Plan voor calibratie NHI3.0

Transcriptie

1 Plan voor calibratie NHI3.0 Wim J. de Lange, Geert Prinsen, Ab Veldhuizen, Jacco Hoogewoud met bijdragen van overige leden Projectgroep NHI Deltares, 2012

2

3 Titel Plan voor calibratie NHI3.0 Opdrachtgever Suurgroep NHI Project Pagina's 1 Trefwoorden Calibratie, NHI, regionale en landelijke modellen, oppervlaktewaterverdeling, grondwater vochttekort, zoutbelasting oppervlaktewater Samenvatting Type hier de samenvatting Versie Datum Auteur Paraaf Review Paraaf Goedkeuring Paraaf april 2012 Wim J. de Lange Jacco C. Bennie Minnema redactie Hoogewoud Projectgroep NHI Status Concept (zie voorwoord versie 0.7) Dit document is een concept en uitsluitend bedoeld voor discussiedoeleinden. Aan de inhoud van dit rapport kunnen noch door de opdrachtgever, noch door derden rechten worden ontleend.

4

5 Inhoud 1 Inleiding 2 2 Integratie data en kennis van regionale modellen in NHI Beschrijving proces van aansluiting op regionale data en kennis Karakterisering en wijze van integratie regionale modellen Hoofdwatersysteem; Sobek/RTC-tools/DM Regionaal oppervlakte water; Mozart Onverzadigd grondwater; MetaSWAP Topsysteem van grondwater; MODFLOW Ondergrond in grondwater; MODFLOW Vertrekpunt modelinstrumentarium NHI 3.0 voorafgaand aan calibratie fase 6 3 Calibratie criteria NHI 3.0 ten behoeve van de regionale interactie in het kader van zoetwater verkenningen De functionele specificaties Deltamodel: Accuraat NHI Naast accuraat ook adequaat Adequaat NHI3.0 - een uitwerking Uitwerking adequaat voor landbouw watervraag in Hoog Nederland Uitwerking adequaat voor zoutgehalte in Laag Nederland Vergelijking criteria voor adequaatheid met de Functionele Specificaties Deltamodel11 4 Werkwijze calibratie NHI Calibratie NHI 3.0 gebeurt in een proces samen met regionale partijen Uitgangspunten voor calibratie NHI Calibratie aanpak sluit aan op de werking van het hydrologische systeem van NHI Calibratie NHI3.0: parameterverbetering en beperkte parameteroptimalisatie Calibratie oppervlaktewatersysteem: Parameterverbetering Calibratie grondwatersysteem: Beperkte optimalisatie Doelvariabelen in parameteroptimalisatie in grondwatermodel Inhoudelijke beschrijving NHI calibratie testrun Selectie van jaarreeksen Calibratie run oppervlaktewater Grondwater optimalisatie met beperkte parameterset Vergelijking celwaarden NHI met punt meetwaarden 20 Bijlagen 22 Bijlage A. Functionele specificaties Deltamodel aan NHI Bijlage B. Opschalen meetreeksen naar cel in grondwatermodel 23 Bijlage B. Opschalen meetreeksen naar cel in grondwatermodel 24 Bijlage C. Toelichting op Opschalen meetreeksen naar cel in grondwatermodel, mailwisseling Kees Maas - Wim de Lange 31 Bijlage D 33 Plan van aanpak calibratie NHI3.0 i

6

7 Voorwoord versie Versie van dit rapport is een concept dat is bedoeld ter informatie en verdere aanvulling van de direct betrokkenen bij NHI3.0. De stijl is kort en bondig en gericht op de kern van de zaak. De inhoud is in grote lijnen tijdens diverse bijeenkomsten binnen en rond NHI gepresenteerd en aan de hand van de reacties bijgesteld. Op hoofdlijnen is de benadering akkoord bevonden in de NHI projectgroep begin In deze versie (0.7) komen uitwerkingen die zijn vastgesteld door de projectgroepleden (specialisten op verschillende NHI model gebieden). Na deze versie zal het rapport verder worden uitgewerkt (versie 0.7) en door de handen van de projectgroepleden gaan (versie 0.8). Na een externe ronde (versie 0.9) met betrokken regionale partijen en opdrachtgevers (april) wordt de uiteindelijke versie begin juni verwacht. Plan voor calibratie NHI3.0 1 van 1

8 1 Inleiding Het Nederlands Hydrologisch Instrument(arium) NHI wordt in 2012 vernieuwd en verbeterd om zoveel mogelijk te gaan voldoen aan de verwachtingen die vele partijen hebben uitgesproken. In het kader van het Deltamodel zijn door Rijkswaterstaat eisen voor NHI3.0 (versie 2012) opgesteld in de vorm van de Functionele Specificaties die strenger zijn dan in voorgaande jaren. De evaluaties door STOWA en de waterschappen in 2010 en 2011 mede in het kader van de Zoetwaterverkenningen hebben problemen geduid die dienen te worden opgelost. De verbetering van NHI wordt gestimuleerd door de betrokkenheid van de regionale partijen (waterschappen, provincies, waterleidingbedrijven) en is voor een significant deel afhankelijk van de inbreng van deze partijen. Begin 2011 is de samenwerking met de regio goed op gang gekomen. In workshops en op andere wijzen wordt het NHI beoordeeld en worden verbeteringen aangedragen. De betrokkenheid van de regionale partijen wordt door het NHI projectteam als belangrijke steun ervaren. Het duiden van fouten en het leveren van voorstellen en informatie zien wij als de beste vorm van betrokkenheid. De calibratie van NHI3.0 heeft een andere vorm dan calibratie van regionale (oppervlaktewater en/of grondwater) modellen. Dit wordt in dit rapport uiteengezet. De kern is dat op landelijk niveau wordt aangesloten op de ervaringen en data van de regionale modellen. Daartegenover draagt het NHI team zorg dat het model landsdekkend op soortgelijke wijze is opgesteld en dat de resultaten voor heel Nederland vergelijkbaar (on)nauwkeurig zijn. In dit plan wordt duidelijk dat op belangrijke momenten in het calibratie proces ruimte wordt gegeven aan regionale partijen om mee te analyseren en bij te dragen. Daarmee worden de verwachtingen van alle partijen zo realistisch mogelijk en de resultaten van NHI zo goed als mogelijk. Dit rapport beschrijft de integratie van data en kennis van de regionale modellen in NHI3.0 in hoofdstuk 2. In hoofdstuk 3 wordt nader ingegaan op de criteria voor de calibratie en worden deze gerelateerd aan de beslissingen die met NHI3.0 moeten worden genomen. In hoofdstuk 4 wordt de werkwijze van de calibratie beschreven, waarbij duidelijk onderscheid blijkt tussen het oppervlaktewater modeldeel en het grondwater modeldeel. 2 van 1 Plan voor calibratie NHI3.0

9 2 Integratie data en kennis van regionale modellen in NHI Beschrijving proces van aansluiting op regionale data en kennis Sinds begin 2011 wordt met de regionale partijen samengewerkt om de aansluiting van NHI met de regionale modellen en kennis in te vullen. Eind 2011 is het werkschema voor de samenwerking in de eerste helft van 2012 opgesteld. Daarbij is gezocht naar het optimum tussen de momenten van oplevering en de mogelijkheden voor inbreng van de regionale partijen. Onder andere is daarbij direct afgestemd met het AZURE (Veluwe - IJsselmeer) project. De aansluiting op regionale modeldata en modelschematisaties zal zover mogelijk zijn beslag krijgen voor 1 april. De eerste testrun (prototype NHI3.0) wordt uitgevoerd op basis van de data en software die ronde 1 april beschikbaar is, en worden gepresenteerd op de workshop van 19 april. Vanaf dat moment gaan 2 maanden in voor de calibratie van NHI in, waarin het model in 2 rondes geanalyseerd en getest wordt (leidend tot de alfa- en bètarelease NHI3.0). Daarbij wordt open gecommuniceerd met de regionale partijen: de invoer en resultaten van de testruns worden op de NHI website geplaatst en waar nodig worden specifieke workshops gehouden. De resultaten van de laatste testrun (bètarelease) worden geëvalueerd in een workshop op 28 juni. In de workshop met regionale partijen eind januari is onderstaand schema gepresenteerd. Het tijdstip 28 juni voor de bètarelease NHI3.0 vormt een harde randvoorwaarde voor oplevering van NHI3.0. November 2011: Workshop G1: Aftrap volgende uitwisselingsfase; aanpak, verwachtingen, planning 4de kwartaal 2011: Verdere verbetering / uitwisseling data en concepten NHI Januari 2012: Workshop G2: Evaluatie in NHI van implementatie aangeleverde data. Start Evaluatie fase NHI "grondwater" Completering samenvoegen data modellen voor oppervlaktewater (oost) en grondwater(west) 1e kwartaal 2012: Evaluatie NHI "grondwater" door regio en NHI team April 2012 Workshop G3: Evaluatie resultaten, vaststellen verbeteringen. Start van fase NHI adequaat maken; Vaststellen eisen adequaatheid (regionaal specifiek) Een groot deel van overdracht van data en modelschematisaties gebeurt in het kader van het project Deltamodel, opdracht door RWS aan Deltares/Alterra, dat daarmee een belangrijke ondersteuning voor het NHI project vormt. Deltares/Alterra zorgt voor de volledige afstemming tussen beide projecten, zodat het voor de buitenwereld als 1 project lijkt te functioneren. Plan voor calibratie NHI3.0 3 van 1

