Droogte-indices beter begrijpen

Transcriptie

1 Droogte-indices beter begrijpen Sinds in 2003 de kade bij Wilnis bezweek, is bij de waterschappen de aandacht voor de droogtegevoeligheid van kaden verscherpt. Langdurige droogte kan namelijk effect hebben op de veiligheid van waterkeringen. Om de veiligheid van de waterkering te blijven borgen worden bij droge perioden maatregelen getroffen om de kwaliteit van de kade te bewaken. Het bewaken van de waterkeringen gebeurt door het langslopen van de droogtegevoelige kaden en deze te inspecteren op mogelijke gevolgen van de droogte, droogtescheuren in de kade, vervormingen van de kade en het ontstaan van natte plekken. Het moment dat gestart wordt met de droogte-inspecties is gekoppeld aan het neerslagtekort vanaf 1 april maar of dat nu altijd de juiste weergave is van de mate van droogte is onzeker. Delfland heeft samen met Alterra en Deltares in 2013 een onderzoek gedaan naar het gedrag van verdroogde kades en heeft daarbij onder andere ook gekeken naar de huidige methode voor het bepalen van de mate van droogte. De verschillende methoden gaven afwijkende inzichten en als waterschap is het juist wenselijk zo eenduidig mogelijk de droogte te kunnen definiëren. Figuur 1 Neerslagoverschotten in 2011 (links), 2013 (midden) en 2015 (rechts) [bron KNMI] Neerslagtekort = negatief neerslagoverschot Momenteel gebruikt Delfland nog het neerslagtekort als maat voor de droogte. Het neerslagtekort is het verschil tussen de neerslag die op een bepaalde locatie valt en de verdamping die optreedt. Zodra de totale hoeveelheid neerslag (na 1 april) kleiner is dan de totale hoeveelheid verdamping ontstaat een neerslagtekort (ook wel verdampingsoverschot of negatief neerslagoverschot genoemd). Bij een neerslagtekort van 100 mm beginnen conform het protocol de eerste droogte-inspecties en bij een neerslagtekort van 175 mm wordt de droogte-inspecties geïntensiveerd. De algemeen gehanteerde startdatum van 1 april, voor het bepalen van het neerslagtekort, is vanuit het oogpunt van de waterschappen arbitrair. De datum van 1 april is afkomstig vanuit de landbouw omdat rond die periode het gewas begint te groeien. Op de kades valt ook voor 1 april al neerslag en ook de verdamping doet dan al zijn werk. De uitdroging van een kade kan dus al voor 1 april beginnen. Voor het onderzoek naar het gedrag van verdroogde kades is het neerslagtekort bepaald vanaf 1 april maar ook vanaf het omslagpunt waarbij de gevallen neerslag kleiner is dan de grootte van de verdamping, meestal ergens in maart. De droogte in het voorgaande jaar of de voorgaande winter is nog niet meegenomen maar heeft in sommige jaren zelfs nog effect gehad. In figuur 1 zijn de neerslagoverschotten op 15 juni 2011, 6 september 2013 en 23 augustus 2015 gepresenteerd zoals deze zijn bepaald door de KNMI. In tabel 1 zijn de neerslagtekorten voor de jaren 1976, 2003, 2010, 2011, 2013 en 2015 van het KNMI-meetstation Rotterdam opgenomen. Het moment waarop het neerslagtekort maximaal is varieert per jaar en ligt tussen mei en september. Intensieve buien hebben grote invloed op de neerslagsom en worden niet meegenomen bij het bepalen van het neerslagtekort terwijl de effectiviteit van een intensieve bui voor de vochthuishouding van de kade klein is. Het meeste regenwater stroomt bij intensieve buien direct langs het talud af naar de sloot en komt niet in de bodem (kade) terecht. Hoe effectief is een intensieve regenbui eigenlijk? En in welke mate draagt een regenbui bij aan de afname 1

