Scenario 5, day 2 Scenario 5, day 3

Scenario 5, day 2

Figure B.9

Scenario 5, day 3

Probability zones for 1K temperature increase. The colors are not given DT’s but the probability of reaching 1K at each calculation node, at the surface layer. Scenario 5.

Scenario 5. Entire period

NRG-22322/09.93635

Scenario 5. Day 1

91

Scenario 5, day 2

Figure B.10


Scenario 6. Entire period 92

Scenario 5, day 3

Scenario 6. Day 1 NRG-22322/09.93635

Scenario 6, day 2

Figure B.11

Scenario 6, day 3


Scenario 6. Entire period

NRG-22322/09.93635

Scenario 6. Day 1

93

Scenario 6, day 2

Figure B.12

94

Scenario 6, day 3


NRG-22322/09.93635

The POM model

Model overview To simulate the heat contamination of the chosen area, the advanced three-dimensional time-dependent stratified free surface Princeton Ocean Model (POM) was used (Blumberg, Mellor, 1987; Mellor, 2004). The POM model is most popular in the oceanographically community and it is used worldwide in coastal problems. The prognostic variables of this code are: the three components of the velocity fields, the temperature, salinity and the surface elevation. The concept of eddy viscosity and diffusivity is used to define the turbulence stresses and fluxes. The eddy viscosity and diffusivity were calculated from the q2q2l model of turbulence (Mellor, Yamada, 1982). The surface fluxes required by model are the fluxes of momentum and heat. The surface heat flux includes the latent heat, sensible heat and long wave radiation, whereas the solar insolation is absorbed in water column. As distinct from standard POM, these fluxes were calculated following advanced formulations (Koshebutsky et al., 2004 and Maderich et al., 2005). The solar insolation is calculated from solar radiation at the top of atmosphere and then corrected for relative humidity, cloudiness and inclination (Zillman (1972), Reed (1977)). The long-wave radiation is parameterized, according Zapadka et al. (2001). The sensible and latent heat flux into the water are estimated by bulk formulae of Blackadar (1979). The friction velocity also is calculated from bulk formula Blackadar (1979). The total required data sets for heat flux calculation are surface air temperature, relative humidity, cloudiness, wind speed and air surface pressure. At the land boundaries the no-slip conditions for horizontal velocity and no-flux conditions for scalars, except outlets’ are used. In the outlet, the discharge rate and discharge temperature should be prescribed. At the open lateral boundaries modified Flather boundary conditions were used. We have 2D fields of water surface elevation, velocity and salinity calculated by RIKZ 2D model for the region of interest. RWS data were provided in each mesh node of 2D with time step 0.5 hour for the period of 1-3 of August 2005. Water surface elevation, average velocities and salinity data calculated by RIKZ 2D model for the region of interest were interpolated into the calculation mesh boundary nodes and were used as boundary condition for local 3D model. Fitting the co-ordinate system to the bottom topography by means of sigma-co-ordinate transformation was used to provide accurate description of the bottom topography. Splitting of the barotropic and baroclinic modes based on the approach proposed by Blumberg and Mellor (1987) is used in the code. The governing equations together with the boundary conditions are solved by finite difference techniques. The velocity and scalar fields (temperature, salinity, turbulent quantities) are computed semi-implicitly. The implicit treatment of the vertical viscosity and diffusion terms is used, whereas advective terms and horizontal viscosity and diffusion are computed explicitly. The advective terms in equations for scalar NRG-22322/09.93635

95

function are approximated by the high order scheme (van Leer, 1979). A novel algorithm of wetting and drying (Oey 2005, Oey 2006) was implemented in the model to describe movable boundary sea-land in the tidal areas. The 12 levels in the vertical direction, allow detailed fields of temperature and currents with reasonable computing time. The horizontal grid, which has been used, was curvilinear, with refinement along the coast were all outlets are located. The curvilinear grid was made with the help of Sea Grid orthogonal grid maker. Sea Grid uses the Ives-Zacharias scheme to map the curved perimeter to a rectangle, after which, a Poisson solver fills the interior with orthogonally distributed grid points. With this program a curvilinear grid using the coastline and the original orthogonal bathymetry has been constructed. The resolution of final curvilinear grid was approximately 20x20m near the plants outlets power plant and more coarse near the north and east boundaries of model area. For modelling we chose the time interval 10-12 of August 2003 and 2004. We used Eemshaven measurements as temperature boundary conditions on the south boundary of computational domain. At the north boundary we used the temperature in Eems haven minus 0.5 ºC. The model area is a tidally and wind driven and flows and temperature inside the domain are controlled by boundary fluxes. After 2 days of modelling the equilibrium state was reached with almost no dependence on initial temperature conditions.

96

NRG-22322/09.93635

References:

1.

Blackadar A., (1979) High-resolution models of the planetary boundary layer, Advances in Environmental Science and Engineering, No 1, Pfaflin and Ziegler, Eds. Gordon and Briech, NY. – pp. 50-82.

2.

Blumberg, A.F., Mellor, G.L., 1987. A description of a three-dimensional coastal ocean circulation model, in. Three-Dimensional Coastal Ocean Models, N. Heaps (ed), Am. Geoph. Union, 208p.

3.

Blumberg A.F., Kantha L.H.1985. Open boundary condition for circulation models. J. Hydraul. Eng. 111, 237-255.

4.

Koshebutsky V., Maderich V., Nesterov O., Heling R. (2004) Modelling of heat dispersion in inland waters and coastal areas of sea. Applied Hydromechanics, 6(78) No. 4, p. 34-44.

5.

Maderych V., Heling R., Koshebutskyy V. (2005) Application of 3D numerical model THREETOX to the prediction of cooling water transport and mixing. J. Environ. Sci. Eng., 7, 5360.

