"Omdat je bij het aanleggen van dijken vaak moet werken met de grond die lokaal voorhanden is, vormt dat een zeer belangrijke factor bij het berekenen van de kans dat zo’n dijk het begeeft."
Case study: hoe veilig zijn onze dijken?
Dijken zijn voor Nederland van levensbelang. Maar hoe weet je zeker of een dijk bestand is tegen de toenemende (klimaat)uitdagingen? Yajun Li van de TU Delft introduceert in zijn proefschrift een 3D-analysemodel dat deze betrouwbaarheid veel preciezer kan beoordelen. De geo-wetenschapper testte zijn model op onze Grid-faciliteiten.
Overstromingen
In het Deltaprogramma werken overheden en andere organisaties samen om Nederland te beschermen tegen overstromingen en te zorgen voor voldoende zoet water. Met het Deltaprogramma 2017 introduceerde Nederland vorig jaar een serie nieuwe standaarden. Net als in de voorgaande zes Deltaprogramma’s ligt de nadruk op het zoveel mogelijk voorkomen van overstromingen door middel van stevige dijken en het opspuiten van zand langs de kust. De nieuwe versie is daarnaast ook gebaseerd op een ‘overstromingsrisicobenadering’. Dat betekent: niet alleen kijken naar de kans op een overstroming, maar ook naar de gevolgen ervan.
Breukgevoeligheid
Die aanpak vereist een kwantitatieve inschatting van overstromingsrisico’s, waaronder de mogelijkheid dat dijken het begeven. Om een dergelijke inschatting te kunnen maken, deed de uit China afkomstige geowetenschapper Yajun Li promotieonderzoek aan de TU Delft naar de samenstelling en breukgevoeligheid van Nederlandse dijken. Het onderzoek, dat plaatsvond onder leiding van hoogleraar Michael Hicks en universitair docent Phil Vardon, leidde tot een nieuw raamwerk voor risicoanalyse dat onder meer gebruikmaakt van een 3D-analysemodel.
Kleinere veiligheidsmarge
“Met zijn promotieonderzoek borduurt Li voort op onderzoek van collega Michael Hicks”, vertelt Vardon. “Zijn stokpaardje is de heterogeniteit van materialen, zoals de grond waarmee dijken worden gemaakt, en het effect daarvan op de berekening van de betrouwbaarheid van die constructies. Omdat je bij het aanleggen van dijken vaak moet werken met de grond die lokaal voorhanden is, vormt dat een zeer belangrijke factor bij het berekenen van de kans dat zo’n dijk het begeeft. Hoe accurater je die kans kunt berekenen, des te kleiner de noodzakelijke veiligheidsmarge bij het aanleggen van een dijk. En natuurlijk wordt het voorspellen van risico’s voor bestaande dijken ook veel preciezer.”
Zwakste schakel
Voor zijn promotieonderzoek richtte Li zich op de talrijke monsters die jaarlijks uit Nederlandse dijken worden ‘geboord’. Li maakte hiervoor gebruik van een 3D random finite element method (RFEM). “Bij de gangbare 2D-methode beoordeel je de betrouwbaarheid van de gehele dijk op die van de zwakste dwarsdoorsnede”, aldus Vardon. “Dat klinkt logisch, maar daarbij hou je geen rekening met het feit dat deze ‘zwakste schakel’ van een dijk steunt op sterkere dijkdelen. Ons onderzoek toont onder meer aan dat deze steun de sterkte van die zwakste schakel vergroot. Met het 3D-model kunnen we de kans op een dijkdoorbraak daardoor veel accurater voorspellen, en dijken dus ook efficiënter bouwen en onderhouden.”
Aanvullende rekencapaciteit
Berekening in een 3D-omgeving levert echter wel een veel groter aantal mogelijke combinaties op. Vardon deed daarom een beroep op SURF voor aanvullende rekencapaciteit. “Die aanvraag verliep soepel”, vertelt hij. “Een dag na onze e-mail kregen we al bericht van Grid & Cloud services adviseur Natalie Danezi, die ons bij het gehele proces heeft begeleid. Omdat er sprake was van veel separate computing-jobs lag het gebruik van het Grid, dat bestaat uit een groot aantal onderling gekoppelde computerclusters, voor de hand. Deze infrastructuur blinkt nog niet uit in gebruiksgemak, mede doordat de computercluster over de gehele wereld verspreid zijn. Maar dankzij de hulp van Danezi hadden wij daar geen omkijken naar.”
“Zo werkt een student aan het betrouwbaar meten van de variabiliteit van de grondsamenstelling en werkt een ander aan modellen die ons meer inzicht kunnen verschaffen in de wijze waarop zeer zeldzame worstcasescenario’s zich voltrekken."
Worstcase-scenario’s
Om ingenieurs gemakkelijk te kunnen laten profiteren van de nieuwe inzichten stelde Li tevens een aantal minder complexe modellen in, die met aanzienlijk minder berekeningen ongeveer dezelfde inzichten kunnen produceren. Vardon en Hicks begeleiden inmiddels verschillende andere (promotie)onderzoeken die voortborduren op deze materie. “Zo werkt een student aan het betrouwbaar meten van de variabiliteit van de grondsamenstelling”, vertelt Vardon, “en werkt een ander aan modellen die ons meer inzicht kunnen verschaffen in de wijze waarop zeer zeldzame worstcasescenario’s zich voltrekken. Uit de eerste inzichten blijkt onder meer dat deze scenario’s minder heftige resultaten hebben dan voorheen gedacht.”
2,5 miljoen uur
“Verder kijken we naar de invloed van de vorm van de dijk, en de mogelijkheden om door sensoren in de dijk gegenereerde data te gebruiken bij de beoordeling. Daarmee nemen we een aanloop naar een toekomst waarin de betrouwbaarheid van dijken mogelijk realtime door sensoren kan worden gemonitord. Ook voor deze onderzoeken maken we uiteraard graag weer gebruik van het Grid.” In totaal heeft het onderzoeksteam onder leiding van Vardon al 2,5 miljoen core-uren gebruikt op het Grid sinds het begin van de samenwerking met SURF in 2013. Ter vergelijking: op een enkele computercore zou je hier dus 2,5 miljoen uur over doen.