2 van het neerslagtekort? Dit zijn vragen waar momenteel nog geen rekening mee gehouden kan worden omdat simpelweg de antwoorden op deze vragen nog onbekend zijn. Jaar 1976 * Datum 27 aug. 26 aug. 6 aug. 1 juni 17 aug. 23 aug. Max. neerslagtekort, vanaf 1 april 330 mm 280 mm 190 mm 180 mm 195 mm 205 mm Max. neerslagtekort, vanaf begin maart 345 mm 320 mm 175 mm 205 mm 215 mm 195 mm SPI maand (30 dagen) SPI kwartaal (91 dagen) SPI half jaar (182 dagen) SPI jaar (365 dagen) SPEI vanaf 1 april * Neerslagtekort in 1976 is bepaald met gemiddelde cumulatieve verdamping Tabel 1 Neerslagtekort, SPI en SPEI voor 1976, 2003, 2010, 2011, 2013 en 2015 (Rotterdam) SPI-waarde Een andere manier voor het uitdrukken van droogte is de SPI of SPEI. SPI staat voor Standardized Precipitation Index en SPEI staat voor Standardized Precipitation and Evaporation Index. De SPI/SPEI wordt bepaald door de hoeveelheid neerslag (bij SPEI incl. verdamping) om te rekenen naar een index. Deze index geeft de hoeveelheid gevallen neerslag (verdamping) in een bepaalde periode weer ten opzicht van het langjarig gemiddelde over dezelfde periode. De SPI en SPEI zijn cumulatieve kansverdelingen van de neerslag (verdamping) gebaseerd op een standaard normale verdeling. Een SPI/SPEI van 0 geeft het gemiddelde weer voor de opgegeven periode. De waarde van de SPI/SPEI is negatief als het een droge periode (droger ten opzichte van het gemiddelde) betreft en is positief als het een natte periode (natter ten opzichte van het gemiddelde) betreft. De SPI/SPEI wordt standaard bepaald voor een opgegeven periode van een maand, een kwartaal, een half jaar of een jaar. Het principe is toepasbaar op elke willekeurige gewenste periode. In figuur 2 zijn de SPIwaarden voor een periode van 30 dagen en 91 dagen weergegeven op de piek van de droge periode van dat jaar. Deze datum komt overeen met de datum in de tabel 1 met de neerslagtekorten om een vergelijk tussen de neerslagtekorten en de SPI mogelijk te maken. Periode van een maand (30 dagen) Periode van een kwartaal (91 dagen) Figuur 2 SPI-waarde voor 1976, 2003, 2010, 2011, 2013 en 2015 [bron Droogtemonitor] 2

3 SPI-waarde Classificatie Kans van optreden 0 tot -1.0 Droger dan normaal 34.1% -1.0 tot -1.5 Matig droog 9.2% -1.5 tot -2.0 Ernstig droog 4.4% < -2.0 Extreem droog 2.3% Tabel 2 Classificatie van de SPI-waarden Neerslagtekort vs SPI Het neerslagtekort en de SPI-waarde geven geen gelijkluidend beeld van de mate van droogte. Vanuit het beheer van de kade is de behoefte aanwezig om een eenduidige eenheid voor de mate van droogte te hebben. Belangrijk is hierbij dat eenduidig bekend wordt wanneer een droogte gaat leiden tot een potentieel risico voor de veiligheid van de waterkeringen. In het onderzoek naar het gedrag van verdroogde kades zijn voor verschillende droge jaren de neerslagtekorten en de SPEI/SPI-waarden met elkaar vergeleken. Een vergelijking van de droogte van de jaren 1976, 2003, 2010, 2011, 2013 en 2015 laat zien dat de mate van droogte niet eenduidig te beschrijven is aan de hand van het neerslagtekort en SPI. Wanneer de relatie wordt gelegd tussen het absolute neerslagtekort met het langjarig gemiddelde blijkt de kans van voorkomen van een neerslagtekort een relatie te hebben met de waargenomen droogte-effecten. De SPI-waarde geeft de relatie met het langjarig gemiddelde voor de neerslag en is daarbij potentieel geschikt voor het weergegeven van de maat van droogte van de kade. Sinds april 2014 is de SPI-waarde op de droogtemonitor ( of SPI op site van Hydronet) geactualiseerd en sluit de SPI-waarde beter aan op de droogteeffecten dan voorheen. De SPEI geeft de beste aansluiting op visuele waarnemingen van uitdroging van de kades. De SPI-waarde (91 dagen) van 1976, 2003 & 2011 laat zien dat het toen ernstig tot extreem droog was en in 2010 en 2013 droog tot matig droog. Op basis van de neerslagtekorten zijn 1976 en 2003 de droogste jaren en zijn 2010, 2011 en 2013 minder droog. De SPEI geeft als extreem droog de jaren 1976 en De droogtes van 2010, 2011 en 2013 zijn qua neerslagtekort vergelijkbaar maar de droogteinspecties in die jaren laat anders zien. In 2003 en 2011 zijn in het gehele gebied van Delfland veel droogtescheuren geconstateerd en gerepareerd terwijl in 2010 en 2013 weinig en ook kleinere scheuren dan in 2011 zijn waargenomen. De huidige maat van droogte op basis van neerslagtekort correspondeert niet met de waarnemingen van scheurvorming in het veld. De SPI-waarde geeft een beter beeld maar onduidelijk is welke periode en SPI-waarde aangehouden moet worden. Het meest duidelijke beeld wordt gegeven door SPEI. Figuur3 Droogtescheuren in

