Rijkswaterstaat DBW / RIZA. Afdeling : Rivieren Arnhem / Lelystad. ARIADNE-DELWAQ voor de 1 Limburgse en Brabantse kanalen. -Calibratie ARIADNE-

Transcriptie

1 1 ARIADNE-DELWAQ voor de 1 Limburgse en Brabantse kanalen. -Calibratie ARIADNE- VVERKDOCUMENT X 1 Rijkswaterstaat DBW / RIZA Afdeling : Rivieren Arnhem / Lelystad

2 minisierie van verkeer en waterstaat rijkswaterstaat dienst binnenwateren / riza vestiging Arnhem, Gildemeestersplein 1 postbus 9072, 6800 ED Arnhem tel , fax ARIADNE-DELWAQ voor de Limburgse en Brabantse kanalen. -Calibratie AR1ADNE- WERKDOCUMENT X auteur(s) : ing. R. van der Veen datum oktober 1990

3 INHOUD. Samenvatting. 3 Hoofdstuk 1. Inleiding. 4 Hoofdstuk 2. Calibratie van de waterbeweging. 6 Hoofdstuk 3. Kanttekeningen bij de berekende waterbeweging. 9 Hoofdstuk 4. Conclusies. 11 Literatuur. 12 Bijlage 1. Figuur 1.

4 Samenvatting Ter voorbereiding van de waterhuishoudkundige planning op provinciaal en rijksniveau in Limburg en Brabant wordt onderzoek verricht naar de mogelijkheden van wateraanvoer ten behoeve van de landbouw. Bij de beschouwing van de diverse mogelijkheden speelt het effect van de wateraanvoer op de waterkwaliteit een rol naast de beschikbare (en toekomstige) infrastructuur. Ter ondersteuning van het beleidsvoorbereidend onderzoek is, door het WL in opdracht van D.B.W./RIZA, een geintegreerd waterkwantiteits- en kwaliteitsmodel (ARIADNE- DELWAQ) opgebouwd voor het stroomgebied van de Limburgse en Brabantse kanalen. Bij de bouw van het model was voorzien in een globale calibratie van het model op de jaren 1976 en In dit werkdocument wordt een meer gedetailleerde calibratie van het waterbewegingsdeel (ARIADNE) van het modelleninstrumentarium op de voorheen genoemde calibratiejaren 1976 en 1988 beschreven. Geconcludeerd mag worden dat nu met ARIADNE over een instrument wordt beschikt waarmee de waterbeweging op de Limburgse en Brabantse kanalen op een verantwoorde wijze gesimuleerd kan worden. Enkele (kleinere) tekortkomingen blijven echter bestaan die voor een belangrijk deel zijn toe te schrijven aan: - De discrepantie tussen gemodelleerd waterbeheer en feitelijk beheer, in het bijzonder in hydrologisch uitzonderlijke situaties. - De in natte omstandigheden sterk flucturerende lozingen vanuit het landelijk gebied (districten); in het model worden deze lozingen op decadebasis berekend.

5 Hoofdstuk 1 : Inleiding Voor de beschouwing van zowel de waterkwantiteit als de waterkwaliteit van de Brabantse en Limburgse kanalen in het kader van de waterhuishoudkundige planvorming is het gewenst gebruik te maken van een geintegreerd modelinstrumentarium. Hiervoor is het modelinstrumentarium ARIADNE/DEMGEN/DELWAQ gekozen, mede omdat het model ARIADNE als afzonderlijk model al voor dit gebied was toegepast. [1] In 1986 is in opdracht van DBW/Riza het model ARIADNE geoperationaliseerd voor de kanalen in Brabant en Limburg. ARIADNE staat voor Analytical Resource for Integrated Allocation and Distribution problems in Networks. Hierbij is toentertijd gebruik gemaakt van gegevens afkomstig uit het DMnetwerk dat in het kader van PAWN-I is geschematiseerd. [2,3] PAWN staat voor Policy Analysis for Water management of the Netherlands. In 1987 is het model ARIADNE gekoppeld met het agrohydrologisch model DEMGEN en is een calibratie uitgevoerd voor het jaar 1982 [1]. Bij deze modellering is het modelgebied geschematiseerd door een twintigtal knopen en een tweetal instroomranden, t.p.v. Panheel en Lozen. Voor een correcte modellering van de waterkwaliteit is het noodzakelijk om meerdere knopen aan te brengen zodat op de juiste lokaties de diverse lozingen kunnen worden opgenomen. Medio 1990 is een aldus uitgebreid model door het Waterloopkundig Laboratorium opgeleverd [4]. In dit modelinstrumentarium zijn de modellen ARIADNE en DEMGEN gebruikt voor het modelleren van de waterbeweging en het model DELWAQ voor de waterkwaliteit. De gemodelleerde stoffen en processen opgenomen in het model DELWAQ komen overeen met die gebruikt bij de uitgevoerde berekeningen in het kader van de Derde Nota Waterhuishouding [5]. Deze berekeningen worden ook wel omschreven als het project 'Stofstromen'. Voor meer informatie over dit project wordt verwezen naar [6]. Teneinde met het model op de PC te kunnen werken is het gesplitst in een in een eutrofieringsversie waarin de zuurstofen nutrientenhuishouding wordt beschreven en een slibversie waarin het zwevend stof en daaraan gebonden verontreinigingen worden beschreven. Bij de bouw van het model was voorzien in een globale calibratie van het model op de jaren 1976 en Het jaar 1988 is gekozen aangezien in dit jaar een uitgebreide meetcampagne van de waterkwaliteit heeft plaatsgevonden en 1976 is gekozen aangezien dit jaar een extreem droog jaar was. De wateraanvoermogelijkheden via de kanalen en de effecten van wateraanvoer op de waterkwaliteit komen in 1976 dan ook uitdrukkelijk naar voren.