6.

Mellor, G. (2004) Users guide for a three-dimensional, primitive equation, numerical ocean model.

7.

Mellor, G., Yamada, T. (1982) “Development of a turbulence closure model for geophysical fluid problems”. Reviews of Geophysics and Space Physics, 20, 851-875.

8.

Oey, L.-Y. 2005. A wetting and drying scheme for POM. Ocean Modelling 9: 133–150.

9.

Oey L.-Y. 2006. An OGCM with movable land–sea boundaries. Ocean Modelling 13: 176–195.

10.

Reed R.K. 1977. On estimating insolation over the ocean. J. Phys. Oceanogr., 7, 482-485.

11.

Van Leer B.1979. Toward the ultimate conservative difference scheme. V: A second order sequel to Godunov's method. Journal of Computational Physics 32: 101-136.

12.

Zapadka T., Wozniak S.B., Wozniak B.A. (2001) A simple formula for the net long-wave radiation flux in the southern Baltic Sea, Oceanologia, Vol. 43, pp. 265-277.

13.

Zillman J.W. 1972. A study of some aspects of the radiation and the budgets of the Southern Hemisphere Oceans, Meteorol. Studies, 26, Bur. of meteorology. Dept. of Inter., Canberra, A.C.T., Australia.

NRG-22322/09.93635

97

Calibration, Verification and Validation (in Dutch)

30630205.700 -TOS/MEC-08-8875

18 oktober 2008 HJ

MEMORANDUM

Onderbouwing kalibratie, verificatie en validatie in de koelwatermodellering van de nieuw te bouwen RWE centrale op de Eemshaven. Henk Jenner

KEMA

Rudie Heling

NRG

In opdracht van RWE

Inleiding Door RIZA en RWS is aangegeven dat een verdergaande onderbouwing wenselijk geacht wordt met betrekking tot kalibratie en verificatie van de toegepaste modelleringen van de warmetelozing van het koelwater in het Eems estuarium. In dit KEMA/NRG memorandum wordt ingegaan op de bovengenoemde vraag naar onderbouwing. Voor de volledigheid wordt tevens het onderwerp validatie besproken. Een tweede vraag betrof het toepassen van het POM model in het Eems estuarium en niet het elders toegepaste 3D model THREETOX. Ook hier wordt op ingegaan. Daarnaast zijn er nog enkele “losse” vragen beantwoord.

Achtergronden: POM 3D model Het POM 3D model (Princeton Oceanographic Mode) is een zeer gerenommeerd model (zie http://www.aos.princeton.edu/wwwpublic/htdocs.pom) welke de basis vormt voor afgeleide (kloon) modellen zoals ECOMSED (Blumberg and Mellor, 1987; Mellor, 2004) en recentelijk ook THREETOX. ECOMSED heeft als extra een sedimentatie module en is een goed en bekend standaard model voor het modelleren van kustzones met wereldwijd ruim 3000 gebruikers (Ahsan et al, 2002). Het hydrodynamische modelgedeelte is gelijk aan POM (Shoemaker et al. 2005; Lee, 2007).

98

NRG-22322/09.93635

Ten tijde van de uitvoering van de modelleringen voor RWE, NUON en de Provincie Groningen is, in verband met de “drying and wetting module” (het droogvallen van de platen in de Waddenzee) niet het THREETOX model maar het POM model toegepast. Vooral in ondiepe wateren met getijdenverschillen presteert POM beter dan andere modellen (Meselhe et al, 2004). Het POM model is vergelijkbaar met het bestaande THREETOX model dat in bijna alle andere modelleringen is toegepast (zie bijlage A voor nadere toelichting; Bezhenar et al, 2008 ).

Worst case scenario Bij de modellen welke KEMA/NRG gebruikt voor 3-D modellering van koelwaterlozingen is in samenspraak met RWS voor de omstandigheden van een extreem warme zomer als “worst case” situatie (10 – 13 augustus 2003) en een “normale’ warme zomer (10 – 13 augustus 2004). Dit betekent dat alle benodigde meteorologische gegevens en de beschikbare temperatuurmetingen van RWS/RIKZ van beide jaren zijn gebruikt. De modelresultaten beschrijven dus een warme en een extreem warme zomerperiode van slechts een paar dagen. In normale zomersituaties treden deze meteorologische omstandigheden niet of nauwelijks op en dan zijn er zeker geen milieuproblemen te verwachten.

Losse vragen In onderstaande figuur is de dieptekaart weergegeven rond de Eemshaven met de lozingspunten van de geplande bedrijven. Het lozingspunt van RWE is aangegeven met een rode pijl. Een van de vragen is dat er slechts temperaturen tot 25ºC worden gebruikt in het model. De centrale geeft een constante warmte af aan het koelwater. De opwarming van het koelwater is continu 6 C. Als de inlaattemperatuur hoger wordt, wordt de uitlaattemperatuur ook navenant hoger en omgekeerd. Doordat de delta T gelijk blijft zal dit voor de modellering geen verschil uitmaken. Het opgewarmde water zal hoofdzakelijk aan de lucht afkoelen en de luchttemperatuur en de windsnelheid zijn invoergegevens in het model die vast staan. Verder zijn de temperaturen afgeleid van gemeten waarden aan de rand van het model. De waterdiepte rondom de Eemshaven is op korte afstand van de kustlijn relatief diep (> 8 meter) en de stroomsnelheden zijn hoog (> 3m/s) tijdens de getijdenstromen. Dit maakt het ook begrijpelijk dat de warmte de bodem niet bereikt en dat de koelwaterpluim relatief klein blijft. Het modelleren met een andere bathymetrie waarbij vaargeulen zijn aangebracht zal geen andere resultaten opleveren. Op de vraag van RWS Noord-Nederland wat het betekent voor de resultaten als er een afwijking van 10% zou bestaan, kan worden geantwoord dat hierdoor slechts een relatief klein gebied wordt beïnvloed aansluitend aan het reeds gemodelleerde gebied. Naast de randtemperaturen worden de temperaturen in het gebied gedomineerd door de atmosfeertemperatuur. Hoe groter het gebied gekozen wordt, des te kleiner de beïnvloeding van het doelgebied rondom de centrale(‘s) door de randtemperaturen. Een

NRG-22322/09.93635

99

afwijking van 10% betekent dat nog steeds wordt voldaan aan NBW-beoordelingssystematiek voor warmtelozingen.