4 Neerslagoverschot in mm Droogte-indices beter begrijpen 21 april 2016 Kansverdeling helpt bij maat voor droogte Wanneer de neerslagtekorten vergeleken worden met de kansverdeling van de neerslagtekorten (verdampingsoverschotten) wordt een beter beeld verkregen van de mate van droogte. In figuur 5 zijn de lijnen van gelijke cumulatieve frequentie van het neerslagtekort in Rotterdam ( ) weergegeven. Figuur 4 laat zien dat de droogtes in 2003 en 2011 een kans van voorkomen hebben van circa 1% (1x per 100 jaar) ondanks het grote verschil in neerslagtekort in absolute zin. De droge periodes in 2010 en 2013 behoren tot de droge periodes met een voorkomen van 10% (1x per 10 jaar) en komen dus regelmatig voor % % 2.5% % % % 0 50% apr 1-mei 31-mei 1-jul 31-jul 31-aug 30-sep 30-okt 30-nov Figuur 4 Neerslagtekort vanaf 1 april en kans van voorkomen meetstation Rotterdam De vergelijking van het neerslagtekort met kansverdeling van de neerslagtekorten sluit beter aan op de beheerervaring van Delfland dan wanneer alleen naar de absolute neerslagtekorten word gekeken. De effecten van droogte in het veld, zoals waargenomen in 2003 en 2011, sluiten aan bij een extreme droogte (<1%). En tijdens de droogte in de jaren 2010 en 2013 zijn weinig en geen significante droogtescheuren waargenomen. Op welk moment de droogte bepalend wordt voor de veiligheid van de waterkeringen is nog niet te zeggen daarvoor is het onderzoek nog te beperkt geweest. Wel is duidelijk dat de huidige SPI-waarde en de absolute neerslagtekorten nog niet helemaal aansluiten bij de effecten die in het veld worden waargenomen. De kans van voorkomen van de droogte lijkt relatie te hebben met de droogtescheuren die in de dijken optreden. Bij het ontstaan van een droge periode is het aan te bevelen om naast het absolute neerslagtekort ook te kijken de kansverdeling, bijvoorbeeld de SPI-waarde of liever nog SPEI, om inzicht te krijgen hoe extreem de droogte op dat moment is. De kennis is aanwezig en de benodigde ervaring moet nog worden opgedaan. Delfland volgt inmiddels de droogte ontwikkelingen en deelt deze met de STOWA om verdere ontwikkelingen omtrent het neerslagtekort en SPI-waarde te stimuleren. Het neerslagtekort ten opzichte van het langjarig gemiddelde lijkt vooralsnog de parameter die het meest aansluit bij de waarnemingen in het veld. Deze waarde is de SPEI, Standardized Precipitation and Evaporation Index. Als periode kan het beste de duur van het neerslagtekort aangehouden worden. In beginsel is het aansluiten op de datum van 1 april, gelijk aan de startdatum voor het neerslagtekort, een handige waarde omdat deze ook een vergelijk met het neerslagtekort mogelijk maakt. 4

