Ferejesamband Flakk Rørvik, Trondheimsfjorden. Vind, strøm og bølgeforhold

Transkript

1 NOTAT SINTEF Byggforsk Kyst- og havneteknikk Postadresse: 7465 Trondheim Besøk: Klæbuveien 153 Telefon: Telefaks: Foretaksregisteret: NO MVA GJELDER Ferejesamband Flakk Rørvik, Trondheimsfjorden. Vind, strøm og bølgeforhold GÅR TIL Bjørn Stavnes, Dr. Ing. A. Aas-Jakobsen Trondheim AS BEHANDLING x UTTALELSE ORIENTERING ETTER AVTALE ARKIVKODE GRADERING ELEKTRONISK ARKIVKODE Notat01.doc PROSJEKTNR. DATO SAKSBEARBEIDER/FORFATTER ANTALL SIDER Arne E. Lothe, Bård Brørs 17 1 Bakgrunn Ferjesambandet Flakk-Rørvik skal oppgraderes med nye ferjer og en eventuell opprusting av ferje-kaiene. I den forbindelse har Dr. Ing. Aas-Jakobsen AS (A-J) bedt om følgende: Utarbeidelse av strøm og vindanalyse av Flakk og Rørvik ferjekai med hensyn på ferjedrift. På bakgrunn av empiriske modeller, statistikk og dimensjonerende ferjestørrelse gi en vurdering av strøm og vindforholdene på Flakk og Rørvik ferjekai som gir beslutningsgrunnlag for videre planlegging og valg av tekniske løsninger. Etter avtale med SINTEF er det avgjort at også bølger skal være en del av denne vurderingen. 2 Metode Trondheimsfjorden har et trangt innløp ved Agdenes, og fjorden innenfor kan regnes som helt fri for dønning og havsjø. Vi har derfor valgt følgende beregningsmetode. 1. Vind er beregnet på grunnlag av vind-data fra Trondheim Lufthavn, Værnes. 2. Vindgenererte bølger er beregnet på grunnlag av den vinden som er beregnet for de to stedene 3. For ferjehavna på Flakk er det laget en lokal, numerisk modell for å vise inntrenging av bølger bak moloen. 4. Strømmen er beregnet v hj a en numerisk modell som er utviklet tidligere. I vårt tilfelle har vi rekonstruert en periode på ca en uke i mai 2006, da både tidevannsamplituder og ferkvannsavrenning var relativt høye. 5. Til slutt er det laget estimater på regularitet i ferjekaiene ved å anta terskelverdier på vind og bølger. Dette notatet inneholder prosjektinformasjon og foreløpige resultater som underlag for endelig prosjektrapport. SINTEF hefter ikke for innholdet, og tar forbehold mot gjengivelse.

2 2 3 Datagrunnlag 3.1 Vind-data Vind-data er hentet fra målestasjonen på Værnes i perioden Værnes er ikke ideell som referansestasjon, men er vurdert til å være den beste av de nærliggende stasjonene Ørland, Trondheim og Værnes. Ørlandet er en typisk kyststasjon, og ved siden av at den sannsynligvis er mer eksponert enn det aktuelle området i Trondheimsfjorden, er det en relativt stor sannsynlighet for at den også er dominert av andre vindretninger enn de som er dominerende i ved sambandet Flakk-Rørvik. Stasjonen i Trondheim anses ikke som egnet fordi den er relativt høyt plassert og ligger inne i bebygde, urbane strøk. Det er derfor Værnes som peker seg ut som den best egnede, men for å kompensere for at Værnes ligger i et dalføre med sterk øst-vest styring av vinden, er data behandlet slik at for hver 30 sektor, antas det at vinden i akkurat den sektoren er lik den som er sterkest av vinden i sektoren selv og sine to nabosektorer. det betyr at ved sterke vinder, kan vindretningen ute i fjorden avvike inntil 60 fra den retningen som er målt ved Værnes. Det er gjort unntak for ferjekaia ved Rørvik, der det er antatt at ved vind fra nordlig sektor (285-45, dvs fralandsvind) er vinden kun 90 % av vinden ved Værnes. For flakk er det gjort en justering ved at det er antatt at vinden fra nordlig sektor er 10 % høyere ved Flakk. Vind-data fra Værnes er vist i Tabell 1. Det er tilpasset en 3-parameter Weibull-fordeling for hver retning, og statistiske parametere og ekstremverdier er funnet. 3.2 Dybdedata Dybdedata er innhentet fra Sjøkartverket i et tidligere prosjekt. Dybdedata er benyttet til strømmodelleringen. Fjorden er så dyp at dybden ikke spiller noen rolle for beregningen av bølger i fjorden, men for detaljberegning av bølger ved Flakk har vi benyttet et dybdekart levert av Aa-J, se Figur 1.