10 2.2 Karakterisering en wijze van integratie regionale modellen Dit hoofdstuk beschrijft hoe de data, kennis en modelschematisaties van de regionale modellen in NHI wordt opgenomen. Het gaat hier om de integratie van regionale kennis en eerder voorgenomen verbeteringen in de periode ten behoeve van NHI3.0. Voor de verschillende modelonderdelen van NHI (Sobek/RTC-tools/DM, Mozart, MetaSWAP, MODFLOW) is de aanpak verschillend. Daarom wordt de integratie per modelonderdeel beschreven Hoofdwatersysteem; Sobek/RTC-tools/DM Binnen NHI 3.0 zal de waterverdeling met Sobek - in plaats van DM - worden berekend met het Landelijk Sobek Model LSM. Daarmee wordt het mogelijk om direct gekoppeld met zout te rekenen en voorkomt een losse Sobek berekening vooraf voor de zoutbelasting bij Gouda. Met Sobek wordt ook berekening van waterkwaliteit en temperatuur mogelijk. De overgang naar Sobek maakt het direct inpassen van regionale Sobek modellen mogelijk. Tijdens de interactie met de regionale partijen in 2011 is het inbrengen van de kennis en schematisaties uit de regionale modellen in LSM/NHI verschoven van vereenvoudigde, opgeschaalde schematisatie inbrengen naar complete schematisatie achteraf opgeschaald (naar langere rekentakken). De iteratieve berekening van de waterverdeling tijdens droogte over heel Nederland met Sobek vergt teveel rekentijd in landelijke scenario berekeningen. Daarom wordt de eerste verdeling met een voorbewerkingstool uitgerekend. Daarvoor zal RTC-tools worden ingezet, maar omdat de ontwikkeling hiervan mogelijk te strak is gepland voor NHI3.0 wordt op dezelfde plaats in het NHI instrumentarium DM op basis van 1 dag - in plaats van 10 dagen in NHI geïnstalleerd. Daarmee zal het hele waterverdelingsinstrumentarium in NHI3.0 op basis van 1 dag rekenen. De informatie over de waterverdeling tijdens droogte wordt in 2012 verbeterd door actieve inbreng van de regionale partijen. Een punt van aandacht daarbij is de verandering in de verdeling bij extreme droogte zoals die in 2003 is uitgevoerd. De externe zoutbelasting zoals bij inlaatpunt Gouda wordt in NHI 3.0 bepaald met het LSM, waarin de data en schematisaties worden verbeterd op basis van de laatste informatie van het deelprogramma Zoetwater. De interne zoutverdeling wordt in NHI3.0 ook berekend met Sobek in plaats van met DM. Bij de overgang wordt ervoor gezorgd bij chloride meetpunten ook rekenpunten gedefinieerd zijn. Aandachtspunt in de interactie met de regionale partijen blijft dat er relatief weinig chloride meetpunten zijn Regionaal oppervlakte water; Mozart De indeling van het regionaal oppervlakte water - in Districten & LSW s - wordt voor zover noodzakelijke en mogelijk beter aangesloten op de begrenzingen zoals de regionale partijen 4 van 1 Plan voor calibratie NHI3.0

11 die aangeven. Al in 2011 zijn de districten zijn verder onderverdeeld voor betere toedeling van de zoute kwel Onverzadigd grondwater; MetaSWAP De modeldata voor de onverzadigd grondwater modellering in MetaSWAP wordt door Alterra vernieuwd in opdracht van landelijke en regionale partijen. Het NHI is direct aangesloten op deze informatie en wordt door Alterra dan ook up to date gehouden. Daarmee is de koppeling tussen - de meeste - regionale modellen en NHI voor dit aspect gewaarborgd. Voor NHI3.0 staan diverse workshops gepland waarin de regionale partijen de kaarten van bijvoorbeeld drainage en beregening kunnen evalueren. In de workshop van 19 april zullen de resultaten van de mei inventarisatie LNV 2010 zijn verwerkt Topsysteem van grondwater; MODFLOW Het topsysteem voor het grondwatermodel bevat een systematiek van opschaling en categorisering (primair, secundair, tertiair etc.) op basis van de parameters van de regionale oppervlaktewateren zoals het waterpeil (werkelijk en seizoensafhankelijk), de locatie, de natte omtrek, de bodemweerstand etc. Deze parameters worden, waar beschikbaar en beter dan NHI, uit de regionale modellen gedestilleerd. Daarbij wordt de in het regionale model uitgevoerde parameteroptimalisatie beschouwd als richting gevend voor verandering, maar worden de resultaten niet 1 op 1 overgenomen omdat hierop in het NHI zelf wordt gecalibreerd (zie hoofdstuk 4) Ondergrond in grondwater; MODFLOW De verbetering van het ondergrond model (MODFLOW) bestaat uit het overnemen van aangeleverde verbeteringen van ondergrond schematisaties in de Grondwater-modeldatabank (GMDB). De regionale modellen worden daarin vertaald naar een grid op het fijnst mogelijke schaalniveau volgens de geologische laagindeling van de meest recente versie van REGIS. Door het vergelijken van de grids van de onderscheiden geologische lagen worden verbeteringen in de centrale consensus modeldataset aangebracht. Het NHI wordt rechtstreeks opgebouwd uit de consensus modeldataset. Naast de ondergrond informatie wordt ook informatie / data over onttrekkingen overgenomen van de regionale modellen of rechtstreeks van het betrokken waterleidingbedrijf. De overname van de ondergrond parameters zoals kd en c waarden gebeurt dus voor zover deze hydrologisch zijn onderbouwd en geologisch plausibel worden geacht en op een wijze die consistent is met NHI modelprocessen. Vooral op kennis van de ondergrond opgedaan tijdens calibratie proces wordt daarbij overgenomen en dus niet domweg een 1-op-1 overname van de eindresultaten van een optimalisatie. In het grondwatermodel Modflow is in 2011 het proces in de modellering van zoute kwel aangepast op de werking van slootwellen. Daardoor is de berekende dynamiek in de chlorideconcentratie realistischer geworden. Daarnaast wordt de verdeling van zoutgehalte van kwel in 2012 verbeterd op basis van de meest gedetailleerde interpolaties uit de regionale modellen en wordt de aanstroomdiepte aangepast op de laatste kennis uit onderzoek van Deltares in Rijnland. Deze aanpak wordt aan de regionale partijen voorgelegd en de resultaten worden in de latere fase van calibratie geëvalueerd. Plan voor calibratie NHI3.0 5 van 1

12 2.3 Vertrekpunt modelinstrumentarium NHI 3.0 voorafgaand aan calibratie fase De verbetering van NHI vooraf aan de calibratie wordt voor een groot deel bepaald door de aangeleverde informatie vanuit de regio. De fouten gemeld in de voorgaande evaluaties worden zover mogelijk door het NHI team gerepareerd. De 1 april versie van NHI3.0 dus zijn opgebouwd met best mogelijk parameterset op dat moment door samenwerkende partijen (rijk, regio, en bouwers). Voor de testversies van NHI3.0 die per 1 mei en 1 juni worden opgezet kunnen nog verbeteringen data en schematisaties van regio worden aangeleverd, bijvoorbeeld sobek-oostned en AZURE. In de calibratie fase april - juni zullen dus verdere verbeteringen op basis van de aangeleverde parametersets worden aangebracht. Na 1 juni zal geen verbeterde data meer in NHI3.0 worden opgenomen. Daarna staat het verbeteringsproces niet stil. In latere jaren zal het NHI steeds verder worden verbeterd door gezamenlijke inspanning. De planning van NHI maakt continue aanvoer van verbeteringen mogelijk en resulteert in een jaarlijkse nieuwe rapportage en toetsingscyclus uitmondend in een nieuwe versie NHI. 6 van 1 Plan voor calibratie NHI3.0