5 Vergelijking opschalingscriteria vs benodigde capaciteit In het huidige protocol van het calamiteitenbestrijdingsplan langdurige droogte zijn twee opschalingscriteria opgenomen, namelijk 100 mm en 175 mm. Deze waarden worden in deze paragraaf vergeleken met de SPEI bij een periode vanaf 1 april. Om een vergelijking te maken is gekeken naar de droogteperiodes sinds Per jaar is het aantal dagen geteld dat boven het opschalingscriteria ligt per aaneengesloten periode. Dit is gedaan voor zowel de droogte-indices neerslagtekort als ook voor de SPEI. In bijlage 1 staan de tabellen B1 en B2 met een overzicht van de droge periodes en de duur tussen 1988 en Voor het lopen van de inspectie is uitgegaan van het huidige protocol. De benodigde capaciteit is genormaliseerd op basis van een fictieve inschatting van de uren. De aangehouden opbouw is als volgt: - Jaarlijks 40 uur - Verwerken gegevens per droogte inspectieronde 8 uur - Snelheid van inspecteren (incl. reistijd) 1 km/uur - Kilometers lijst I 40 km (oud) -> 20 (nieuw) - Kilometers lijst II 50 km (oud) -> 45 (nieuw) - Kilometers lijst IIIa 110 km (oud) -> 25 (nieuw) - Kilometers lijst IIIb - -> 110 (nieuw) - Droogte-inspecties worden altijd met 2 mensen gelopen NOTE: Nader onderzoek kan een beter inzicht geven in de werkelijke benodigde uren. Hierbij kunnen de werkelijk bestede uren worden vergeleken met de fictieve schatting uit deze notitie. Voor het vergelijken van de verschillende scenario s voor de opschaling en het gebruik van de verschillende droogte-indices zijn de fictieve urenschattingen goed te gebruiken. De uren zoals genoemd in tabel 3 van bijlage 1 kan dus afwijken van de werkelijke bestede uren. Opschaling: In het huidige protocol wordt bij een neerslagtekort van 100 mm opgeschaald en worden de droogtegevoelige waterkeringen, opgenomen in lijst 1, tweewekelijks geïnspecteerd. Bij constatering van schade worden ook de droogtegevoelige waterkeringen van lijst 2 geïnspecteerd. Bij een neerslagtekort van 175 mm wordt verder opgeschaald en de inspecties geïntensiveerd. De droogtegevoelige waterkeringen van lijst 1 wordt wekelijks en lijst tweewekelijks geïnspecteerd. Bij constatering van schade wordt ook lijst 3 tweewekelijks geïnspecteerd. Bij een neerslagtekort van 225 mm wordt verder opgeschaald en de inspecties geïntensiveerd. De droogtegevoelige waterkeringen van lijst 1 en 2 worden dan wekelijks en de lijst 3 tweewekelijks geïnspecteerd. Voor het vergelijken van de verschillende droogte-indices zijn twee scenario s gehanteerd waarvoor de benodigde uren zijn geschat: 1 Neerslagtekort en opschalen bij 100 mm, bij 175 mm en bij 225 mm 2 SPEI met een periode vanaf 1 april en opschalen bij -1,0 (lijst 1 tweewekelijks); -1,75 (lijst I en II tweewekelijks); -2,25 (lijst I en II wekelijks en lijst IIIa tweewekelijks) en -2,50 (lijst I, II en IIIa wekelijks en lijst IIIb tweewekelijks) Met de SPEI-waarden is nog weinig ervaring opgedaan. Concreet betekent dit dat nog niet bekend is bij welke waarde voor SPEI opgeschaald moet worden. Op basis van de analyse welke is uitgevoerd in het onderzoek Gedrag van verdroogde kades [1, 3] lijkt een SPEI van -1,25, -1,75, -2,25 en -2,50 geschikte waarde voor opschaling. In tabel 3 is een overzicht gegeven wat de uren inzet zou kunnen zijn geweest, op basis van de hierboven genoemde uitgangspunten, per scenario over de periode 1988 tot en met

