JRG 14 STROMINGEN. Vakblad van de Nederlandse Hydrologische Vereniging

Transcriptie

1 JRG 14 #1 STROMINGEN Vakblad van de Nederlandse Hydrologische Vereniging

2 STROMINGEN is het vakblad voor hydrologen. Er wordt ruimte geboden aan wetenschappelijke artikelen, reacties, discussiebijdragen, congresverslagen, boekbesprekingen, vuistregels en poëzie. STROMINGEN is een uitgave van de Nederlandse Hydrologische Vereniging (NHV). Lidmaatschap en abonnementen Het lidmaatschap van de Nederlandse Hydrologische Vereniging is persoonlijk en kost 22,50 per jaar. Hierbij is een abonnement op STROMINGEN inbegrepen. U kunt zich voor lidmaatschap aanmelden bij de tijdelijk secretaris van de NHV: G. van Ee bert.van.ee@12move.nl Een los abonnement op STROMINGEN kost 22,50 per jaargang (4 nummers). Abonnement en lidmaatschap gelden per kalenderjaar en worden automatisch verlengd tenzij vóór 1 november is opgezegd. Adreswijzigingen U wordt verzocht adreswijzigingen door te geven aan de secretaris van de NHV, op bovenstaand adres. Redactie M. Vissers J.R. von Asmuth (website) H. Hakvoort J. Heijkers (redactie-coördinator) V. Post F. Smits R. Versteeg (eindredactie) Redactieadres STROMINGEN Joost Heijkers Postbus GJ Houten stromingen.redactie@gmail.com Auteursinstructies Richtlijnen voor auteurs zijn te vinden op de website van de NHV, Zie ook de binnenzijde van de achterflap. Auteursrechten Geheel of gedeeltelijk overnemen van artikelen met bronvermelding is alleen toegestaan na toestemming van de redactie Nederlandse Hydrologische Vereniging ISSN Losse nummers Losse nummers kunnen worden besteld door overmaking van 7,50 op Postbankrekening nummer ten name van Nederlandse Hydrologische Vereniging te Leidschendam, onder vermelding van het gewenste exemplaar.

3 Redactioneel Stel je voor: een NHV met een nieuw elan. Met een Stromingen zoals deze nooit eerder was verschenen. Een Stromingen waarin de strijd tussen eindige verschillen en eindige elementen hevig, maar vruchtbaar blijft woeden, en waarin die tussen automatisch en handmatig wellicht op termijn beslecht gaat worden. Waarin meerdere lokale minima worden aangetoond in één model. Een Stromingen waarin de klimaatverandering een ondergeschikte rol speelt aan de hydrologie. Een Stromingen waarin staat hoe overstromingen en onderstromingen in één model kunnen worden berekend. Waarin onomstotelijk de relatie tussen het peil en verdroging wordt aangetoond. En uiteraard die tussen klimaatverandering en de afvoer. Kortom: een Stromingen waarin tot uiting komt wat Nederlandse hydrologie zo bijzonder maakt. Dat is Stromingen al, toch? Hoe gaan we als Stromingenredactie dan helpen vormgeven aan het nieuwe elan van de NHV? Onder andere door meer ruimte te bieden aan de vele actuele thema s waar hydrologen maar niet genoeg van kunnen krijgen. En door als vakvereniging in te spelen op en een mening te hebben over alle hydrologische ontwikkelingen in het vaderland. En misschien zelfs daarbuiten! Maar waar kunnen we dan wel en waar kunnen we dan niet over meepraten? En waar moèten we over meepraten? Want wie bepaalt of een model goed is? Is een model goed als het aan de afgesproken eisen voldoet? En met wie spreek je dat dan af? Of is het voor ons eigenlijk al goed als er überhaupt sprake is van een model? En wanneer spreken we nog van een probleem dezer dagen? Als politici er mee kunnen scoren? Als mondige burgers er last van hebben? Zijn we het meewerkend voorwerp geworden en lopen we met onze inhoud achter de realiteit aan? Is het voor ons vooral van belang dat er een top-topsysteem in het model zit of willen we echt weten welke anisotropie de deklaag heeft? En welk grondwater moeten we wel en niet beschermen? Wat gaan we doen met het zoute grondwater? En gaan we nu afkoppelen of toch maar niet? We mogen het allemaal zelf weten. En weten op bijna alle vragen wel een antwoord. Willen we als blad en vereniging een vooraanstaande positie verwerven, dan moeten we nog meer dan nu vanuit de inhoud inspelen op de thema s van deze tijd. Of doen we dit in Stromingen al genoeg? Afijn, vragen en antwoorden genoeg, maar waar zouden wij dan praktisch graag meer van zien in Stromingen? We zijn onder meer nieuwsgierig naar iets waar we allemaal mee te maken hebben maar waar niemand het over heeft. En waar we allemaal van kunnen leren, en ook nog een mening over kunnen hebben. We bedoelen verhalen over dingen die niet lukken. Stromingen 14 (2008) nummer 1 1