13 3 Calibratie criteria NHI 3.0 ten behoeve van de regionale interactie in het kader van zoetwater verkenningen. 3.1 De functionele specificaties Deltamodel: Accuraat NHI 3.0 Sinds 2010 zijn de opleveringscriteria aan NHI concreet vastgelegd. Deze criteria zijn opgesteld door Rijkwaterstaat samen met geohydrologen van de waterschappen, STOWA en de NHI projectgroep. De criteria zijn door de projectgroep NHI vertaald in plaatjes van heel Nederland en in de onderliggende procedure om tot die plaatjes te komen. Sinds 2011 zijn de criteria formeel benoemd tot in de Functionele Specificaties Deltamodel (FSD), zie bijlage A. De criteria worden tussen 2010 en 2012 steeds scherper gesteld. Het doel daarvan is om NHI steeds beter te laten presteren nadat in de eerste jaren ervaring is opgedaan met de inculling ervan. In elke opleveringsdocumentatie van NHI is een beschrijving van de werkwijze opgenomen, de laatste is van NHI2.2 en staat op de NHI website. De verscherping van de criteria voor NHI3.0 vragen om samenwerking met regio om daaraan te kunnen voldoen. 3.2 Naast accuraat ook adequaat De FSD beschrijven criteria die beschrijven dat het NHI voor historisch bekende, belangrijke situaties goede resultaten geeft in termen van fluxen, concentraties en grondwaterstanden die van belang zijn tijdens waterschaarste. Het NHI is dan voldoende accuraat om de waterverdeling in die situatie te reproduceren. Tijdens de workshop in april 2011 hebben de regionale partijen aangegeven, dat dit niet voldoende zegt over geschiktheid van NHI resultaten om de landelijke Deltaprogramma beslissingen in de regio te onderbouwen. Dit gebeurde in reactie op een voorstel van Deltares voor een methode, waarin vastgesteld wordt welke NHI resultaten er toe doen om de Deltabeslissingen te nemen en daarop NHI af te gaan rekenen. Het NHI zal adequaat moeten zijn juist op die punten waarop beslissingen worden beïnvloed met berekeningsresultaten. Kortom er ligt de wens tot het leggen van een directe relatie tussen NHI criteria en gewenste nauwkeurigheid van voorspelling van effecten door NHI die er toe doen voor de beslissingen in het Deltaprogramma rond zoetwaterbeheer en klimaatverandering. In dit hoofdstuk wordt daarvan een uitwerking gegeven voor de verandering van de zoetwatervraag voor de landbouw in hoog Nederland en voor het chloridegehalte in oppervlaktewater in west Nederland. Plan voor calibratie NHI3.0 7 van 1

14 3.3 Adequaat NHI3.0 - een uitwerking Uitwerking adequaat voor landbouw watervraag in Hoog Nederland De gedachtenlijn om criteria voor adequaatheid af te leiden is als volgt (zie onderstaande figuur): - Het adequate NHI moet zorgen voor juiste besluiten in kader van Zoetwaterverdeling voor klimaatadaptatie en met name de effecten in regio - Beslissingen in dit kader doen er toe als het beleid (ook: beheer) daardoor verandert of heroverwogen moet worden. Daar liggen de knikpunten in het beslissingsproces. - Bij de knikpunten behoren gevolgen en maatregelen die worden vastgesteld op basis van modelresultaten NHI. - De modelresultaten van NHI moeten dus bij de knikpunten tot juiste besluiten leiden door: 1) de optredende effecten van klimaatverandering onderscheidend aan te geven en/of 2) de effecten van maatregelen onderscheidend aan te geven - De NHI resultaten worden bepaald door relevante processen in relevante gebieden. - Deze relevante processen in relevante gebieden / regio s bepalen dus de NHI resultaten op landelijke nivo die van belang zijn op besluiten. Criteria voor de betreffende NHI resultaten zorgen dat NHI adequaat is voor de landelijke beslissingen. In onderstaande figuur is gedachtenlijn schematisch weergegeven: Afweging op nationaal niveau: Onderwerp Focus op nationaal niveau: Verdroging landbouw Knikpunten * maatregelen Watervraag moment en omvang Bepalend(e) proces(sen) Uitputtingsverloop en vochttekort Gebied waar het optreedt Wateraanvoergebieden Landelijk gevolg in NHI Zoetwatervraag * Knikpunt = Een moment waarop het waterbeheer en -beleid heroverwogen zal worden In onderstaand figuur staat een voorbeeld uitwerking voor regio Oost: - Het knikpunt voor de landelijke watervraag is een significant grotere watervraag voor het achterland op knooppunt Eefde aan de IJssel. - Het maatgevende proces dat de watervraag bepaald is het vochttekort voor de landbouw door de lage freatische grondwaterstand. - Het relevante gebied is gebied is het achterland waar wateraanvoer mogelijk is. 8 van 1 Plan voor calibratie NHI3.0

15 Als NHI de verandering van de verandering van de freatische grondwaterstand - onder de aangenomen klimaatverandering of maatregel - in het relevante gebied goed voorspelt zal de watervraag adequaat zijn voorspeld. Voorbeeld concrete uitwerking Watervraag, moment en omvang beregeningsvraag & klimaatverandering GLG gebieden met effect op (vraag naar) wateraanvoer Groen = Wateraanvoer gebieden Knikpunt variabele: watervraag op knoop Proces: lage (freat.) grondwaterstand Focus: Groene Gebied De beoordeling of NHI goed voorspelt is afhankelijk van in welke omstandigheden de verandering optreedt. Dit vraagt dus ook om de nadere invulling van wat er in de verwachte klimaatverandering relevant is voor de verandering van de freatische grondwaterstand die de watervraag van de landbouw genereert. Wanneer treedt die relevante verandering van de watervraag op? In algemene zin zal dat zijn als de droge periode langer en de verdamping extremer wordt. Het moment waarop de watervraag relevant - voor de Delta beslissing - toeneemt is op voorhand niet te voorspellen, maar wel is de groei van de watervraag bij toenemende droogte af te leiden uit de ordening van droge jaren in de historisch bemeten periodes. Het uitzakken van de freatische grondwaterstand - de toename van het vochttekort - gemeten tijdens de historische periodes geordend in toenemende mate van droogte is direct gerelateerd aan de toename van de watervraag onder droger wordende omstandigheden. Als NHI de toename van de watervraag voldoende onderscheidend kan berekenen - dus de omvang en het moment van optreden -, zal uit de resultaten kunnen worden afgeleid onder welke toename van droogte de watervraag relevant toeneemt voor een knikpunt in de Deltabeslissingen. Dan kan worden bepaald welke klimaatverandering tot een watervraag zal leiden waarvoor maatregelen nodig zijn. Kortom: de criteria voor NHI worden gekoppeld aan - moment en omvang van - de toename van de watervraag en het vochttekort bij toename van de droogte periode. Voorstel criteria voorspellen van watervraag bij verandering van droog naar zeer droog : - fluxverandering binnen 20%, - moment van optreden binnen periode van 1 week - specifiek: in groeiseizoen, Voorstel criterium voorspellen van vochttekort bij verandering van droog naar zeer droog - Maximaal 1 week verschuiving in grondwaterzakkingslijn (zie paragraaf 4.5) - Maximaal 1 week verschuiving in zakken door ondergrens wortelzone - Maat voor vochttekort: nog in te vullen Plan voor calibratie NHI3.0 9 van 1

16 datum 31 maart 2012, concept Uitwerking adequaat voor zoutgehalte in Laag Nederland De gedachtenlijn van adequaatheid is vergelijkbaar met bij landbouw watervraag in Hoog Nederland uitgewerkt voor chloride in oppervlaktewater in West Nederland in onderstaande figuur: Afweging op nationaal niveau: Onderwerp Focus op nationaal niveau: Zoutlast oppervlaktewater Knikpunten * maatregelen Te hoog chloride voor gebruiksfunctie Bepalend(e) proces(sen) Waterstroming, zoutlast kwel Gebied waar het optreedt Relatief diepe poldergebieden Landelijk gevolg in NHI Zoetwatervraag en bruikbaarheid * Knikpunt = Een moment waarop het waterbeheer en -beleid heroverwogen zal worden De gedachtenlijn uitwerking in algemene zin is: Waar gaat het om voor de chloride concentratie in oppervlaktewater tijdens klimaatadaptatie? De chloride concentratie tijdens droge perioden wordt bepaald door interne (zoute kwel) en externe (inlaat Gouda) verzilting Het gaat daarom om relatieve veranderingen, om niet meer bruikbaar zijn van het oppervlaktewater voor een landbouw of natuur doel. - Voor landbouw of natuur zijn chloridegehaltes < 1000mg/l relevant om te onderscheiden. Relevante grenswaarden zijn 150 mg/l (drinkwater), mg/l (natuur), 300 mg/l en 600 mg/l (landbouw). De grenswaarden verschillen globaal een factor 2. - Chloridegehaltes > 5000mg/l zijn te zout voor landbouw of natuur en niet onderscheidend. Oppervlaktewater zoutgehalte balanspost (mm/d) V erloo p balansposten in LS W (Haarlemmermeer) drainage NHI 2.1 ondiepe drainage NHI 2.1.1salt diepe drainage NHI 2.1.1salt totale drainage NHI 2.1.1salt inlaatwater Drinkwaternorm: 150 mg/l Voorspelling begin en eind periode overschrijding binnen 10 dagen Gebied: Inlaatpunten drinkwater Inlaatnorm Gouda : 150 mg/l? Voorspelling begin en eind periode overschrijding binnen 10 dagen Gebied: Inlaatpunten zoals Gouda Doorspoelnorm: 150/300/600 mg/l? Voorspelling begin en eind periode overschrijding binnen 10 dagen Gebied: Doorvoerpunten met zout Voorspelling zoutgehalte meetpunt Voorspelling 2x zoutgehalte binnen 10 dagen Gebied: overige aangewezen meetpunten Voor de bepaling van criteria om NHI af te rekenen is van belang met hoeveel de chloride concentratie moet wijzigen voor relevante beslissing rond het knikpunt of over de maatregel. 10 van 1 Plan voor calibratie NHI3.0

