Studie naar de bandbreedte van een Q(h)-relatie bij de koppeling tussen SOBEK en SIMGRO

Studie naar de bandbreedte van een Q(h)-relatie bij de koppeling tussen SOBEK en SIMGRO

TU DELFT 22 juni 2005 Eindrapport H37403 J.C.S. Hornschuh Studienr: 9365191

Hoofdweg 490 Postbus 8520 3009 AM Rotterdam +31 (0)10 286 54 32 (010) 220 00 25 [email protected] www.royalhaskoning.com Arnhem 09122561

Documenttitel

Studie naar de bandbreedte van een Q(h)relatie bij de koppeling tussen SOBEK en SIMGRO

Verkorte documenttitel

Bandbreedte Q(h)-relatie

Status

Eindrapport

Datum

22 juni 2005

Projectnummer

H37403

Opdrachtgever

TU DELFT

Referentie

Auteur(s) Collegiale toets Datum/paraaf Vrijgegeven door Datum/paraaf

H37403/R00001/JORDY/Rott1

J. Hornschuh Ir. H. ten Dam ………………….

………………….

Ir. E. Bosman ………………….

………………….

Telefoon Fax E-mail Internet KvK

GEGEVENS AFSTUDEERCOMMISSIE Professor

prof. dr. ir. C. van den Akker (TUD, Hydrologie) Stevinweg 1, kamer 4.94 2600 GA Delft 015-2781377 [email protected]

Dagelijks begeleider

dr. ir. M.J.Baptist (TUD, Hydrologie) Stevinweg 1, kamer 4.96 2628 CN Delft 015-2789450 [email protected]

Begeleider

drs. S.C. Kramer (TUD, Waterbouw) Stevinweg 1, kamer 2.89 2628 CN Delft 015-2786938 [email protected]

Externe begeleider

ir. H.J. ten Dam Royal Haskoning Postbus 8520 3009 AM Rotterdam 010-2865472 [email protected]

Externe begeleider

dr. ir. W.J. Zaadnoordijk Royal Haskoning Postbus 8520 3009 AM Rotterdam 010-2865599 [email protected]

Bandbreedte Q(h)-relatie Eindrapport

-i-

H37403/R00001/JORDY/Rott1 22 juni 2005

VOORWOORD Voor u ligt het eindrapport van mijn afstudeeronderzoek “Studie naar de bandbreedte van een Q(h)-relatie bij de koppeling tussen SOBEK en SIMGRO” bij de sectie Hydrologie en Ecologie aan de faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen van de Technische Universiteit Delft. Het afstudeeronderzoek is verricht in opdracht van Royal Haskoning. Royal Haskoning heeft voor berekeningen gebruik gemaakt van de koppeling tussen SOBEK en SIMGRO. Deze koppeling bestaat onder andere uit het met SOBEK afleiden van Q(h)-relaties en deze vervolgens te gebruiken voor SIMGRO. Deze koppeling is ontwikkeld binnen Royal Haskoning en wordt nu uitgebreid en beheerd door Alterra. In dit afstudeeronderzoek is een analyse gemaakt van de bandbreedte van een Q(h)relatie bij ingrepen in het oppervlaktewatersysteem. Bij aanvang van het onderzoek werd gedacht aan het vinden van oplossingen van knelpunten ter verbetering van de koppeling. Het opzetten van de benodigde modellen bleek meer tijd in beslag te nemen dan gedacht zodat ik na overleg met Alterra en Royal Haskoning heb gekozen om de bandbreedte van de Q(h)-relaties te onderzoeken. Graag wil ik Krijn-Jan Breur bedanken voor zijn advies bij aanvang van het onderzoek maar wegens ziekte mij niet verder kon begeleiden. Verder gaat mijn dank uit naar professor Cees van den Akker, mijn begeleiders aan de TU Delft, Martin Baptist en Stephan Kramer, mijn begeleiders bij Royal Haskoning, Harald ten Dam en Willem-Jan Zaadnoordijk, en Ab Veldhuizen (Alterra). Hierbij wil ik ook Etta Meuter bedanken voor de hulp bij SIMGRO en alle medewerkers van de adviesgroep waar ik voor alle vragen terecht kon. Tenslotte wil ik Royal Haskoning bedanken voor het mogelijk maken van het uitvoeren mijn afstudeeronderzoek. Rotterdam, 22 juni 2005 Jordy Hornschuh


- iii -


SAMENVATTING Bij studies naar het gedrag van oppervlaktewater en grondwater wordt vaak gebruik gemaakt simulatieprogramma’s. Er kunnen bijvoorbeeld berekeningen gedaan worden om effecten van ingrepen in een watersysteem of effecten van de klimaatverandering in kaart te brengen. Bij het modelleren van de werkelijkheid worden vereenvoudigingen gemaakt door processen, waarvan gedacht wordt dat deze een minimale rol spelen, te verwaarlozen. Er kan ook voor worden gekozen om ingewikkelde processen vereenvoudigd te simuleren. SIMGRO is een simulatieprogramma dat voor het modelleren van watersysteem de hydrologische processen mathematisch beschrijft (de berekeningen worden uitgevoerd met vergelijkingen die gebaseerd zijn op wat er in de grond plaatsvindt). Voor het modelleren van de stroming van water wordt gebruik gemaakt van een vereenvoudiging gebaseerd op het bakjesmodel. Het oppervlaktewatersysteem wordt opgedeeld in bakjes en stroming tussen deze wordt berekend met een peil-afvoerrelatie (Q(h)-relatie). SOBEK is een simulatieprogramma dat voor het modelleren van het oppervlaktewater gebruik maakt van de hydraulische formules (De Saint Venant vergelijkingen). Door met SOBEK de Q(h)-relaties af te leiden en deze te gebruiken voor de oppervlaktewaterafvoerberekening in SIMGRO. Hiermee wordt hydraulische kennis toegevoegd aan het SIMGRO model. Bij de huidige koppeling worden na een ingreep in het watersysteem opnieuw de Q(h)relaties met SOBEK afgeleid. Aangezien dit opnieuw afleiden van de Q(h)-relaties extra tijd kost is het nuttig te onderzoeken wat voor onnauwkeurigheid optreedt als niet opnieuw de Q(h)-relaties worden afgeleid. Om dit te onderzoeken zijn twee situaties gecreëerd: - Een ‘droge’ situatie zonder stuwen - Een ‘natte’ situatie met stuwen en een verhoogd streefpeil van 20 cm Met deze twee situaties kunnen twee ingrepen worden nagebootst. Een ingreep waar de stuwen worden geplaatst en een ingreep waar de stuwen worden verwijderd. De conclusie uit die deze experimenten kunnen worden getrokken is, dat afhankelijk van welk type ingreep en studie en gewenste nauwkeurigheid de Q(h)-relaties opnieuw afgeleid moeten worden: • • •

Bij studies waar gekeken wordt naar oppervlaktewaterstanden is het opnieuw afleiden van de Q(h)-relatie wel nodig. Bij een verandering van 20 cm komen onnauwkeurigheden voor van 10 cm. Bij studies waar gekeken wordt naar gemiddelde grondwaterstanden is het opnieuw afleiden van de Q(h)-relaties niet nodig. In het geval van een waterpeilverandering van 20 cm zijn de verschillen kleiner dan 5 cm. Bij een peilverlaging kunnen grotere verschillen optreden dan bij een peilverhoging. Voor het gebruiken van een Q(h)-relatie voor de situatie na de ingreep zijn kleine aanpassingen nodig. Bij een peilverlaging blijkt de verschillen afhankelijk te zijn van hoe deze aanpassingen worden gedaan.


-v-


In een watersysteem zijn allerlei ingrepen mogelijk. In dit onderzoek is alleen het effect van ingrepen met een stuw onderzocht. In de discussie is kort ingegaan wat er verwacht wordt indien andere ingrepen plaatsvinden. Om dit te toetsen zal vervolgonderzoek nodig zijn. Ook is er de mogelijkheid om de rekenmethode van SIMGRO aan te passen. Bij Q(h)relatie is het debiet afhankelijk van de waterhoogte in het bakje. In werkelijkheid zal de benedenstroomse waterstand ook een rol spelen. Door deze benedenstroomse waterstand te verwerken (Q(h,dh)-relatie) wordt verwacht een realistischer resultaat te verkrijgen.


Bandbreedte Q(h)-relatie - vi -

Eindrapport

INHOUDSOPGAVE

Blz.

VOORWOORD

iii

SAMENVATTING

v

1

INLEIDING

1

2

AANLEIDING EN DOEL ONDERZOEK 2.1 Studie Wateropgave 2.2 Studie GGOR 2.3 Probleemanalyse 2.4 Doel onderzoek en aanpak 2.5 Leeswijzer

3 3 3 4 6 6

3

THEORETISCHE ACHTERGROND 3.1 Beschrijving water in de bodem 3.1.1 Onverzadigde zone 3.1.2 Verzadigde zone 3.2 Beschrijving stroming in de waterlopen 3.2.1 De Saint-Venant vergelijkingen 3.2.2 Kunstwerken

7 7 7 7 10 10 11

4

BESCHRIJVING SIMULATIEPROGRAMMA’S 4.1 Beschrijving SIMGRO 4.1.1 Bodemwater 4.1.2 Grondwater 4.1.3 Oppervlaktewater 4.2 Beschrijving SOBEK 4.3 AlterrAqua 4.4 Koppeling van modellen 4.4.1 Wat doet een koppeling 4.4.2 Manier van communicatie 4.4.3 Moment van communicatie 4.4.4 Overdracht van gegevens

15 15 15 15 17 22 25 25 25 25 26 26

5

METHODE 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.3 5.3.1 5.3.2 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3

29 29 30 30 32 33 34 36 36 36 38 39 39

Modelgebied Opzet onderzoek Beschrijving situaties Beschrijving scenario 1: verdrogingscenario Beschrijving scenario 2: vernattingscenario SOBEK model Randvoorwaarden en aannamen Betrouwbaarheid van het model SIMGRO model Randvoorwaarden en aannamen Betrouwbaarheid van het model Periode van de berekening


- vii -


6

RESULTATEN ONDERZOEK 6.1 Wateropgave 6.1.1 Verdrogingscenario 6.1.2 Vernattingscenario 6.1.3 Verschil oppervlaktewaterstanden 6.1.4 Conclusie 6.2 GGOR 6.2.1 Verdrogingscenario 6.2.2 Vernattingscenario 6.2.3 Verschillenkaarten 6.2.4 Doelrealisatiekaarten 6.2.5 Conclusie 6.3 Verloop waterpeilen in watersysteem 6.3.1 Verdrogingscenario 6.3.2 Vernattingscenario 6.3.3 Conclusie

41 41 43 44 46 47 48 48 49 49 51 51 51 51 53 55

7

DISCUSSIE

57

8

EINDCONCLUSIES EN AANBEVELINGEN 8.1 Conclusies 8.2 Aanbevelingen

61 61 61

9

LITERATUUR

63

VERKLARENDE WOORDENLIJST BIJLAGEN 1. Gegevens van de waterlopen 2. Gegevens van de kunstwerken 3. Inundatie kaarten 4. Verschil waterstanden 5. GxG kaarten scenario 1 6. GxG kaarten scenario 2 7. Doelrealisatiekaarten 8. Neerslag 9. Invloed van de randvoorwaarden 10. Q(h)-relaties van de waterbakjes 1, 5 en 44 11. Handmatige rekensommen ter controle TABELLEN 1. Stelsel basisnormen 2. De inundatie (waterstand boven maaiveld) op 5-11-1998 (dag 309) voor scenario 1 zonder stuwen met alle peilvakken een gelijk streefpeil 3. De inundatie (waterstand boven maaiveld) op 5-11-1998 (dag 309) voor scenario 2 met stuwen en peilverhoging in peilvak 1 en 2 met 20 cm


Bandbreedte Q(h)-relatie - viii -

Eindrapport

FIGUREN Blz. 1. Schematisatie bakjesmodel 4 2. Verhoging benedenstroomse waterstand 5 3. Hydrologische kringloop 7 4. Watervoerende pakketten met verschillende stijghoogtes gescheiden door slechtdoorlatende lagen 8 5. Verschil in grondwaterstand als gevolg van de seizoenen 8 6. Oplossing van grondwaterstromingsvergelijking 10 7. Schema van model voor bodemwater 15 8. Eindige elementen-netwerk voor berekening van horizontale grondwaterstroming 16 9. Meetkundige relatie tussen ‘invloedsoppervlakken’ (een honingraatstructuur met dikke lijnen) en het eindige elementennetwerk van driehoeken (dunne lijnen) 16 10. Voorbeeld van een zogenaamde Q(h)-relatie van een oppervlaktewatertraject in SIMGRO 18 11. Gecombineerde bergings- en uitstroom(flux*dt) functie welke gebruikt wordt voor het oplossen van het onbekende waterpeil en het afvoerdebiet 19 12. Rekenwijze (in SIMGRO) voor stroming in de ‘omgekeerde’ richting 21 13. Sobek-CF-netwerk schematisatie 23 14. Schema van de koppeling van SOBEK en SIMGRO 26 15. Verloop in de tijd van de waterhoogte van een segment 27 16. Een Q(h)-relatie van een waterbakje welke is opgebouwd uit de 8 punten ontstaan uit de 8 belastinggevallen 28 17. Overzicht van het modelgebied 29 18. Schematisatie van het verhang bij een bakjesmodel 30 19. Streefpeilen peilvakken droge situatie 31 20. Streefpeilen peilvakken natte situatie 31 21. Schema van de standaard koppeling SOBEK-SIMGRO met de twee situaties 32 22a. Schema verdrogingscenario 32 22b. Schema vernattingscenario 33 23a. Schematisatie SOBEK model 35 23b. Vergroting gebied A 35 24. Schematische dwarsdoorsnede SIMGRO model 37 25. Verloop van het waterpeil van bakje 5 in periode 1995 t/m 2000 41 26. Indeling peilvakken 41 27. Inundatie verdrogingscenario, variant 1 basis op dag 309 1998 42 28. Inundatie vernattingscenario variant 1 basis met 20 cm peilverhoging in peilvak 1 en 2, dag 309 1998 42 29. Berekende inundatie in de peilvakvariant (variant 2) van het verdrogingscenario bij gebruik van Q(h)-relaties van de natte situatie 43 30. Berekende inundatie in de stuwvariant (variant 3) van het verdrogingscenario bij gebruik van Q(h)-relaties van de natte situatie 44 31. Berekende inundatie in de peilvakvariant (variant 2) van het vernattingscenario bij gebruik van Q(h)-relaties van de droge situatie 45 32. Verschil in waterstanden tussen de twee situaties, berekend op dag 309, 1998 46 33. Het verschil tussen de berekende waterstanden van de basisvariant en de peilvakvariant in het verdrogingscenario 47 34. De berekende GHG voor basisvariant van het verdrogingscenario 48 Bandbreedte Q(h)-relatie Eindrapport

- ix -


FIGUREN 35. De berekende GHG voor de stuwvariant van het verdrogingscenario 36. Het verschil tussen de GHG van de basisvariant en de peilvakvariant van het verdrogingscenario 37. Het verschil tussen de GHG van de basisvariant en de peilvakvariant van het vernattingscenario 38. Het verloop van de waterstanden in waterbakje 5 voor het jaar 1998 in het verdrogingscenario 39. Het verloop van de waterstanden in waterbakje 1 voor het jaar 1998 in het verdrogingscenario 40. Het verloop van de waterstanden in waterbakje 44 voor het jaar 1998 in het verdrogingscenario 41. Het verloop van de waterstanden in waterbakje 5 voor het jaar 1998 in het vernattingscenario 42. Het verloop van de waterstanden in waterbakje 1 voor het jaar 1998 in het vernattingscenario 43. Het verloop van de waterstanden in waterbakje 44 voor het jaar 1998 in het vernattingscenario


Blz. 49 50 50 52 52 53 53 54 54

Bandbreedte Q(h)-relatie -x-

Eindrapport

1

INLEIDING Teveel water is een bekend verschijnsel in Nederland. De problemen en knelpunten in het huidige landschap zullen ten gevolge van de klimatologische veranderingen sterk toenemen. Volgens de Commissie Waterbeheer 21e eeuw kunnen we verwachten dat er extremere situaties zullen optreden: nattere winters en drogere zomers met intensievere regenval, frequentere buien en langere perioden van droogte. Deze klimaatsveranderingen zorgen voor een hogere belasting van de Nederlandse watersystemen. Voornamelijk de grootschalige overlast in de jaren ‘90 heeft ertoe geleid dat velen zich afvroegen of de watersystemen in Nederland nog wel voldoen aan de wensen van deze tijd. De Commissie concludeert op basis van haar analyse dat de waterhuishouding anno 2000 niet op orde is. Er kunnen zich onveilige situaties voordoen. Te vaak is er sprake van schade. Voor de toekomst is de huidige waterhuishouding niet op orde, wanneer de gevolgen van klimaatverandering, zeespiegelstijging en bodemdaling moeten worden opgevangen. In het Nationaal Bestuursakkoord Water (NBW) van juli 2003 hebben de waterschappen en andere betrokkenen bij het waterbeheer afgesproken de regionale watersystemen voor eind 2005 te toetsen aan de werknormen voor wateroverlast. Met behulp van berekeningen moet inzicht verkregen worden waar het huidige waterbeheersysteem faalt volgens de normen van het NBW. Het gaat hierbij om het in kaart brengen van faalkansen van het watersysteem onder (extreem) natte omstandigheden en het vergelijken van deze kansen met de gestelde normen. Eén van de instrumenten om deze berekeningen te doen is AlterrAqua van Alterra. AlterrAqua is een toepassing binnen ArcView waarmee invoerbestanden voor SIMGRO gemaakt kunnen worden en tevens aansturing van SIMGRO mogelijk is. SIMGRO (SIMulation of GROundwater flow and surface water levels) is ontwikkeld voor het modelleren van diverse processen van het bodemwater. Het is mogelijk om met AlterrAqua zowel de vragen op het gebied van wateroverlast en watertekort als gewenste grond- en oppervlaktewaterregime (GGOR) te kunnen beantwoorden. Berekeningen die te maken hebben met een waterbeheersysteem kunnen niet ingedeeld worden in een zuiver oppervlaktewatersysteem of een grondwatersysteem. Er is sprake van interactie tussen deze twee systemen. Het ligt voor de hand een modelinstrumentarium te gebruiken dat meer is dan een grondwatermodel met oppervlaktewater als randvoorwaarde of een oppervlaktewatermodel met grondwater als randvoorwaarde. SIMGRO biedt de mogelijkheid een volledig geïntegreerd model voor de verzadigde zone, onverzadigde zone en oppervlaktewater te maken. Het uitvoeren van neerslag-afvoerberekeningen of het vaststellen van waterbalansen op verschillende ruimte- en tijdschalen zijn mogelijk. Per tijdstap is er een directe koppeling, zodat het grondwatermodel direct gebruik maakt van de veranderingen in het oppervlaktewater en andersom. SIMGRO heeft zijn specialiteit op hydrologisch gebied. Het hydraulische aspect, de stroming in open waterlopen, wordt vereenvoudigd gemodelleerd. Het oppervlaktewatersysteem wordt verdeeld in kleine stukken (ook wel waterloopvakken of segmenten genoemd). De stroming van het ene waterloopvak naar het andere waterloopvak is afhankelijk van de waterhoogte in het eerste vak. Om stroming tussen deze Bandbreedte Q(h)-relatie Eindrapport

H37403/R00001/JORDY/Rott1 -1-

22 juni 2005

waterloopvakken te berekenen wordt gebruik gemaakt van een zogenaamde peilafvoerrelatie (Q(h)-relatie) die binnen de functionaliteit van SIMGRO kan worden afgeleid. Bij een typisch vlak Nederlands boezem- en poldersysteem wordt, wegens de complexe hydraulica, het beste resultaat verkregen indien de stroming in open waterlopen door een hydraulisch model wordt berekend. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van SOBEK. Met SOBEK worden de Q(h)-relaties berekend en gebruikt voor de oppervlaktewater afvoer berekening in SIMGRO. Op deze manier wordt als het ware hydraulische kennis toegevoegd aan het SIMGRO model.


