerisk analyse til å justere den lange serien slik at den tilsvarer hendelsene ved Salthella. Som langtidsdataserie har vi innhentet Hindcast-data fra DNMI Vervarslinga på Vestlandet. Hindcast-data er beregnede verdier av bølger og vind for en periode fra 1955 og fram til i dag. Beregningene er gjort på grunnlag av meteorologiske observasjoner som er gjort i perioden. Vi har fått data fra Gridpunkt hcb1313 i posisjon N / E4.01, og har valgt å benytte data fra perioden Punktet ligger ca 55 km rett vest for Bømlo, og bør derfor være godt representativt for forholdene ved Austevoll. Hindcast-data er inndelt i en høyfrekvent del og e lavfrekvent del, men i dette tilfellet er grensen mellom høy- og lav-frekvent satt så høyt (ca 8.0 s) at det meste at den høyfrekvente delen vil oppfattes som vanlig havsjø. Vi benytter derfor hele spekteret (Total Sea) for den videre analysen av hindcast bølgedata. Vi ser av Tabell 3 at bølgene er jevnt fordelt over hele vestlig sektor fra 180 til 360. Fra Tabell 4 ser vi videre at de høyeste bølgene har perioder på Høyere perioder forekommer (helt opp til 18 s), men fra 14 s periode og oppover vil bølgehøydene gå ned.

14 14 Tabell 3 Signifikant bølgehøyde vs middelretning ved hindcastpunkt hcb Hs vs direction data at HCB1313 from 01 jan 90 to 31 dec Marg. Cum. Hmo m Sum distr. distr. < Sum Marg. distr Cum. distr Average

15 15 Tabell 4 Signifikant bølgehøyde vs spektral topp-periode ved hindcastpunkt hcb FREQUENCY TABLE of Hm0 vs. Tp Total sea data at HCB1313 from jan 90 to dec08 Tp Hm0 < Sum Marg. distr Cum. distr Average

16 16 Tabell 5 Signifikant bølgehøyde ved hcb 1313 ved ulike returperioder. Analyse basert på hindcast data Returperiode år Retning

17 17 6 NUMERISK ANALYSE 6.1 Generelt Hensikten med den numeriske analysen er å skaffe detaljert informasjon om fordelingen av bølgehøyder i området. I en numerisk modell beregnes bølge-endringene fra åpent hav inn mot målpunktet, og fordi vi har måledata innenfor området, kan de målte data brukes til å kontrollere og evt kalibrere den numeriske modellen. Den numeriske modellen er en refraksjonsmodell som er utviklet i USA av US Army Corps of Engineers, og har betegnelsen STWAVE 4.0. Modellen har vært anvendt på en hel rekke prosjekter også i Norge, og regnes for å være en av de mest pålitelige modeller som finnes i dag. For detaljert informasjon henvises til referansene 1 og 2. Ved anvendelse av modellen modelleres området i et regulært rutenett med rutestørrelse m, og bølgene sendes inn fra havet mot det delvis skjermede området. 6.2 Kartdata Kartdata er hentet fra følgende kilder: 1. Digitale data levert av Kystverket med dybder, kystlinje og høyder på land er brukt som primærkilde. Området er vist i Figur For områder med svak dekning er det supplert med kartdata innhentet via Arealis/NGU. Koordinatsystemet NGO Akse 1 er benyttet til modellen. Dybdene antas referert til Sjøkart-null, tilsvarende omtrent LAT. Under kjøring av modellen er det lagt til en skjønnsmessig overhøyde på 1.5 m. Dybdemodellen fra STWAVE er vist i Figur 8. Rutestørrelsen i modellen er 50 x 50 m, og modellen dekker et område på 7.5 x 15.0 km 2. Ved bruk av modellen kan man hente ut detaljert informasjon ved nærmere angitte punkter. Vi har valgt følgende punkter som er vist i Figur 9. Tabell 6 Oversikt over observasjonspunkter (ref. Figur 9) Punkt nr 1 (M) Målepunktet 2 Molo 1 3 Molo 2 4 Molo 3 Vest 5 Molo 3 øst 6 Innseiling 7 Molo Rabben

18 18 Figur 7 Område med digitale kartdata levert av Kystverket.