17 Voorstel criterium voor NHI: Uit de relevante grenswaarden wordt afgeleid dat NHI veranderingen met een factor 2 moet kunnen voorspellen binnen enkele (1-5) rekentijdstappen. De resultaten van NHI moeten onderscheidende zijn gelijk aan de historisch gemeten veranderingen geordend naar toenemende droogte. In dat geval zal de watervraag door klimaatverandering doordat een gebruiksdoel wordt afgesneden op juiste wijze veranderen en/of zal blijken of een maatregel een gebruiksdoel mogelijk maakt. Het criterium geldt voor bijvoorbeeld 75% van de metingen. <paragraaf verwijderd> 3.4 Vergelijking criteria voor adequaatheid met de Functionele Specificaties Deltamodel In feite vormen de eerdergenoemde criteria voor adequaatheid een aanvulling op de Functionele Specificatie Deltamodel (FSD). De belangrijkste toevoegingen liggen op het vlak van de aandacht voor de voorspelling van veranderingen bij het langer duren van droogte perioden. De FSD beschrijft voor NHI de criteria voor de grondwaterstandsdynamiek in de zin van reproductie van de gemeten toestand in heel Nederland gedurende de 30 jarige reeks. De adequaatheid legt de nadruk op welke verandering en in welke regio onder veranderend klimaat gedurende droogte relevant is voor de besluitvorming. De FSD beschrijft voor NHI de criteria voor chloride bij de inlaatpunten en bij meetpunten in West Nederland en onderscheid daarbij mg/l (grote afwijkingen toegestaan) en hoger dan mg/l (kleine afwijkingen toegestaan). De adequaatheid legt de nadruk op dat onder 1000 mg/l de gebruiksgrenzen liggen en dat daar bij klimaatverandering de chloride concentratie verandering binnen een factor 2 moet worden voorspeld. De absolute waarde van de chloride concentratie is hier minder belangrijk dan de verandering. Boven 1000 mg/l is het chloridegehalte (intern West Nederland) niet onderscheidend voor gebruikers. <paragraaf verwijderd> Plan voor calibratie NHI van 1

18 4 Werkwijze calibratie NHI Calibratie NHI 3.0 gebeurt in een proces samen met regionale partijen Regionale partijen worden op verschillende wijze betrokken bij de calibratie van NHI3.0: - workshops voor discussie van resultaten en aanleveren verbeteringen, - Melden van commentaar, foutduidingen <== terugmelden aan???? via NHI???? - NHI input en output bekijken op website en reflectie geven op workshops of via - Download resultaten en eigen analyse <== vergelijking met regiomodellen De regionale interactie rond NHI3.0 kent de volgende fasen in 2012: Fase: voorbereidingen Workshop Deltamodel regio februari tot april:verbeteringen Fase: evaluatie prototype April (1-15): startrun (prototype NHI3.0) April 19: Workshop Deltamodel regio = Start Evaluatie - verbeteringen April - mei: Evaluatie - aanleveren data en verbeteringen Fase: evaluatie alfarelease Mei (1-15) testrun (alfarelease NHI3.0) Mei -juni: Tussentijdse evaluatie - aanleveren data en verbeteringen Fase: evaluatie bètarelease Juni (10-20) eindrun voor regionale inbreng (bètarelease NHI3.0) 28 juni: Workshop Deltamodel regio = Evaluatie conclusie voor gebruik Na juni alleen nog haalbare (completeerbare) verbeteringen met kleine impact op benodigde inzet in activiteiten om NHI te rapporteren en in te bedden in het Delta-instrumentarium. 4.2 Uitgangspunten voor calibratie NHI 3.0 Calibratie van NHI3.0 is niet vergelijkbaar met calibratie van een regionaal oppervlaktewater of grondwatermodel. In plaats van bijvoorbeeld grootschalige parameteroptimalisatie wordt bij NHI3.0 juist gebruik gemaakt van de kennis en ervaring opgedaan bij de calibratie van de regionale modellen. NHI3.0 zal zover mogelijk complementair zijn aan de regionale modellen. Voor NHI3.0 geldt dat het systeem oppervlaktewater en grondwater integraal berekent. Tijdens droogte hangt de watervraag en waterverdeling af van zowel de beschikbaarheid als het gebruik van grondwater (bijvoorbeeld landbouw, natuur) en oppervlaktewater (bijvoorbeel koeling, scheepvaart). 12 van 1 Plan voor calibratie NHI3.0

19 Omdat NHI3.0 voor landelijke afwegingen wordt gebruikt moet het landsdekkend consistent zijn opgebouwd. Data en processen zijn dus over heel Nederland zoveel mogelijk gelijk en gelijk van schaal. Tot slot is de calibratie van NHI3.0 gericht op berekeningen voor landelijke beleidsvragen gerelateerd aan klimaatadaptatie en ter ondersteuning van beheer tijdens droogte. De uitgangspunten voor de calibratie NHI3.0 zijn samengevat in onderstaand schema. A - Landelijke = supraregionale vergelijkbaarheid B - Integraal oppervlaktewater & grondwater C - Voortbouwend op kennis en opgeschaalde informatie uit regionale modellen Noord-zuid, oost-west vergelijkbare resultaten door landelijk zelfde aanpak Dus: MODFLOW-MetaSWAP- MOZART-DM Regionale modellen zijn gecalibreerd op waterstanden en fluxen D Accuraat en adequaat voor landelijke vragen Goed genoeg, gericht op de knikpunten in besluitvorming binnen Zoetwaterverkenningen 4.3 Calibratie aanpak sluit aan op de werking van het hydrologische systeem van NHI Het NHI bestaat uit vier fysisch verschillende hydrologische systemen vertaald in modelconcepten met verschillende schaal in tijd en ruimte. Dergelijke complexiteit van gekoppelde systemen is nog niet eerder integraal geoptimaliseerd. Zelfs in het model van Denemarken (GEUS, DHI software), waarin alle deelmodellen (verzadigd en onverzadigd grondwater en oppervlaktewater zonder waterverdeling) op dezelfde tijd en ruimte zijn opgezet blijkt parameteroptimalisatie complex te zijn en in veel opzichten niet voldoende tot het beoogde doel te leiden. Het aantal keuzemogelijkheden in, de verschillen in schalen en onzekerheden van de te optimaliseren parameter (combinaties) is te groot en dient te worden teruggebracht. Dat kan door te kijken naar de belangrijkste onderliggende processen en parameters en daaruit de juiste combinatie van parameters met de juiste verbeteringen op te stellen. Het NHI kent langzame en snelle en kleinschalige en grootschalige processen. De optimale parameterinstelling voor NHI3.0 is echter gericht op een beperkt gebruik, namelijk de (verandering van de) watervraag tijdens droogte. Een complex systeem optimaliseren voor een enkel type gebruik komt ook in andere omgeving voor, zoals in de auto industrie. Voor het comfortabel afstellen van de vering van een auto (figuur 4.1) is het ten eerst belangrijk dat de carrosserie voldoende stevigheid en stijfheid bezit. De vering onder de auto moet de grote hobbels goed verwerken. De stoelvering hoeft alleen de massa van de bestuurder comfortabel af te veren. Plan voor calibratie NHI van 1

20 groot langzaam < > klein snel Figuur Voorbeeld van stapsgewijs afregelen van een systeem: vering voor comfort. De wielvering kan alleen worden afgeregeld als de carrosserie aan de eisen voldoet. De stoelvering dient om de oneffenheden die door de wielvering worden doorgelaten verder af te vangen. Kortom de vering wordt afgeregeld (geoptimaliseerd) van groot en stijf naar klein en soepel ten behoeve van comfort van de bestuurder. Dit kunnen we vertalen in hydrologische termen als van groot en langzaam naar klein en snel, terwijl er daarbij een helder doel van de optimalisatie is gedefinieerd. Groot van samenhang en omvang is het waterverdelingsnetwerk tijdens droogte, het is wel relatief snel. Langzaam en groot is het diepe grondwatersysteem en de nalevering tijdens droogte. Relatief snel en kleinschalig is het subregionale oppervlaktewater en het bovenste grondwater. In de calibratie voor NHI 3.0 wordt daarom de waterverdeling in het landelijk hoofdsysteem (DM, Sobek) en het diepe grondwater anders behandeld dan het subregionale oppervlaktewater en het bovenste grondwater. De calibratie van het landelijk hoofdsysteem voor NHI3.0 zal bestaan uit de verbetering van het netwerk (DM wordt Sobek) met inpassing van regionale modellen en verbetering van de waterverdelingssleutels. De regionale modellen zijn reeds gecalibreerd en worden op dit moment goed genoeg / best haalbaar geacht. Belangrijkste verbeteringen worden verder verwacht van de inbreng van de kennis over de waterverdeling tijdens recente droogtes (2003). De regionale waterverdeling in de districten en local-surface-waters wordt voor NHI3.0 verbeterd op begrenzing / indeling bijvoorbeeld voor de zoutbalans. De calibratie van het diepe grondwatersysteem bestaat in NHI 3.0 uit de integratie van kennis en verbeteringen de komt uit de gecalibreerde regionale grondwatermodellen via de GrondwaterModelDataBank (GMDB). Voor het freatische grondwater en de onverzadigde zone wordt voor NHI3.0 een beperkte parameteroptimalisatie uitgevoerd, beperkt zowel in aantal parameters als in gebiedsomvang. In onderstaande paragrafen wordt de calibratie NHI3.0 verder uitgewerkt. 14 van 1 Plan voor calibratie NHI3.0