3 3 Figur 1 Dybdedata innmålt ved Flakk ferjekai, Aas-Jakobsen AS. 4 Vind Resultatet av vind-analysen er vist i Figur 2 og Figur 3 og i Tabell 2 og Tabell 3. Som ventet er det liten forskjell på Flakk og Rørvik, med unntak av at det er mindre fralandsvind fra nord ved Rørvik. At to retninger kan ha identiske verdier skyldes at vi for hver retning har valgt den sterkeste av retningen selv og dens to naboretninger. Returperioden er det antall år som i gjennomsnitt går mellom hver gang man måler en overskridelse av en gitt vindhastighet. Den angitte vindhastigheten U 10 er en middelverdi over 10 min, og korte kastevinder på inntil det dobbelte av U 10 kan forekomme.

4 4 Flakk Ekstremverdier av vind mot retning Vindhastighet U10 m/s Rp = 0.1 Rp = 0.5 Rp = 1.0 Rp = 5.0 Rp = 10 Rp = 25 Rp = 50 Rp = Retning grader Figur 2 Fordeling av ekstremvindhastigheter, Flakk. Returperioder i år. Rørvik Ekstremverdier av vind mot retning Vindhastighet U10 m/s Rp = 0.1 Rp = 0.5 Rp = 1.0 Rp = 5.0 Rp = 10 Rp = 25 Rp = 50 Rp = Retning grader Figur 3 Fordeling av ekstremvindhastigheter, Rørvik. Returperioder i år.

5 Tabell 1 Hastighet m/s Vindhastighetsobservasjoner (10 min middel vind) i m/s ved Værnes Maksimal vindhastighet er 21.1 m/s og det er 2.1 % vindstille. Retning Alle Dette notatet inneholder prosjektinformasjon og foreløpige resultater som underlag for endelig prosjektrapport. SINTEF hefter ikke for innholdet, og tar forbehold mot gjengivelse.

6 6 Tabell 2 Flakk: Returperioder for vindhastighet m/s fordelt på retning R p år Tabell 3 Rørvik: Returperioder for vindhastighet m/s fordelt på retning R p år

7 5 Bølger 5.1 Bølger mot Flakk ferjekai. Forholdene ved Flakk ferjekai er slik at kaia er delvis skjermet fra vest av en kort molo. På Rørvik-sida er det ingen slik skjerming. Vi har undersøkt detaljene rundt denne ferjekaia i en numerisk modell. Eksempler på resultat er vist i Figur 4 og Figur 5. Figur 4 Øyeblikksbilde av bølger med retning 330, periode 5.0 s og høyde 1.0 m inn mot Flakk. Rød/gul representerer bølgetopp, og blått bølgedal. Dette notatet inneholder prosjektinformasjon og foreløpige resultater som underlag for endelig prosjektrapport. SINTEF hefter ikke for innholdet, og tar forbehold mot gjengivelse.

8 8 Figur 5 Fordeling av bølgehøyder med innkommende bølger med retning 330, periode 5.0 s og høyde 1.0 m inn mot Flakk. Ved å undersøke alle aktuelle retninger kan vi nå danne oss et bilde av hvor stor del av bølgeenergien som utenfor havna som vil komme inn i selve havna, Skjermingen av moloen er naturlig nok mest effektiv ved bølger fra vest, og nesten uten effekt ved bølger fra nord-nordvest. I den numeriske modellen er det regnet et tilfelle med ett bølgetog med én retning og én periode. I virkeligheten består bølgene av mange bølger med ulik periode, retning og høyde. Selv om det er lite av et bølgetog fra 330 som vil komme inn i havna, vil det under en storm også finnes energi på andre retninger og andre perioder som har en retning som er bedre egnet til å komme inn. Effekten av dette kan estimeres ved å anta at bølge-energien er normalfordelt omkring en middelretning, og så beregne energien som ligger de ulike åpne sektorer mot fjorden. Denne metoden kalles sektormetoden. I Figur 6 er det vist resultatet av en slik beregning med hhv sektormetoden og med den numeriske modellen som er vist ovenfor. Vi forventer her at sektormetoden skal gi større inntrenging, og konstaterer at de to metodene gir et forventet (innbyrdes) resultat. I den videre analysen vil vi nå benytte resultatene fra sektormetoden.

