Numerieke modellen ter ondersteuning in crisisperiodes

Transcriptie

1 Terug naar overzicht Numerieke modellen ter ondersteuning in crisisperiodes Inleiding Ir. Van Eerdenbrugh K., Waterbouwkundig Laboratorium en Hydrologisch Onderzoek Het Hydrologisch Informatiecentrum werd opgericht in 2000 en heeft volgende opdrachten: 1. Opmeten van essentiële basisgegevens en basiskennis 2. Optimaal databeheer voor waterpeilbeheer 3. Opbouw van hydraulische modellen 4. Opmaak van waterbeheersingsplannen per deelbekken 5. Opmaak van plannen tegen watertekorten en verdroging 6. Opmaak van on-line voorspellingen 7. Onderhoud en exploitatie van de modellen Een van de taken van het Hydrologisch Informatiecentrum is dus het maken van voorspellingen om dagelijks, en in periodes van crisis continu, te kunnen informeren over de gemeten en de te verwachten waterpeilen en debieten in de bevaarbare waterlopen. Voor het uitvoeren van deze taak worden de resultaten van enkele van de andere opdrachten maximaal benut. De reeds beschikbare numerieke modellen (opdracht 3) van de waterlopen worden zo geïmplementeerd dat ze in rechtstreeks contact staan met de hydrologische databank (opdracht 2) en dus steeds met de meest recente meetgegevens (opdracht 1) kunnen rekenen. Op regelmatige tijdstippen wordt een voorspellingsprocedure uitgevoerd, waarin verschillende stappen worden doorlopen. Om rekening te houden met de veranderende realiteit, wordt steeds gerekend met het meest actuele numeriek model (opdracht 7). Het numeriek model, de digitale tweelingbroer van de rivier Voor het uitvoeren van een voorspelling van de waterstanden en debieten in de Vlaamse rivieren worden momenteel resultaten gebruikt van verschillende soorten numerieke modellen. Er wordt een onderscheid gemaakt tussen neerslagvoorspellingsmodellen, hydrologische modellen en hydrodynamische modellen. Figuur 1 geeft een principeschets met het verschil tussen deze soorten modellen. Neerslag Hoeveel? Distributie? Neerslag voorspelling KMI Verdamping Afloop Lokale meting (pluviograaf) METEO MODEL Onverzadigde zone Verzadigde zone Afvoer Waterweg diepte (diepgang) Water niveau meting Stuw Zee HYDROLOGISCH MODEL HYDRAULISCH MODEL Neerslagvoorspellingsmodel Figuur 1: Verschil tussen neerslagvoorspellingsmodellen, hydrologische en hydrodynamische modellen Aan de hand van een neerslagvoorspellingsmodel, dat eigenlijk deel uitmaakt van een globaal meteorologisch model, worden de te verwachten neerslaghoeveelheden berekend. De resultaten hiervan zijn neerslagvoorspellingen met een zichttijd van 48 uur in punten die een grid vormen van 7km x 7 km i.

2 Hydrologische modellen Hydrologische modellen beschrijven het verband tussen de gevallen neerslag in het afwateringsgebied en de afvoer in de rivier. De opmaak van de hydrologische modellen is voor bijna alle Vlaamse subbekkens reeds gebeurd. Hiervoor is gebruik gemaakt van conceptuele, gebiedsgemiddelde, continue modellen. Hiermee wordt bedoeld: Conceptueel: het model is gebaseerd op een vereenvoudigd concept voor de beschrijving van het neerslag afvoer proces. Conceptuele modellen trachten de functionele relaties tussen invoer en uitvoer te beschrijven aan de hand van semi-empirische vergelijkingen. De fysische betekenis van het neerslag afvoer proces is echter onvoldoende beschreven opdat de parameters uit directe metingen kunnen worden afgeleid. De waarden van de parameters moet volgen uit kalibratie (ijking). Gebiedsgemiddeld: in een model gelden dezelfde parameterwaarden voor het hele bekken. Deze waarden kunnen dan worden geïnterpreteerd als gemiddelde waarden voor dat bekken. Continu: het model genereert continu tijdsreeksen van afvoer op basis van continue tijdreeksen van neerslag, potentiële evaporatie en eventueel van temperatuur. Een principeschets van dergelijk model is gegeven in Figuur 2. Figuur 2: conceptueel, gebiedsgemiddeld, continu model