Bandbreedte Q(h)-relatie -2-

Eindrapport

2

AANLEIDING EN DOEL ONDERZOEK De modellen SOBEK en SIMGRO zijn zeer uitgebreid en voor diverse soorten berekeningen bruikbaar. Bij Royal Haskoning is een koppeling van SOBEK aan SIMGRO gebruikt voor de studies Wateropgave en GGOR. De resultaten van dit onderzoek worden gerelateerd aan het gebruik van de koppeling van SOBEK aan SIMGRO in deze twee studies.

2.1

Studie Wateropgave Bij een studie Wateropgave moet geanalyseerd worden of een gebied voldoet aan de norm, ook met verschillende toekomstscenario’s. Bij het toetsen van het systeem wordt gebruik gemaakt van werknormen gerelateerd aan het grondgebruik, die zijn opgesteld door de Unie van Waterschappen [8], zie tabel 1. Deze toetsing wordt gedaan aan de hand van belasting ten gevolge van intensieve buien. Tabel 1: Stelsel basisnormen Normklasse gerelateerd aan grondgebruiktype

Maaiveldhoogtecriterium

Basisnorm [1/jr]

Grasland

5%

1/10

Akkerbouw

1%

1/25

Hoogwaardige land & tuinbouw

1%

1/50

Glastuinbouw

1%

1/50

Bebouwd gebied extensief

0%

1/100

Bebouwd gebied gemiddeld

0%

1/500

Bebouwd gebied intensief

0%

1/1000

Door de berekende hoge waterstanden te combineren met de maaiveldgegevens van het gebied is na te gaan of er sprake is van een overstroming. Indien het grondgebruik mee wordt genomen, kan vastgesteld worden of de hoogwaterstand kritiek is en dus of het systeem faalt. In het geval van grasland mag 5% overstromen (maaiveldhoogtecriterium) zonder dat er sprake is van inundatie. De norm voor dit gebruikstype is dat maximaal eens in de tien jaar meer dan 5% van het gebied mag overstromen. De toetsing gebeurt door met het SIMGRO model de oppervlaktewaterstanden te berekenen. Deze oppervlaktewaterstanden (met een bepaalde kans van voor komen) worden met de maaiveldhoogtes vergeleken of er sprake kan zijn van inundatie vanuit het oppervlaktewatersysteem. De inundatie zelf wordt niet gesimuleerd.

2.2

Studie GGOR De huidige situatie en verschillende scenario’s met maatregelen worden doorgerekend, om vast te stellen hoe het waterregime beter kan worden afgestemd op de gebruiksfuncties. Dit leidt uiteindelijk tot het praktisch meest haalbare resultaat, het GGOR. Het GGOR is daarmee de toekomstige situatie, zo goed mogelijk afgestemd op de wensen vanuit landgebruik binnen het gebied. De berekeningen worden gedaan voor een langere periode met droge en natte jaren. Hieruit is het mogelijk de gemiddeld hoogste grondwaterstand (GHG), gemiddeld


H37403/R00001/JORDY/Rott1 -3-

22 juni 2005

laagste grondwaterstand (GLG) en gemiddelde voorjaarsgrondwaterstand (GVG) (samen aangeduid als GxG) te verkrijgen. De GHG, GLG en de GVG worden als volgt berekend [14]: GHG: voor de gemiddeld hoogste grondwaterstand worden jaarlijks de 3 hoogste grondwaterstanden gemiddeld over de periode van 1 april tot en met 31 maart (hydrologisch jaar), het gemiddelde van deze jaarlijkse waarden over een periode van tenminste 8 jaar, waarin geen ingrepen hebben plaatsgevonden, wordt gebruikt als GHG. GLG: voor de gemiddeld laagste grondwaterstand worden jaarlijks de 3 laagste grondwaterstanden gemiddeld over de periode van 1 april tot en met 31 maart (hydrologisch jaar), het gemiddelde van deze jaarlijkse waarden over een periode van tenminste 8 jaar, waarin geen ingrepen hebben plaatsgevonden, wordt gebruikt als GLG. GVG: Voor de gemiddelde voorjaarsgrondwaterstand worden jaarlijks de grondwaterstanden van 14 maart, 28 maart en 14 april gemiddeld, het gemiddelde van deze jaarlijkse waarden over een periode van tenminste 8 jaar, waarin geen ingrepen hebben plaatsgevonden, wordt gebruikt als GVG. Deze grondwaterstanden moeten worden getoetst aan de wensen van de gebruiksfunctie. Deze toetsing wordt gedaan met het instrument Waternood. Met Waternood is het mogelijk doelrealisatiekaarten te maken waar het resultaat wordt weergegeven in een percentage, van 0% tot 100%. Bij een resultaat van 100% is er sprake van een optimaal regime. Indien een lagere waarde uit de Waternoodberekening komt, kan dit aanleiding zijn om maatregelen te treffen.

2.3

Probleemanalyse In de inleiding is beschreven dat SIMGRO het waterlopensysteem vereenvoudigd modelleert. Een waterloop wordt verdeeld in stukken, ook wel segmenten genoemd. De stroming in de waterloop wordt geschematiseerd door water van segment naar segment te laten stromen door middel van een Q(h)-relatie. Dit is gebaseerd op het bakjesmodel. Figuur 1: Schematisatie bakjesmodel



Eindrapport

Bij een bakjesmodel is er vrije afstroming naar een lager gelegen bakje, zie figuur 1. Het debiet vanuit elk bakje wordt bepaald door de waterstand in dat bakje. Dit is weergegeven in een Q(h)-relatie. De waterstand van een benedenstrooms bakje heeft geen invloed op de waterstand van het bovenliggende bakje. Dit is een geldige benadering voor waterlopen waar sprake is van (super)kritische stroming en stuwen met een groot verval. Figuur 2: Verhoging benedenstroomse waterstand

Q(h)

Bakje1

Q(h)

Bakje2

Bakje3

Als benadering is het mogelijk een Q(h)-relatie te gebruiken in waterlopen waar de stroming eenparig is. In vlakke gebieden kan deze benadering problemen opleveren omdat de benedenstroomse waterstand invloed heeft op de waterstand bovenstrooms door het kleine verhang. Opstuwing op een bepaald punt kan bijvoorbeeld leiden tot stijging van bovenstroomse waterhoogtes. In werkelijkheid kunnen zelfs situaties optreden dat het water de tegengestelde kant opstroomt door bijvoorbeeld het inlaten van water. Zelfs als de waterstand in het volgende bakje (bakje 3, figuur 2) hoger is dan de waterstand in het bakje ervoor zou het water gewoon (omhoog) blijven stromen volgens de Q(h)-relatie. Er is in SIMGRO echter een beveiliging ingebouwd die dit voorkomt en de stroming even stilzet of indien nodig terugstuurt en gelijkmatig verdeeld over de bakjes. Het rekenproces van SIMGRO is dus uitgebreider dan alleen het bakjesmodel, zie paragraaf 4.1: Beschrijving SIMGRO voor meer toelichting. De studie Wateropgave bestaat uit het toetsen van het watersysteem aan de werknorm. Uit deze toetsing kunnen knelpunten na voren komen. De plekken waar het watersysteem niet voldoet en teveel inundatie veroorzaakt moeten aangepakt worden. Deze knelpunten kunnen opgelost worden door maatregelen te treffen (bijvoorbeeld het weghalen van een stuw). Het model met de maatregelen moet doorgerekend worden om na te gaan of het knelpunt opgelost is. In principe moet voor dit model opnieuw met SOBEK worden gerekend. Voor de Waternood (GGOR) berekeningen worden de waterstanden in het gebied gevarieerd door het veranderen van de peilen van de stuwen. Het veranderen van het peil van een stuw heeft effect op de bovenstroomse waterstand. Bij het afleiden van de oorspronkelijke Q(h)-relaties is dit effect niet meegenomen zodat voor de nieuwe situatie de Q(h)-relaties niet meer volledig geldig zijn. In het geval van een aanpassing van een peil of stuw zullen er opnieuw Q(h)-relaties met SOBEK afgeleid moeten worden. Het gebruik van een goede Q(h)-relatie is essentieel. Binnen SIMGRO kunnen Q(h)relaties worden afgeleid. Echter, door bij het afleiden van de Q(h)-relaties gebruik te maken van SOBEK wordt verwacht dat de resultaten realistischer zijn. In de koppeling zoals deze nu toegepast wordt, komen geen problemen voor. De berekening is goed zolang de situatie in het SIMGRO model gelijk is aan de situatie in het SOBEK model, waarmee de Q(h)-relaties zijn afgeleid. Als er ingrepen in het watersysteem worden gedaan is het nodig de Q(h)-relaties opnieuw met SOBEK te berekenen.


H37403/R00001/JORDY/Rott1 -5-

22 juni 2005

Voor het afstudeeronderzoek wordt de volgende probleemstelling geformuleerd: In het geval van een veranderde situatie moeten opnieuw de Q(h)-relaties in Sobek berekend worden die gelden voor de nieuwe situatie. De Q(h)-relaties worden opnieuw afgeleid omdat er verwacht wordt dat, indien er gebruik wordt gemaakt van de “oude” Q(h)-relaties, een afwijking gemaakt wordt in de berekening. Het is echter niet bekend hoe groot deze afwijking is. Het afleiden en inpassen van de nieuwe Q(h)-relaties kost veel tijd zodat dit, indien mogelijk, voorkomen moet worden. Er moet onderzocht worden of het altijd nodig is om de Q(h)-relaties opnieuw af te leiden. Dit kan door de ontstane afwijking te vergelijken met de benodigde nauwkeurigheid bij bijvoorbeeld de studies Wateropgave en GGOR (Waternood).

2.4

Doel onderzoek en aanpak Uit de probleemstelling volgt de volgende doelstelling: Het in kaart brengen van het ontstane verschil indien de Q(h)-relaties niet opnieuw worden afgeleid na een ingreep in het systeem, zodat inzicht ontstaat wanneer het wel of niet nodig is opnieuw de Q(h)-relaties af te leiden en bijbehorende stappen te doorlopen. Om de doelstelling te halen moet een situatie worden nagebootst dat de Q(h)-relaties opnieuw moeten worden afgeleid. Dit wordt gedaan door in een watersysteem een ingreep te doen. In dit geval bestaat deze ingreep uit het plaatsen van stuwen. Door een berekening te doen met de Q(h)-relaties afgeleid vóór de ingreep en een berekening met de Q(h)-relaties afgeleid na de ingreep kunnen verschillende uitkomsten verkregen worden. In het kader van de studies Wateropgave of GGOR kunnen deze resultaten vergeleken worden.

2.5

Leeswijzer Nu het doel van het onderzoek bekend is zal worden gevolgd met een theoretische beschrijving. Hierin wordt uitgelegd met welke processen rekening gehouden moet worden en hoe deze berekend worden. Het hoofdstuk hierna geeft een beschrijving van de simulatieprogramma’s SIMGRO en SOBEK en de werking van de koppeling tussen deze modellen. Hoofdstuk 5 geeft een beschrijving van de methode van het onderzoek. De gebruikte varianten worden in dit hoofdstuk toegelicht. Hierop volgt een weergave van de resultaten van dit onderzoek waarna een discussie volgt waar de resultaten besproken worden. Tot slot volgen de conclusies en aanbevelingen.



Eindrapport

3

THEORETISCHE ACHTERGROND

3.1

Beschrijving water in de bodem Voor modelleren van grondwaterstroming is er kennis nodig van de bodem. De bodem kan uit drie componenten bestaan: vaste delen, water en lucht. Er wordt onderscheid gemaakt tussen onverzadigde en verzadigde zone. In onverzadigde zone zijn de componenten vaste delen, water en lucht aanwezig. In de verzadigde zone zijn alleen de vaste delen en water aanwezig.

3.1.1

Onverzadigde zone De onverzadigde zone is het gedeelte van de bodem boven de grondwaterspiegel. De onverzadigde zone fungeert als een reservoir dat wordt aangevuld door infiltratie van neerslag en opstijging van water uit de verzadigde zone. De infiltratiecapaciteit van de bodem bepaalt hoeveel water er kan infiltreren (geborgen) en hoeveel over het landoppervlak afstroomt. De onverzadigde zone bevat water dat tegen de zwaartekracht in wordt vastgehouden. Indien de grond de maximale hoeveelheid water bevat dat tegen de zwaartekracht vast kan worden gehouden is de grond op veldcapaciteit. Figuur 3: Hydrologische kringloop

In de onverzadigde zone kunnen een aantal processen optreden zoals capillaire werking, verdamping, percolatie en stroming, zie figuur 3 3.1.2

Verzadigde zone In deze zone bevindt zich het grondwater. Er zijn twee belangrijke eigenschappen van watervoerende lagen die bepalen of water door een laag kan stromen. Dit zijn de porositeit en de doorlatendheid. Stroming van water vindt plaats in de poriën. De porositeit is de verhouding van het volume van de poriën tot het totale volume korrels plus poriën. De porositeit is maatgevend voor totale hoeveelheid water die een grondsoort kan bevatten. Stroming is echter niet mogelijk door alle poriën. De effectieve porositeit is de poriënfractie van poriën die bijdragen tot de stroompaden door het Bandbreedte Q(h)-relatie Eindrapport

H37403/R00001/JORDY/Rott1 -7-

22 juni 2005

medium. Grondwater beweegt zich door de poriën van losse afzettingen die relatief gemakkelijk water doorlaten, de watervoerende pakketten. Watervoerende pakketten worden onderbroken door slecht of matig doorlatende lagen, die een watervoerende laag geheel of gedeeltelijk kunnen afsluiten. Een voorbeeld van de opbouw van de grond is gegeven in figuur 4 Figuur 4: Watervoerende pakketten met verschillende stijghoogtes gescheiden door slechtdoorlatende lagen

Berging in de bodem In het landelijke gebied van Nederland kan een groot deel van de neerslag die in het gebied valt geborgen worden in de grond. Het water infiltreert in de bodem en wordt daar geborgen in de onverzadigde zone. Figuur 5: Verschil in grondwaterstand als gevolg van de seizoenen

Tussen de bodem en de waterloop vindt interactie plaats. Een waterloop kan een voedende of een drainerende functie hebben. Het water zal infiltreren in de bodem indien het grondwaterpeil lager is dan het waterpeil en het tegenovergestelde vindt plaats indien het grondwaterpeil hoger is dan het waterpeil. In de winter is er meer neerslag en is de verdamping klein. In de zomer is het juist andersom; verdamping is groot en er valt weinig neerslag. Dit heeft tot gevolg dat de wintergrondwaterstand verschilt van de zomergrondwaterstand, zie figuur 5. Het hoogteverschil tussen het maaiveld en het grondwater bepaald hoeveel water er in de bodem geborgen kan worden en hoeveel water er naar de waterloop stroomt.



Eindrapport

Grondwaterstroming De doorlatendheid is het vermogen van de grond om vloeistof (of gas) door te laten en wordt weergegeven met K. De drijvende kracht achter grondwaterstroming wordt gevormd door verschillen in hoogte en druk. In het algemeen wordt dit met de stijghoogte weergegeven. Stroming tussen twee punten met verschillende stijghoogte hangt af van de doorlatendheid. Voor de berekening van de grondwaterstroming wordt gebruik gemaakt van de wet van Darcy[1]:

Q = − KA

∂h ∂x

waarin: Q: debiet in x-richting (m3/s) A: doorstroomoppervlak (m2) K: doorlatendheid (m/s)

∂h : ∂x

gradiënt van de stijghoogte

Als er tussen de goed doorlatende lagen een stijghoogteverschil bestaat, kan er verticale stroming plaatsvinden door een slecht doorlatende laag. De mate waarin dit gebeurt hangt af van de weerstand van de slecht doorlatende laag. Dit wordt berekend met [3]:

qz = −K z

(h1 − h2 ) d

waarin: qz: stroming in z-richting (verticaal) (m/s) Kz: doorlatendheid in z-richting (m/s) h: stijghoogte (m) d: dikte slecht doorlatende laag (m) De formule van Darcy geeft de bewegingsvergelijking voor grondwaterstroming. Er geldt ook de wet van behoud van massa; voor een bepaald grondvolume is de hoeveelheid water die over een bepaalde periode instroomt gelijk aan de uitstroom vermeerderd met de toename van de opgeslagen hoeveelheid water. Het combineren van de wet van Darcy met de massabalans leidt tot de algemene vergelijking voor grondwaterstroming. Deze luidt [3]:

∂ K x ∂h ∂ K y ∂h ∂ K ∂h ∂h ( )+ ( ) + ( z ) + Q = Ss ∂x ∂x ∂y ∂y ∂z ∂z ∂t waarin: S s: specifieke bergingscoëfficiënt van de grond (m-1) Q: in- of uitstroomhoeveelheid Q(t,x,y,z) In het geval van een tweedimensionale stroming in een freatisch watervoerend pakket kan de algemene grondwatervergelijking als volgt opgeschreven worden (Boussinesq vergelijking):


H37403/R00001/JORDY/Rott1 -9-

22 juni 2005

∂ K x D∂h ∂ K y D∂h ∂h ( )+ ( )+Q = µ ∂x ∂x ∂y ∂y ∂t waarin: D: dikte van de watervoerende laag (m) Q: stroming in de watervoerende laag (m/s) : bergingscoëfficiënt (-) Figuur 6: Oplossing van grondwaterstromingsvergelijking

Wet van Darcy Differentiaalvergelijking voor grondwaterstroming + Randvoorwaarden

Continuiteitsvergelijking

Oplossingen

Analytisch

Numeriek

Deze differentiaalvergelijking kan door middel van wiskundige modellen (analytisch dan wel numeriek) opgelost worden. Deze wiskundige modellen zullen moeten bestaan uit de benodigde stromingsvergelijkingen, randvoorwaarden die het instroomdebiet oftewel de stijghoogte beschrijven, en vergelijkingen voor de initiële condities van de stijghoogte in de watervoerende lagen.

3.2

Beschrijving stroming in de waterlopen Voor de beschrijving van de theorie wordt er gekeken naar stromen met een vrij oppervlak, zoals in open waterlopen. We hebben te maken met stationaire stromen en niet-stationaire stromen. Stationaire stromen doen zich voor als de randvoorwaarden (bijv. bovenafvoer, benedenstroomse waterstand) langdurig niet variëren. Nietstationaire stromen doen zich voor bij in de tijd variërende randvoorwaarden. De vergelijkingen die in dit hoofdstuk beschreven worden zijn allemaal ééndimensionale vereenvoudigingen, wat wil zeggen dat alleen de verandering van de variabelen in de stroomrichting worden bestudeerd. Afwijkingen in het vlak loodrecht op de stroomrichting worden verwaarloosd omdat deze verschillen niet van belang zijn voor de te beantwoorden vragen.

