3D Dutch Continental Shelf Model – Flexible Mesh

Welke gevolgen heeft klimaatverandering voor waterstanden langs Noordzeekusten? Hoe gaat een windpark in zee de beweging van water en slib beïnvloeden, zowel ter plekke als op afstand? Alleen met gedegen systeemkennis kunnen dergelijke vragen worden beantwoord. Deltares presenteert een nieuw geavanceerd 3D-model voor de berekening van waterstanden, stromingen en temperaturen: het 3D Dutch Continental Shelf Model – Flexible Mesh.

Het 3D DCSM-FM zet een nieuwe standaard voor 3D-modellering van regionale hydrodynamica. Het wordt ingezet voor operationeel water- en kustbeheer én voor kennisontwikkeling. In het model komen waterstroming, watertemperatuur en zoutgehalte samen met waterstanden (getij en stormopzet). Zowel kortstondige als langdurige ontwikkelingen en zowel lokale als grootschalige situaties kunnen scherp in beeld worden gebracht. Zo levert het model inzicht in het verloop van én de samenhang tussen complexe natuurlijke processen in kustwateren en open zee. Dit gebeurt op de schaal van het noordwestelijke deel van het Europees continentaal plat, inclusief de gehele Noordzee.

Rekenen naar behoefte

Het 3D DCSM-FM bestrijkt een gebied dat zich uitstrekt van de Ierse Zee tot en met de Oostzee en van de kust van Noord-Spanje tot de Scandinavische kust. Het model dekt zowel diepe als ondiepe wateren. Een flexibel rekenrooster (grofmazig en fijnmazig) maakt zowel precisiewerk als relatief snelle berekeningen mogelijk, in één geïntegreerd model. Dit is afhankelijk van lokale processen. Voor een goede beschrijving van de fysica in ondiep water en in gebieden met een variabele bodem en kustlijn is een hoge resolutie nodig. Op dieper water (de oceaan) voldoet een lagere resolutie. In dat geval kan er sneller worden gerekend en levert het model dus sneller nauwkeurige uitkomsten op. Oftewel, 3D DCSM-FM zet de rekenkracht efficiënt in.

Modelbathymetrie en roosterresolutie van het 3D DCSM-FM

State-of-the-art

Door modelvoorspellingen en observaties te koppelen is het model tot in detail afgeregeld. Een uitvoerige validatie, waarbij een grote hoeveelheid gemeten waarden gebruikt is, toont aan dat het model zeer goed in staat is natuurlijke processen nauwkeurig na te bootsen. De waterstandsinformatie die dit model levert is verhoudingsgewijs van zeer hoge kwaliteit. Ten opzichte van de voorloper op het 3D DCSM-FM (het 3D ZUNO-DD-model voor de zuidelijke Noordzee) is de fout in de weergegeven waterstanden langs de Nederlandse kust met maar liefst 75 procent verminderd. Als gevolg van ontwikkelingen in uniformering en beschikbaarheid van Europese bathymetrische gegevens bevat het computermodel ten opzichte van voorgaande modellen ook een natuurgetrouwere weergave van de zeebodem. De voortplanting van getijgolven in de zuidelijke Noordzee komt hierdoor nauwkeuriger in beeld.

Een andere belangrijke verbetering houdt in dat het 3D DCSM-FM temperaturenverschillen in de waterkolom (temperatuurstratificatie) in verschillende jaren nauwkeurig kan berekenen. Dit komt de kwaliteit van afgeleide informatie op het gebied van onder meer waterkwaliteit en ecologie ten goede. Doordat andere softwaremodules eenvoudig aan het model worden gekoppeld, zijn er verschillende toepassingsmogelijkheden.

Wat brengt het model in beeld?

