Hoogheemraadschap van Delfland, Waterkader Haaglanden

Transcriptie

1 Hoogheemraadschap van Delfland, Waterkader Haaglanden

2

3 Hoogheemraadschap van Delfland, Waterkader Haaglanden Gemeenlandshuis Delft Postbus DB Delft Deltares TU-Delft Nelen & Schuurmans Postbus BE Utrecht Tel Project: Verkenning 3Di - Waterbeheer integraal interactief informatiesysteem voor waterbeheer Projectgegevens: Dossier : K0011 Datum : Niets uit deze rapportage mag worden verveelvoudigd of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook zonder voorafgaande toestemming van de opdrachtgever. Noch mag het zonder dergelijke toestemming worden gebruikt voor enig ander werk dan waarvoor het is vervaardigd.

4 Samenvatting Deze verkenning draagt de naam 3Di-waterbeheer. De i staat voor een integraal en interactief informatiesysteem, gebruik makend van de nieuwste technieken. 3D staat voor driedimensionaal visualiseren van informatie, een nieuwe visualiatie techniek om de informatie beter te communiceren met burgers en bestuurders. Deze verkenning is uitgevoerd voor het Hoogheemraadschap van Delfland met ondersteuning van waterkader Haaglanden. De bevindingen, in de vorm van onderzoeksvragen en een ontwikkeltraject, zijn breed toepasbaar voor regionaal en stedelijke waterbeheer. Aanleiding De drie kerntaken van de waterbeheerder zijn de zorg voor waterkering, waterbeheer en waterkwaliteit. Deze taken worden steeds meer 'met een brede kijk' uitgevoerd, rekening houdend met alle technische, organisatorische, communicatie en financiële aspecten. Om invulling te geven aan de waterbeheer taken worden infrastructurele maatregelen en beheersmaatregelen genomen en wordt de informatievoorziening verbeterd. De investeringen in de infrastructuur en informatiesystemen kunnen niet los van elkaar worden gezien. De infrastructurele maatregelen zijn immers ontworpen op basis van informatiesystemen (veelal simulatiemodellen) en ook voor het optimaal beheer en gebruik van de infrastructuur zijn betrouwbare informatiesystemen nodig. Geconstateerd wordt dat de informatievoorziening aanmerkelijk kan worden verbeterd en dat de kosten die hiermee zijn gemoeid gering zijn ten opzichte van de kosten van de infrastructuur. Resultaten Verkenning Een consortium van drie partijen (TU-Delft, Deltares en Nelen & Schuurmans) heeft een verkenning uitgevoerd naar de mogelijkheden en de toepassingen van een geavanceerd integraal interactief informatiesysteem voor het waterbeheer (3Di-waterbeheer). Tegelijkertijd is binnen Delfland een intern onderzoek uitgevoerd naar de eisen en wensen ten aanzien van een nieuw informatiesysteem. Het beoogde informatiesysteem bevat een aantal noviteiten. Deze zijn: Het informatiesysteem is gebaseerd op internet en cloud computing, waarbij beschikbare standaardcomponenten worden gebruikt; Het informatiesysteem bevat meetinformatie en modelinformatie van zowel de actuele toestand alsook de historische en verwachte toestand van het watersysteem; Het informatiesysteem maakt gebruik van één hydrologisch-hydraulisch basismodel waarmee overstromingen, wateroverlast en droogte worden berekend; Het achterliggende model, waarmee overstromingen en wateroverlast worden berekend, is een factor 100 sneller dan de gangbare modellen. Hierdoor kan sneller of gedetailleerder worden gerekend. De presentatie- en visualisatie-aspecten maken gebruik van nieuwe mogelijkheden, zoals 3D-visualisatie om de informatiekloof tussen specialisten, burgers en bestuurders te overbruggen. Het verbeterde informatiesysteem kan worden gebruikt voor het beter dimensioneren van maatregelen, voor een beter calamiteitenbeheer en voor een betere real time besturing van de gemalen, stuwen en overige kunstwerken. ii

5 Voor de ontwikkeling en invoering van het informatiesysteem wordt een stapsgewijze benadering voorgesteld. Daarbij worden in korte trajecten nieuwe functionaliteiten ontwikkeld en geïnstalleerd voor gebruik. Vervolgens wordt, mede op basis van gebruikerswensen, nieuwe functionaliteiten ontwikkeld. De ontwikkelingen vinden plaats vanuit wetenschappelijke en functionele motieven. Beoogde resultaat Om de ideeën en wensen in te vullen is een ontwikkeltraject van vier jaar voorzien. Elk jaar wordt afgesloten met concrete eindprodukten, die in het daarop volgende jaar verder worden ontwikkeld topt het gewenste eindprodukt. De beoogde resultaten in het eerst jaar zijn: Een webinterface (internet) voor de visualisatie van meet- en modelinformatie op basis van kaarten, tabellen en grafieken; Een centrale database met historische en realtime meetdata van oppervlaktewater en meteorologische data; Een database met de sobek modelscenario's voor neerslag en overstromingen; Een interactieve link met neerslag-afvoer en overstromingsmodellen voor het analyseren en voorspellen van overstromingen, neerslag en droogte; Een versnelde rekenkern voor hydrologische en hydraulische modellen. Meer specifiek, minimaal een halvering van de rekentijden; Een werkend prototype van een neerslag-afvoermodel op basis van terreinmodel in plaats van het huidige bakjes-model ; Visualisatie van de berekende inundaties op basis van 3D-visualisatie; Een casestudie van een detail overstromingsmodel dat kan worden gebruikt voor een calamiteiten oefening; Een casestudie van een detail neerslag-afvoermodel op basis van een terrein model; Deze tussenproducten worden in de daaropvolgende drie jaren uitgebouwd tot het beoogde integrale informatiesysteem waarin gedetailleerd, integraal en snel rekenen wordt gecombineerd met real-time metingen en 3D-visualisatie. iii

6 Inhoudsopgave Samenvatting ii Inhoudsopgave iv 1 Inleiding Aanleiding Doel Consortium Leeswijzer 2 2 Beoogde informatiesysteem Informatie raamwerk Algemeen Internetportaal Databases Modellen achter het informatiesysteem Detail modelleren Visualisatie wateroverlast en overstromingen BOS, of real time control systemen Schade van wateroverlast Meldingen en klachten Managementinformatie 14 3 Gedetailleerd en snel rekenen Noodzaak van detail berekeningen Numerieke benadering Hardware benadering 17 4 Integraal modelleren Algemeen Nut en noodzaak voor integraal modelleren Interactie van fysische processen Verbetering van het neerslag-afvoermodel Beheer en onderhoud van één model Internationaal het eerste integrale model Uitdagingen voor integraal modelleren Integraal modelleren en het bepalen van schade 22 5 Visualisatie modelresultaten D-visualisatie 24 Verkenning 3Di - Waterbeheer Mogelijkheden 3D visualisatie Uitvoering Toepassingsmogelijkheden Voorbeeld 3D-visualisatie Andere visualisatie technieken Touch table PDA 27 iv

7 D printing 28 6 Casestudie gedetailleerd modelleren Studie gebied Beschrijving overstromingsmodel Resultaten waterdiepte en waterniveau Schade Analyse rekentijden Conclusie 34 7 Meerwaarde en risico's Meerwaarde Doelmatiger Kwantificering Risico's ICT risico's Risico grensverleggend onderzoek Risico gebruikersacceptatie Risico organisatie project 37 8 Procesplan Aanpak op hoofdlijnen Resultaten eerste fase Basisproduct Uitbreidingen Overzicht deelproducten per jaar Werkzaamheden eerste jaar Informatieraamwerk Rekenkern Visualisatie Toepassingen Projectorganisatie Algemene opzet Benodigde inzet van Delfland Kosten en financiering Projectkosten Beheer en onderhoudskosten Financiering 44 Literatuurlijst 46 I Informatieplan Delfland 47 II Bijlage Numerieke versnelling 48 III Bijlage casestudie toetslocaties 56 IV Bijlage waterdieptes en waterhoogtes voor toetslocaties 57 V Bijlage casestudie Waterdieptes en waterhoogte per toetslocatie 58 VI Bijlage casestudie overstroming toetslocaties 59 VII Bijlage casestudie Waterdieptes na 36 uur 60 VIII Bijlage visualisatie 3D-printing 61 IX Bijlage Strategisch Informatieplan Delfland 62 v

8 vi

9 1 Inleiding 1.1 Aanleiding 1.2 Doel Beleidsplannen, inrichtingsplannen, het dagelijks operationeel beheer en calamiteitenplannen zijn voor een belangrijk deel gebaseerd op informatie afkomstig van meetdata en modelsimulaties. Het verwerken van (actuele) informatie krijgt daarom een steeds prominentere rol in het waterbeheer. De informatie moet nauwkeurig en gedetailleerd zijn om adequate besluiten en om ontwerpen op maat te maken. Onnauwkeurigheden in de informatie worden veelal vertaald in een veiligheidsmarge in het ontwerp of bij besluiten voor bijvoorbeeld een evacuatie. Deze veiligheidsmarge kan worden opgevat als een kostbare overdimensionering van bijvoorbeeld waterberging en (boezem)kaden. De informatie wordt ook gebruikt bij de besluitvorming rond calamiteiten, zoals overstromingen of extreme neerslag. Relevante vragen die dan spelen zijn: waar moeten de noodpompen worden ingezet, welke gebieden moeten wanneer worden geëvacueerd, en welke afsluitlocaties moeten worden gesloten? Het informatiesysteem moet ervoor zorgen dat de juiste informatie direct beschikbaar is Er is daarom behoefte aan een informatiesysteem waarmee niet alleen specialisten, maar ook de verantwoordelijke besluitvormers (bestuurders) overweg kunnen. De informatie die thans wordt gebruikt is (nog) niet goed genoeg, of beter gezegd kan beter. Het is mogelijk om het detailniveau en de nauwkeurigheid van de informatie aanmerkelijk te verbeteren, door gebruik te maken van veel gedetailleerdere terreindata. Voor Nederland is (of komt binnenkort) een nieuwe digitale hoogtekaart (AHN2) beschikbaar. Hiermee kunnen (in principe) detail neerslag-afvoer- en overstromingsmodellen worden gemaakt en data in 3D worden gevisualiseerd. Deze verkenning is uitgevoerd voor Waterkader Haaglanden, een samenwerkingsverband tussen het Stadsgewest Haaglanden en de negen Haaglanden-gemeenten, het Hoogheemraadschap van Delfland en de provincie Zuid-Holland. Binnen Waterkader Haaglanden wordt kennis opgebouwd en worden innovaties ontwikkeld voor een duurzaam en beheersbaar watersysteem. In dit onderzoek is een verkenning uitgevoerd naar de mogelijkheden van een compleet informatiesysteem voor het waterbeheer. Het streven daarbij is snellere en betere informatie dat doelmatig wordt gebruikt. Het hart van het informatiesysteem wordt gevormd door gedetailleerde, geïntegreerd en versnelde rekenmodellen van het (afval) watersysteem. Voor de communicatie en overdracht van de detailinformatie is een 3D-visualisatie voorzien. Het doel van deze verkenning was om inzicht te krijgen in de technische mogelijkheden, de organisatorische en financiele consequenties en tenslotte de meerwaarde van een dergelijk informatiesysteem voor de gebruikers. Daarnaast is een plan van aanpak opgesteld voor een meerjarig onderzoeksproject om het informatiesysteem stapsgewijs te realiseren. Op basis hiervan kan een besluit worden genomen over de daadwerkelijke uitvoering van het project 3Di-waterbeheer. 1

10 1.3 Consortium Deze verkenning is uitgevoerd door een consortium met daarin drie partijen: TU Delft, Faculteit Civiele Techniek, vakgroep vloeistofmechanica; TU-Delft, Faculteit Wiskunde, vakgroep Virtual Reality; Deltares; Nelen & Schuurmans BV. De TU-Delft is betrokken vanwege de benodigde wetenschappelijke innovaties op het gebied van snel rekenen en de 3D-visualisatie. Het belang van de TU-Delft is om onderzoek uit te voeren dat leidt tot wetenschappelijke publicaties en (twee) doctoraal promoties. Deltares is wereldwijd bekend als technologisch instituut en leverancier van software systemen voor het waterbeheer. De resultaten van dit onderzoek worden gebruikt om de vooraanstaande positie in binnen en buitenland verder te versterken. Nelen & Schuurmans is een innovatief adviesbureau op het gebied van waterbeheer. De bijdrage van Nelen & Schuurmans is vooral gericht op de presentatie en het gebruik van de informatie voor ontwerp en calamiteiten. De studie is begeleid door ir. Rob Ammerlaan (Delfland), dhr. Albert van Bergen (Delfland) en Carl Pauwe (Waterkader Haaglanden). Aan deze studie hebben de volgende personen meegewerkt: prof. dr. ir. Guus Stelling (TU-Delft); dr. ir. Frits Post (TU-Delft); dr. ir. Gerwin de Haan (TU-Delft); dr. ir. Elgard van Leeuwen (Deltares); ir. Erik Ruijgh (Deltares); dr. ir. Olivier Hoes (Nelen & Schuurmans/TU-Delft); ir. Jan Maarten Verbree (Nelen & Schuurmans); mevr. Olga Pleumaker (Nelen & Schuurmans/TU-Delft); dr. ir. Wytze. Schuurmans(Nelen & Schuurmans). 1.4 Leeswijzer Dit rapport is met uitzondering van een aantal bijlagen in het Nederlands geschreven. Het rapport is geschreven voor mensen bekend met de watersector. Het rapport is geen wetenschappelijke publicatie, maar het presenteert wel de voorgestelde wetenschappelijke innovaties op het gebied van ICT, numerieke wiskunde, toegepaste wiskunde en virtual reality. 2

