Verkennende kwantificering relatie grondwater oppervlaktewater

Transcriptie

1 Opdrachtgever: Ministerie van Infrastructuur en Milieu Verkennende kwantificering relatie grondwater oppervlaktewater Auteurs: ir. H.A.M. Hakvoort drs. M.J. Spijker dr. ir. P.J.T. van Bakel PR juni 2011

2

3 juni 2011 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie Inhoud 1 Inleiding Aanleiding tot het project Doelstelling project Werkwijze Interactie tussen grond- en oppervlaktewater Algemeen Processen Dynamiek in de interactie (temporele variaties) Kwalitatieve interactie versus verblijftijd Grondwater- en oppervlaktewaterlichamen Gebruikte modellen Regiomodellen Landelijk model Resultaten Resultaten regiomodellen Resultaten landelijk model Typering verblijftijden Combineren kwantitatieve en kwalitatieve interactie Conclusies, aanbevelingen en discussie Conclusies Aanbevelingen Discussie Referenties HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en PR i

4

5 juni 2011 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie Lijst van tabellen Tabel 5-1 Tabel 5-2 Berekende interacties grond- en oppervlaktewater voor Modelgebied Rijnland. (nb.= niet bekend) Berekende interacties grond- en oppervlaktewater voor Modelgebied Reest & Wieden (nb.= niet bekend) HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en PR i

6

7 juni 2011 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie Lijst van figuren Figuur 3-1 Interactieprocessen tussen een grondwater- en oppervlaktewatersysteem Figuur 3-2 Grondwaterlichamen in Nederland (bron: website Helpdesk Water) Figuur 3-3 Oppervlaktewaterlichamen in Nederland (bron: website KRW portaal) Figuur 3-4 Schematische weergave van een subgwl binnen GWL s die aangetroffen worden bij een doorsnijding van Nederland Figuur 3-5 Local Surface Waters (Deltares, 2011) Figuur 3-6 MOZART-districten (Deltares, 2011) Figuur 3-7 Voorbeeld resultaat subgwl (in verschillende kleuren) rond de Oude IJssel (OWL in lichtblauw) in Oost-Nederland Figuur 4-1 SOBEK-model van Rijnland (links: neerslag-afvoer knopen, rechts: boezemsysteem) Figuur 4-2 Resultaat van het SIMGRO-model van Reest en Wieden Figuur 5-1 NHI-fluxen die beschouwd zijn voor de jaren 1998, 2003 en Figuur 5-2 Typering van de mate van interactie van grondwater naar oppervlaktewater op basis van de NHI-uitvoer voor Figuur 5-3 Dynamiek interactie tussen grond- en oppervlaktewater op basis van een vergelijking van de NHI-uitvoer voor de jaren 1998 en Figuur 5-4 Typering profieltypen in Nederland (Alterra, 2007) Figuur 5-5 Schematische weergave profieltypen in Nederland (overgenomen uit Alterra, 2007) Figuur 5-6 Typering van profieltypen op basis van verblijftijd Figuur 5-7 Combineren verblijftijden en interactie Figuur 5-8 Conceptuele visualisatie typering ow-gw HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en PR iii

8

9 juni 2011 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie 1 Inleiding 1.1 Aanleiding tot het project In vrijwel alle Nederlandse watersystemen is er sprake van interactie tussen het grond- en het oppervlaktewater. Overschrijdingen van de norm van stoffen in het oppervlaktewater worden deels via de toestroom van grondwater veroorzaakt. Tot op heden is daar veelal alleen in beschrijvende zin aandacht voor geweest. Voor het bepalen van bijvoorbeeld effectgerichte maatregelen is het echter wel noodzakelijk het pad van de bron van de verontreiniging naar het oppervlaktewater duidelijk in beeld te hebben. De KRW stelt als eis dat de kwantitatieve en kwalitatieve toestand van het grondwater niet de oorzaak mag zijn dat de oppervlaktewaterdoelen niet worden bereikt of dat de toestand van die wateren verslechtert. De interactie tussen beide wordt dan ook meegenomen in: de (her-)karakterisering (conform artikel 5 van de KRW); de toestandsbeoordeling van grondwaterlichamen (conform artikel 4 van de KRW). De (her-)karakterisering moet zich richten op bestaande problemen dan wel verwachte problemen. Dit laatste is de at-risk bepaling. Het kan zowel betrekking hebben op grondwaterkwaliteit als -kwantiteit. Voor kwaliteit worden niet alleen de reeds genormeerde stoffen meegenomen, als ook de stoffen die naar verwachting een probleem veroorzaken voor de receptoren, in dit geval oppervlaktewaterlichamen. Hier komt de interactie grondwateroppervlaktewater in beeld. In de eerste karakteriseringsrapportage (2005) en in de eerste Stroomgebiedsbeheerplannen (2010) is deze interactie op globale wijze meegenomen. De betrokken partijen (rijk, provincies, waterschappen, RWS) zijn het erover eens dat hiervoor een meer concrete werkwijze nodig is, zowel bij de (her-) karakterisering als voor de toestandsbeoordeling. In de stroomgebiedsbeheerplannen is het onderwerp daarom als kennisleemte opgenomen en is ter invulling daarvan een onderzoeksmaatregel opgenomen. Onderzoek dat naar de relevante interactie tussen grond- en oppervlaktewater is verricht (o.a. Royal Haskoning en Deltares, 2008), heeft al veel inzicht opgeleverd, maar laat ook veel vragen onbeantwoord. Doel van deze studie was het in beeld brengen van waar deze relatie van belang is, op basis van landelijke informatie en case studies. Gebruikmaking van modelresultaten was daarbij niet aan de orde. Eén van de mogelijkheden om een aantal vragen beantwoord te krijgen, is om de resultaten van hydrologische modellen met (geïntegreerde) grond- en oppervlaktewatercomponenten zorgvuldig te analyseren en op basis hiervan te komen tot een typering van de genoemde interactie. Omdat het primair gaat om de beïnvloeding van het oppervlaktewater zal de typering alleen betrekking moeten hebben op de componenten bij stroming van grondwater naar oppervlaktewater en niet omgekeerd. Het Ministerie van Infrastructuur en Milieu heeft de combinatie HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en De Bakelse Stroom opdracht gegeven voor een verkennend onderzoek naar de relatie tussen grondwater en oppervlaktewater in Nederland. Het resultaat van deze opdracht ligt nu voor. HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en PR

10 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie juni Doelstelling project Het doel van het project is het ontwikkelen en beproeven van een werkwijze om de interactie tussen grond- en oppervlaktewater op landelijke schaal te typeren voor KRW en Zoetwater, met behulp van de berekeningsresultaten van grondwater-/oppervlaktewatermodellen. 1-2 PR HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en