3.2.1

De Saint-Venant vergelijkingen Bij open waterlopen zijn als gevolg van de vrije waterspiegel de dichtheidsvariaties als gevolg van drukvariaties zeer klein vanwege de hoge compressiemodulus van water. Het water kan daarom als onsamendrukbaar worden benaderd. In dit geval kan er gebruik gemaakt worden van de volumebalans (continuïteitsvergelijking). Deze is [2]:


Bandbreedte Q(h)-relatie - 10 -

Eindrapport

∂A ∂Q + =0 ∂t ∂x Naast de continuïteitsvergelijking bewegingsvergelijking [2]:

wordt

ook

gebruikt

gemaakt

van

de

QQ ∂Q ∂ Q 2 ∂h + + gA + c f =0 ∂t ∂x A ∂x AR waarin: Q: debiet (m3/s) R: Hydraulische straal (m) A: natte doorsnede (m2) weerstandsfactor cf: De eerste term hierin stelt de lokale bijdrage aan de versnelling voor, de tweede term de advectieve bijdrage aan de traagheid, de derde term de verhangkracht en de vierde de totale weerstand. Deze vergelijkingen zijn ook wel bekend als De Saint-Venant vergelijkingen en kunnen worden toegepast in ééndimensionale schematisaties. Stationair De meest eenvoudige berekeningen worden gedaan in stationair, eenparige situaties (niet variërend in tijd en plaats = uniforme stroming). De waterbewegingen kunnen dan berekend worden met bijvoorbeeld Strickler [1]:

Q = k s AR 2 / 3i 1 / 2 waarin: Q: debiet (m3/s) k s: Stricklercoëfficiënt (m1/3/s) R: Hydraulische straal (m) A: natte doorsnede (m2) i: verhang Stationair, niet-eenparige situaties leveren verhang en stuwkrommen op: de variabelen zijn niet meer constant door de hele waterloop, met name de waterdiepte en de snelheid in de waterloop zijn niet overal hetzelfde. De vergelijkingen die deze situaties beschrijven zijn ingewikkelder omdat variabelen afhankelijk zijn van de plaats in de waterloop; zij kunnen analytisch of numeriek opgelost worden. Niet-stationair Veel niet-stationaire berekeningen zijn te complex om analytisch te berekenen en hiervoor zijn dan ook verschillende computermodellen beschikbaar (bijv SOBEK). Over het algemeen maken deze modellen gebruik van De Saint-Venant vergelijkingen. 3.2.2

Kunstwerken Ten behoeve van peilen/of debietregeling worden regelwerken (kunstwerken) in de waterlopen gebracht. Deze kunstwerken scheiden de waterloop in compartimenten, met aan weerszijden van het kunstwerk verschillende waarden van het peil of debiet. Voor Bandbreedte Q(h)-relatie Eindrapport

H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 11 -

22 juni 2005

de berekening van debieten en peilen rondom kunstwerken gelden weer andere formules. Stuwen Een stuw is een vaste of beweegbare constructie in een waterloop die dient om de waterstand bovenstrooms van het kunstwerk te regelen. De stroming over de stuwen kan verdeeld worden in drie situaties: vrije afstroming, gestuwde afstroming en geen stroming. Er kan sprake zijn van een lange overlaat of een korte overlaat. Voor de lange overlaat met gestuwde afstroming wordt de volgende formule gebruikt [14]:

q = cl h3 2 g ( H − h3 ) waarin: Q: afvoer per eenheid van breedte (m3/s) hoogte van de waterstand benedenstrooms van de overlaat, gemeten ten h3: opzichte van de kruin van de dam (m) H: Energiehoogte van de stroming bovenstrooms van de dam, gemeten ten opzichte van de kruin van de dam (m) cl : afvoercoëfficiënt van de lange overlaat bij gestuwde afvoer waarden van cl tussen 0,9 en 1,3 Voor de overlaat met vrije afstroming wordt gebruikt [14]:

q = cv H 3 / 2

mits h3 < 2/3 H

waarin: c v: afvoercoëfficiënt van de lange overlaat bij vrije afvoer waarde cv 1,3 cl In het geval van een korte overlaat bij zowel een gestuwde als vrije afvoer wordt de volgende formule gebruikt [14]:

q = ck H 3 / 2 waarin: ck : afvoercoëfficiënt van de korte overlaat (=1,7-2,2) Duikers De berekening van duikers en bruggen vindt plaats met de formule [13]:

Q = µA 2 gz waarin: Q: debiet (m3/s) : weerstandcoëfficiënt A: natte oppervlak (m2) z: opstuwing (m)



Eindrapport

Gemalen In het waterbeheer in de polders van Nederland worden gemalen gebruikt om het peil in een gebied op het gewenste niveau te houden.


H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 13 -

22 juni 2005

4

BESCHRIJVING SIMULATIEPROGRAMMA’S

4.1

Beschrijving SIMGRO1

4.1.1

Bodemwater SIMGRO is ontwikkeld vanuit het besef dat in bijna heel Nederland de waterhuishouding een samenhangend geheel is van grond-, bodem- en oppervlaktewater. Tussen alle compartimenten van het hydrologische systeem is er een tweezijdige wisselwerking. Het in detail modelleren van het bodemwater als onderdeel van een regionaal model zou een buitensporige rekeninspanning vereisen, die vaak niet zinvol zou zijn. Om toch de belangrijkste bodemwaterprocessen in beeld te brengen bevat SIMGRO een module met een eenvoudig bakmodel van de wortelzone (figuur 7). Hier wordt rekening gehouden met het verband tussen de capillaire opstijging en de diepte van de grondwaterstand en het vochtgehalte van de wortelzone. Figuur 7: Schema van model voor bodemwater

4.1.2

Grondwater De stroming in het grondwatersysteem wordt berekend volgens de eindige elementen methode. Deze methode beschrijft de stijghoogte en/of flux in ieder knooppunt met behulp van lineaire interpolatiefuncties. Daartoe wordt het gebied verdeeld in een aantal driehoekige elementen waarvan de hoekpunten knooppunten vormen. Dit netwerk is voor elke laag in het verticale vlak (zie ook verticale schematisatie) gelijk; zie figuur 8. De driehoeken hoeven niet aan elkaar gelijk te zijn. Daardoor is het netwerk flexibel en kan het aan de vraagstelling worden aangepast. Het netwerk kan worden verdicht rond bijvoorbeeld onttrekkingen of beekdalen; de grenzen van afwateringseenheden en/of beleidsgrenzen in het netwerk kunnen worden gevolgd, en de afstand van de knooppunten kan naar de rand toenemen, waardoor een efficiënt netwerk kan wordt gegenereerd. Om een oplossing te kunnen berekenen, moeten langs de randen van het modelgebied randvoorwaarden bekend zijn.

1

Bij het tot stand komen van deze paragraaf is gebruik gemaakt van de documentatie van SIMGRO [15], [16]


H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 15 -

22 juni 2005

Figuur 8: Eindige elementen-netwerk voor berekening van horizontale grondwaterstroming

Ten behoeve van de koppeling met andere modellen is het in verband met de uitwisseling van gegevens (grondwaterstanden, waterstromingen) praktischer om te werken met zogenaamde invloedsoppervlakken rond de knooppunten. Een invloedsoppervlak is het gebiedje rondom een knooppunt waarmee waterbalansen worden opgesteld en die de basis vormen van het simulatiemodel. Zij vormen tezamen een honingraatachtig mozaïek. Op basis van het netwerk van driehoeken wordt daarom via meetkundige interpolatie een honingraatachtige structuur van zulke invloedsoppervlakken of modelcellen gevormd; zie figuur 9. Figuur 9: Meetkundige relatie tussen ‘invloedsoppervlakken’ (een honingraatstructuur met dikke lijnen) en het eindige elementennetwerk van driehoeken (dunne lijnen)

De stroming van grondwater wordt in SIMGRO beschreven door de ondergrond te beschouwen als een opeenvolging van watervoerende en scheidende lagen, de zogenaamde quasi-3D methode. Daarbij wordt verondersteld dat de stroming in de watervoerende lagen tweedimensionaal in het horizontale vlak plaatsvindt, en dat de stroming in de scheidende lagen ééndimensionaal in het verticale vlak verloopt. Door deze aanname wordt de oplossing van de transportprocessen een stuk eenvoudiger waardoor een forse besparing op de benodigde rekentijd wordt gerealiseerd ten opzichte van een volledige 3-D-simulatie. Mits de schematisering in watervoerende en scheidende lagen op een verantwoorde manier gebeurt, is het effect van deze aanname op de berekende potentialen (en grondwaterstand) te verwaarlozen. H37403/R00001/JORDY/Rott1 22 juni 2005


Eindrapport

De uitkomsten van bijvoorbeeld vernattingscenario’s worden in hoge mate beïnvloed door de manier waarop de berging in het freatische pakket wordt berekend. De freatische bergingscoëfficiënt wordt in de meeste quasi 3-D modellen van het verzadigde grondwater constant verondersteld. Deze aanname is vaak onterecht, zeker bij ondiepe grondwaterstanden, zoals in natte natuurgebieden. De wortelzone heeft een bergingscoëfficiënt afhankelijk van het vochtprofiel en de onderliggende laag heeft een bergingscoëfficiënt behorende bij de grondsoort. Indien het water boven maaiveld komt neemt SIMGRO een bergingscoëfficiënt van 1 aan. Door rekening te houden met het vochtprofiel in de bodem en eventuele berging op het maaiveld, berekent SIMGRO een realistische bergingscoëfficiënt. 4.1.3

Oppervlaktewater Bij het modelleren van oppervlaktewater is het van belang om de aspecten ontwatering en waterafvoer/toevoer afzonderlijk te behandelen. Ontwatering Binnen een afwateringseenheid wordt onderscheid gemaakt tussen vijf categorieën van waterlopen: − − − − −

primaire waterlopen (beken, kanalen, rivieren); secundaire waterlopen (beekjes, sloten in beheer bij het waterschap); tertiaire waterlopen (sloten); drains; greppels.

Een (of meerdere) van deze ontwateringsmiddelen is in een knooppunt van het model actief als aan één van de volgende voorwaarden is voldaan: − −

het grondwaterpeil bevindt zich boven de bodem van het ontwateringsmiddel; het oppervlaktewater bevindt zich boven de bodem van het ontwateringsmiddel.

Afhankelijk van de omstandigheden (grondwater hoger dan oppervlaktewater, of omgekeerd) is er sprake van drainage of infiltratie. De neerslag die in het gebied valt, zal voor een deel geborgen worden in de bodem. De hoeveelheid water die geborgen kan worden is afhankelijk van de kwel, de bergingscoëfficiënt en evenwichtswaterstand. Het resterende water van de neerslag zal verdampen of via het maaiveld naar het oppervlaktewater stromen (surface runoff). Al deze aspecten worden door SIMGRO meegenomen. Grondwater dat naar het oppervlaktewater stroomt kunnen met verschillende benaderingen worden gemodelleerd. Er bestaan benaderingen volgens bijvoorbeeld Hooghoudt, Ernst of Bruggeman. Het is moeilijk te zeggen welke benadering beter is voor welke situatie. Volgens De Lange [6] zijn onderlinge verschillen aantoonbaar maar de keuze voor de parameters is sterk bepalend voor de uitkomst. SIMGRO rekent volgens de vergelijking van Ernst [15,16]:

qw =

hg − hws

αY


H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 17 -

22 juni 2005

waarin: qw: drainagesnelheid (m/dag) gemiddelde grondwaterstand hg: s: waterstand in de waterloop hw Y: drainage weerstand (dag) Als de waterhoogte hoger dan het maaiveld komt is er sprake van inundatie. Bij inundatie wordt de uitwisseling tussen het water in de grond en het water in de waterlopen makkelijker. Als deze situatie zich voordoet tijdens een berekening wordt de drainage weerstand verkleind. Waterafvoer De waterbalans van een afwateringseenheid wordt gesimuleerd met één bakje voor het geheel van grotere en kleinere waterlopen. Deze bakjes zijn als een cascade aan elkaar gekoppeld, met samenstromingen en splitsingen. Om te kunnen rekenen, moet voor ieder bakje een zogenaamde Q(h)-relatie bekend zijn, d.w.z. een relatie tussen de afvoer en het peil. Een voorbeeld van een dergelijke relatie is weergegeven in figuur 10. Het gegeven voorbeeld is afgeleid uit rekenexperimenten met SOBEK. Figuur 10: Voorbeeld van een zogenaamde Q(h)-relatie van een oppervlaktewatertraject in SIMGRO. In dit geval gaat het om een relatie tussen de peilstijging t.o.v. het streefpeilniveau, dat is afgeleid met het model SOBEK

De peilstijging in een Q(h)-relatie geeft een stijging weer ten opzichte van het streefpeil (ook wel drempelwaarde genoemd). Het streefpeil is de waterhoogte in de waterlopen die gewenst is. Het gemaal is op deze waarde ingesteld zodat in het geval van weinig of geen neerslag dit het peil is in de waterlopen. Een verhoging van het peil resulteert in een debiet welke uit de Q(h)-relatie te halen is. Om te kunnen rekenen, moet behalve een Q(h)-relatie ook een bergingsrelatie (S(h)relatie) bekend zijn van ieder oppervlaktewatertraject. Deze S(h)-relaties worden aan de hand van de afmetingen van het waterlooptraject afgeleid. H37403/R00001/JORDY/Rott1 22 juni 2005


Eindrapport

Per tijdstap wordt het hele netwerk van reservoirs één-voor-één doorgerekend, in de volgorde van bovenstrooms naar benedenstrooms. Bij de berekening van een nieuwe waterstand wordt als volgt te werk gegaan. Als randvoorwaarde wordt aangenomen dat de instroom aan de bovenstroomse kant reeds bekend is, Qin. Ook de laterale toevoer Qlat van drainagewater wordt bekend verondersteld aan het begin van de oppervlaktewatertijdstap. Vervolgens wordt het nieuwe peil berekend aan de hand van de waterbalans, waarbij de uitstroom geheel afhankelijk wordt gesteld van het nieuwe peil. Er wordt dus gewerkt met een ‘impliciet’ schema, met het peil ht als enige (onafhankelijke) onbekende:

S (ht −∆t ) + (Qin + Qlat ) ⋅ ∆t = S (ht ) + Quit (ht ) ⋅ ∆t waarin: S(ht- t), S(ht): ht- t, ht: Qin: Qlat: Quit(ht):

berging aan het begin/einde van de tijdstap (m3) oppervlaktewaterpeil ten tijde t- t (bekend) en t (onbekend) (m) bovenstroomse toevoer (m3/s) laterale toevoer of afvoer van (drainage)water (m3/s) benedenstroomse afvoer (m3/s)

De laterale toevoer (Qlat) van water kan bestaan uit meerdere termen: drainage/infiltratie van het grondwater, onttrekking voor irrigatie- of drinkwater, kwel of een flux van een randvoorwaarde. Er is aangenomen dat deze termen gelijkmatig verdeeld zijn over het bakje. Figuur 11: Gecombineerde bergings- en uitstroom(flux*dt) functie welke gebruikt wordt voor het oplossen van het onbekende waterpeil en het afvoerdebiet


H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 19 -

22 juni 2005

Om deze vergelijking snel op te kunnen lossen wordt de linkerterm berekend en ingevuld in een samengestelde SQ(h)-tabel, waarin zowel het bergings- als het afvoereffect van ht in is verwerkt. Uit deze tabel wordt het nieuwe waterpeil verkregen door een simpele tabelinterpolatie, zie peilen in figuur 11. Met het nieuwe waterpeil wordt met de Q(h)-relatie het uitstromende debiet berekend, waarna het nieuwe volume (berging) kan worden berekend. Hoewel het per traject een impliciet schema is, geldt dat natuurlijk niet voor het oppervlaktewaterstelsel als geheel, want de trajecten worden één-voor-één berekend. Het oppervlaktewatersysteem kan zeer dynamisch zijn, zodat een tijdstap belangrijk is. Het gehanteerde concept heeft natuurlijk zijn beperkingen, vooral als gevolg van het aangenomen eenduidige verband tussen afvoer en peil. In werkelijkheid is er sprake van hysterese: bij stijgende waterstand is er een ander verband tussen peil en afvoer dan bij dalende waterstanden. Bij het afleiden van de Q(h)-relaties kan hier eventueel rekening mee worden gehouden, door reken-experimenten met het hydraulische model op een niet-stationaire manier uit te voeren. Aangezien het vooral gaat om het afschatten van de faalkans van het systeem, ligt het dan voor de hand om uit de experimenten het hoogste geregistreerde peil bij een bepaalde afvoer te selecteren. Met deze Q(h)- relatie geeft SIMGRO vervolgens bovenwaardeschattingen. Een aantal opties zijn toegevoegd om het oppervlaktewaterconcept nog wat op te rekken. Ten eerste betreft dat de simulatie van een afvoerblokkade. Indien een peil berekend wordt dat lager is dan het benedenstroomse peil, dan wordt de afvoer vanuit het bovenstroomse traject even stopgezet, totdat het peil gestegen is tot een niveau dat minstens even hoog is als de benedenstroomse. In principe zouden de Q(h)-relaties afgeleid uit rekenexperimenten met SOBEK ervoor moeten zorgen dat het water op de goede manier wordt verdeeld tussen de takken bij splitsingen. Maar aangezien de SOBEK-experimenten zijn gedaan voor stationaire stroming, is het toch nuttig om in sommige situaties SIMGRO zelf in te laten grijpen bij de verdeling. Dat betreft dan met name situaties waarin als gevolg van tekortschietende gemaalcapaciteit er een sterke peilstijging gaat optreden, met als gevolg opstuwing van bovenstroomse waterstanden. Die opstuwing komt ook terecht bij de splitsingen. SIMGRO zorgt dan voor een dusdanige waterverdeling dat de peilen in de takken direct na de splitsing ongeveer gelijk met elkaar opgaan. Per oppervlaktewatertijdstap wordt bekeken welke van de takken het laagste peil heeft, en daar wordt het water naar toegestuurd. Gemiddeld over een kwart etmaal wordt dan een realistische verdeling berekend. Watertoevoer Als het benedenstroomse peil stijgt als gevolg van inlaat, dan gaat het model stroming in de ‘omgekeerde’ richting berekenen. In dat geval wordt er van uitgegaan dat de stroming frictieloos plaatsvindt: er wordt ‘geschoven’ met water alsof het in dozen zit op een spiegelgladde vloer. Aangezien het in de meeste gevallen om aanvoersituaties zal gaan, zal deze aanname niet ver van de werkelijkheid liggen, doordat de fluxen relatief beperkt zijn. In figuur 12 wordt geïllustreerd hoe dit algoritme is geïmplementeerd.



Eindrapport

Figuur 12: Rekenwijze (in SIMGRO) voor stroming in de ‘omgekeerde’ richting. De aanname is dat het water in aanvoersituaties frictieloos kan worden verplaatst. Bij de nieuwe berekening van het peil in traject i, gaat de uitgangssituatie (a) over in (b), waarbij ervoor gezorgd wordt dat er een sluitende waterbalans is, en dat het peil in i niet hoger stijgt dan in traject i+1 en traject i+2. In stap (c) wordt het peil in traject i+1 op het niveau van i+3 gebracht, enz. Het netto effect is het ‘schuiven’ met water

Vertaling van waterpeilen naar knooppunten De gesimuleerde oppervlaktewaterstand per afwateringseenheid wordt vertaald naar een oppervlaktewaterstand in de knooppunten van die afwateringseenheid. In bepaalde situaties, zoals in sterk overgedimensioneerde systemen, zal de oppervlaktewaterspiegel horizontaal lopen. In andere gebieden, zoals hellende zandgebieden zal de oppervlaktewaterspiegel ongeveer het lokale maaiveld volgen. Integrale SIMGRO-model In het integrale model worden de submodellen aangeroepen in de volgorde: − − −

onverzadigde zone met grondwatertijdstap tg; oppervlaktewater en drainage in een subloop met tijdstap ts; grondwater met tijdstap tg.

Typische waarden voor de tijdstappen zijn respectievelijk 0,25 dag voor het grondwater en 0,01 dag voor het oppervlaktewater. Dat betekent dat het oppervlaktewater via een subloop van 25 stappen wordt berekend. Bij iedere tijdstap van het oppervlaktewatermodel wordt de drainageflux berekend op basis van de laatste informatie over de grondwaterstand en de oppervlaktewaterstand. De gecumuleerde drainage (van 25 tussenstappen) wordt vervolgens gebruikt bij het berekenen van nieuwe grondwaterstanden.