9 9 Flakk : Bølgedemping Bølgedempingskoeffisient Numerisk Sektor Retning grader Figur 6 Bølgedemping ved Flakk med to ulike metoder. Bølgedempingskoeffisienten er forholdet mellom bølgehøyden inne i havna og utenfor. To ulike metoder er vist. 5.2 Vindgenererte bølger De endelige bølgedempingskoeffisientene som er benyttet er vist i Tabell 4. Tabell 4 Bølgedempingskoeffisienter for Flakk og Rørvik ferjekaier Retning Flakk Rørvik De vindgenererte bølgene er beregnet v hj a SINTEFs program HSCOMP. programmet ta hensyn til fri lengde over sjø, vindhastighet og retningsspredningen i bølgene. Resultatet er vist i Figur 7 og Figur 8. Figurene viser retningsfordelingen av signifikant bølgehøyde, som er middelverdien av den høyeste tredjedelen av alle bølger i en registrering, som vanligvis er minutter lang. Den tilhørende maksimale bølgehøyden kan bli ca dobbelt så høy som den signifikante. For Flakk synes det at bølgene fra nordvest blir de høyeste, også inne i havna. Selv om avstanden over åpen sjø er høyere mot øst, er vinden fra vest og nordvest såpass mye sterkere at bølger fra nordvest dominerer. For Rørvik er det liten eller ingen demping i hele den sørlige sektor. Vi har lange avstander mot øst, men det er først ved retning 120 at det er nok vind til at høye bølger kan oppstå.

10 10 Signifikant bølgehøyde Hm0 m Flakk: Ekstremverdier av bølgehøyder mot retning Rp = 0.1 Rp = 0.5 Rp = 1.0 Rp = 5.0 Rp = 10 Rp = 25 Rp = 50 Rp = Retning, grader Figur 7 Fordeling av signifikant bølgehøyde, Flakk Signifikant bølgehøyde Hm0 m Rørvik: Ekstremverdier av bølger mot retning Rp = 0.1 Rp = 0.5 Rp = 1.0 Rp = 5.0 Rp = 10 Rp = 25 Rp = 50 Rp = Retning, grader Figur 8 Fordeling av signifikant bølgehøyde, Rørvik

11 11 6 Strøm Strøm er analysert v hj a modellen SINMOD, som er utviklet av SINTEF. Den er tidligere blitt anvendt på andre prosjekter i Trondheimsfjorden. Modellen har en oppløsning på 267 m og dekker hele Trondheimsfjorden. Den kjøres med pådrag av de viktigste tidevannskomponentene (M 2, S 2, N 2, K 1 ) vind og ferskvannstilførsel fra de viktigste elvene. Det er gjennomført en kjøring for perioden 16 mai 30 mai, som både har stor tilførsel av ferskvann fra elvene og stor tidevannskraft, der det er tatt ut resultater (tidsserier) for overflatelaget (tykkelse ca 3 m) for fire gridpunkter for området ved hvert av fergeleiene, jfr. Figur 9. j Rørvik Flakk i Figur 9. Utsnitt av grid med strøm nær overflaten den 25. mai 2005 kl Kvadratene markerer de punktene i Flakk (i = 134:135, j = 53:54) og Rørvik (i = 145:146, j = 78:79) der det er skrevet ut tidsserier. Merk at kartet er dreiet ca -49 i forhold til kartets nord. NB: Hastighetskomponentene u og v representerer i- og j-retningen i koordinat-systemet som er vist på Figur 9, med j-retningen dreid ca 49 i forhold til kartets nord. En oversikt over beregnet strøm ved 3 m dybde er gitt i Figur 10 og Figur 11. Strømmen ved Flakk er beregnet å ha større variabilitet i styrke enn strømmen ved Rørvik, mens retningsvariasjonen er størst ved Rørvik. Sterkeste beregnede strøm for perioden mai er 0,375 m/s i det nordøstre punktet ved Flakk og 0,309 m/s i det sørøstre punktet ved Rørvik.

12 12 Figur 10. Tidsserier av vann-nivå ved Agdenes (øverst) og strømfart ved hhv Flakk og Rørvik. Hvert gridpunkt 1-4 (hjørnet av kvadratene i Figur 9) har sin farge.

13 13 Figur 11. Plott av hastighetskomponent u mot v. Farger som i Figur 2. Punktene viser middelstrøm. Den strømmen som er beregnet er en storskala strøm som preger Trondheimsfjorden. Normalt ville en forvente en kraftig strøm ved Rørvik, men modellen (se Figur 9 og Figur 11) viser at ferjekaia ved Rørvik ligger inne i en virvelsone som fører til store retningsendringer og sterkt variabilitet.

