- Fortrolig Rapport Foreløpig vurdering av flyforhold ved Bergen lufthavn Flesland etter nødvendige terrengendringer for foreslått havn Forfatter(e) Adil Rasheed Karstein Sørli SINTEF IKT Anvendt matematikk 2013-06-24
av
Historikk DATO SBESKRIVELSE 1 2 3 2013-04-19 Fase 1 en kvalitativ analyse Revidert av data fra Øystein Skaar Oversatt til norsk av Janet Skallerud og Karstein Sørli 2 av 12
Innholdsfortegnelse 1 Introduksjon / Bakgrunn... 4 2 Foreløpig analyse... 4 3 Effekten av en bratt terrengmodifikasjon... 5 3.1 Enkel step-endring... 5 3.2 Modifisering E (A/B)... 6 3.3 Modifisering F/G... 7 4 Konklusjon... 8 Vedlegg A - Safeguards for Airports and the communities around them. Qantas Group Submission... 9 Vedlegg B - Illustrasjon av 3D-simulering av vind over kompleks terreng... 12 3 av 12
1 Introduksjon / Bakgrunn Bergen lufthavn Flesland er en internasjonal flyplass som ligger 12 km sørvest for Bergen i Norge. Den åpnet i 1955 og er den nest travleste flyplassen i Norge med om lag 5,8 millioner passasjerer i 2012. Flesland drives av statlig eide Avinor. Syv flyselskaper tilbyr innenlands flyreiser til 20 destinasjoner, mens 16 flyselskaper tilbyr internasjonale flyvninger til 39 destinasjoner. I tillegg er det 20 charter-destinasjoner. Flesland fungerer som en fokusby for Norwegian Air Shuttle, SAS, Widerøe og Bergen Air Transport. En del av trafikken er generert fra regionale ruter for Sogn og Fjordane, og betjenes av Widerøe og Danish Air Transport. Den gamle terminalen er konvertert til en helikopterhavn, som hovedsakelig betjener oljeplattformer i Nordsjøen. De viktigste rutene går til Oslo, som betjenes av opp til 35 daglig fly, som medvirker til at flyplassen er den syvende travleste i Europa. Bergen lufthavn Flesland har blitt kåret som Europas beste flyplass og verdens sjette beste flyplass av den britiske reisemagasinet Wanderlust Travel awards. Fremtidige planer for oppgradering av flyplassen inkluderer en utvidelse av den internasjonale terminalen, bedre flyoppstillingsplasser og endrede taksebaner, operative nybygg, avisingsplattformer, bakkeradar, sekundærradar og rullebanelys. Slike forbedringer og nærhet til havet, frister åpenbart til bygging av en båthavn i nærheten. Den nye havnen vil trenge betydelige terrengmodifikasjoner og kan derfor påvirke inn- og utflygningsforholdene ved flyplassen. Fem forskjellige muligheter for en mulig havn nær flyplassen ble analysert i 2010 med hensyn til terrengskapt turbulens, og resultatene fra de numeriske simuleringene ble presentert i rapporten "Studying the impact of a new harbour on flight conditions at Bergen Airport Flesland using Numerical Simulations" (SINTEF F16472). Det ble konkludert med at alle de fem foreslåtte terrengendringene var skadelig for innog utflygningsforholdene ved flyplassen. Denne rapporten er rettet mot en foreløpig analyse av to nye og nylig foreslåtte lokasjoner som vist i figur 1(a) og 1(b). 2 Foreløpig analyse Før vi startet selve analysen gjennomførte vi et litteraturstudium for om mulig å finne eksisterende retningslinjer for terrengmodifikasjoner nær flyplasser. Vi gir ordrett sitater fra ulike kilder i vedlegg A. Vår konklusjon etter dette studiet var at virkningen av slike endringer bare kan vurderes gjennom en grundig analyse "case-by-case". Derfor tydde vi til forenklede simuleringer for å få i det minste kvalitativ innsikt i de nye forslagene. (a) Alternativ E (vest for rullebane) (b) Alternativ F/G (sør for rullebane) Figur 1: Foreslåtte lokasjoner for Bergen havn. 4 av 12
3 Effekten av en bratt terrengmodifikasjon En jevn terrengvariasjon fører generelt til en laminær (jevn og glatt) luftstrøm som er preget av liten eller ingen turbulens. Dette strømningsmønstret endrer seg dramatisk når terrenget varierer kraftig. Når luftmassene møter bratt terreng begynner luften å akselerere i vertikal retning og får etter hvert en betydelig vertikal hastighetskomponent. Slike luftstrømmer er preget av luftseparasjon og dannelse av virvler nær kanten, som vist og stedfestet med en ellipse i figur 13 i rapporten SINTEF F16472. Dannelsen av slike virvler er den primære årsaken til økning i turbulens. Disse observasjonene er godt etablert gjennom vindtunneltester og numeriske eksperimenter. Et raskt blikk