11 juni 2011 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie 2 Werkwijze Om antwoord op de vragen te krijgen, is allereerst een inventarisatie gemaakt van de interactieprocessen. Welke processen zijn er? Welke aspecten van deze processen zijn belangrijk voor KRW en zoetwater? Onder meer de mate van interactie (veel interactie is relatief grote invloed van het grondwaterlichaam op het oppervlaktewaterlichaam, zowel in kwantitatieve als kwalitatieve zin), snelle en trage interactie (hoe groter de gemiddelde verblijftijd, hoe meer tijd voor omzettingsprocessen van bijvoorbeeld nutriënten), en de dynamiek in de interactie tussen verschillende jaren. Dit deel van het onderzoek is beschreven in Hoofdstuk 3. Vervolgens zijn de mogelijkheden die modellen bieden eerst verkend in een tweetal regionale pilots. Hierbij is gekozen voor modellen van hydrologisch uiteenlopende gebieden die gemaakt zijn in verschillende modelcodes. In deze pilotgebieden is verkend: Of het mogelijk is om de interactie (de relevante fluxen) in beeld te brengen. Op welke wijze het mogelijk is. Of deze wijze bruikbaar is voor KRW /Zoetwater. Aangezien bovenstaande vragen in de pilots werden bevestigd, is vervolgens de interactie tussen grond- en oppervlaktewater landsdekkend in beeld gebracht, waarbij gefocust is op: De grootte van de interactie: hoeveel interactie is er tussen grond- en oppervlaktewater? Dynamiek van de interactie: hoe varieert de interactie over jaren die in meteorologisch opzicht sterk verschillen? Snelheid van interactie: snelle en trage processen. De verblijftijd: hoe varieert de verblijftijd van water in de bodem in Nederland? Een belangrijk deel van de interactie tussen oppervlaktewater en grondwater vindt plaats tussen het bovenste freatische deel van het grondwater via verschillende drainagemiddelen (sloten, watergangen, drainagebuizen) met het oppervlaktewater. Het grondwaterlichaam is in deze studie dan ook gedefinieerd als het gehele (verzadigde) grondwater tot aan het maaiveld (freatische grondwaterspiegel is bovengrens die varieert tussen 0.5 m tot enkele meters beneden maaiveld). De gebruikte modellen en resultaten zijn in Hoofdstuk 4 en 5 beschreven. Hoofdstuk 6 bevat de discussie, conclusies en aanbevelingen. HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en PR

12

13 juni 2011 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie 3 Interactie tussen grond- en oppervlaktewater 3.1 Algemeen Bij de typering van de interactie tussen grondwater en oppervlaktewater is het belangrijk onderscheid te maken tussen enerzijds de omvang van de waterstromen die bij de interactie betrokken zijn en anderzijds de lotgevallen van stoffen in het water in het grondwatersysteem van deze waterstromen. Dit onderscheid wordt ook wel aangeduid als de druk- versus de druppelbenadering. Eerstgenoemde interactie is aan te duiden als de kwantitatieve interactie, de tweede door de kwalitatieve interactie. 3.2 Processen Tussen een grondwaterlichaam en een oppervlaktewaterlichaam vindt een aantal verschillende waterstromen plaats, die elk een verschillende invloed op de waterkwaliteit hebben. Deze waterstromen van grondwaterlichaam naar oppervlaktewaterlichaam dragen zorg voor het afvoeren van het neerslagoverschot, maar die van oppervlaktewaterlichaam naar grondwaterlichaam kunnen zorgen voor een aanvulling van het grondwater waardoor de grondwaterstandsdaling in de zomer wordt beperkt. De volgende relevante interactieprocessen worden gedefinieerd, zie Figuur 3-1. ber mv pr et aan af dr ba-o ba-d ex subgw- subgw+ Figuur 3-1 Interactieprocessen tussen een grondwater- en oppervlaktewatersysteem HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en PR

14 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie juni 2011 Hierin worden de volgende fluxen onderscheiden van grondwater naar oppervlaktewater (gearceerd de fluxen die niet daadwerkelijk tot oppervlakte-grondwaterinteractie behoren): mv = oppervlakte afstroming via het maaiveld dr = snelle afvoer uit de bodem, via kunstmatige drains of greppels ba-o = afvoer uit de bodem, via ondiepe sloten/watergangen ba-d = afvoer uit de bodem, via diepere watergangen/beken De processen van oppervlaktewater naar grondwater zijn: ber = beregening ex = exfiltratie, intrek van oppervlaktewater in de bodem Om de waterbalans compleet te maken worden tot slot de volgende interactieprocessen benoemd: af = afvoer van het neerslagoverschot vanuit een waterlichaam naar een volgend (oppervlakte)waterlichaam aan = aanvoer van water (inlaat) subgw = (regionale) grondwaterstroming tussen grondwatersystemen (kwel/wegzijging) pr = neerslag et = verdamping Kwel/wegzijging is in dit onderzoek gedefinieerd als grondwaterstroming over de grenzen van een eigen grondwatersysteem. Het neerslagoverschot dat binnen een eigen grondwatersysteem tot afstroming naar het oppervlaktewatersysteem komt, wordt beschouwd als drainage waarbij er verschillende mogelijke drainagemiddelen zijn zoals diepe, ondiepe sloten en buisdrainage. Het neerslagoverschot dat niet vanuit het grondwatersyteem naar het oppervlaktewater stroomt, zijgt weg naar een ander grondwatersysteem om daar uiteindelijk in het oppervlaktewater op te kwellen. Naast variaties in neerslagoverschot is deze factor een belangrijke reden voor de regionale verschillen in de hoeveelheid interactie. Doel van deze opdracht is om de relevante fluxen vanuit grondwater naar oppervlaktewater landsdekkend kwantitatief in beeld te brengen. 3.3 Dynamiek in de interactie (temporele variaties) Er zijn grote verschillen tussen voorkomen en grootte van de interactieprocessen als gevolg van verschillen in neerslag en verdamping in en tussen de jaren. Om de dynamiek in deze seizoenen en/of jaarlijkse verschillen in dit onderzoek te belichten zijn berekeningen uitgevoerd voor een drietal kalenderjaren, waarvan de weersomstandigheden jaargemiddeld te kenmerken zijn als zeer nat (1998: 1238 mm neerslag te De Bilt en 492 mm verdamping), gemiddeld (2004: 860 mm neerslag en 568 mm verdamping) en zeer droog (2003: 614 mm neerslag en 635 mm verdamping). Op deze manier wordt een indruk verkregen van de hoeveelheid interactie tussen grondwater en oppervlaktewater en de verschillen daarin in meteorologisch zeer uiteenlopende jaren. 3.4 Kwalitatieve interactie versus verblijftijd Grondwater dat in het oppervlaktewater uittreedt, verblijft kortere of langere tijd in het grondwatersysteem. Hoe langer de verblijftijd hoe groter de mogelijkheden van afbraak en 3-2 PR HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en