Weergave van de dieptekaart rond de Eemshaven met de lozingspunten van NUON, RWE (rode pijl), Advanced Power and Electrabel (witte streepjes van links naar rechts).

1.

Kalibratie

Kalibratie is het bepalen van de waarde van de afwijkingen van het model ten opzichte van een van toepassing zijnde set van metingen. Bij kalibratie wordt een aantal belangrijke parameters zodanig aangepast, dat de modelresultaten overeenkomen met de metingen. Voor volledige kalibratie van een 3D model in complexe gebieden, met veel veranderende omstandigheden in tijd en plaats, is doorgaans een groot aantal dataseries nodig. Dit impliceert dat het model gekalibreerd zou moeten worden door gebruik te maken van bestaande meetseries (watertemperaturen in het Eems-Dollardgebied) in de periode van de gekozen meteorologische omstandigheden zijnde augustus 2003 en 2004. Er zijn/waren geen goede meetseries wat betreft temperaturen, zoutgehalte, waterstanden en stroming, voorhanden voor het estuarium en voor de gekozen perioden. Door gebruik te maken van bestaande (fragmentarische) meetseries van RWS op een beperkt aantal locaties, zijn de temperaturen aan de modelranden afgeschat. Er is gebruik gemaakt van gemiddeld getij (geen springtij of doodtij, maar astronomisch gemiddeld tij). Zowel de randvoorwaarden zoutgehalte, waterhoogte en waterafvoer zijn van een (dieptegemiddeld) 2D model afgeleid dat door RWS wordt toegepast voor het Eems-Dollard Estuarium. De dieptekaart van het modelgebied is gebaseerd op gegevens van Rijkswaterstaat (“gridded” data op basis van lodingen uit 2002) en van RIKZ (dieptekaart van 300x300 WAQUA kustmodel). Het eerste werd gebruikt om de dieptekaart te maken en 100

NRG-22322/09.93635

het tweede werd gebruikt voor het aanvullen van ontbrekende gebieden, met name aan de Duitse kant van het Eems estuarium. Daar lodingen niet tot aan de dijk gaan, maar tijdens hoogtij het water daar wel staat, zijn de ontbrekende gebieden handmatig aangevuld door interpolatietechnieken toe te passen. De geplande uitbreiding van de Wilhelminahaven is in het model meegenomen. Voor een volledige kalibratie zouden reële meetwaarden moeten worden gebruikt over het hele gebied. Hiertoe is een intensieve en kostbare meetcampagne vereist. Met behulp van bestaande meetgegevens is het model zo goed mogelijk gekalibreerd waardoor het optreden van grote systematische afwijkingen zo goed als uitgesloten is.

Samengevat kan worden gesteld dat met de bestaande meetseries zo goed mogelijk tegemoet is gekomen aan de vraag betreffende kalibratie. Het optreden van grote systematische afwijkingen is met het huidige model en de uitgevoerde deelkalibraties reeds uitgesloten.

2.

Verificatie

Verificatie is het nagaan of het empirische model correct vertaald is uit het conceptueel model, met andere woorden: is het model correct? Dit betekent dat de in- en uitvoervariabelen goed moeten zijn, en dat uiteraard het model correct moet zijn. Zo moeten oscillaties worden voorkomen, maar ook moet de energiebalans, de impulsbalans, en de massabalans gesloten zijn. Ook moet het model bekend zijn om de robuustheid. Hier kan worden aangevoerd dat aan de correctheid van het POM/ECOMSED/THREETOX model niet hoeft te worden getwijfeld, op dit gebied zijn voldoende publicaties voorhanden (Ahsan et al, 2002; Heling et al, 2002; Koshebutky et al, 2004; Maderich et al, 2005, Maderich et al, 2007, Bezhenar et al, 2007. Dit model wordt internationaal toegepast door ten minste 3000 gebruikers. De modelleringen in het Eems-estuarium zijn aangepast en voorzien van een module waardoor het zogenaamde “drying” en “wetting” mogelijk is gemaakt. Door de getijdenbeweging vallen platen droog, waardoor hogere stroomsnelheden in het gebied optreden, doordat het water zich bij laag water via de ontstane geulen verplaatst. Het stromingspatroon heeft op zijn beurt weer invloed op de dissipatie van warmte van het koelwater. Door deze aanpassing is de best mogelijke modeluitvoering gebruikt voor de gegeven situatie. Het gebruikte algoritme is reeds gevalideerd in een studie door Oey (2006) van in Alaska met een tidal range van 5 m. Voor de modellering is een gemiddeld getijde gebruikt en is dus niet uitgegaan van de werkelijke bestaande situatie op de desbetreffende augustusdagen. Daarbij zijn randtemperaturen opgelegd met in het zuidwesten een verhoging van +0,5 gr C. Deze temperatuurkeus is naar beste kunnen en weten gedaan omdat langdurige tijdseries in het modelgebied niet voorhanden waren. In het gemodelleerde gebied komen een aantal platen voor die droogvallen bij laagwater en in de zomer snel kunnen opwarmen. Zowel NRG-22322/09.93635