19 19 Figur 8 Dybdemodell

20 20 M (1) (innseiling) 5 Figur 9 Plassering av observasjonspunkter 6.3 Resultater Med utgangspunkt i analysen av hindcast-data (se kapittel 5) er det laget en tabell med aktuelle situasjoner som skal analyseres med den numeriske modellen. Tabell 7 Situasjoner som er analysert i numerisk modell Retning i åpent hav Signifikant bølgehøyde H m0 m Spektral topp-periode T p s

21 21 Valget av aktuelle bølgeretninger er gjort ut fra en inspeksjon av kartet, der vi ser at det ikke er mulig å få inn havsjø fra øst, og at bølger fra 240 og 210 bare i liten grad vil kunne nå inn til salthella. Bølgehøyden følger en tilnærmet lineær prosess, dvs at man kan i de fleste tilfeller benytte en enhetsbølgehøyde (f eks 1.0 m), og så skalere opp resultatene lineært avhengig av den bølgehøyden man ønsker å benytte i åpent hav. Bølgebrytning er imidlertid ikke en lineær prosess, og tendensen til bølgebryting vil derfor være større for høyere bølger. Vi velger derfor å benytte en bølgehøyde som er i størrelsesorden lik den bølgehøyden som antas å være dimensjonerende. Vi ser av Tabell 5 at 100-års bølgehøyde i åpent hav vil være m, avhengig av retning. Bølgeperioden er valgt på grunnlag av observasjonene i Tabell 4. Under alle kjøringer er det benyttet et JONSWAP spektrum med γ = 2.5 og en retningsspredning på 30. Et eksempel på resultat fra STWAVE-modellen er vist i Figur 10 og Figur 11. I figurene er det vist resultat fra en modellering med en sjøtilstand i åpent hav med signifikant bølgehøyde H m0 = 10.0 m, T p = 14.0 s og retning 300. Ved å trekke ut observasjonsdata fra de forhåndsdefinerte punktene i modellen, kan vi nå skaffe en oversikt over hvor stor dempingen er i hvert enkelt punkt avhengig av retningen. Dempingen defineres ved en dempingskoeffisient C: H m0, i, Ci, ; H m0,1313, der C i,θ = dempingskoeffisient for punkt i H m0,i, θ = beregnet signifikant bølgehøyde i punkt i for bølgeretning θ = signifikant bølgehøyde i åpent hav med retning θ H m0,1313, θ Resultatet av denne beregningen for alle punktene og ale retningene er vist Tabell 8. Tabell 8 Retning i åpent hav Bølgehøydekoeffisienter for observasjonspunktene. Spektral topp-periode er 14.0 s Punkt nummer Fra et strengt teoretisk synspunkt burde denne tabellen vært utvidet med testkjøringer for aktuelle perioder fra ca 10 s 18 s, men i vårt tilfelle er interessen knyttet til en dimensjonerende tilstand, dvs en ekstremtilstand, og vi har allerede konstatert at de høyeste bølgene vil ha en periode på s. Ved målepunktet (Punkt 1) kan en studere bølgespekteret. Spekteret i åpent hav og ved Punkt 1 ved retning 300 er gitt i Figur 12. Det framgår at dempingen består i en tilnærmet lineær reduksjon av energikomponentene.

22 22 For retningsspekteret (Figur 13) ser vi en litt annen tendens. Energitoppen i åpent hav er på 300, men ved målepunktet har den forskjøvet seg til ca 310. Vi ser imidlertid en annen energikonsentrasjon til høyre for denne toppen (i målepunktet), og dette er bølge-energi som er kommet inn nordfra (via Møkstrafjorden). Denne energien er imidlertid mer spredd utover i NNV retning, med en antydning til topp rundt 340. Merk at dette to-toppede spekteret ikke er synlig på vektor-plottet i Figur 11 fordi vektorplottet bare viser middel-retningen av de to toppene. Figur 10 Plott av signifikant bølgehøyde (skala oppe til venstre) inn mot Rabben/Salthella. Sjøtilstand i åpent hav: Signifikant bølgehøyde H m0 = 10.0 m, T p = 14.0 s, retning 300.