på figur 16 i samme rapport bekrefter disse observasjonene. Figuren viser konturene for turbulenshastighet i et vertikalplan vinkelrett på rullebanen, som passerer gjennom punktet der flyene oftest treffer bakken ved landing (nær punktet p6 i figur 14 i samme rapport). Man kan observere at jo brattere skråningen er, dess større er økningen i den vertikale hastighetskomponenten, og dermed større er turbulenshastighet (og turbulensintensiteten). I tillegg til en generell økning i turbulens gjør fjerning av terrenget sideveis at sonene med ellers ikke innflytelsesrik turbulens blir flyttet mot rullebanen, som vist i figur 15 i samme rapport. 3.1 Enkel step-endring Vi har gjort en to-dimensjonal simulering for å finne ut hva influens-sonen for en brå step-endring i terrenget er. Med dette ønsket vi å se hvor langt fra rullebanen et terrengstep bør liogge for at det skal forårsake ubetydelig turbulens på rullebanen. I fravær av enhver terrengvariasjon ble turbulensintensiteten antatt å være null fra venstre til høyre (figur 2). Men med innføringen av en "luftstrømsobstruksjon" (her step) av høyde dh blir luftstrømmen forstyrret og denne vedvarer en distanse nedstrøms opptil 50 ganger høyden på dette terrengsteppet. Flere andre studier [Amsterdam bygning] har satt denne avstanden i størrelsesorden 20-40 ganger obstruksjonshøyden for luftstrømmen. Merk at figur 2 kan endres hvis andre randbetingelser brukes, f.eks. tilsigsprofil for luftstrømmen og vindhastighet i høyden. Denne simuleringen og påfølgende analyse ble utført bare for å få "et første-ordens estimat" av influens-sonen. Figur 2: Introduksjon av en "luftstrømsobstruksjon" (step) av høyde dh påvirker en sone som strekker seg en avstand nedstrøms 50 ganger obstruksjonens høyde. Her har vi kun studert de største virvlene, genererte av det gitte terrenget, som "oppløses" av et forfinet grid nær bakken. Disse virvlene blir deretter fulgt i vindretningen fra terrengsteppet med en tidsintegrerende beregningsprosedyre. Bølgepakkene for disse virvlene analyseres med hensyn til svingninger i vindhastighet sammenlignet med gjennomsnittlig vindhastighet. Etter en viss oppstart i tidsintegreringen, for å etablere et repeterende mønster, er følgende beregninger gjort 5 av 12
n U i = (u i + v i ) 1/2, U = 1 n U i, du = 1 n (U i U) 2, i=1 hvor u i og v i er h.h.v. den horisontale og vertikale hastighetskomponenten ved tiden t i = t s + i * t, i = 1,...,n. I dette studiet benyttet vi t = 0.5s, n = 3600, og t s ble valgt stor nok til å eliminere effektene fra oppstartperioden for simuleringene. I figur 2 er du plottet mot avstanden fra terrengsteppet som var 10m. På en avstand av 25dh fra steppet er du omtrent halvparten av høyeste verdi (på avstanden 15dh). Det er imidlertid ikke mulig å konkludere fra dette studiet, med hensyn til terrengskapt turbulens, at all terrengmodifisering bør være mer enn et gitt antall stephøyder fra terrengsteppet. Det bare gir en generell retningslinje. n i=1 Figur 3: Polygonene i bildet indikerer de faktiske lokasjonene E (A+B) og en del av lokasjonen F/G. De røde linjene CS-1 og CS-2 er plassert langs tverrsnitt som er studert ved forenklede 2D-simuleringer. 3.2 Modifisering E (A / B) Terrenget langs tverrsnitt CS-1 i figur 3 ble ekstrahert og to simuleringer ble utført; en uten endringer og en med den foreslåtte endringen. Det ekstraherte terrengprofilet er vist i figur 4. Området som er skravert rødt er den foreslåtte endringen, d.v.s. utgravd havneområde. Det fremgår at rullebanen er ca. 550m unna en bratt terrengendring som er en avstand 20 ganger høyden på denne terrengendringen. Dette betyr at etter terrengmodifiseringen vil rullebanen vil ligge i influens-sonen. Figur 5 viser at turbulensintensiteten kan øke med en faktor 5 nær bakken, men effekten avtar raskt med høyden. Det kan imidlertid være muligheter for å gjøre terrenget mellom -600m til -100m mer aerodynamisk gunstig for vindforholdene ved rullebanen, til og med muligens forbedre forholdene sammenlignet med dagen situasjon. Et annet forhold er at terrengendringen går parallelt med rullebanen og kan dermed introdusere horisontalt vindskjær. Dette er et forhold som bare kan analyseres ved hjelp av en grundig tre-dimensjonal vind- og turbulenssimulering. Konklusjonen er derfor at fra et aerodynamisk perspektiv kan det synes å være et potensiale i å utvikle denne lokasjonen som havn, men det trengs ytterligere analyse. 6 av 12
