UITWERKEN VAN EEN STRATEGIE VOOR HET BEPALEN VAN DE IMPACT VAN HET WATERPEILBEHEER OP HET GRONDWATERPEIL IN DE OMGEVING

2004

MOD 725/1

WATERBOUWKUNDIG LABORATORIUM FLANDERS HYDRAULICS RESEARCH

UITWERKEN VAN EEN STRATEGIE VOOR HET BEPALEN VAN DE IMPACT VAN HET WATERPEILBEHEER OP HET GRONDWATERPEIL IN DE OMGEVING

RESEARCH

VRIJE UNIVERSITEIT BRUSSEL

04 - 18

Ministerie van de Vlaamse Gemeenschap Departement Leefmilieu en Infrastructuur Administratie Waterwegen en Zeewezen Afdeling Waterbouwkundig Laboratorium en Hydrologisch Onderzoek

Model 725/1

UITWERKEN VAN EEN STRATEGIE VOOR HET BEPALEN VAN DE IMPACT VAN HET WATERPEILBEHEER OP HET GRONDWATERPEIL IN DE OMGEVING

december 2004

project nr 003-607

Mod. 725/1 Uitwerken van een strategie voor het bepalen van de impact van het waterpeilbeheer op het grondwaterpeil in de omgeving

INHOUDSOPGAVE

1 2 3 4

5 6 7

8

De opdracht...................................................................................................................................... 1 Plan van aanpak............................................................................................................................... 2 Welke problemen stellen zich? ........................................................................................................ 3 Is een computerprogramma noodzakelijk? ...................................................................................... 4 4.1 Analytische oplossing ............................................................................................................... 4 4.1.1 Statische verzadigde stroming........................................................................................... 4 4.1.2 Tijdsafhankelijke verzadigde stroming............................................................................... 5 4.1.3 Tijdsafhankelijke onverzadigde stroming........................................................................... 5 4.2 Numerieke oplossing ................................................................................................................ 6 Wat zijn de verschillende softwaretypes? ........................................................................................ 8 Welk softwaretype is het meest geschikt? ..................................................................................... 11 Welk computerprogramma is het meest geschikt? ........................................................................ 12 7.1 Algemene aanvaardbaarheid:................................................................................................. 12 7.2 Grondwatermodelleringen bij andere instanties: .................................................................... 12 7.3 Gebruiksvriendelijkheid en GIS integratie:.............................................................................. 13 7.4 Kostprijs: ................................................................................................................................. 13 7.5 Koppelingen met andere modellen ......................................................................................... 14 7.6 Ondersteuning:........................................................................................................................ 15 7.7 Kwaliteiten:.............................................................................................................................. 15 7.8 Hardware vereisten:................................................................................................................ 16 Samenvatting en conclusie ............................................................................................................ 17

Eindrapport

december 2004

i


1

DE OPDRACHT

De opdracht omvat het uitwerken van een strategie voor het bepalen van de impact van het waterpeilbeheer op het grondwaterpeil in de omgeving. Er dient een overzicht gemaakt te worden van de wetenschappelijke mogelijkheden om de link grondwater-oppervlaktewater en dus de effecten van veranderingen in het waterpeilbeheer op de grondwaterstanden in de valleien te begroten. Daarnaast wordt, rekening houdend met de bestaande instrumenten (bestaande oppervlaktewaterkwantiteitsmodelleringen, bestaande en geplande opmetingen, …), een lijst opgesteld van technische specificaties waaraan het instrumentarium, dat deze effecten kan begroten, moet voldoen. Hierin wordt ook meegenomen hoe andere instanties, die gelijkaardige studies verrichten, dit aanpakken, en hoe compatibiliteit en mogelijkheden tot uitwisseling met hun instrumentarium kan verkregen worden. Op basis van deze specificaties zal tot slot een vergelijkend onderzoek gebeuren om te bepalen hoe verschillende op de markt bestaande software aan deze vereisten voldoet. Het resultaat van deze opdracht is een rapport waarin alle bovenvermelde stappen beschreven worden.