H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 21 -

22 juni 2005

4.2

Beschrijving SOBEK2 SOBEK is een model welke voor meerdere problemen in de watersector gebruikt kan worden. Er zijn drie varianten van SOBEK: − − −

SOBEK–River voor rivieren; SOBEK–Rural voor landelijke gebieden; SOBEK–Urban voor stedelijke gebieden.

SOBEK– Rural is een instrument dat is ontwikkeld voor regionale waterbeheerders om scenario’s te kunnen simuleren om op basis van een verbeterd inzicht te komen tot beslissingen over optimaal waterbeheer in regionale gebieden. SOBEK–Rural simuleert zowel waterkwantiteit als waterkwaliteit. Bij dit onderzoek is SOBEK–Rural ingezet in combinatie met SIMGRO. In de rest van dit verslag zal gesproken worden over SOBEK, als feitelijk SOBEK–Rural wordt bedoeld. In dit afstudeeronderzoek is SOBEK slechts gebruikt voor het vergaren van de hydraulische gegevens en is er niet geëxperimenteerd met SOBEK. Er volgt een korte beschrijving van SOBEK ter informatie maar er zal niet dieper op worden ingegaan. Modulaire opzet SOBEK beschikt over de volgende modules: −

CF (Channel Flow) voor de berekening van stroming in netwerken van sloten, boezems, kanalen, leidingen en beken, waarin opgenomen een breed scala van kunstwerken, zoals stuwen, duikers, uitwateringssluizen en pompen; RR (Rainfall Runoff) voor de berekening van het neerslag-afvoer proces; RTC (Real-Time-Control) voor de sturing van kunstwerken in een beheersgebied; WQ (Water quality) voor de berekening van de effecten van emissies op een regionaal gebied.

− − −

Voor dit onderzoek is vooralsnog slechts gebruik gemaakt van de Channel Flow module. De reactie van de afvoer op de neerslag wordt in dit onderzoek toegeleverd vanuit SIMGRO. Waterkwaliteit kan in een latere fase worden toegevoegd. Ook voor sturing is dit mogelijk. Rekenschema Voor de beschrijving van de waterbeweging worden de volledige De Saint Venant vergelijkingen opgelost met het impliciete Stelling-schema:

∂A f ∂t

+

∂Q = q lat ∂x

En

∂Q ∂ Q 2 ∂h gQ Q + + gA f + =0 ∂t ∂x A f ∂x C 2 RA f

2

Bij het tot stand komen van deze paragraaf is gebruik gemaakt van het helpbestand binnen SOBEK



Eindrapport

waarin: Aƒ: doorstroomd oppervlak (m2) laterale toevoer per eenheid van lengte (m2/s) qlat: Q: afvoer (m3/s) t: tijd (s) x: afstand (m) g: versnelling van de zwaartekracht (m/s2) (= 9,81) h: waterpeil (m) (ten opzichte van referentie niveau) C: Chézy coëfficiënt (m½/s) R: hydraulische straal (m) Dit rekenschema is gebaseerd op een rekenrooster waarbij afwisselend waterstanden en afvoeren worden berekend. Efficiency Het systeem van vergelijkingen wordt efficiënt opgelost door een algoritme op basis van netwerk structuur herkenning. Hiermee neemt de rekentijd voor simulaties van stroming in netwerken in veel gevallen slechts lineair toe met een toenemende grootte van het stelsel. Dit stelt de gebruiker in staat om vele duizenden takken in het netwerk op te nemen. Verder wordt de efficiency vergroot door toepassing van een zelfselecterende tijdstap. Netwerk Een SOBEK netwerk is opgebouwd uit lijnelementen (reaches). De lijnelementen zijn onderling verbonden met verbindingsknopen (connection nodes). De reaches kunnen worden gesplitst in meerdere segmenten (reach segments), die onderling verbonden zijn met rekenpunten (calculation nodes). figuur 13 geeft hiervan een overzicht. Figuur 13: Sobek-CF-netwerk schematisatie reach connection node

calculation point

reach segment


H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 23 -

22 juni 2005

De waterstanden worden weergegeven in de knopen, de waterstroming wordt weergegeven in de segmenten. Daarnaast zijn in het SOBEK model nog een aantal andere knooptypen opgenomen. Het betreft naast de al genoemde connection nodes: − − − − −

randknopen (Boundary nodes); stuwen (Weirs); onderlaten (Orifices); gemalen (Pump Stations). duikers (culverts)

Stuwen Stuwen worden in het gebied gebruikt om de peilvakken te scheiden. Afhankelijk van de boven- en benedenstroomse waterstanden zal de stuw al dan niet verdronken zijn. SOBEK past de formules voor de stuw automatisch aan op de optredende situatie. Deze kan dus per tijdstap veranderen van vrije stuw naar verdronken stuw en omgekeerd. In principe kan het water in twee richtingen over de stuw heen stromen. Als de waterstand aan weerszijde van de stuw onder de kruinhoogte staat, zal er geen water over de stuw heen stromen. De gehanteerde formules voor een stuw zijn: - Formules voor een vrije stuw:

Q = ce cwWs ⋅ 23 ⋅

2 3

3

g (h1 − z s ) 2 en

A f = Ws 23 (h1 − zs ) - Formules voor een verdronken stuw:

Q = ce cwWs ⋅ h1 − z s − Af = Ws 23 (h1 − z s −

us2 ⋅ 2 g (h1 − h2 ) en 2g

us2 ) 2g

waarin: Q: afvoer over de stuw (m3/s) Aƒ: doorstroomd oppervlak (m2) ce: afvoer coëfficiënt (-) cw: laterale contractie coëfficiënt (-) Ws: kruinbreedte (m) g: versnelling van de zwaartekracht (m/s2) (= 9,81) h1: bovenstroomse waterpeil (m) benedenstroomse waterpeil (m) h2: zs: kruinhoogte (m) u s: stroomsnelheid over de kruin (m/s)



Eindrapport

Gemalen Binnen SOBEK kan een gemaal in principe in twee richtingen pompen. Gemalen kunnen worden aangestuurd door een of meerdere aan- en afslagpeilen, zowel aan stroomopwaartse als aan stroomafwaartse zijde, maar er kan ook een vast debiet (over een bepaalde periode) worden opgelegd. De gebruikte formule is simpel. Vanaf een bepaald aanslagpeil gaat de pomp aan met een debiet gelijk aan de pompcapaciteit. Dit gaat door totdat een bepaald afslagpeil bereikt wordt.

4.3

AlterrAqua Om de koppeling van SOBEK en SIMGRO te verbeteren wordt gebruik gemaakt van AlterrAqua. AlterrAqua is een programma dat werkt onder ArcView. Het model zoals gemaakt met SOBEK, zoals kunstwerken, waterlopen en rekenpunten, kan worden geëxporteerd en vervolgens geopend worden met ArcView. Aan dit model kunnen meerdere GIS bestanden worden toegevoegd, zoals bodemkaarten met eigenschappen van de bodem, maaiveld hoogtes enz. Met AlterrAqua kunnen deze gegevens omgezet worden naar invoer voor SIMGRO. AlterrAqua biedt ook de mogelijkheid SIMGRO aan te sturen. De uitvoer van SIMGRO kan visueel worden weergegeven met AlterrAqua. Doordat het programma werkt onder ArcView is het mogelijk om GIS bewerkingen te doen met de resultaten.

4.4

Koppeling van modellen

4.4.1

Wat doet een koppeling Een koppeling tussen twee modellen wordt tot stand gebracht als een model uitvoer van een ander model wordt gebruikt als invoer. Dit is heel breed gesteld, maar hierbij kan worden opgemerkt, dat van een koppeling gesproken kan worden als een model doorgerekend wordt met onder andere als doel invoer voor een ander model te genereren. Als in een model gegevens gebruikt worden als invoer, die oorspronkelijk door een ander model gegenereerd zijn, maar niet met dit doel, wordt dit geen koppeling genoemd. Het is bijvoorbeeld mogelijk dat dit model gemaakt is in het kader van een ander project. Bij een koppeling wordt dus uitvoer van modellen overgebracht of uitgewisseld. Er kunnen drie onderdelen van een koppeling beschouwd worden: 1. Manier van communicatie (online/offline) 2. Moment van communicatie (waar in de berekening) 3. Overdracht van gegevens.

4.4.2

Manier van communicatie De manier van communicatie is onder te verdelen in online en offline. Het verschil hiertussen is dat bij online communicatie de twee modellen direct na elkaar of zelfs tegelijkertijd draaien, bij offline is dit gescheiden. Bij de koppeling SOBEK met SIMGRO is er sprake van een offline situatie. De uitvoer van SOBEK moet bewerkt worden voordat het als invoer voor SIMGRO gebruikt kan worden.


H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 25 -

22 juni 2005

4.4.3

Moment van communicatie Bij een koppeling worden gegevens overgebracht van het ene model naar het andere. Dit kan op verschillende tijdstippen in de berekening. Het overbrengen van de gegevens kan aan het eind van een complete simulatieperiode of na een aantal tijdstappen. Bij de koppeling van SOBEK met SIMGRO gebeurt dit aan het eind van de simulatie periode van SOBEK.

4.4.4

Overdracht van gegevens Exporteren naar GIS (stap 1) Voor de berekening van een hydrologisch systeem moet er eerst een SOBEK model gemaakt worden van dit systeem. Er wordt gebruik gemaakt van SOBEK Channel Flow (SOBEK-CF) waarin een 1-D schematisatie wordt gemaakt van het gebied. Dit bestaat uit de waterlopen inclusief de kunstwerken en gemalen. Deze schematisatie van het oppervlaktewatermodel kan geëxporteerd worden (stap1) als een GIS bestand. Dit kan worden geopend met ArcView zodat met AlterrAqua vervolgd kan worden. Het is nog niet mogelijk om met AlterrAqua alle invoer te maken voor SIMGRO. Hiervoor zijn een aantal applicaties gemaakt welke in de juiste volgorde doorlopen moeten worden voordat gemodelleerd kan worden met SIMGRO, zie figuur 14 voor een schema. Figuur 14: Schema van de koppeling van SOBEK en SIMGRO

Afwateringseenheden

SOBEK

Schematisatie opp.

Waterhoogtes en debieten

1 3

Geografische data

2

watersysteem

Applicatie voor data conversie Schematisatie opp. Q(h)-relatie

ArcView AlterrAqua

Data Aansturing

3

1

watersysteem

SIMGRO

Uitvoer

Bepalen afwatering en laterale belasting (stap 2) Om de belasting op de waterlopen bij neerslag te kunnen bepalen wordt een applicatie gebruikt om te bepalen welk gebied op welke waterloop afwatert. Er wordt van uitgegaan dat de afwatering dezelfde gradiënt heeft als het verloop van het maaiveld zodat op basis van het maaiveld de afwatering wordt bepaald. Ieder knooppunt wordt ‘toegewezen’ aan een waterbakje en door het invloedsgebied van de knopen op te tellen is de oppervlakte van het afwaterende gebied bekend. Door een continue (neerslag)belasting aan te brengen is te berekenen hoe groot de belasting op het H37403/R00001/JORDY/Rott1 22 juni 2005


Eindrapport

waterbakje is in het geval van neerslag. Er wordt gerekend met diverse belastinggevallen. Deze worden uitgedrukt in liter/seconde/ha en zijn 0,01; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0 l/s/ha. Het doel van deze belasting is het afleiden van een Q(h)-relatie voor elk bakje in de waterloop. Het belastinggeval met 0,01 l/s/ha is ter bepaling van het nulpunt van de Q(h)-relatie. 3,0 l/s/ha komt overeen met ongeveer 26 mm/dag zodat verwacht mag worden dat een extreme situatie binnen dit bereik valt. Afleiden Q(h)-relaties (stap 3) SOBEK heeft de mogelijkheid een waterloop met een laterale belasting te belasten. De laterale belasting van een waterloop is te verkrijgen door de belastinghoeveelheid te vermenigvuldigen met het afwaterende oppervlak. Voor elke waterloop wordt voor elk belastinggeval de laterale belasting berekend. Met SOBEK wordt vervolgens voor alle situaties (in dit geval acht keer) een modellering gedaan. De belasting op de waterlopen zorgt voor een constant debiet en na verloop van tijd zal een stationaire toestand ontstaan, zie figuur 15 Figuur 15: Verloop in de tijd van de waterhoogte van een segment

Voor deze toestand wordt voor elk segment en knoop respectievelijk het debiet en de waterhoogte opgeslagen. De kunstwerken worden in SIMGRO geschematiseerd door een Q(h)-relatie en om toch deze kunstwerken over te nemen vanuit SOBEK worden de waterstanden en debieten gebruikt om een Q(h)-relatie te bepalen. Bij kunstwerken hebben we te maken met een verschillende situatie boven- en benedenstrooms van het kunstwerk. Bij een kunstwerk wordt de waterstand bovenstrooms en benedenstrooms van het kunstwerk en het debiet dat door of over het kunstwerk stroomt opgeslagen. Deze procedure wordt voor alle belastinggevallen herhaald. Voor elk knooppunt is dan Bandbreedte Q(h)-relatie Eindrapport

H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 27 -

22 juni 2005

de waterhoogte en voor ieder segment het debiet berekend. Er is een applicatie gemaakt voor het omzetten van deze gegevens naar een Q(h)-relatie. Met deze applicatie worden voor alle segmenten (inclusief kunstwerken) de Q(h)-relaties bepaald, zie figuur 16. Figuur 16: Een Q(h)-relatie van een waterbakje welke is opgebouwd uit de 8 punten ontstaan uit de 8 belastinggevallen

Q(h)-relatie

Peilverhoging (m)

0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

Debiet (m3/s) Modellering met SIMGRO Voordat er gerekend kan worden met SIMGRO moet alle data van SOBEK omgezet worden naar invoerbestanden voor SIMGRO. Behalve de gegevens van SOBEK zijn ook andere gegevens nodig, zoals bijvoorbeeld geografische informatie. Er zijn een aantal applicaties gemaakt voor invoeren van de volgende gegevens in het SIMGRO model: • • • • • • •

Profielgegevens van de waterlopen Toewijzen watersysteem aan knooppunten Geohydrologie (waaronder toewijzen randvoorwaarden) Drainage Onderbemaling Q(h)-relaties gemalen Wateraanvoer/inlaat

Gegevens zoals bijvoorbeeld het landgebruik of de bodemfysica kunnen met AlterrAqua toegevoegd worden. De aansturing van SIMGRO en instellingen zoals tijdstappen en periode van rekenen kan gedaan worden met AlterrAqua. Tevens kan de uitvoer van SIMGRO visueel worden weergegeven. De bepaling van de inundatie en GGOR wordt gedaan na de berekeningen en is een functie binnen AlterrAqua.



Eindrapport

5

METHODE

5.1

Modelgebied Voor dit onderzoek moet gebruik worden gemaakt van een geschikt gebied met de eigenschappen van een poldergebied. Het gebied mag niet te groot zijn vanwege de rekentijd en het watersysteem moet overzichtelijk zijn. Tevens wordt er gebruik gemaakt van de License Free version van SOBEK waarmee maximaal met 150 knooppunten gerekend kan worden. Er wordt een modelgebied gemaakt die de eigenschappen heeft van een polder in West-Nederland. Het gebied is vlak en bestaat uit veen. Er zijn zes waterlopen aanwezig en één gemaal die de waterstand in het gebied op peil houdt. Het gemaal watert af buiten het gebied op bijvoorbeeld een boezemkanaal. De afmeting is circa 2,5 bij 2,5 kilometer en is volledig omringd door een dijk. Er kan alleen ter plaatse van het gemaal water in of uit zodat het een overzichtelijk gebied is. De bodem bestaat uit een toplaag (freatisch pakket) van 10 meter dikte. Onder deze toplaag bevindt zich een watervoerend pakket met een dikte van 30 meter. De stijghoogte van dit onderliggende watervoerende pakket varieert tussen -3,00 m + NAP en -2,00 m + NAP. Het streefpeil in de polder ligt op -2,01 m + NAP zodat dit een infiltratiegebied is. Figuur 17: Overzicht van het modelgebied

Voor dit gebied is de hoofdfunctie landbouw. Het grondgebruik bestaat hoofdzakelijk uit grasland ten behoeve van de veehouderij.


H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 29 -

22 juni 2005

5.2

Opzet onderzoek In dit onderzoek wordt onderzocht of het altijd nodig is de Q(h)-relaties opnieuw af te leiden na een aanpassing in het watersysteem. Dit wordt getoetst door in een poldersysteem een aanpassing te doen. In dit geval wordt een stuw aangebracht en het peil verhoogd. De stuw zorgt voor een verandering van het verhang in alle bakjes bovenstrooms van de stuw. Het verhang wordt kleiner, zie figuur 18, zodat het hoogteverschil tussen de bakjes ook kleiner is en verwacht mag worden dat het water minder hard zal stromen (bij gelijke waterstand). Figuur 18: Schematisatie van het verhang bij een bakjesmodel Oorspronkelijke situatie

Q(h)

Opstuwing door (nieuw) kunstwerk

Q(h)

Q(h)

h1

h2

Bakje1

Bakje2

Bakje3

Bakje1

Q(h)

Bakje2

Bakje3

De gegevens van de benedenstroomse waterstand (waterstand h2 in lager gelegen bakje) zijn niet verwerkt in de Q(h)-relatie. In de Q(h)-relatie is alleen de waterstand (h1) in het bakje met bijbehorend debiet weergegeven. Een verandering in het verhang betekent een verandering in de waterstand. Een kleiner verhang wordt met het bakjesmodel geschematiseerd door de verschillen in waterstanden tussen de bakjes kleiner te maken, zoals te zien is in figuur 18. Een Q(h)relatie die is afgeleid voor de oorspronkelijke situatie zal bij toepassing in de nieuwe situatie enige onnauwkeurigheid geven. Dit wordt veroorzaakt doordat het verschil in waterstand tussen bakje 1 en bakje 2 kleiner is geworden wat weer effect heeft op de relatie tussen de waterstand en het debiet vanuit bakje 1. Het is echter niet bekend hoe groot de onnauwkeurigheid is en of deze significant is bij studies waar (gemiddelde) freatische grondwaterstanden worden beschouwd en/of oppervlakte-waterstanden in extreme situaties. Voor het onderzoek wordt gebruik gemaakt van twee situaties, een ‘droge’ situatie zonder stuwen en een natte situatie met stuwen (en hoger streefpeil). Met deze twee situaties kan een verdrogingscenario en een vernattingscenario gesimuleerd worden. Bij een verdrogingscenario is de natte situatie het uitgangpunt en worden de stuwen verwijderd om de droge situatie te verkrijgen. Bij het vernattingscenario is de droge situatie het uitgangspunt en worden stuwen geplaatst om de natte situatie te verkrijgen. 5.2.1

Beschrijving situaties Droge situatie (zonder stuwen) In dit geval hebben alle peilvakken een gelijk streefpeil. In de waterlopen zijn geen stuwen aanwezig. Het streefpeil wordt bepaald door het gemaal en is ingesteld op -2,01 m+NAP, zie figuur 19.