4 Modellen die niet werken ondanks alle gegevens die beschikbaar zijn. Of juist modellen die vreemd genoeg wél werken, zoals uitspoelingsmodellen die worden gekalibreerd op basis van drie metingen... gedaan in een potje! En stijghoogtereeksen die onnavolgbaar vreemd zijn en waarvan niet is na te gaan hoe dat komt! En dan aan het eind uitleggen waarom het niet is gelukt, en hoe belangrijk het is om het wel te weten. Een greep uit de dagelijkse al dan niet magische realiteit op de werkvloer of in het veld. Dat zijn nou leuke dingen om te lezen. Maar ja, wie durft? MV VP DL 2 Stromingen 14 (2008) nummer 1

5 Rondom MODFLOW (2) Waterbalansen achteraf André Blonk, Tauw Deventer Inleiding In de praktijk van het modelleren met MODFLOW komt het regelmatig voor dat een modelleur na een modelberekening constateert dat niet alle modelfluxen zijn bewaard. De modelleur moet dan alle interne MODFLOW-vlaggen controleren en zonodig aanzetten waarna de modelrun opnieuw moet worden uitgevoerd. De hedendaagse MODFLOW-modellen zijn echter vaak dusdanig groot dat een herhaling van de modelrun een aanzienlijke tijd kan vergen. Het is gebruikelijk om de uitvoer van een modelberekening, stijghoogten en fluxen, op te slaan in binaire files. Deze kunnen daarna met aparte post-processoren worden gelezen en verwerkt. De modelleur kan de hoeveelheid uitvoer sturen door aan te geven voor welke tijdstippen en voor welke modellagen de resultaten moeten worden bewaard. Als bij grote modellen alle benodigde uitvoer wordt aangemaakt ontstaat er veelal een enorme hoeveelheid data. Deze hoeveelheid kan dusdanige afmetingen aannemen dat de modelrun onder Windows stopt met een foutmelding. Een modelrun zou eigenlijk alleen de benodigde stijghoogten moeten genereren. Immers, als alle stijghoogten zijn berekend is het systeem in combinatie met de invoer data volledig gedefinieerd. De modelfluxen zijn dan ook impliciet bekend. Voor het gewenste deel van het modelnetwerk en voor een gekozen periode kunnen de fluxen door middel van een nabewerking worden bepaald. Probleemschets De hoeveelheid data die door MODFLOW wordt gegenereerd kan vooraf precies worden berekend. Met een voorbeeld kan dit worden geïllustreerd. Gegeven is een niet stationair grondwatermodel met een netwerk van 500 x 500 cellen dat is opgebouwd uit 10 modellagen. Het model rekent een periode door van 8 jaar waarbij om de 14 dagen uitvoer wordt aangemaakt. In totaal omvat de modelperiode dan 8x24=192 stressperioden. Als alle stijghoogten worden bewaard wordt door dit MODFLOW-model ( x 500) x 10 x 192 x 4 bytes = bytes gegenereerd. Verder kunnen binnen MODFLOW 11 verschillende fluxen worden onderscheiden te weten: wells, rivers, drains, ghb s, recharge, evt, storage, constant head en 3 celfluxen (flow lower face, flow front face en flow right face). Per fluxtype wordt eveneens door MODFLOW eenzelfde hoeveelheid data gegenereerd (9 + ncol x nrow x nlay) x nstress x 4 bytes. Wanneer in dit voorbeeld alle uitvoer wordt gegenereerd, wordt er in totaal 12 x 1,92 Gbyte = 23 Gbyte aan binaire data geproduceerd. Dit is een enorme hoeveelheid data die niet strikt noodzakelijk is. Als de modelberekening onder Windows wordt uitgevoerd, wordt de modelleur veelal beperkt door een maximale bestandsgrootte van 2.14 Gbyte. Stromingen 14 (2008) nummer 1 3