14 14 Modellen som er benyttet har en oppløsning på 267 m, noe som betyr at objekter mindre enn dette ikke vil bli tatt hensyn til. Dybdekartet for Rørvik (Figur 12) viser at det er dypt ved ferjekaia, og at det vil være muligheter for en lokal akselerasjon av strømmen rundt neset og over grunnen ved ferjekaias østre ende. Figur 12 Dybdekart, Rørvik. Levert av Aa-J AS. De strømhastighetene som er funnet (hhv 0.38 m/s og 0.31 m/s ved Flakk og Rørvik, tilsvarende 0.8 og 0.6 knop) er i seg selv ikke store nok til å skape vesentlige problemer for en normal utrustet ferje, og det er derfor sannsynlig at eventuelle problemer vil skyldes lokale effekter (spesielt ved Rørvik) og retningsvariasjon. Ved Rørvik kan strømmen skape en del problemer under tilleggingsfasen i de siste m før ferjelemmen. Ferja har da lav fart, og strømmen kan ta tak i akterenden og presse akterenden sørover og bort fra kaia.

15 15 7 Oppsummering Ved å benytte de statistiske parameterne for bølger og vind kan vi nå beregne hvor ofte vi får en overskridelse av gitte operasjonsgrenser for ferjetrafikken. Det er da tatt hensyn til at kun en av grensene skal overskrides for at det skal registreres som en overskridelse. Eksempelvis vil en vindhastighet på 22 m/s gi en bølgehøyde på 1.0 m ved Rørvik. Hvis operasjonsgrensa er hhv 15 m/s og 0.9 m, registreres det en overskridelse av vinden allerede ved 15 m/s, og det vil ikke bli registrert at bølgehøydegrensen overskrides ved 0.9 m, fordi da er ferjekaia allerede stengt. Det er svært usikkert hva som er korrekte og forsvarlige operasjonskriterier for ferjeleier. Generelt vil større fartøy tåle høye bølger bedre enn små, og fartøyene vil tåle langt høyere bølger forfra og aktenfra enn fra siden. For vind er det ikke så store forskjeller mellom store og små fartøy, men mer et spørsmål om hvilken utrustning (antall sidepropellere, type ror og antall og plassering av hovedpropellere). Vi antar i det videre at aktuelle ferjer for dette sambandet er i den øvre klassen hva angår både størrelse og utrustning. Det finnes ikke allmenne operasjonsgrenser for ferjer. For større havner, som olje/gass-terminaler finnes det imidlertid grenser for vind, og grenser mellom 12 og 14 m/s er vanlig. Maksimale signifikante bølgehøyder vil ofte ligge på m. Det skal imidlertid nevnes at det er betydelige forskjeller mellom store tankskip og de relativt sett mindre og lett manøvrerbare ferjene. For Rørvik har vi den situasjon at de antatt høyeste bølgen vil komme nesten rett akter (90 120, dvs ca 30 på akterenden ved tillegging), og dominerende vindretning er fra vest, dvs rett forut under tillegging (selv om denne situasjonen ikke inntreffer samtidig). Ved at de dominerende kreftene angriper langs ferjas lengdeakse, kan vi anta at operasjonsgrensene er relativt sett høye. Ved Flakk har vi sammenfall av dominerende vind og bølger fra nordvest, der det finnes en molo som gir delvis skjerming. Her vil imidlertid de dominerende kreftene angripe fra sida, noe som normalt ikke er gunstig. Man har ved Flakk muligheten til å velge ett av to ferjeleier, men vi vil anta at den sørøstre lemmen vil bli foretrukket fordi den gir støtte mot vinden fra sida. Tabell 5 Foreslåtte operasjonsgrenser Operasjonsgrense, vind m/s Operasjonsgrense, bølgehøyder m Flakk Rørvik For sammenligningens skyld er Stiv Kuling definert som m/s, mens Sterk Kuling er neste og slutter ved 20.7 m/s. Resultatet er gitt i Tabell 6. I den tabellen framgår det at ved å legge operasjonsgrensene til grunn, så vil man ved Flakk ha timer /år med avbrudd, og timer ved Rørvik.