23 23 Figur 11 Plott av bølgeretning inn mot Rabben/Salthella. Sjøtilstand i åpent hav: Signifikant bølgehøyde H m0 = 10.0 m, T p = 14.0 s, retning 300.

24 24 Bølgespektrum i åpent hav og ved målepunktet Bølgeretning 300 grader Spectrum Spectrum Spektraltetthet Frekvens (1/s) Figur 12 Frekvens-spektrum av bølger i åpent hav (hel linje) og ved målepunktet (stiplet linje). Sjøtilstand i åpent hav: Signifikant bølgehøyde H m0 = 10.0 m, T p = 14.0 s, retning Retningspektrum i åpent hav og ved målepunktet Bølgeretning 300 grader spektrum spektrum Spektraltetthet Bølgeretning grader Figur 13 Retnings-spektrum av bølger i åpent hav (hel linje) og ved målepunktet (stiplet linje). Sjøtilstand i åpent hav: Signifikant bølgehøyde H m0 = 10.0 m, T p = 14.0 s, retning 300.

25 25 Dempingskoeffisient for Punkt 1-7 Dempingskoeffisient Punkt nummer Figur 14 Dempingskoeffisient for punktene 1 7 for aktuelle bølgeretninger. Punktene er definert i Figur 9.

26 26 7 ANALYSER 7.1 Dønning og havsjø Beregninger av bølgehøyder ved Rabben/Salthella viser som forventet at bølger fra retning 300 har størst evne til å trenge inn mot havneområdet. Videre er fordelingen av bølgebelastning på de enkelte punktene som forventet, dvs at vi ser at målepunktet er mest utsatt for bølger, og at Punkt 2 (som ligger inn mot Stolmasundet) er meget godt skjermet. Disse tendensene blir mer tydelige hvis data fra Figur 14 plottes med retningen på horisontalaksen, ref Figur 15. Dempingskoeffisient for Vestlig sektor Dempingskoeffisient Bølgeretning i åpent hav, grader Figur 15 Dempingskoeffisient vs retning i åpent hav for observasjonspunktene 1 7. Den tids-serien av hindcast-data som er tilgjengelig i øyeblikket dekker perioden ut året Vi har derfor kun en relativt kort periode fra desember 2008 med parallelle data der det vil være mulig å kontrollere gyldigheten av den numeriske modellen mot målinger. For den aktuelle perioden er dempingskoeffisienten beregnet. Perioden inneholder 37 observasjoner av bølgehøyder i åpent hav (hindcast-data beregnes for hver 6. time), og av disse er det bare 3 observasjoner som ligger utenfor den retningen som antas å gi bølger inn mot Rabben/Salthella. Resultatet av denne sammenligningen er gitt i Figur 16. Her er målinger/hindcast-data markert med punkter, og beregninger gjort med numerisk modell vist med hel rød strek. Den aktuelle perioden inneholder en stor overvekt av observasjoner i vest sektor (ca ), og det synes å være en akseptabel overensstemmelse mellom modell og målinger. For retningen 270 synes det som om modellen overestimerer den reelle bølgeinntrengingen, og med tanke på dimensjonering virker det som om modellen gir et godt og konservativt resultat. Inntil flere sammenlignbare data foreligger, vil vi derfor bruke resultatene fra den numeriske modellen, og anser at modellen er verifisert gjennom målingene.