Eindrapport

december 2004

1


2

PLAN VAN AANPAK

Eer men op zoek gaat naar de meest geschikte techniek voor het oplossen van problemen waarbij grondwater-oppervlaktewater interactie een belangrijke rol speelt, moet het duidelijk zijn welke problemen en vragen er zich stellen. Als blijkt dat deze vragen betrekkelijk eenvoudig op te lossen zijn, zou het nutteloos zijn een enorm uitgebreid softwarepakket aan te schaffen waarvan je een belangrijk deel van de functies niet zal gebruiken. Het omgekeerde is natuurlijk ook waar. In Hoofdstuk 3 staan enkele typevragen die gebaseerd zijn op reële, praktische problemen die zich bij de waterwegbeheerders stellen. Hoofdstuk 4 Geeft een antwoord op volgende vraag: “Is specifieke software noodzakelijk om deze vragen op te lossen?” Als blijkt dat het mogelijk is om, zonder er onnodig veel tijd en moeite in te steken, zelf (bij wijze van spreken manueel) deze vragen te beantwoorden, moet er niet meer naar andere methodes gezocht worden. Uit Hoofdstuk 4 zal blijken dat het daadwerkelijk nodig is om aangepaste software te gebruiken. De verschillende softwaretypes zijn samen met enkele voorbeelden van op de markt beschikbare software opgesomd in Hoofdstuk 5. In Hoofdstuk 6 wordt per typevraag het meest geschikte softwaretype gekozen. Deze worden vervolgens op basis van enkele niet-technische evaluatiecriteria getoetst waardoor het meest geschikte programma geselecteerd wordt (Hoofdstuk 7).

Eindrapport

december 2004

2


3

WELKE PROBLEMEN STELLEN ZICH?

Vanuit de hoek van de waterwegbeheerders stellen er zich enkele praktische vragen waarbij de interactie tussen het grondwater en het oppervlaktewater een cruciale rol speelt. Vaak gaat het over ingrepen in het oppervlaktewater waarvan men de weerslag op het grondwater wil kennen. Enkele typevoorbeelden: VRAAG 1

Welke impact heeft het verplaatsen of het wegnemen van een stuw op het omliggende grondwater? Dit is een vraag die zich stelt in gestuwde rivieren of kanalen waarin de waterpeilen nagenoeg steeds constant zijn. Wanneer een waterwegbeheerder omwille van praktische en/of veiligheidsredenen een stuw wil verplaatsen (of zelfs wegnemen), zal het peil in de waterweg veranderen. Bijgevolg zal het grondwaterpeil, dat afhankelijk is van het oppervlaktewaterpeil, eveneens veranderen. Alvorens zijn plannen uit te voeren moet de beheerder weten hoe omvangrijk deze grondwaterpeilschommelingen zullen zijn. Dit is een statisch probleem waar een oppervlaktewaterpeil opgelegd wordt en het grondwaterpeil wordt berekend.

VRAAG 2

“Hoe lang duurt de nasleep van een hoogwater?” Wanneer een hoogwatergolf passeert zal een deel van dit water, ten gevolge van de peilverschillen tussen oppervlaktewater en grondwater, de grond instromen. Wanneer de golf gepasseerd is zal het waterniveau in de rivier lager liggen dan de grondwatertafel en zal het water weer de rivier instromen. Dit regime geldt voornamelijk in gebieden waar een rivier door bodems stroomt met een grote hydraulische geleidbaarheid (b.v. de Maas die door een grindlaag stroomt) zodat grote peilverschillen tussen grond- en oppervlaktewater mogelijk zijn. Op plaatsen waar een rivier door klei stroomt zal deze vraag zich minder stellen aangezien er minder water de oevers kan infiltreren (klei heeft een lage hydraulische geleidbaarheid). Bijgevolg zijn de verschillen in peilniveau beduidend kleiner. Daarbij is het nuttig te weten hoe lang het duurt eer het geïnfiltreerde water weer volledig in de rivier gestroomd is. Je kan onderzoeken hoe afhankelijk dit regime is van de vorm van de piek, hoe het regime reageert als er meerdere pieken achter mekaar de rivier doorstromen, …. Een gelijkaardig, praktisch probleem is het variabel debiet dat door de elektriciteitscentrale van Lixhe (opwaarts de vertakking van het Albertkanaal met de Maas) vrijgegeven wordt. Afhankelijk van de elektriciteitsvraag wordt er water gespaard in, of geloosd uit, het stuwpand van Lixhe. Dit zorgt voor een onregelmatig debiet op de Maas afwaarts de centrale wat natuurlijk ook zijn repercussies heeft op het grondwaterpeil in de vallei van de Maas. Dit probleem is, in tegenstelling tot het vorige, dynamisch (veranderlijk in tijd) waar langs de twee kanten wisselwerking is tussen de rivier en het grondwater.