101

ten westen van de Eemshaven, als ten zuidoosten ervan zal de geloosde warmte zich bij hoog water door de stroomgeul zuidwaarts bewegen (Bocht van Watum). De tegenoverliggende zandbank - (Hondpaap), zal bij laag water zo goed als droog staan, waardoor op die locatie hogere temperaturen worden bereikt. Dit is bij de modelresultaten gerealiseerd, zodat opgewarmde zones niet ten onrechte aan de warmwaterlozingen zijn toegekend. Het was wellicht beter geweest om de modelgrens aan de zuidoostzijde verder weg te leggen om zeker te zijn dat er geen warmte wegglipt over de modelgrens en dus niet meer terugkomt in de berekeningen. De fout die hier mee wordt geïntroduceerd is klein, minder dan 1% en daarmee verwaarloosbaar. Daarbij komt dat de verkregen resultaten goed overeen komen met de verwachtingen van “kenners van het gebied” (RIKZ).

Samengevat: 1. de verificatie is zo goed mogelijk gedaan, waarbij “drying” en “wetting” later extra zijn ingevoerd ten behoeve van optimalisatie van het model. 2. Het POM-systeem is al vele malen elders geverifieerd (zie literatuur). 3. KEMA/NRG heeft grote ervaring met de locatiespecifieke invulling van het POM model in andere gebieden. 4. De resultaten van de modellering van het Eems-gebied inclusief de ‘drying and wetting’ komen goed overeen met de verwachtingen van RIKZ experts. 3.

Validatie

Validatie is het nagaan of het gebruikte model met zijn uitkomsten voldoende overeenkomt met de werkelijkheid (=metingen). Dit is alleen mogelijk als de modellering wordt uitgevoerd voor een gebied in een periode waarbij gelijktijdig met schepen (of met boeien met meetsensoren) temperatuur- en stromingen saliniteitsmetingen in het hele gebied worden uitgevoerd. Doordat voor de modelleringen qua meteorologie en watertemperatuur is uitgegaan van de omstandigheden in augustus 2003 en 2004, is dit niet meer mogelijk. In dergelijke validatiestudies zouden van de betreffende tijdsperiode alle in die periode gemeten parameters moeten worden gebruikt (getij, waterafvoer, zout, temperatuur). Een dergelijke reconstructie heeft niet kunnen plaatsvinden voor het Eemsgebied. Er is dus gebruik gemaakt van een “standaardscenario”: een gemiddelde getijdensituatie, met gemiddeld water aan- en afvoer langs de modelranden (gemiddelde afvoer van de rivier de E(e)ms), voor de periode augustus 2005 (extractie uit modelresultaten voor het EEMS-model, geleverd door RWS). Daarbij is er ook nog van vergunde lozingen uitgegaan en niet van werkelijke lozingen, van RWE, Electrabel als van NUON. In principe is validatie mogelijk door nu te gaan meten met een aantal schepen tegelijkertijd en de huidige meteorologische omstandigheden in te voeren in het model. Probleem blijft dat een vertaalslag gemaakt

102

NRG-22322/09.93635

moet worden naar de 2003 en 2004 meteo en de vraag blijft of de resultaten veel beter zullen worden, waarbij de zeer hoge kosten van een dergelijk project buiten beschouwing zijn gelaten. Modellen worden beoordeeld aan de hand van validatiestudies (is het model in staat de werkelijkheid weer te geven?). Gevoeligheidsanalyses tonen aan wat de onzekerheid is in de door het model geleverde antwoorden (bij een vaste variatie op alle parameters), voor een bepaalde toepassing. Hierbij wordt ook duidelijk welke parameters dominant zijn. Door onzekerheidsanalyses uit te voeren, kan worden nagegaan wat in het geval van een bepaalde toepassing de onzekerheid in het antwoord is door realistische intervallen te kiezen voor de desbetreffende parameters. Validatie is voor 3D modellering een uiterst complexe zaak. Afwijkingen van metingen kunnen, zeker in dynamische systemen niet alleen optreden in absolute zin, maar kunnen ook optreden in plaats (in drie richtingen), maar ook in de tijd. Zo kan een juiste waarde optreden, maar dan verschoven in de tijd of plaats, of een afwijkende waarde, maar dan op de juiste tijd en plaats. Vraag is dan wat acceptabel is voor ondersteuning van een milieustudie. De vraag is wat in milieumodellering het minst acceptabel is. Vragen zijn bijvoorbeeld of goede (correcte) temperatuurprofielen met een lichte afwijking in de tijd meer acceptabel zijn dan goede (correcte) profielen die zijn verschoven qua plaats. Overschattingen van de temperaturen kunnen voorkomen op een bepaald tijdstip alleen doordat er een onnauwkeurigheid in het tijdsgedrag van het getij is geïntroduceerd. Informatie met betrekking tot het getij is veelal ook betrokken uit modellen of meting met de daarbij bijbehorende onzekerheid. Belangrijker dan deze onzekerheid is, na te gaan wat de kwaliteit van een model over het algemeen is. Dat kan worden nagegaan door een groot aantal validatiestudies uit te voeren, waarbij wordt nagegaan wat de gemiddelde afwijking van de modelresultaten is. Een groot aantal studies op een veelvoud van watersystemen kan dan een beeld geven van de betrouwbaarheid van het model (POM of THREETOX). POM en THREETOX gaan van dezelfde hydrodynamische concepten uit. THREETOX is succesvol getest in een relatief groot aantal modeltoepassingen. Ondanks de moeilijkheid om een 3D model als totaal te valideren (validatie van de verschillende deelprocessen is veelal eenvoudiger) zijn er een aantal validatiestudies met THREETOX voor de toepassing voor koelwatermodellering gedaan, en wel voor de volgende watersystemen: Bergumermeer, Amer, Hollandsch Diep, Rotterdams havengebied en het Amsterdam-Rijnkanaal. Daarnaast zijn er vergelijkingen gemaakt tussen de modelresultaten en metingen op bepaalde puntlocaties (bijvoorbeeld inlaten, Rijkswaterstaatmeetpunten en meetvaartochten). Dit leidde bij de toepassing op het Noordzeekanaal en het IJmeer bijvoorbeeld tot goede resultaten. Hierbij gedroeg het THREETOX model zich uitstekend, met uitzondering van locaties vlak naast de lozingslocatie, daar de werkelijke temperatuurgradiënt veelal veel groter is dan de rastergrootte (temperatuurverloop is te groot binnen de afstand tussen 2 gridpunten).

