MetaSWAP. Onverzadigde zone en koppeling aan grondwatermodel. Paul van Walsum en Ab Veldhuizen

Transcriptie

1 MetaSWAP Onverzadigde zone en koppeling aan grondwatermodel Paul van Walsum en Ab Veldhuizen

2 Inhoud Inleiding Rekenconcept onverzadigde zone Koppeling met grondwatermodel Toetsing MODFLOW-MetaSWAP aan SWAP Conclusies 2

3 Inleiding Volledige Richards modellen zeer rekenintensief, vooral als ze geïntegreerd worden met een regionaal grondwater model (Hydrogeosphere, muphi) 3

4 Inleiding Volledige Richards modellen zeer rekenintensief, vooral als ze geïntegreerd worden met een regionaal grondwater model (Hydrogeosphere, muphi) Simpele lumped modellen het andere uiterste: Probleem om capillaire opstijging te berekenen Kunnen niet voldoen aan vereisten tbv waterkwaliteit 4

5 Inleiding Alternatief: quasi-steady state modellen Wesseling (1957), Rijtema, Reitsma, Feddes De Laat (1982): MUST MetaSWAP Snel (10-50X SWAP) Efficiënt koppelbaar aan grondwatermodel 5

6 MetaSWAP Waterbalans Richards vergelijking: θ t + q z = τ θ : vochtgehalte (m 3 m -3 ) q : vertikale flux (m d -1 ) τ : bronterm (m 3 m 3 d -1 ) 6

7 MetaSWAP Waterbalans Richards vergelijking: θ t + q z = τ θ : vochtgehalte (m 3 m -3 ) q : vertikale flux (m d -1 ) τ : bronterm (m 3 m 3 d -1 ) Oplossen van Richards in twee stappen: Steady state profielen, opslag in database Combineren van profielen met waterbalans tijdens simulatie in combinatie met grondwater model 7

8 MetaSWAP Steady state profielen: fijne resolutie z (m) root zone T > 0 I > 0 q (mm d -1 ) h m 3 m -3 8

9 Metafunctie voor de vertikale flux q q(p r,h): p r : gemiddelde drukhoogte wortelzone h : grondwaterstand 9

10 Aggregatieboxen voor waterbalansen Volgt het principe van subgrid rekenen Swap compartimenten Aggregatiebox 1 (wortelzone) Aggegatie box 2 Aggegatie box 3 Aggegatie box 4 10

11 Metafunctie voor berging in de wortelzone s r (p r,h): s r : berging wortelzone (m) p r : gemiddelde drukhoogte wortelzone (m) h : grondwaterstand (m) s 2 (p r,h) voor tweede box, enz 11

12 Simulatie van percolatie z (m) 0.0 wortelzone h q = m 3 m -3 12

13 Simulatie van percolatie z (m) root zone q 0 = - 16 mm d h m 3 m -3 13

14 Simulatie van percolatie Schematisering: Scherpe overgang van profielen bij boxgrens Geen invloed extra gradient bij boxgrens z (m) 0.0 root zone q 0 = - 16 mm d -1 Δs r z (m) root zone T > 0 I > 0 q (mm d -1 ) q r h m 3 m h m 3 m -3 14

15 Simulatie van percolatie Integratie Richards vergelijking over wortelzone box: θ t + q z = τ Δs r / Δt + (q 0 q r ) = 0 Δs r q r Δt = - q 0 Δt z (m) 0.0 root zone q 0 = - 16 mm d -1 Δs r -0.5 q r h m 3 m -3 15

16 Simulatie van percolatie Σ = Δs r q r Δt Δs r q r Δt = -q 0 Δt = 16.0 p e p r z (m) 0.0 root zone q 0 = - 16 mm d -1 Δs r q r h m 3 m -3 16

17 Simulatie van percolatie Σ = Δs r q r Δt 16.0 p e p r j+1 p r z (m) root zone q r = -3.8 mm d -1 q 0 = - 16 mm d -1 Δs r = 12.2 mm h m 3 m -3 17

18 Simulatie van percolatie z (m) root zone q r = mm d -1 q 0 = - 16 mm d -1 Δs r = 12.2 mm Δs 2 = 3.4 mm h q 2 = mm d m 3 m -3 18

19 Simulatie van percolatie: vergelijking met SWAP z (m) 0.0 box 1 (wortelzone) q0 = -16 mm d -1 t = 1 d -0.5 box 2 t = 0 t = 1 d -1.0 box MetaSWAP SWAP m 3 m -3 19

20 Simulatie van percolatie nader beschouwd z (m) 0.0 box 1 (wortelzone) box t = box 3 p r = m p (m) 20

21 Simulatie van percolatie nader beschouwd z (m) 0.0 box 1 (wortelzone) box t = d box p (m) 21

22 Simulatie van percolatie nader beschouwd z (m) p r (m) 0-0, box 1 box 2 box 3 box 1 (wortelzone) ,5-0.4 box t = 2 d 3 d 4 d box p (m) 22

23 Simulatie van percolatie: vergelijking met SWAP z (m) p r (m) 0-0, box 1 box 2 box 3 box 1 (wortelzone) ,5-0.4 q (mm d -1 ) box t = 2 d 3 d 4 d -1.0 q tot (mm) box p (m) 23

24 Extreme infiltratie en runoff Infiltratie is een complex proces, vooral in droge grond Aangedreven door zwaartkracht + zuigkracht Volledig Richards modellen hebben er moeite mee Correcte simulatie vereist kleine tijdstappen en kleine compartimenten 24