Figur 4: 2D terrengsnitt (CS-1) med sort skravering, mens rød skravering utgjør foreslått utgraving. 3.3 Modifisering F/G Figur 5: Vertikalt profil av turbulensintensiviteten over rullebanen. Endringer foreslått på sørsiden av flyplassen som vist i figur 1(b) er aerodynamisk lik tilfelle 3 fra den forrige rapporten (SINTEF F16472). En sørvestlig vindretning vil være den mest kritiske vindretningen og er tilsvarende 2D-tilfellet som er simulert i dette studiet. Som vist i figur 6 starter terrengmodifikasjonen svært nær rullebanen (ca 350m), som er bare 8 ganger obstruksjonshøyden. Selv simuleringen for tilfelle 3 i forrige rapport viste at virkningen på flyforholden blir betydelige. Videre så ligger dette stedet også på en side hvor flyene tar av eller lander fra flyplassen og dermed vil være svært nær bakken. Vi ser svært lite potensiale i dette området fra et rent aerodynamisk perspektiv. 7 av 12
Figur 6: 2D terrengsnitt (CS-2) med sort skravering, mens rød skravering utgjør foreslått utgraving. 4 Konklusjon Figur 7: Vertikalt profil av turbulensintensivitet over rullebanen. Det bør understrekes at simuleringene utført i dette studiet kun gir kvalitative svar. For det første fordi simuleringene ble utført for to-dimensjonal vertikale tverrsnitt vinkelrett på rullebanen, og for det andre fordi turbulens ikke ble modellert på en grundig måte. En detaljert innsikt i konsekvensene av gitte terrengmodifikasjoner kan bare oppnås gjennom en grundig tre-dimensjonal analyse ved hjelp av, f.eks, k-epsilon turbulensmodeller av den type som er implementert i SINTEF's RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) modell SIMRA for simulering av tre-dimensjonal strømning over vilkårlig terreng. Med denne modelleringsog simuleringspakken kan vi lage realistiske terrengmodifiseringer og pålegge kritiske randbetingelser som de vi påla i det tidligere studiet i 2010. En illustrasjon av potensialet i 3D-simuleringer av terrengskapt turbulens med SIMRA er vist i vedlegg B. Ut fra vurderinger av vind- og turbulensforhold er vi ganske sikker på at de nødvendige terrengendringer på sørsiden av rullebanen for alternativ F/G kommer for nært. Endringer på vestsiden av rullebanen for alternativ E (A/B) trenger ytterligere analyse for å vurdere om en smart endring av sone B kan brukes til å opprettholde, eller til og med forbedre forholdene på rullebanen mht terrengskapt turbulens, selv i nærvær av en havn i sone A. Effekten på horisontale vindskjær er et annet viktig forhold å undersøke i dette tilfellet. 8 av 12
VEDLEGG A Safeguards for Airports and the communities around them. Qantas Group Submission A.1 Turbulence and wind shear 8. Should there be a consistent industry standard for mechanical turbulence and wind shear? If so, should the standard be proscriptive or allow for a case by case assessment? Unfortunately ICAO provides little guidance on mechanical turbulence. While both on- and off-airport influences must be considered, in Qantas view analysis of off-airport effects is likely to be outside the scope and capabilities of airports. Clearly size, shape and proximity to other structures can significantly change potential turbulence effects, and therefore it would be difficult to provide blanket prescription. However, established criteria which would trigger a study would appear to be appropriate. 9. Should expert modelling reports on turbulence and wind shear be mandatory for developments in close proximity to runways and who should bear the cost? Off-airport developments in close proximity to runways should require compulsory modelling by experts in turbulence and wind shear analysis, and these reports should be considered as part of the broader approval process. The potential impacts of such developments on aircraft can be significant and in extreme cases dangerous. The cost of such reports should be borne by the entity proposing the development. It is also important for airports to carefully consider the potential wind sheer issues associated with developments on airport. Large developments near runways can have wind