6 Op basis van deze beperking zou dit model nog probleemloos kunnen draaien als alle fluxen in aparte files worden opgeslagen. In dit voorbeeld wordt echter de maximale bestandsgrootte toch eerder bereikt omdat enkele celfluxen (storage, flow lower face, flow front face, flow right face en constant head) gezamenlijk in een file worden opgeslagen. MODFLOW stopt bij dit voorbeeld in stressperiode 43 met een foutmelding. De moderne fortran-compilers (onder andere Lahey 7.1) hebben tegenwoordig de mogelijkheid om grotere binaire bestanden (2^64 bytes = 18,446,744,073,709,551,614) aan te maken, waarmee de beperking van Windows eigenlijk is verdwenen. Het gegeven blijft echter dat bij een modelrun onnodig veel binaire data wordt geproduceerd en dat dit veelal veel economischer en flexibeler kan. Methode Het idee is om de modelfluxen niet door MODFLOW te laten genereren maar deze achteraf met een apart programma te berekenen. Hierdoor is de modelleur flexibel in de keuze van het gebied en de periode waarvoor hij de fluxen wil berekenen. Menig hydroloog heeft wel eens de lek tussen 2 modellagen berekend door het verschil van de stijghoogten te vermenigvuldigen met de MODFLOW-leakance (= reciproke van de weerstand) in formulevorm q=(h1-h2) x 1/c (zie figuur 1). Voor sommige modelonderdelen (wells en recharge) is het bepalen van de fluxen simpel omdat deze waarden al opgegeven worden in de invoerdata. Hier is alleen een omzetting naar het binaire MODFLOW-formaat nodig. Het bepalen van de fluxen voor de EVT, Rivers, Drains, GHB S, en de fluxen tussen de cellen onderling (flow front face, flow lower face, flow right face, constant head en storage) is wat lastiger. Bij de berekening van de fluxen tussen de cellen onderling moet ook rekening worden gehouden met eventueel aanwezige weerstandswanden (Horizontal Flow Barriers) en anisotropie. Nu is het grote voordeel van MODFLOW dat de source-code voor iedereen beschikbaar is. Voor een hydroloog met enige Fortran-kennis is het een peuleschil om de rekenregels waarmee de fluxen worden berekend uit de source-code van MODFLOW te halen en deze te implementeren in een eigen programma. Gevoed met stijghoogten en invoerdata kunnen met zo n programma voor elk gewenst deelgebied en voor elke gewenste periode de fluxen worden berekend. Bij een niet stationair model moet voor de berekening van de storage-termen de juiste starting head worden aangeboden. Hiervoor wordt de berekende stijghoogte voorafgaand aan de gekozen periode gebruikt. In dit programma wordt vooralsnog uitgegaan van confined layers. Dat wil zeggen dat voor de modellagen alleen de transmissiviteit wordt gedefinieerd. Het programma is geschreven in Fortran en gaat uit van het MODFLOW(88)-formaat (USGS). Het programma is getest aan de hand van het niet stationaire model van het pompstation Brucht (Overijssel) en het stationaire HDSR-model van de provincie Utrecht. Bij beide testen werden 100% sluitende waterbalansen gevonden overeenkomend met de MODFLOW-resultaten. Tussen de fluxen zijn geen significante verschillen vastgesteld. 4 Stromingen 14 (2008) nummer 1

7 Figuur 1: Voorbeeld berekening lek op basis van stijghoogteverschil en leakance q=(h1-h2)*1/c De uitvoer van de beschreven post-processor bestaat uit binaire files zoals ze ook door MODFLOW worden aangemaakt. Dit binaire formaat staat uitvoerig beschreven in de rapportage van de U.S. Geological Survey in de modules UBUDSV (fluxen) en ULASAV(heads). Binnen de wereld van de MODFLOW-modellen circuleren echter verschillende binaire formaten. Deze post-processor leest en produceert binaire files van het zogenaamde transparent -type. Met andere woorden, de grootte van de files is het aantal weggeschreven getallen (enkele precisie) x 4 bytes. In figuur 2 is de methodiek van de berekening van fluxen via MODFLOW en die van de alternatieve post-processor schematisch naast elkaar weergegeven. Belangstellenden kunnen het programma, inclusief voorbeeld en sourcecode, opvragen via (andre.blonk@tauw.nl) of downloaden van internet ( onder rubriek software). Stromingen 14 (2008) nummer 1 5

8 Figuur 2: Berekening van de fluxen met MODFLOW en met de alternatieve post-processing methode Een bijkomend voordeel MODFLOW heeft de eigenschap dat drains en rivers kunnen worden gestapeld in een cel (primair, secundair en tertiair ontwateringssysteem). MODFLOW heeft echter het nadeel dat er per cel slechts één gesommeerde flux wordt berekend. Met de beschreven methode kunnen de fluxen echter voor elk sub-systeem apart worden berekend. Immers de fluxen worden berekend op basis van de stijghoogten en de invoerdata en deze laatste kan per onderdeel worden gedifferentieerd. In principe zouden dus alle river -achtige elementen (drains, ghb s maar ook surface overland flow) met de riverpackage gemodelleerd kunnen worden. Drains kunnen bijvoorbeeld met een rivercel worden gemodelleerd door de bodem gelijk aan het peil te kiezen. Ghb s kunnen met een rivercel worden gemodelleerd door de bodem op oneindig (bijvoorbeeld -9999) te kiezen. De modelleur heeft hierdoor meer vrijheid bij het kiezen van de packages. Voorbeelden Aan de hand van twee voorbeelden wordt de toepasbaarheid van de geschetste methode geïllustreerd. Het eerste voorbeeld betreft de berekening van de waterbalans voor een deelgebied gelegen binnen het modelgebied van het pompstation Brucht (provincie Overijssel). In het tweede voorbeeld wordt een stroombanenpatroon en het intrekgebied berekend van een winning uit het HDSR-model (provincie Utrecht). 6 Stromingen 14 (2008) nummer 1