Eindrapport

Figuur 19; Streefpeilen peilvakken droge situatie

Natte situatie (met stuwen) In deze situatie zijn twee stuwen aanwezig met een kruinhoogte van -1,81 m + NAP. Het streefpeil van twee peilvakken is 20 cm hoger in deze situatie. Het peil van het gemaal is niet veranderd, zie figuur 20. Figuur 20: Streefpeilen peilvakken natte situatie


H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 31 -

22 juni 2005

Voor beide situaties worden SOBEK modellen en SIMGRO modellen gemaakt. De Q(h)relaties worden met de SOBEK modellen afgeleid voor de SIMGRO modellen. De opzet is te zien in figuur 21. Figuur 21: Schema van de standaard koppeling SOBEK-SIMGRO met de twee situaties

Droge situatie

Natte situatie

Zonder stuw

Met stuw

SOBEK model

SOBEK model

Q(h)-relatie

Q(h)-relatie

SIMGRO model

SIMGRO model

Met SOBEK worden de Q(h)-relaties worden afgeleid en gebruikt voor het SIMGRO model. Voor elke situatie wordt de Q(h)-relatie afgeleid. Zoals genoemd kunnen twee scenario’s toegepast worden: een vernatting en een verdroging. Indien een vernattingscenario toepast wordt door stuwen te plaatsen zou volgens de huidige methode opnieuw de Q(h)-relaties afgeleid moeten worden om onnauwkeurigheden te voorkomen. Door juist wel gebruik te maken van deze ‘oude’ Q(h)-relatie kan worden onderzocht wat het effect als niet opnieuw de Q(h)-relatie afgeleid wordt. Dit is ook te doen voor het verdrogingscenario. Voordat de Q(h)-relatie gebruikt kan worden voor de andere situatie, moet deze binnen SIMGRO worden aangepast. Het nulpunt (ook wel drempelwaarde genoemd) van de Q(h)-relatie ligt op het streefpeil van het peilvak. Indien het streefpeil verandert moet dit nulpunt (handmatig) aangepast worden aan het streefpeil. 5.2.2

Beschrijving scenario 1: verdrogingscenario In dit scenario worden de stuwen verwijderd en het streefpeil met 20 cm verlaagd in twee peilvakken. De natte situatie is de beginsituatie en de droge situatie is de nieuwe situatie. Figuur 22a: Schema verdrogingscenario

Droge situatie

Natte situatie

SOBEK model

SOBEK model

Zonder stuwen Q(h)-relatie

Aangepaste Q(h)-relatie

Met stuwen

(variant 2 en 3)

(variant 1)

SIMGRO model



Eindrapport

In dit scenario kunnen voor het SIMGRO model Q(h)-relaties van de natte situatie en van de (nieuwe) droge situatie gebruikt worden, zie figuur 22a. Er zijn de volgende varianten: Variant 1: Basis (Q(h)-relaties droge situatie, Q(h)d) Voor deze variant van het verdrogingscenario is er in het SIMGRO model gebruik gemaakt van de Q(h)-relaties die zijn afgeleid uit het SOBEK model van de droge situatie. Dit is de methode zoals die nu wordt toegepast. Er wordt van uitgegaan dat deze variant de juiste resultaten geeft en wordt gebruikt als referentie. Variant 2: Ingreep peilvak (Q(h)-relaties natte situatie, Q(h)n) Bij deze variant is gebruik gemaakt van de oorspronkelijke (natte situatie) Q(h)-relaties. Zoals eerder vermeld heeft iedere Q(h)-relatie van een bakje een nulpunt dat gelijk is aan het gehanteerde streefpeil in het peilvak. Het betreft hier een peilverlaging van 20 cm. Bij deze variant worden de nulpunten van alle bakjes aangepast die liggen in het peilvak waarvan het streefpeil is aangepast. Variant 3: Ingreep t.p.v. de stuw (Q(h)-relaties natte situatie, Q(h)n) Bij deze variant is net als variant 2 gebruik gemaakt van de oorspronkelijke (natte situatie) Q(h)-relaties. Bij deze variant worden de nulpunten van de Q(h)-relaties enkel op plaats waar de stuw zich bevond aangepast. De nulpunten van de andere bakjes blijven ongewijzigd. Het aanpassen van de nulpunten moet handmatig gebeuren en zeer zorgvuldig werk. Doordat bij deze variant voor slechts 2 bakjes het nulpunt aangepast wordt is deze variant het minste werk. In dit scenario wordt een situatie nagebootst waar het verwijderen van stuwen en het verlagen van het streefpeil een ingreep is. Door deze drie varianten te vergelijken kan worden nagegaan of grote onnauwkeurigheid optreedt door tijd te besparen en niet opnieuw de Q(h)-relaties opnieuw af te leiden met SOBEK. 5.2.3

Beschrijving scenario 2: vernattingscenario Bij dit scenario is de droge situatie de beginsituatie en wordt een ingreep gedaan om de natte situatie te verkrijgen. In dit geval worden twee stuwen geplaatst en het streefpeil van twee peilvakken met 20 cm verhoogd. Figuur 22b: Schema vernattingscenario

Droge situatie

Natte situatie

SOBEK model

SOBEK model

Zonder stuwen

Met stuwen Aangepaste Q(h)-relatie (variant 2,3)

Q(h)-relatie (variant 1)

SIMGRO model


H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 33 -

22 juni 2005

Er kan gebruik gemaakt worden van de Q(h)-relaties van de droge situatie of de Q(h)relaties welke opnieuw zijn afgeleid voor de natte situatie, zie figuur 22b. Er zijn de volgende mogelijkheden: Variant 1: Basis (Q(h)-relaties natte situatie, Q(h)n) Bij deze variant van het vernattingscenario is er in het SIMGRO model gebruik gemaakt van de Q(h)-relaties die zijn afgeleid uit het SOBEK model van de natte situatie. Dit is de methode zoals die nu wordt toegepast. Er wordt van uitgegaan dat deze variant de juiste resultaten geeft en wordt gebruikt als referentie. Variant 2: Ingreep peilvak (Q(h)-relaties droge situatie, Q(h)d) Bij deze variant is gebruik gemaakt van de oorspronkelijke (droge situatie) Q(h)-relaties. Deze variant werkt zoals variant 2 van het verdrogingscenario. De nulpunten van alle bakjes die in het peilvak liggen, waarvan het streefpeil is veranderd, worden aangepast. Variant 3: Ingreep t.p.v. de stuw (Q(h)-relaties droge situatie, Q(h)d) Bij deze variant is net als variant 2 gebruik gemaakt van de oorspronkelijke (droge situatie) Q(h)-relaties. Bij deze variant worden de nulpunten van de Q(h)-relaties enkel op plaats waar de stuw wordt geplaatst aangepast. De nulpunten van de andere bakjes blijven ongewijzigd. Het plaatsen van een stuw maakt het mogelijk voor een aantal waterhoogtes het debiet te berekenen met een stuwformule die ook door SOBEK gebruikt wordt. Van deze punten kan een nieuwe Q(h)-relatie gemaakt worden. Ook in dit scenario is variant 3 het minste werk. In dit scenario wordt een situatie nagebootst waar het plaatsen van stuwen en het verhogen van het streefpeil een ingreep is. Door de drie varianten met elkaar te vergelijken is te zien hoe groot het verschil is dat optreedt indien gebruik wordt gemaakt van de “oude” Q(h)-relaties na een ingreep.

5.3

SOBEK model Het modelgebied bestaat uit 6 waterlopen en het uitstroompunt bevindt zich aan de linkerkant van het model. Bij de schematisatie naar SOBEK hebben we te maken met knooppunten en reaches. In figuur 23 is te zien hoe deze schematisatie eruit ziet. In figuur 23b is te zien dat de waterloop gesplitst is. Dit is om zowel een gemaal als een inlaat te modelleren. De waterinlaat is in het SIMGRO model echter achterwege gelaten. Voor de nauwkeurigheid worden rekenknopen aan de reaches toegevoegd. Iedere reach wordt voor de berekening opgedeeld in segmenten van ongeveer 200 meter. De segmenten worden door SOBEK per reach gelijkmatig verdeeld over de reaches zodat de segmenten verschillende lengtes kunnen hebben. Het watersysteem in dit model is opgedeeld in 56 segmenten.



Eindrapport

Figuur 23a: Schematisatie SOBEK model

A

Figuur 23b: Vergroting gebied A

Voor elke reach zijn profielgegevens benodigd. Deze profielgegevens van de reaches en lengtes van alle segmenten staan in Bijlage 1. In het model zijn ook kunstwerken aanwezig. Er zijn drie duikers geplaatst en in het model van de natte situatie ook twee stuwen. De ligging van deze kunstwerken worden getoond in figuur 23a. De gegevens van deze kunstwerken zijn echter te vinden in Bijlage 2. Om de schematisatie voor zowel de droge als natte situatie gelijk te houden is een rekenknoop omgezet naar een stuw. Indien dit niet wordt gedaan dan zou van het betreffende segment de afmetingen veranderen. Het aanbrengen van een stuw (en dus een knoop) in SOBEK splitst het segment in twee stukken. De schematisatie van het watersysteem zou dan ter plaatste van de stuwen verschillend zijn wat het lastiger maakt om de varianten te vergelijken.


H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 35 -

22 juni 2005

5.3.1

Randvoorwaarden en aannamen Voor dit onderzoek zijn voor het SOBEK model de volgende uitgangspunten gehanteerd:

5.3.2

•

Op de uiteinden van de waterlopen zijn knopen geplaatst waar geen stroming doorheen mogelijk is (randvoorwaarde debiet = 0). Dit is om te voorkomen dat water in of uit het model stroomt waar dit niet gewenst is.

•

Om een gemaal te simuleren is een gemaal in het model geplaatst welke afwatert op een reach met een vast peil. Dit het enige punt waar het water het model uitgaat.

•

De afwatering als gevolg van neerslag is gelijkmatig verdeeld over een reach en niet op segment niveau.

•

Voor dit model is een 1-dimensionale schematisatie toegepast.

•

Voor de wrijving (Strickler ks) is een vaste waarde van 30 m1/3/s aangehouden onafhankelijk van de afmetingen van de waterloop.

Betrouwbaarheid van het model Bij het SOBEK model zijn standaard waarden gebruikt voor een aantal coëfficiënten. In het geval van een inlaat of uitlaat verliescoëfficiënt bij een duiker kunnen realistischer gegevens worden verkregen als deze worden aangepast aan de vorm en grootte van de duiker. Bij dit onderzoek is er sprake van een fictief gebied en is ijking niet mogelijk. Voor elk segment is dezelfde waarde ingevuld voor de wrijving. In werkelijkheid zal de wrijving toenemen bij het afnemen van de afmetingen van de waterloop. Voor beide scenario’s zijn gelijke waarden voor deze coëfficiënten gebruikt. Er wordt van uitgegaan dat bij het vergelijken van deze scenario’s de invloed van een eventueel onjuiste coëfficiënt op deze manier minimaal is.

5.4

SIMGRO model Voor het maken van het grid is gebruik gemaakt van AlterrAqua. Op basis van het modelgebied worden de knooppunten gelijkmatig verdeeld met een onderlinge afstand van 100 meter. Er ontstaat een hokjesgrid waarbij elk hokje het invloedsgebied van een knooppunt weergeeft. In het model worden de berekeningen gedaan voor de bovenste laag van de bodem. De tweede laag is een watervoerend pakket en wordt gebruikt als randvoorwaarde. De verticale schematisatie van het model is als dwarsdoorsnede weergegeven in figuur 24. Een schematisatie van een knoop in de bovenste laag is weergegeven in figuur 7. De rekenknoop bestaat uit drie delen: de wortelzone, onderliggende laag en de verzadigde zone. In de wortelzone worden processen zoals verdamping, neerslag, percolatie en capillaire werking berekend. In de onderliggende laag wordt de stroming tussen de verzadigde zone en wortelzone berekend. Uit de waterbalans in deze laag en de berekende bergingscoëfficiënt wordt de hoogte van de verzadigde zone bepaald. Voor de tweede laag kan een waarde voor de stijghoogte opgegeven worden. Tussen de eerste rij knopen en de tweede rij knopen wordt een weerstand c aangebracht. H37403/R00001/JORDY/Rott1 22 juni 2005


Eindrapport

Figuur 24: Schematische dwarsdoorsnede SIMGRO model

modelgebied

C=0

C

C

C

C

C

C

C=0

Rekenknoop binnen modelgebied Rekenknoop buiten modelgebied Rekenknoop met randvoorwaarde Knooppunt

Om kwel en infiltratie zo goed mogelijk te berekenen wordt de stijghoogte van het onderliggende watervoerend pakket als randvoorwaarde genomen (Dirichlet randvoorwaarde). Voor een zo realistisch mogelijke stijghoogte in het watervoerende pakket wordt gebruik gemaakt van de berekende waarden uit een regionaal grondwaterstromingsmodel. Vanuit het regionale model worden de grondwaterstanden in het modelgebied afgeleid en als onderrandvoorwaarde in het SIMGRO-model gebruikt. De stijghoogtes van de randvoorwaarde variëren in de tijd als gevolg van de seizoenen. Data Voor de koppeling is het belangrijk dat de schematisatie in SIMGRO gelijk is aan de schematisatie in SOBEK. SOBEK heeft de mogelijkheid om gegevens te exporteren welke geopend kunnen worden met ArcView. Met behulp van deze exportfunctie kan vanuit SOBEK de ruimtelijke ligging van de volgende data worden overgenomen: Stuwen (sbk_weir) Gemalen (sbk_pump) Duikers (sbk_culv) Randvoorwaarden (sbk_bnd) Rekenpunten (sbk_grpt) Waterlopen (reach) Segmenten (rchseg~1) Met applicaties van paragraaf 4.4.4. worden de volgende gegevens omgezet naar invoer bestanden van SIMGRO: Dwarsprofielgegevens Q(h)-relaties Voor het SIMGRO model zijn Q(h)-relaties nodig om de oppervlaktewater berekening te doen. Capaciteit gemalen Overige benodigde gegevens zijn: Maaiveldhoogtekaart Dit bevat de hoogte van het maaiveld met een nauwkeurigheid van 5 bij 5 meter.


H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 37 -

22 juni 2005

Bodemkaarten Deze kaart bevat informatie over de bodemopbouw. Peilvakindeling De peilvakindeling bevat informatie over de ligging van de peilvakken en de streefpeilen per peilvak. Landgebruikkaarten Dit is een kaart met informatie over het landgebruik. Het landgebruik is van belang bij de bepaling of er sprake is van inundatie of bij het bepalen van de doelrealisatie. Meteo Per meetstation zijn meetreeksen van de neerslag en verdamping in dagwaarden beschikbaar. Deze zijn nodig voor het SIMGRO model. Tertiair systeem Er vindt afwatering plaats via het tertiaire stelsel. De ligging van dit systeem is benodigd voor een goede berekening van de afwatering en drainage/infiltratie. Gebiedsomtrek De gebiedsomtrek toont het modelgebied waarin de berekeningen plaatsvinden. 5.4.1

Randvoorwaarden en aannamen Voor het SIMGRO model is gebruik gemaakt van de volgende randvoorwaarden en aannamen: •

Termen zoals drainage/infiltratie van het grondwater, onttrekking voor irrigatie of drinkwater, kwel of een flux van een randvoorwaarde wordt aangenomen dat deze gelijkmatig verdeeld zijn over het bakje.

•

Er is aangenomen dat er een eenduidig verband tussen afvoer en peil is. Effecten zoals hysterese zijn niet meegenomen.

•

Verdamping en neerslag ter plaatse van het oppervlaktewatersysteem wordt niet meegenomen.

•

Kunstwerken worden in het SIMGRO model met een Q(h)-relatie gesimuleerd.

•

Het SIMGRO model berekent alleen de freatische grondwaterstanden. De stijghoogte in het eerste watervoerende pakket zijn als randvoorwaarde opgegeven.

•

Het verhang in een waterloop is geschematiseerd door meerdere bakjes met verschillende waterstanden achter elkaar te plaatsen.

•

Inlaat van water voor de handhaving van het peil is niet meegenomen.

•

Er is geen verschil in het streefpeil van de zomerperiode of winterperiode.

•

De GHG en GLG zijn berekend over de periode 1995-2001.

•

Bij de neerslag is er sprake van verdeling in de tijd en niet in de ruimte. De meetreeksen van één meetstation zijn aangehouden.



Eindrapport

5.4.2

Betrouwbaarheid van het model Randvoorwaarden zijn een belangrijke factor bij het modelleren. Een verkeerde randvoorwaarde kan een onjuist resultaat opleveren. Het kan zijn dat de invloed van de randvoorwaarde dusdanig groot is dat deze bepalend is voor de resultaten. Voor het bepalen van de randvoorwaarden is gebruik gemaakt van een hydrologisch model van Wendt. Dit is een model waarmee de grondwaterstroming op regionale schaal te modelleren is. In Bijlage 9 wordt hier dieper op ingegaan. Om de betrouwbaarheid van de uitkomsten na te gaan worden enkele eenvoudige handmatige berekeningen gedaan. Deze zijn vermeld in Bijlage 11.

5.4.3

Periode van de berekening De berekening wordt gedaan over de periode van 1995 tot 2001. Vooraf wordt het jaar 1994 doorgerekend als inspeelperiode en de resultaten hiervan als initiële waarden genomen voor het model. Op deze manier wordt de invloed van fluctuaties, die op kunnen treden bij het begin van een berekening, op de resultaten (van bijvoorbeeld de GHG of GLG) tot een minimum beperkt. Het is een niet-stationaire berekening waarin het verloop van grondwaterstanden en oppervlaktewaterstanden in de tijd kan worden weergegeven. De resultaten kunnen per dag worden bekeken.


H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 39 -

22 juni 2005

6

RESULTATEN ONDERZOEK

6.1

Wateropgave Bij een studie wateropgave wordt gekeken naar kans op overstromen bij een maatgevende situatie of bui. Er wordt berekend of er wel of geen inundatie vanuit het oppervlaktewater optreedt. Om de varianten te vergelijken in het kader van de wateropgave wordt hier het tijdstip met de hoogste waterstand gebruikt. In figuur 25 is het verloop van de oppervlaktewaterstand te zien. Figuur 25: Verloop van het waterpeil van bakje 5 in periode 1995 t/m 2000

De waterhoogte in het watersysteem bereikt de hoogste piek op 5 november 1998 (dag 309). De indeling en bijbehorende nummers van de peilvakken is weergegeven in figuur 26. Figuur 26: Indeling peilvakken


H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 41 -

22 juni 2005

Figuur 27: Inundatie verdrogingscenario, variant 1 basis op dag 309 1998

Figuur 27 en 28 tonen de berekende inundatie voor het verdrogingscenario en het vernattingscenario. Dit zijn de resultaten wanneer de voor het scenario afgeleide Q(h)relaties worden gebruikt (variant 1 basis). Deze resultaten worden gebruikt als basiskaarten bij het vergelijken van de resultaten van de varianten. De waarden in de legenda geven de inundatie in centimeters weer. De categorie meer dan 5 cm betekent dat er meer dan 5 cm water boven het maaiveld staat, terwijl -5 tot 0 cm de gebieden zijn waar de waterstand vlak onder het maaiveld staat. Te zien is dat de ingrepen grote gevolgen hebben op de peilvakken 1 en 2. Het hogere streefpeil geeft veel meer inundatie. Figuur 28: Inundatie vernattingscenario variant 1 basis met 20 cm peilverhoging in peilvak 1 en 2, dag 309 1998



Eindrapport

6.1.1

Verdrogingscenario In het verdrogingscenario is de natte situatie de beginsituatie. In deze natte situatie is een peilverlaging van 20 cm gerealiseerd, door middel van het verwijderen van twee stuwen, om te komen tot de droge situatie. Figuur 29 en 30 tonen de resultaten van verdrogingscenario waarbij gebruik is gemaakt van de Q(h)-relaties van de natte situatie. Bij de peilvakvariant (variant 2), zie figuur 29, is de drempelwaarde aangepast voor het gehele peilvak terwijl bij de stuwvariant (variant 3), zie figuur 30, alleen ter plaatse van de stuw de drempelwaarde is aangepast. Als figuur 29 vergeleken wordt met figuur 27 is te zien dat er meer inundatie is. Figuur 29: Berekende inundatie in de peilvakvariant (variant 2) van het verdrogingscenario bij gebruik van Q(h)-relaties van de natte situatie. De drempelwaarde is in alle bakjes aangepast

Als figuur 27 vergeleken wordt met figuur 30 zijn zeer grote verschillen te zien in peilvak 1 en 2. De grote verschillen in de berekende inundatie worden veroorzaakt doordat de drempelwaarde bij de stuwvariant niet is aangepast voor alle bakjes in het peilvak. Het waterpeil in de bakjes moet eerst stijgen tot aan het niveau van de drempelwaarde voordat er stroming plaatsvindt. Zoals verwacht is in peilvak 3 vrijwel geen verschil te zien omdat hier het peil niet is veranderd. Het is duidelijk dat de peilvakvariant een beter resultaat geeft dan de stuwvariant.