27 27 Dempingskoeffisient des 08 Dempingskoeffisient Målinger des Numerisk Retning i åpent hav Figur 16 Sammenligning av observasjoner av dempingskoeffisient fra hhv numerisk modell og målinger desember Ved å anvende dempingskoeffisientene fra Figur 16 på verdiene fra Tabell 5 får vi retningsfordelte ekstremverdier for Rabben/Salthella-området som vist i Tabell 9 (side29). Dersom vi summerer sannsynlighetene for overskridelser over alle retninger, får vi en samlet ekstremverdi uansett retning i målepunktet som vist i Figur 17. Denne figuren viser at 100- årsverdien for signifikant dønning-bølgehøyde er 2.10 m. Salthella Return periods vs swell height All directions Return period, years Significant wind wave height, m Figur 17 Ekstrem signifikant dønningsbølgehøyde vs returperiode ved målepunktet

28 Vind Vind-data er hentet fra Meteorologisk Institutt sin målerstasjon på Slåtterøy Fyr. Denne stasjonen ligger bare ca 10 km SSV for Salthella, og har en eksponering som er svært lik den vi finner ved Rabben/Salthella. Vi velger derfor å anvende Slåtterøy-data uten korreksjoner. Perioden er analysert, og resultatet er vist i Figur 18 og Tabell 9. Vindhastighet U10 m/s Salthella (Slåtterøy ) Rp = 0.1 Ekstremverdier av 10 min middelvind Rp = 0.5 Rp = 1.0 Rp = 5.0 Rp = 10 Rp = 25 Rp = 50 Rp = retning grader Figur 18 Ekstremverdier av 10 min middelvind, Slåtterøy Ved å summere sannsynligheten over alle sektorer finner vi at estimert vindhastighet med 100 års returperiode ved Slåtterøy Salthella er ca 31.0 m/s (Figur 19). 100 Salthella Return periods vs wind speed All directions; Wind data from Slåtterøy Return period years Wind speed m/s Figur 19 Returperioder vs 10 min middel vindhastighet ved Slåtterøy/Salthella basert på data

29 29 Tabell 9 Ekstremverdier for havbølger/dønning ved målepunktet fordelt på retning. Signifikant bølgehøyde angitt i m. Retning Returperiode år Tabell 10 Ekstremverdier for vind fordelt på retning. Slåtterøy Fyr Vindhastigheten er angitt som 10 min middelvind i m/s Returperiode Retning år

30 30 Tabell 11 Ekstremverdier for vindgenererte bølger ved Rabben/Salthella fordelt på retning. Signifikant bølgehøyde angitt i m. Returperiode år Retning

31 Vindsjø Vindsjø defineres som bølger som er generert av lokal vind nær kysten. Disse bølgene kan være meget lokale, og det er ikke nødvendigvis noen sammenheng mellom slike bølgene ved Salthella og tilsvarende bølger ved f eks hindcast-datapunktet hcb I teorien trenger heller ikke vindsjø opptre samtidig med dønning, men i tilfellet Rabben/Salthella (og store deler av Vestlandskysten) er det sannsynlig at både ekstrem vindsjø og ekstreme bølger på havet (som gir dønning ved Rabben/Salthella) vil oppstå under sterk vind fra vestlig sektor. I en ekstremtilstand må man derfor regne med at 100 års dønning kan opptre samtidig med 100 års dønning. Vindsjø er beregnet på grunnlag av vind-data (se avsnitt 7.2) og SINTEFs beregningsprogram HSCOMP. Foreløpig er det kun regnet bølger i ett punkt utenfor havna. Resultatet av beregningene fordelt på retning er vist i Figur 20 og Tabell 9. Figur 21 viser returperioden som funksjon av bølgehøyde for alle retninger samlet. Estimatet på 100-års vindgenerert signifikant bølgehøyde ved Rabben/Salthella er H m0,100 = 1.45 m. Signifikant bølgehøyde Hm0 m Salthella: Ekstremverdier av vindbølger Rp = 0.1 Rp = 0.5 Rp = 1.0 Rp = 5.0 Rp = 10 Rp = 25 Rp = 50 Rp = Retning grader Figur 20 Fordeling av ekstremverdier av vindgenerert signifikant bølgehøyde.