VRAAG 3

Eindrapport

Gecontroleerde overstromingsgebieden (GOG) worden ingeschakeld wanneer het waterpeil in een waterloop boven een bepaald niveau stijgt. Deze gebieden zijn, om de aanpalende (woon)zones, te beschermen omzoomd door een ringdijk waardoor het water binnen deze GOGs geborgen wordt. Afhankelijk van het hoogwater zal het water er lang of redelijk kort in opgespaard blijven, wat natuurlijk ook zijn weerslag op de grondwaterpeilen in de omgeving heeft. Zo kunnen gebieden die buiten de ringdijk liggen en die lager liggen dan het GOG, toch nog wateroverlast krijgen door een hoge grondwaterstand. Hetzelfde probleem kan zich voordoen bij kanalen die hoger liggen dan hun omgeving. Afhankelijk van de doorlatendheid van de bodem van het kanaal zal er veel of weinig water uit het kanaal wegzijgen.

december 2004

3


4

IS EEN COMPUTERPROGRAMMA NOODZAKELIJK?

De bovenvermelde vragen handelen allen over wijzigingen in grondwaterstand. De grondwaterstand, of grondwatertafel, is de grens tussen het verzadigde en het onverzadigde gedeelte van de bodem. Dit houdt in dat er twee verschillende soorten grondwaterstroming aanwezig zijn: verzadigde en onverzadigde grondwaterstroming. Wanneer zoals in de tweede vraag ook de tijd een rol speelt, zullen deze grondwaterstromingen tijdsafhankelijk worden. Verder in dit hoofdstuk staat er beschreven hoe je in theorie je deze vragen analytisch zou kunnen oplossen. Dit werd afgeleid uit Freeze & Cherry [1979] en Sato & Iwasa [2003] Vervolgens wordt er beschreven hoe dit praktisch het beste opgelost wordt.

4.1

Analytische oplossing

4.1.1 Statische verzadigde stroming Als je een controlevolume van een poreus medium beschouwt zoals in onderstaande figuur, stelt de wet van massabehoud dat de watermassa die het controlevolume binnen stroomt gelijk is aan de watermassa die het controlevolume uit stroomt. In een mathematische vorm wordt de wet van massabehoud als volgt uitgeschreven: −

( )

∂ (ρv x ) ∂ ρv y ∂ (ρv z ) − − =0 ∂x ∂y ∂z

Vergelijking 1

Controlevolume voor de stroming door poreuze media [Freeze & Cherry, 1979] . In deze vergelijking is ρ de dichtheid van het water en v de snelheid van het water in een bepaalde richting. Als je beschouwt dat het water niet samendrukbaar is, dan is de dichtheid in elke richting constant en kan ρ uit de Vergelijking verwijderd worden. −

∂v x ∂v y ∂v z − − =0 ∂x ∂y ∂z

Vergelijking 2

Wanneer je de snelheden in vergelijking 2 vervangt door de wet van Darcy (vx = Kxδh/δx) krijg je de vergelijking voor de statische stroming door een anisotropisch verzadigd poreus medium:

Eindrapport

december 2004

4


∂ ⎛ ∂h ⎞ ∂ ⎛ ∂h ⎞ ∂ ⎛ ∂h ⎞ ⎟⎟ + ⎜ K z ⎜Kx ⎟ + ⎜⎜ K y ⎟=0 ∂x ⎝ ∂x ⎠ ∂y ⎝ ∂y ⎠ ∂z ⎝ ∂z ⎠