9 Figuur 3: Gebiedsgrenzen voor de waterbalans (groen is gebied met anisotropie) Voorbeeld 1 Het model Brucht is gebouwd in de negentiger jaren van de vorige eeuw. Volgens de hedendaagse maatstaven is het een klein model. Het model is door de snelle rekentijd uitermate geschikt om de post-processor te testen. Het model heeft een onregelmatig netwerk bestaande uit 114 rijen en 101 kolommen en is opgebouwd uit vier modellagen. De modelperiode omvat de periode januari 1983 tot en met december 1991 en is opgedeeld in 108 stressperioden van elk één maand. Aan de hand van een waterbalans kan de juistheid van de afgeleide fluxen worden vastgesteld. Om alle mogelijke opties van de post-processor te controleren is dit model enigszins verminkt met een verzonnen anisotropie en een verzonnen weerstandswand. Voor de anisotropie is de methode van TNO toegepast welke ook in het Veluwe model wordt gebruikt. Bij deze methode kan voor elke cel de anisotropie met een willekeurige oriëntatie en verhouding worden gedefinieerd. Deze methode wijkt af van de standaard MODFLOW-anisotropiedefinitie. Stromingen 14 (2008) nummer 1 7

10 Waterbalans regio 3 [m3/dag] Periode 1 t/m 50 Laag 1: balansfout % Laag 1: balansfout 0 m3/d van regios 71 naar regios 95 storage 6919 Laag 2: balansfout % Laag 2: balansfout 0 m3/d van regios naar regios 5033 storage 28 Laag 3: balansfout % Laag 3: balansfout 0 m3/d van regios naar regios storage 36 Laag 4: balansfout % Laag 4: balansfout 0 m3/d van regios 4946 naar regios 4105 storage 12 Figuur 4: Schematische weergave waterbalans deelgebied 3 Voor de anisotropie is een imaginaire zone bedacht oostelijk van de winning in modellaag 3. Voor de weerstandswand is een ondoorlatende wand gekozen rond de winning eveneens in modellaag 3. Ter controle van de berekende fluxen is voor een willekeurig deelgebied de waterbalans bepaald (figuur 3). Voor dit deelgebied is een grillige vorm bedacht die de weerstandswand en de anisotropie-zone doorkruist. Het gekozen gebied is gecodeerd door aan alle modelcellen binnen dit gebied een waarde van bijvoorbeeld 3 toe te kennen. De overige modelcellen hebben een andere waarde (bijvoorbeeld 1) gekregen. Door nu voor alle cellen met de waarde 3 alle fluxen te boekhouden (instroming = uitstroming + berging) kan een instationaire waterbalans van dit gebied worden opgesteld. 8 Stromingen 14 (2008) nummer 1

11 Het bepalen en vervolgens grafisch presenteren van de waterbalans is uitgevoerd met een aparte post-processor welke hier niet verder wordt toegelicht. De afgeleide waterbalans is door middel van een lagenschema in figuur 4 weergegeven. In dit gepresenteerde schema worden de watervoerende modellagen geschematiseerd als vier gele blokken. De grondwaterstroming die het gebied in stroomt is geschematiseerd met een blauwe pijl en de grondwaterstroming die het gebied uit stroomt is geschematiseerd met een rode pijl. In de waterbalans zijn de fluxen gemiddeld over de gekozen periode. De verticale grijze pijlen tussen de lagen geven de grondwaterstroming (infiltratie of kwel) door de scheidende lagen weer. De grondwateronttrekkingen zijn geschematiseerd als paarse blokjes binnen de watervoerende lagen. Verder is aan de bovenzijde van het lagenmodel de neerslag en de verdamping met een rode en blauwe pijl weergegeven. De trapeziumvormen representeren achtereenvolgens de rivers en de drains in het gebied. Instationaire waterbalans regio 3 modellagen 1 t/m 4 Periode 1 t/m Error in % Debiet in m3/dag (x1000) uit systeem in systeem regio che sto ghb riv riv evt rch drn wel 16/03/ /08/ /02/ /07/ /01/ /06/ /12/ /05/ /11/ /04/1960 Datum Figuur 5: Waterbalans in de tijd Voor het gekozen gebied is ook een zogeheten instationaire waterbalans bepaald. In figuur 5 is deze instationaire waterbalans in een grafiek gepresenteerd. In deze grafiek zijn met gekleurde balken de fluxen gepresenteerd. De totale instroom (onder andere recharge = rch) is gepresenteerd als een negatieve balk onder de x-as. De totale uitstroom (onder andere winning = well) is gepresenteerd als een positieve balk boven de x-as. Uit de balans blijkt onder meer dat een deel van de rivers infiltreert en een deel draineert. Beide balken zijn bij benadering wat betreft lengte aan elkaar gelijk (instroom uitstroom). In het bovenste deel van de grafiek is de procentuele fout in de waterbalans per stressperiode weergegeven. Stromingen 14 (2008) nummer 1 9