3 Het model is opgebouwd uit vier onderling verbonden bergingen (of reservoirs) die fysische elementen van het stroombekken voorstellen. Tijdens de berekening wordt continu de vochttoestand in de verschillende bergingen bijgehouden. Deze reservoirs zijn: 1. het sneeuwreservoir Hierin wordt de regen tijdelijk opgeslagen als de temperatuur onder het vriespunt daalt. Als de temperatuur terug stijgt zal de sneeuw smelten en in het oppervlaktereservoir terechtkomen. 2. het oppervlaktereservoir Hierin komt de neerslag terecht als de temperatuur boven het vriespunt gelegen is. Wanneer dit reservoir vol is, zal alle bijkomende neerslag gedeeltelijk in de grond dringen (naar de onverzadigde zone en het grondwater) en gedeeltelijk rechtstreeks naar de rivier stromen (oppervlakkige afstroming). Hoeveel water afstroomt en rechtstreeks in de grond dringt, wordt bepaald door in te stellen parameters. Daarnaast kan het reservoir zijn vochtinhoud verliezen via (potentiële) evapotranspiratie en via de hypodermische stroming. Dit is de stroming in het bovenste gedeelte van de onverzadigde zone. 3. de onverzadigde zone dit reservoir wordt gevoed door infiltratie. Ook kan het water vanuit het grondwaterreservoir in de onverzadigde zone terecht komen door capillaire opstijging. Dit gebeurt van zodra het oppervlaktereservoir leeg is. De snelheid waarmee dit gebeurt is meestal kleiner dan de potentiële evapotranspiratie en hangt af van de verzadigingsgraad van de grond. 4. het grondwaterreservoir Een gedeelte van het water dat in de ondergrond dringt komt in het grondwaterreservoir terecht. Het kan daaruit verdwijnen door capillaire opstijging en door de grondwaterstroming naar de rivier. Ook is het in het model mogelijk grondwater op te pompen. Hydrodynamische modellen Een hydrodynamisch model beschrijft de stroming van het water in de rivier en eventueel buiten de oevers. Voor de toepassingen van het Hydrologisch Informatiecentrum wordt gebruik gemaakt van eendimensionale hydrodynamische modellen. Dit betekent dat er verondersteld wordt dat in de stroomsnelheid van het water in één dwarssectie van de rivier overal gelijk is. In werkelijkheid zal de snelheid dicht bij de bodem veel kleiner zijn dan de snelheid aan het wateroppervlak. Bij een eendimensionale benadering wordt dus gerekend met een gemiddelde snelheid over de ganse sectie. Opdat een hydrodynamisch model correct de werkelijkheid zou simuleren, is het nodig dat de overstroombare gebieden in het model worden ingebouwd. Omdat het gedrag van het water in de overstroombare vallei sterk verschilt van dat van het water in de rivier, wordt bij de opmaak van een model een quasi-tweedimensionale aanpak gebruikt: met behulp van overlaten worden de dwarssecties van de rivier op verschillende plaatsen verbonden met een parallelle tak of een reservoir, die de stroming of berging van het water in de overstroombare zones simuleert (zie Figuur 3) ii. Bij de opmaak van zo n model worden hoogtemetingen van de rivierbodem, de oevers en de overstroombare vallei gebruikt. Op die manier wordt een digitale voorstelling van het werkelijke terrein opgebouwd. Het model wordt afgeijkt door de ruwheidsparameters juist in te stellen. Deze parameters geven een indicatie van de weerstand die het water ondervindt door de ruwheid van de bodem en de overstroombare gebieden. Om met een hydrodynamisch model simulaties te berekenen, is het nodig om het model aan de opwaartse en afwaartse randen te voeden met randvoorwaarden. Aan de opwaartse rand worden hiervoor gegevensreeksen (metingen of berekeningen) van debieten gebruikt. De resultaten van de hydrologische modellen kunnen dus dienen als opwaartse randvoorwaarden voor het eendimensionaal hydraulisch model. Aan de afwaartse rand worden waterpeilen gebruikt. Een gekend, eenduidig verband tussen waterpeil en debiet aan de afwaartse rand kan een alternatief zijn. Zeker indien de waterloop afwaarts beïnvloed wordt door de getijdewerking op zee, is de kennis van de wijziging van het afwaartse waterpeil in de tijd van groot belang om een juiste simulatie te kunnen uitvoeren. Uitgaande van de kennis van de stand van de aarde, de maan en de zon en van metingen en verwachtingen van windrichting en snelheid, kunnen de verwachte peilen op zee berekend worden. Deze resultaten worden gebruikt om afwaartse randen (waterpeilen) voor de riviermodellen te genereren.