Vergelijking 3

K is de hydraulische geleidbaarheid van het medium in een bepaalde richting en h de stijghoogte. Voor een isotropisch, Kx = Ky = Kz, en een homogeen, K(x, y, z) = cte, medium kan de voorgaande vergelijking gereduceerd worden tot: ∂2h ∂x 2

+

∂2h ∂y 2

+

∂2h ∂z 2

=0

Vergelijking 4

De oplossing van deze differentiaalvergelijking, ook gekend als de Laplacevergelijking, is een functie h(x, y, z) dat de waarde van de stijghoogte beschrijft op elk punt in een 3-dimensionaal stromingsveld.

4.1.2 Tijdsafhankelijke verzadigde stroming De wet van massabehoud voor een tijdsafhankelijke stroming in een verzadigd poreus medium stelt dat de netto watermassa die het controlevolume binnenstroomt gelijk is aan de verandering van de watermassaberging in de tijd. −

( )

∂ (ρv x ) ∂ ρv y ∂ (ρv z ) ∂ (ρn ) − − = ∂x ∂y ∂z ∂t

Vergelijking 5

Met n = porositeit en t = tijd. Het afleiden van de term aan de rechterkant van de vergelijking geeft: −

( )

∂ (ρv x ) ∂ ρv y ∂ ( ρv z ) ∂ρ ∂n − − =n +ρ ∂x ∂y ∂z ∂t ∂t

Vergelijking 6

De eerste term op aan de rechterkant van Vergelijking 6 geeft de verandering in watermassa die geproduceerd wordt door de expansie van het water ten gevolge van de verandering in dichtheid. De tweede term is de verandering in watermassa die wordt geproduceerd door de samendrukking van het poreuze medium. De eerste term wordt gecontroleerd door de samendrukbaarheid van het water (β), de tweede term door de samendrukbaarheid van de aquifer (α). De verandering in dichtheid en de verandering in porositeit worden beide veroorzaakt door een verandering in stijghoogte. De hoeveelheid water dat door deze twee mechanismen geproduceerd wordt, is, voor een daling met één eenheid in stijghoogte, de specifieke opslag (Ss = ρg(α + nβ)). De verandering in de tijd van de wateropslag is: ρSs δh/δt. Na toepassing van de kettingregel kan je de termen met de vorm vx δρ/δx schrappen daar zij veel kleiner zijn dan de termen met vorm ρδ vx/δx zodat ook ρ langs beide zijden geschrapt kan worden. Als je vervolgens ook de wet van Darcy invoegt, krijg je: ∂h ⎞ ∂ ⎛ ∂h ⎞ ∂ ⎛ ∂h ∂h ⎞ ∂ ⎛ ⎟+ ⎜Kz ⎟ = Ss ⎜Kx ⎟+ ⎜Ky ∂z ⎠ ∂x ⎝ ∂x ⎠ ∂y ⎜⎝ ∂t ∂y ⎟⎠ ∂z ⎝

Vergelijking 7

Dit is de vergelijking voor tijdsafhankelijke stroming door een verzadigd anisotropisch poreus medium. Indien het medium isotropisch en homogeen is en Ss vervangen wordt door ρg(α + nβ), krijg je volgende vergelijking, beter bekend als de diffusievergelijking: ∂ 2h ∂x

2

+

∂ 2h ∂y

2

+

∂ 2h ∂z

2

=

ρg (α + nβ ) ∂h K

Vergelijking 8

∂t

De oplossing h(x, y, z, t) beschrijft de waarde van de stijghoogte op elk punt en op elk tijdstip. De oplossing vereist de nodige kennis van de hydrogeologische parameters (K, α en n) en de vloeistof parameters (ρ en β).