16 16 Hvis man tar hensyn til at rutetabellen har et avbrudd fra ca kl 01 06, så vil de reelle timene med forhold over operasjonsgrensene være ca 80 % av det som er angitt. Tabell 6 Estimat på antall timer pr år med overskridelser av operasjonskriterier Operasjonsgrense, vind m/s Operasjonsgrense, bølgehøyder m Timer tapt pr år, Flakk Timer tapt pr år, Rørvik Nå er man i den situasjon at det finnes mange år med driftserfaring fra sambandet Flakk-Rørvik, og det er kjent at det forekommer innstillinger og forsinkelser pga værforholdene. Når de samlede kanselleringer sannsynligvis ikke kommer opp i de nevnte timer, så skyldes det at det alltid vil være kortere perioder under en storm der det faktisk går an å foreta et anløp. Det datagrunnlaget som statistikken bygger på er også basert på observasjoner av vind hver 6 time, slik at eksempelvis 24 timer vil tilsvare 4 hendelser/år, og det er et rimelig godt estimat på antall tilfeller med kanselleringer eller forsinkelser. Strømmen er ikke med i beregningene av avbrudd, og det skyldes at det ikke finnes statistisk grunnlag for beregning av strømmen. 8 Muligheter for endringer Ferjekaiene ved Flakk og Rørvik ble bygget etter undersøkelser ved daværende SINTEF Vassdrags og havnelaboratoriet. Ved Flakk ble det bygget to forholdsvis korte moloer fordi bunnforholdene tillot dette, men ved Rørvik ble det bestemt at det ikke skulle lages noe dekningsverk. Årsaken var delvis at bunnforholdene ikke tillot noen moloer e l, og at skipsførerne på det tidspunktet foretrakk å ha en åpen løsning uten hindre framfor en trang ferjehavn med tilhørende risiko for å støte inn i pir eller molo. Av tiltak som er mulige for å forbedre havneforholdene ved de to stedene kan nevnes: Flakk: en bedre beskyttelse mot bølger fra nordvest kan oppnåes ved å forlenge nåværende vestre molo med ca m. Forlengelsen bør utformes som en bygging av et nytt molohode etter et skuldermolo-prinsipp, dvs en brei fylling som består av grov sprengstein i en tykkelse på m. Tidligere erfaring og laboratorieforsøk viser at et slikt hode kan ha samme effekt som m forlengelse av moloen. Rørvik: i Rørvik er det pga store dybder ved kai tilnærmet umulig å bygge moloer eller noen form for dekning uten å måtte sprenge ny havn på nåværende biloppstillingsplass. For de bølgene som kommer fra østlig sektor vil det heller ikke være mulig å dempe bølgene v hj a flytende bølgedempere. Det ene tiltaket som vil være praktisk og økonomisk realiserbart er å plassere en strøm-måler i et punkt øst for ferjekaia med kontinuerlig overføring til ferjene i sambandet. På den måten vil kapteinen få en viss informasjon om retning og styrke på strømmen i det øyeblikket han skal anløpe kaia.

17 17 For begge ferjekaier: Anløp under ugunstige forhold (sterk vind og strøm, høye bølger) vil oftest medføre at det må brukes høy fart på ferja under tillegging. Dette innebærer risiko for skade på anlegget ved sammenstøt mellom ferje og kai/ferjelem. En generell oppgradering av fendringen er derfor et godt tiltak, men man bør vie spesiell oppmerksomhet til fendringen av ferjelemmen. Ferjelemmen bør fendres i begge retninger, dvs mot støt både inn mot land og fra land. 9 Konklusjon Det er gjennomført en analyse av vind, strøm og bølgeforhold ved ferjeleiene Flakk og Rørvik i Trondheimsfjorden. Data fra analysen er brukt for å finne estimater på driftsavbrudd i et typisk år. Tabell 7 Oppsummering av data fra analysen. Verdier for bølger og vind er gitt ved 100 års returperiode, estimat for strøm er gitt som en antatt årlig maksimalverdi. Sign. bølgehøyde m Bølger Vind Strøm Dominerende 10 min Dominerende 10 min retning middel retning middel Dominerende retning vind m/s strøm m/s Flakk 1.25 NV 25.1 NV 0.4 langs land Rørvik 1.77 SØ 24.3 V 0.5 variabel, spesielt sterk ved odden Ø for ferjekai. Forholdene ved Flakk ferjekai kan forbedres betydelig ved å forlenge eksisterende vestlige molo med et nytt hode i skuldermolo-utforming. Nødvendig forlengelse er m. Vi ser ingen tiltak for ny utforming av havna på Rørvik som kan føre til forbedringer. Ved omlegging til større ferjer bør fendringen generelt oppgraderes, og man bør vie spesiell oppmerksomhet til fendring av ferjelemmen. Risikoen for uønskede hendelser ved Rørvik kan reduseres noe ved å montere opp en strøm-måler med sanntidsoverføring av data til hver ferje. Med dagens utforming av ferjehavnene er antall timer pr år der forholdene overskrider vanlige operasjonsgrenser ca timer pr år for begge steder.