H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 43 -

22 juni 2005

Figuur 30: Berekende inundatie in de stuwvariant (variant 3) van het verdrogingscenario bij gebruik van Q(h)-relaties van de natte situatie. De drempelwaarde is alleen ter plaatse van de stuw aangepast

6.1.2

Vernattingscenario In het vernattingscenario is in de droge situatie een peilverhoging van 20 cm gerealiseerd door het plaatsen van stuwen in peilvak 1 en 2 om tot de natte situatie te komen. Er is sprake van veel inundatie in dit scenario. De grondwaterstanden zijn al vrij hoog in scenario 1 zodat daar de situatie al kritiek is. Na de verhoging van het streefpeil met 20 cm in peilvak 1 en 2, is inundatie onvermijdelijk. Dit is terug te zien in de resultaten. Figuur 31 toont de berekende inundatie van de peilvakvariant van het vernattingscenario bij het gebruik van Q(h)-relaties van de droge situatie, met een aanpassing van de drempelwaardes in het gehele peilvak. Vergeleken met figuur 28 zijn vooral verschillen in peilvak 1 te zien. In de bovenste helft zijn de verschillen kleiner dan in de onderste helft van het peilvak. In Bijlage 3 is het resultaat van de stuwvariant te zien. Er is een resultaat te zien dat lijkt op de uitkomst van de peilvakvariant. Er is iets meer inundatie te zien en ligt dus iets meer in de buurt van het resultaat van de basisvariant (variant 1).



Eindrapport

Figuur 31: Berekende inundatie in de peilvakvariant (variant 2) van het vernattingscenario bij gebruik van Q(h)-relaties van de droge situatie. De drempelwaarde is in alle bakjes aangepast en de Q(h)-relatie is op de plaats van de stuwen aangepast

De verschillen tussen de varianten zijn makkelijker te vergelijken als het percentage overstroomd oppervlak wordt berekend, zie tabel 2 voor de percentages. Peilvak 1 geeft een verschil van 5% tussen variant 1 en 2 terwijl bij peilvak 2 geen verschil is tussen de varianten. Duidelijk is het grote verschil te zien bij variant 3, 53% overstroomd oppervlak tegen 8% bij variant 1. Bij peilvak 3 zijn er zoals verwacht geen noemenswaardige verschillen omdat in dit peilvak geen peilverandering heeft plaatsgevonden. De kleine verschillen kunnen veroorzaakt worden door de verschillende bovenstroomse omstandigheden Tabel

2:

De

inundatie

(waterstand

boven

maaiveld)

op

5-11-1998

(dag

309)

voor

het

verdrogingscenario zonder stuwen met alle peilvakken een gelijk streefpeil

Variant 1 Basis Q(h) droge situatie

Peilvak 1 2 3

Totaal aantal cellen 6475 1811 2586

Overstroomde cellen 547 220 311

% 8 12 12

Variant 2 Peilvak Q(h) natte situatie Nulpunt in heel peilvak aangepast Overstroomde cellen 869 214 292

% 13 12 11

Variant 3 Stuw Q(h) natte situatie Nulpunt t.p.v. stuwen aangepast Overstroomde % cellen 53 3450 39 709 12 314

Tabel 3 laat de inundatie uitgedrukt in percentages zien voor het vernattingscenario. Bij het vernattingscenario zijn de verschillen het grootst in peilvak 1. Variant 3 geeft voor peilvak 2 een opmerkelijk (hoger) resultaat 50% tegen 48% bij variant 1.


H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 45 -

22 juni 2005

Tabel

3:

De

inundatie

(waterstand

boven

maaiveld)

op

5-11-1998

(dag

309)

voor

het

vernattingscenario met stuwen en peilverhoging in peilvak 1 en 2 met 20 cm

Variant 1 Basis Q(h) natte situatie

Peilvak 1 2 3

6.1.3

Totaal aantal cellen 6475 1811 2586

Overstroomde cellen 3775 867 320

% 58 48 12

Variant 2 Peilvak Q(h) droge situatie Nulpunt in heel peilvak aangepast Overstroomde cellen 2495 717 322

% 39 40 12

Variant 3 Stuw Q(h) droge situatie Nulpunt t.p.v. stuwen aangepast Overstroomde % cellen 39 2554 50 913 13 331

Verschil oppervlaktewaterstanden Tenslotte worden de oppervlaktewaterstanden met elkaar vergeleken. In figuur 32 is het effect te zien van het plaatsen (of weghalen) van de stuwen en de peilverhoging (of verlaging). Het maximale verschil tussen de droge situatie en de natte situatie is 27 cm op dag 309 in het jaar 1998 (5-november 1998). De waterbakjes zijn gekoppeld aan de knooppunten. Deze grafische uitvoer geeft de waterstand (per knooppunt) in bijbehorend bakje weer. Figuur 32: Verschil in waterstanden tussen de twee situaties, berekend op dag 309, 1998

Er zijn voor peilvak 1 en 2 verschillende effecten te zien. Het verschil in oppervlaktewaterstand in peilvak 1 is meer dan 20 cm terwijl het verschil in oppervlaktewaterstand in peilvak 2 minder dan 20 cm is. Dit verschil is het gevolg van het verschil in debiet. Het oppervlak van peilvak 1 is groter hetgeen zorgt voor meer afwatering. Het debiet ter plaatse van de stuw van peilvak 1 is vijf keer groter dan het debiet ter plaatse van de stuw van peilvak 2 terwijl de breedte een slechts een factor 1,2 groter is. Met een handmatige berekening is de bovenstroomse waterhoogte (benodigd bij gegeven debiet) bij de stuw te berekenen. Hieruit blijkt dat het verschil in debiet zorgt H37403/R00001/JORDY/Rott1 22 juni 2005


Eindrapport

voor een verschil in waterstand tussen peilvak 1 en 2 van 10 tot 12 cm. Bovendien neemt het verhang in peilvak 2 af als gevolg van de toegenomen stroombreedte en zorgt voor een verhoging die kleiner is dan 20 cm. In peilvak 1 neemt het verhang af, maar dit is minder goed terug te zien door de grote opstuwing als gevolg van de stuw. Als de verschillen tussen de varianten bekeken worden, zie figuur 33 en Bijlage 4, wordt duidelijk dat er ook tussen de varianten het grootste verschil optreedt voor de onderste helft van peilvak 1. Bij de peilvakvariant is dat verschil 9 cm en bij de stuwvariant is dat 25 cm. De verschillen bij variant 3 van het verdrogingscenario zijn dusdanig groot dat de legenda is aangepast. Figuur 33: Het verschil tussen de berekende waterstanden van de basisvariant en de peilvakvariant in het verdrogingscenario

6.1.4

Conclusie Het valt op dat bij het verdrogingscenario de varianten 2 en 3 een hoger resultaat geven dan de basisvariant. Bij het vernattingscenario geven de varianten 2 en 3 juist een lager resultaat dan de basisvariant. De peilvakvariant geeft in het verdrogingscenario een veel beter resultaat dan de stuwvariant. In peilvakken 2 en 3 zijn grote verschillen te zien bij de stuwvariant. Voor peilvak 1 is de uitkomst 53% overstroomd oppervlak, terwijl de uitkomst rond de 8% hoort te liggen. Het verschil van de waterstand is 9 cm bij de peilvakvariant en 25 cm bij de stuwvariant. Ten opzichte van het verschil tussen de droge en natte situatie (27 cm, zie figuur 32) is het verschil van de stuwvariant zeer groot. Bij de stuwvariant is de drempelwaarde alleen ter plaatse van de stuw aangepast en niet voor de resterende bakjes. Het waterpeil moet eerst stijgen tot de drempelwaarde voordat er stroming plaatsvindt. Bandbreedte Q(h)-relatie Eindrapport

H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 47 -

22 juni 2005

Bij het vernattingscenario liggen de uitkomsten van de peilvakvariant en de stuwvariant dicht bij elkaar in de buurt dan in het verdrogingscenario. Dit heeft te maken dat het terugstuur mechanisme van SIMGRO ingrijpt indien de waterstand in lager gelegen bakje hoger is dan waar het water vandaan komt. Voor beide scenario’s geldt dat in de bovenste helft van peilvak 1 kleinere verschillen te zien zijn dan bij de onderste helft van peilvak 1. De scheiding ligt op de plaats van een duiker. Deze duiker heeft waarschijnlijk een beperkende afvoer (hoog energieverlies) zodat in dit gebied benedenstroomse effecten minder invloed hebben.

6.2

GGOR Bij een studie GGOR worden aan de hand van de GHG en de GLG doelrealisatiekaarten met behulp van het instrument Waternood gemaakt. Er wordt gekeken welke verschillen er zijn bij de GHG en de GLG kaarten en welk effect dit heeft op de doelrealisatiekaarten.

6.2.1

Verdrogingscenario Alle GHG en de GLG kaarten zijn te vinden in Bijlage 5, in deze paragraaf worden slechts enkele kaarten getoond. De grondwaterstand wordt weergegeven in cm’s onder maaiveld. Een negatieve waarde betekent dat het water zich boven het maaiveld bevindt. Bij zowel de GHG als de GLG zijn op het oog weinig verschillen te zien tussen de basisvariant en de peilvakvariant (Bijlage 5) van het verdrogingscenario. Bij de stuwvariant (figuur 35) is duidelijk te zien dat de GHG hoger is dan bij de basisvariant (figuur 34). Figuur 34: De berekende GHG voor de basisvariant van het verdrogingscenario



Eindrapport

Figuur 35: De berekende GHG voor de stuwvariant van het verdrogingscenario

6.2.2

Vernattingscenario In de Bijlage 6 is te zien dat bij het vernattingscenario de gemiddelde grondwaterstanden van de basisvariant hoger zijn dan van de peilvakvariant. De stuwvariant geeft een vergelijkbaar resultaat en toont ook lagere waterstanden dan de basisvariant. Ook bij het vernattingscenario zijn de verschillen tussen de varianten moeilijk waarneembaar.

6.2.3

Verschillenkaarten Voor een beter overzicht worden de verschillen tussen de varianten uitgerekend. Het verschil tussen de basisvariant en de peilvakvariant van het verdrogingscenario varieert enkele cm’s, zie figuur 36, terwijl het verschil tussen de basisvariant en de stuwvariant maximaal zelfs 30 cm is, zie bijlage 5 en 6. Bij het vernattingscenario zijn de verschillen tussen de varianten maximaal 5 cm, zie figuur 37.


H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 49 -

22 juni 2005

Figuur 36: Het verschil tussen de GHG van de basisvariant en de peilvakvariant van het verdrogingscenario

Zoals verwacht is er in het verdrogingscenario met gebruik van Q(h)-relaties van de natte situatie (figuur 36) een te hoge grondwaterstand berekend en bij het vernattingscenario met gebruik van Q(h)-relaties van de droge situatie (figuur 37) een te lage grondwaterwaterstand. Figuur 37: Het verschil tussen de GHG van de basisvariant en de peilvakvariant van het vernattingscenario

De verschillen in de GLG kaarten zijn kleiner dan bij de GHG kaarten. Hier wordt verder niet op ingegaan. Deze zijn te vinden in de bijlagen. H37403/R00001/JORDY/Rott1 22 juni 2005


Eindrapport

6.2.4

Doelrealisatiekaarten In Bijlage 7 zijn de doelrealisatiekaarten weergegeven. De doelrealisatiekaarten zijn gemaakt met het Waternood instrumentarium en zijn gebaseerd op het grondgebruiktype, de GHG en de GLG. Voor het verdrogingscenario zijn alleen de basisvariant en de peilvakvariant aanwezig, de stuwvariant is op een later stadium toegevoegd aan de scenario’s en het was niet meer mogelijk voor variant 3 een doelrealisatiekaart te maken. De kaarten zijn gemaakt voor het grondgebruiktype landbouw. Dat wil zeggen hoe hoger het percentage hoe beter het bruikbaar is voor landbouw. De rode gebieden (0-10%) ontstaan doordat het grondwater boven het maaiveld komt (bij de GHG). Voor het verdrogingscenario zijn de verschillen tussen de basisvariant en de peilvakvariant nauwelijks te zien. Bij het vernattingscenario zijn de verschillen wat groter dan bij het verdrogingscenario. Het oppervlak met 10% is bij de basisvariant groter dan bij de peilvak- en stuwvariant. Het resterende oppervlak heeft een resultaat van 70% – 90% en zijn voor de varianten vrijwel gelijk.

6.2.5

Conclusie Ook bij deze resultaten is te zien dat in peilvak 1 de verschillen het grootst zijn. Bij de GHG is dit verschil groter dan bij de GLG. Dit wordt veroorzaakt doordat de verschillen in de Q(h)-relaties alleen bij waterstanden boven de drempelwaarde een rol gaan spelen. De verschillen tussen de varianten bij de GHG en de GLG zijn kleiner dan bij de inundatieberekening. Inundatie is een direct gevolg van de (te hoge) oppervlaktewaterstanden in de waterlopen. Grondwater reageert trager op variaties in het watersysteem, afhankelijk van de drainage en infiltratie weerstand. Als de doelrealisatiekaarten bekeken worden, welke gebaseerd zijn op de GHG en de GLG, is te zien dat de verschillen tussen de varianten nog kleiner zijn dan bij de GHG kaarten en de GLG kaarten. Als dit teruggekoppeld wordt naar de landbouwopbrengsten zullen deze verschillen van minder groot belang zijn. Door de vele andere factoren is het verschil maar enkele procenten.

6.3

Verloop waterpeilen in watersysteem De inundatie kaarten resulteren uit waterstanden op één moment terwijl de GxG kaarten uit gemiddelde grondwaterstanden bestaan. In beide is geen dynamisch gedrag zichtbaar. Voor een beter inzicht in het gedrag van het watersysteem wordt het verloop van het waterpeil voor het jaar 1998 nader bekeken.

6.3.1

Verdrogingscenario Waterbakje 5 ligt in het onderste deel van peilvak 1 op ongeveer 1000 meter bovenstrooms van de stuw, zie Bijlage 1. Figuur 38 toont de oppervlaktewaterstand in dit bakje van de varianten 1,2 en 3 van het verdrogingscenario. Tijdens droge periodes zoals in mei en augustus zijn de verschillen tussen variant 1 en 2 minimaal. Te zien is dat de verschillen groter zijn bij een periode van neerslag.


H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 51 -

22 juni 2005

Figuur 38: Het verloop van de waterstanden in waterbakje 5 voor het jaar 1998 in het verdrogingscenario -1.6 05/01/1998 24/02/1998 15/04/1998 04/06/1998 24/07/1998 12/09/1998 01/11/1998 21/12/1998 09/02/1999 -1.7

Waterpeil (m + NAP)

-1.8

-1.9 variant 1 variant 2 ingreep peilvak variant 3 ingreep stuw

-2

-2.1

-2.2

-2.3

-2.4 Tijd

Variant 3 geeft een resultaat wat ongeveer 20 cm hoger ligt. Het verloop van de grafiek komt redelijk overeen met de andere varianten. Waterbakje 1 ligt in het bovenste deel van peilvak 1. In de voorgaande resultaten was te zien dat de verschillen in de bovenste helft kleiner zijn dan in de onderste helft van het peilvak. Als figuur 39 met figuur 38 vergeleken wordt, is te zien dat variant 1 en 2 dichter bij elkaar liggen. Variant 3 geeft een vergelijkbaar resultaat als in figuur 38. Figuur 39: Het verloop van de waterstanden in waterbakje 1 voor het jaar 1998 in het verdrogingscenario -1.6 05/01/1998 24/02/1998 15/04/1998 04/06/1998 24/07/1998 12/09/1998 01/11/1998 21/12/1998 09/02/1999 -1.7

Waterpeil (m + NAP)

-1.8


-2

-2.1

-2.2

-2.3

-2.4 Tijd

Waterbakje 44 ligt in peilvak 2. Bij de resultaten van de inundatie en GxG kaarten waren in dit peilvak de kleinste verschillen te zien. In figuur 40 is goed te zien hoe dicht de resultaten van de varianten 1 en 2 bij elkaar liggen. Variant 3 geeft ook in dit peilvak een groot verschil. Tijdens de droge periodes zakt de oppervlaktewaterstand minder weg dan bij bakje 1 en 5.



Eindrapport

Figuur 40: Het verloop van de waterstanden in waterbakje 44 voor het jaar 1998 in het verdrogingscenario -1.6 05/01/1998 24/02/1998 15/04/1998 04/06/1998 24/07/1998 12/09/1998 01/11/1998 21/12/1998 09/02/1999 -1.7

Waterpeil (m + NAP)

-1.8


-2

-2.1

-2.2

-2.3

-2.4 Tijd

Vernattingscenario In het vernattingscenario is bij waterbakje 5 in figuur 41 te zien dat de varianten 2 en 3 met de Q(h)-relaties van de droge situatie een lagere uitkomst geven dan variant 1. Variant 3 ligt tussen het resultaat van variant 1 en variant 2, oftewel variant 3 geeft een iets beter resultaat. Figuur 41: Het verloop van de waterstanden in waterbakje 5 voor het jaar 1998 in het vernattingscenario -1.6 05/01/1998 24/02/1998 15/04/1998 04/06/1998 24/07/1998 12/09/1998 01/11/1998 21/12/1998 09/02/1999

-1.7

Waterpeil (m + NAP)

6.3.2

-1.8

variant 3 ingreep stuw variant 2 ingreep peilvak variant 1

-1.9

-2

-2.1

-2.2 Tijd

Evenals in het verdrogingscenario is hier te zien dat de verschillen in waterbakje 1 kleiner zijn dan in waterbakje 5. Bij de droge periodes toont variant 3 een verschillend resultaat. In bakje 5 ligt deze nog tussen variant 1 en 2 in terwijl bij bakje 1 de waterstand ver onder de andere varianten ligt. Bij variant 1 en 2 ligt de drempelwaarde op -1,81 m + NAP terwijl bij variant 3 de drempelwaarde op -2,01 m + NAP ligt. Bandbreedte Q(h)-relatie Eindrapport

H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 53 -

22 juni 2005

Figuur 42: Het verloop van de waterstanden in waterbakje 1 voor het jaar 1998 in het vernattingscenario -1.6 05/01/1998 24/02/1998 15/04/1998 04/06/1998 24/07/1998 12/09/1998 01/11/1998 21/12/1998 09/02/1999

Waterpeil (m + NAP)

-1.7

-1.8


-1.9

-2

-2.1

-2.2 Tijd

Dit betekent dat, indien de waterstand lager is dan -1,81 m + NAP, bij variant 1 en 2 geen stroming meer plaatsvindt. Bij variant 3 is er dan nog wel stroming naar de lager gelegen bakjes. Tot de drempelwaarde van -2,01 m + NAP bereikt wordt zal er stroming plaatsvinden. Dit veroorzaakt de sneller dalende waterstand van variant 3 bij bakje 1. Het verschil tussen variant 1 en 2 blijft ongeveer gelijk gedurende de droge periode. Figuur 43 toont het verloop van de waterstand in bakje 44. Bakje 44 heeft ook in het vernattingscenario de minste verschillen tussen de varianten, zoals ook al te zien was in eerdere resultaten. Figuur 43: Het verloop van de waterstanden in waterbakje 44 voor het jaar 1998 in het vernattingscenario -1.6 05/01/1998 24/02/1998 15/04/1998 04/06/1998 24/07/1998 12/09/1998 01/11/1998 21/12/1998 09/02/1999

Waterpeil (m + NAP)

-1.7

-1.8


-1.9

-2

-2.1

-2.2 Tijd



Eindrapport

6.3.3

Conclusie De resultaten komen overeen met de resultaten van de inundatie en GxG kaarten. Bij het verdrogingscenario berekent de stuwvariant een waterstand die 10-20 cm hoger ligt dan de basisvariant. Het verloop van de waterstand laat duidelijk zien dat voor beide scenario’s de verschillen in het onderste deel van peilvak 1 (waterbakje 5) het grootst zijn en in peilvak 2 (waterbakje 44) het kleinst. Deze resultaten zijn ook af te leiden uit de Q(h)-relaties. Het verschil tussen de Q(h)-relaties uit de droge en natte situatie is bij waterbakje 5 groter dan bij waterbakje 44.