12 Voorbeeld 2 In het tweede voorbeeld is gebruik gemaakt van het stationaire HDSR-model. Dit model is in vergelijking met het model Brucht recenter (2006). Het model is opgebouwd uit een regelmatig netwerk van cellen van 250x250 m en bestaat uit 160 rijen, 272 kollommen en 7 modellagen. In dit model is een winning geselecteerd waar een gebied omheen is gekozen. Voor dit deelgebied zijn alle modelfluxen bepaald waarna vervolgens met een apart stroombanenprogramma de stroombanen en de verblijftijden van deze winning zijn berekend. In figuur 5 is dit stroombanenpatroon in combinatie met het intrekgebied gepresenteerd. Figuur 6: Stroombanen, intrekgebied en verblijftijden van een winning uit het HDSR-model Conclusies De gepresenteerde post-processing methodiek is geschikt om bij een MODFLOW-model achteraf de modelfluxen te bepalen. De modelleur heeft de keuze voor welk deelgebied en voor welke periode de fluxen moeten worden bepaald. Het voordeel hierbij is een economisch schijfgebruik en schijfhygiëne. De modelfluxen kunnen in combinatie met andere software worden gebruikt voor het genereren van waterbalansen en stroombanenpatronen. 11 Stromingen 14 (2008) nummer 1

13 In tegenstelling tot MODFLOW kan met de hier gepresenteerde post-processing methode een differentiatie van fluxen binnen een MODFLOW cel achteraf worden vastgesteld. De tegenwoordige beschikbare mega-modellen zoals MIPWA en NHMI (Nationaal Hydrologisch Modelinstrumentarium) zijn dusdanig groot dat voor het genereren van de uitvoer al trucjes bedacht moeten worden om binnen de 2^31 grens van WINDOWS te blijven. Met name voor grote modellen kan de techniek uitstekend worden gebruikt. Literatuur McDonald, M.G. en A.W. Harbaugh (1988) A modular three-dimensional finite-difference groundwater flow model; USGS report Tauw (1994) Geohydrologisch onderzoek verplaatsing winplaats Brucht; Tauw Rapport, Deventer. Stromingen 14 (2008) nummer 1 11

14 11 Stromingen 14 (2008) nummer 1

15 Klimaatverandering en de afvoer van Rijn en Maas Marcel de Wit 1, Hendrik Buiteveld 2, Willem van Deursen 3, Fransizka Keller 4, Janette Bessembinder 5 De waterbeheerders in Nederland bereiden zich sinds het einde van de jaren negentig serieus voor op de gevolgen van klimaatverandering. Tot op heden gebeurde dit op basis van klimaatscenario s die in het kader van Waterbeheer 21ste eeuw (WB21) zijn gepresenteerd. De nieuwe KNMI06-scenario s geven de laatste inzichten in de gevolgen van klimaatverandering voor Nederland. In deze verkenning bekijken we of de in WB21 gehanteerde uitgangspunten voor Rijn en Maas nog actueel zijn. Hiertoe vergelijken we simulaties van het afvoerregime van Rijn en Maas met de oude en de nieuwe klimaatscenario s. Klimaatscenario s voor het waterbeheer In het Nationaal Bestuursakkoord Water (NBW) zijn afspraken gemaakt tussen rijk, provincies, waterschappen en gemeenten om het watersysteem in 2015 op orde te hebben en te houden bij de verwachte klimaatverandering, zeespiegelstijging, bodemdaling en verstedelijking. Daarbij is er een groot bewustzijn dat door klimaatverandering in de toekomst vaker situaties met wateroverlast en watertekorten te verwachten zijn. Ook wordt beseft dat het klimaatbestendig maken van Nederland zich verder uitstrekt dan alleen de watersector. Dit heeft bijvoorbeeld geleid tot het nationale programma Adaptatie, Ruimte en Klimaatverandering (ARK), dat in 2006 is gestart (VROM, 2006). Tot nu vormden de WB21 klimaatscenario s het uitgangspunt voor het toekomstige waterbeheer. Hierin wordt een laag, midden en hoog scenario onderscheiden. De bijbehorende karakteristieken voor verandering van onder meer temperatuur, neerslag, verdamping, en zeespiegelstijging zijn weergegeven in tabel 1. Bij uitwerking in het waterbeheer is vaak om praktische redenen het middenscenario gehanteerd. Gebaseerd op de nieuwste inzichten van het wereldwijde klimaatonderzoek heeft het KNMI in 2006 nieuwe scenario s gepresenteerd (KNMI06 scenario s). Deze scenario s laten zien dat een temperatuurstijging van 1 graad (scenario G=gematigd) niet meer het midden maar juist een onderkant van de bandbreedte van temperatuurstijging vertegenwoordigt. De W staat voor warm. 1 Rijkswaterstaat Waterdienst, Deltares 2 Rijkswaterstaat Waterdienst 3 Carthago Consultancy, Rotterdam 4 KNMI 5 KNMI Stromingen 14 (2008) nummer 1 11