In de eerste plaats is het 3D DCSM-FM gericht op het weergeven van hydrodynamische informatie zoals waterstanden, stroming, temperatuur en zoutgehalte. Watertemperatuur en zoutgehalte bepalen de dichtheid van water. Hiermee komen dus ook de verschillende waterlagen (stratificatie) in beeld en wordt duidelijk in hoeverre sprake is van menging van waterlagen (door turbulentie). Overgangen tussen zoet en zout water, zoals die tussen riviersystemen en de zee, kunnen zo worden geanalyseerd.

Door het 3D DCSM-FM berekende oppervlaktetemperatuur en -saliniteit

Door de koppeling van meteorologische (model)informatie aan het 3D DCSM-FM wordt duidelijk hoe weer en wind van invloed zijn op waterstanden, watertemperaturen en de verticale menging van de waterkolom. Deze koppeling maakt onder meer dagelijkse waterstandsvoorspellingen mogelijk. Gecombineerde hydrodynamische en meteorologische informatie ligt ook vaak ten grondslag aan onderzoek naar kustbeheer, kustbescherming en de ontwikkeling van gebruiksfuncties op het continentaal plat, zoals de winning van windenergie.

Het 3D DCSM-FM kan eenvoudig worden uitgebreid om het transport van sediment of stoffen te modelleren. Zo kan bijvoorbeeld het slibgehalte of de verspreiding van voedingsstoffen in beeld worden gebracht. In combinatie met informatie over temperatuur en turbulentie geeft de modellering van stoffen het nodige inzicht in waterkwaliteit. Vervolgens is het nog maar een kleine stap om uit ecologisch oogpunt relevante informatie te genereren: verbeteren of verslechteren de leefomstandigheden voor bepaalde soorten? Is er kans op algenvorming?

In het kader van klimaatverandering is het computermodel een uitstekend instrument om globale fenomenen en trends te vertalen naar kleinschaliger situaties: hoe verhoudt de verwachte zeespiegelstijging als gevolg van smeltend poolijs zich tot waterstanden langs de Nederlandse kust? Welke mate van stijging is kritisch voor zwakke plekken in verschillende Europese kustlijnen? Door verschillende scenario’s door te rekenen levert het model fundamentele kennis ter onderbouwing van kustbeheer op de lange termijn.

Toepassingen: praktische informatie én strategische kennis

Voor de hoogwaterverwachtingen van Rijkswaterstaat, nu nog gebaseerd op informatie uit 2D-modellen, biedt het 3D DCSM-FM model nieuwe mogelijkheden. Ook in andere landen kunnen waterbeheerders het model gebruiken voor nauwkeurige voorspellingen van getij en stormopzet. In een heel andere context is het model bijvoorbeeld gebruikt om deelnemers aan de Volvo Ocean Race van stromingsinformatie te voorzien.

Diepte-gemiddelde (uit een 2D model) stroomsnelheden (links) en oppervlaktestroomsnelheden uit 3D DCSM-FM (rechts).

Op Europese schaal is met het model de beweging van concentraties van nutriënten in rivierafvoeren en in zee in beeld gebracht. Deze analyse dient ter onderbouwing van normering voor de emissie van nutriënten in zee voor alle Europese landen. Ter onderbouwing van een onderhoudsstrategie voor de zandige Nederlandse kust is het sedimenttransport gemodelleerd. Onderzoekers van kennisinstellingen zoals de TU Delft gebruiken het 3D DCSM-FM ook om meer fundamenteel onderzoek te doen.

Er wordt steeds meer windenergie op zee gewonnen. Offshore windparken beïnvloeden het watersysteem op minstens twee manieren. Doordat windmolens energie uit de wind halen, verandert het windklimaat en dus verandert de invloed van het windklimaat op het water. Ten tweede verandert de aanwezigheid van de palen de omstandigheden onder water. Met het 3D-model worden de gevolgen in beeld gebracht van de grootschalige aanleg van offshore windparken op de stroming, de gelaagdheid (stratificatie), de waterkwaliteit en de ecologische toestand .

Meer informatie:

Delft Software Days 2019 presentatie: 3D model of the North Sea using Delft3D FM

Project Kustgenese 2.0

Project JMP-EUNOSAT