6 In dit werkdocument zal worden ingegaan op een meer gedetailleerde calibratie van het model op de jaren 1976 en 1988 voor wat betreft de waterbeweging. Nadat in hoofdstuk 2 ingegaan wordt op de calibratie van het model voor wat betreft de waterbeweging worden in hoofdstuk 3 enige kanttekeningen geplaatst bij de door het model berekende waterbeweging. In hoofdstuk 4 worden de conclusies weergegeven.

7 Hoofdstuk 2 : Calibratie van de waterbeweging In figuur 1 is het ARIADNE-netwerk voor de Brabantse en Limburgse kanalen weergegeven. In [4] zijn aan de hand de eerste modelresultaten enkele wijzigingen voorgesteld voor een verbetering van de waterbeweging : 1) Bij het opmaken van waterbalansen door de Regionale Directies voor de kanalen is geen rekening gehouden met de RWZI Weert. De afvoer van deze RWZI komt in het model geheel op de kanalen. In feite zou echter rekening gehouden moeten worden met een extra wegzijging op de kanalen ter grootte van de afvoer van de RWZI teneinde de balans sluitend te houden. Wegzijging knoop 31 : 0.2 m'/s 2) Het uitgangspunt van de directie Brabant is dat er zo min mogelijk Maaswater op de kanalen gebracht wordt. Daartoe worden de schut- en wegzijgingsverliezen op het Wilhelminakanaal zo lang mogelijk aangevuld uit de Dommel (via Blaarthem en het Beatrixkanaal). Voor het schut- en wegzijgingsverlies op de Zuidwillemsvaart vanaf sluis 13 is dan 1.4 m'/s nodig. Na 1988 loost de Dungense Loop (district 15) op de Zuidwillemsvaart (knoop 45). In tijden van wateroverschot neemt de waterbehoefte van de Zuidwillemsvaart daardoor af tot 0.7 m'/s Maximum debiet tak 22 : 1.4 m'/s (t/m 1988) Maximum debiet tak 22 : 0.7 m'/s (na 1988) Wegzijging knoop 4 6 : 0.0 m J /s Wegzijging knoop 19 : 0.9 nr/s District 15 : lozing geheel op knoop 45 (na 1988) 3) De debieten voor 1988 over tak 40 en tak 43 geven aanleiding tot de veronderstelling dat de lozing van de districten 7,8 en 11 iets anders verdeeld moeten worden. Tussen knoop 19 en knoop 49 loost een gedeelte van het district 11 bij het aflaatwerk Reyersbroek. District 7 loost geheel op knoop 6. Met de lozing van district 8 op het netwerk wordt het Wilhelminakanaal van water voorzien. De mate waarin met DEMGEN de afvoer van dit district goed voorspeld kan worden is bepalend voor de resulterende afvoer over de Zuidwillemsvaart. District 7 lozing geheel op knoop 6 District 8 lozing geheel op knoop 19 District 11 lozing op knoop 48 (30%) en 7 (70%) 4) Om het feitelijk beheer op de Noordervaart beter te simuleren moet in de zomer een gewenst doorspoeldebiet van 1 m/s worden opgenomen voor de Noordervaart.