16 Bij de +scenario s (G+, W+) wordt uitgegaan van een verandering in de luchtstroming. In deze +scenario s worden de zomers fors droger vergeleken met de huidige situatie en ook met de WB21 scenario s. De bijbehorende karakteristieken voor verandering van onder meer neerslag, verdamping, en zeespiegelstijging voor alle vier de KNMI06 scenario s zijn weergegeven in tabel 2. Meer details over de KNMI06 scenario s zijn terug te lezen op de website van het KNMI en in KNMI (2006). Verandering van het afvoerregime van Rijn en Maas De in tabel 1 en 2 vermelde veranderingen zijn door het KNMI omgezet in gemiddelde veranderingen per decade. De decadegemiddelde verandering in temperatuur, neerslag en verdamping zijn rechtstreeks toegepast op gemeten temperatuur-, neerslag- en verdampingreeksen. Deze veranderde reeksen zijn vervolgens doorgerekend met een hydrologisch model voor het Rijn- en Maasstroomgebied. Figuren 1 en 2 geven het huidige en veranderde afvoerregime van de Rijn en de Maas op basis van gemeten en veranderde temperatuur-, neerslag- en verdampingreeksen. Het laag, midden en hoog scenario refereert aan WB21 voor 2050 en de G, G+, W, W+ refereren aan de KNMI06 scenario s voor Zowel uit de WB21 scenario s als de KNMI06 scenario s volgt dat de winterafvoer van Rijn en Maas toeneemt. Voor de Rijn komt de verwachte toename van de winterafvoer voor scenario G en W ongeveer overeen met het WB21 midden en hoog scenario. Het W+ scenario geeft een nog iets grotere toename van de winterafvoer. Voor de Maas komt de verwachte toename van de winterafvoer voor de KNMI06 scenario s ongeveer overeen met het WB21 laag en midden scenario. De toename van de winterafvoer volgens de KNMI06 scenario s is voor de Maas lager dan de toename in het WB21 hoog scenario. In de zomer geven G+ en W+ een sterke afname van de afvoer. Die afname is aanzienlijk groter dan in de WB21-scenario s. Deze resultaten zijn allereerst te verklaren door (verschillen in) de toename van de winterneerslag en de afname van de zomerneerslag. Daarnaast reflecteert figuur 1 dat hogere temperaturen er toe leiden dat in de Alpen minder buffering van neerslag in de vorm van sneeuw plaatsvindt. Dat heeft tot gevolg dat de Rijnafvoer in winter en vroege voorjaar toeneemt en in zomer en vroege najaar afneemt. Ook de ondergrond fungeert als buffer tussen neerslag en afvoer en dat verklaart waarom ook voor de Maas de veranderingen in het afvoerregime (figuur 2) niet helemaal in de pas lopen met de verandering in het maandelijkse neerslagpatroon (tabel 1 en 2). Zo geeft het W+ scenario een hogere winterneerslag dan het WB21 hoog scenario. In de zomer geeft het W+ scenario echter veel minder neerslag dan het WB21 scenario. In het W+ scenario is een groter deel van de winterneerslag nodig om de in de zomer uitgedroogde ondergrond aan te vullen. Dat verklaart waarom de toename van de winterafvoer in het W+ scenario lager uitpakt dan in het WB21 hoog scenario. Wat berekenen anderen? Er zijn de afgelopen jaren een aantal studies gewijd aan het simuleren van de gevolgen van klimaatveranderingen voor het afvoerregime van rivieren in Noordwest Europa. Bij deze studies gebruikt men de oorspronkelijke uitkomsten van klimaatmodellen en niet de hieruit afgeleide overzichtsscenario s van WB21 (tabel 1) en KNMI06 (tabel 2). 11 Stromingen 14 (2008) nummer 1