4.1.3 Tijdsafhankelijke onverzadigde stroming In de onverzadigde zone is de stroming complexer dan in de verzadigde zone. Zowel het vochtgehalte (θ) als de hydraulische geleidbaarheid (K) zijn afhankelijk van de drukhoogte (ψ = h – z, waarbij z de

Eindrapport

december 2004

5


plaatshoogte is). Bijgevolg kan voor onverzadigde stroming de wet van Darcy herschreven worden tot: vx = -Kx(ψ) δh/δx. Voor stroming door een controlevolume dat slechts gedeeltelijk verzadigd is, geldt dat de continuïteitsvergelijking zowel de tijdsafhankelijke verandering van het vochtgehalte als de tijdsafhankelijke verandering van de opslag (veroorzaakt door waterexpansie en de samendrukbaarheid van de aquifer) beschrijft. In Vergelijking 5 moet ρn dus vervangen worden door ρnθ’. θ’ is de verzadigingsgraad, dit is de verhouding van het vochtgehalte op het poriënvolume (θ’ = θ/n). Als je het rechterdeel van Vergelijking 5 vervolgens afleidt, krijg je volgende vergelijking: −

( )

∂ (ρv x ) ∂ ρv y ∂ (ρv z ) ∂ρ ∂n ∂θ ' + ρθ ' + nρ − − = nθ ' ∂x ∂y ∂z ∂t ∂t ∂t

Vergelijking 9

Bij onverzadigde stroming zijn de eerste twee termen aan de rechterzijde van deze vergelijking veel kleiner dan de derde term. Als je, zoals in voorgaande bewerkingen, de ρ’s langs beide zijden schrapt en de onverzadigde vorm van de wet van Darcy invoegt, en erkent dat ndθ’ = dθ, dan geldt: ∂ ∂x

∂h ⎤ ∂ ⎡ ⎢ K (ψ ) ∂x ⎥ + ∂y ⎣ ⎦

⎡ ∂h ⎤ ∂ ⎢ K (ψ ) ⎥ + ∂y ⎦ ∂z ⎣

∂h ⎤ ∂θ ⎡ ⎢ K (ψ ) ∂z ⎥ = ∂t ⎣ ⎦

Vergelijking 10

Als je deze vergelijking herschrijft tot een vergelijking met slechts één onafhankelijke variabele (ψ) dan moet je de rechterzijde van de vergelijking vermenigvuldigen met δψ/δψ. Wetende dat de specifieke vochtcapaciteit C = δθ/δψ en dat h = ψ + z, bekom je: ∂ ∂x

∂ψ ⎤ ∂ ⎡ ∂ψ ∂ψ ⎤ ∂ ⎡ ⎡ ⎛ ∂ψ ⎞⎤ ⎢ K (ψ ) ∂x ⎥ + ∂y ⎢ K (ψ ) ∂y ⎥ + ∂z ⎢ K (ψ )⎜ ∂z + 1⎟⎥ = C (ψ ) ∂t ⎣ ⎦ ⎝ ⎠⎦ ⎣ ⎦ ⎣

Vergelijking 11

De oplossing voor deze vergelijking (de Richardsvergelijking), ψ(x, y, z, t) beschrijft de drukhoogte op elk punt op elk tijdstip. Dit is eenvoudig om te zetten tot stijghoogte met eerder vermeld verband h = ψ + z. Deze oplossing vereist wel de kennis van de karakteristieke krommen K(ψ), C(ψ) of θ(ψ).