15 juni 2011 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie adsorptie in het grondwater. De effecten van een ongewenste belasting van het grondwatersysteem op het oppervlaktewatersysteem zijn in een grondwatersysteem met een lange verblijftijd van het grondwater veel kleiner dan in een grondwatersysteem met een korte verblijftijd. Door verschillen in afgelegde weg van de waterdruppels is er een spreiding in verblijftijd maar een geschikte maat voor typering van de verblijftijd is de gemiddelde verblijftijd. In dit project wordt volstaan om op basis van kennis over de diktes en opbouw van watervoerende en weerstandbiedende lagen van het grondwatersysteem de kwalitatieve interactie te karakteriseren op basis van gemiddelde verblijftijd van stoffen in het grondwater. Hoewel de geschetste interactieprocessen zoals nabij oppervlakkige afvoer of uitstroom via diepe watergangen verschillen in de snelheid van interactie, geeft een hoge afvoer via een diepe watergang (en geen afvoer via kunstmatige drains) slechts een indicatie over de verblijftijd. Zoals hierboven beschreven hangt de verblijftijd van het via verschillende drainagetypes uitstromende grondwater ook samen met de (geo)hydrologische kenmerken van het gebied zoals de aanwezigheid van slecht doorlatende lagen en de slootdichtheid. Zo kan een deel van het via kunstmatige drains uitstromende grondwater ook een langere verblijftijd hebben. In hoofdstuk 5 wordt dit aspect nader uitgewerkt. 3.5 Grondwater- en oppervlaktewaterlichamen De KRW definieert grondwaterlichamen (GWL s) als afzonderlijke grondwatermassa's in één of meer watervoerende lagen. Doelen en maatregelen hebben in de KRW betrekking op grondwaterlichamen en niet op afzonderlijke watervoerende pakketten. Voor de begrenzing van grondwaterlichamen heeft Nederland de internationale richtlijnen gevolgd. Dit heeft geleid tot een 20-tal GWL s, zie Figuur 3-2. De KRW definieert ook oppervlaktewaterlichamen (OWL s). Dat aantal is veel groter, het bedraagt zo n 700. In Figuur 3-3 zijn ze afgebeeld. Figuur 3-2 Grondwaterlichamen in Nederland (bron: website Helpdesk Water) HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en PR

16 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie juni 2011 Figuur 3-3 Oppervlaktewaterlichamen in Nederland (bron: website KRW portaal) Om grip te krijgen op de processen die tussen grondwater en oppervlaktewaterlichamen spelen, worden subgrondwaterlichamen (subgwl s) methodisch gedefinieerd. Deze subgwl s definiëren het hydrologische deelstroomgebied van het OWL: het OWL ontvangt of levert water aan het subgwl. Vanzelfsprekend kan het OWL daarnaast ook water ontvangen van bovenstroomse OWL s, maar grond- en opperlvlaktewaterinteractie vindt alleen plaats tussen OWL en bijhorend subgwl. In Figuur 3-4 zijn schematisch subglw s weergegeven binnen een GWL. 3-4 PR HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en

17 juni 2011 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie subgwl OWL GWL GWL Figuur 3-4 Schematische weergave van een subgwl binnen GWL s die aangetroffen worden bij een doorsnijding van Nederland Voor elke OWL in Nederland is in dit project een subgwl afgeleid. Het vertrekpunt in deze analyse is de kaart met OWL s in Nederland, zie ook Figuur 3-3. (gebruikte kaart: website KRW portaal). Om per OWL één subgwl te definiëren is gebruik gemaakt van twee kaarten die ten grondslag liggen aan de ruimtelijke schematisatie van het Nationaal Hydrologisch Instrumentarium (NHI). De eerste is de indeling van Nederland in districten, ook wel MOZART districten genoemd naar eerdere toepassing in het model MOZART (zie Figuur 3-6). Een onderverdeling van deze MOZART-districten in afwateringseenheden wordt gegeven door de zogenaamde Local Surface Waters (LSW s), zie Figuur 3-5. Vervolgens is voor elke LSW berekend bij welk OWL die het dichtst ligt. De verzameling van LSW s die het dichtst bij 1 OWL liggen vormen samen het subgwl van dat OWL. Wanneer een LSW een MOZART districtgrens snijdt, wordt dat LSW opgedeeld en als twee verschillende LSW s in deze procedure behandeld. Hiermee wordt aangenomen dat het regionale oppervlaktewater afwatert naar de nabijgelegen OWL. Dit zal veelal bij de werkelijkheid aansluiten, hoewel er zeker ook sprake zal zijn van afwijkende afwateringsrelaties. Gezien het globale schaalniveau van het eindresultaat (zes landelijke karakteristieke typen interactie oppervlaktewater-grondwater) is dit een acceptabele aanname. Het resultaat is een onderverdeling van Nederland in subgwl s rond de OWL s. Figuur 3-7 geeft een voorbeeld. HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en PR

18 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie juni 2011 Figuur 3-5 Local Surface Waters (Deltares, 2011) Figuur 3-6 MOZART-districten (Deltares, 2011) 3-6 PR HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en

19 juni 2011 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie Figuur 3-7 Voorbeeld resultaat subgwl (in verschillende kleuren) rond de Oude IJssel (OWL in lichtblauw) in Oost-Nederland HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en PR

20

21 juni 2011 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie 4 Gebruikte modellen 4.1 Regiomodellen Om een idee te krijgen van de mogelijkheden van modellen voor het kwantificeren van interactieprocessen zijn twee gebieden geselecteerd waarvan in eerste instantie aangenomen werd dat er een adequaat model beschikbaar is. Bij deze selectie is ernaar gestreefd hydrologisch uiteenlopende gebieden te kiezen, die gemodelleerd zijn met verschillende soorten modelcodes. Dit heeft geleid tot de keuze voor het beheergebied van het Hoogheemraadschap van Rijnland, dat in een SOBEK-model gemodelleerd is (Figuur 4-1) en het beheergebied van Waterschap Reest en Wieden, dat in een SIMGRO-model gemodelleerd is (Figuur 4-2). Figuur 4-1 SOBEK-model van Rijnland (links: neerslag-afvoer knopen, rechts: boezemsysteem) Figuur 4-2 Resultaat van het SIMGRO-model van Reest en Wieden HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en PR

22 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie juni Landelijk model Om de interactie tussen grondwater en oppervlaktewater op landelijke schaal (zie doelstelling en hoofdstuk 2) met modellen te kwantificeren zijn er in principe twee mogelijkheden: (a) gebruik van enkele grote regionale modellen die tezamen een groot deel van Nederland afdekken. Er zijn een aantal grote recente regionale modellen beschikbaar, zoals MORIA, HYDROMEDAH, IBRAHYM, AMIGO, MIPWA, etc. (b) gebruik van één landsdekkend model. Het NHI is daarvan het meest recente voorbeeld. Voor dit onderzoek is gekozen voor gebruik van het NHI om de volgende redenen: (a) heel Nederland wordt daadwerkelijk afgedekt (behalve Zuid Limburg en de Waddeneilanden). (b) de hydrologische processen zijn in heel Nederland op dezelfde wijze geschematiseerd, geparametriseerd en gecalibreerd/gevalideerd. (c) er is al besloten dat het NHI wordt gebruikt voor Deltaprogramma Zoetwater. De keuze voor het NHI in dit onderzoek sluit daarbij aan. (d) In het NHI is het oppervlaktewatersysteem en de wateraanvoer beter gemodelleerd dan in de meeste regionale modellen. De onderzoekers zijn zich ervan bewust dat in diverse onderzoeken gebleken is dat het NHI op diverse punten verbetering behoeft en derhalve waarschijnlijk resultaten berekent die het doen van juiste gevolgtrekkingen voor de voorliggende onderzoeksvragen kunnen verstoren. In Bijlage A wordt een toelichting gegeven op de kwaliteit van het NHI en de beoogde verbeterslagen. Dit aspect is met onze opdrachtgever besproken. In dit onderzoek is het doel echter het ontwikkelen en beproeven van een werkwijze om de interactie tussen grond en oppervlaktewater te kwantificeren ten behoeve van KRW en Zoetwater. Wanneer een dergelijke werkwijze of algoritme gevonden en bruikbaar bevonden is, is het op termijn vrij eenvoudig te updaten met een verbeterd NHI dan wel een ander model dat de benodigde fluxen (zie Figuur 3-1) in beeld brengt. Deltares heeft NHI berekeningsgegevens beschikbaar gesteld op basis van NHI versie PR HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en