17 Tabel 1: Samenvatting van de verandering van variabelen in de WB21 scenario s (bron: Scenario 2050 laag midden hoog Stijging gemiddelde jaartemperatuur ( C) Gemiddelde jaarlijkse neerslag (%) Neerslag in zomerhalfjaar (%) Neerslag in winterhalfjaar (%) daagse neerslagsom (%) Dagelijkse neerslagsom met een huidige herhalingstijd van eens in de 100 jaar (jaar) Jaarlijkse evaporatie (%) Relatieve zeespiegelstijging (cm) Intensiteit van stormen (%) -5 tot +5-5 tot +5-5 tot +5 Scenario 2100 laag midden hoog Stijging gemiddelde jaartemperatuur ( C) Gemiddelde jaarlijkse neerslag (%) Neerslag in zomerhalfjaar (%) Neerslag in winterhalfjaar (%) daagse neerslagsom (%) Dagelijkse neerslagsom met een huidige herhalingstijd van eens in de 100 jaar (jaar) Jaarlijkse evaporatie (%) Relatieve zeespiegelstijging (cm) Intensiteit van stormen (%) -5 tot +5-5 tot +5-5 tot +5 Gellens & Roulin (1998) simuleren voor zes verschillende klimaatscenario s de gevolgen voor het afvoerregime van acht verschillende stroomgebieden in België. Deze simulaties wijzen over het algemeen op een toename van de overstromingsfrequentie in de winter, vooral in de stroomgebieden waar een groot deel van het water oppervlakkig afstroomt (de Ardennen). In een gemeenschappelijke Belgische studie simuleren Smitz e.a. (2002) voor drie klimaatscenario s de gevolgen voor het afvoerregime van de Ourthe en Jeker. Zij concluderen dat klimaatverandering een significante invloed kan hebben op het afvoerregime van Belgische rivieren. De verschillen tussen de klimaatscenario s zijn echter groot en variëren van een toename tot een afname van de gemiddelde winterafvoer. Booij (2005) modelleert het neerslag/afvoer proces in het Maasstroomgebied met en zonder klimaatverandering en voorziet een toename van de kans op extreem hoge afvoeren in de Maas. De verandering van het afvoerregime van de Rijn is de afgelopen jaren onder andere beschreven in Kwadijk (1993), Grabs e.a. (1997), Middelkoop e.a. (2001), Shabalova e.a. (2003), Kleinn e.a. (2005) en Lenderink e.a. (2007). Het algemene beeld uit al deze studies is een toename van de Rijnafvoer in de winter en een afname van de Rijnafvoer in de zomer. De mate waarin hangt sterk af van de klimaatscenario s (of modellen) die worden gebruikt. Vergelijkbare resultaten als hierboven beschreven voor Rijn- en Maasstroomgebied worden gerapporteerd voor Duitsland (Müller-Wohlfeil e.a., 2000; Menzel e.a., 2002), Saone en Seine (Tanguy, 2005) en Groot-Brittannië (Sefton & Boorman, 1996; Pilling & Jones, 1999). Stromingen 14 (2008) nummer 1 11

18 Tabel 2: Samenvatting van de verandering van variabelen in de KNMI06 scenario s (bron: Scenario 2050 G G+ W W+ Wereldwijde temperatuurstijging +1 C +1 C +2 C +2 C Verandering in luchtstromingspatronen in West Europa nee ja nee ja Winter gemiddelde temperatuur +0,9 C +1,1 C +1,8 C +2,3 C koudste winterdag per jaar +1,0 C +1,5 C +2,1 C +2,9 C gemiddelde neerslaghoeveelheid +4% +7% +7% +14% aantal natte dagen ( 0,1 mm) 0% +1% 0% +2% 10-daagse neerslagsom die eens in de +4% +6% +8% +12% 10 jaar wordt overschreden hoogste daggemiddelde windsnelheid 0% +2% -1% +4% per jaar Zomer gemiddelde temperatuur +0,9 C +1,4 C +1,7 C +2,8 C warmste zomerdag per jaar +1,0 C +1,9 C +2,1 C +3,8 C gemiddelde neerslaghoeveelheid +3% -10% +6% -19% aantal natte dagen -2% -10% -3% -19% dagsom van de neerslag die eens in de +13% +5% +27% +10% 10 jaar wordt overschreden potentiële verdamping +3% +8% +7% +15% Zeespiegel absolute stijging cm cm cm cm Scenario 2100 G G+ W W+ Wereldwijde temperatuurstijging in C +2 C +4 C +4 C Verandering in luchtstromingspatronen in West Europa nee ja nee ja Winter gemiddelde temperatuur +1,8 C +2,3 C +3,6 C +4,6 C koudste winterdag per jaar +2,1 C +2,9 C +4,2 C +5,8 C gemiddelde neerslaghoeveelheid +7% +14% +14% +28% aantal natte dagen ( 0,1 mm) 0% +2% 0% +4% 10-daagse neerslagsom die eens in de +8% +12% +16% +24% 10 jaar wordt overschreden hoogste daggemiddelde windsnelheid -1% +4% -2% +8% per jaar Zomer gemiddelde temperatuur +1,7 C +2,8 C +3,4 C +5,6 C warmste zomerdag per jaar +2,1 C +3,8 C +4,2 C +7,6 C gemiddelde neerslaghoeveelheid +6% -19% +12% -38% aantal natte dagen -3% -19% -6% -38% dagsom van de neerslag die eens in de +27% +10% +54% +20% 10 jaar wordt overschreden potentiële verdamping +7% +15% +14% +30% Zeespiegel absolute stijging cm cm cm cm In een aantal van de hierboven vermelde studies is de zogenaamde delta methode toegepast. De verandering tussen huidig en toekomstig klimaat wordt rechtstreeks toegepast op gemeten reeksen van neerslag, temperatuur en verdamping. Nadeel van deze methode is dat veranderingen in de variabiliteit van bijvoorbeeld de neerslag niet worden meegenomen. Voordeel is dat het een robuuste methode is die niet hoeft te corrigeren voor afwijkingen tussen het gemeten huidige klimaat en het gemodelleerde 11 Stromingen 14 (2008) nummer 1