11 2 Beoogde informatiesysteem In dit hoofdstuk is uiteengezet hoe het informatiesysteem ingevuld kan worden met bestaande en nieuwe componenten. De specifieke situatie in Delfland is vergelijkbaar met de situatie bij veel andere waterbeheerders. Er wordt immers in veel waterschappen, binnen gemeenten, provincies en Rijkswaterstaat met gelijksoortige data en systemen gewerkt. 2.1 Informatie raamwerk Algemeen Het beoogde informatiesysteem zal de vorm krijgen van een, zogenaamd, internetportaal. Gezien de grote diversiteit aan verschillende databronnen (verschillende modellen, verschillende metingen) is de uitdaging al deze data op de juiste manier toegankelijk te maken voor wie dit nodig heeft. Het internetportaal is hierbij een krachtig middel aangezien dit voor iedereen toegankelijk is. Afhankelijk van de toegekende rechten van een gebruiker wordt bepaald welke informatie zichtbaar is of gewijzigd mag worden. Het portaal is voor de gebruiker de basis van waaruit informatie toegankelijk wordt. De onderliggende databronnen worden centraal beheerd en up-to-date gehouden. Naast een centrale database voor de meetinformatie is er een database voor de modelinformatie. Zo ontstaat een datamodel dat ervoor zorgt dat de simulatiemodellen altijd bestaan uit de nieuwste brondata en dat de doorgerekende scenario's altijd met de laatste modellen zijn gemaakt. De onderstaande figuren laten schematisch de structuur van het beoogde raamwerk zien. Elk onderdeel wordt kort toegelicht. 3

12 Het beoogde Informatie systeem is gebaseerd op het principe van Cloud Computing. Daarbij wordt een groot deel van de rekenservers extern gehost en zeer efficiënt gebruikt. Dit principe staat ook wel bekend als SaaS (Software as a Service). Onder de 'motorkap' van het Informatie Raamwerk ligt een complex netwerk van servers met databases en modellen. Hierbij moet worden gedacht aan de rekenmodellen en regiesystemen die de datastromen tussen de rekenservers onderling en de gebruikers afhandelen. De motor van het informatiesysteem is dus niet direct zichtbaar voor de meeste gebruikers, maar wel voor de applicatiebeheerders en specialisten Internetportaal Via internet is het informatiesysteem voor iedereen (inclusief burgers) toegankelijk. Door gebruik te maken van een inlogfunctie kunnen de informatie en de rechten worden beheerd per type gebruiker of per individuele gebruiker. Via een geografisch georiënteerde interface kan de gebruiker het volgende zien: real time meetdata van neerslag, polders, boezem, grondwater, kwaliteit, riolering en zuiveringen; voorspelde data van waterstanden in polders, boezem, buitenwater, grondwater; model resultaten van overstromingsmodellen, polder-boezemmodellen, rioleringsmodellen, kwaliteitsmodellen, grondwatermodellen; de vertaling van de waterinformatie naar de gevolgen zoals schade, slachtoffers, kwetsbare objecten; Daarnaast kan de gebruiker de volgende acties uitvoeren: nieuwe simulaties maken voor scenario's, zoals een extreme(re) bui, de inzet van noodgemalen, viaducten, evacuaties van bepaalde gebieden; interactief simuleren, waarbij de gebruiker gedurende het overstromingsproces noodmaatregelen kan nemen en direct de gevolgen ziet. 4

13 2.1.3 Databases Binnen het informatiesysteem worden er verschillende soorten databases gebruikt. Er wordt een onderscheidt gemaakt tussen brondata en de hieruit afgeleide data. De brondata wordt los van het informatiesysteem beheerd. De beheerder kan zijn het waterschap (watersysteem), de gemeente (riolering), maar ook externe, zoals de bronbestanden LGN, AHN, GBKN en Top10. Voor het waterschap zijn de belangrijkste brondata opgeslagen in INTWIS en de beoogde opvolger IRIS. Het Integraal Resultaatgericht Informatie Systeem (IRIS) is een gezamenlijk geografisch informatiesysteem van de waterschappen en ondersteunt bijna alle primaire processen van het waterschap. Deze database bevat onder meer de peilgebiedgrenzen, de watergangen en de kunstwerken. De meetdata wordt opgeslagen in diverse meetdatasystemen. Belangrijke meetdatasystemen van Delfland zijn: ABB (voor de boezemgemalen en zuiveringen), TMX en zijn opvolger VBS (voor waterstanden en poldergemalen), Dino (grondwater) en EcoLims (waterkwaliteit). Belangrijke externe databronnen waarvan gebruik wordt gemaakt zijn de LGN, de GBKN en het AHN. De Landelijk Grondgebruiksbestand Nederland (LGN) is een landsdekkend bestand gebaseerd op een combinatie van geodata waarbij satellietgegevens een belangrijke informatie bron zijn. Het Landelijk Grondgebruiksbestand Nederland geeft het landgebruik voor 39 klassen weer. Sinds 1986 wordt het bestand met een frequentie van eens per 3-5 jaar gemaakt. De Grootschalige Basiskaart Nederland (GBKN) is een gedetailleerde topografische kaart. Op deze kaart staan onder andere gebouwen, wegen, bruggen, spoorlijnen, waterlopen, dijken en hoogspanningsmasten aangegeven. Het Actueel Hoogtebestand Nederland (AHN) is een soort digitale hoogtekaart. Met het AHN-2 werd in 2008 begonnen met de vijfjaarlijkse cyclus, waarin geheel Nederland moet worden ingewonnen. Op dit moment is het AHN-2 voor ongeveer een derde van Nederland, waaronder Delfland beschikbaar. De AHN-2 is zo n 10 tot 100 maal gedetailleerder dan het AHN-1. De brondata van de AHN-2 is een bestand met de originele laserpunten met x,y,z coördinaten en een kleurcode. Dit bronbestand schept enorme mogelijkheden voor visualisatie, omdat bijvoorbeeld terrein en bebouwing gedetailleerd zijn te reconstrueren. Veel programmatuur kan echter moeilijk overweg met onregelmatig liggende punten en bovendien betreft het extreem veel data. 5

14 Figuur 2.3: Het centrum van Delft gebaseerd op (bewerkte) AHN-2 gegevens De database van het beoogde informatiesysteem heeft een koppeling met de voorgenoemde databronnen en bevat: de relevante geografische informatie voor presentatie; alle real time en historische meetdata; alle modelschematisaties en de resultaten van de modelscenario's Modellen achter het informatiesysteem In Delfland worden verschillende modellen gebruikt voor de analyse van water vraagstukken. Veel gebruikte modellen zijn: Polder modellen voor het neerslag afvoer proces en de hydraulica in de polderwatergangen (Sobek-rr en Sobek rr-cf); Polderboezemodel voor het neerslag afvoer proces en de hydraulica in de boezemwatergangen (Sobek rr-cf en pilot studie met Turtle); Waterkwaliteitsmodel van de boezem (Sboek wq); Overstromingsmodellen van polders voor boezemkaden breuken (Sobek 1d 2d, opgezet met Turtle); Overstromingsmodel van het beheersgebied voor een doorbraak van het buitenwater (Sobek 2d); Modellen van gemeentelijke rioolstelsels en de afvalwaterkeringen; Dijksterkte modellen voor de berekening van de stabiliteit van de dijk (M-stab); Grondwatermodel voor de berekening van het diepe grondwater (imod); 6

15 relevante modelresultaten te beheren. Daaronder vallen dus ook de dijk(stabiliteits)modellen (Mstab), de grondwatermodellen (Modflow) en de waterkwaliteitsmodellen (Sobek WQ). Deze verkenning beperkt zich in eerste instantie tot modellen relevant voor wateroverlast: 1. Neerslag-afvoer en hydraulische modellen die zijn gebouwd in Sobek met de rekenmodules RR (rainfall runoff) -1d (1 dimensionale stroming). Hiermee wordt de NBW opgave bepaald en de stedelijke wateropgave. 2. Rioleringsmodellen van gemeenten en afvalwaterketen (Water op straat en overstortingen) (Sobek urban); 3. Overstromingsmodellen (1d/2d stroming). Met de deze modellen worden de gevolgen van overstromingen berekend. Het beoogde informatieraamwerk bevat de volgende innovaties met betrekking to de modellen: Beheer van modelschematisaties: Modelschematisaties worden op een centrale plaats beheerd; Modelschematisaties worden (automatisch) geüpdatet bij de oplevering van nieuwe (verbeterde) brondata (Turtle); Beheer van modelresultaten: Modelscenario's worden automatisch geüpdatet bij de oplevering van een verbeterd model (batch mode scenario berekeningen) of gewijzigde inzichten (nieuwe klimaatscenario's); Per modelscenario wordt de metadata automatisch aangemaakt en bij het scenario bewaard; De oude en de nieuwe modelresultaten worden centraal beheerd; De gebruiker kan via internet zelf nieuwe scenario's doorrekenen; Actueel inzicht in de toestand van het watersysteem door nowcasting en forecasting. De modellen worden elke 15 minuten gevoed en met real time meetdata van neerslagradar, gemeten waterstanden en kunstwerken ingezet. 7

16 2.1.5 Detail modelleren Het beoogde informatiesysteem is een middel om het doel van deze studie te bereiken: snellere en betere informatie dat doelmatig wordt gebruikt. Betere informatie wordt voor een belangrijk deel bereikt door gedetailleerdere modellen te gaan gebruiken. Het gebruik van meer gedetailleerde modellen is thans praktisch niet mogelijk, omdat de rekentijden dan te lang worden. Een versnelling met een factor 100 is daarom noodzakelijk om een orde groter detail en nauwkeurigheid te verkrijgen. De aanpak om deze versnelling te bereiken wordt in hoofdstuk 3 besproken, een case studie voor gedetailleerd modelleren staat in hoofdstuk 6. Afhankelijk van de mate van detail zal de rekenduur ook korter worden, bijvoorbeeld ten behoeve van snelle besluitvorming tijdens calamiteiten. Voor detailmodellen is detaildata nodig. Deze detaildata heeft met name betrekking op het terrein model. Met de komst van de nieuwe hoogtekaart is deze ruimschoots beschikbaar om de gedetailleerde modelschematisaties op te zetten. Dat laat onverlet dat het nodig is om in te zetten op actuele data van de dwarsprofielen van de watergangen en de afmetingen van kunstwerken, zoals beheerd in INTWIS. De detail gegevens van de riolering, zoals de ligging en de afmetingen van de putten en leidingen is bij de gemeente beschikbaar. Voor het opzetten en het beheren van de detail modelschematisaties is een apart model nodig, te weten Turtle. Dit GIS-georiënteerde open-sourcemodel (om een modelschematisatie) te maken wordt al gebruikt door Delfland en door veel andere waterschappen en adviesbureau's Visualisatie wateroverlast en overstromingen De resultaten van de overstromingsmodellen worden op dit moment gevisualiseerd in grafieken, tabellen en op kaarten. Figuur 2.5: Impressie van de visualisatie in 2D van water op straat. In de kaartvisualisatie wordt de overstroming of de inundatie als beeld of animatie weergeven. In het beoogde informatiesysteem worden ook andere modelresultaten, zoals grondwaterstanden, schade, stroomsnelheden, waterkwaliteitsparameters, slachtoffers, op deze uniforme wijze via een internet interface weergegeven. De internet interface is als enige tijd operationeel en bevat op nationaal niveau vrijwel alle overstromingsscenario's (ca stuks). 8

17 Het gebruik van 3d-visualisatie is niet alleen 'leuk', maar uitermate functioneel voor zowel de specialisten, de gewone burger en bestuurders. Specialisten kunnen in de 3d-omgeving de modelresultaten beter toetsen doordat onregelmatigheden beter opvallen. Medische specialisten gebruiken daarom ook 3dvisualisatie om een betere diagnose te kunnen stellen. De kalibratie op gebiedskennis en praktijkervaring is voor uitzonderlijke scenario's, zoals overstromingen van wezenlijk belang. De derde dimensie kan ook worden gebruikt om andere informatie dan de diepte te tonen. Daarbij kan worden gedacht aan informatie over de rekensnelheid, de balansfout, schade, slachtoffers en gevaarlijke plekken; 9

18 Voor burgers is de 3d-visualisatie is bij uitstek geschikt voor presentatie in een voorlichtingstraject of als verfraaiing van een informatieve publicatie. Op een gebiedsavond of bewonersbijeenkomst kan op realistische wijze worden getoond welke ruimtelijke impact de voorgenomen maatregelen hebben en welk effect ze sorteren op de wateroverlast; Bestuurders zijn verantwoordelijk voor calamiteitenmaatregelen. Voor calamiteitenoefeningen biedt de 3d-visualisatie een geschikt platform om een realistisch beeld te krijgen van de omvang van de calamiteit. Daarnaast kan ook het effect van een (voorgenomen) maatregel worden getoond. Vooral in combinatie met interactieve simulatie ontstaat op deze wijze een realistische vorm van 'serious gaming'. De visualisatie op zowel kaart (2d) als 3d kan naast elkaar en door elkaar worden gebruikt. De hardware voor 3d-visualisatie is sinds kort beschikbaar en betaalbaar in de vorm van beamers en schermen. De kosten van een 3d-scherm zijn thans circa 5000 euro en die van een 3d-beamer euro. Figuur 2.8: 3d-beamers en schermen zijn commercieel verkrijgbaar BOS, of real time control systemen De betere informatie uit het informatie systeem kan voor veel toepassingen worden gebruikt zoals, beleidsontwikkeling, planvorming (ontwerpen van maatregelen), toetsing en het calamiteitenbeheer. Het Informatie Raamwerk kan echter ook worden gebruikt voor bedrijfsprocessen die kunnen worden gestuurd zijn het boezembeheer, het polderbeheer, 10

