Spectral wave modelling for determining wave exposure in Norwegian aquaculture

Abstract

Det ble utført en sensitivitetsstudie på bølgemodellen SWAN, slik den blir brukt for lokalitetsanalyser i norsk akvakultur. To lokasjoner ble valgt for studien. På begge lokasjonene var lokalitetsanalyser allerede gjennomført av kommersielle aktører, noe som muliggjorde verdifulle innspill om valgene de har gjort for oppsettet av SWAN på de to lokasjonene.

En litteraturstudie ble utført for å bygge opp kunnskapen som kreves for å sette opp SWAN og analysere resultatene. Litteraturstudiet ga en oversikt over approksimeringsmetoder som er implementert i SWAN, og bruk av SWAN i norske kystområder. Dette ble relatert til industristandarden i akvakultur NS9415, og innspill fra industriaktører i norsk akvakultur. Det ble funnet ut at SWAN har begrenset nøyaktighet på veldig grunt vann, og på lokasjoner hvor diffraksjon er viktig. En kvalitativ vurdering av resultatene på de to lokasjonene tydet imidlertid på at SWAN er egnet på de to lokasjonene. Oppløsning av gridden, plassering av grensebetingelser (ved å redusere dimensjonene til gridden), og implementering av vind ble identifisert som parametrene som vil gi størst variasjon i resultatene mellom industriaktører, og ble valgt til tre separate studier med følgende resultater:

- Økt oppløsning påvirket signifikant bølgehøyde på begge lokalitetene, men pga. manglende bunndata med høyere oppløsning ble det aldri fastslått om romlige detaljer ble tilstrekkelig oppløst. - Reduserte grid-dimensjoner førte til overapproksimering av signifikant bølgehøyde på lokalitetene. Med for små grid-dimensjoner vil ikke plasseringen der grensebetingelsene måles stemme overens med hvor de plasseres i modellen. - Signifikant bølgehøyde på lokalitetene viste seg å være avhengig av fetchlengden når lokale vindforhold ble implementert i modellen. Når fetch overskrider 30 km økte ikke signifikant bølgehøyde mer, noe som tyder på at sjøtilstanden var fullt utviklet ved denne fetchlengden.

The numeriske oppsettet som ga resultatene ovenfor ble i stor grad basert på oppsettet fra kun én industriaktør. I tillegg ble det aldri undersøkt hvor mye de tre parametrene varierer mellom aktørene. Tolkninger fra resultatene bør derfor ta dette i betrakning. Resultatene fremhever imidlertid sensitiviteten til SWAN, og en standardisert metode for å sette opp SWAN innen lokalitetsanalyser i norsk akvakultur kan være nødvendig for å øke nøyaktigheten.

A sensitivity study was performed on the way the SWAN wave model is applied to site assessment in the Norwegian aquaculture industry. Two locations were chosen for the study. Site assessments were already performed by commercial service providers at both locations, which allowed valuable input from industry actors on their choices when setting up SWAN.

A literature review was conducted to build up the knowledge base required to both set up and analyze results from SWAN. The literature review provided an overview of approximation methods that are implemented in SWAN, and the use of SWAN in Norwegian coastal areas. This was related to the aquaculture industry standard NS9415 and input from industry actors in Norwegian aquaculture. SWAN was found to have limited accuracy in very shallow waters and in locations where diffraction is of importance. However, a qualitative assessment of results at the two sites indicated that SWAN should be suitable for an analysis of wave exposure. Grid resolution, placement of boundary conditions (by reducing computational domain dimensions), and implementation of wind were identified as input parameters that are expected to result in the largest variations in results between industry actors, and were chosen for three separate studies with the following results:

- Increased resolution affected significant wave height on-site, but due to lack of higher resolved bathymetry data it was not determined if the resolution properly resolved all spatial details. - Reduced computational domain increased significant wave height on both sites. With a too small domain, there will be a mismatch between the location where the boundary conditions are measured (datapoint), and where it is placed in the model. - Significant wave height on-site was dependent on fetch when local wind was implemented in the model. When the fetch exceeded approximately 30 km significant wave height did not increase anymore, suggesting that the sea state was fully developed at this limit.

The numerical setup used to obtain the results was largely based on the setup of only one industry actor. In addition, it was never investigated how much the parameters actually differ between industry actors, and interpretations from results should therefore be treated with this in mind. The results highlight the sensitivity of the SWAN model, however, and a standardized method to set up SWAN in Norwegian aquaculture may be required to improve accuracy.