23 juni 2011 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie 5 Resultaten 5.1 Resultaten regiomodellen Met het SIMGRO-model van Waterschap Reest en Wieden zijn langjarige berekeningen uitgevoerd en is de uitvoer geanalyseerd. Bij levering van het model van Rijnland bleek het niet geschikt voor jaarrond simulatie. Daarom is besloten voor deze verkenning een vereenvoudigde SOBEK-Rainfall Runoff schematisatie te maken met de kenmerken van het Rijnlandse poldersysteem (qua drooglegging, drainageweerstand, bemalingscapaciteit e.d). De berekeningsresultaten van beide modellen (die van Rijnland voorop) moeten geïnterpreteerd worden als een inzicht in de met de modellen te berekenen interactieprocessen en de verschillen in geaccumuleerde fluxen tussen de drie kalenderjaren. Er is in dit project geen speciale aandacht geschonken aan het beoordelen dan wel verbeteren van de modelnauwkeurigheid voor het doel waarvoor het wordt ingezet. De resultaten zijn weergegeven in Tabel 5-1 en Tabel 5-2 voor een gemiddeld, droog en nat jaar. Randvoorwaarde voor de keuze van de jaren was de 30-jarige periode waarvoor het NHI is doorgerekend. Tabel 5-1 Berekende interacties grond- en oppervlaktewater voor Modelgebied Rijnland. (nb.= niet bekend) HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en PR

24 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie juni 2011 Jaar Periode Kalenderjaar 15 ok t - 15 nov Kalenderjaar Kalenderjaar 15 jul - 15 aug Typering Heel nat (98%) Bijna gemiddeld (36%) Droog (7%) Neerslag Verdamping Van sub-gwl naar OWL Oppervlakte afvoer 10% 40% 5% 0% 0% Drainageafvoer 65% 50% 50% 50% 0% Kleine sloten (BA) 12% 6% 28% 30% 63% Grote sloten (BA) 12% 4% 17% 19% 37% Van OWL naar sub-gwl Beregening nb. nb. nb. nb. nb. Exfiltratie / irrigatie in ba in ba in ba in ba in ba Van sub-gwl naar sub-gwl Wegzijging Van OWL naar andere OWL Afvoer Van andere OWL naar OWL Aanvoer nb. nb. nb. nb. nb. OWL <> atm Neerslag Verdamping Tabel 5-2 Berekende interacties grond- en oppervlaktewater voor Modelgebied Reest & Wieden (nb.= niet bekend, BA = basisafvoer) De toepassing van regionale modellen laat zien dat vele van de interactieprocessen gemodelleerd (kunnen) worden met de toegepaste modellen. Processen die niet expliciet in de modellen zitten zijn Beregening (beide modellen) en Aanvoer van water vanuit omliggend oppervlaktewater naar het OWL toe (SIMGRO-model). In het SOBEK-model worden niet alle vier drainageprocessen onderscheiden. De verschillen in de grootte van de fluxen worden verklaard door (1) de modelcode en de toepassing daarvan en (2) het verschil in de meteorologische belasting. Een voorbeeld van het eerste punt is de zeer geringe berekende oppervlakte-afstroming in het berekende SOBEK-model (afgerond 0%). Oorzaak hiervan is een conservatieve modelparameterisering van oppervlakte-afstroming in het SOBEK-model. Een tweede voorbeeld is het niet berekenen van wateraanvoer in het SIMGRO-model. Gegeven dit soort modelbeperkingen laat deze toepassing van regionale wel zien dat de grootte van de interactieprocessen tussen de jaren op grond van verschillen in neerslag en verdamping sterk uiteenloopt. Uit deze pilots is in een brede workshop geconcludeerd dat: Het mogelijk is om de interactie oppervlaktewater-grondwater op verantwoorde wijze in beeld te brengen. De hiermee verkregen informatie zinvol kan zijn voor KRW en zoetwater. Het wenselijk is om volgens een vergelijkbare systematiek een landsdekkend beeld van deze interactie te verkrijgen. 5-2 PR HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en

25 juni 2011 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie 5.2 Resultaten landelijk model Voor de jaren 1998, 2003 en 2004 is de interactie tussen grondwater en oppervlaktewater uit de NHI-uitvoer (Nationaal Hydrologisch modelinstrumentarium, nagenoeg landsdekkend muv Zuid-Limburg en Waddeneilanden) getotaliseerd per subgwl. Figuur 5-1 geeft een overzicht van de fluxen. mv ber mv ber mv ber dr ba-o ex ex ba-d ex Figuur 5-1 NHI-fluxen die beschouwd zijn voor de jaren 1998, 2003 en 2004 De drainage van grondwater naar oppervlaktewatersysteem is bepaald door de verschillende drainagecomponenten (mv en dr, ba-o en ba-d voor resp. het tertiaire, secundaire en primaire systeem) bij elkaar op te tellen. In suggwl s met veel wegzijging naar de omgeving en geen wateraanvoer (zoals de Veluwe) zal het neerslagoverschot van zo n 350 mm per jaar voor een deel niet binnen de subgwl naar het oppervlaktewatersysteem worden afgevoerd en is er dus weinig interactie. Omgekeerd, in een subgwl met kwel (en wateraanvoer) wordt de kwel plus de wateraanvoer samen met het neerslagoverschot naar het oppervlaktewatersysteem afgevoerd en is er veel interactie. Daarom wordt er gesproken over een gemiddelde interactie wanneer min of meer het neerslagoverschot lokaal wordt afgevoerd (interactie tussen , rondom gemiddelde van 350 mm). De mate van interactie wordt als veel getypeerd bij meer dan 450 mm interactie, en als weinig interactie bij minder dan 250 mm drainage. Figuur 5-2 geeft het gecomprimeerde resultaat voor het gemiddelde jaar In Bijlage B zijn gedetailleerde berekeningsresultaten opgenomen. HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en PR