32 32 Salthella Return periods vs wind wave height All directions; Wind data from Slåtterøy Return period, years Significant wind wave height, m Figur 21 Returperioder vs vindgenererte bølger ved Rabben/Salthella 7.4 Bølger samlet Den endelige, samlede dimensjonerende bølgehøyde ved Rabben/Salthella vil bestå at en dønningskomponent og en vindsjøkomponent. Retningen spiller ingen vesentlig rolle for beregningene fordi alle bølger -uansett opprinnelig retning på havet- vil ha en retning på rundt ved Rabben/Salthella. Vindsjø som er kraftig nok til å ha betydning for havneanleggets ytre del (moloer og innseiling) vil måtte komme fra en tilsvarende retning. Estimatet på 100-års, dimensjonerende sjøtilstand ved målepunktet blir derfor: H m0,100, dønning H m0,100, vind Retning: Spektral topp-periode: s Signifikant bølgehøyde: m For de øvrige punkter benyttes bølgedempingskoeffisienter som angitt i Figur 15 og vindsjødata fra Tabell 11. De ulike punktene har imidlertid ulik eksponering mot vindbølger, der Punkt 2 (mot Stolmasundet) er lavest. I tillegg må det regnes med skipsgenererte bølger. Havneanlegget ligger nær en trafikkert lei, og en må regne med en økning i trafikken som følge av utbyggingen. I tillegg er farvannet såpass skjermet at man må regne med at det vil foregå skipstrafikk også under ekstremvær.

33 33 Tabell 12 Punkt H m0,dønning m Forslag til dimensjonerende bølgeparametere (uthevet) for havneanlegget ved Rabben/Salthella for punktene 1 7 (ref Figur 9, side 20). Returperiode 100 år. H m0,vind m Dempingsfaktor, vindsjø H skip m Total bølgehøyde H m0,dim m Retning Tabell 13 Punkt H m0,dønning m Forslag til operasjonelle bølgeparametere (uthevet) for havneanlegget ved Rabben/Salthella for punktene 1 7 (ref Figur 9, side 20). Returperiode 5 år. H m0,vind m Dempingsfaktor, vindsjø H skip m Total bølgehøyde H m0,dim m Retning Periode s Periode s Forhold inne i havna Den videre analysen tar for seg forholdene inne i havna. Det er to hensyn som er viktige for utnyttelsen av området til havneformål: Bølgehøyder fra vindsjø og dønning ved de ulike kaiområdene i havna Muligheten for at det skal oppstå lange bølger eller såkalt drag i havna Bølgeforhold inne i havna. Forholdene inne i havna er analysert ved hjelp av en numerisk modell kalt CGWAVE. Modellen er monokromatisk, dvs at den analyserer situasjoner med kun en bølgehøyde, retning og bølgeretning. Den skiller seg derfor fra den modellen som ble benyttet ovenfor, som analyserer refraksjon av et retningsavhengig bølgespektrum.

34 34 Resultatene fra den monokromatiske modellen må derfor vurderes samlet for alle retninger og perioder. Modellen som er benyttet er vist i Figur 22. Minste oppløsning i modellen er 4.0 m, og området består av totalt 34,301 elementer. Modellen er generert ved hjelp av datafiler levert av Kystverket som dekker bunnen i området, og delvis landområder og kystlinje. Der hvor data mangler (for det meste landområder og kystlinje sør for en linje ca midt i modellen i Figur 22), er det supplert med kartdata fra Arealis (NGU). Molotraséer er hentet fra kartskisser levert av Kystverket og er lagt in manuelt. I det aktuelle tilfellet ved Rabben/Salthella er det kun aktuelt med dønning i fra vestlig sektor. Ved punktet der måleren var plassert er hovedretningen for bølgene ca 300. I modellen er det antatt at bølgeretningen er 310, altså noe mer nordlig. Eksempel på resultat for periodene 12 s og 16 s er vist i Figur 23 og Figur 24. Figur 22 Elementmodell for Rabben/Salthella-området. Modellen er basert på kartdata levert av Kystverket og data fra Statens Kartverk.

35 35 Figur 23 Bølgemønster ved bølge med 12 s periode fra retning 310 Bølgehøyden ved ytterkant av halvsirkelen er 1.0 m.. Bølgekammen er markert med rødt og bølgedal med blått.

36 36 Figur 24 Bølgemønster ved bølge med 16 s periode fra retning 310 Bølgehøyden ved ytterkant av halvsirkelen er 1.0 m.. Bølgekammen er markert med rødt og bølgedal med blått.