4 Quasi 2D-netwerk Waterloop Winterdijk Bijkomende waterloop winterbed Dijk Overlaten Reservoir Figuur 3: Voorbeeld van een quasi-tweedimensionale aanpak in een hydrodynamisch model Intussen zijn voor de meeste Vlaamse bevaarbare waterlopen quasi-tweedimensionale numerieke modellen opgemaakt. Modellen van de Maas, de Dender, het volledige getijgebied van de Schelde (Zeeschelde, Rupel, Dijle, Zenne, Netes en Durme), de Demer en het Afleidingskanaal van de Leie zijn afgewerkt en in gebruik. Momenteel is de opmaak van de modellen van de Leie, de Bovenschelde, de vanuit Gent afwaterende kanalen en de Ijzer bezig. De koppeling van het Zeekanaal aan het model van het getijgebonden gebied is gepland in Gegevens: alle beetjes helpen In een eerste stap van het voorspellingsproces worden alle beschikbare recente metingen uit de hydrologische databank opgehaald. Hiertoe werd een Informix-databank (HYDRA) ontwikkeld, die in rechtstreekse verbinding staat met verschillende meetposten op het terrein. Het betreft meetstations op en rond de niet-tijgebonden waterlopen waar waterstanden, debieten en neerslag gemeten worden. Daarnaast staat deze databank ook in contact met externe databanken, waarin gegevens van andere meetnetten worden opgeslagen. Niet alleen van Vlaamse gegevensleveranciers (AOSO), maar ook van Belgische (KMI), Waalse (SETHY, DGNRE), Nederlandse (RWS) en in de toekomst ook Franse (Diren) en Britse (Bracknell) organisaties worden gegevens verzameld. Op die manier worden metingen van neerslag, debieten, waterstanden, windsnelheid en windrichting van verschillende bronnen verzameld (Figuur 4). Niet tijgebonden, niet bevaarbaar Niet tijgebonden, bevaarbaar Neerslag DIREN Bracknell H Y D R A Vlaamse Banken Kempische Kanalen Schelde, Leie, Dender Zeescheldebekken RWS SETHY KMI Figuur 4: Overzicht van de verschillende gegevensbronnen in HYDRA Daarnaast worden ook de beschikbare voorspellingsresultaten gebruikt. Verwachtingen voor neerslag, wind, debieten en waterstanden worden geleverd door de meteorologische organisaties en door de opwaartse en afwaartse collega waterloopbeheerders. Voor een aantal locaties worden ook resultaten gebruikt van eigen