21 4.4 Calibratie NHI3.0: parameterverbetering en beperkte parameteroptimalisatie Zoals in de vorige paragraaf is aangegeven wordt in de calibratie voor NHI 3.0 de waterverdeling in het landelijk hoofdsysteem (DM, Sobek) en het diepe grondwater anders behandeld dan het subregionale oppervlaktewater en het bovenste grondwater Calibratie oppervlaktewatersysteem: Parameterverbetering Geert, Bernhard: Benoem hier welke data, invoer worden verbeterd oppervlaktewater deel: SOBEK/RTC-tools/DM MOZART MetaSWAP Hoofdzakelijk oppervlaktewater hoofdsysteem georiënteerde parameters boven / aan maaiveld, harde, zichtbare, meetbare data - verdeelsleutels oppervlaktewater; - droogte situatie afhankelijke waterverdeling - topografie, - landgebruik, - drainage- en afwateringssysteem, - beregening, etc. Aanvulling door inbreng regionale kennis en checkmodel consistentie Calibratie grondwatersysteem: Beperkte optimalisatie Ab, Paul: Benoem hier welke data worden geoptimaliseerd Jacco, Wim: Benoem hier welke data worden geoptimaliseerd Alleen grondwater: MetaSWAP MODFLOW deel Methode: PEST; doel variabele > kern = uitputtingsverloop in freatische waterstand zie par 4.5 Achtergrond keuzes - beperkt tot belangrijkste parameters met significante onzekerheid voor grondwaterstandsdynamiek Niet optimaliseren: Topsysteem: meer zekere of regionaal bepaalde parameters: - primair, tertiair, drainage systeem - maaiveld - drainage, - peilen - grondwateraanvulling Diepe systeem: meer lokaal bepaalde en bepalende parameters: - weerstand van diepere scheidende lagen, Te optimaliseren Onverzadigd systeem: - 2 van de 4 optimalisatie parameters MetaSWAP in 10 zand/klei type Plan voor calibratie NHI van 1

22 Topsysteem: - c-waarde deklaag Holoceen, secundair drainage pleistoceen Diepe systeem: - totale kd omdat die samen de gws omhoog of omlaag te brengen Uitwerking in ranges en zonering in paragraaf 3.3 Verbetering dus hoofdzakelijk uitvoering door NHI Team (op basis van vooraf met ander partijen bepaalde aanpak) Doelvariabelen in parameteroptimalisatie in grondwatermodel DOEL = laten zien dat gradaties in nat-droog veranderingen goed genoeg zijn voor klimaatverandering effecten en maatregelen. Zie H4 Niet stationaire calibratie gericht op afgaand tij : - Selecteer beperkt aantal rekenjaren gericht op droogte trend verandering (zie paragraaf 3.3) - Periode per geselecteerd rekenjaar vaststellen (handmatig specialisten grondwater en knmi?)=dt - Maatgevende hoge en lage gws vaststellen (idem) = dh - maatgevende zakkingslijn vaststellen ==> helling = dh/dt In modelresultaten dh/dt bepalen voor periode van 6 weken voor en na gemeten periode, dwz 12 x berekenen. Best fit zoeken > levert verschuiving. Max/minH bij dezelfde periode Overig: - Diepe grondwaterstanden minder zwaar meegewogen in optimalisatie; - Meetpunten selectie rond onttrekkingen zie AZURE 4.5 Inhoudelijke beschrijving NHI calibratie testrun Selectie van jaarreeksen Doel dynamiek = voldoen aan eisen zie H4 Vochttekort landbouw (en natuur) DOEL = laten zien dat gradaties in nat-droog veranderingen goed genoeg zijn voor klimaatverandering effecten en maatregelen. Een enkel jaar telt niet; maar trend met juiste verandering is gevraagd. Zie H3. Run bestaat uit 2 rekenstappen: - 1 Eerst Optimalisatie Pest - Run = MODFLOW + MetaSWAP - 2 Daarna Berekening totale NHI met inloopjaar + 5 volgjaren = bijvoorbeeld: 1 - zeer nat, 2 - nat, 3 - gemiddeld, 4 - droog, 5 - zeer droog; Evt. extra jaren ter onderscheid voorjaar/zomer (= groeiseizoen) nat-droog 16 van 1 Plan voor calibratie NHI3.0

23 Alternatief: Van: website KNMI: tendens is droger voorjaar: Alternatief: Omdat focus is op watertekort de reeks samenstellen uit een serie van 5 of meer droge jaren, waarin afgaand tij duidelijk zichtbaar is. Zie KNMI: tendens is droger voorjaar: Dan ook voorjaar 2011, meenemen en wellicht 2007 (april zeer droog). <== Vraag aan KNMI stellen voor langdurige periode van weinig neerslag (<P mm/d) en/of 30 freatische buizen selecteren > Menyanthis KWR? Dus bijvoorbeeld 1 - gemiddeld 2 - droge periode A 3 - droge periode B 4 - droge periode C, voorjaar droge periode D 6 - extreme droge zomer 2003 NHI testruns = Integrale berekening gemiddeld-droog jaarreeks op basis van - voltooide parameteroptimalisatie grondwater gedeelte; - zoetwaterverdeling met optimalisatie tool (DM of RCT-tools) Vooraf test calibratie runs van de deelsystemen oppervlaktewater en grondwater Calibratie run oppervlaktewater Zoetwaterverdeling = Deel oppervlakte water - wordt per ingevoegd model getest. - met regio worden waterverdeelsleutels gecheckt Zoutwaterconcentraties - oppervlakte water zout concentratie verdeling check met regio. - grondwater kwel zoutwaterverdeling check met regio, evt. parameters / kweldiepte aanpassen Plan voor calibratie NHI van 1

24 4.5.3 Grondwater optimalisatie met beperkte parameterset NOG UIT TE WERKEN EERST PER PROEFGEBIED Landsdekkend: wellicht naar NHI3.1 Selectie (zie paragraaf 3.2) optimalisatie parameters: = meest onbekend en relevante invloed op doelvariabele kdsom = (basis nivo gws), c deklaag+cfreatlek2 = grootste impact ow-gw interactie (demping) verdampingsreductie = bepalend voor dynamiek tijdens droogte freatische bergingscoëfficiënt = bepalend voor dynamiek gehele jaar regionalisering - Som kd s in ca 10 regionale zones (zie onder) Indeling Som-kD optimalisatie regio's - c-deklaag in holoceen in ca 10 hydrologisch onderbouwde zones (zie onder) - c-freatlek-secundair in pleistoceen, in ca 30 hydrologisch onderbouwde zones (zie onder) 18 van 1 Plan voor calibratie NHI3.0

25 Indeling c-waarde optimalisatie regio's In Brabant, Oost Nederland, Drents Plateau worden beekdalen en drainerende gebieden onderscheiden van infiltrerende gebieden door gebruik van secundaire weerstand. - verdampingsreductie voor bodemfysische eenheden in hoofdzakelijk klei-zand = in NHI2.1 onderscheiden eenheden met significant niet goede grondwaterstandsdynamiek - freatische bergingscoëfficiënt voor zelfde gebieden Ranges bij optimalisatie kh(d) <5x: presentatie schaal: groen<1.2, geel<1.5, oranje< 2. rood>2 c(d/kv) <50x: presentatie schaal: groen<2, geel<5, oranje<10. rood>10 verdampingsreductie <3x: presentatie schaal: groen<1.2, geel<1.5, oranje< 2. rood>2 freatische bergingscoëfficiënt present. schaal: <3x: groen<1.2, geel<1.5, oranje< 2. rood>2 Presentatie schaal: Doel: geeft steun voor analyse en beoordeling groen = goed, geel = acceptabel, oranje = op de grens van realistisch, rood = teveel afwijking Overige: - zout correctie diepe grondwaterstand; rekenen met zoetwaterstijghoogte, meetwaarden correctie - Langzame en snelle systemen: Mogelijk kd, c eerst stationair calibreren als AZURE succesvol is (voor eind februari 2011). Plan voor calibratie NHI van 1