37 37 1 Innseiling C 2 7 A 6 5 B 4 3 Figur 25 Punkter inne i havna der bølgehøyden er undersøkt med hensyn på bølgebevegelser for skip ved kai (Punkt 1 7). Punktene A, B og C er punkter der amplitudeforsterkning av lange bølger er undersøkt. Dybdekonturer er vist i blått med skala opp til venstre. Bølgemodellen gir grunnlag for å beregne hvilken bølgehøyde som oppstår i et punkt når høyde, periode og retning av bølgen utenfor er gitt. Resultatet av en gjennomkjøring av 6 perioder 6 16 s er gitt i Figur 26. Vi definerer en dempingskoeffisient C, tilsvarende den som ble benyttet for å bestemme bølger fra åpent hav til målepunktet: H m0, n, T Cn, T ; H m0, M, T der C n,t = dempingskoeffisient for punkt n ved periode T H m0,n,t = beregnet signifikant bølgehøyde i punkt n for periode T = signifikant bølgehøyde utenfor havna (målepunktet) for periode T H m0,m,t

38 38 Bølgehøydekoeffisient for Punkt Bølgehøydekoeffisient Innseiling Punkt 2 Punkt 3 Punkt 4 Punkt 5 Punkt 6 Punkt 7 P3 - sektor P5 - sektor Bølgeperiode s Figur 26 Bølgehøydekoeffisienter for Punkt 1 7 for perioder 6 16 s. Heltrukket linje er resultater fra numerisk modell; stiplet linje er resultat fra forenklet modell med bruk av åpne sektorer. Forskjellen mellom denne bølgehøydekoeffisienten og den tidligere, er at det i dette tilfellet ikke finnes noen retningsavhengighet fordi alle bølger nødvendigvis må komme inn i en sektor på 300 ±30. Størrelsen på bølgehøydekoeffisienten vil derfor primært være avhengig av bølgeperioden. Figur 26 viser noe overraskende at Punkt 3 er mest utsatt for bølger, mens Punkt 2 har en moderat bølgebelastning. Årsaken finnes det grunne partiet som ligger på vestsiden av innseilingen. Her er både et lang-grunt område fra skjæret i retning øst, og en liten grunne på vestsiden av innseilingen, se Figur 25. Disse to formasjonene sørger for at bølgene i innseilingen dreies fra en nordvestlig til en mer nordlig retning, og skaper dermed bølgekonsentrasjon inn mot Punkt 3. På østsiden av innseilingen er det med brådypt, og dermed går bølgene mer rett fram og treffer land litt sør for Punkt 2. Vi kan også legge merke til at diffraksjonen rundt skjæret på vestsiden av innseilingen også gir relativt sett høye bølger i Punkt 7. For perioder over 10 s er det høyere bølger i Punkt 7 enn i Punkt 4, selv om bølgene i Punkt 7 fortsatt er små. I Figur 26 er det også vist en beregning basert på en forenklet metode som er basert på at bølgene vil gå rett fram i de åpne sektorer inn mot et målpunkt. Denne beregningen er vist for Punkt 3 og Punkt 5 med stiplet linje i Figur 26 og de etterfølgende Figur 27 og Figur 28. Den forenklede metoden forutsetter at innvirkningen fra bunnen er neglisjerbar, og det er tydelig at metoden ikke kan anvendes på dette tilfellet.

39 39 Bølgehøyder for Punkt 1-7 ved returperiode 100 år Bølgehøyde m Innseiling Punkt 2 Punkt 3 Punkt 4 Punkt 5 Punkt 6 Punkt 7 P3 - sektor P5 - sektor Bølgeperiode s Figur 27 Bølgehøyder i Punkt 1 Punkt 7 ved 100 års returperiode Bølgehøyder for Punkt 1-7 ved returperiode 5 år Bølgehøyde m Innseiling Punkt 2 Punkt 3 Punkt 4 Punkt 5 Punkt 6 Punkt 7 P3 - sektor P5 - sektor Bølgeperiode s Figur 28 Bølgehøyder i Punkt 1 Punkt 7 ved 5 års returperiode