26 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie juni 2011 Figuur 5-2 Typering van de mate van interactie van grondwater naar oppervlaktewater op basis van de NHI-uitvoer voor De drainagekaart is goed interpreteerbaar: in de bekende, hooggelegen, wegzijgingsgebieden is sprake van weinig interactie (blauw in Figuur 5-2), minder dan 250 mm interactie tussen grondwater en oppervlaktewater. Een substantieel deel van het neerslagoverschot zijgt weg via regionale grondwaterstromen. Veel poldergebieden (relatief weinig berging, geen wegzijging) daarentegen worden gekenmerkt door veel interactie (meer dan 450 mm), mede ook door het optreden van kwel (Flevopolders). Voor de geel gemarkeerde gebieden berekent het NHI een gemiddelde interactie: tussen 250 en 450 mm. Er is ook een aantal opmerkelijke berekeningsresultaten te zien op de kaart. Bijvoorbeeld: waarom is de regio Amsterdam getypeerd als weinig interactie terwijl de directe omgeving gekenmerkt wordt door veel interactie? Waarschijnlijk is dit het gevolg van het feit dat de neerslag die valt op verharde oppervlakken niet naar het oppervlaktewatersysteem stroomt maar naar de riolering. In dit project is de oorzaak van dit soort zaken niet onderzocht, maar hebben we ons beperkt tot controle op het juist toepassen van de berekeningswijze. De kwaliteit van het NHI is vervolgens bepalend voor de berekeningsresultaten. Er zijn de afgelopen tijd verschillende validaties van het NHI uitgevoerd, waarmee informatie over de betrouwbaarheid en nauwkeurigheid van de NHI uitkomsten is verkregen (zie o.a. Bijlage A, HKV LIJN IN WATER (2011), STOWA (2011). Om te bepalen of deze hoeveelheid interactie stabiel is, zijn de absolute totale interactie van een droog (2003) en een nat (1998) jaar met elkaar vergeleken. Als deze absolute interactie 5-4 PR HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en

27 juni 2011 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie van het droge jaar minder dan 60% van het natte jaar is, dan heeft dit gebied een hoge dynamiek, dat wil zeggen de interactie varieert sterk tussen droge en natte jaren. Figuur 5-3 Dynamiek interactie tussen grond- en oppervlaktewater op basis van een vergelijking van de NHI-uitvoer voor de jaren 1998 en Een lage dynamiek betekent een gering verschil tussen interactie in uiteenlopende meteorologische jaren. In dit kaartbeeld komen in ieder geval de stabiele wegzijgingsgebieden naar voren (duinen, Utrechtse Heuvelrug, Veluwe, Brabant/Limburg, Hondsrug). Hier is voornamelijk grondwaterstroming en minder afvoer via waterlopen dan wel kunstmatige drains. Een droog of nat jaar levert daarom in deze gebieden minder grote verschillen op terwijl in lage, natte polders (weinig berging) een groter neerslagoverschot direct effect heeft op de grondwateruitstroom naar het oppervlaktewater. Dit zijn dan ook veelal de hoog-dynamische gebieden, waarbij de relatie tussen neerslagoverschot (neerslag-verdamping) direct doorwerkt in de interactie. Het verschil in het neerslagoverschot tussen een droog en nat jaar scheelt honderden millimeters. Opgemerkt wordt dat het in dit onderzoek niet mogelijk is geweest in detail op dit tussenresultaat in te zoomen. Naast een kwantificering van de kwantitatieve interactie kan de interactie ook worden gekarakteriseerd door de gemiddelde verblijftijd van water in het grondwatersysteem. Deze is te koppelen aan de geohydrologische opbouw. Dit wordt besproken in de volgende paragraaf. HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en PR

28 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie juni Typering verblijftijden De verblijftijden van water in het grondwatersysteem zijn voor de interactie met het oppervlaktewater om verschillende redenen van belang: Hoe langer de gemiddelde verblijftijd, hoe meer de verblijftijden zijn verspreid met als gevolg meer buffering van stoffen maar ook hoe langer een belasting vanuit het grondwater kan aanhouden. Hoe langer de gemiddelde verblijftijd hoe meer kans op afbraak of vastlegging van niet conservatieve en niet-inerte stoffen. Het is dus zaak de (gemiddelde) verblijftijden per subgwl te typeren. De ondergrond in Nederland, voor zover betrokken op het grondwatersysteem, kan gekenmerkt worden in een aantal verschillende profieltypen. De meest vergaande vereenvoudiging is doorgevoerd in het kader van het zoeken naar representatieve locaties voor onderzoek naar de effecten van bemesting- en spuitvrije perceelsranden langs waterlopen (Alterra, 2007). Daarbij zijn de voor o.a. de Hydrologie voor Stone gebruikte hydrotypen samengevoegd tot zes geohydrotypen. Figuur 5-4 geeft de zes profieltypen weer. Figuur 5-4 Typering profieltypen in Nederland (Alterra, 2007) 5-6 PR HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en

29 juni 2011 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie De profieltypen laten zich als volgt omschrijven: a b c d e f Ondiep grondwatersysteem, hellend gebied Diep grondwatersysteem Diep grondwatersysteem afgedekt met slecht doorlatende deklaag Hollandprofiel in deklaag Twee watervoerende pakketten gescheiden door een ondiepe slecht doorlatende laag Dikke slecht doorlatende laag, veelal gedraineerd Figuur 5-5 geeft een schematische weergave van de zes profieltypen. Figuur 5-5 Schematische weergave profieltypen in Nederland (overgenomen uit Alterra, 2007) De zes geohydrotypen zijn onder te verdelen naar verblijftijd. De kaart in Figuur 5-4 is vergrid en vervolgens is voor iedere subgwl gekeken welk profieltype het meest voorkomt. Vervolgens is de kaart opnieuw getypeerd, waarbij de profieltypen b en c als lange verblijftijd en alle overige profieltypen als korte verblijftijd zijn getypeerd. Deze typering is voor een belangrijk deel gebaseerd op de conceptuele voorstelling van de grondwaterstroming in de boven weergegeven plaatjes waarbij ook is bedacht dat een weerstandbiedende laag bovenin zorgt dat HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en PR

30 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie juni 2011 het meeste water ondiep stroomt. Bij profieltypen d en e is er weliswaar een diep watervoerend pakket aanwezig maar er stroomt relatief weinig water door, is de aanname. Het verdient zeker aanbeveling hier aan te rekenen. De redenering die is gevolgd is dat bij gelijkblijvende kwantitatieve interactie, de gemiddelde verblijftijd langer is naarmate de effectieve dikte van het grondwatersysteem dat wordt doorstroomd dikker is. Effectief is op te vatten als rekening houdend met het feit dat de grondwaterstroming ook bij dikke pakketten voornamelijk bovenin blijft. Figuur 5-6 Typering van profieltypen op basis van verblijftijd. 5.4 Combineren kwantitatieve en kwalitatieve interactie Uiteindelijk zijn de kaarten met indeling in verblijftijd (Figuur 5-6) en de mate drainage (Figuur 5-2) gecombineerd, waarbij de dynamiek (Figuur 5-3) als overlay gebruikt is. Het eindresultaat is gegeven in Figuur 5-7. Deze kaart geeft een bruikbare typering van de interactie tussen grondwaterlichaam en oppervlaktewaterlichaam. De belangrijkste interactie is de kwantitatieve interactie, opgedeeld in drie klassen. Binnen elk van deze drie klassen is er nog onderscheid mogelijk in korte of lange verblijftijden. De mate van dynamiek zegt iets over de variabiliteit van de interactie tussen de jaren en kan van belang zijn bij bepaalde beleidsvraagstukken waarbij vooral droge of natte omstandigheden bepalend zijn. 5-8 PR HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en

