Modelling Contest Hupsel SPHY (Spatial Processes in Hydrology) toepassing Hupselse Beek
Wilco Terink & Peter Droogers
[email protected] [email protected]
FutureWater • Locatie: – Wageningen (6 mensen) – Cartagena (6 mensen) • 50% Nederland, 50% buitenland • Opdrachtgevers Nederland: – NWO – Waterschappen – AgentschapNL • Opdrachtgevers buitenland: – World Bank – African Development Bank – Asian Development Bank – River Basin Organizations
• Methoden: – Remote sensing – Modellen
Aanleiding en contest • Extreem neerslag event van 138 mm in 24 uur • Herhalingstijd: 1/1000 jaar • Afvoer nam toe van 0.004 m3/s naar bijna 5 m3/s Brauer et al., 2011
• Contest NHV: – Afvoer (uurbasis) – Grondwaterstand (dagbasis) – Areaal geinundeerd oppervlak
Model keuze en aanpak • Wereldwijd tal van modellen: SOBEK, ModFlow, SWAP, SWAT, Mike, Simgro • Modelkeuze als functie van vraag? – – – –
Kwantiteit vs. kwaliteit Gewasgroei vs. aquifers Veldschaal vs. wereldschaal Afvoer of verdamping?
• Gezien de “contest” vraag zouden we moeten kiezen voor: – – – –
Fysisch gebaseerd Stroomgebiedsschaal Hydraulica component Grondwater component
Model keuze en aanpak • Wat is het beste model? (Droogers and Immerzeel, H2O/4-2010) – Bepaling wateroverlast op nationale schaal als gevolg van klimaatverandering
• HydroS • Klimaatatlas: ontwikkeling wateroverlastkaarten (Immerzeel et al, H2O/10-2010)
Vergelijking afvoer (2002) voor het gebied Quarles van Ufford in Rivierenland
Stichtse Rijnlanden
Model keuze en aanpak • Nu (sinds begin 2012): – HydroS – Spatial Processes in Hydrology1 (SPHY) (Terink et al.,2012) • Simulatie bodemvocht wortelzone Nederland • Actuele verdamping Nederland
• Voor de contest: Hoe gedraagt een bestaand landsdekkend model zich onder een extreme gebeurtenis op een kleine locatie? • Resultaten voor Hupsel zijn rechtstreeks uit het landelijke SPHY geknipt • Zonder enige vorm van kalibratie voor Hupsel
1http://www.futurewater.nl/watermaps/SPHY_Nederland
SPHY model concept • 2-laags gekoppeld bakjesmodel en vegetatielaag • Raster gebaseerd en opgezet in PCRaster (Karssenberg et al., 2001) voor heel Nederland • Resolutie: – Ruimtelijk horizontaal: 250 m – Ruimtelijk verticaal: 2 m – Temporeel: dag
SPHY model concept
SPHY model invoer • Geïnterpoleerde neerslagbeelden van het KNMI (Soenario en Sluiter, 2010)
• Geïnterpoleerde ETref (Makkink) van het KNMI (Hiemstra en Sluiter, 2011)
• Landgebruik: Landelijk Grondgebruiksbestand Nederland (LGN-5) – Worteldiepte – Gewasfactor (Kc)
• Bodem: dezelfde als NHI – Bodemfysische parameters middels Staring-reeks
• Kwel/wegzijging (STONE instrumentarium)
SPHY: verdamping en runoff • Potentiële verdamping: • Actuele verdamping:
𝐸𝑇𝑝𝑜𝑡 = 𝐾𝑐 ∗ 𝐸𝑇𝑟𝑒𝑓
– Reductie als gevolg van nat stress: 𝐸𝑇𝑟𝑒𝑑𝑤𝑒𝑡 = 𝑖𝑓 𝑅𝑜𝑜𝑡𝑊𝑎𝑡𝑒𝑟 > 𝑟𝑜𝑜𝑡_𝑠𝑎𝑡, 0,1
– Reductie als gevolg van droogte stress: 𝐸𝑇𝑟𝑒𝑑𝑑𝑟𝑦 =
𝑅𝑜𝑜𝑡𝑊𝑎𝑡𝑒𝑟 − 𝑟𝑜𝑜𝑡_𝑑𝑟𝑦 𝑟𝑜𝑜𝑡_𝑤𝑖𝑙𝑡 − 𝑟𝑜𝑜𝑡_𝑑𝑟𝑦
– Actuele verdamping:
𝐸𝑇𝑎𝑐𝑡 = 𝐸𝑇𝑝𝑜𝑡 ∗ 𝐸𝑇𝑟𝑒𝑑𝑤𝑒𝑡 ∗ 𝐸𝑇𝑟𝑒𝑑𝑑𝑟𝑦
• Runoff: – NIET Hortonion runoff (beperking infiltratiesnelheid) – MAAR: Hewlettian runoff (bodem verzadigd)
SPHY: kalibratie en validatie • Gekalibreerd aan actuele gemeten verdamping locaties in Nederland • Gevalideerd aan gemeten bodemvocht in wortelzone