5 voorspellingsmodellen. Zo worden de resultaten van de modellen van het getijgebonden deel van het Scheldebekken gebruikt als afwaartse randen voor een groot aantal voorspellingsmodellen van meer opwaarts gelegen delen. Voor de verzamelde metingen en voorspellingen gebruikt worden in de berekeningen, worden de data gecontroleerd. Een automatische controle gebeurt o.a. door ontbrekende gegevens in de gegevensreeksen op te sporen, door onrealistisch hoge of lage waarden te verwijderen, Daarnaast gebeurt er door de voorspeller bijkomend een manuele controle van de data. Numerieke modellen berekenen verleden, heden en toekomst Aan de hand van de verzamelde gegevens wordt in een tweede stap het tijdsverloop van laatste voorspelling herrekend met de metingen als randvoorwaarden (hindcast) om de beginwaarden voor de nieuwe voorspelling te schatten. Er wordt een berekening uitgevoerd van de te verwachten debieten in de beken en bovenlopen met behulp van hydrologische modellen. Samen met de resultaten van andere riviervoorspellingmodellen en van neerslagvoorspellingen worden deze debieten in een derde stap gebruikt als randvoorwaarden voor de nieuwe voorspelling. Met een hydrodynamisch model wordt dan op verschillende plaatsen langs de rivier de te verwachten waterstanden en debieten berekend (Figuur 5). 7 Waterstand WAARNEMINGEN VOORSPELLINGEN Tijd Figuur 5:Resultaat van een voorspellingsberekening; hindcastperiode en de voorspellingsperiode De voorspeller stelt het moment in waarop de voorspelling moet starten. Tot op dit ogenblik worden de beschikbare metingen gebruikt voor de berekening, vanaf dit ogenblik worden beschikbare voorspellingsresultaten van waterstanden, neerslag of debieten gebruikt en start de eigenlijke voorspelling. Daarnaast worden eventueel ook bijkomende voorspellingen uitgevoerd met gegeven hogere en lagere neerslagdata dan de verwachte. Op die manier kan afgetast worden hoe het riviersysteem zal reageren in meer extreme situaties (bvb. indien er 2 dagen geen neerslag meer valt of indien het zeer lang overvloedig zou gaan regenen). Ook kan de voorspeller een berekening maken met een aantal voorgedefinieerde scenario s. Zo kan bijvoorbeeld worden nagegaan welke kunstwerksturing in de te verwachten omstandigheden het meest gunstig is.

6 Modelbijsturing om het verschil met de gemeten waarden op te vangen In de berekeningen zit een modelbijsturing vervat die de afwijkingen tussen de metingen en de berekeningen tijdens de hindcastperiode detecteert en minimaliseert. Deze afwijking wordt ook in rekening gebracht om de voorspellingsresultaten bij te sturen. Een voorbeeld van de resultaten van uitgevoerde modelbijsturing is gegeven in Figuur 6. Bijsturing op basis van waterstandsmetingen Bijsturen van de inkomende debieten, zodat gemeten instroom gebruikt wordt op het moment van voorspelling Figuur 6:Resultaat van bijsturing op basis van waterstandsmetingen en bijsturing van de inkomende debieten --- gemeten waarden --- berekende waarden --- bijgestuurde berekende waarden Momenteel kan controle zowel op de waterstanden als de debieten gebeuren. In beide gevallen gebeurt deze modelbijsturing iteratief in volgende stappen: 1. Vergelijken voorspelde en berekende waterstanden en debieten 2. Aanpassen debiettoevoer in het model (opwaarts of zijdelings) 3. Herberekening voorspelling Aan de hand van historische geobserveerde gegevens worden parameters ingesteld die de foutvoorspelling beïnvloeden. Zo kan bijvoorbeeld ingesteld worden hoe betrouwbaar de meting zelf is, en hoe sterk ze dus het berekeningsresultaat mag beïnvloeden. Ook wordt op die manier vastgelegd hoe lang de modelbijsturing een invloed blijft uitoefenen in de voorspellingsperiode. De resultaten op een rijtje In een vierde en laatste stap zijn de resultaten van de voorspellingen en de recente metingen door de voorspeller op een interactieve manier te bekijken in grafiekof tabelvorm vanuit een geografische interface. Hierbij wordt voor verschillende tijdtippen ook aangegeven waar de gedefinieerde waak- of alarmpeilen zijn overschreden. Hiermee kan de voorspeller snel een overzicht krijgen van de resultaten van de berekening. Indien de voorspeller van mening is dat de resultaten voor publicatie vatbaar zijn, is een verspreiding van de meetgegevens en de berekeningen via webpagina s mogelijk. Hier zijn deze gegevens te bekijken zijn in grafiekof tabelvorm (Figuur 7). Voorlopig worden deze webpagina s enkel intern gebruikt door de rechtstreeks betrokken waterbeheerders. Een interpretatie van de voorspellingsresultaten wordt ook gegeven in de hoogwaterberichtgeving van het Hydrologisch Informatiecentrum, die naar het grote publiek is gericht.