NRG-22322/09.93635

103

POM en THREETOX hebben een geavanceerde thermohydrodynamische module. Deze is in een aantal internationale studies getest en gevalideerd voor zowel het hydrodynamische en het thermische deel - met als voorbeelden de Karazee (deel van de Poolzee), de Barentszee (Deel van de Poolzee), de Tsjernobylkoelvijver, en de mondingen (estuaria) van de rivieren Ob en Jenesei, de Zwarte Zee, en het Bodenmeer (zie referentielijst bijlage B). De warmteoverdracht atmosfeer–water is complex en werd in zowel in THREETOX als in POM voortdurend verbeterd en uitgebreid (op basis van voortschrijdend inzicht, een algemene handelswijze bij de uitvoering van dergelijke modellen). De interactie met de atmosfeer is voornamelijk van belang buiten de mengzone van de pluim. In het specifieke geval van THREETOX is deze module verbeterd tegelijkertijd met het aanbrengen van parameters die de energieoverdracht en verticale menging door schepen verdisconteren. Dit leidde in het geval van de toepassing van het Amsterdam-Rijnkanaal tot goede resultaten (Zie Bijlage C). Voor ondiepe meren en voor de ondiepe delen vlakbij oevers is er een module aangebracht in THREETOX om de warmteuitwisseling tussen het water en de sedimentbodem weer te geven. Dit heeft de voorspellende waarde verder doen stijgen. Een belangrijk facet van validatie is het geven van demonstraties en het voorleggen van de resultaten van de modellering aan experts. Dit is gebeurd voor de koelwatermodellering 2e Maasvlakte waar Deltares en KEMA/NRG met gebruikmaking van de zelfde parameters tot vrijwel eensluidende resultaten zijn gekomen. THREETOX had hier zelfs een iets grotere nauwkeurigheid doordat een fijnere curvelineair (kromlijnig) grid is gebruikt met 27 double-sigma layers

Samengevat: Gezien het grote aantal uitgevoerde modelstudies van verschillende watersystemen (zeeën, rivieren en meren) in binnen- en buitenland door een team van experts, kan er van worden uitgegaan dat de toepassing van POM/THREETOX een correcte weergave levert binnen de gekozen set van parameters van meteorologie en hydrologie.

Conclusies De volgende conclusies kunnen worden getrokken: Aangaande kalibratie. Met de bestaande meetseries is zo goed mogelijk tegemoet gekomen aan de vraag betreffende kalibratie. Nog nauwkeurigere kalibraties zullen zeer intensieve, tijdrovende en kostbare meetcampagnes gaan vereisen. Het optreden van grote systematische afwijkingen is met het huidige model en de uitgevoerde deelkalibraties is zo goed als uitgesloten; Aangaande verificatie. Het POM model en verwante modellen ECOMSED en THREETOX zijn al vele malen elders geverifieerd en daarbij komt dat KEMA/NRG grote ervaring met de 104

NRG-22322/09.93635

locatiespecifieke invulling heeft met het POM model in andere gebieden. De resultaten van de modellering van het Eems-gebied inclusief de ‘drying and wetting’ komen goed overeen met de verwachtingen van RIKZ experts; Aangaande validatie. Voor het POM model is uit noodzaak gebruik gemaakt gemiddelde wateraanvoer en afvoer voor de periode 2005 met de meteo condities van 2003 en 2004. Een echte reconstructie voor het Eems-gebied met data van die perioden is niet mogelijk omdat de benodigde data er niet zijn. Daarbij is er ook nog van de vergunde lozingen van de bedrijven uitgegaan en niet van werkelijke lozingen. Voor het THREETOX model zijn wel specifieke validatiestudies uitgevoerd in de volgende watersystemen: Bergumermeer, Amer, Hollandsch Diep, Rotterdams Botlek en het Amsterdam-Rijnkanaal. De resultaten van de “hand” metingen bleken goed overeen te komen met de modelberekeningen.