H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 55 -

22 juni 2005

7

DISCUSSIE Varianten In elk scenario zijn er drie varianten: de basisvariant, de peilvakvariant en de stuwvariant. Bij de stuwvariant wordt alleen ter plaatse van het kunstwerk de drempelwaarde aangepast. Bij de peilvakvariant wordt de drempelwaarde van alle bakjes aangepast. Bij de basisvariant worden de Q(h)-relaties opnieuw afgeleid met SOBEK. De basisvariant is het meeste werk en de stuwvariant het minste werk. In dit onderzoek is er vanuit gegaan dat de basisvariant de beste benadering van de werkelijkheid is. De vraag is of dit extra werk ook de nauwkeurigheid ten goede komt. Bij het verdrogingscenario (een peilverlaging) blijkt de stuwvariant grote verschillen te geven ten opzichte van de basisvariant. Er zijn verschillen berekend van maximaal 30 cm. Een onnauwkeurigheid van dit formaat is niet acceptabel bij deze resultaten. De peilvakvariant komt redelijk in de buurt met verschillen van maximaal 10 cm. Het meerwerk levert in dit geval een beter resultaat. Bij het vernattingscenario (peilverhoging) geeft de stuwvariant een iets beter resultaat dan de peilvakvariant. Bij het vernattingscenario is echter bij de stuwvariant ook de Q(h)-relatie aangepast op de plaats van de stuw (berekend met een stuwformule). Deze Q(h)-relatie is snel te berekenen door voor een aantal waterhoogtes het bijbehorende debiet uit te rekenen. Zoals beschreven bevat SIMGRO een beveiliging dat het water niet naar lager gelegen bakje kan stromen als de waterstand in het lager bakje hoger is dan in het bakje zelf. Bij de stuwvariant is de drempelwaarde alleen op de plaats van de stuw verhoogd en bij bovenstrooms liggende bakjes niet. Doordat de drempelwaarde van de Q(h)-relatie in deze bovenliggende bakjes niet is verhoogd wordt continu een (te) hoog debiet berekend. Het terugstuurmechanisme zorgt ervoor dat deze stroming alleen plaatsvindt als het benedenstroomse waterpeil lager is. Dit zorgt ervoor dat het water in het gehele peilvak niet sneller afstroomt dan mogelijk is volgens de Q(h)-relatie op de plaats van de stuw. Door dit mechanisme is de stuwvariant wel betrouwbaarder bij een peilverhoging en niet betrouwbaar bij een peilverlaging. Het meerwerk van de peilvakvariant ten opzichte van de stuwvariant is in deze situatie niet rendabel. De (on)nauwkeurigheid is min of meer gelijk. In beide scenario’s zijn verschillen te zien van 10 cm bij oppervlaktewaterstanden en van 5 cm bij gemiddelde grondwaterstanden. Bij het modelleren is altijd sprake van een (on)nauwkeurigheid van de zowel de invoer als de uitvoer. In dit onderzoek zijn de varianten vergeleken met de basisvariant waar ongetwijfeld ook sprake is van enige onnauwkeurigheid. Indien een resultaat met een extra onnauwkeurigheid van enkele cm’s voldoende is kan gebruik gemaakt worden van de ‘oude’ Q(h)-relaties. Indien het aankomt op zoveel mogelijk nauwkeurigheid ondanks het extra werk is het aan te raden om de Q(h)-relaties opnieuw af te leiden met SOBEK. Dit geldt echter meer voor oppervlaktewater dan voor grondwater. Oppervlaktewater en grondwater De stroming in het oppervlaktewater verloopt volgens de Q(h)-relaties van de bakjes. Een verschil in de Q(h)-relaties heeft direct invloed op het oppervlaktewater. Bij de studie wateropgave (inundatieberekening) wordt gekeken naar oppervlaktewaterstanden en zijn verschillen tussen de varianten van 10 cm te zien bij een verandering van 20 cm in het streefpeil.


H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 57 -

22 juni 2005

Bij de studie GGOR wordt gerekend met grondwaterstanden. Bij de resultaten van de GxG waren verschillen van maximaal 5 cm te zien bij een verandering van 20 cm in het streefpeil. Grondwater staat in contact met het oppervlaktewater volgens een drainageof infiltratieweerstand. Schommelingen in de oppervlaktewaterstand worden als gevolg van deze weerstand vertraagd doorgegeven aan de grondwaterstand. De verschillen in de oppervlaktewaterstand als gevolg de verschillen in de Q(h)-relatie worden ook vertraagd doorgegeven. Dit verklaart de kleinere verschillen in de GxG. Er moet wel aan gedacht worden dat deze invloed sterk afhankelijk is van de grootte van de weerstand. Bij een kleinere weerstand wordt de verbinding van het grondwater met het oppervlaktewater makkelijker zodat verschillen in het grondwater groter worden. Waterinlaat In dit onderzoek is waterinlaat ter handhaving van het peil niet meegenomen. Tijdens de droge periodes daalt de waterstand tot tientallen cm’s onder het streefpeil. Dit heeft invloed op de GLG maar ook de inundatieberekening. Indien de waterstand zeer laag is moet deze ‘aangevuld’ worden tot de drempelwaarde voordat er stroming volgens de Q(h)-relatie plaatsvindt. Dit heeft direct effect op de inundatieberekening. Er wordt heel veel berging gecreëerd in de droge periodes. In dit onderzoek ligt de nadruk op de verschillen en niet of er daadwerkelijk inundatie optreedt zodat dit geen probleem is. Dat er geen stroming optreedt (volgens de Q(h)-relatie) heeft echter wel invloed. In het geval van handhaving van het peil met waterinlaat zal bij neerslag direct stroming plaatsvinden volgens de Q(h)-relatie. Bij de nu gehanteerde methode zonder waterinlaat is er na een droge periode weinig verschil tussen de varianten te zien. De verschillen treden pas op na een langere periode van neerslag. Wanneer er wel sprake is van waterinlaat treden na een droge periode direct verschillen tussen de varianten op. Als gekeken wordt naar het verloop van de waterstand (bijv figuur 41) blijkt in de periode van september tot december de verschillen in de waterstand constant te zijn. Er is geen sprake van een groter wordend verschil. Het in de resultaten gebruikte tijdstip (dag 309) is een aantal maanden na de droge periode zodat aangenomen mag worden dat het effect van de droge periode niet meer aanwezig is. De berekening van de GLG wordt gedaan in de droogste periode. In het geval van waterinlaat zal er een constant peil in de waterlopen zijn. Dit zorgt voor een aanvulling van het grondwater zodat deze minder daalt dan wanneer geen waterinlaat wordt toegepast. Dit constante peil zorgt ook voor het verkleinen van de verschillen bij de GLG. Bij dit onderzoek (zonder waterinlaat) is te zien dat er ook in de droge perioden verschillen optreden in de waterstand. Deze verschillen hebben weer invloed op de GLG. Indien wel waterinlaat wordt toegepast moet rekening gehouden worden met de volgende effecten: •

De verschillen in de oppervlaktewaterstand zijn direct na een droge periode groter en de berekende waarde ligt hoger vanwege de kleinere berging. Een aantal dagen na een droge periode zal dit effect weer afnemen.

•

De verschillen in de GLG zijn kleiner en de berekende waarde ligt hoger.



Eindrapport

Ingrepen in het watersysteem In dit onderzoek is gekozen voor de ingreep met een stuw. Er zijn talloze ingrepen mogelijk in het oppervlaktewatersysteem. In deze discussie wordt een ingreep met een duiker, aanpassing stroomprofiel van een waterloop en aanpassing van het streefpeil van een gemaal besproken. De kennis opgedaan uit de experimenten met de stuw wordt gereflecteerd op de andere ingrepen. Duiker Binnen SIMGRO wordt een duiker evenals een stuw met een Q(h)-relatie gesimuleerd. Een duiker zorgt voor energieverlies in de waterloop met opstuwing bovenstrooms als resultaat. Een duiker heeft echter geen invloed op het streefpeil. Indien bij een SIMGRO model sprake is van een ingreep in het watersysteem door middel van een duiker in plaats van een stuw worden soortgelijke effecten verwacht. Piekafvoeren zorgen voor verschillen in de waterstand doordat bij een waterloop met duiker een hogere waterstand nodig is dan bij een waterloop zonder duiker om gelijk debiet te halen. Effecten zijn in dit geval sterk afhankelijk van de dimensie van de duiker. Hoe groter de vernauwing, hoe groter het energieverlies, hoe groter de verschillen zijn bij piekafvoeren. Aanpassing dimensie van een waterloop De aanpassing van de dimensie van een waterloop heeft veel invloed. Er treedt verandering op in onder andere het verhang, wrijving, stroomsnelheid en berging. Bij een waterloop hebben we te maken met het debiet en een ontwerpbreedte om dit debiet af te voeren. Aanpassingen van een waterloop onder de ontwerpbreedte (Bo) heeft een groot effect op het waterpeil terwijl bij waterlopen die groter zijn dan de ontwerpbreedte het effect op het waterpeil kleiner is. Vertaald naar een SIMGRO model betekent dit dat wanneer B < Bo grote verschillen optreden in de resultaten. Bij B >> Bo zijn de effecten op het waterpeil kleiner zodat ook de verschillen in de resultaten van het SIMGRO model kleiner zijn. De aanpassing van de breedte van een waterloop kan in het SIMGRO model aangepast worden in de profielgegevens. Uit deze profielgegevens berekent SIMGRO de berging waarmee het waterpeil berekend wordt. Uit dit waterpeil haalt SIMGRO met de Q(h)relatie het debiet. Als voorbeeld wordt een verbreding van een waterloop genomen. De Q(h)-relatie zal afvlakken, m.a.w. er is een kleinere peilstijging nodig voor gelijk debiet. De berging neemt toe zodat SIMGRO een kleinere peilstijging berekent. Indien dezelfde ‘oude’ Q(h)-relatie wordt gebruikt zal een te klein debiet berekend worden. De verschillen die ontstaan zijn volledig afhankelijk van de aanpassingen aan de waterloop en of deze zich boven of onder de ontwerpbreedte bevindt. Aanpassing streefpeil van een gemaal Bij deze ingreep hebben we te maken met drempelwaardes van de Q(h)-relaties. Er kan ook bij deze ingreep gekozen worden uit drie opties: alle drempelwaardes aan te passen in het peilvak, alleen de drempelwaarde t.p.v. het gemaal of opnieuw de Q(h)-relaties afleiden met SOBEK. Er is geen aanpassing in het watersysteem zelf zodat verwacht mag worden dat de neerslag afvoer relatie weinig verandert (mits de verandering in het streefpeil niet te groot is) en alleen het aanpassen van de drempelwaardes voldoende is. Uit dit onderzoek blijkt dat in het geval van een peilverlaging het aanpassen van de drempelwaarde op één punt onbetrouwbaar is. Bij een peilverhoging geeft het aanpassen op één punt wel goede resultaten.


H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 59 -

22 juni 2005

8

EINDCONCLUSIES EN AANBEVELINGEN

8.1

Conclusies Bij de koppeling tussen SOBEK en SIMGRO wordt gebruik gemaakt van Q(h)-relaties. Het gebruik van de Q(h)-relaties heeft echter een beperking. Indien de situatie verandert geeft de Q(h)-relatie niet helemaal de juiste debieten voor de situatie. Dit wordt opgelost door met SOBEK opnieuw de Q(h)-relaties af te leiden. Het is gewenst dat dit zo min mogelijk nodig is. In dit onderzoek is gekeken wat de verschillen zijn die optreden als er na een ingreep niet opnieuw de Q(h)-relaties zijn afgeleid met SOBEK. Uit het onderzoek blijkt dat de Q(h)-relaties wel of niet opnieuw afgeleid moeten worden afhankelijk van het type studie en de gewenste nauwkeurigheid: •

Bij studies waar gekeken wordt naar oppervlaktewaterstanden is het opnieuw afleiden van de Q(h)-relatie wel nodig. Bij een verandering van 20 cm komen onnauwkeurigheden voor van 10 cm.

•

Bij studies waar gekeken wordt naar gemiddelde grondwaterstanden is het opnieuw afleiden van de Q(h)-relaties niet nodig. In het geval van een waterpeilverandering van 20 cm zijn de verschillen kleiner dan 5 cm. In de hieruit berekende doelrealisatiekaarten worden deze verschillen zelfs afgezwakt.

Indien de Q(h)-relaties niet opnieuw worden afgeleid maar wel aangepast worden aan de nieuwe situatie kan gekozen worden dit voor het gehele peilvak of alleen ter plaatse van de stuw te doen. In dit geval is de keuze hiervan afhankelijk van het type ingreep:

8.2

•

Bij een peilverhoging kan gebruik gemaakt worden van de stuwvariant. Deze variant kost het minste werk en levert toch een gelijk resultaat met de peilvakvariant.

•

Bij een peilverlaging moet gebruik gemaakt worden van de peilvakvariant. De stuwvariant geeft in dit geval zeer grote onnauwkeurigheden in de resultaten.

Aanbevelingen In een watersysteem zijn allerlei ingrepen mogelijk. In dit onderzoek is het effect van het plaatsen of weghalen van een stuw onderzocht. Bij deze ingreep is ook direct het streefpeil aangepast. Er is nog ruimte voor onderzoek naar het effect van bijvoorbeeld geen aanpassing van het streefpeil of juist een groter verschil aanbrengen. Misschien is er een relatie te vinden tussen het ontstane verschil en de verandering in het streefpeil. In de discussie is kort ingegaan op het effect bij andere ingrepen. Met de opgedane kennis in dit onderzoek is het verwachte effect vermeld. Met experimenten is het na te gaan of deze verwachte effecten correct zijn. Door voor meerdere soorten ingrepen onderzoek te doen naar de verschillen wordt het inzicht in de bandbreedte van de Q(h)relatie vergroot. In plaats van het verkennen van de mogelijkheden van een Q(h)-relatie kan ook gekozen worden voor de aanpak van de methode. Het debiet bij een Q(h)-relatie is niet Bandbreedte Q(h)-relatie Eindrapport

H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 61 -

22 juni 2005

afhankelijk van de benedenstroomse waterstand. Een Q(h)-relatie waar de benedenstroomse waterstand in verwerkt is, de zogenaamde Q(h,dh)-relatie, zou de bandbreedte behoorlijk kunnen uitbreiden. Deze Q(h,dh)-relatie bevat gegevens van het huidige peil (h) in het bakje en het verschil met het peil (dh) van het bakje benedenstrooms. In deze Q(h,dh)-relatie kunnen bovendien ook negatieve waarden verwerkt worden. Indien de situatie zich voordoet dat de benedenstroomse waterstand hoger is, kan hiermee het ‘terugstromende’ debiet bepaald worden. Het voordeel van deze opzet is dat eenmalig een SOBEK berekening gedaan wordt om de Q(h,dh)-relatie af te leiden. Indien de situatie, bijvoorbeeld door een ingreep, verandert (mits binnen nog te bepalen grenzen) zou theoretisch de Q(h,dh)-relatie nog steeds de goede debieten weergeven. De relatie zou als volgt er uit kunnen zien: dh

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

h 0,5 1,0 1,5 2,0 In de eerste kolom is de waterhoogte in het bakje zelf weergegeven. In de eerste rij is het verschil met lager gelegen bakje weergegeven. Voor de waterhoogte in het bakje met behorend verschil kan dan het bijbehorende debiet worden afgelezen. Deze gegevens kunnen met SOBEK verkregen worden door een stapsgewijze nietstationaire belasting op het watersysteem aan te brengen. Benedenstrooms peilbeheer zou dan de verschillende waarden van dh kunnen opleveren. Door stroming de negatieve richting te laten plaatsvinden zouden de negatieve waarden verkregen kunnen worden. Bij deze opzet zijn enkele knelpunten: Er is enige onzekerheid of alle debieten voor alle situaties te verkrijgen zijn met de berekeningen in SOBEK. Voor elk waterpeil in het bakje moeten verschillende benedenstroomse situaties gesimuleerd worden. De werkwijze binnen SIMGRO moet aangepast worden. Het is onbekend of deze methode numerieke problemen met zich meebrengt en/of de rekentijden enorm toenemen.