31 juni 2011 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie In een poging dit nader te duiden: subgwl s met veel interactie en korte verblijftijden zijn gebieden waar veel water naar het oppervlaktewater stroomt en waarbij de stroming voornamelijk ondiep is. Dus de verblijftijden zijn kort en het doorstroomd pakket is dun. Dit zijn vooral de lage delen in het westen en noorden van Nederland en het oppervlaktewater in deze gebieden is kwetsbaar voor beïnvloeding vanuit het grondwatersysteem. Deze conclusie kan worden onderschreven met expertkennis. Uit diverse studies komt naar voren dat de oppervlaktewaterkwaliteit sterk wordt beïnvloed door de difffuse belasting met bijvoorbeeld gewasbeschermingsmiddelen. Daarentegen, in gebieden met weinig interactie en lange verblijftijden is het oppervlaktewatersysteem relatief weinig kwetsbaar voor beïnvloeding vanuit het grondwater. Omdat er relatief weinig water naar het oppervlaktewater stroomt, en bovendien het water een dik pakket doorstroomt, is de gemiddelde verblijftijd lang. Dit zijn vooral gebieden in het oosten en zuiden van Nederland. De daar gebruikte gewasbeschermingsmiddelen beïnvloeden vooral het grondwatersysteem maar veel minder het oppervlaktewatersysteem via de grondwatergerelateerde routes. Figuur 5-7 Combineren verblijftijden en interactie HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en PR

32 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie juni 2011 In Figuur 5-8 is de bovenstaande typering in conceptuele dwarsdoorsnedes gevisualiseerd. In deze figuur worden vier van de zes types geconceptualiseerd, de gemiddelde interactie is buiten beschouwing gelaten. Een lage interactie komt voor in gebieden met een relatief laag neerslagoverschot (als gevolg van sterk verdampende gewassen of relatief weinig neerslag) en/of gebieden waar een deel van het neerslagoverschot wegzijgt naar andere grondwatersystemen. Wanneer er in deze gebieden eveneens sprake is van een diep grondwatersysteem (geen slecht doorlatende lagen in de nabijheid van het maaiveld) zal deze beperkte mate van interactie lang zijn. De Veluwe is een goed voorbeeld van het type Weinig en Lang. Indien weinig interactie samen gaat met een ondiepe slecht doorlatende laag, dan zal de verblijftijd van het neerslagoverschot in het grondwater kort zijn. Het type Weinig en Kort komt bijvoorbeeld voor in de ondiepe grondwatersystemen in de Slenk van Noord-Brabant waar vanwege het voorkomen van de Nuenen-groep het water overwegend ondiep wordt afgevoerd maar die door een geringe neerslag in combinatie met veel verdamping relatief weinig afvoeren. Het type Veel en Kort is typerend voor de diepe polders in West-Nederland zoals de Haarlemmermeer. Een groot neerslagoverschot met substantiële kwel in combinatie met ondiepe (slecht doorlatende en daarom goed kunstmatig gedraineerde) grondwatersystemen waardoor het neerslagoverschot snel via het uitgebreide drainagestelsel naar het oppervlaktewater uitstroomt. In de kwelzones langs de stuwwallen (oostelijk deel Veluwe, Veenkoloniën ten oosten van Hondsrug) is er veel interactie vanwege de forse kwel en/of relatief lage verdamping. De verblijftijd van het in het oppervlaktewater uitstromende grondwater is relatief lang vanwege de dikte van het freatische pakket. Ook maakt (traag stromende) kwel een groot deel uit van de interactie PR HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en

33 juni 2011 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie Veel en kort NO 400 Veel en lang NO 300 KW DR DR KW Weinig en kort NO 200 Weinig en lang NO 300 DR 200 KW DR NO = Neerslagoverschot (neerslag-verdamping) DR = Drainage (interactie grondwater naar oppervlaktewater) KW= Kwel/wegzijging (grondwaterstroming van/naar andere sub-gwl) Figuur 5-8 Conceptuele visualisatie typering uitwisseling oppervlaktewater-grondwater. De typering kan ook worden geduid in termen van belasting van het oppervlaktewater met verschillende typen stoffen die met de grondwaterstroming worden meegevoerd. Een eerste poging daartoe is als volgt: Voor niet-adsorberende en inerte stoffen als chloride is de verblijftijd van minder belang maar veel meer de hoeveelheid. Voor niet-adsorberende maar afbreekbare stoffen als nitraat is vooral de verblijftijd van belang. Hoe langer de verblijftijd hoe meer mogelijkheden tot afbraak. Voor adsorberende maar niet afbreekbare stoffen als fosfaat is zowel de hoeveelheid als de verblijftijd van belang. De doorbraakcurve (de tijdlijn van de belasting van het oppervlaktewater vanaf het moment van belasting van het grondwater) wordt bepaald door de verblijftijd in het grondwatersysteem (en het adsorptievermogen), maar na het begin van de doorbraak wordt de mate van belasting bepaald door de hoeveelheid. Voor adsorberende en afbreekbare stoffen als de meeste bestrijdingsmiddelen is vooral de verblijftijd van belang. Bij een zekere overschrijding van de verblijftijd wordt de belasting volledig in het grondwatersysteem geadsorbeerd en/of afgebroken en is de kans op belasting van het oppervlaktewater gering. HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en PR

34 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie juni 2011 Samenvattend wordt hieronder het stroomschema van de typering interactie oppervlaktewater - grondwater gegeven. Sub GWL s Hydrologische profieltypes Drainage Verblijftijd van water in de bodem Karakterisering interactie ow-gw 5-12 PR HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en

35 juni 2011 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie 6 Conclusies, aanbevelingen en discussie 6.1 Conclusies In dit onderzoek is toepassing voor de KRW meer dan het zoetwatervraagstuk voor ogen gehouden. Onderstaande conclusies hebben dan ook vooral betrekking op de KRW, niet de Zoetwatervoorziening. Algemeen Het doel van het project, namelijk het verkrijgen van een typering van interactie tussen grondwater en oppervlaktewater in heel Nederland, met behulp van modellen op basis van een generieke methodiek, is bereikt. De ontwikkelde methodiek is generiek toepasbaar en reproduceerbaar. Regionale modellen De berekeningen met de twee toegepaste regionale modellen laten zien dat veel interactieprocessen tussen grondwater en oppervlaktewater kwantitatief kunnen worden bepaald, volgens de gekozen systematiek. Na de succesvolle regionale toepassing is dezelfde systematiek landelijk toegepast. Landelijk model In het project is een geslaagde opzet gemaakt van een methodiek om de interactie tussen grond- en oppervlaktewater nagenoeg landsdekkend te typeren en in beeld te brengen. Dit past in de werkwijze om van grof naar fijn te werken. Het NHI berekent de relevante interactieprocessen op landelijke schaal. Daarmee zijn uniforme berekeningsresultaten voor heel Nederland beschikbaar en tegen een relatief beperkte inspanning actualiseerbaar. De typering van de interactie oppervlaktewater-grondwater geeft een logisch kaartbeeld. Gebieden met veel en korte interactie zoals de Haarlemmermeer en Flevoland zijn duidelijk herkenbaar, evenals de hoge zandgronden waar de weinige interactie veelal een lange verblijftijd heeft. Ook kwelgebieden langs de Veluwe en Hondsrug komen in het kaartbeeld als logisch naar voren, te typeren als veel interactie en lange verblijftijd. De kwaliteit van het NHI wordt als voldoende beschouwd voor het verkrijgen van een landelijk beeld van de interactie volgens de in dit project ontwikkelde systematiek. Voor een regionale verfijning moet aan de bruikbaarheid van het landsdekkende model van NHI echter worden getwijfeld. 6.2 Aanbevelingen Op basis van de analyse in dit project en de discussies in de werkgroep Grondwater zijn de volgende aanbevelingen te doen: Bepaalde gebieden kunnen in de vervolgprotocollen meer of minder gedetailleerd worden uitgewerkt. HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en PR