19 het rioolbeheer en het zuiveringenbeheer. (Binnen Delfland wordt voor het boezemsysteem en de binnenstad van Delft al een BOS systeem gebruikt). Door het informatiesysteem met RTC te combineren kan voor de sturing van kunstwerken alle beschikbare informatie op het gebied van actuele en voorspelde neerslag, waterstanden en vuilemissies gebruikt worden. De regelaar kan deze informatie gebruiken om het integrale watersysteem bestaande uit polder, boezem en afvalwaterketen optimale te sturen. In het kader van een Senter Novem project wordt een dergelijk BOS reeds ontwikkeld voor de waterschappen Hollands Noorderkwartier en Hollandse Delta en een aantal gemeenten. Dit project wordt uitgevoerd door hetzelfde consortium (TU-Delft, Deltares en Nelen & Schuurmans). Het BOS is onafhankelijk van het SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition)-systeem dat wordt gebruikt en kan daardoor voor meerdere SCADA-systemen worden toegepast. Dit nieuwe BOS-systeem is feitelijk een upgrade van de huidige BOSsystemen van Defland (BOS-Boezem en BOS-binnenstand) en kan worden toegepast voor BOS-polders en de optimalisatie van de afvalwaterketens OAS). Figuur 2.10: Een schematisch overzicht van communicatiestromen in het generieke BOS systeem. De kunstwerken in riool, oppervlaktewater en zuiveringen geven via een PLC hun metingen door aan een SCADA systeem en deze zijn verbonden met het informatiesysteem (zwarte pijl). Gecombineerd met andere informatie zoals modellen en radarbeelden dienen deze metingen als input voor het bepalen van een optimale sturing door de generieke RTC-module. De sturing wordt vervolgens doorgegeven aan de SCADA en PLC's (Programmable Logic Controlers) van de kunstwerken (rode pijl) Schade van wateroverlast De omvang van de wateroverlast wordt met hydrologische en hydraulische modellen berekend. De gevolgen van de wateroverlast worden ingeschat door de gebruiker, maar kunnen ook worden berekend met een schademodel. Een dergelijk model kan niet alleen de schade bepalen, maar ook het aantal slachtoffers berekenen en attenderen op kwetsbare objecten, zoals commando centra, ziekenhuizen, scholen en distributiecentra voor energie. Voor overstromingen is een landelijk schade- en slachtoffermodel ontwikkeld. De schadeen slachtoffermodule berekent op basis van de waterdiepte, stijgsnelheid en 11

20 stroomsnelheid het aantal slachtoffers en de economische schade. Deze schade- en slachtofferberekening wordt automatisch uitgevoerd in Lizard-flooding en is via internet beschikbaar. De schade- en slachtofferberekening kan veel nauwkeuriger door gebruik te maken van betere basisbestanden. Door van een gedetailleerd model gebruik te maken (i.p.v. grids van 1 hectare in het huidige model) kan de nauwkeurigheid worden verhoogd. Door gebruik te maken van nieuwe diensten kan bovendien het aantal slachtoffers als functie van de dag en het tijdstip worden bepaald. Op bedrijventerreinen en scholen zijn bijvoorbeeld in het weekend en 's nachts weinig mensen. Sinds kort bestaat de mogelijkheid om het effect van preventieve evacuatie in te voeren. Het aantal slachtoffers is op die manier nauwkeuriger te voorspellen. Figuur 2.11: De financiële schade bij een overstroming gepresenteerd in Lizard-flooding. De schade door wateroverlast als gevolg van hevige neerslag in polders en steden is het gevolg van hoge grondwaterstanden, water op straat door te krappe riolen en door hoge sloot- en kanaalwaterstanden. Omdat de inundatiediepte veelal beperkt is tot decimeters, is er geen reëel gevaar voor slachtoffers. Voor dit type wateroverlast zijn ook schademodules ontwikkeld en deze worden door een aantal waterschappen toegepast, maar (nog) niet door Delfland. Voorgesteld wordt om, in lijn met de overstromingsberekening, de schadeberekening automatisch uit te voeren voor wateroverlast. Daarmee wordt inzicht verkregen in het financiële effect van klimaatscenario's, scenario's voor ruimtelijke ordening en verbetermaatregelen, zoals extra waterberging of een aanpassing in de riolering. Door deze onderling te vergelijken wordt het ook mogelijk om een kosten-batenanalyse uit te voeren van voorgestelde maatregelen. 12

21 neerslag risico-analyse kans op hoge waterstanden kosten-baten analyse analyse watersysteem schade door wateroverlast risico baten ruimtelijke ordening kosten-baten verhouding maatregelpakket kosten overige argumenten en overwegingen Figuur 2.12: Een risicoanalyse combineert de schade berekening met een kans van optreden en maakt het mogelijk om een kosten-batenanalyse uit te voeren van maatregelen. Figuur 2.13: Een weergave van schade per hectare per jaar (=risico) door wateroverlast Meldingen en klachten Het beoogde informatiesysteem kan worden uitgebreid met een meldingensysteem. Daarbij kunnen meldingen en klachten via het internetportaal worden ingevoerd door burgers, derden of medewerkers van Delfland. De meldingen worden ingevoerd door een locatie op de kaart aan te klikken (of automatisch op basis van de GPS-positie van de melder bij gebruik van bijvoorbeeld een PDA met GPS). De melding kan via een invoerveld worden gespecificeerd. De meldingen worden opgeslagen in een centrale (Oracle) database. Voor 13

22 de afhandeling kan gebruik worden gemaakt van standaardsystemen voor de afhandeling van de meldingen. Andere gebruikers kunnen de meldingen oproepen door een gebied, tijdsperiode, type melding of type melder (burger, ambtenaar of medewerker) te selecteren. De meldingen worden dan op kaart en in tabellen getoond. Deze functionaliteit kan worden gebruikt tijdens calamiteiten (oefeningen), maar ook voor reguliere meldingen van veldmedewerkers, of voor meldingen en klachten van burgers. Dit minimaliseert een belangrijk risico voor de afhandeling van informatie tijdens een calamiteit, namelijk dat de betrokkenen niet gewend zijn met het meldingensysteem te werken of dat het op het moment dat het nodig is niet blijkt te werken. Figuur 2.14: Een voorbeeld invoerveld van een melding of klacht Managementinformatie Het beoogde informatiesysteem bevat veel meet- en modelgegevens. Op managementniveau is behoefte aan overzicht op meer globaal niveau in de vorm van Key Performance Indicatoren. Dergelijke managementrapporten kunnen op twee manieren worden samengesteld. De eerste manier is om een koppeling te maken met een professionele rapportagetool zoals Business Objects of Cognos. Deze koppeling is beschikbaar in Lizard-FEWS en wordt door een aantal waterschappen gebruikt. Een andere mogelijkheid is om gebruik te maken van de tool voor webrapportages van Lizard. Deze tool is volledig open source en internetgeoriënteerd en biedt de mogelijkheid voor overzichtrapporten, en maand- of jaarrapporten. Specifiek voor de Kader Richtlijn Water wordt deze functie uitgebreid om de KRWmaatregelen te volgen en bij te sturen. Deze module staat bekend als het KRW-volg- en stuursysteem. 14

23 Figuur 2.15: Door de Wereld Bank wordt Lizard gebruikt genomen als Web Based Management Informatie Systeem voor de watersector in Nepal. Daarbij worden een groot aantal Key Performance Indicatoren op verschillende schaalniveaus berekend en gevisualiseerd. 15

24 3 Gedetailleerd en snel rekenen 3.1 Noodzaak van detail berekeningen 3.2 Gelet op het gevaar en schade van inundaties is het van belang om onderzoek te doen naar betere informatie voor overstromingen en wateroverlast in zowel het stedelijk als het landelijk gebied. Voor dit onderzoek is software nodig om de complexe berekening uit te voeren, die zijn gebaseerd op fysische en wiskundige wetten. Bij de wiskundige en fysische modellering van de overstromingen zijn voornamelijk de bron van de overstroming en de dynamiek van de overstroming van belang. Zeker in stedelijk gebied met bebouwing en riolering is een gedetailleerd model nodig om de stroming rond en door de bebouwing goed te berekenen. Naast deze detaillering en versnelling wordt ook ingezet op het geïntegreerd berekenen van alle waterstromen in een gebied met één basismodel waarmee zowel overstroming als gevolg van een dijkdoorbraak als overstromingen als gevolg van een tekort aan capaciteit om regenwater in een gebied te bergen worden voorspeld. Het volgende hoofdstuk gaat in om dit geïntegreerd rekenen, dit hoofdstuk focust op het meer gedetailleerd en sneller rekenen. niet beschikbaar is, maar omdat de rekentijden te groot worden. De oplossing is om te rekenen op een supercomputer, zoals de SARA in Amsterdam. Dit is echter te kostbaar voor praktisch gebruik. Een alternatief is om te werken met grids en fijnere subgrids voor de numerieke modellering. Het achterliggende idee is dat de waterhoogte in de ruimte minder varieert dan de diepte en de snelheid. De overstromingsberekening is een repeterende berekening, waarbij de complexe matrix eerst op het grid wordt uitgevoerd. Vervolgens wordt voor elke tijdstap de diepte en snelheid met het subgrid bepaald. 16

25 Door de waterhoogte op het grid te berekenen en de diepte en snelheid op het subgrid wordt het detail sterk verhoogd, maar de rekentijd neemt gering toe. Uit een uitgevoerd onderzoek met een 2d model van een rivier, blijkt dat hiermee de rekentijd 35 keer sneller is, terwijl het verlies aan nauwkeurigheid minder dan 1% is. 3.3 Hardware benadering Een computer heeft naast de rekenprocessor (CPU) ook een grafische processor (GPU). Een Graphics Processing Unit (GPU) is een processor die gebruikt wordt voor alle videotaken. Hiermee neemt hij deze taken van de CPU (Central Processing Unit) over. Met de ontwikkeling van o.a. de spelcomputers heeft de GPU zich enorm ontwikkeld. Uit onderzoek blijkt nu dat het mogelijk is om de berekening op de GPU (i.p.v. de CPU) uit te voeren. Op de GPU bevinden zich 128 parallelle processoren, waardoor de berekeningen veel sneller kunnen worden uitgevoerd. Hierdoor kan op zijn minst een versnelling van 10 keer worden behaald. Onderstaand figuur geeft een uitkomst weer van een zeer rekenintensieve berekening van het ontstaan van een wolk, uitgevoerd op de GPU. Daarnaast kan met het rekenen op de GPU worden geprofiteerd van de nieuwe hardware 17

26 ontwikkelingen op dit gebied (die sneller gaan dan die van de CPU). Het rekenhart van de software moet echter wel worden omgeschreven naar een voor de GPU begrijpbare code. Figuur 3.4: Een voorbeeld van een GPU berekening voor het ontstaan van wolken (Navier-Stokes equations,,mark J. Harris, University of North Carolina). Niet te verwarren met 'cloud computing', wat inhoudt dat er verschillende externe systemen binnen één informatieraamwerk worden gebruikt. De doelstelling van het onderzoek is om in vier jaar de berekeningen tot minimaal 100 keer te versnellen ten opzichte van de huidige berekeningen. Door de numerieke techniek van subgrids te combineren met de grafische processor is dat doel haalbaar en binnen handbereik. Aan dit complexe onderzoek zijn risico's verbonden (zie ook vorig hoofdstuk) en daarom wordt een stapsgewijze werkwijze langs verschillende sporen gevolgd die later worden samengevoegd. Om al op korte termijn een versnelling te realiseren wordt ook onderzocht hoe de uitvoerbestanden gecomprimeerd kunnen worden en hoe de schrijftijd naar de harde schijf geminimaliseerd kan worden. 18

27 4 Integraal modelleren 4.1 Algemeen Een belangrijk kenmerk van het project Delft 3Di is de integrale aanpak. De versnelling en detaillering die in het voorgaande hoofdstuk zijn beschreven maken het mogelijk om met een gedetailleerd standaardmodel te werken dat voor meerdere toepassingen kan worden gebruikt. Hiermee wordt de huidige praktijk doorbroken, waarin meerdere modellen naast elkaar worden gebruikt die gebaseerd zijn op dezelfde brondata. Ook kan hierdoor het beheer en onderhoud centraal worden opgepakt. Zo zijn er door Hoogheemraadschap van Delfland in het kader van ABC-Delfland voor veel polders en het boezemland Sobek-modellen gemaakt. Deze modellen bestaan uit een module die het neerslag-afvoerproces berekent (Sobek-RR) en een module waarin het stromen van water in vaarten, tochten en sloten wordt gesimuleerd (Sobek-CF). Daarnaast zijn er ook overstromingsmodellen die van precies hetzelfde informatie over vaarten, tochten en sloten gebruik maken. Deze modellen (ABC-Delfland en overstromingsmodellen) ontwikkelen zich onafhankelijk van elkaar door nieuwe vragen, nieuwe data en verschillende toepassingen. 4.2 Nut en noodzaak voor integraal modelleren Interactie van fysische processen Door één integraal model kunnen de fysische processen beter worden gesimuleerd. Ter illustratie: in geval van wateroverlast in een dicht verstedelijkt gebied is het oppervlaktewater onlosmakelijk verbonden met de riolering. De regenwaterstelsels in West- Nederland staan bijvoorbeeld doorgaans in open verbinding met het oppervlaktewater. Dit maakt dat deze niet zichtbare berging wel meegenomen moet worden om de fluctuaties van het oppervlaktewater peil goed te simuleren. Daarnaast zal bij een overstroming het water in het rioolstelsel terechtkomen en zich via het rioolstelsel snel over de stad verplaatsen en op onverwachte locaties uit het riool worden geperst Verbetering van het neerslag-afvoermodel Het snelle rekenen opent de mogelijkheid om het neerslag-afvoerproces ruimtelijk gedistribueerd te simuleren. Het huidige neerslag-afvoermodel is gebaseerd op knopen met een karakteristieke oppervlakte van m2. (Ter vergelijking in de overstromingsmodellen wordt nu gerekend met 625 m2). Per knoop wordt vervolgens één horizontale grondwaterstand bepaald,welke voor het gebied als representatief wordt verondersteld. Een andere tekortkoming is dat de knopen nagenoeg geen onderlinge interactie hebben. Het neerslag-afvoermodel kan dus worden verbeterd door net als bij overstromingen met een grid te werken. Bij een dergelijk ruimtelijk gedistribueerd model wordt het neerslagafvoerproces bepaald in cellen die zowel onderling interactie hebben als interactie met het oppervlaktewater. De consequentie is dat bij voldoende cellen een freatische grondwaterstand met een bolle of holle grondwaterspiegel - bepaald kan worden. Daarnaast kan per cel veel meer informatie worden toegevoegd of bepaald. Zo kan per cel een gewastype worden opgegeven of de drainage naar omliggende cellen worden bepaald. 19