8 Gewenste debieten decade 13 tak 19 decade 28 tak m'/s 0.0 m'/s Behalve voornoemde wijzigingen zijn nog enige manco's uit de schematisatie gehaald : De inhoud van tak 21 is aangepast. Tak 53 is om modelmatige redenen later aan het model toegevoegd om de lozingen van de districten 3,5 en 6 z ichtbaar te maken. Tak 53 beslaat nu een gedeelte van de Maas. Oorspronkelijk was tak 21 bedoeld als gedeelte van de Maas. Daarom moet de inhoud van tak 21 verlaagd worden tot m', zijnde de geschatte inhoud van de op de Maas lozende beken en kanalen. De breedte van tak 9 is verlaagd tot 26 m. Voor dit vak stond abusievelijk een bree dte van 85 m vermeld. Met deze wijzigingen is de waterbeweging op de kanalen in zowel 1976 als 1988 opnieuw berekend. De resultaten van de berekening sloten beduidend beter aan bij de metingen. Verdere verbetering van het berekeningsresultaat bleek mogelijk door de volgende wijzigingen : 1) 2) 4) Gewenste debieten : decade 13 tak 19 decade 28 tak 19 maximum debiet tak 19 gewenst debiet tak 22 gewenst debiet tak m/s 0.0 nr/s 2.50 m7s 1.0 m'/s 2.5 mys (1976) (1988) (1976) aanpassing lozingssleutel voor knoop 2, overtollig water op deze knoop moet geheel geloosd worden op tak 16 (Kanaal Wessem-Nederweert) N02 dis L L Teneinde de afvoer over tak 14 goed weer te kunnen geven is de onttrekking ten behoeve van Belgie voor het jaar 1976 aangepast: dec. afvoer dec afvoer dec afvoer m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s m'/s

9 5) Teneinde de beperkte beschikbaarheid van Maaswater in 1976 te simuleren is het maximumdebiet in tak 15 via de newcardsfile in een aantal decades aangepast. Met deze wijziging kan ervoor gezorgd worden dat het gemaal Panheel op het juiste moment in- of uitgeschakeld wordt L15 maximumdebiet vanaf decade 10 : 5.00 m'/s II L15 II m'/s L15 II n m'/s II L15 " m'/s L15 II " 2 3 : 3.60 m'/s II L15 " 27 : 4.10 m'/s LI 5 it " m'/s II L15 " 30 : 3.60 m'/s II L15 " 3 2 : 5.00 m'/s II L15 " 3 3 : 4.80 m'/s 6) Teneinde de lozing van het spuiwerk Beek en Donk in 1988 te simuleren zijn gegevens gebruikt van het spuien in 1988 : Spuien bij Beek en Donk in m3/s dagnr decade gem * * *1: Afvoer district 4 volgens DEMGEN voor 1988 : *2: Berekende lozingsfractie district 4 op knoop 40 De op deze wijze gevonden lozingsfracties voor district 4 zijn in de newcardsfile van 1988 opgenomen. In bijlage 1 zijn de berekeningsresultaten voor calibratie (BRAB76 en BRAB88) en na calibratie (CAL76 en CAL88) vergeleken met de beschikbare gemeten waarden. 8