40 40 Vi kan omsette beregningene av koeffisienter til bølgehøyder ved å kombinere data fra Figur 26 med data fra Tabell 12 og Tabell 13. Det gir verdier som vist i Figur 27 og Figur 28 for hhv en dimensjonerende situasjon (returperiode 100 år), og en driftsituasjon (operasjonelle kriterier ved returperiode 5 år). I begge tilfeller ser vi at Punkt 3 markerer seg ved å ha høye bølger for perioder over 10 s, dvs nesten alle tilfeller med dønning. Punkt 5 er også utsatt for høye bølger som følge av refraksjonen i innseilingen, mens Punkt 4, som ligger mellom Punkt 3 og Punkt 5, synes å ha gode forhold. Dersom vi legger til grunn et alminnelig akseptert kriterium for operasjoner i havner på e maksimal, signifikant bølgehøyde på H s,maks = m, så ser vi at Punkt 3 og 5 ligger over grensen, mens Punkt 2 er i et grenseland. Nå må det også sies at beregningene i Figur 27 og Figur 28 er basert på beregninger av enkeltbølger med en periode. Alminnelige kriterier er basert på signifikant bølgehøyde, som altså forutsetter et spektrum bestående av ulike perioder, retninger og høyder. I tilfellet Rabben/Salthella vil imidlertid bølgene være sterkt filtrert, dvs at dønningen vil ha karakter av å ha kun en retning og en sterkt dominerende periode. Beregninger av enkeltbølger vil derfor være en god tilnærmelse til en situasjon med bølgespektra slik de vil se ut ved Rabben/Salthella Langperiodiske bølger Langperiodiske bølger er et fenomen som kan oppstå i delvis lukkede bassenger. Dersom bassenget har en tydelig egensvingeperiode, og det tilføres energi utenfra med en frekvens lik egenfrekvens, så kan energien akkumuleres i svingningen, og amplitudene kan bli meget høye. Den mest klassiske formen for svinging, eller drag som det også kalles, er en type der avstanden fra munningen til den innerste delen av bassenget utgjør en kvart bølgelengde. Da får vi et mønster der de vertikale variasjonene er størst innerst i bassenget, og de horisontale hastighetsamplitudene er størst nær munningen. Typiske svingeperioder som er kjent fra norske farvann er s, og de vertikale amplitudene innerst i bassenget kan være over 1.0 m. Slike svingninger tilføres energi fra vanlige havbølger ved at det oppstår gruppedannelser i havbølgene. Hver gruppe inneholder 5 10 bølger, og med en bølgeperiode på eksempelvis 14 s, får vi da en gruppeperiode på s. Energitilførselen kan også komme fra bølgefenomen som ikke har en periode tilsvarende egenperioden, hvis bølgene har en overharmonisk periode som sammenfaller med egenfrekvensen. Typiske amplituder for slike bølger i åpent hav er opptil 5 cm. Til å analysere denne typen fenomen brukes numeriske modeller som modellerer effekten av en enkeltperiode. Dette den samme modellen som ble brukt ovenfor til å analysere bølger inne i havna. Teknikken går ut på å kjøre gjennom en bølgeanalyser for en rekke perioder i det aktuelle området, og undersøke om havnebassenget gir respons for noen bestemte perioder. Respons måles som en lokal forsterkning innerst i havna. Hvis forsterkningen av den innkommende bølgen er høy, noe som normalt vil si over en faktor på 5, så er det sannsynlig at en har funnet en egensvingeperiode for bassenget.