25 Rekenexperiment met SWAP Initiële pf van 4, leemgrond 100 mm neerslag in 4 u 45 Infiltratie (mm) ,5 2 2,5 3 3,5 4 4, Δz (m) dt_0.001d 25

26 Infiltratiecapaciteit wordt in MetaSWAP bepaald door: Infiltratiecapaciteit van maaiveld, I max Verzadigde doorlatendheid net onder maaiveld, k sat Verzadigingsdeficiet wortelzone S sd,r /Δt + q max Totale verzadigingsdeficiet (S sd,r +S sd,s )/Δt + q modf z (m) 0.0 root zone S sd,r I max k sat -0.5 q max -1.0 S sd,s -1.5 h q modf m 3 m -3 26

27 Rekenexperiment met SWAP/MetaSWAP 100 mm neerslag in 4 u Afstromingsweerstand van 0.05 d, drempel van 3 mm Δz = 1 mm, Δt = d Infiltratie (mm) SWAP_pF2 SWAP_pF4 MetaSWAP t (u) 27

28 Capillaire opstijging z (m) 0.0 wortelzone T = 5 mm d q = h m 3 m -3 28

29 Capillaire opstijging: vergelijking met SWAP z (m) p r (m) box 1 box 2 box 3 box q (mm d -1 ) 2,5 2 1,5 1 0, box 1 box 2 box 3 SWAP_1 SWAP_g3 box 2 t = 30 d 5 d q tot (mm) box 1 box 2 box 3 SWAP_1 SWAP_g 3 box pf (-)

30 Koppeling met MODFLOW Twee opties voor balansen: Systeem- volumes Controle- volume Onverzadigde zone Onverzadigde zone Grondwater Grondwater 30

31 Koppeling met MODFLOW Koppelingsbalans voor gemeenschappelijk controlevolume Implementatie met Controlevolume dynamische bergingscoëfficiënt μ Onverzadigde zone μ (h n h o ) = (q msw + q mod ) t Grondwater 31

32 Toetsing koppeling MODFLOW-MetaSWAP Klopt het eigenlijk wel? Vergelijking MODFLOW-MetaSWAP met SWAP MODFLOW-dummy : alleen drainageflux h (m) -0, ,5 SWAP MF-MSW -2-2,5 Model N (mm/j ETact (mm/j) R (mm/j) SWAP MF-MSW_1d

33 Kunnen we met MODFLOW-MetaSWAP ook op decadebasis rekenen? 33

34 Kunnen we met MODFLOW-MetaSWAP ook op decadebasis rekenen?, ,5000 h (m) -1,000-1,5000-2,000 MF-MSW_1d MF-MSW_10d -2,5000 Model N (mm/j ETact (mm/j) R (mm/j) SWAP MF-MSW_1d MF-MSW_10d

35 Toetsing, afhankelijk van doel Watervoorzieningsstudies Afvoerstudies Waterkwaliteit 35

36 MetaSWAP verdamping : verificatie op SWAP voor 30 jaar run Verschil totale verdamping van SVATs, steekproef 36

37 37

38 Maximale afvoer goed gedraineerd perceel 30 jaar run, gewogen gemiddelde over bodems q max (mm d -1 ) SWAP MF-MetaSWAP d 12u 6u 3u 1u SWAP Δt 38

39 Conclusies MetaSWAP is snel (10-50X SWAP) en goed koppelbaar aan MODFLOW MetaSWAP is een goede emulator van SWAP, behalve op momenten met Hortonian runoff, met gevolgen voor piekafvoeren en nutriëntenvrachten MetaSWAP voldoet voor regionale berekeningen van watervoorziening Toepassingsbereik van MetaSWAP kan worden vergroot door gebruik van infiltratietabellen gebaseerd op rekenexperimenten met SWAP 39

40 Vragen? 40

41 Lijst van verbeteropties MetaSWAP Infiltratie met gebruik van tabellen gebaseerd op rekenexperimenten met SWAP Sneeuw en vorst Hysterese Preprocessing met SWAPsteady volledig automatiseren, aparte bestanden per bodem Koppeling met Waterwijzers, online, niet via verbeterde Help-tabellen: Zuurstofstress Kwel naar de wortelzone

42 Capillaire opstijging z (m) 0.0 wortelzone T = 5 mm d q = h m 3 m -3 42

43 Capillaire opstijging Klassieke methode (Wesseling, Rijtema) z (m) wortelzone T = 5 mm d -1 qr -1.0 q = h q h m 3 m -3 43

44 Capillaire opstijging Klassieke methode (Wesseling, Rijtema): q r =q h +Δs/Δt Extra term als gevolg van niet-stationaire gradient z (m) wortelzone T = 5 mm d -1 qr Δs -1.0 q = h q h m 3 m -3 44

45 MetaSWAP: niet-stationaire capillaire zone Meetrekken van vochtprofiel alleen in box 2 Dikte kalibreren op SWAP z (m) 0.0 wortelzone T = 5 mm d -1 s r -0.5 niet-stationaire capillaire zone qr s s q = q h -1.5 box m 3 m -3 45

46 Vergelijking met SWAP: capillaire opstijging door T pot = 5 mm/d z (m) p r (m) box 1 box 2 box 3 box box t = 30 d 5 d box pf (-) 46

47 Vergelijking met SWAP: capillaire opstijging door T pot = 5 mm/d z (m) p r (m) box 1 box 2 box 3 box q (mm d -1 ) 2,5 2 1,5 1 0, box 1 box 2 box 3 SWAP_1 SWAP_g3 box 2 t = 30 d 5 d q tot (mm) box 1 box 2 box 3 SWAP_1 SWAP_g 3 box pf (-)