10 Hoofdstuk 3 : Kanttekeningen bij de berekende waterbeweging Het jaar 1976 geldt als een extreem droog jaar; 1988 geldt als een zeer nat jaar. In meer normale jaren zullen de verschillen tussen gemeten en berekende afvoeren over de verschillende takken kleiner zijn. In periodes met wateroverschotten moet bijzondere aandacht besteed worden aan de lozingen van de districten op het netwerk op knoop 40. Voorts moeten gewenste en maximum debieten opgelegd worden voor tak 2 (Borgharen), en tak 9 (Smeermaas). De onttrekking t.b.v. Belgie moet zo mogelijk bepaald worden uit de gemeten afvoer over tak 9 en tak 14. In periode met wateroverschot wordt tussen knoop 2 en 4 water geloosd tot een maximum van ca. 1 m'/s. (vergelijk tak 23 en tak 29 in de decades 3,4,8,9,21 en 27 t/m 36 in 1988, Bijlage 1 blad 4) Met deze lozing van districtswater wordt in het model geen rekening gehouden. Voor de waterkwaliteit heeft dit zeker gevolgen. Als bekend is van welk district dit water afkomstig is, kan de lozing van dit districtswater op dezelfde wijze als het spuien bij Beek en Donk in het model ingebracht worden. In periodes met watertekorten moet bijzondere aandacht besteed worden aan het maximumdebiet over tak 15. Met dit debiet wordt het in- en uitschakelen van gemaal Panheel geregeld. Voorts moeten gewenste en maximum debieten opgelegd worden voor tak 2 (Borgharen), tak 9 (Smeermaas) en tak 5 (Bunde). De onttrekking t.b.v. Belgie moet zo mogelijk bepaald worden uit de gemeten afvoer over tak 9 en tak 14. Het verschil tussen berekende en gemeten afvoer over tak 1 wordt veroorzaakt doordat de afvoer via sluis Ternaaien, de Voer, de Jeker en eventuele toestroming via het grondwater ontbreekt in de gemeten afvoer te Eijsden. (Bijlage 1 blad 1) Het verschil tussen de gemeten en berekende afvoer over tak 18 en tak 20 (bijlage 1, blad 3) aan het einde van 1976 is te wijten aan het verschil tussen theorie en feitelijk beheer. De door het model berekende waterbeweging is de gemiddelde waterbeweging over een decade. Daar waar sprake is van districtslozingen op het netwerk is het afvoerverloop veel grilliger dan met het model berekend wordt. Met name voor het aflaatwerk Beek en Donk geeft dit aanleiding tot verschillen. Waar in werkelijkheid sprake is van kortstondige lozingen met grote afvoeren (Hoofdstuk 2, Spuien bij Beek en Donk) berekend het model gelijkmatige afvoeren over de gehele decade, (bijlage 1, blad 5)

11 Voor de waterkwaliteit in de noordelijke tak van de Zuidwillemsvaart heeft dit in natte jaren zoals 1988 belangrijke conseguenties. Het districtswater heeft een andere chemische samenstelling dan het kanaalwater en bovendien wordt de gemiddelde verblijftijd van het water in het noordelijk deel van de Zuidwillemsvaart bekort. Een deel van de afvoer van de Dommel wordt niet via de Dieze (L37) afgevoerd maar via het niet gemodelleerde Drongelens kanaal. Dit verklaard de verschillen tussen gemeten en berekende waarde in de winterperiode (bijlage 1, blad 5) In 1976 was het aflaatwerk Reyersbroek van district 11 nog niet gerealiseerd, bijgevolg wordt in de natte periode van 1976 de afvoer in tak 43 door het model overschat. (bijlage 1, blad 7) De waterbeweging over tak 21 is niet correct gemodelleerd. Het districtswater van de districten 3, 5 en 6 komt tussen knoop 16 en knoop 51 geleidelijk op het netwerk, en niet zoals gemodelleerd op knoop 51. Daar het districtswater van deze districten niet benut kan worden voor district 4 is toch gekozen voor deze schematisatie. Voor de waterkwaliteit betekent dit dat deze in tak 21 door het model niet correct gesimuleerd kan worden. In het model wordt geen rekening gehouden met overstortend water uit de rioolstelsels van Helmond en Veghel. De hoeveelheid overstortend water is ten opzichte van het debiet over de kanalen te verwaarlozen. De stofvracht, die op de kanalen gebracht wordt, is in 1988 zeker niet verwaarloosbaar. In aanmerking nemend dat, verschillen in de berekende en gemeten afvoer voor district 8 leiden tot verschillen in afvoer over de Zuidwillemsvaart, is de overeenkomst tussen de gemeten en berekende waarden voor zowel 1976 als 1988 goed. 10

12 Hoofdstuk 4: Conclusies Met het geintegreerde waterkwantiteits- en kwaliteitsmodel ARIADNE-DEMGEN-DELWAQ is het mogelijk gebleken om de waterbeweging op de Brabantse en Limburgse kanalen goed te beschrijven. Resterende verschillen tussen gemeten en berekende afvoeren zijn een gevolg van : Feitelijk beheer op de Noordervaart Districtslozingen tussen knoop 2 en knoop 4 Variabiliteit van de omvang van districtslozingen binnen een decade Verschillen tussen de berekende afvoer en de werkelijke afvoer van district 8 via Blaarthem en het Beatrixkanaal op het Wilhelminakanaal. In meer normale jaren mag verwacht worden dat de resterende verschillen tussen berekende en gemeten afvoeren nog kleiner zullen zijn dan de gevonden verschillen voor de jaren 1976 en