shear implications and these should be assessed and considered as part of Major Development Plans. A.2 Airport planning, design, operation and safety ACI Policy and Recommended Practices Handbook, Seventh Edition, November 2009 ACI POLICY ACI RECOMMENDED PRACTICE / COMMENT Severe wind turbulence on, or in the vicinity of, the runway threshold may endanger landing or departing aircraft. Such turbulence can be caused by terminals, buildings, engine test sites, other facilities or landscape changes in the vicinity of runways. The problem is increasing, due to the enlargement of built-up areas around airports and changes of landscape or terrain due to infrastructure improvements. Hills in the approach paths to runways may also cause turbulence. ACI also recommends that suitable text be developed and incorporated in ICAO Annex 14 and the ICAO Airport Services Manual. 5.10.1 ACI recommends that the responsible authority should require an evaluation of all proposed new buildings and changes of landscaping which may affect the safety of aircraft operations. The evaluation should be carried out in conjunction with the airport operator and air navigation service providers, 5.10.1a ACI recommends that, in cooperation with the air navigation service provider and civil aviation authority, wind tunnel testing and/or simulation are performed on models of proposed new buildings and changes of landscaping which may affect the safety of aircraft during approach and departure, including for one-engine out operations In case new construction may cause significant 9 av 12
5.10.2 ILS and radar reflection problems should also be borne in mind, as well as reflection of sunlight. 5.10.3 Obstacle limitation surfaces should be protected. including from obstruction by new developments and activities inside or outside the airport boundary. wind shear and turbulence, ACI supports the provision of NOTAM or AIP warnings to aircraft operators and/or implementation of systems to allow real-time information to pilots. Such systems may include Automatic Wind Shear Warning Systems 5.10.2a Proposed developments may have other effects on aircraft operations, ranging from optical (e.g. reflection of sunlight from windows of buildings), to electromagnetic (e.g. reflections or other interference with radio transmissions, radar signals or other Navaids such as ILS). The authority responsible for ground based navigation aids should model all such effects to determine their impact on the safety of aircraft operations. 5.10.3a Aerodrome operators should also be consulted on all developmental planning applications, both inside and outside the airport boundary, which have the potential to conflict with the ICAO obstacle limitation surfaces (OLS), with particular attention to take-off climb and approach, transitional and inner horizontal surfaces for each runway. If planned developments or activities including temporary construction cranes would infringe these latter A.3 Safeguards for airports and the communities around them Department of Infrastructure, Transport, Regional Development and Local Government, Australian Government. Discussion paper Safeguard Element Key Requirement / Issues Turbulence and Wind The availability of Shear adequate guidance material to airports and developers to identify, assess and mitigate the potential impacts of turbulence and wind shear potentially arising from new development in close proximity to runways Available Regulation and Guidelines No guidelines available. Airports would need to satisfy CASA safety concerns if raised in terms of consistency with airport SMS. Potential Options Development of guidelines for case-bycase assessmsnet. 10 av 12