26 4.6 Vergelijking celwaarden NHI met punt meetwaarden Voor de bepaling van de watervraag tijdens droogte is het vochttekort en het uitzakkingsverloop van de freatische grondwaterstand belangrijk. De rekenresultaten van NHI op 250 meter zullen afwijken van de meetwaarden in filters in het veld waarmee vergeleken wordt, zowel in hoogte / diepte als in dynamiek. De celwaarde van NHI representeert een gebiedsgemiddelde waarde. Figuur Gemeten waarden in Veengebied vergeleken met NHI resultaten Voor de beoordeling van de celwaarde moet dan ook naar de vergelijkbare gebiedsgemiddelde waarde in het veld worden gekeken. Voor deze opschaling is op initiatief van Deltares (Wim de Lange) door KWR (Kees Maas) en TU-Delft (Mark Bakker) het concept bedacht van middeling van momenten velden die met behulp van Menyanthis en AEM worden afgeleid, zie bijlage B en C. Momenten karakteriseren de impuls-respons van neerslag in een meetpunt en kunnen worden bepaald met Menyanthis. De momentenvelden worden berekend op basis van beïnvloeding door nabijgelegen oppervlakte water, en meerdere peilbuizen per interpolatie gebied (zie onderstaande figuur). Figuur Momenten veld (M0) rechterfiguur voor set meetpunten in linkerfiguur Op elke celgrootte kan uit het momentveld de gemiddelde waarde worden bepaald en deze kan worden vergeleken met hetzelfde moment dat uit de berekende reeks in de NHI cel kan worden berekend met Menyanthis. 20 van 1 Plan voor calibratie NHI3.0

27 Op basis van de momenten (Mo, M1, M2) van de geïnterpoleerde meetwaarden en van de berekende reeks in de cel kunnen de impuls-response curven (zie figuur hieronder) worden vergeleken. amplitude uitzakkingshelling piek moment Figuur Voorbeeld impuls-response curve Voor de beoordeling van de adequaatheid van NHI voor klimaatgerelateerde veranderingen tijdens droogte is de uitzakkingslijn van de freatische grondwaterstand belangrijk. Daarvan is de helling en het niveau (voor het tijdstip van zakken onder de worteldiepte en het vochttekort) van belang. Voor het niveau worden de GHG en GLG criteria van de FSD (bijlage A) aangehouden. De uitzakking van grondwaterstand in de modelresultaten kan worden bepaald voor een periode van 6 weken voor en na periode waarin de uitzakking is gemeten, dus n-keer berekenen. Door het zoeken van de best fit van een van de berekende uitzakkingen kan de verschuiving worden gevonden. De FSD geeft een accuraatheid van 14 dagen aan, hetgeen mogelijk moet worden bijgesteld bij het optreden in het groeiseizoen. Plan voor calibratie NHI van 1

28 Bijlagen tekst 22 van 1 Plan voor calibratie NHI3.0

29 Bijlage A. Functionele specificaties Deltamodel aan NHI3.0 Uit: Functionele specificaties en kwaliteitseisen DeltamodeI - 1 september 2011, RWS Waterdienst, Timo Kroon Plan voor calibratie NHI van 1

30 Bijlage B. Opschalen meetreeksen naar cel in grondwatermodel Projectvoorstel Opschalen van meetreeksen van de grondwaterstand naar reeksen die representatief zijn voor een element van een grondwatermodel CONCEPT (versie september 2011) Kees Maas KWR Mark Bakker TUD Inleiding Het Nationaal Hydrologische Instrumentarium, dat heel Nederland omvat, heeft een grondwatercomponent die gebaseerd is op het eindige differentiemodel MODFLOW. Het afregelen gebeurt onder meer door het berekende temporele verloop van de grondwaterstand op een groot aantal ruimtelijke punten te vergelijken met het verloop dat in peilbuizen gemeten is. Vanzelfsprekend speelt daarbij een schaalkwestie: peilbuizen zijn representatief voor de plek waar ze staan, terwijl een grondwatermodel in ieder modelknooppunt grondwaterstanden produceert die gedacht worden het ruimtelijk gemiddelde verloop voor te stellen van de grondwaterstand, gerekend over de rekencel die bij het knooppunt hoort. Voor diepere aquifers zal dat geen groot probleem opleveren, maar in freatische aquifers kan de grondwaterstand binnen een modelcel heel wat ruimtelijk variatie laten zien; zeker als er binnen de cel watergangen lopen. In zulke gevallen speelt er bovendien een kwestie van plaats: modelknooppunten liggen zelden op de plekken waar peilbuizen staan. Ook daarmee moet tijdens opschaling rekening gehouden worden. Omdat het om erg veel peilbuizen gaat is het van belang om een standaardmethode te ontwikkelen die geschikt is om geautomatiseerd te worden. KWR is gevraagd om daarvoor een projectvoorstel te doen. Dít voorstel beperkt zich tot het ontwikkelen van de theorie, het implementeren daarvan in een computerprogramma en het testen op een aantal peilbuizen. Een gebruikers-interface en integratie met het NHI zelf zijn nog niet aan de orde. De centrale gedachte Hoewel het gedrag van de grondwaterspiegel - zoals dat in een peilbuis gemeten kan worden - op het eerste gezicht chaotisch mag lijken, is er in het algemeen een eenvoudige empirische relatie te vinden met de factoren die dat gedrag veroorzaken. Neerslag en verdamping horen vrijwel altijd tot die "verklarende" factoren, maar vaak zijn er ook fluctuerende oppervlaktewaterpeilen, en regelmatig is er sprake van grondwateronttrekkingen. Het zijn deze verklarende factoren die zich wild kunnen gedragen. De manier waarop de ondergrond hun invloeden omzet in een op- en neergaande beweging van de grondwaterspiegel is in het algemeen opmerkelijk stabiel. Meestal is de relatie tussen de variatie van de grondwaterspiegel en die van de verklarende factoren vast te leggen in eenvoudige functies, impulsresponsfuncties, die in de loop der tijd niet of nauwelijks veranderingen ondergaan, of er moet grootscheeps in het grondwatersysteem gerommeld zijn. 24 van 1 Plan voor calibratie NHI3.0

31 Impulsresponsfunties zijn empirisch op te stellen door middel van tijdreeksanalyse. Ze worden ook wel transferfuncties genoemd. Iedere verklarende invloed heeft zijn eigen transferfunctie. Alle transferfuncties samen - waarmee het verloop van de grondwaterspiegel in een peilbuis goed beschreven kan worden - worden wel tijdreeksmodel genoemd. Een tijdreeksmodel onderscheidt zich van een conventioneel grondwatermodel doordat er geen kennis aan te pas komt van de geohydrologische gesteldheid in de omgeving van de peilbuis. Feitelijk is het niet meer dan een zeer compactie samenvatting van meetgegevens. Tijdreeksmodellen zijn daarom geschikt voor het toetsten van grondwatermodellen, die juist wel op geohydrologische kennis gebaseerd zijn. Een beperking van tijdreeksmodellen is evenwel dat ze alleen geldig zijn voor de directe omgeving van de peilbuis. Daarmee stuiten we op de bovengenoemde kwestie van plaats, die we als volgt denken op te lossen. Als door middel van tijdreeksanalyse impulsresponsfuncties opgesteld worden voor naburige peilbuizen, dan blijkt steeds dat ze van peilbuis tot peilbuis weliswaar verschillen, maar dat de verschillen niet groot zijn: ze vertonen een systematische ruimtelijke variatie. Het ligt dus voor de hand om te denken dat het mogelijk moet zijn om voor plekken waar geen peilbuis staat impulsresponsfuncties af te leiden uit de omringende plekken die wel bemeten zijn, door een vorm van ruimtelijke interpolatie. Daarmee is de kwestie van plaats in principe op te lossen. In het kader van het onderzoeksprogramma van de waterleidingbedrijven hebben KWR en TUD daarvoor al veel van de nodige theorie ontwikkeld. Ruimtelijke interpolatie van tijdreeksmodellen Deze paragraaf beschrijft in hoofdlijnen hoe de interpolatie werkt. Geohydrologische impulsresponsfuncties zien er uit als scheve kansverdelingsfuncties. Een voorbeeld is de reactie van de grondwaterspiegel op een regenbui: de grondwaterstand stijgt eerst snel, om daarna weer langzaam te dalen. Dat gedrag laat zich in het algemeen goed beschrijven met de gammaverdeling: n n 1 at at ( t) e (1) ( n) (We gebruiken altijd de letter voor impulsresponsfuncties). a en nzijn parameters en t is de tijd. Figuur 1 geeft enkele voorbeelden van de vorm die deze functie kan aannemen voor verschillende waarden van de parameters a en n: Figuur 1: Enkele voorbeelden van de vormen die () t kan aannemen voor verschillende waarden van de parameter n in formule (1) Plan voor calibratie NHI van 1