Eindrapport

9

LITERATUUR 1. Akker, C. van den, M.E. Boomgaard. (1998) “Hydrologie, collegedictaat.” Delft: TUDelft 2. Batjes, J.A. (1998). “Stroming in waterlopen, collegedictaat.” Delft: TUDelft 3. Boekelman, R.H. (2000). “Geohydrologie 1, collegedictaat” Delft: TUDelft 4. Brouwer, R. (2000). “Waterbeheersing, collegedictaat.” Delft: TUDelft 5. Commissie Waterbeheer 21e eeuw. (2000). “Waterbeleid voor de 21e eeuw.” Commissie Waterbeheer 21e eeuw 6. Lange, W.J. de. (1997). “Nieuwe inzichten in het gebruik van voedingsweerstand of drainageweerstand in de randvoorwaarde van een grondwatermodel; in: Stromingen jaargang 3, nummer 2,3 en 4.” NHV 7. Meuter, N.H. (2004). “SimGro en Stroming in open waterlopen, afstudeerverslag TUDelft.” Rotterdam: Royal Haskoning 8. Nelen & Schuurmans Consultants BV. (2004). “Leidraad – Toetsing regionale watersystemen met betrekking tot wateroverlast.” Utrecht: Provincies ZuidHolland, Utrecht en Noord-Holland 9. Rientjes, T.H.M., R.H. Boekelman. (2001). “Hydrological Models,lecture note.” Delft: TUDelft 10. Rijsberman, M.A. (1995). “Gebruik van gekoppelde modellen in het waterbeheer, afstudeerverslag TUDelft, hoofdrapport.” Rotterdam: IWACO B.V. 11. Royal Haskoning. (2004). “Modelmatig ondersteuning Watergebiedsplan Zegveld en Oud-Kamerik.” Rotterdam: Royal Haskoning 12. Stowa. (2002). “Waternood reeks.” Utrecht: Stowa 13. Veldhuizen, A.A., A. Poelman, L.C.P.M. Stuyt en E.P. Querner. (1998). “Software documentation for SIMGRO V3.0; Regional Water Management Simulator.” Wageningen: DLO-Winand Staring Centre 14. Vereniging voor landinrichting. (2000). “Cultuurtechnisch vademecum; handboek voor inrichting en beheer van het landelijk gebied.” Elsevier 15. Walsum, P.E.V. van, T. Vergroesen, P.E. Dik, M. Haasnoot en E. Verschelling. (2003). “Waterwijs Laag Nederland; een eerste aanzet tot ontwikkeling van een planvormend systeem voor het landgebruik en waterbeheer.” Wageningen: Alterrra 16. Walsum, P.E.V. van, et al. (2005). “SIMGRO – Theory and model implementation.” Alterra


H37403/R00001/JORDY/Rott1 - 63 -

22 juni 2005

VERKLARENDE WOORDENLIJST Afvoer Afwatering / drainage AGOR

De hoeveelheid water die per tijdseenheid uit een gebied stroomt De afvoer van water via een stelsel van open waterlopen naar een lozingspunt van het afwateringsgebied Actuele grondwaterstand

AlterrAqua

Extensie binnen ArcView; schil ter aansturing en weergeven van de resultaten van SIMGRO

ArcView Bakjesmodel

GIS programma Vereenvoudiging van stroming in open water

Debiet Doorlatendheid

De hoeveelheid water die per tijdseenheid uit een gebied stroomt Vermogen van de grond om vloeistof (of gas) door te laten

Drempelwaarde

GGOR

Nulpunt, peilverhoging in de Q(h)-relatie is ten opzichte van deze waarde (nulpunt van de grafiek) Het hoogteverschil tussen de waterspiegel in een waterloop en het omringende maaiveld Watervoerend pakket met water (in de verzadigde zone) met een vrije grondwaterspiegel Gewenst grond- en oppervlaktewater regime

GHG GLG

Gemiddelde hoogste grondwaterstand Gemiddelde laagste grondwaterstand

GVG GxG

Gemiddelde voorjaarsgrondwaterstand Aanduiding voor GHG, GLG én GVG

Hysterese

Verschijnsel dat het debiet bij een zekere waterstand groter is tijdens opkomend hoog water dan tijdens zakkend water Het wegzakken van regenwater in de bodem

Drooglegging Freatisch watervoerend pakket

Infiltratie Inundatie Kwel Nulpunt Onderbemaling Q(h) relatie Reach

Het onder water lopen van land (overstroming) Grondwater dat toestroomt uit naastgelegen of hoger gelegen gebieden Drempelwaarde, de peilverhoging in de Q(h)-relatie is ten opzichte van deze waarde (nulpunt van de grafiek) Een plaatselijke verlaging van het polderpeil t.o.v. het peil vastgelegd in het peilbesluit

Segment

Peil afvoerrelatie in een waterbakje Dit is een schematisatie van een waterloop welke bestaat uit segmenten Dit is het stukje van een waterloop tussen de rekenpunten

SIMGRO SOBEK

SIMulation of GROundwater flow and surface water levels Oppervlaktewater modelleerprogramma

Watervoerend pakket

Een bodemlaag waarin het grondwater zich vrijwel horizontaal verplaatst en die aan de boven- en onderzijde begrensd wordt door een ondoorlatende laag, een slecht doorlatende laag of door de vrije waterspiegel e Waterbeheer 21 eeuw

WB21



Eindrapport

Bijlage 1 Gegevens van de waterlopen



ID Bakje

Recno

Bodembreedte

1

1

1.00

2

2

2.00

3

3

4 5

Bodemhoogte bovenstrooms

Bodemhoogte benedenstrooms

Taludhelling

Lengte

-3.27

-3.27

1.50

193.175

-3.37

-3.37

1.50

11.617

1.00

-3.37

-3.37

1.50

209.186

4

1.00

-3.27

-3.27

1.50

241.998

5

6.00

-3.37

-3.37

1.50

169.494

6

6

1.00

-3.37

-3.37

1.50

139.156

7

7

4.00

-3.47

-3.47

1.50

161.712

8

8

3.00

-3.30

-3.30

1.50

167.533

9

9

3.00

-3.77

-3.37

1.50

43.985

10

10

3.00

-3.25

-3.25

1.50

193.062

11

11

1.00

-3.37

-3.37

1.50

238.991

12

12

1.00

-3.37

-3.37

1.50

184.333

13

13

1.00

-3.37

-3.37

1.50

247.942

14

14

1.00

-3.37

-3.37

1.50

191.499

15

15

1.00

-3.37

-3.37

1.50

176.337

16

16

2.00

-3.37

-3.37

1.50

8.623

17

17

1.50

-3.37

-3.37

1.50

186.225

19

18

2.00

-3.37

-3.37

1.50

8.555

24

19

2.00

-3.37

-3.37

1.50

11.519



Eindrapport

46

20

1.00

-3.37

-3.37

1.50

155.028

1_1

21

1.00

-3.27

-3.27

1.50

193.175

1_2

22

1.00

-3.27

-3.27

1.50

186.100

1_3

23

1.00

-3.27

-3.37

1.50

186.100

2_2

24

1.00

-3.37

-3.37

1.50

209.186

2_3

25

1.00

-3.37

-3.37

1.50

209.186

2_4

26

1.00

-3.37

-3.37

1.50

209.186

2_5

27

1.00

-3.37

-3.37

1.50

209.186

2_6

28

1.00

-3.37

-3.37

1.50

209.186

3_1

29

1.00

-3.37

-3.37

1.50

238.991

4_1

30

1.00

-3.37

-3.37

1.50

241.998

5_1

31

6.00

-3.37

-3.37

1.50

169.494

5_2

32

6.00

-3.37

-3.37

1.50

169.494

5_3

33

6.00

-3.37

-3.97

1.50

203.867

5_5

34

6.00

-3.97

-3.97

1.50

203.867

7_2

35

4.00

-3.47

-3.47

1.50

191.256

7_3

36

4.00

-3.47

-3.47

1.50

161.712

7_4

37

4.00

-3.47

-3.47

1.50

191.256

7_5

38

4.00

-3.47

-3.47

1.50

191.256

7_6

39

4.00

-3.47

-3.77

1.50

191.256

7_7

40

4.00

-3.77

-3.77

1.50

191.256

8_1

41

3.00

-3.30

-3.97

1.50

167.533

8_3

42

3.00

-3.97

-3.97

1.50

167.533

10_1

43

3.00

-3.25

-3.25

1.50

193.062

10_2

44

3.00

-3.25

-3.25

1.50

193.062

10_3

45

3.00

-3.25

-3.25

1.50

188.834

10_5

46

3.00

-3.25

-3.25

1.50

193.062

10_6

47

3.00

-3.25

-3.25

1.50

193.062

10_7

48

3.00

-3.25

-3.25

1.50

188.834

11_1

49

1.00

-3.37

-3.37

1.50

184.333

11_2

50

1.00

-3.37

-3.37

1.50

184.333

12_1

51

1.00

-3.37

-3.37

1.50

247.942

14_1

52

1.00

-3.37

-3.37

1.50

176.337

14_3

53

1.00

-3.37

-3.37

1.50

176.337

14_4

54

1.00

-3.37

-3.37

1.50

176.337

17_1

55

1.50

-3.37

-3.47

1.50

186.225

17_3

56

1.50

-3.47

-3.47

1.50

186.225


H37403/R00001/JORDY/Rott1 -3-

22 juni 2005

Bijlage 2 Gegevens van de kunstwerken



Duiker 1

Stuw 1

Duiker 2

Duiker 3

Stuw 2

Duikers Duiker 1 Bodemhoogte Links Rechts Lengte Instroomverlies coëfficiënt Uitstroomverlies coëfficiënt Type Buis Wrijving Strickler (ks)

Node 46

Eenheid

-2.2 -2.2 5 0.7 1

m+NAP m+NAP M -

600

Mm

30

m1/3/s



Eindrapport

Duiker 2 Bodemhoogte Links Rechts Lengte Instroomverlies coëfficiënt Uitstroomverlies coëfficiënt Type Buis Wrijving Strickler (ks)

Node 47

Eenheid

-2.27 -2.27 5 0.7 1

m+NAP m+NAP M -

600

Mm

30

m1/3/s

Duiker 3 Bodemhoogte Links Rechts Lengte Instroomverlies coëfficiënt Uitstroomverlies coëfficiënt Type Rechthoek (b x h) Wrijving Strickler (ks)

Node 48

Eenheid

-2.37 -2.37 5 0.7 1

m+NAP m+NAP M -

4x5

m

30

m1/3/s

Stuwen Stuw 1 Breedte Kruinhoogte Afvoer coëfficiënt Laterale contractie coëfficiënt

Node 55 9 -1,80 0,8 1

Eenheid m m+NAP -

Stuw 2 Breedte Kruinhoogte Afvoer coëfficiënt Laterale contractie coëfficiënt

Node 49 7,5 -1,80 0,8 1

Eenheid m m+NAP -


H37403/R00001/JORDY/Rott1 -3-

22 juni 2005

Bijlage 3 Inundatie kaarten



Bijlage 4 Verschil waterstanden



Bijlage 5 GxG kaarten scenario 1



Bijlage 6 GxG kaarten scenario 2



Bijlage 7 Doelrealisatiekaarten



Bijlage 8 Neerslag



Bijlage 9 Invloed van de randvoorwaarden



In het algemeen wordt bij het modelleren rekening gehouden met de spreidingslengte Er wordt aangenomen dat op een afstand van 2 á 3 maal de spreidingslengte van het model invloeden van ingrepen in het gebied minimaal zijn. De rand van het model wordt op deze afstand geplaatst. De spreidingslengte werkt ook andersom, als de randvoorwaarden op deze afstand worden geplaatst hebben deze nog maar heel weinig invloed. Er kan worden aangenomen dat het te modelleren gebied ‘vrij’ kan bewegen. De spreidingslengte wordt berekend met:

λ = kDc met: kD: c:

doorlaatvermogen van een watervoerend pakket (m2/dag) hydraulische weerstand (dagen)

Bij dit onderzoek is gebruik van het hydrologische Wendt model. Dit model omvat een groot gebied en bevat de grondwaterstanden van het watervoerende pakket. De rand van dit Wendt model ligt op vele malen maal de spreidingslengte van het te onderzoeken gebied. Er is aangenomen dat de invloed van eventuele onjuiste randvoorwaarden van het Wendt model klein is zodat de grondwaterstanden van dit watervoerende pakket als onderrandvoorwaarde voor het SIMGRO model zijn gebruikt. Dit is een al toegepaste methode bij een eerder onderzoek en is voor dit onderzoek overgenomen. Het is mogelijk dat deze onderrandvoorwaarde een fout bevat door een verkeerde modellering van de regionale grondwaterstroming. Om de invloed van een eventuele fout in de onderrandvoorwaarde na te gaan is deze aangepast. De onderrandvoorwaarde van het model schommelt tussen -3,00 m t.o.v. NAP en -2,00 m t.o.p. NAP. De gemiddelde waarde in de periode 1995 – 2001 komt uit op -2,37+NAP. Voor een variant van scenario 2 is als onderrandvoorwaarde een constante waarde genomen. Deze waarde is -2,00 m + NAP. Ten opzichte van het gemiddelde is dat een verschil van 37 cm. De randvoorwaarde schommelt met de seizoenen zodat in een natte periode deze randvoorwaarde hoger ligt dan in een droge periode. Wateropgave Bij een studie wateropgave wordt gekeken naar oppervlaktewaterstanden bij extreme neerslagsituaties. De kwel of infiltratie heeft de orde van grootte van 0,1 tot 0,5 mm/dag, terwijl bij een extreme neerslagsituatie de orde van grootte 50-100 mm/dag is. De invloed van een fout in de onderrandvoorwaarden op de resultaten wordt als verwaarloosbaar beschouwd bij een wateropgave GGOR De verwachting is dat de verschillen bij de GHG kleiner zijn dan bij de GLG. Bij een GHG heeft de neerslag een grote invloed, terwijl bij de GLG de neerslag minder zal zijn en dus meer invloed ondervindt van de randvoorwaarde.



Eindrapport

De figuur hierboven toont het verschil in de GHG tussen de varianten met de aangepaste randvoorwaarde (op -2,00 m + NAP) en de variant met de voor het model gebruikte randvoorwaarde. Er komen op enkele plaatsen aan de bovenrand verschillen van 25 – 10 cm voor. Dit is echter zeer lokaal en wordt veroorzaakt doordat de randknopen hier dichter langs het modelgebied lopen. Deze invloed loop niet ver door in het model, maar dit betekent wel dat bij het bekijken van de resultaten op deze locaties rekening gehouden moet worden met het effect van de randvoorwaarden. Uit de figuur blijkt dat ongeveer 2/3 deel een verschil heeft van 5 – 3 cm, en de rest van het gebied toont verschillen van 1 á 2 cm. Bij deze grote verandering van de randvoorwaarde is dit minimaal.


H37403/R00001/JORDY/Rott1 -3-

22 juni 2005

In de figuur hieronder wordt het verschil in de GLG tussen de varianten met de aangepaste randvoorwaarde en de variant met de voor het model gebruikte randvoorwaarde getoond. Zoals verwacht zijn de verschillen bij de GLG groter.

Ook bij de GLG komen bij de bovenste rand grote verschillen voor van boven de 30 cm. Het resteren deel met de lichtste kleur liggen deze verschillen tussen de 25 en 30 cm. In het grootste deel van het gebied treedt een verschil op van 10 tot 21 cm. Dit lijkt veel maar moet gezien worden in perspectief met een randvoorwaarde verandering van maximaal 100 cm. Het blijkt dat bij lage grondwaterstanden de invloed groter is dan bij de hogere grondwaterstanden (natte periodes) maar een fout in de randvoorwaarde werkt 10 tot 20 % door in het resultaat in het geval van een combinatie van lage grondwaterstanden en langere drogere periodes. Het blijkt dat variaties in de randvoorwaarden in veel mindere mate terug te zien zijn in de resultaten. Indien de met het Wendt model berekende grondwaterstanden fouten bevatten werken deze in een nog mindere mate door in de resultaten van het SIMGRO model. Zolang de randen van het Wendt model ver genoeg liggen van het SIMGRO model hoeft geen rekening gehouden te worden met de spreidingslengte mits het Wendt model goed gemodelleerd is.



Eindrapport

Bijlage 10 Q(h)-relaties van de waterbakjes 1, 5 en 44



Voor de in de resultaten genoemde waterbakjes worden de Q(h)-relaties weergegeven. De verschillen die in de resultaten te zien waren moeten in de Q(h)-relaties terug te zien zijn. Verschillen tussen de Q(h)-relaties van beide scenario’s zorgen voor het verschil in de resultaten. Hieronder toont de figuur de twee gebruikte Q(h)-relaties voor waterbakje 5.

Peilverhoging (m)

Waterbakje 5 0.6 0.5 0.4

Q(h) Scenario 2

0.3

Q(h) Scenario 1

0.2 0.1 0 0.00E+00 2.00E-01

4.00E-01

6.00E-01

Debiet (m3/s)

8.00E-01

Te zien is dat bij scenario 2 een grotere verhoging van het peil nodig is dan bij scenario 1 om het debiet met gelijke waarde te laten toenemen. Dit wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van de stuw in scenario 2. De invloed van de waterhoogte op het debiet (bij gelijke breedte) is bij een gestuwde afvoer kleiner.

Waterbakje 1

Peilverhoging (m)

0.6 0.5 0.4 0.3

Q(h) Scenario 2

0.2

Q(h) Scenario 1

0.1 0 0.00E+00

2.00E-01

4.00E-01

6.00E-01

Debiet (m3/s) De figuur hierboven toont de Q(h)-relaties van waterbakje 1. Dit bakje ligt bovenstrooms van een duiker. Deze duiker heeft een groot energieverlies zodat het peil flink moet stijgen om de benodigde afvoer te halen. Door het grote energieverlies over de duiker zijn de benedenstroomse invloeden minder. De Q(h)-relaties liggen dicht bij elkaar bij een peilverhoging tot 0,2 meter. H37403/R00001/JORDY/Rott1 22 juni 2005


Eindrapport

De figuur hieronder toont de gebruikte Q(h)-relaties voor waterbakje 44. De Q(h)-relaties van scenario 1 en 2 ligt dicht bij elkaar. Dit heeft als gevolg dat de resultaten van de beide scenario’s niet veel verschillen.

Waterbakje 44 Peilverhoging (m)

0.6 0.5 0.4

Q(h) Scenario 2

0.3

Q(h) Scenario 1

0.2 0.1 0 0.00E+00

2.00E-01

4.00E-01

6.00E-01

Debiet (m3/s)


H37403/R00001/JORDY/Rott1 -3-

22 juni 2005

Bijlage 11 Handmatige rekensommen ter controle



Berekening van de kwel en/of infiltratie Het onderliggende watervoerende pakket heeft een bepaalde stijghoogte welke is opgegeven als randvoorwaarde. In het model is dit geschematiseerd met een weerstand tussen het watervoerende pakket en het freatische pakket. Deze weerstand is 1500 dagen. Om nu de verticale stroming te berekenen wordt de weerstand ingevuld in de wet van Darcy:

vz = −K z met

K dh = − z (h2 − h1 ) dz d

c=

d Kz

krijgen we:

vz =

− (h1 − h2 ) c

Voor h1 wordt het streefpeil genomen, -1,81 m + NAP Voor h2 wordt een waarde tussen de onderrandvoorwaarde genomen, -2,5 m + NAP Invullen in de formule wordt dit: vz = (-1,81 - -2,5) / 1500 = 0,69 / 1500 m/dag = 0,46 mm/dag (neerwaartse stroming) Berekening debiet als gevolg van de neerslag Een korte berekening wordt gedaan om een idee te krijgen van het debiet dat over de stuw gaat. Hiervoor wordt een neerslag van 30 mm op een dag genomen. Deze waarde lijkt niet hoog maar bij deze berekening wordt de berging, de verdamping en de interceptie niet meegenomen. Alle neerslag wordt afgevoerd naar de waterlopen. Peilvak 1 heeft een oppervlakte van 4057296 m2 Peilvak 2 heeft een oppervlakte van 1118311 m2 Dit geeft een afvoer van: Peilvak 1 (4057296 x 30 x 10-3)/ 3600x24 = 1,4 m3/s Peilvak 2 (1118311 x 30 x 10-3)/ 3600x24 = 0,38 m3/s



Eindrapport

Berekening waterhoogte ter plaatse van de stuwen

Voor het referentie niveau wordt de bodem van de waterloop gebruikt. In de tekening is h2 hoger dan de kruin maar in dit onderzoek is h2 lager dan de kruin van de stuw. De stuwformule voor een stuw met vrije afstroming is als volgt:

Q = ce cwWs ⋅ 23 ⋅

2 3

3

g (h1 − z s ) 2

De volgende gegevens worden ingevoerd: Ce Cw Q1 Ws1 Q2 Ws2 zs1 zs2

= = = = = = = =

0,8 1 1,2 m3/s 9m 0,28 m3/s 7,5 m -1,81 - -3,47 = 1,66 m -1,81 - -3,25 = 1,44 m

Peilvak 1 invullen Q1: 1,2 = 0,8x1x9x2/3x (2/3x9,81) x (h1-1,66)3/2 hieruit volgt h1 = 1,872 m De bovenstroomse waterstand bij dit debiet is h = 1,872 + -3,47 = - 1,60 m + NAP Peilvak 2 invullen Q2: 0,28 = 0,8x1x7,5x2/3x (2/3x9,81) x (h1-1,44)3/2 hieruit volgt h1 = 1,53 m De bovenstroomse waterstand bij dit debiet is = h = 1,53 + -3,25 = -1,72 m + NAP Deze waterstanden zijn iets hoger dan het SIMGRO model. Hier is voor het debiet de maximale waarde genomen terwijl het debiet op dag 309 van jaar 1998 (wateropgave) iets lager ligt. Met deze versimpelde handmatige berekeningen is snel te controleren of de uitkomsten van het model kloppen. Er zijn slechts kleine verschillen zodat aangenomen kan worden dat er geen grote fouten in het model zitten.


H37403/R00001/JORDY/Rott1 -3-

22 juni 2005

Studie naar de bandbreedte van een Q(h)-relatie bij de koppeling tussen SOBEK en SIMGRO

Recommend Documents