28 4.2.3 Beheer en onderhoud van één model Bij het integrale model hoeft maar één model te worden beheerd en onderhouden in plaats van meerdere modellen. In de praktijk is dezelfde polder nu geschematiseerd in een ABCmodel, het overstromingsmodel en in het polder-boezemmodel. In geval van één integraal model is het model voor alle deze toepassingen geschikt. Bij een nieuwe studie is het integrale model dan ook het vertrekpunt, waarin het mogelijk is details of onderdelen weg te laten als deze niet relevant zijn voor de betreffende studie. Voorkomen moet worden dat een tweede of derde model rouleert, waarin mogelijk niet de meest recente gegevens zijn opgenomen Internationaal het eerste integrale model Het koppelen van verschillende modules is nationaal en internationaal nu nog de gangbare stand van de techniek en bijvoorbeeld ook de insteek van het Nationaal Hydrologisch Instituut (NHI). Wat dat betreft is de huidige SOBEK-software vergelijkbaar met de HECsoftware van het US Army Corps of Engineers, de MIKE-software van het Danish Hydraulid Institute (DHI), of de ICIS software van Wallingford. De voorgestelde aanpak van het maken van een integraal terrein model voor neerslag en overstromingen dat wordt gekoppeld aan een 1d netwerk model voor waterlopen en riolering is uniek in de wereld en een kans voor BV Nederland. 20

29 4.3 Uitdagingen voor integraal modelleren Aan een gedetailleerd integraal model dat de huidige modellen voor overstromingen, wateroverlast, waterkwaliteit, rioleringen en operationeel beheer vervangt hangen nieuwe uitdagingen: Aansluiten op het Informatie Raamwerk. Hierdoor kunnen de simulaties worden verdeeld over meerdere servers. De rekentaak wordt dus niet meer op alleen de computer van de modelleur uitgevoerd. Om altijd over modelresultaten volgens de nieuwste inzichten te beschikken zullen alle modellen dynamisch moeten worden geüpdate. Voor de komende jaren staan verschillende veranderingen op stapel. Zo zal in 2012 de wateropgave opnieuw moeten worden bepaald. Daarnaast is vorig jaar de nieuwste landgebruikskaart verschenen (de LGN6). Verder heeft het KNMI al aangegeven dat de klimaatscenario s in 2013 worden vervangen. Daarnaast worden ook door Hoogheemraadschap van Delfland continu nieuwe gegevens toegevoegd aan de basisbestanden. Zo zijn steeds meer gegevens van bijvoorbeeld dwarsprofielen beschikbaar. Zelf nieuwe analyses toevoegen. Het gebeurt regelmatig dat ergens in Nederland (of Europa) door veel neerslag wateroverlast optreedt. Zo heeft het in het graafschap Cumbria op 21 november mm geregend in 24 uur. De geschatte herhalingstijd is 1 in de 1000 jaar. Bij de beelden van de overstromingen rijst de vraag: Wat als het hier nu net zo hard regent als in Engeland? Een neerslaggebeurtenis van 314 mm in 24 uur valt ver buiten het bereik van de normen van Delfland, maar voor de calamiteitenbestrijding is het een interessant scenario om inzicht te krijgen in waarop we ongeveer voorbereid zouden moeten zijn. Het meetnet van Hoogheemraadschap van Delfland beslaat een groot aantal locaties waar oppervlaktewaterstanden worden gemeten. De afdeling Operationeel Beheer kan deze realtime volgen. Tussen deze locaties wordt echter niet gemeten. Het integrale model kan gebruikt worden om voor deze locaties te nowcasten en forecasten. Nowcasten is het tussen de meetlocaties interpoleren van waterstanden. Forecasten is het voorspellen van waterstanden op de bemeten locaties. 21

30 Figuur 4.3: Overstroming in graafschap Cumbria op 21 november 2009 als gevolg van 314 mm neerslag in 24 uur. De herhalingstijd van deze gebeurtenis 1 in de 1000 jaar. 4.4 Integraal modelleren en het bepalen van schade Bij overstromingsberekeningen wordt standaard de schade bepaald. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van de HIS-schade en slachtoffermodule. Bij wateroverlast wordt nog geen schade bepaald terwijl dit naar analogie van de overstromingsberekeningen wel een logisch stap is. Met het bepalen van de schade is het mogelijk om de doelmatigheid van middelen voor maatregelen te toetsen (zie tekstblok). Door per maatregel te bepalen wat de schade vóór en ná de maatregel is, kan worden bepaald hoeveel schade met de maatregel kan worden voorkomen en kan dus de schadereductie worden bepaald die als 'baat' dient in een kosten-batenanalyse. Efficiëntie of effectiviteit? Bij het dimensioneren van maatregelen kan een onderscheid worden gemaakt tussen efficiëntie en effectiviteit. Efficiëntie heeft betrekking op het doelmatig gebruik van (financiële of personele) middelen. Effectiviteit heeft betrekking op de mate waarin het beoogde doel wordt bereikt. Het verschil kan worden geïllustreerd met 1) een te kleine gedimensioneerde waterberging en 2) een te groot gedimensioneerde waterberging. Als het doel het beperken van wateroverlast is, dan is de te kleine waterberging wel efficiënt maar niet effectief. De te grote waterberging is wel effectief maar niet efficiënt. Een effectieve en efficiënte waterberging is een waterberging die groot genoeg is om tegen beperkte kosten het doel van de beperking van wateroverlast te bereiken. De prijs die wordt betaald voor een eenvoudige toetsing zijn overgedimensioneerde maatregelen. Door voor alle maatregelen nauwkeurig de kosten en de baten te bepalen kan de efficiëntie en effectiviteit worden bepaald en kunnen de maatregelen onderling worden vergeleken en geprioriteerd. De kostenbesparing die hiermee gepaard gaat kan aanzienlijk zijn. Zo wordt van de Eiffeltoren in Parijs beweerd dat deze ontworpen volgens de huidige ontwerpeisen met de helft van het staal uitgevoerd had kunnen worden. 22

31 In onderstaande figuur zijn de resultaten weergegeven van een studie binnen Hoogheemraadschap Hollands Noorderkwartier waarin voor maatregelen tegen 23

32 5 Visualisatie modelresultaten In dit hoofdstuk wordt besproken op welke manier de resultaten van overstromingsmodellen en neerslag-afvoermodellen gepresenteerd kunnen worden ten behoeve van een juiste interpretatie van de resultaten. Er zal vooral worden gekeken naar de mogelijkheid van een 2D-visualisatie en een 3D-visualisatie van modelresultaten. Verwacht wordt dat door een realistischer en meer intuïtieve weergave van de modelresultaten de 'raadpleger' een beter oordeel kan vormen over de situatie D-visualisatie Modelresultaten kunnen het beste geïnterpreteerd worden door middel van een duidelijke visualisatie. Immers: een plaatje zegt meer dan duizend woorden. De resultaten uit de overstromings- of neerslag-afvoermodellen bestaan bijvoorbeeld uit waterdieptes, waterhoogtes, snelheden en schade op verschillende locaties en tijdstippen. In de huidige praktijk worden resultaten op een kaart of in een animatie gevisualiseerd, in 2D dus. Met behulp van kleuring kan bijvoorbeeld de waterdiepte of de stroomsnelheid op alle locaties over de tijd worden gepresenteerd (zie onderstaand figuur). Ook kan in een figuur een 3D-impressie worden gegeven. Echter, dit is nog steeds een 2D figuur (zie figuur 5.2) Figuur 5.1: Voorbeeld van een 2d visualisatie (links 625 m2 grid, rechts 25 m2 grid) van een overstroming van het Deltares terrein bij een breuk van de Schiekade 24

33 Figuur 5.2: Voorbeeld van een 3d impressie, maar dit is nog steeds een 2d visualisatie. 5.2 Mogelijkheden 3D visualisatie Op dit moment is 3D-visualisatie, waarbij je echte diepte ziet, in opmars. TV-schermen worden op de markt gebracht die het mogelijk maken om thuis een film in 3 dimensies te zien en filmmaatschappijen maken 3D-films, waarbij het publiek met speciale brillen wordt opgeslokt in de 3D-omgeving van de film. In de (bio)medische wereld is 3D niet meer weg te denken. Een 3D visualisatie zorgt in het algemeen voor meer informatie voor de gebruiker. Deze paragraaf zal beschrijven wat de mogelijkheden zijn van 3D visualiseren Uitvoering Een visualisatie in 3D kan niet zomaar op elk scherm gepresenteerd worden. Hiervoor is speciale apparatuur nodig. Er kan gebruik worden gemaakt van twee projectoren en een projectiescherm, waarbij de gebruiker een speciale bril moet dragen. Een andere mogelijkheid is het gebruik van een speciaal tv-scherm, waarbij er geen aparte bril gedragen hoeft te worden. Beide methodes worden hieronder in het kort beschreven. Projectoren. Twee projectoren worden boven elkaar geplaatst en voorzien van een polarisatiefilter. Deze filters zorgen ervoor dat de richting van het licht veranderd wordt. De polarisatie richtingen staan loodrecht op elkaar. De gebruiker draagt een polarisatie bril, aangepast op de filters op de projectoren. Deze bril zorgt ervoor dat het linkeroog alleen de beelden van de bovenste projector ontvangt en het rechteroog alleen de beelden van de onderste projector. Beide ogen zien daardoor een (iets) ander beeld. De hersenen zetten dit om in diepte informatie, waardoor een driedimensionaal beeld waargenomen wordt. Tv-scherm. Een TV-scherm zorgt dat het linkeroog iets anders ziet dan het rechter oog, waardoor er 3D kan worden waargenomen. Dit wordt gedaan met behulp van een lenticulaire lens. Er wordt als het ware een transparante laag met duizenden kleine lensjes voor het beeldscherm geplaatst. Deze lensjes zijn zo scherp geslepen, dat er per subpixel bepaald kan worden welke richting deze krijgt. Achter iedere lens zitten één of meerdere subpixels. De subpixels, die samen de beeldpunten vormen, worden op deze manier verdeeld over acht mogelijke kijkhoeken, die een ander beeld tonen. Onze ogen zien tegelijk twee van deze kijkhoeken, waarbij het linkeroog een andere ziet dan het rechteroog. De acht kijkhoeken worden volgens een speciaal algoritme getoond op het beeldscherm. Een nadeel van de 3D visualisatie met behulp van projectoren is de slechte reflectie van een wit projectiescherm. Deze zorgt voor een diffuse reflectie die de polarisatie en de 25

34 lichtintensiteit wijzigt, wat resulteert in een slechte kwaliteit van het 3D-beeld. Een (gedeeltelijk) metalen scherm kan ervoor zorgen dat de polarisatie wel bewaard blijft. Een voordeel van de lenticulaire lens, is dat de volledige lichtopbrengst en beeldkwaliteit van de monitor beschikbaar blijft. Het nadeel van een dergelijk tv-scherm is dat er maar vanuit een beperkt aantal posities een duidelijk beeld te zien in Toepassingsmogelijkheden Bij een 3D-visualisatie wordt er in eerste instantie gedacht aan realistisch visualiseren. Hierbij worden de resultaten van een overstroming weergegeven in een 3D gevisualiseerde omgeving. Naast deze vorm van 3D visualiseren kan er ook over de mogelijkheid worden nagedacht van niet realistisch visualiseren. Hierbij is de z-richting van de visualisatie niet de bodem-/waterhoogte, maar zal deze een andere parameter representeren, bijvoorbeeld de mate van schade. Daarbij kan door middel van het toevoegen van kleur een soort extra dimensie worden toegevoegd aan de visualisatie Voorbeeld 3D-visualisatie Met onderstaande figuren kan een indruk worden verkregen van 3D-visualisaties, ondanks 26

35 5.3 Andere visualisatie technieken Touch table Een touch table is een scherm dat vaak horizontaal is geplaatst en dat door middel van aanraking bediend kan worden. Hiermee is deze technologie zeer geschikt voor demonstraties, maar ook voor gebruikers die op een intuïtieve wijze met een software applicatie willen werken. De laatste jaren zijn aanraakschermen snel ontwikkeld en ook voor particulieren goed beschikbaar, denk hierbij aan de mobiele telefoons en MP3-spelers die bediend kunnen worden door op het scherm te klikken. Windows 7 ondersteund het gebruik van touch monitoren. Figuur 5.5: Impressie van het informatiesysteem op een touch table PDA De grens tussen computers en mobiele telefoons wordt steeds kleiner, waardoor de mobiele telefoons en PDA's nu serieuze apparaten zijn om software op te draaien. Het grote voordeel van een PDA is dat deze klein en handelbaar is, wat nieuwe mogelijkheden voor interactie oproept. Denk bijvoorbeeld aan het invoeren van een melding op basis van de locatie waar een gebruiker op dat moment met zijn PDA staat. Of juist het opvragen van de dichtstbijzijnde meetlocatie vanaf de locatie waar de de gebruiker en zijn PDA zich bevinden. Een uitdaging bij het ontwikkelen van de visualisatie voor de PDA is om met beperkte 27