32 De gammaverdeling komt uit de kansrekening. Omdat kansen tussen 0 en 1 liggen heeft hij oppervlakte 1. Geohydrologische impulsresponsfuncties hebben in het algemeen een oppervlakte die niet gelijk is aan 1; we vermenigvuldigen (1) daarom met een parameter A, zodat () t volledig gekarakteriseerd wordt door drie parameters, A, a en n: n n 1 at ( t) A e ( n) at (2) In talloze toepassingen is gebleken dat met deze functie de relatie tussen neerslag en grondwaterpeil heel goed beschreven kan worden. Daarvoor zijn dus slechts drie getallen nodig. Als alternatief voor de parameters A, a en nkan () t gekarakteriseerd worden met momenten (zoals dat gebruikelijk is in de kansrekening) die gedefinieerd zijn door k M t () t dt (3) k 0 k is de orde van het moment. Met wat rekenwerk is in te zien dat de relatie tussen de A, a en nen de eerste drie momenten van gegeven wordt door A M 0 MM a M M M n M M M M1 (4) Als A, a en nvoor een gegeven peilbuis uit een tijdreeksanalyse beken zijn, dan zijn dus voor die peilbuis M0, M1 en M2te berekenen. Een voordeel van momenten boven parameters is dat ze voor willekeurige verdelingsfuncties berekend kunnen worden; niet alleen voor de gammaverdeling. Maar zoals hierna zal blijken is er een ander - belangrijker - voordeel. We vragen ons af hoe we M0, M1 en M 2 ruimtelijk kunnen interpoleren als hun waarden in enkele peilbuizen eenmaal bekend zijn. Voor diepere watervoerende lagen is Kriging een geschikte methode, maar als er waterlopen zijn levert Kriging een onbeholpen interpolatievlak op. Het valt te beredeneren dan M0, M1 en M 2(als het om neerslag gaat) langs waterlopen 0 zijn. Het ligt misschien voor de hand om extra punten toe te voegen langs de waterlopen, maar die voldoen niet aan de statistische uitgangspunten van Kriging. Bovendien zou een Kriging-vlak smooth door de waterlopen heen gaan, terwijl het freatische vlak daar inkepingen vertoont. Kriging is dus geen optie. Laten we eens kijken naar het hypothetische geval van figuur 2: 26 van 1 Plan voor calibratie NHI3.0

33 Figuur 2: Hypothetische cel van een grondwatermodel waarin waterlopen voorkomen die niet discreet in het model zijn ingebracht, maar waarmee bij opschaling van een tijdreeks wel rekening gehouden moet worden. Dit stelt een denkbeeldige cel van een grondwatermodel voor. Er lopen watergangen in die niet discreet zijn gemodelleerd. Verder is er één peilbuis, die niet centraal in de cel staat. We stellen een ruimtelijke interpolator voor die afgeleid is van de differentiaalvergelijking voor de grondwaterstijghoogte voor een freatische aquifer: t 2 kd S Nt () (5) kd is het doorlaatvermogen van de aquifer, S is de bergingscoëfficiënt en N de neerslag (of desgewenst het neerslagoverschot). Dit is waarschijnlijk een sterk vereenvoudigde voorstelling van de geohydrologische werkelijkheid, maar binnen een modelcel sluit hij wellicht goed aan bij de schematisatie die een grondwatermodel hanteert. In elk geval onderscheidt de figuur al veel meer detail dan het grondwatermodel, en (5) volstaat hoe dan ook om onze aanpak uit te leggen. Omdat we het verloop van een impulsresponsfunctie willen kennen, kiezen we voor Nt () een delta-functie, en we sluiten aan bij onze gewoonte om impulsresponsen met aan te duiden: t 2 kd S t () (6) Door de definitie van momenten (3) op deze differentiaalvergelijking toe te passen vinden we na enige algebra: 2 kd M kd M1 SM 0 2 kd M 2 2SM1 We zien hieruit dat M 0 overeen zou komen met de stationaire stijghoogte als de grondwateraanvulling 1 m/d zou bedragen. Dat is natuurlijk een idiote intensiteit waarbij de stijghoogte ver boven het maaiveld uit zou komen, maar M 0 is geen echte stijghoogte. Waar het om gaat is dat M 0 opgelost kan worden met gebruikelijke methoden, waarbij op de gebruikelijke manier rekening gehouden kan worden met watergangen waarlangs M 0 0. Zo wordt een interpolatievlak voor M 0 verkregen dat zich nabij de watergangen natuurlijk gedraagt. (7) Plan voor calibratie NHI van 1

34 In een tweede stap is M1 te vinden, door SM0 als stationaire (maar ruimtelijk variabele) neerslag op te vatten). Dat kan dus met hetzelfde model. Daarna volgt in principe M 2. (7) bevat twee parameters, kd en S, die zo gekozen moeten worden dat de waarden van M 0 en M1 ter plaatse van de peilbuis kloppen met de waarden die uit de tijdreeksanalyse volgden. Er blijft dan geen "knop" meer over om M 2 te matchen, wat een zegen is, omdat de momenten van een impulsreponsfunctie met tijdreeksanalyse moeilijker te bepalen zijn naarmate hun orde hoger is. We kunnen M 2 in één keer met de derde vergelijking van (7) oplossen. Celgemiddelde impulsresponsfuncties We stellen voor om een celgemiddelde impulsresponsfunctie te construeren door momenten te middelen over de cel en de gemiddelde waarden in te vullen in (4). Onderzoek moet uitwijzen of deze aanpak te rechtvaardigen is. Daarna is een tijdreeks van de grondwaterstand te genereren die gebruikt kan worden om het grondwatermodel te calibreren. (Maar voor het calibreren bestaan ook andere mogelijkheden, waarop we verderop ingaan). Meerdere peilbuizen Het is wel duidelijk dat het gebied waarover we de momenten willen modelleren groter gekozen moet worden dan de modelcel, als we tenminste langs de celranden een realistisch verloop van de impulsrepons willen verkrijgen. We komen dan al gauw in de situatie dat er meerdere peilbuizen beschikbaar zijn. Omdat er maar twee parameters zijn om de hoogteligging van M0en M1af te regelen zou het alleen bij toeval lukken om de waarden van M en M ter plaatse van alle peilbuizen juist in overeenstemming te krijgen met de waarden 0 1 die voor iedere buis uit de tijdreeksanalyse volgt. Hoe daarmee om te gaan is onderdeel van het onderzoek, maar een goed deel van de theorie ligt al klaar. De analytische elementenmethode We stellen voor om (7) op te lossen met de analytische elementenmethode AEM. Voor de eerste vergelijking is deze zondermeer toepasbaar. Daartoe merken we op dat een particuliere oplossing gegeven wordt door p zz M 0 (8) 4kD waarin z x iy een complexe voorstelling is van het ( xy-vlak., ) De particuliere oplossing genereert langs de waterlopen waarden van M 0die gecompenseerd moeten worden door de homogene oplossing, dat is een oplossing van kd h 2 M 0 0 (9) Dit is de differentiaalvergelijking waarvoor de AEM in eerste instantie ontwikkeld werd. Laten we de oplossing ( ) f z noemen. Dan is uiteindelijk P H zz ( ) M M M f z (10) 4kD De oplossing van de tweede vergelijking van (7) is te schrijven als 28 van 1 Plan voor calibratie NHI3.0

35 2 2 Sz z Sz M1 f( zdz ) gz ( ) 2 64kD 4kD (11) waarin gzweer ( ) (dwz: net als f( z )) een analytische functie die zo gekozen moet worden dat M1 nul is langs de waterlopen. Haken en ogen Uit onderzoek van TUD en KWR is gebleken dat (11) langs de waterlopen een wild gedrag van M1 kan oproepen. Dit komt doordat de AEM langs waterlopen met een beperkt aantal controlepunten werkt waarin de eis gesteld wordt dat aan de opgelegde waarde van - in dit geval - M1 voldaan moet worden. Tussen de controlepunten in blijken zeer grote afwijkingen te kunnen optreden. Het is een onderdeel van het onderzoek dat nu wordt voorgesteld om hiervoor een goede oplossing te vinden. Uit onderzoek van TUD en KWR is ook komen vast te staan dat met (6) onrealistisch hoge opbollingen van het freatisch vlak verkregen kunnen worden. Dit treedt met name op als de peilbuizen relatief dicht bij de waterlopen staan. De reden is - waarschijnlijk - dat (6) geen rekening houdt met ruimtelijk gespreide kwel of wegzijging. Een realistischer interpolator is c t 2 kd S t () (12) Binnen de AEM bestaat voor deze vergelijking een aanpak die we te omslachtig vinden voor het doel van dit onderzoek. We zullen een manier zoeken om (12) te transformeren in (6) waarna de oorspronkelijke methode weer toepasbaar is. Alternatief Als alternatief voor de hierboven geschetste methode zullen we (12) ook oplossen met het AEM-programma Tim. Tim kent een niet-stationaire versie die gebaseerd is op Laplacetransformatie, waarmee (12) overgaat in kd c 2 Sp 1 (13) waarin p de Laplace-parameter is. ( p) is de Laplacegetransformeerde van () t bekend dat M (0) 0 d M1 (0) dp M 2 d (0) dp 2 2. Het is De analytische elementen die voor deze aanpak nodig zijn, zijn gecompliceerder. Het onderzoek zal moet uitwijzen welke aanpak het efficiëntst werkt. Aanname van lineariteit Een beperking van de voorgestelde aanpak is dat hij uitgaat van grondwatersystemen die zich lineair gedragen. Hij houdt bijvoorbeeld geen rekening met droogvallende sloten of drains. Het is onze ervaring dat de grote meerderheid van grondwaterstandsreeksen goed of (14) Plan voor calibratie NHI van 1