13 Literatuur [1] Operationalisering ARIADNE/DEMGEN voor Noord-Brabant, Waterloopkundig Laboratorium, T 314, november 1987 [2] Rapportage Policy Analysis of Water Management for the Netherlands, volume XI [3] Rapportage Policy Analysis of Water Management for the Netherlands, volume XII [4] Operationalisering ARIADNE/DELWAQ voor de Limburgse en Brabantse kanalen, Waterloopkundig Laboratorium, T 440, mei 1990 [5] Instrumentarium beleidsanalyse waterhuishouding PAWN. De Waterkwaliteitsprocesformuleringen, Waterloopkundig Laboratorium, T 568, maart 1990, Documentatie deel Illb. [6] Instrumentarium beleidsanalyse waterhuishouding PAWN. Het stofstromenmodel, Waterloopkundig Laboratorium, T 568, maart 1990, Documentatie deel Ilia. 12

14 Bijlage 1 : Vergelijk berekende en gemeten debieten voor 1976 en 1988 LEGENDA : Voor calibratie : BRAB76 en BRAB88 : o o Na calibratie : CAL76 en CAL88 Metingen Namen s traject traject traject traject traject traject traject traject traject Dieze Eij sden-borgharen Borgharen-Stevensweert Zuidwillemsvaart-Smeermaas Loozen-sluis 16 Noordervaart Katsberg sluis 13-sluis 12 sluis 7-Wilhelminakanaal Wilhelminakanaal-sluis 6 Wilhelminakanaal Wilhelminakanaal Wilhelminakanaal Gemaal Panheel van Beatrixkanaal tot sluis IV van sluis IV tot sluis III sluis I 13

15 Bijiaoe 1 Blad 1 CJUbrmV ARIADNE-DEMGEN I._ OJ - co 8 S/EUJ ui jeoajv s/eui ui jeoajv CM _ N 0> s/c-i ui jeoajv < CM «- 8/ ui ui jeoa^y

16 8ifag- 1 blad 2 Calibrate ARIADNE-DEMGEN I - i co CO s/euj ui J»OAJV co s ui <0 ui N ui Ul Ul Ul 0 N CM. Ul» * S/EUJ Ul J»OAJV Ul N rt Ul N A -» -r _-. * ""*- - \ r**^ + /_<^> _^* * - 9, go _E> ^-<^SJ~ t "** - *v> 2^* 8 T 1. CO cn ^^v^. CM OJ - at* * ' >* i i i i i i C O N i O U l ^ O l C M " - S/ UJ Ul J*OAjv _ - 01 Ul 9 - > +. i. i.. i. i. i. Ul Ul Ul Ul Ul N ^ N <N N Ul Ul * f ri S/ UJ U) J»OAJV Ul a i >

17 Bijiaoa 1 blad 3 CaltSratia AfllADNE-DEMGEN il s/cui ui JOOA^V co 8 _ N 01 _ S/CUI Ul J90A)V s/eui ui J»OAIV

18 Bijlage 1 blad 4 Calfcrati* ARIAOME-DEMGEN m CM _ co co 01 ui 8 ui 8 T *' ri ri o ui 8 ui a?? 3 8 o u i q u i 8 u i 8 u i q u i 8 -' t' ri ri oi oi *-" ' d ci s/e_i u. J_OA,V S/ UI Ul JWOA^V n CM 01 U i Q u i q u i o u i O u l C ; * * ri ri oi oi «*-' o O s/eui ui JOOA;V

19 Bijlaga 1 blad 3 Calibrate AHIADNE-DEMGEN 8 fc CO 8 U I 8 U I 8 U I 8 U I Q U ) 8 t ' ^ ' o i r t o J C M ' - o o S/ UI Ul J»OAJV s/eui ui jeoajv ii _ */ UI Uj J»OAJV

20 Bijlage 1 blad 6 Calibratie ARIADNE-DEMGEN s <S- * rx I co O - -j^y ""* ~P>, Jje~_* -J 5! *. H _ co co Oi Ul CM 8 j 1 1 Ul O Ul s/ ui ui jeoajv 8 S/EUI ui jeoajv

21 Bijlage 1 blad 7 Calibratie ARIADNE-DEMGEN? s/eui ui J*OAJV I T 7* ' ^ rtrr^^ i "" -L.,^ 4 jfj CM + ^o. + <y< J '4 * i J CM + ^ -A 01 _ 01 8/ UJ Ul J*OAJV Ul Ul Ul 5l Ul 8 CM CM o? I I s/irui ui jaoaiv

22 Figuur 1