19 huidige klimaat. Alternatief is de zogenaamde directe methode. Hierbij bereken je zowel voor het huidige als het toekomstige klimaat de afvoeren op basis van de oorspronkelijke resultaten van een klimaatmodel. Lenderink e.a. (2007) laat zien dat het nogal uitmaakt welk van de twee methoden je kiest, vooral wanneer je in extreme afvoeren geïnteresseerd bent. Zo berekenen zij dat een Rijnafvoer met een terugkeertijd van eens in de 100 jaar volgens de directe methode met 10% zal toenemen en volgens de delta methode met 40%. Een recente (Leander & Buishand, 2007) en lopende (Leander e.a., in voorbereiding) studie illustreren echter een belangrijke beperking bij het gebruik van de directe methode. De klimaatmodellen hebben moeite om de variabiliteit van de winterneerslag in het huidige klimaat goed te reproduceren. Dit geeft te denken over het vermogen van deze modellen om de veranderingen in de variabiliteit van de winterneerslag in een toekomstig klimaat goed te kunnen simuleren. Tijdens droge perioden in de zomer is de bijdrage van sneeuwsmelt in de Alpen aan de afvoer bij Lobith groot. In zomers met een lage afvoer, zoals in 2003, bestaat de afvoer van de Rijn bij Lobith voor meer dan de helft uit (smelt-)water dat uit de Alpen afkomstig is (de Wit, 2004). Het leidt dan ook weinig twijfel dat de toename van de temperatuur in de Alpen tot een toename van de kans op zomerlaagwater in de Rijn leidt. De invloed van een mogelijke klimaatverandering op het voorkomen van extreem lage afvoeren in de Maas is minder eenduidig. Enerzijds zal een afname van de zomerneerslag en een toename van de verdamping tot een afname van de zomerafvoer leiden. Anderzijds leidt een toename van de winterneerslag tot een aanvulling van het grondwater en daarmee tot een verhoging van de basisafvoer (de Wit e.a., 2007). Vraag is wat het verwachte gezamenlijke effect van deze beide veranderingen zal zijn. Uit bovenstaande studies blijkt ook dat er nog veel onzekerheden zijn, zowel in de klimaatscenario s die worden gebruikt, in de manier waarop de klimaatscenario s worden gebruikt, als in de hydrologische modellen. De onzekerheden gelden vooral voor extreme condities. Vanuit de wetenschap is er geen eenduidig antwoord te geven op de vraag: wat is de maatgevende afvoer van de Rijn en Maas aan het einde van de 21 ste eeuw? Uit de literatuur blijkt wel een eenduidige richting: toename van de kans op hoge winterafvoeren en, vooral voor de Rijn, een toename van de kans op lage afvoeren in de zomer. Hetzelfde beeld dus als dat is weergegeven in figuur 1 en 2. Verandering maatgevende afvoer De Hydraulische Randvoorwaarden zijn de waterstanden en golven die de primaire waterkeringen in Nederland nog veilig moeten kunnen keren. Voor de rivieren begint de bepaling van de maatgevende waterstand met een bepaling van de maatgevende afvoer. Dat is een afvoer met een bepaalde kans van optreden (eens in de zoveel jaar). Op basis van de huidige inzichten verwachten we een toename van de maatgevende afvoer van Rijn en Maas. De bepaling van een toekomstige maatgevende afvoer is echter met grote onzekerheden gemoeid. Als waterbeheerder kun je twee dingen doen. Je kunt redeneren dat het allemaal erg onzeker is. We wachten rustig af wat er komen gaat. Je kunt ook redeneren dat de maatregelen om in te spelen op een verandering van de maatgevende afvoer veel tijd en ruimte kosten en dat je bij de inrichting van het rivierengebied beter nu al rekening kunt houden met klimaatverandering. In Nederland doen wij iets wat er tussenin zit. Stromingen 14 (2008) nummer 1 11

20 Figuur 1: Verandering in het afvoerregime van Rijn (Lobith). Eind 20 ste eeuw versus Gebaseerd op een simulatie met Rhineflow van Deursen, 2006). Dezelfde exercitie is ook uitgevoerd met een ander hydrologisch model: HBV. Dit levert vergelijkbare uitkomsten op (zie te Linde, 2007) Rijn WB m 3 /s Laag Midden Hoog jan feb mrt apr mei jun jul aug sep okt nov dec Rijn KNM m 3 /s G G+ W W+ jan feb mrt apr mei jun jul aug sep okt nov dec Er zijn de afgelopen jaren verkennende studies uitgevoerd waarbij is gekeken naar de maatregelen die nodig zijn als de verwachte toename van de maatgevende afvoer ook echt plaats vindt. De bevindingen van deze studies zijn gebruikt om de maatregelen die sowieso ( zonder klimaatverandering) genomen moeten worden te toetsen op hun robuustheid voor een mogelijke toekomst met klimaatverandering. Maatregelen die ook in een toekomst met klimaatverandering effectief zijn verdienen de voorkeur boven maatregelen die dat niet zijn. Hieronder staat uiteengezet hoe de, in deze verkennende 11 Stromingen 14 (2008) nummer 1