36 acceptabel nagenootst kunnen worden met een lineair tijdreeksmodel. We stellen daarom voor om de behandeling niet-lineaire systemen tot nader order uit te stellen. Suggestie voor het niet-stationair kaliberen van een grondwatermodel Hierboven gingen we ervan uit dat we een grondwaterstandsreeks zullen genereren die geschikt is om een grondwatermodel - niet stationair - te kalibreren. De aanpak die we voorstelden suggereert echter dat het eenvoudiger is om met het grondwatermodel momenten M0, M1 en M2te genereren. Dat kan met stationaire modellen, die één voor één zo afgeregeld kunnen worden dat ze zo goed mogelijk voldoen aan de celgemiddelde momenten die de door ons te vervaardigen tool zal opleveren. Als de momenten goed zijn, is de tijdreeks vanzelf ook goed; behalve als de tijdreeksmodellering niet goed gelukt is, maar in dat geval is de grondwaterstandsreeks ongeschikt voor calibratiedoeleinden. Op te leveren product Het product dat we opleveren is een computerprogramma waarmee een grondwaterstandsreeks gegenereerd kan worden die geschikt is om een grondwatermodel te calibreren, voor de situatie die geschetst is in figuur 2. Het programma wordt aangestuurd vanaf het commandoscherm. De gebruiker voert zelf een tijdreeksanalyse uit met het programma Menyanthes. (Dat vereist de beschikbaarheid van grondwaterstandsreeksen en reeksen van de peilen van de waterlopen). Het programma leest de zogenaamde M-struct in, importeert de GIS-gegevens van waterlopen calibreert de interpolator en genereert een tijdreeks van de grondwaterstand die geschikt is om een grondwatermodel te calibreren. Uit te voeren werkzaamheden De tijdraming is in dagen. 1. Overleg met de opdrachtgever (3) 2. Ontwikkelen van de theorie transformatie van (5) naar (12) (7) elementen ontwikkelen c.q. updaten (4) vlakgemiddelde momenten berekenen; IR vergelijken met transient Tim (5) 3. Gisbewerkingen. 10 Testgrids van NHI, aan te leveren door opdrachtgever (4) 4. Programmeren van nieuwe analytische elementen (7) 5. Tijdreeksanalyse op peilbuizen nabij de testlocaties (3) 6. Rapportage (5) 7. Elementaire handleiding (2) 8. Paper om commentaar van peers uit te lokken (5). Literatuur Maas, C., 1995: Over het modelleren van natuurlijke fluctuaties van de grondwaterspiegel met de Analytische Elementen Methode, Kiwa-rapport Mark Bakker, Kees Maas, Frans Schaars, Jos. R. von Asmuth, 2007: Analytic modeling of groundwater dynamics with an approximate impulse response function for areal recharge, Advances in Water Resources 30 (20007) Mark Bakker, Kees Maas, Jos von Asmuth, 2007: Transient calibration of flow to ditches with entry resistance using measured moments of response functions, IAHS Publ. 320, 2008, p Mark Bakker, Kees Maas, Jos von Asmuth, 2008: Calibration of transient groundwater models using time series analysis and moment matching, Water Resources Research Vol. 44, W04420, doi: /2007wr006239, van 1 Plan voor calibratie NHI3.0

37 Bijlage C. Toelichting op Opschalen meetreeksen naar cel in grondwatermodel, mailwisseling Kees Maas - Wim de Lange Dag Wim, Onze opschalingsopdracht houdt feitelijk in dat we voor een rekencel (als het tenminste een calibratiecel is) een impulsreponsfunctie aanleveren waarop geijkt kan worden. (Tussen haakjes: misschien is het goed om op te merken dat de impulsrespons op neerslag, de impulsrespons op onttrekkingen en de impulsrespons op rivieren verschillende dingen zijn. Het kan dus zijn dat we in een bepaalde ijkcel meer dan 1 respons aanleveren). Ik stel andere parameters voor dan jij, met overigens geheel hetzelfde oogmerk. De belangrijkste parameter is de oppervlakte van de IR, ook wel gain genoemd. Als je die goed hebt heb je in elk geval je model gemiddeld (zeg: stationair) goed. Deze parameter zou ik in de plaats stellen van jouw amplitude. Als alternatief kan je het zogenaamde structurele niveau van Harry Rolf nemen. Feitelijk verdient dat de voorkeur, maar het is een parameter die nauw verwant is aan de gain. Het structurele niveau is doorgaans goed dmv tijdreeksanalyse vast te stellen. De tweede parameter heeft te maken met de gemiddelde responstijd. Als je de impulsrespons als een kansverdeling ziet is de gemiddelde responstijd het gemiddelde (of zwaartepunt) van de kansverdeling. Deze parameter zou ik in de plaats stellen van jouw tijd tot piek; vooral omdat in snelle systemen de tijd tot piek vrijwel nul zal zijn en dus niet zo onderscheidend is. Twee systemen met een heel korte tijd tot piek kunnen toch een heel verschillende gemiddelde responstijd hebben. De gemiddelde responstijd is al moeilijker uit een tijdreeksanalyse af te leiden, maar dat betekent tegelijk dat hij niet zo nauw komt. Als je deze twee parameters goed hebt ben je al een heel eind. De uitzakking hangt hier sterk mee samen. Als je toch nog een derde parameter zoekt zou ik weer een beroep doen op de voorstelling van de IR als kansverdeling, en net als in de statistiek de standaardafwijking als parameter kiezen. Deze komt nog weer minder precies uit een tijdreeksanalyse, maar doet er dus nog weer minder toe. Hij komt in de plaats van de uitzakkingshelling. Ik denk dat termen als oppervlakte, gemiddelde en standaardafwijking een gebruiker ook wel zullen aanspreken. We kunnen deze parameters per ijkcel aanleveren. Om ze uit het grondwatermodel te halen (om ze te kunnen vergelijken met de waarden die wij aanleveren) moet aan het grondwatermodel een impuls-stress opgelegd worden. Als het om de reactie op neerslag gaat zou ik uitgaan van een gemiddelde stationaire stromingstoestand en eenmalig een regenbui op het model loslaten. Het moet een beetje realitische regenbui zijn, anders krijg je waarschijnlijk allerlei ongewenste niet-lineaire effecten. Van de zo geproduceerde IR moeten de oppervakte, het gemiddelde en de standaarsafwijking berekend worden, Je voelt al aankomen dat dat ook in afnemende volgorde van nauwkeurigheid gaat lukken, maar dat is dan niet zo erg. Welke nauwkeurigheidseisen je aan je modelparameters stelt zou ik laten afhangen van hoe nauwkeurig de parameters uit de tijdreeksanalyse rollen. De tra geeft Plan voor calibratie NHI van 1

38 betrouwbaarheidsintervallen. Als bijvoorbeeld het gemiddelde van de IR niet goed uit de tra is af te leiden hoeft je grondwatermodel hem ook niet nauwkeurig te produceren. Ik denk dat er nog een betere manier bestaat om de genoemde parameters uit het grondwatermodel te destilleren; daar heb ik het heel kort even over gehad toen we onze opschalingsopdracht bespraken, maar die vereist nog wat onderzoek. Ik zou maar beginnen zoals ik hierboven beschreven heb. Vr.gr. Kees Beste Kees, Als "founder" van de impuls-respons ben jij denk ik degene die het beste mee kan denken hoe de vertaling van de 3 parameters voor de impuls-respons functie kunnen worden ingezet om de "meet i-r"s te vergelijken met de "cel i-r"s. Bijgaand een ppt waarin ik vanaf de gebruikerskant van NHI (zoetwaterverkenningen = klimaatverandering en landelijke zoetwaterverdelings issues) criteria voor adequaatheid van NHI3.0 (2012) voorstel. Die criteria heb ik in de laatste sheet schematische gerelateerd aan de 3 i-r parameters, die natuurlijk afhangen van de gekozen functie. Natuurlijk zijn de gegeven getallen en formuleringen nog aan verandering onderhevig omdat de gebruikers (regio en rws) daar nog over moeten besluiten. De manier van denken is echter wel wat men zoekt. Ik denk dat in de kern de 3 genoemde criteria (amplitude, piekmoment, dalingstijd) wel gedragen zijn. Met vriendelijke groet Wim de Lange 32 van 1 Plan voor calibratie NHI3.0