Referenties

Ahsan Q., Li, H., Blumberg A.F., Piehler, G.R. 2002. Addressing practical environmental permitting issues through the use of sophisticated 3-D hydrothermal models. Power-Gen International December 10-12, 2002 at the Orange County Convention Center in Orlando, Florida USA. Bezhenar R., Brovchenko I., Koshebutsky V., Kuschan A., Maderich V., Terletska K, Heling R., Jenner, H.A., Bruijs M.C.M. 2008. Application of the 3D numerical model THREETOX to predict cooling water transport and mixing. Journal Hydrological Processes 22: 1000-1013 (2008), Published online in Wiley InterScience, (www.interscience.wiley.com) DOI: 10.1002/hyp.6985. Blumberg, A.F., Mellor G.L. 1987. A description of a three-dimensional coastal ocean circulation model, in ThreeDimensional Coastal Ocean Models, Vol. 4, edited by N. Heaps, pp. 208, American Geophysical Union, Washington, D.C. Heling R., Maderich V, Koshebutsky V. 2002. THREETOX model. Application for the control of waste heat in reservoirs and estuaries. In Proceedings of the Fifth International Conference on Hydro informatics, Cardiff, UK; 405-410. Koshebutky V., Maderich V., Nesterov A., Heling R. 2004. Modelling of the heat dispersion in inland waters and in coastal regions of seas. J. Applied Hydromechanics (in Russian) Vol. 6. (78). N. 4: 34-44. Lee H. S. 2007. Thesis entitled: “Regional Disaster Events and Environment Simulations by Atmosphere-Ocean Coupled Model”, Hiroshima University. Madala R. V., Piacsek S. A. 1977. A semi-implicit numerical model for baroclinic oceans, J. Comput. Phys., 23, 167-178, 1977. Maderich V., Heling R., Koshebutskyy V. 2005. Application of 3D numerical model THREETOX to the prediction of cooling water transport and mixing. J. Environ. Sci, Eng. 7, 53-60.

NRG-22322/09.93635

105

Maderich V., Heling R., Bezhenar R., Brovchenko I., Jenner H.A., Koshebutskyy V., Kuschan A., Terletska K., 2008. Development and application of 3D numerical model THREETOX to the prediction of cooling water transport and mixing in the inland and coastal waters. Journal of Hydrological Processes, In Press. Mellor G. L. 2004. Users Guide for A three-dimensional, primitive equation, numerical ocean model. Princeton University, Princeton, NJ 08544-0710. June, 2004, 56 p. Meselhe, E., McCorquodale, J.A., Habib, E., Stronach, J., Georgiou, I., Mader, C., Griborio, A., and Campanella, R. 2004. Hydro-ecological modelling of the lower Mississippi River. University of Louisiana at Lafayette. Governor’s Applied Coastal Research and Development Program, GACRDP, Technical Report Series Oey L.-Y. 2006. An OGCM with movable land–sea boundaries. Ocean Modelling 13: 176–195. Shoemaker L., Dai T., Koenig J. 2005. TMDL Model Evaluation and Research Needs; Tetra Tech, Inc.Fairfax, Virginia 22030; EPA/600/R-05/149.

Bijlage A: THREETOX overview

A modelling system THREETOX simulates the transport and mixing of cooling water in both the freshwater and the marine environment. This code initially was developed within the framework of the EU-decision support system RODOS (Real-time Online Decision support System) for supporting the emergency response to nuclear accidents (Margvelashvili et al., 1997, 1999; Koziy et al., 1998; Lepicard et al., 2004; Maderich et al., 2005; Monte et al., 2006; Yuschenko et al., 2006). The model was adapted later to the problem of heat dispersion in surface waters (Heling et al., 2002) and was applied in many different studies for the heat dispersion in inland and coastal waters (Maderich et al., 2005). A 3D hydrostatic free-surface model describes the heat dispersion in the far field, whereas an integral buoyant jet model (Lee and Choi, 2007) coupled with a far-field model can be applied to the near field. The governing equations of hydrodynamics are Reynolds averaged equations of continuity and horizontal momentum and hydrostatic relation the equations of hydrodynamics of the far-field model are completed by equations for heat and salt transport, the state equation and by the k − ε turbulence model. The concept of eddy viscosity/diffusivity is used to determine the turbulent stresses and fluxes. A state-of-art stability functions (Canuto et al. (2001) allow accurately describe stratification effect on the turbulent stresses and fluxes. The horizontal turbulent viscosity and diffusivity are parameterized by the Smagorinsky (1963) formula. Special attention is paid to the parameterization of heat fluxes between water and atmosphere and between water and bottom sediments. The downward surface heat flux of solar insolation is calculated from solar radiation at the top of atmosphere and then corrected for relative humidity, cloudiness and inclination (Zillman, 1972; Reed, 1977). It is absorbed in the water column. The long wave radiation is parameterised by formula of Zapadka et al. (2001). The sensible and latent heat fluxes into the water are 106

NRG-22322/09.93635

estimated by bulk formulae of Blackadar (1979). The profile of temperature in the bottom sediments is calculated heat conduction equation whereas parameterization of heat exchange of water layer and sediments describes both forced and free convection. At the land boundaries, except of cooling water outlets, the no-slip conditions for horizontal velocity and no-flux conditions for scalars are applied. A variety of open lateral boundary conditions for external and internal modes are used. Among others, the radiation conditions (Orlanski, 1976; Flather, 1976; Blumberg and Kantha, 1985) are included. Wetting - and drying processes were built into the model (Oey, 2006) to describe areas where tide and floods play a dominant role. The model was enhanced by processes describing the effects of ship traffic on the dispersion of the discharge heat in stagnant canals. The mixed vertical coordinate system is used. The sigma coordinate in the upper layer can be combined with two different coordinates systems in the lower layer: a second sigma coordinate system or a z coordinate system. An orthogonal curvilinear horizontal grid with two-way nesting capabilities has been used to describe the area of interest accurately. The governing equations together with the boundary conditions are solved by finite difference techniques. The model equations are solved on an Arakawa C grid with all scalars located at the cell centroid, while the velocity components are defined at the centre of the cell faces. The temporal differencing is a second order leapfrog scheme with the Asselin filter. The vertically integrated equations of continuity and momentum (external mode) are separated from the equations for the vertical structure of the flow (internal mode). Splitting on the external and internal modes was utilized following Blumberg and Mellor (1987). The 2D equations for the external mode were solved explicitly, whereas 3D velocity and scalar fields (temperature, salinity, turbulent quantities) were computed semi-implicitly with larger internal step. The implicit treatment of the vertical viscosity and diffusion terms is used, whereas advective terms, horizontal viscosity and diffusion are computed on the previous time step. The advection of scalars is approximated by the high order TVD scheme (van Leer, 1979). The problem of heat conduction in the bottom sediments was solved by an explicit finite-difference method at each internal time step. The parallelization of the code was realized using MPI standard. A computational domain was horizontally partitioned on a set of smaller overlapped sub-domains to divide computational work among processors.