36 D printing Naast 3D-visualisatie via een beeldscherm is het ook mogelijk om fysiek 3D te visualiseren door middel van een 3D-print. De 3D-print kan goed gebruikt worden om een overzicht te creëren van een groter gebied of als een demonstratieobject richting burgers. Ook is het mogelijk om met behulp van een beamer (3D) beelden te projecteren op de 3D-print. Hiermee kunnen dus virtueel situaties worden geschetst op een fysieke ondergrond. Deze visualisatie techniek zou zeer goed bruikbaar kunnen zijn bij het vergelijken van meerdere oplossingen waarbij de visuele component een grote rol speelt, zoals bijvoorbeeld het plaatsen van een dijk. Op de TU-Delft wordt 3D-printing al vaker gebruik; hierover staat een engels artikel in bijlage VI. Figuur 5.7: De oude maquettes herleven dankzij moderne 3d print technieken. 28

37 6 Casestudie gedetailleerd modelleren 6.1 Studie gebied Binnen deze verkenning is er een casestudie uitgevoerd naar het gedetailleerd modelleren van overstromingen. Het studiegebied dat gekozen is, ligt in de Zuidpolder van Delfgauw. Het gebied beslaat een oppervlakte van ongeveer 2km². In deze case studie wordt er gekeken hoe het gebied zal overstromen, wanneer er een breuk in de kade van de Schie ontstaat. Dit overstromingsscenario is op vier verschillende detailniveaus berekend. Delft TU wijk Figuur 6.1: Het omlijnde kader geeft het projectgebied aan. 6.2 Beschrijving overstromingsmodel Met behulp van Sobek is een overstromingsmodel opgesteld voor het projectgebied. De watergangen in het projectgebied zijn één dimensionaal geschematiseerd en de overstroming van het land zijn twee dimensionaal geschematiseerd. Het 1D-watersysteem bestaat uit alle watergangen die door het projectgebied lopen. De schematisatie van de dwarsprofielen in deze watergangen zijn in het model opgenomen. De verschillende modellen variëren in het detailniveau van het maaiveld; de 2 dimensionale bodembeschrijving. Deze bodembeschrijving is geschematiseerd als een grid dat per model in dichtheid is gevarieerd. De gridcellen hebben in de vier verschillende modellen de volgende groottes: bij 100 meter; bij 25 meter; bij 10 meter; 4. 5 bij 5 meter. Deze bodemhoogtegrids komen voort uit de AHN2 gegevens, waarbij de bodemhoogte per tegel van een halve bij een halve meter bekend is. Voor een gridgrootte van 5m wordt de mediaan genomen van de 100 inliggende gridcellen van het AHN2. Dit 5m grid kan op dezelfde manier weer worden opgeschaald naar een 10 bij 10, 25 bij 25 en 100 bij 100 meter grid. 29

38 Het gebied zal overstromen door een simulatie van een breuk in de kade van de Schie. De locatie van deze breuk is in het onderstaande Sobek model weergegeven als een groene lijn. Om de waterstand in de boezem goed te schematiseren, is het gehele boezemmodel toegevoegd aan het model. Er zal op de plek van de breuk een gat ontstaan met een initiële waarde van 15m. Deze zal in twee uur 50 cm uitzakken. Er is een periode van 36 uur gesimuleerd, waarbij er vanuit wordt gegaan dat er geen neerslag valt. Voor de analyse van de resultaten van de overstromingsmodellen, wordt het overstromingsmodel met het hoogste detailniveau (5 bij 5 meterl), als het referentiemodel Figuur 6.2: Schematisatie in Sobek van het projectgebied (25 bij 25 meter model). Omdat er is ingezoomd op het projectgebied, is er een klein deel van boezemmodel (zie rechter inzet) te zien op deze Figuur. Hoe lichter de oranje kleur van het onderliggende grid, hoe lager de bodemhoogte. 6.3 Resultaten waterdiepte en waterniveau Op 12 verschillende locaties in het projectgebied is de waterdiepte en het waterniveau bekeken over een periode van 36 uur. In de figuur in bijlage I worden deze locaties weergegeven. In bijlage II staan ook de resultaten van de waterhoogte ten opzichte van NAP en de waterdiepte voor alle 12 locaties en voor elk detailmodel. Hierin is te zien dat het waterhoogte na 24 uur in alle locaties ongeveer gelijk is. De dieptes verschillen wel per locaties, omdat de bodemhoogte voor deze 12 locaties verschillend zijn. Ook is te zien dat de meeste verschillen tussen de resultaten van de vier detailmodellen in de eerste 12 uur het grootst zijn. In bijlage III staan voor alle locaties en detailniveaus het verloop van de diepte en van het waterniveau over de tijd weergegeven. Bij het vergelijken van de resultaten van de verschillende detailmodellen wordt het 5 bij 5 meter model als referentiemodel gebruikt. De resultaten van het 100 bij 100 meter model komen het minst overeen met het referentiemodel: het waterniveau is op alle locaties hoger. Het 100 bij

39 meter model overschat het waterniveau daarmee. Het 25 bij 25 meter model komt beter overeen met het referentiemodel, maar ook hier wordt het waterniveau overschat. Het 10 bij 10 meter model geeft een waterstandsverloop dat op een aantal locaties bijna hetzelfde verloop heeft als het referentiemodel. Het heeft echter op een aantal locaties een hogere waterstand dan het referentiemodel en op andere locaties een lagere. Het is niet eenduidig te zeggen of het 10 bij 10 meter model het waterniveau overschat of onderschat. Grote verschillen zijn te vinden in het moment van overstromen. Onderstaande tabel geeft aan na hoeveel uur eerder (rood) of later (groen) de twaalf locaties beginnen te overstromen (en na hoeveel uur er meer dan 20 cm water staat). Locatie Meer dan 0 cm water Meer dan 20 cm water 100m 25m 10m 100m 25m 10m 1 00:30 00:00 00:00 02:00 01:30 00: :30 02:00 00:30 02:00 01:30 00: :30 00:30 00:00 03:00 01:00 00: :00 00:30 00:00 03:30 00:30 00: :00 01:00 00:30 02:00 01:30 00: :30 00:30 00:00 00:30 00:30 01: :00 01:00 00:00 01:30 00:30 00: :30 00:30 01:00 12:00 01:00 01: :30 03:30 00:00 08:30 04:30 00: :30 01:00 00:30 02:30 01:30 01: :00 00:30 00:00 04:30 00:30 00: :00 01:00 00:30 08:00 00:00 02:00 Gemiddeld verschil 02:53 01:00 00:15 04:10 01:13 00:40 Tabel 1: Het tijdsverschil in uren tussen het tijdstip dat bij modellering in het 5 bij 5 meter model de waterdiepte groter dan 0 en 20 cm is en het tijdstip dat dit het geval is bij het 100 bij 100, 25 bij 25 en 10 bij 20 meter model en het gemiddelde verschil van de 12 toetslocaties (voor de berekening van het gemiddelde wordt het absolute verschil met het 5m model gebruikt) Samengevat overstromen de locaties bij het 100 bij 100 en het 25 bij 25 meter model eerder dan het referentiemodel van 5 bij 5 meter. Het verschil kan enkele uren bedragen. In het 10 bij 10 meter model komt het tijdstip van overstromen redelijk overeen met het referentiemodel. De onderstaande Figuuren laten duidelijk de verschillen zien tussen de waterdieptes die berekend zijn met de vier modellen 10 uur na de kadebreuk. Hoe donkerder blauw, hoe dieper het water. 31

40 100m 25m 10m 5m 6.4 Schade Figuur 6.3: Vier verschillende resultaten van dezelfde overstroming met 100 bij 100, 25 bij 25, 10 bij 10 en 5 bij 5 meter grids. De Figuuren laat duidelijk zien hoe het water in de detail modellen om de bebouwing (bruine blokken) heen stroomt, terwijl de bij het 25 bij 25 en 100 bij 100 meter model het water als blokken over de bebouwing heen valt. In bijlage V staan kaarten van het gehele projectgebied met de waterdiepte na 36 uur. Met behulp van de schadefuncties in de HIS schade en slachtoffermodule kan de schade worden berekend die ontstaat als gevolg van de gesimuleerde overstroming. Deze schadefuncties bepalen de mate van schade aan de hand van het de waterdiepte, de stroomsnelheid en de stijgsnelheid. De schademodule die wordt gebruikt, is grof opgesteld. Het bodemgebruik wordt gemiddeld over een oppervlak van 100 bij 100m. Ook de waterdiepte die als invoer dient, wordt gemiddeld voor een cel van 100 bij 100m. Voor de schadeberekening worden de gedetailleerde gegevens van de waterdieptes, uit het 25 bij 25, 10 bij 10 en 5 bij 5 meter model, dus opgeschaald in het grove schademodel. De volgende grafiek laat zien dat er een verschil in berekende schadeomvang bestaat, wanneer de opgeschaalde waterdieptes worden gebruikt die berekend zijn met de vier overstromingsmodellen. 32

41 7 Schade (mjn ) ,66 4,52 5,90 5,56 100m 25m 10m 5m 1 0 Schade na 12 uur Figuur 6.4: Vier verschillende schaderesultaten van eenzelfde overstroming met 100 bij 100, 25 bij 25, 10 bij 10 en 5 bij 5 meter grids. In dit geval wordt er niet vanuit gegaan dat het 5 bij 5 meter model de schade het beste voorspeld, omdat de nauwkeurigheid teniet wordt gedaan door de waterdieptes op te schalen naar 100 bij 100 meter cellen. Bovenstaande figuur toont alleen aan dat er verschillen bestaan (tot bijna 1,5 miljoen euro na 12 uur) wanneer verschillende modellen worden gebruikt. Door de schademodule te detailleren, kan het beschikbare detail in de overstromingsmodellen met fijnere grids worden benut waardoor de schade in meer detail kan worden berekend. 6.5 Analyse rekentijden De mate van het detailniveau van de overstromingsmodellen heeft invloed op de rekenduur van de simulatie. Hoe nauwkeuriger het bodemhoogtegrid hoe langer het duurt om de simulatie door te rekenen. Dit komt doordat per tijdstap in het model voor meer gridcellen de waterhoogte, het waterniveau en stroomsnelheid berekend moet worden. Het 100 bij 100 meter model bevat ongeveer 200 gridcellen, het 5 bij 5 meter model bevat er ongeveer In de volgende tabel staat de rekenduur van de vier overstromingsmodellen. Tabel 6.1: Rekenduren per model Model Rekenduur Rekenduur in secondes 100 bij 100 meter 35 sec bij 25 meter 3:30 min bij 10 meter 48 min bij 5 meter 8 uur Bovenstaande tabel laat zien dat de rekenduur sterk toeneemt, naarmate het grid (en daarmee het detalniveau) groter wordt. Onderstaande figuur laat dit nog een keer zien. 33

42 x 80 : 100 x 800 : m Figuur 6.5: Vier verschillende rekentijden van eenzelfde overstroming met 100, 25, 10 en 5 m grids. De groene getallen hebben betrekking op de rekensnelheid. De blauwe getallen hebben betrekking op de gridgrootte. 6.6 Conclusie x 6 25m x 13 10m x 10 : 16 : 6,25 : 4 Uit de casestudie wordt geconcludeerd dat het detailniveau van de overstromingsmodellen van grote invloed is op de resultaten. Het detailniveau is voornamelijk van invloed tijdens de eerste uren van de overstroming. Het 100 bij 100 meter model is veruit het onnauwkeurigste. Waterdieptes en waterhoogtes wijken sterk af van het 5 bij 5 meter model. De resultaten van het 25 bij 25 meter model komen meer in de richting van die van het 5 bij 5 meter model, maar ook hier zijn nog grote onnauwkeurigheden te vinden. Tussen het 10 bij 10 en het 5 bij 5 meter model zijn de verschillen aanzienlijk kleiner. Het moment waarop een locatie gaat overstromen is belangrijk voor het nemen van beslissingen. Hoe minder nauwkeurig het model, hoe meer het tijdstip van overstromen afwijkt van het 5 bij 5 meter model. Op sommige locaties is een verschil berekend van meerdere uren. Deze onnauwkeurigheid kan grote invloed hebben op de te nemen maatregelen. Er kan geconcludeerd worden dat hoe hoger het detailniveau van het model is, hoe nauwkeuriger de resultaten zijn. Daar staat wel tegenover dat de rekentijd exponentieel toeneemt bij een groter detailniveau. De keuze van het detailniveau kan voor verschillende simulaties anders zijn. Wanneer bijvoorbeeld de rekentijd geen beperkende factor is en er interesse in gedetailleerde resultaten groot is, kan er gekozen worden voor een gedetailleerd model. Wanneer bij acute dreiging de rekentijd wel van belang is, kan worden gekozen voor een minder gedetailleerd model. Het is wenselijk om de schademodule te verbeteren (verfijnen). Er gaat nu onnodig kostbare detailinformatie verloren terwijl het verfijnen relatief weinig moeite en rekentijd kost. 5m 34