7 Overzicht van de voorspellingsresultaten en de te verwachten toestand in de rivier Figuur 7:Webpagina met een overzicht van de meet- en voorspellingsresultaten De situatie vandaag Sinds de wateroverlast van december januari 2003 is de vraag naar de realisatie van de voorspellingsmodellen sterk toegenomen. In oktober 2003 wordt de implementatie van het on-line voorspellingsmodel van het getijgebied van de Schelde (Schelde, Rupel, Durme, Dijle, Netes en Zenne) beëindigd. Verder worden ook de bestaande modellen van Dender en Maas klaar gemaakt voor voorspellingstoepassingen. Het bestaande voorspellingsmodel van de Demer wordt verder geoptimaliseerd. In 2004 worden ook de modellen van de Leie, de Bovenschelde, de vanuit Gent afwaterende kanalen en de Ijzer in operationele mode ingeschakeld. De koppeling van het Zeekanaal aan het model van het getijgebonden gebied is een volgende stap. Streven naar een actueel, optimaal werkend voorspellingssysteem Het inzetten van numerieke modellen voor voorspellingstoepassingen vergt niet enkel het uitvoeren van één of meerdere dagelijkse voorspellingen. Het is voor de goede werking van een voorspellingssysteem van cruciaal belang dat de gebruikte modellen actueel zijn en steeds de huidige toestand op het terrein beschrijven. Permanente actualisatie en optimalisatie van de modellen is dus nodig. Aarschot - voorspellingen van de waterhoogte Januari Watehoogte (m TAW) waargenomen 6hr voorspelling 12hr voorspelling 24hr voorspelling 48hr voorspelling /22/95 1/24/95 1/26/95 1/28/95 1/30/95 2/1/95 2/3/95 Figuur 8: Evaluatie van de voorspellingsresultaten met een zichttijd van 6, 12, 24 en 48 uur

8 Een regelmatige evaluatie van de voorspellingsresultaten (Figuur 8) onderbouwt de inspanningen die geleverd worden voor de verbetering van de voorspellingsresultaten. Zo wordt de bouw van een nieuwe radartoren in Vlaanderen voorbereid om de lokale neerslagmetingen te vervangen door gebiedsdekkende neerslaggegevens. Aangezien het regime van de bevaarbare waterlopen in Vlaanderen zeer sterk beïnvloed wordt door de toestand bij de opwaartse en afwaartse waterloopbeheerders (Figuur 9), wordt zoveel mogelijk ingespeeld op evoluties bij onze buren. Zo zal bijvoorbeeld de installatie van debietmeters in Frankrijk een grote kwaliteitsverbetering van de voorspelling van de afvoer van de Leie en de Bovenschelde met zich mee brengen. Figuur 9: Het Vlaamse riviersysteem: afhankelijkheid van de buurlanden en regio s Ook wordt onderzoek verricht naar het verbeteren van het gebruikte modelinstrumentarium. Vooral voor een juiste voorspelling in het getijgebied van de Schelde en aan de kust worden de voor- en nadelen van verschillende pistes onderzocht, zodat geëvolueerd kan worden naar een toepassing waarin rekensnelheid en nauwkeurigheid een optimaal evenwicht vormen. Conclusie De huidige stand van zaken m.b.t. gegevensverzameling en de ontwikkeling van modelleringsinstrumentarium maakt het mogelijk om numerieke modellen van waterlopen in te zetten voor voorspellingstoepassingen. De implementatie van de eerste Vlaamse numerieke riviermodellen in operationele mode is realiteit. Gepland wordt om tegen 2005 alle beschikbare modellen van de bevaarbare waterlopen als voorspellingsmodel te kunnen gebruiken. Een combinatie van gegevens van diverse bronnen in Vlaanderen en de buurlanden of regio s dienen optimaal als randvoorwaarden voor de numerieke modellen. Belangrijk is dat de voorspeller tijdens het voorspellingsproces zijn interpretatie aan de resultaten kan geven voor ze gepubliceerd worden. Een juiste inschatting van de te verwachten nauwkeurigheid van de voorspellingsresultaten is nodig opdat de berekende verwachtingen op een correcte manier met gebruikt zouden worden. Er wordt ook permanent gewerkt aan het actualiseren en optimaliseren van de gebruikte modellen. Referenties i Numerieke modellering ten behoeve van neerslagvoorspellingen met het Aladin model; Dr. P. Termonia, KMI; 2003 ii Algemene methodologie voor het modelleren van de waterafvoer in bevaarbare waterlopen in Vlaanderen; KU Leuven in opdracht van AWZ afdeling Waterbouwkundig Laboratorium en Hydrologisch Onderzoek; 2000