6 Totaal, fictieve uren periode Gemiddelde inzet per jaar Tabel 3 Scenario 1 Scenario % 60% Fictieve raming uren droogte-inspectie in periode 1988 tot en met 2015 per scenario. Wanneer uitgegaan wordt van het huidige scenario 1 en het blijkt na onderzoek mogelijk over te stappen naar scenario 2 zou hier een urenbesparing mogelijk zijn van gemiddeld circa 40%. Let wel, de exacte besparing is nog onzeker en varieert per jaar. Door de andere benaderingswijze is in het ene jaar een besparing mogelijk en kan in een ander jaar extra inzet nodig zijn. Kijkend naar de droge jaren 1995/1996, 2003 en 2011 zijn de volgende verschillen aanwezig. Scenario 1 Scenario / (-10%) (-50%) 2011 ½ 2 (+300%) (-50%) Tabel 4 Fictief benodigde inzet ten opzichte van het gemiddelde per jaar van scenario 1 Het verschil in benodigde inzet per scenario wordt veroorzaakt door een verschillende manier van het bepalen van de droogte-indices. Het neerslagtekort is een absolute waarde en daarbij is geen onderscheid in de periode wanneer dat neerslagtekort wordt bereikt. De SPEI houdt wel rekening mee de periode waarover de droogte wordt bepaald. Deze verschillende manieren van de benadering van de droogte-indices resulteert in verschillende inzet van capaciteit van met name een vroege droogte in bijvoorbeeld mei of een late droogte in bijvoorbeeld augustus. In tabel 4 komt dat duidelijk naar voren. In 2003 en 2015 was het respectievelijk een erg en matig droge zomer waarbij in augustus de piek werd bereikt. In scenario 1 lag het neerslagtekort langere tijd boven het opschalingscriterium en resulteert dat in een hoge uren inzet. In 2011 was het een droog voorjaar, het neerslagtekort liep snel op en bij 100 mm neerslag tekort (scenario 1) bleken al veel scheuren aanwezig te zijn. In scenario 2 zou eerder zijn opgeschaald omdat het veel droger was dan gemiddeld in mei, wat een indicatie is voor een hogere kans op scheurvorming. In scenario 2 is het aantal fictief geraamde uren dan ook hoger voor Als laatste vergelijk de jaren 1995 en Dat was een extreem droge periode die langer dan een jaar aanhield. De fictieve uren voor inspectie zijn in beide scenario s (1 en 2) hoog. Het weerstation Rotterdam is pas in 1988 de neerslag en verdamping gaan meten. De SPEI maakt het mogelijk op de juiste momenten te inspecteren. Geschiedenis van droogste jaren Echt extreme droge jaren zoals 1976, 1922 en 1857 (figuren 6 en 7) zijn niet in de geanalyseerde reeks aanwezig omdat toen nog geen verdamping werd gemeten. Ook in de periode dat de weersgegevens zelfs in De Bilt nog niet systematisch werden geregistreerd (voor 1900), is een droge periode gemeten. Rondom het midden van de 19 e eeuw is een meetreeks van de neerslag beschikbaar met een dagelijkse registratie. Deze is geanalyseerd en daarvan zijn de SPI-waarden bepaald. Uit deze analyse blijkt het jaar 1857 een vergelijkbare droogte was met was voor zover uit de analyse blijkt het droogste geregistreerde jaar, gevolgd door De meest recente droogte is uit 1976 als derde droogste periode. 6

7 SPI (droog = - / nat = +) Droogte-indices beter begrijpen 21 april 2016 Figuur 6 Droogte (SPI) in De Bilt in de jaren (links) en in de jaren (rechts) SPI30 SPI182 SPI91 SPI Figuur 7 Droogte(SPI) in de 19 e eeuw ( ) in Utrecht/De Bilt Conclusie Op basis van de fictieve analyse van de uren voor de droogte-inspectie in de periode 1988 tot en met 2015 is het aan te bevelen om de komende jaren proef te gaan draaien met de droogte-indices SPEI naast het neerslagtekort. De SPEI sluit beter aan bij de uitdroging van de bodem en heeft daarom een betere relatie met de scheurvorming in de waterkeringen. Op basis van de ervaringen die met de SPEI worden opgedaan kunnen de juiste opschalingscriteria voor SPEI worden bepaald. Voor droogteperiodes in de komende jaren kan de regiegroep droogte/calamiteitenorganisatie al gebruik maken van de reeds opgedane kennis en deze gebruiken om onderbouwd af te wijken van het droogteprotocol. De SPEI in combinatie met de veldwaarnemingen eventueel aanvullend ondersteund door vochtmetingen in het veld tijdens de droogte zijn een waardevolle bron van informatie. Literatuur [1] Ponsteen W.B., Tigchelaar, J. van Kruiningen F. (2013) Gedrag van verdroogde kades: fase A Inventarisatie en analyse droogte-inspecties, Hoogheemraadschap van Delfland [2] Ritsema C., Oostindie K., Wesseling J. (2012) Presentatie Droogtemonitor, Alterra [3] Ponsteen W.B., Tigchelaar J. (2014) Gedrag van verdroogde kades: fase E Synthese, Hoogheemraadschap van Delfland [4] Buishand T.A., Velds C.A. (1980) Neerslag en verdamping, KNMI [5] Droogtemonitor, Alterra en STOWA [6] Neerslag- en verdampingsgegevens van de weerstations, KNMI 7

8 Droogte-indices beter begrijpen Bijlage 1 Periode Neerslagtekort > 100 mm > 175 mm > 225 mm Begin Eind Begin Eind Begin Eind Tabel B1 Periodes met een neerslagtekort van respectievelijk >100 mm, >175 mm en > 225 mm tussen 1988 en

9 Droogte-indices beter begrijpen Bijlage 1 Periode SPEI, met periode vanaf 1 april SPEI < -1,00 SPEI < -1,75 SPEI < -2,25 SPEI < -2,50 Begin Eind Begin Eind Begin Eind Begin Eind Tabel B2 Periodes met een SPEI van respectievelijk <-1.0, <-1.75, <-2.25 en <-2.50 tussen 1988 en