References

1. Blackadar A. 1979. High-resolution models of the planetary boundary layer. In Advances in Environmental Science and Engineering, 1, No 1. Pfafflin and Ziegler (eds.) Gordon and Briech: NY; 50-85. 2. Blumberg AF, Kantha LH.1985. Open boundary condition for circulation models. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE 111: 237-255.

NRG-22322/09.93635

107

3. Blumberg AF, Mellor GL. 1987. A description of a three-dimensional coastal ocean circulation model. In Three-Dimensional Coastal Ocean Models, Coastal and Estuarine Science, vol. 4, Heaps NS (ed.) American Geophysical Union: 1–19. 4. Canuto VM, Howard A, Cheng Y, Dubovikov MS. 2001. Ocean Turbulence. Part I: One-point closure model-momentum and heat vertical diffusivities. Journal of Physical Oceanography 31: 1413-1426. 5. Choi KW, Lee JHW. 2007. Distributed entrainment sink approach for modelling mixing and transport in the intermediate field. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE 133: 804-815. 6. Flather RA. 1976. A tidal model of northwest European continental shelf. Memoires de la Société Royale des sciences des Liege 6:141-164. 7. Heling R, Maderich V, Koshebutsky V. 2002. THREETOX model. Application for the control of waste heat in reservoirs and estuaries. In Proceedings of the Fifth International Conference on Hydro informatics, Cardiff, UK; 405-410. 8. Koziy L., Maderich V., Margvelashvili N., Zheleznyak M. (1998) Three-dimensional model of radionuclide dispersion in the estuaries and shelf seas. J. Environmental Modelling and Software, 13 (5-6): 413-420. 9. Maderich V., Dziuba N., Koshebutsky V., Zheleznyak M., Volkov V. (2005) An assessment of flux of radionuclide contamination through the large Siberian rivers to the Kara Sea. Radioprotection, Suppl. 1, vol. 40: S413-S419. 10. Maderych V., Heling R., Koshebutskyy V. (2005) Application of 3D numerical model THREETOX to the prediction of cooling water transport and mixing. J. Environ. Sci. Eng., 7:53-60. 11. Margvelashvili N, Maderich V, Zheleznyak M. 1997. THREETOX - computer code to simulate three-dimensional dispersion of radionuclides in homogeneous and stratified water bodies. Radiation Protection Dosimetry 73: 177-180. 12. Margvelashvili N., Maderich V. and Zheleznyak M. (1999) Simulation of radionuclide fluxes from the Dnieper-Bug Estuary into the Black Sea. J. Environmental Radioactivity, 43: 157-171. 13. Monte L., Håkanson L., Periañez R., Laptev G., Zheleznyak M., Maderich V., Angeli G., Koshebutsky V. (2006) Experiences from a case study of multi-model application to assess the behaviour of pollutants in the Dnieper–Bug Estuary. Ecological modelling, 195, 247-263. 14. Oey L.-Y. 2006. An OGCM with movable land–sea boundaries. Ocean Modelling 13: 176–195. 15. Orlanski I.1976. A simple boundary condition for unbounded hyperbolic flows. Journal of Computational Physics 21: 251-269. 16. Popov A., Catsaros N., Maderich V., Yuschenko S. (2002) Reconstruction of land-to-sea radionuclide flux by POSEIDON/RODOS model chain: the Thermaikos Gulf case. Radioprotection Vol. 37,CI, 677-682. 17. Reed RK. 1977. On estimating insolation over the ocean. Journal of Physical Oceanography 7: 482485. 18. Smagorinsky J. 1963. General circulation experiments with primitive equations. 1. The basic experiment. Monthly Weather Review 91: 99-164.

108

NRG-22322/09.93635

19. Van Leer B.1979. Toward the ultimate conservative difference scheme. V: A second order sequel to Godunov's method. Journal of Computational Physics 32: 101-136. 20. Veleva B., Koziy L., Yushchenko S., Maderich V., Mungov G. (2002) Assessment of radionuclide contamination in the Black Sea using Poseidon/Rodos system. Radioprotection Vol. 37, C1, 827-832. 21. Zapadka T, Wozniak SB, Wozniak B. 2001. A simple formula for the net longwave radiation flux in the southern Baltic Sea. Oceanologia 43: 265-277. 22. Zillman JW. 1972. A study of some aspects of the radiation and the budgets of the Southern Hemisphere Oceans, Meteorological Studies, 26, Bur. of Meteorol., Dept. of Inter. Canberrra, A.C.T., Australia. 23. Lepicard S., Heling R., Maderich V. (2004) POSEIDON/RODOS model for radiological assessment of marine environment after accidental releases: application to coastal areas of the Baltic, Black and North seas. J. Environmental Radioactivity,72, No 1-2, 153-161. 24. Yuschenko S., Kovalets I., Maderich V., Treebushny D.,Zheleznyak M. (2005) Modelling the radionuclide contamination of the Black Sea in the result of Chernobyl accident using circulation model and data assimilation. Radioprotection, Suppl. 1, vol. 40 S685-S691.