SPHY: Hupsel • 92 pixels = 92 x 250 x 250 = 5,75 km2 • Correctie: 6,5 / 5,75 = 1,13 • Simulatie periode: 2005-2010 met eerste 2 jaar initialisatie
SPHY: Maand- en dag afvoeren Hupsel Periode 2007-2009: Pearson r = 0,87 RMSE = 10,5 mm/m Nash–Sutcliffe = 0,74
Periode 2007-2009: Pearson r = 0,65 RMSE = 0,80 mm/d Nash–Sutcliffe = 0,39
SPHY: Uurlijkse afvoeren Hupsel • SPHY van dag naar uur met simpele dubbele “moving average”: – 12 uur om waarde eind van dag terug te brengen naar midden dag – 8 uur responsetijd Hupsel Periode 2007-2009: Pearson r = 0,60 RMSE = 0,0045 m3/s Nash–Sutcliffe = 0,34
SPHY: Afvoer 2010 • Gemeten afvoerpiek wordt bereikt op 27-aug-2010 om 7:00 uur en houdt 5 uur aan (max. piek 5,0 m3/s) • SPHY simuleert maximaal 6,1 m3/s gedurende deze 5 uur • Gemiddelde SPHY afvoer 27-aug t/m 7-sep was 0,572 m3/s (totaal 91 mm) • Geobserveerd voor dezelfde periode was 92 mm (Brauer et al., 2011)
SPHY: Grondwaterstanden • SPHY bevat geen grondwaterstand component • Berekening door schaling bodemvocht sub_zone naar gemiddelde grondwaterstand: (GHG+GLG)/2
B34G0286
B34G0363
SPHY: Geinundeerd areaal • SPHY berekent niet expliciet inundatie • Inundatie bij verzadiging wortelzone • 41% oppervlakte geinundeerd
Samenvattend Uitgangspunten: • SPHY is in principe niet het beste model voor de contest • SPHY gekozen om toepassing in Hupsel te testen • Geen kunstwerken en geen reliëf • Geen kalibratie voor Hupsel • 2 dagen werk Conclusies: • Simulatie van maandafvoeren gaat goed, maar dag- en uurafvoeren niet • Simulatie Hupsel afvoer 2010 gaat redelijk goed vanwege Hewlettian runoff (verzadiging bodem). Geen Hortonian runoff. • Simulatie van grondwaterstanden gaat redelijk goed. Kalibratie zal verbetering opleveren • Aggregatie van gridcellen laat een geinundeerd areaal zien van 41%
Bedankt Wilco Terink:
[email protected] Peter Droogers:
[email protected] Gé van den Eertwegh:
[email protected]
Referenties: Brauer, C.C., Teuling, A.J., Overeem, A., van der Velde, Y., Hazenberg, P., Warmerdam, P.M.M., Uijlenhoet, R. 2011. Anatomy of extraordinary rainfall and flash flood in a Dutch lowland catchment. Hydrology and Earth System Sciences. 15: 1991-2005. Droogers, P., Immerzeel, W.W. 2010. Wat is het beste model? H2O/4-2010. Hiemstra, P., Sluiter, R. 2011. Interpolation of Makkink evaporation in the Netherlands. KNMI technical report: TR-327. De Bilt. Immerzeel, W.W., Goosen, H., de Groot, M., Droogers, P. 2010. H2O/10-2010. Karssenberg, D., Burrough, P.A., Sluiter, R., de Jong, K. 2001. The PCRaster software and course materials for teaching numerical modelling in the environmental sciences. Transactions in GIS, 5, pp. 99-110. Soenario, I., Sluiter, R. 2010. Optimization of Rainfall Interpolation. KNMI intern rapport: IR 2010-01. De Bilt. Terink, W., Droogers, P., Immerzeel, W.W., Eertwegh, G. 2012. SPHY – Een hydrologisch model gericht op de berekening van bodemvocht en de actuele verdamping. FutureWater rapport 115.
Volgende Contest • Gewenste model nauwkeurigheid? – absolute vs. relatieve nauwkeurigheid (scenario’s) • J. of Hydr, 1980-2012: “Model is able to mimic reality”
• (W)elke klant: – NWO, Waterschap, World Bank, Ministerie: • tijd en geld beperkt!