41 41 Det er normalt ikke noe en kan gjøre for å dempe effekten av en egensvingeperiode bortsett fra å endre formen på bassenget gjennom å endre traséer for moloer. En annen mulighet er å unngå å plassere kaier og andre installasjoner på steder der en vet at det vil oppstå store vertikale bevegelser eller kraftige horisontale strømfelt. Figur 29 og Figur 30 viser resultatet fra to slike modelleringer. Figur 29 viser responsen av bassenget ved periode 70 s, innkommende bølgehøyde 0.1 m og retning 310. Vi ser at hele bassenget har en bølgehøyde på ca 0.1 m, noe som betyr at bassenget fylles og tømmes rolig under bølgebevegelsen, uten at det oppstår svingninger eller forsterkning. Det er en svak tendens til forsterkning på utsiden av den nordre moloen, men det er kun en refleksjon av bølgene som treffer moloen. Figur 29 Bølgehøyder inne i havna ved innkommende bølge med periode 70 s, bølgehøyde 0.1 m og retning 310

42 42 I Figur 30 ser vi responsen på en bølge med periode 110 s, innkommende bølgehøyde 0.1 m og retning 310. Her er det noe mer respons, spesielt på utsiden av havna, men vi ser også at det er oppstått en lokal kvartbølgesvingning i bukta som er dannet av den nye moloen på østsiden av havnebassenget. Bølgehøyden her er ca 0.22 m, dvs en forsterkning av den innkommende bølgen på 0.22/0.1 = 2.2, som forsatt er moderat ikke betegnes som en kraftig respons. Figur 30 Bølgehøyder inne i havna ved innkommende bølge med periode 110 s, bølgehøyde 0.1 m og retning 310 Det er utført analyser for perioder s, alle med bølgehøyde 0.1 m og retning 310, og responsen er beregnet for punktene A, B og C som definert i Figur 25. Resultatet er vist i Figur 31. Den høyeste respons og forsterkning oppstår ved perioden 110 s med 1.20 i Punkt A, og ca 2.20 i bukta i øst (Figur 30). Det er ikke funnet respons eller forsterkning ved noen perioder som kvalifiserer til betegnelsen egensvinging eller et tydelig drag. Årsaken til den manglende responsen er at bassenget er uregelmessig og har en relativt stor innseiling som gjør at energien lett kan slippe ut gjennom åpningen.

43 43 Vi konkluderer derfor med at det ikke vi oppstå langperiodiske svingninger eller drag i havna som vil kunne forstyrre vanlig drift og operasjoner i havna Forsterkningsfaktor s, Pkt A - C Forsterkningsfaktor Punkt A Punkt B Punkt C Bølgeperiode s Figur 31 Respons uttrykt som forsterkning av innkommende bølgehøyde målt ved punktene A, B og C for periode s.

44 Bygging av moloer De moloer som skal bygges, må dimensjoneres mot de opptredende bølgekrefter i hvert punkt. Som Tabell 12 viser, er bølgehøydene moderate, slik at det ikke vil by på spesielle tekniske utfordringer å bygge moloer på stedet. Ingen av moloene er detaljberegnet, men som en antydning om nødvendig blokkstørrelser kan en se på de generelle formler for molodimensjonering. En av disse, van der Meers formel, hentet fra ref. 3, er vist i Figur 32. Figuren viser at under generelle betingelser vil en bølgehøyde på rundt 2.0 m kreve en middel blokkstørrelse på ca 4.0 tonn. Med alminnelige sikkerhetsmarginer tilsvarer det at de mest eksponerte moloene kan bygges som tradisjonelle to-lagsmoloer med blokk-størrelser på 6 7 tonn. Nødvendige blokkvekter W50 Tp = 10.0 s, helning 1 : 1.3, egenvekt 26 kn/m Middel blokkvekt tonn Dim. signifikant bølgehøyde m Figur 32 Nødvendig blokkvekt som funksjon av dimensjonerende bølgehøyde

45 REFERANSER 1. Jane McKee Smith, Ann R. Sherlock, and Donald T. Resio STWAVE: Steady-State Spectral Wave Model User s Manual for STWAVE, Version 3.0, and February 2001 and later editions 2. Zeki Demirbilek,Vijay Panchang: CGWAVE: A Coastal Surface Water Wave Model of the Mild Slope Equation. Technical Report CHL-98-xx, August 1998, latest revision March Lothe A E m fl : Kystverket Moloer ( Norsk Molohåndbok ), SINTEF rapport nr STF22 F00203, mars Bjerknes-senteret, Miljøverndepartementet:Havnivåstigning - Estimater av fremtidig havnivåstigning i norske kystkommuner, rapport