43 7 Meerwaarde en risico's 7.1 Meerwaarde Doelmatiger De meerwaarde van het beoogde project is dat een informatiesysteem wordt ontwikkeld dat breed toegankelijk is, dat meer en betere informatie bevat (dan de huidige beschikbare informatie) en dat veel sneller is in het produceren van deze informatie. Op basis van deze informatie kan het integrale watersysteem doelmatiger worden beheerd. Dat komt er precisiemaatregelen kunnen worden genomen, door het gebruik van betere en snellere informatie. Concreet betekent dit dat maatregelen op het gebied van wateroverlast (bepalen hoeveelheid waterberging en ingrijpen bij calamiteiten) 'meer op maat' worden genomen, omdat met met de nieuwe informatie de onzekerheden afnemen. De onzekerheden vertalen zich over het algemeen in een overdimensionering van maatregelen. Met andere woorden er kan veel nauwkeurigheid worden bepaald waar, wanneer en hoe groot de wateroverlast en schade zal zijn. Op basis van de nieuwe informatie is ook voordeel te behalen in het dagelijks (operationeel) beheer van de polder-, boezem-, riool- en zuiveringsgemalen. Door gebruik te maken van de betere informatie kan bijvoorbeeld door het tijdig inzetten en onderling afstemmen wateroverlast beter worden verdeeld. Daarmee kunnen extreme waterstanden in de stad, polder of op de boezem worden voorkomen of het aantal riooloverstoringen worden gereduceerd. Tenslotte kan de informatie beter worden gecommuniceerd naar burgers, bestuurders en waterbeheerders door gebruik te maken van 3D visualisatie. Deze aansprekende visualisatie leidt tot een beter begrip en daarmee interpretatie van de gemeten en gemodelleerde situatie. De communicatie en informatieoverdracht wordt hiermee aanmerkelijk verbeterd. Samenvattend heeft het informatiesysteem voor de volgende werkvelden meerwaarde: Beleidsvoorbereiding, planvorming en ontwerp van wateroverlastmaatregelen; Operationeel beheer van polders en boezem en het riool- en afvalwatersysteem; Calamiteitenbestrijding bij (dreigende) wateroverlast en overstromingen; Communicatie naar burgers, bestuurders en waterbeheerders; Kwantificering De vraag is of de meerwaarde van een beter informatiesysteem ook in euro's is te kwantificeren. Op dit moment is dat niet goed mogelijk, omdat dan eerst een aantal concrete studies moeten worden uitgevoerd. Bovendien is een doelmatige calamiteitenbestrijding en een beter communicatie überhaupt moeilijk te kwantificeren. Wel kan op basis van kentallen een orde van grootte worden gegeven. Wanneer de waterbergingsopgave wordt beschouwdan kost een 1 m3 waterberging orde 200 euro. Voor de Noordpolder van Rijswijk (Delfland) is de bergingsopgave bepaald op m3 overeenkomend met orde 10 miljoen euro. Een gedetailleerdere modelstudie liet zien dat 20% minder berging nodig was, dan oorspronkelijk geraamd ( m3 oftwel 2 miljoen euro). Verwacht mag worden dat een vergelijkbare reductie kan worden gehaald door de voorgestelde werkwijze met meer gedetailleerdere modellen en het gebruik van schademodellen. Naast de kosten is de ruimtelijke beschikbaarheid van een probleem waardoor alleen al vanuit het oogpunt van zorgvuldigheid het gewenst is om de 35

44 7.2 Risico's wateropgave zo nauwkeurig mogelijk te bepalen. Eenzelfde redenatie kan worden gevolgd bij het normeren, versterken en ophogen van boezemkaden. De risico's van het project zijn onder te verdelen naar de risico's op het gebied van: ICT (beheer en onderhoud, ICT-omgeving van de gebruikers); Onderzoek grensverleggende simulatie en visualisatie; Gebruikersacceptatie en capaciteit; Organisatie van het project. Het is belangrijk om de risico's te herkennen om daar vroegtijdig actie op te ondernemen. Daarom worden de voorgenomen acties om de risico's te verkleinen besproken ICT risico's Een risico is dat nieuwe programmatuur in een project wordt ontwikkeld en daarmee een 'eenmalig karakter' heeft en niet wordt onderhouden of doorontwikkeld. Het wegvallen van financiering, na het eerste jaar van het project, of na afloop van de vier jaar van het project is daarbij de grootse zorg voor de continuïteit. Dit risico wordt verkleind door: Voortbouwen op bestaande software componenten die al langer worden gebruikt door een grote gebruikersgroep. De bestaande componenten die worden gebruikt zijn Lizard, FEWS, Turtle en Sobek. Deze softwareproducten worden door vele waterschappen, gemeenten, provincies en Rijkswaterstaat en in het buitenland gebruikt. Softwarelicenties kosteloos aanbieden, waardoor er een grote gebruikersgroep ontstaat. De grote gebruikersgroep stimuleert nieuwe ontwikkelingen. De software zoveel mogelijk onderbrengen bij Deltares. Deltares is een groot instituut dat ervaring heeft met het ontwikkelen en beheren van grote softwaresystemen, zoals FEWS en Sobek; Een ander ICT-risico is dat het ICT-netwerk van de gebruiker de software niet kan ondersteunen qua server en/of netwerkcapaciteit. Dit risico wordt ondervangen door gebruikt te maken van Cloud Computing. Daarbij worden de rekenopdrachten niet meer lokaal uitgevoerd, maar uitbesteed aan externe netwerken en servers. De enige eis is dat er een voldoende snelle internetverbinding is met de eindgebruiker. De snelheden van de internet verbindingen nemen elk jaar toe, terwijl de kosten dalen. Het voordeel van Cloud Computing is dat er niet meer geïnvesteerd hoeft te worden in eigen apparatuur, die up-to-date moet zijn en continu onderhouden moet worden, maar dat men kiest voor een externe partner. Dit bespaart vooral bij meerdere gebruikers veel kosten. Een nadeel van Cloud Computing kan zijn dat de afhankelijkheid van externe systemen te groot wordt. Dit nadeel kan worden ondervangen door de juiste beheermaatregelen, zoals een (lokaal geplaatst) back-up-systeem. Tenslotte wordt een stapsgewijze aanpak voorgesteld, waarbij vroeg in het traject de impact van de voorgestelde oplossing op de ICT-omgeving snel duidelijk wordt. Indien nodig worden direct aanpassingen voorgesteld die worden meegenomen in de doorontwikkeling. 36

45 7.2.2 Risico grensverleggend onderzoek Grensverleggend onderzoek is per definitie risicovol. De voornaamste wetenschappelijke onderzoeksonderwerpen zijn: versnelling van het rekenhart; Integraal terrein model voor neerslag afvoer en overstroming; 3d-visualisatie. De risico's van het onderzoek worden beperkt door, onder andere, het vooronderzoek in de vorm van werkende prototypes. De resultaten maken aannemelijk dat de versnelling en de 3d-visualisatie mogelijk is. Om het risico te verkleinen worden twee verschillende en onafhankelijke technieken gebruikt voor de versnelling. Het opzetten van een integraal terreinmodel is vooral dat het meer (programmeer)werk is dan vooraf begroot. Dit risico wordt ondervangen door een stapsgewijze ontwikkeling, waarbij eerst aan de verfijning wordt gewerkt van het neerslag-afvoermodel en vervolgens aan de integratie met het overstromingsmodel Risico gebruikersacceptatie De gebruikers van het beoogde informatiesysteem zijn bestuurders en waterbeheerders van waterschappen, gemeenten en provincies. Daarnaast kan het informatiesysteem ook worden geraadpleegd door burgers. De gebruikersacceptatie is een belangrijk aandachtspunt voor het succes van het project. De gebruikersacceptatie is afhankelijk van veel factoren, zoals inzicht in nut en noodzaak, functionaliteit en gebruikersvriendelijkheid van de applicatie. Aan al deze zaken wordt in het ontwikkeltraject aandacht besteed, door de verschillende gebruikers in een vroeg stadium bij het ontwikkelproces te betrekken en de eisen en wensen van de gebruikers mee te nemen in de ontwikkeling Risico organisatie project Een groot project kent door zijn omvang en complexiteit bijbehorende risico's zoals onduidelijke communicatie en teveel tegengestelde meningen over het eindproduct. Daarbij 37

46 wordt met een consortium van 3 partijen gewerkt en met verschillende opdrachtgevers (financiers) die ieder ook weer een aantal specifieke eisen stellen aan het eindproduct. De projectorganisatie is daarom een belangrijk aandachtspunt, en is uitvoerig in hoofdstuk 8.5 beschreven. In het kort worden de verantwoordelijkheden helder gemaakt door 'trekkers' aan te stellen bij de werkgroepen zowel van de ontwikkelaars als bij de opdrachtgever. Daarnaast zal er ook gebruik worden gemaakt van principes uit bestaande ontwikkelmethodieken (PRINCE2, Lean) 38

47 8 Procesplan 8.1 Aanpak op hoofdlijnen De aanpak die wordt voorgesteld is om het project op te delen in 4 fasen, waarbij elke fase een doorlooptijd heeft van een jaar. Er wordt daarnaast voorgesteld 2 promovendi van de TU-Delft in te zetten binnen dit project, zij hebben een projectplan voor 4 jaar. Elke fase wordt afgesloten met een aantal concrete eindproducten. Mocht de financiering voor de volgende fase niet (of niet volledig) rondkomen dan zijn er wel bruikbare producten opgeleverd. Elke fase is opgedeeld in een aantal werkpakketten. De werkpakketten zijn onderdelen die onafhankelijk van elkaar worden uitgevoerd en die aan het eind van elke fase worden samengevoegd. De werkpaketten die niet kritisch zijn voor het totale project kunnen eventueel worden uitgesteld, mocht de benodigde financiering niet rond zijn. Andersom kan er bij meer financiële middelen, aan meerdere werkpakketten worden begonnen. De organisatorische aanpak die wordt voorgesteld is om een projectorganisatie op te tuigen bestaande uit een stuurgroep, projectgroep en meerdere werkgroepen. Daarnaast wordt een klankbordgroep voorgesteld, waarin de toekomstige gebruikers zijn vertegenwoordigd. Het eerste fase is nu het meest concreet. Wij stellen voor om de eerste fase op te delen in drie subfasen van die elk een doorlooptijd hebben van 4 maanden. Na afloop van elke subfase wordt een stuurgroepbijeenkomst gehouden waarin de resultaten worden geëvalueerd en de invulling van de volgende subfase nader wordt vormgegeven. 8.2 Resultaten eerste fase Basisproduct Het basisproduct is een realtime informatiesysteem, dat voor planvorming, operationeel beheer en calamiteitenbeheer kan worden gebruikt. De verschillende componenten hierin zijn reeds in de voorgaande hoofdstukken besproken en worden hieronder kort opgesomd: Webinterface (internet) met visualisatie op het niveau van kaarten, tabellen en grafieken; Database met meetdata (historisch en realtime) van oppervlaktewater, grondwater en afvalwater en meteorologische data; Database met historische modelscenario's voor neerslag-afvoer en overstromingsmodellen; Onderzoek en prototype: versnelde en integrale rekenkern voor hydrologische en hydraulische modellen. Meer specifiek: een halvering van de rekentijd en een distributed model in plaats van huidige 'knopen'-model; State-of-the-art visualisatie van model resultaten inundatie op basis van 3D-visualisatie van het terrein. Case studies: gedetailleerd overstromingsmodel op basis van de AHN2 Case studie: gedetailleerd hydrologisch model op basis van distributed netwerk voor bepaling wateropgave. Scenario's en ondersteuning met modellen en visualisatie voor een calamiteitenoefening. Voor het onderzoek aan de TU-Delft, geldt dat de twee AIO onderzoekers voor een periode van 4 jaar worden aangesteld en in die periode wetenschappelijke producten zullen 39

48 produceren in de vorm van internationale artikelen, congrespresentaties en de ontwikkeling van prototypes voor versneld rekenen en 3D-visualisatie Uitbreidingen Mogelijke uitbreidingen van het informatiesysteem zijn afhankelijk van een aantal factoren, zoals extra financiering, autonome ontwikkelingen en bewezen werking van het basissysteem. Veelbelovende ontwikkelingen rond het informatiesysteem zijn: Koppeling van actuele meetdata met modellen voor nowcasting en forecasting met betrekking tot neerslag en droogte; Ontwikkeling van een beter schademodel, gekoppeld aan actuele informatie over de aanwezigheid van mensen in een bepaald gebied op een bepaalde tijd; Ontwikkeling van een generieke realtime controlmodule waarmee de kunstwerken optimaal worden aangestuurd; Ontwikkeling van een KRW volg- en stuursysteem; Ontwikkeling van een water- en stoffenbalansmodule; Ontwikkelingen van een kadesterktemodule; 8.3 Overzicht deelproducten per jaar In onderstaande tabel is het totale project onderverdeeld in 4 onderdelen, te weten: Informatie raamwerk; Rekenkern; Visualisatie; Toepassingen. Per jaar is aangegeven welke producten worden opgeleverd. Dit is in onderstaande paragraaf voor het eerste jaar verder uitgewerkt. Onderdeel Jaar 1 Jaar 2 Jaar 3 Jaar 4 Informatie raamwerk Gebruikersinterface Uitbreiden bestaande funct. Interactief simuleren Export naar 3d visualisatie Eindversie en aanpassingen Database meet en modeldata generieke structuur en instal.combinatie meet- en modeluitbreiden functionaliteiten Eindversie en aanpassingen Modellen neerslag afvoer in raamwerk aansturing van modellen Automatisch updaten scen. Eindversie en aanpassingen Rekenkern Overstromingsmodel versnelling factor 2 versnelling factor 10 versnelling factor 100 afronding onderzoek Neerslag afvoer prototype distributed integratie met overstrominguitbreiding functionaliteit afronding onderzoek Nieuwe Sobek kern definitie database prototype productieversie Externe Koppelingen Visualisatie 3d-presentatie prototype specialisten tool productversie Interactief simuleren in 3d prototype specialisten tool productversie Toepassing Overstroming 2 pilot gebieden 10 polders 30 polders alle polders Neerslag afvoer 1 pilot gebied 5 polders 20 polders alle polders Calamiteiten Calamiteiten oefening Delft Calamiteiten oefening Calamiteiten oefening Calamiteiten oefening Tabel 8.1: Overzicht deelproducten per jaar 40