36 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie juni 2011 Aanbevolen wordt om het NHI als basis te gebruiken voor het verkrijgen van inzicht in de interactie tussen oppervlaktewater en grondwater. Eveneens wordt aanbevolen om voor de regio de mogelijkheid open te houden om bepaalde aanpassingen in de achterliggende tabelwaarden te doen, indien daartoe gegronde redenen zijn of als regionale modellen daarvoor betere gegevens opleveren. Het voor een landelijk beeld structureel gebruik maken van regionale modellen wordt evenwel niet aangeraden, omdat elk model anders geschematiseerd, geparameteriseerd en gecalibreerd/gevalideerd is. Het ontbreken van uniformiteit is voor een landelijk beeld minder wenselijk. Wel wordt aanbevolen om de uit regionale modellen voortvloeiende relevante kennis en inzichten in het landelijk modelinstrumentarium te verankeren, waarmee het landelijk model steeds beter zal aansluiten bij de regionale modellen. Aanbevolen wordt om een nieuw kaartbeeld te genereren na elke substantiële modelverbetering van het NHI. Naast het landelijk kaartbeeld bevatten de hieraan ten grondslag liggende kaarten (zie bijlage B) veel interessante informatie. Aanbevolen wordt om deze informatie grondig te analyseren en voor zoetwater en/of KRW relevante kennis/informatie te extraheren. Ook zijn er kansrijke verbindingsmogelijkheden door het koppelen van deze hydrologische informatie met andersoortige informatie. Bijvoorbeeld het combineren van deze landelijke hydrologische interactiekaart met nutriëntenbelastingkaarten, om zo inzicht te verkrijgen in voor KRW risicovolle gebieden (combinatie veel en snel met intensieve landbouw). Ook voor zoetwater kunnen risicogebieden worden geïdentificeerd door de irrigatiekaart te koppelen met grondwaterdalingsgebieden of wateraanvoerknelpunten. 6.3 Discussie De in dit rapport voorgestelde typering van de interactie heeft arbitraire kenmerken. Maar dat is met alle typeringen zo. Of de classificatie beklijft, hangt af van de herkenbaarheid bij de gebruiker. Het is voorstelbaar dat er een redesign nodig is maar de belangrijkste boodschap is dat het materiaal hiervoor in ruime mate aanwezig is. De typering van de kwalitatieve interactie is zeer elementair. Het is zeer wel mogelijk aan de hand van de geohydrologische opbouw, kenmerken van het ontwateringssysteem en de verdeling van de afvoer over onderscheiden typen ontwateringsmiddelen en betere schatting te geven van de verblijftijdspreiding. Maar dat vereist een behoorlijke inspanning en daarom moet eerst de vraag worden beantwoord wat dit zal toevoegen. Interactie tussen twee deelsystemen veronderstelt tweerichtingsverkeer. En dat is bij de ruwweg de helft van subgwl s het geval (waar in de zomer water voor peilhandhaving wordt aangevoerd). Echter voor de KRW staat de belasting van het oppervlaktewater vanuit het grondwater centraal. Incorporeren van de omgekeerde stromingsrichting is echter eenvoudig in de typering/beelden door te voeren. Dat zou betekenen dat je voor verschillende doelen verschillende typeringen hebt. Dit is wel een verbetering maar kan ook verwarring scheppen. 6-2 PR HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en

37 juni 2011 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie 7 Referenties Alterra, Locatiekeuze ten behoeve van het onderzoek naar bemestingsvrije perceelsranden. Hydrologische en bodemkundige karakterisering van de proeflocaties. Rapport Deltares, Levering districten_nhi2.1_v5.shp en lsw_final_v8_innhi.shp. HKV LIJN IN WATER, Regionale Droogtestudie Noord-Nederland, Fase 1. Deelrapport Validatie NHI versie 2.1. Opdrachtgever: Provincie Groningen mede namens de provincies Fryslân en Drenthe en de inliggende waterschappen. Royal Haskoning en Deltares, Interactie grond- en oppervlaktewater, waar speelt het? STOWA, Toetsing NHI 2.0 in de regio. Rapport 06, Geraadpleegde websites Helpdesk Water. Kaart Grondwaterlichamen. KRW portaal. Kaart OWAGL (Dissolved). download) HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en PR

38

39 Bijlagen

40

41 juni 2011 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie Bijlage A: Aanpassen en toetsing NHI Aanpassing en toetsing NHI Remco van Ek, Deltares ( ). Inleiding Het Nationaal Hydrologisch Instrumentarium (NHI) is een geïntegreerd landsdekkend grond- en oppervlaktewatermodel van Nederland ( Het doel van het NHI is om hydrologische ondersteuning te bieden aan beleids- en operationele studies op landelijk (en zoveel mogelijk regionaal) niveau. Dit meerjarige project wordt uitgevoerd door het NHI-projectteam (Alterra, Deltares, PBL, RWS-Waterdienst) en een groeiend aantal partners (ingenieursbureaus en regionale waterbeheerders). Ontwikkeling en versie beheer Sinds de ontwikkeling van NHI (gestart in 2005) is sprake van versiebeheer. Er zijn verschillende versies opgeleverd die steeds worden getoetst op hun bruikbaarheid. In de zomer van 2007 is NHI-1.0 opgeleverd, gevolgd door NHI-1+ in dec Over NHI-1+ is uitgebreid gedocumenteerd en er is een plausibiliteitstoets uitgevoerd. In april 2009 is nog eens NHI versie 1.1 opgeleverd. Na een landelijke plausibiliteitstoets is het model door diverse regionale partijen geanalyseerd. De resultaten zijn gepresenteerd in november 2009 op een NHI gebruikersdag incl aandachtspunten voor verbetering. In april 2010 is NHI-2.0 opgeleverd aan RWS. Dit model is een sterke verbetering van versie 1.0. NHI-2.0 is vergeleken met oudere landelijke modellijnen (PAWN, STONE 2.3). De meest recente versie is NHI -2.1 opgeleverd in januari Deze versie is uitgebreid getoetst waarover ook een apart rapport beschikbaar is. Vooral van belang is te realiseren dat het model bruikbaar dient te zijn voor de landelijke zoetwaterverkenning. Dit verslag geeft de hoofdlijnen weer van de aanpassingen en toetsing (voor achtergronden zie Aanpassingen NHI 2.1 ten opzichte van NHI 2.0 NHI 2.0 voldeed in 2010 nog niet volledig aan de wensen van RWS. In 2010 hebben twee processen plaatsgevonden die tot meer inzicht hebben geleid in de prestaties van het NHI. Ten eerste de regionale toetsing van het NHI, onder andere door STOWA, en ten tweede het gebruik van NHI in diverse regionale en landelijke studies voor Zoetwaterverkenning (ZWV). Als gevolg hiervan zijn in NHI 2.1, in opdracht van de RWS Waterdienst, veel verbeteringen doorgevoerd. Het betreft hier conceptuele aanpassingen en verbeteringen in de schematisatie. Zie hoofdstuk 2 in NHI%202.1%20veranderingen.pdf voor alle achtergronden. De doorgevoerde veranderingen hebben voornamelijk de volgende effecten gehad op de uitkomsten van NHI 2.1: - Op regionale schaal en knooppunten met de rijkswateren zijn de resultaten van de modellering van waterverdeling, wateraanvoer en -afvoer verbeterd. - De berekende watervraag en de flux van oppervlaktewater naar grondwater in droge perioden in hoog Nederland zijn verbeterd. - NHI is beter toepasbaar gemaakt voor individuele jaren en voor regionale schaal door het implementeren van ruimtelijk meer verfijnde neerslag- en verdampingsgegevens. De veranderingen hebben over het algemeen betrekkelijk weinig effect gehad op de berekende grondwaterstanden, chloridegehaltes en beregening. Grondwaterdynamiek, beregening en HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en PR B-1