Bijlage B References THREETOX model 2004 - 2007 Listed below all projects are presented done with THREETOX (cooling) water modelling

Rivers: AVR(incinerator)

Nieuwe Maas

AVR (incinerator)

Nieuwe Waterweg

Electrabel PP CG13 (Nijmegen)

River Waal

Essent Amer power station

Tidal River Amer

Essent WKC Moerdijk

Tidal River branch Hollandsch Diep

Shell SNC Moerdijk


AZN (waste incinerator)


Estuaries: Ob en Yenisey River Estuaries

Estuaries near Arctic Sea

Dnieper -Bug estuary

Estuary near Black Sea

NUON Eems harbour (new power station)

Ems Estuary near Wadden Sea¹

RWE Eems harbour (new station)

Ems Estuary near Wadden Sea¹

¹ a specific application was built in the model to enable drying and wetting of tidal flood plains NRG-22322/09.93635

109

Lakes: Electrabel PP Bergum

Lake Bergumermeer

Electrabel Flevo (new station)

Lake IJsselmeer

Bodensee (Lake Constance)

Germany/Switzerland

Womb Lake

Sweden

Zaporozhe Reservoir

Ukraine

NUON Diemen³

Lake Markermeerr / Lake IJmeer

³ extra bottom friction as function of plant cover was built in the model

Harbours AkzoNobel, Rotterdam

Chemiehaven, Botlek

Akzo Nobel, Rotterdam (bromate dispersion)

Chemiehaven, Botlek

BASF, Antwerp, Belgium

Harbour and Docks

BASF: Antwerp, Belgium, second project

Harbours and Docks

ENECO, Rotterdam

Beerkanaal, Maasvlakte

Shell Pernis, Rotterdam

1e Petroleumhaven

NUON PP, Velsen

North Sea Canal, Sea Locks

CORUS, Velsen


DSM Agro, Velsen


E.ON (new power station)

Rotterdam harbour

Electrabel (new power station)

Rotterdam harbour

ENECOGEN (new station)

Rotterdam harbour

Port of Rotterdam

2e Maasvlakte

Canals NUON PP, Lage Weide

Amsterdam Rijnkanaal²

NUON Hemweg (new power station)

Noordzeekanaal

NUON Hemweg 7 & 8

Noordzeekanaal

AEB (waste incinerator)

Noordzeekanaal

² Ship movements model included

110

NRG-22322/09.93635

Bijlage C. Validatie THREETOX modellering Amsterdam Rijnkanaal

Overzichtskaart Centrale Lage Weide en Merwede Kanaal met de monsterpunten

In de volgende figuren worden de berekende diepteprofielen vergeleken met de (hand)metingen. Hierbij zijn telkens de temperatuurmetingen uitgezet met en zonder scheepvaart en de handmetingen uitgevoerd op 12 augustus 2004. Het lozingspunt van de centrale is achterin de Kernhaven.

-

-

De validatie laat zien, dat THREETOX de temperaturen goed reconstrueert. Afwijkingen van de gemeten waarden komen vooral in de Kernhaven voor en in het ARK, vlakbij de havenmonding. Ook de temperaturen aan de inlaat komen overeen met de temperaturen die door NUON gemeten zijn Scheepvaart speelt een belangrijke rol in de menging van de bovenste opgewarmde waterlaag met de onderste waterlaag; de stratificatie wordt verstoord. In de modellering is gerekend met een gemiddeld aantal schepen van circa 30 stuks per uur (10 -50 schepen per uur over de dag).

Legenda bij de figuren: Zwarte lijn = berekende temperatuur zonder scheepvaart Rode punten = handmetingen Blauwe lijn = berekende temperatuur met scheepvaart

NRG-22322/09.93635

111

Temperature, C

22 23 24 25 26 27 28

22 23 24 25 26 27 28

0

0

1

1

2

2

3

3

Depth, m

Depth, m

Temperature, C

4

4 5

6

6

7

7

8

8

Locatie 1

Locatie 2

Temperature, C

Temperature, C

22 23 24 25 26 27 28

22 23 24 25 26 27 28

0

0

1

1

2

2

3

3

4 5 6 7

Depth, m

Depth, m

5

4 5 6 7 8

8

Locatie 3

112

Locatie 4

NRG-22322/09.93635

Temperature, C

22 23 24 25 26 27 28

22 23 24 25 26 27 28

0

0

1

1

2

2

3

3

Depth, m

Depth, m

Temperature, C

4

4 5

6

6

7

7

8

8

Locatie 5

Locatie 6

Temperature, C

Temperature, C

22 23 24 25 26 27 28

22 23 24 25 26 27 28

0

0

1

1

2

2

3

3

4

Depth, m

Depth, m

5

4

5

5

6

6

7

7

8

8

Locatie 7

Locatie 8

NRG-22322/09.93635

113

Temperature, C 22 23 24 25 26 27 28 0 1

Depth, m

2 3 4 5 6 7 8

Locatie 9

114

NRG-22322/09.93635

Natural heating of shallow regions of the Ems Estuary

Figure E.1

Scenario 1: Surface temperatures Ems Estuary (12-08-2003, 13:55).

Figure E.2

Scenario 1; Surface temperatures Ems Estuary (12-08-2003, 14:24).

NRG-22322/09.93635

115

Figure E.3


Figure E.4


116

NRG-22322/09.93635

Figure E.5.

Scenario 1. Surface temperatures Ems Estuary (12-08-2003, 05:16) – shallow region are colder than estuary.

NRG-22322/09.93635

117

Scenario 5, day 2 Scenario 5, day 3

Recommend Documents