49 8.4 Werkzaamheden eerste jaar Informatieraamwerk In de eerste fase worden allereerst de bestaande onderdelen van het beoogde informatieraamwerk geïnstalleerd en geconfigureerd (in nauwe samenwerking met de ICTafdeling). In concreto betekent dit dat de softwarepakketten FEWS en Lizard worden geïnstalleerd op externe (virtuele) servers met een internetverbinding/vpn verbinding met Hoogheemraadschap van Delfland. Vervolgens wordt een koppeling gemaakt met de realtime databases van Hoogheemraadschap van Delfland (ABB, TMX, VBS, BOS en Ecolims). Hiermee wordt de database van het informatiesysteem (Oracle of een open source variant als MySQL, PostgreSQL) gevuld met de ruwe en gevalideerde meetdata. Alle meetdata zijn dan (password protected, of via windows login) benaderbaar. De overstromingsmodellen van het waterschap zijn al ondergebracht in Lizard. De bestaande neerslag-afvoermodellen, zoals het polder en boezemmodel) en de bijbehorende relevante modelscenario's worden vervolgens ook ondergebracht. Hiermee worden alle bestaande meet en model informatie ontsloten. De basis kan snel worden gelegd, met als voordeel dat de gebruikers in een vroeg stadium een concreet beeld krijgen van het eindproduct en kunnen werken met het tussenproduct. Er wordt hierin direct aandacht besteed aan een uitbreiding van de functionaliteiten van de gebruikersinterface waarvoor de gebruikersgroep de eisen en wensen aanlevert. Dit geldt ook voor de software architectuur, de software componenten en specifieke functionaliteiten. Door de projectgroep wordt een selectie gemaakt van de onderdelen die al eerste worden geïmplementeerd Rekenkern Parallel aan het optuigen van het informatie raamwerk wordt onder de motorkap gewerkt aan de snellere rekenalgoritmen en de gedetailleerde modelschematisaties. Deze ontwikkelingen kosten meer tijd, maar aan de tussenproducten worden in het raamwerk ontsloten, zodat de resultaten zichtbaar worden. Het opzetten van gedetailleerde modelschematisaties vindt gelijktijdig plaats met de ontwikkeling van snellere algoritmen. De rekentijden van deze detail schematisaties zijn dan weliswaar nog lang, maar dit wordt tijdelijk opgevangen door extra rekenkracht en rekentijd in te zetten. Daarmee wordt ervaring opgedaan en wordt de meerwaarde van de detailmodellen nader onderzocht. Naast fundamenteel onderzoek wordt vanuit Deltares gewerkt aan de software herstructurering van de Sobek software. Hiermee wordt de basis gelegd om de nieuwe aanpassingen aangedragen vanuit de TU-Delft te implementeren. Daarbij wordt onder gewerkt aan: een nieuwe database structuur van de invoerbestanden, een sneller en gecomprimeerd uitvoer formaat, een herstructuring van het rekenhart van Sobek RR Visualisatie De ontwikkeling van de 3D-visualisatie is een autonoom traject dat vanuit de TU Delft wordt opgepakt. De bestaande mogelijkheden van het prototype worden robuust gemaakt en de gewenste nieuwe functionaliteiten worden toegevoegd. Daarbij worden afspraken gemaakt over de bestandsformaten, zodat een felexibele uitwisseling van modelresultaten mogelijk is en later een interactieve aanpassingen van de simulaties. 41

50 8.4.4 Toepassingen De behaalde vooruitgang op het gebied van het informatieraamwerk, de rekenkern en de visualisatie wordt in het eerste jaar direct toegepast voor een aantal pilot gebieden en een calamiteitenoefening. De bevindingen hieruit worden meegenomen voor het volgende jaar. 8.5 Projectorganisatie Algemene opzet Voor de projectorganisatie wordt voorgesteld om drie groepen te onderscheiden: Stuurgroep, hierin hebben de opdrachtgevers van het project zitting. De rol van de stuurgroep is om het project op hoofdlijnen te sturen en strategische besluiten te nemen. De stuurgroep komt drie maal per jaar bijeen om de voortgang te bespreken en richting te geven aan het project; Projectgroep. De projectgroep bestaat uit de projectleider van Delfland, de projectleider van het consortium en de trekkers van de werkgroepen. De projectgroep komt maandelijks bijeen. Vaste agendapunten zijn de inhoudelijke voortgang, de procesmatige voortgang en de financiële voortgang van het project. Werkgroepen. Onder de projectgroep functioneren een aantal werkgroepen. In eerste instantie wordt gedacht aan 5 werkgroepen, te weten: Informatieraamwerk Versneld rekenen Visualisatie Case studie overstroming Case studie wateropgaves In elke werkgroep is een trekker en zijn medewerkers van de opdrachtgever betrokken. De werkgroepen komen maandelijks bijeen om de inhoudelijke werkzaamheden en de voortgang te bespreken. 42

51 de stappen nader zijn uitgewerkt en de deel en eindproducten worden benoemd. Alle documentatie wordt digitaal bewaard en is via een inlog account via internet toegankelijk Benodigde inzet van Delfland De inzet van Delfland is in de eerste plaats de bemensen van de projectorganisatie in de stuurgroep, projectgroep en de werkgroepen. Het is niet noodzakelijk voor het project om meer of nieuwe data te verzamelen, omdat in dit project vooral gebruik wordt gemaakt van externe databronnen. Voor het IT raamwerk is ondersteuning van de ICT afdeling belangrijk, waarbij vooral de toegang en toegangsrechten tussen het interne netwerk en de externe servers aan bod moeten komen. Door gebruik te maken van cloud computing is na de initiële installatie weinig ondersteuning vereist. Voor de case studies is een actieve deelname gewenst van medewerkers, om de resultaten te beoordelen en voor de communicatie met derden. Door de case studies te combineren met actuele en voorgenomen projecten kan slim gebruik worden gemaakt van de combinatie met het onderhavige project. Het is verstandig om in een vroeg stadium na te gaan denken over het beheer en onderhoud van het instrumentarium, vooral van de data. Het automatiseren van het modellenbeheer betekent niet dat er geen beheer nodig is. 8.6 Kosten en financiering Projectkosten In onderstaande tabel is een begroting weergegeven per deelproduct. De totale kosten per jaar komen hier ongeveer op de genoemde 1 miljoen per jaar. Per deelproduct zal in een later stadium een gedetailleerde activiteitenplanning worden gemaakt. 43

52 Onderdeel Jaar 1 dgn Jaar 2 dgn Jaar 3 dgn Jaar 4 dgn Informatie raamwerk Gebruikersinterface Uitbreiden bestaande funct. 80 Interactief simuleren 90 Export naar 3d visualisatie 50 Eindversie en aanpassingen 70 Database meet en modeldata generieke structuur en instal. 70 combinatie meet- en model 60 uitbreiden functionaliteiten 75 Eindversie en aanpassingen 70 Modellen neerslag afvoer in raamwerk 80 aansturing van modellen 80 Automatisch updaten scen. 90 Eindversie en aanpassingen 70 Rekenkern Overstromingsmodel versnelling factor versnelling factor versnelling factor afronding onderzoek 100 Neerslag afvoer prototype distributed 200 integratie met overstroming 250 uitbreiding functionaliteit 100 afronding onderzoek 100 Nieuwe Sobek kern definitie database 60 prototype 75 productieversie 200 Externe Koppelingen 70 Visualisatie d-presentatie prototype 100 specialisten tool 100 productversie 100 Interactief simuleren in 3d prototype 40 specialisten tool 40 productversie 100 Toepassing Overstroming 2 pilot gebieden polders polders 100 alle polders 100 Neerslag afvoer 1 pilot gebied 40 5 polders polders 60 alle polders 60 Calamiteiten Calamiteiten oefening Delft 30 Calamiteiten oefening 30 Calamiteiten oefening 30 Calamiteiten oefening 30 projectmanagement Totaal dagen Tabel 8.2: Begroting Beheer en onderhoudskosten Naast de projectkosten zijn er ook software- en hardwarkosten en kosten voor beheer en onderhoud: Softwarekosten: per jaar. Hieronder worden licentiekosten en bij de software behorende beheer en onderhoudskosten gerekend; Hardwarekosten: per jaar. Hieronder worden de kosten van servers en bijbehorende voorzieningen zoals back-up-systemen gerekend; Onderhoud modellen en metingen en meetinstrumenten: reguliere taak van een bestaande medewerker (1fte) Financiering 44

53 Tabel 8.3: Bedragen (in miljoenen) per financier in het eerste jaar en toezeggingen volgende jaren. De bedragen zijn inclusief BTW en exclusief de inspanning van de medewerkers van de betrokken waterschappen. Financiers Jaar 1 (2010) Jaar 2 (2011) Jaar 3 (2012) Jaar 4 (2013) Kennis voor klimaat Hoogh. van Delfland (inclusief verkenningsrapport) 230 Hoogh. Hollands Noorderkwartier 230 Waterkader Haaglanden Eigen bijdrage consortium (TU, N&S en Deltares) Totaal jaar 1:

54 Literatuurlijst D. Alkema, Simulating floods. On the application of a 2D-hydraulic model for flood hazard and risk assessment, University of Utrecht, 2007, Dissertation Liang Q, Borthwick AGL, Stelling G, Simulation of dam- and dyke-break hydrodynamics on dynamically adaptive quadtree grids, international journal for numerical methods in fluids 46 (2): sep T. Ishigaki, T. Keichii and I. Kazuya, Hydraulic model tests of urban area in underground space, proceedings XXX IAHR congress, pp , 2003 G.S. Stelling and S.P.A. Duinmeyer, A staggered conservative scheme for every Froude number in rapidly varied shallow water flows, Int. J. for Num. Meth. in Fluids,.43; , A.W. Hesselink, G.S. Stelling, J.C.J. Kwadijk and H. Middelkoop, Inundation of a Dutch river polder, sensitivity analysis of a physically based model with historic data, Water Resources, 39 (9): art. no SEP A.W. Hesselink, History makes a river. Morphological changes and human interference in the river Rhine, University of Utrecht, 2002, dissertation J.F. Dhondia and G.S. Stelling, Application of one dimensional two dimensional integrated hydraulic model for flood simulation and damage assessment, Proceedings of fifth international conference of hydroinformatics, edited by R.A. Falconer, B. Lin, E.L. Harris and C.A.M.E Wilson, 2002 Clemens, FHLR (Section Sanitary Engineering) (-). Hydrodynamic models in urban drainage: application and calibration. TU Delft, 2001, 365 pp., dissertation, V. Casulli, A high-resolution wetting and drying algorithm for free-surface hydrodynamics, International Journal for Numerical Methods in Fluids, Volume 60, Issue 4, Date: 10 June 2009, Pages: Mark J. Harris, University of North Carolina at Chapel Hill., GPU Gems: Programming Techniques, Tips, and Tricks for Real-Time Grahpics. Chapter 38: Fast Fluid Dynamics Simulation on the GPU, John D. Owens, Mike Houston, David Luebke, Simon Green, GPU Computing

55 I Informatieplan Delfland Het Hoogheemraadschap van Delfland heeft een strategisch informatieplan opgesteld om richting te geven aan de informatievoorziening binnen Delfland. De ontwikkeling van het beoogde informatiesysteem moet binnen de kaders van dit strategisch informatieplan passen. In dit gedeelte wordt kort de relatie gelegd tussen het informatieplan en het beoogde informatiesysteem. Een gedetailleerdere beschrijving is te vinden in bijlage IX. Het Waterbeheerplan stelt een transparante, publieke verantwoording van Delfland voor. Het beoogde informatiesysteem is (in principe) openbaar toegankelijk via internet. Delfland kan zelf beslissen in welke mate zij de informatie voor burgers beschikbaar stelt, door het werken met autorisatie-niveaus. ICT-ontwikkelingen uit het informatieplan die worden gevolgd zijn elektronische dienstverlening en het gebruik van open source software. Het beoogde informatiesysteem valt geheel binnen de ontwikkeling van elektronische dienstverlening, omdat het hele informatie systeem via internet toegankelijk is en onderhouden wordt. Er worden verschillende softwarepakketten gebruikt, zoals FEWS (real-time informatiesysteem), Lizard (ontsluiten van informatie) en Sobek (modelleerpakket). Voor deze pakketten zijn wel een licenties nodig, maar deze zijn kosteloos voor FEWS en Lizard. Voor Sobek zijn wel licentiekosten verschuldigd, maar hierover worden gesprekken gevoerd. Bij de realisatie van nieuwe componenten wordt gestreefd alle software kosteloos beschikbaar te stellen, omdat dit past in het beleid van de ontwikkelaars de TU-Delft, Deltares en Nelen & Schuurmans. In het strategisch informatieplan worden verschillende strategische clusters benoemd, die worden weergegeven via `het informatiehuis van Delfland`. Ook binnen dit informatiehuis is de transparantie van de informatie en de elektronische dienstverlening belangrijk. Er worden hoge eisen gesteld aan de communicatie en de transparantie van de dienstverlening. Het beoogde informatiesysteem zal hier goed op aansluiten. Daarnaast zijn kennismanagement en innovatie een belangrijke aspecten binnen het informatiehuis van Delfland. Het beoogde informatiesysteem brengt kennis op verschillende gebieden en verschillende sectoren bij elkaar. Iedere werknemer heeft (onafhankelijk van zijn of haar eigen sector) hier toegang toe, waardoor deze kennis gedeeld wordt. De beschikbaarheid van de kennis binnen Delfland wordt op deze manier geborgd. Daarnaast is het vernieuwde informatiesysteem innoverend. Niet alleen op het gebied van kennismanagement, maar ook op de processen en toepassingen ervan (sneller rekenen, integraal en interactief, 3D visualiseren). Door de betrokkenheid van de TU-Delft en Deltares is er sprake van het extern delen van kennis en biedt het beoogde systeem een unieke kapstok voor meer innovaties. Het strategisch informatieplan heeft ook aandacht voor mogelijke cultuurveranderingen die kunnen ontstaan na de invoering van vernieuwde informatiesystemen. Er dient voldoende aandacht te zijn voor 'de zachte kant' van deze verandertrajecten. Doordat het nieuwe informatiesysteem niet in één keer wordt gerealiseerd, maar gefaseerd tot stand komt (in een vierjarig verloop), is er tijd om aan geleidelijk aan deze cultuurverandering te werken. Als laatst onderscheidt Delfland acht verschillende ontwerpprincipes waaraan voldaan moet worden, bij verdere ontwikkeling van de informatie voorziening. Tijdens de ontwikkeling van het vernieuwde informatiesysteem zal er met deze ontwerpprincipes rekening worden gehouden. 47