A.4 Turbulence and wind shear ISSUE: To establish effective protocols for the assessment and possible mitigation of turbulence and wind shear potentially arising from new development in close proximity to runways. During 2007, the Department of Infrastructure, Transport, Regional Development and Local Government formally raised the question of how to manage safety issues, including establishing PSZs, with the operators of the leased federal airports. Notable in their concerns was receiving guidance on managing mechanical turbulence and wind shear impacts from buildings encroaching aerodromes. There are no formal guidelines on the assessment and possible mitigation of turbulence and wind shear. The ICAO Manual on Low Level Wind Shear notes 'it will always be a serious hazard for aviation and a potential killer, and there must be continued vigilance and pilot training on wind shear.'3 As proximity is a critical factor, wind shear and turbulence issues will usually be an on-airport consideration. The potential impacts of proposed developments close to runways should be appropriately modelled. Schiphol Airport in the Netherlands takes a proactive approach to assessment of the potential risks posed by new buildings encroaching on the aerodrome, undertaking modelling for all new buildings. The Dutch use a one in 35 ratio rule of thumb for investigating buildings over a certain height to distance from any runway centreline. A range of factors need to be considered: the bulk and form of the building, both upstream and downstream wind flows, prevailing and adverse seasonal weather conditions, the potential to mitigate impacts upstream through landscaping or other development activity and the specific location and orientation of development activity in relation to critical points on the runway. Even at smaller airports, encroaching development and vegetation off-airport but close to the runway may significantly increase the potential for adverse flying conditions, particularly for landing light aircraft. Increased planning powers for state, territory and local government decision-making may be required to prevent encroachment on aerodromes where existing or potential safety impacts are identified. Such hazardous encroachment may be under operational airspace. There are a large number of variables in determining the impact of turbulence from a development: shielding and actual building profile are major considerations as are the potentially mitigating factors up and downstream of terrain, vegetation and development. This may require coordination of on and off airport development activity at some locations. It might not be possible, therefore, to set a practicable standard and provide specific guidance and regulations for mechanical turbulence. It might be more appropriate to require expert modelling and risk assessment. On airport this would be on a building-by-building basis and in line with an airport s Safety Management System, as endorsed by CASA. Seeking a credible assessment for off-airport developments (where applicable) might be an acceptable approach. Should there be a consistent industry standard for mechanical turbulence and wind shear? If so, should the standard be proscriptive or allow for a case by case assessment? Should expert modeling reports on turbulence and wind shear be mandatory for developments in close proximity to runways and who should bear the cost? 11 av 12
B Illustrasjon av 3D-simulering av vind over kompleks terreng Figur B1: Plot av resultater fra en 3D SIMRA-simulering TKE (turbulent kinetisk energi) Figur B1 viser Flesland-området i fugleperspektiv. Det "lysgrønne" området er tilnærmet havneområdet A+B for alternativ E. Merk at simuleringen er blitt utført med begge sonene (A og B) utgravd til 3m over sjø-nivå. De "brune" iso-flatene lokaliserer områder med moderat til kraftig turbulens. Denne simuleringen ble utført med vestlig vind og "idealiserte" innstrømsbetingelser med en vindhastighet på 20 m/s i høyden, og uten atmosfærisk stratifikasjon. I en utvidet og grundig 3D-analyse bør forskjellige betingelser for vindhastighet, vindretning og atmosfæriske forhold bli analysert, men med fokus på "worst-case scenarios". Ganske nylig har SINTEF utviklet pre-prosesseringsverktøy som gjør det mulig å "grave ut" vilkårlige polygonområder fra en eksisterende terrengbeskrivelse, for umiddelbar anvendelse med SIMRA. Langs med polygon-sidene kan også helningsvinkler spesifiseres. Polygonhjørnene defineres med geografiske koordinater, d.v.s. de aktuelle bredde- og lengdegradene (UTM). Figur B2: Plot av resultater fra 3D SIMRA-simuleringer TKE langs sporlinjer for vinden. Figur B2 viser a perspektivplot av det same området med turbulent kinetisk energi (TKE) langs sporlinjer. 12 av 12
Teknologi for et bedre samfunn www.sintef.no