42 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie juni 2011 chloridemodellering verdienen dan ook aanbeveling voor verbeteringen in Deze verbeteringen vergen nader onderzoek en een gezamenlijke inspanning met de regionale waterbeheerders. Ook is een beheersysteem noodzakelijk om regie te voeren op ad hoc en periodiek doorgevoerde veranderingen aan (de schematisatie) van het instrumentarium. Samenvattend kan worden gesteld dat de samenwerking met regionale partners heeft geleid tot het beter ontsluiten en toepassen van regionale kennis. Deze kennis beslaat voornamelijk het domein van de waterverdeling en is toegepast in NHI 2.1. Het grote verschil met NHI 2.0 is dan ook de verbeterde aan- en afvoermodellering en de toegenomen bruikbaarheid van het NHI voor korte periodes en op regionale schaal. Toetsing NHI versie 2.1 Bij toetsing model voldoet ja/nee is het van belang dat er heldere en reële criteria zijn vastgesteld waarop het model kan worden beoordeeld. De criteria zijn: Grondwater - GHG, GLG: In 75% van de meetpunten max. 50 cm afwijking (peilbeheerst), max. 75 cm afwijking (vrijafwaterend), max. 100 cm afwijking (sterk hellende gebieden) en afwijking mediaan < 15 cm. - dynamiek: In 75% van de meetpunten afwijking < 40 cm. - uitputtingsverloop: Timing van dal (dal grondwaterstand in groeiseizoen) in 75% van de metingen afwijking max. 14 dagen. - diep: In 75% van de meetpunten max 100 cm. Afwijking van mediaan < 25 cm. Onverzadigde zone - Verdamping op basis van meetlocaties:in 75% van de meetlocaties max. 25% afwijking en gemiddeld max. 5%. - Verdamping op basis van waterbalansen: In 80% van de gebieden max. 20% afwijking, gem. max. 5%. - Verdamping op basis van satellietbeelden: Jaargemiddeld in 80% van de regio s max. 20% afwijking en gemidddeld max. 5% afwijking. - Beregening: Voor Noord-Brabant max. 25% afwijking. Voor NL verhouding tussen hoogste en laagste jaarsom max 40% afwijking, op basis van LEI gegevens. Oppervlaktewater - Afvoer 5 m 3 /s: In 75% van de meetlocaties NS-index min 0.2 en max afwijking cumulatieve jaarlijkse afvoer < 20%. - Aanvoer 5 m 3 /s: In 75% van de meetlocaties NS-index zomerhalfjaar min 0.0 en max afwijking cumulatieve aanvoer zomerhalfjaar < 33%. - Aan/afvoer < 5 m 3 /s): max afwijking cumulatieve jaarafvoer < 33% en cumulatieve aanvoer zomerhalfjaar < 50%. - Peilen: expertoordeel, geen indicator. - Chloride: voor 75% van de meetlocaties max. afwijking < 40%. In het onderstaande schema is een samenvatting gegeven van de toetsingsresultaten. Voor alle achtergronden zie NHI_2.1_toetsing.pdf Geconcludeerd is dat NHI 2.1 net voldoet aan de gestelde criteria. De belangrijkste aanbevelingen voor verbetering zijn: - Betere en uitgebreidere meetsets voor de toetsing van NHI. B-2 PR HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en

43 juni 2011 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie - Verdere uitwerking en onderbouwing van de toetsingmethode voor het uitputtingsverloop van de freatische grondwaterstanden. - Verbetering, standaardisering en automatisering van de wijze van toetsing en de daarmee samenhangende rapportage. - Nader onderzoek naar de chloridemodellering. - Aanscherping van de toetsingscriteria voor (diep) grondwater voor verschillende regio s, bijvoorbeeld gericht op de relevantie voor de watervoorziening. - Analyse van waterbalansen van het gehele NHI-systeem in deelgebieden inclusief vergelijking met praktijkwaarden. Vervolg In verband met het Deltaprogramma is een projectplan opgesteld voor 2011 en De strekking daarvan is dat veel partijen belang hebben bij een goed en bruikbaar NHI en dat daarom de ontwikkeling in verschillende samenwerkingsverbanden wordt gedragen. Waterschappen (STOWA), waterleidingbedrijven, diensten van Rijkswaterstaat (Waterdienst), PBL sturen aan de vraagzijde, terwijl naast Alterra en Deltares ook andere partijen meehelpen in de ontwikkeling ervan. In het voorjaar 2011 zal specifiek gekeken worden naar de oorzaken van de verschillen tussen berekende en gemeten variatie in de freatische grondwaterstand. Dit wordt door de regionale partijen als zeer belangrijk gezien in het kader van de voorspelling van droogte bij verandering van het klimaat. Eind juni wordt deze analyse afgerond. De berekening van zout (chloride) in NHI wordt verbeterd, vooral voor wat betreft het oppervlaktewater in West-Nederland. Daarvoor zal de vervanging van DM door SOBEK een grote rol spelen. Voor de zoutbelasting door kwel zal een herziening van de zoutconcentratie in HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en PR B-3

44 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie juni 2011 de ondergrond worden uitgevoerd en wordt goed gekeken naar de berekening van de uitwisseling van chloride tussen grond- en oppervlaktewater. In de periode tot 2012 wordt het NHI geconsolideerd zodat de modellen en data toegankelijk worden gemaakt en er versiebeheer voor programmatuur en in- en uitvoer data zal zijn. Alle programmatuur wordt zoveel mogelijk gestandaardiseerd. B-4 PR HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en

45 juni 2011 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie Bijlage B: Kaartbeelden interactieprocessen Totale drainage van grondwater naar oppervlaktewater Totale infiltratie van oppervlaktewater naar grondwater Totale interactie (drainage en infiltratie gesommeerd) Dynamiek, verhouding van de totale interactie tussen een nat en droog jaar Geohydrotypenkaart, toegepast op subgwl s Typering interactie ow-gw op basis van drainage Typering interactie ow-gw op basis van totale interactie HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en PR B-1

46 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie juni 2011 B-2 PR HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en

47 juni 2011 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en PR B-3

48 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie juni 2011 B-4 PR HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en

49 juni 2011 Kwantificering grond- en oppervlaktewaterrelatie HydroLogic, HKV LIJN IN WATER en PR B-5