56 II Bijlage Numerieke versnelling Introduction Floods are an increasing hazard to the populations of many countries. Flooding actually occurs from a range of causes and conditions. For example coastal flooding might be due to heavy storms, such as hurricanes. Inland flooding is often the result of severe rainstorms or of rapid snow melt on upstream watersheds. Another cause of flooding is dike failure. Subsidence, as water slowly saturates the dikes during long periods of rain, is a serious risk for flooding. The hazards of floods range from only some local, not life-threatening, inconvenience such as flooding of streets, to large scale disaster such as New Orleans. Flood protection can be divided into static or dynamic methods. A dike for instance, can be considered as a static way of protection while a storm surge barrier that is closed only during severe conditions can be considered as a dynamic protection method. Timely alerts to the public including perhaps evacuation can also be considered as dynamic protection. Dynamic protection requires action based upon accurate decision making. Accurate decision making requires accurate and detailed information. The generation of such information involves monitoring and prediction of flow and water levels. Monitoring and prediction requires data collection and modelling with data assimilation. For storm surges and also tsunami events these systems are operational on a word wide scale. In some situations however, the time is only very limited, less than an hour. Modelling systems can be used for on-line operational warnings but also for off-line risk assessment regarding the vulnerability for floods of certain areas. These models can be used for the analysis of the effectiveness of protection measurements, for evacuation planning including training of the local authorities and even these models can be applied for planning of the infrastructure with reduction of flooding risks. In general one can state that the application of these offline models, including flood maps and animations of the flood, contribute a lot to the awareness of the authorities of flooding effects. It contributes tot the effectiveness of disaster management. In the Netherlands two modelling systems are in use for flooding assessment: DelftFLS and SOBEK1D/2D. Verification of these models is described in Hesselink(2002),Hesselink et al(2003), Stelling and Duinmeyer(2003), Alkema(2007) The purpose of the research on computing the model is the further improvement of the SOBEK 1D/2D system for flood risk assessment in both rural and urban areas. In particular the integration of this system with extreme high resolution input data as well as with virtual reality systems. The development of such as model implies many scientific challenges that we will briefly summarize in this introduction. In Computational Fluid Dynamics, it is common to consider the physical, the mathematical and the numerical aspects as an integrated whole. The software to be constructed will be constructed in such a way that it is suitable, to floods of a different origin in both urban and rural areas. Therefore these aspects will be briefly mentioned here as well. Physical and mathematical aspects of floods For this part the following distinction can be made: 1. The origin of the flood 2. The dynamics of the flood Flood origins Floods are caused by numerous sources, for instance:tsunamis, Storm surges for instance due to hurricanes, Rain storms and dike and dam failure. 48

57 Model formulations for these various sources, should be available. Moreover, quite often several causes occur simultaneously, such as hurricanes, rainstorms and dam failures. Each of the various sources will impose different requirements: Storm surges To model storm surges the models should have state of the art formulations for wind water interaction, including interaction with wave models such as SWAN. It is also important that the model contains state of the art formulations for heavy storms over shallow water, this is both from the numerical and physical point of view a complex problem. Rain storms The effect of rain storms is often modelled in the form of so-called rain fall run off models. These are statistical relations between rain fall and discharges in the drainage system. In particular during extreme events, with a local character of the rain storms, these statistical approaches are highly unreliable. Our modelling system will aim at a more deterministic approach where rainfall and runoff are modelled directly. This requires an integrated approach of ground water infiltration and overland flow. In urban areas it also requires modelling of the interaction between street flow and inflow to the sewers via man holes. Dike breaks Dike breaks, such the collapse of dikes or high hydro dams, are a phenomenon that leads to rapidly varying flows. Examples are hydraulic jumps and bores. The model should have the capability to simulate rapidly varying flows with sufficient accuracy. This requires the capability of shock capturing. Another complex morphological issue is the growth of a breach in a clay or a sand dike during strong flows. Flood dynamics The dynamics of the flood depends upon the area where the flood takes place. For this purpose we make a distinction between rural areas and urban areas. Rural areas Rural areas consist of land and a drainage/irrigation system. The drainage varies from drainage by rivers, channels, ditches, etc. In the initial stage of a flood the drainage system plays an important role. For instance a river mouth will have a significant influence on floods caused by a tsunami. To model flow with sufficient accuracy the narrow components of a drainage system will have to be modelled as a 1-dimensional network system. Other modelling approaches will yield computational requirements that even large scale computer clusters will be unable to fulfil. However during the flood event dry land will be inundated, often partly from the drainage system. For this purpose the interaction between the drainage system and the land should be modelled accurately. Overland flow typically has a 2 dimensional flow character. Thus this requires accurate interaction between 2 dimensional flow and 1 dimensional networks. This type of modelling is relatively new and only few models are available. In particular the correct integrated conveyance of an inundated part that also contains a sub-grid ditch is a complex issue. If the dry land is inundated then the flow is considered to be overland flow. Overland flow in rural areas is highly influenced by infiltration and friction due to vegetation. Vegetation varies from dense woods to recently planted crop fields. In Indonesia for instance one might be interested in the impact of a tsunami on both mangrove vegetation but also on irrigated rice fields. During overland flow the flow is also influenced by elements such as elevated roads and levees. These elements are to be considered as 1D line elements and the effect on the flow 49

58 is to be modelled with sub grid formulations taking into account the proper energy head losses due to the locally rapidly varying flow, perhaps including hydraulic jumps. Urban areas In urban areas the normal drainage takes place in various ways. It flows via sewers but often also via open channels and small ditches. The dry area consists of (paved) streets, squares, buildings, etc. During floods, due to the narrowing effect of roads surrounded by buildings, very strong and damaging flows might occur. In particular when the flow carries a lot of debris. Sometimes also mud flow can be very harmful in cities. The flow patterns in cities can be very complex including phenomena such as oblique hydraulic jumps, due to sudden directional changes of roads with buildings. Another complexity is due to the interaction of the roads with the drainage system, including sewers. In big cities sometimes subways are to be taken into account as well. To model this again an integrated 1D/2D system is useful. The normal drainage is modelled by a 1D system while the dry area is to be modelled with a 2D system. The 2Dgrid must be able to depict complex patterns, consisting of roads, buildings, etc. quite accurately. This will probably require an unstructured grid consisting of triangles and quadrilaterals. At present only limited research is known in the literature on the accurate modelling of floods in urban areas. A physical model, including subways, is described by Ishigaki(2003) Computational and numerical aspects Land with roads, buildings, trees, etc., often has a much more inhogeneous character than a sea bottom. To model floods accurately many details are important which will require a relatively small grid size. With present inundation models a million grid points is no exception. For a reasonable computing time per simulation it is necessary to speed up the process of computing. There are two main leading ideas to improve the performance of the water flow computing algorithms: 1. Sub grid modelling 2. Computing on graphic processors Sub grid modelling Approach An interesting and new development is found in a paper by Casulli(2009). Rather than having just one depth value per computational cell he shows that having a detailed sub grid with depth values per computational can greatly improve the flooding and drying characteristics of a computational model. This technique forms a very interesting starting point for the numerical integration of high resolution depths and elevation data with relative lower resolution computational cells. In this way the high resolution land data is used by the simulation system without the computational impossibility of billons of computational cells. This approach can not only be applied as some kind of automatically generated cut cell technique, but this information can also be applied for improved computation of shear stress values per computational grid cell. Perhaps even in some cases automated grid refinement of the computational cells could be based upon the sub grid information. 50

59 Computational results The effect of the approach using a grid and a subgrid has been demonstrated for a schematised meandering river profile on a rectilinear grid. Without going to much in detail the general idea of using subgrids can be illustrated by some picture. Picture 8.5 shows a fine grid schematisation and picture 8.6 a coarse grid schematisation. The coarse grid schematisation was based upon the fine bathymetry by averaging the 16 fine grid bottom level values in each waterlevel cell of the coarse grid. In picture 8.7 the velocity pattern of the river is depicted. For the meandering river profiel river discharges have been computed, while measuring the computation times for a 6 hours simulation periof for the coarse grid, the coarse grid plus the fine grid and the fine grid. The results are shown in the next table: Computed discharge(m 3 /s) Computation time (s) Coarse grid ,54 Coarse grid + fine grid ,67 Fine grid ,3 Tabel 2: The results of computations on a coarse grid, fine grid and the coarse grid plus the fine grid. The results of the combination of a fine and coarse grid are very close to the results of the fine grid computation (just a difference of 0,7%) at only 3% of the computational costs. The approach using a fine and a coarse grid is most appropriate if we have relatively small velocity fluctuations in flow direction or relatively small variations in bathymetry in flow direction. More performance testing is required for bathymetries varying more strongly in flow direction than in our example. 51

60 Figuur 8.5: Fine grid (10 m) bathymetry schematisation Figuur 8.6: Coarse grid (40 m) bathymetry schematisation Figuur 8.7: Velocity pattern (m/s) on coarse grid 52

61 Computing on graphic processors Introduction Besides improving the computational model, it is also possible to improve the hardware to process the computations. One of the most promising piece of hardware to speed up the computations for now but also for the future is the graphic processor unit (GPU) 1. Although a GPU is lot more faster than a CPU in terms of floating point operations, they are not suitable for all problems. GPU's are optimized for parallel processing, which means that a GPU can process mutliple pixels and vertices simultaneously. And due to the nature of the differential equations that describe a water flow, GPU's seem very promising for these kind of problems. In short, the programmable GPU's are optimized for processing computations for many pixels. In waterflow computations grid cells are used, which in graphic processing can be considered as a pixel. Recent developments Figuur 8.8: A GeForce 8800GTX graphical card used for reseach project at the Beckman Institute. In 2003 programmable GPU's where introduced and since the introduction many research has been done on using the GPU for non-graphics applications. The Programming Interface for the GPU was in the early years focused on graphics applications, but has become more and more attractive for general purpose computing. One of the recent developments in the field of GPU-programming is the development of CUDA by NVIDIA. CUDA is a technology to use C-code to program the GPU and makes development for the GPU more easy. Because of this, CUDA has become very popular for research. One of the recent researches on speeding up algorithms has been done by the Beckman Institute in March A general conclusion of the research on speed improvement of algorithms processing on a GPU using CUDA is that all the algorithms can be processed 10 times faster on a GPU than on a CPU. Besides benchmark researches also practical applicable software is developed for the GPU. In september of 2009 an open source library for solving partial differential equations over regular grids has been released. The library uses the CUDA platform from NVIDIA. Benchmarks shows that the algorithm can perform about 8 times faster than equivalent Fortran code running on a 8-core Xeon (Intel CPU). 1 In 2008, the fastest graphical processor can do 17 times more mathematical operations per second than the fastest PC processors (CPU). Furthermore, the annual growth of the GPUperformance is about 2.5, while the annual growth for CPU is about 1.5. The drawback of a GPU is that only singe precision calculations can be processed fast, which means that only the first 7 decimals are precise. 53

62 An other recent development is the open standard OpenCL for programming parallel heterogeneous tasks across GPUs and CPUs. The open standard is supported by many manufacturers of graphic cards and also software development kits for OpenCL have been created. Hardware Figuur 8.9: Visualisation of a fluid using simulation techniques on a GPU. One of the main advantages of using a GPU for computations is that GPU are rather cheap. A programmable GPU can be found in the category 500,- till 1000,-. As each graphic card has its own specifications it is important to study the graphic cards from several manufacturers (at least NVIDIA and ATI). To improve computation speed more it is useful to look at the possibilities for clustering multiple GPU's. Research A lot mathematical and phyiscal aspect have been implemented already in the existing SOBEK 1D/2D model, a computer model for flooding simulations. The present development aiming at the following characteristics for giving faster, but more accurate and detailed flooding information are: Combined 1D and 2D model, i.e. 1D flow for the normal drainage in rivers, channels, sewers, etc. and 2D for the overland flow. The 2D part is based upon unstructured grids consisting of triangles and quadrilaterals Accurate flooding and drying based on sub-grids Optimal and improved accuracy based on full exploitation of the sub-grid concept. Accurate and numerical stable strong wind stress implementation, also at very shallow parts. Implicit capability of energy loss estimation at locally rapidly varying flows for instance due to road banks etc. Speeding up the software by using a faster method for write and read actions Speeding up the software by using GPU's. To use the full performance of a GPU it is necessary to analyse both the Sobek algorithm and the way how the GPU works. The goal is to improve the software by implementing the algorithm in the way that suits the GPU the best. A lot of research has been completed and some of the results are already implemented within the Delft Hydraulics SOBEK 1D2D system. However a final step towards true implementation on a massive parallel platform including detailed implementation of urban 54