4.2

Numerieke oplossing

Zelden, tenzij bij systemen waar de stroming, de randvoorwaarden en de geologische samenstelling eenvoudig en uniform zijn, zal een analytische oplossing zoals die in de voorgaande paragraaf beschreven staat mogelijk zijn. Numerieke oplossingsmethoden vormen een alternatief bij het oplossen van complexere problemen. Ze zijn echter, zoals verder zal blijken, ontegensprekelijk verbonden met het gebruik van computers [Freeze & Cherry, 1979; Sato & Iwasa, 2003; McDonald & Harbaugh, 1988 & WLH, 2004b]. Numerieke simulatiemethodes kunnen in twee groepen onderverdeeld worden. De eerste groep is gebaseerd op de discredisatie van differentiaalvergelijkingen, de tweede groep is gebaseerd op de discredisatie van integraalvergelijkingen [Sato & Iwasa, 2003]. Ze zijn beter gekend als, respectievelijk, de eindige verschillen methode en de eindige elementen methode. Voor beide methodes geldt hetzelfde principe: het fysische systeem wordt onderverdeeld in een 3-dimensionaal raster waar per tijdstap in elke cel de stijghoogte berekend wordt. Het fundamentele verschil tussen de twee methodes is dat het raster bij de eindige elementen methode een onregelmatige vorm kan hebben in tegenstelling tot het raster bij de eindige verschillen methode. Daardoor kan het raster verfijnd worden naar de locaties waarvoor de meeste interesse bestaat, de verder afgelegen cellen waar minder interesse voor is kunnen dan weer groter gedefinieerd worden. Op deze manier kan het aantal punten waarop de stijghoogte berekend moet worden drastisch verminderen in vergelijking met de eindige verschillen methode. Een tweede verschil is de locatie van de punten waar de stijghoogte bepaald wordt: de eindige verschillen methode berekent de stijghoogte in het centrum van elke cel, de eindige elementen methode daarentegen berekent de stijghoogte op het kruispunt van verschillende cellen. Voor elke cel geldt de wet van massabehoud waarbij de som van alle in- en uitgaande stromen gelijk is aan de berging van water in de cel. De stroming tussen naburige cellen is afhankelijk van het stijghoogteverschil (Δh) tussen de cellen (wet van Darcy, al dan niet voor onverzadigde of verzadigde stroming), welke onbekend is. In een 3-dimensionaal systeem zijn er dus per cel zes aanpalende cellen waartussen de stroming berekend moet worden. Dit betekent dat er per cel zeven onbekenden zijn

Eindrapport

december 2004

6


in de wet van behoud van massa n.l. de stijghoogte van de cel in kwestie samen met de stijghoogtes in de zes omliggende cellen. Wanneer je het hele raster in beschouwing neemt zijn er dus evenveel onbekenden als er vergelijkingen zijn zodat je de stijghoogtes iteratief kan berekenen. Als je een dynamisch probleem wilt oplossen, moet je dit elke tijdstap herhalen. Je merkt dat dit gauw een erg complexe berekening wordt. Als je bij wijze van voorbeeld het grondwaterprobleem uit de studie van de nieuwe uitwateringssluis van het Denderbellebroek [WLH, 2004a] zelf zou willen berekenen zal je merken dat je spoedig enkele dagen aan het rekenen bent. Het gemodelleerde gebied heeft een oppervlakte van 30km² (6km x 5km) en werd opgedeeld in cellen van 20 x 20 x 20 meter. Het bestaat slechts uit één laag wat betekent dat er 75.000 cellen in het model zijn. Er zijn er dus 75.000 vergelijkingen iteratief op te lossen. Dit specifieke probleem is een statisch, 2-dimensionaal probleem. Stel dat dit een dynamisch, 3dimensionaal probleem zou zijn, dan zou je telkens voor elke tijdstap en per laag 75.000 vergelijkingen iteratief moeten oplossen. Het spreekt voor zich dat een computerprogramma je heel wat moeite zou besparen.

Eindrapport

december 2004

7


5

WAT ZIJN DE VERSCHILLENDE SOFTWARETYPES?

De voorgaande paragraaf maakte duidelijk dat het onbegonnen werk is om zelfs redelijk eenvoudige vraagstukken op te lossen zonder gebruik te maken van een gespecialiseerd programma. Hieronder volgen de vijf mogelijke methodes om met behulp van software een geïntegreerd oppervlaktewatergrondwater model op te bouwen (zie onderstaande figuur). De selectie van de softwarepakketten is het gevolg van literatuuronderzoek naar artikels en rapporten die zelf een vergelijkende studie beschrijven of rapporteren over studies waarvoor een bepaald softwarepakket gebruikt werd. De belangrijkste informatie werd gevonden in: Camp Dresser & McKee [2001], Slot e.a. [1999], Smits [2002], Viaene et al. [1998] en VUB [2002]. OPTIE 1

De eerste vraag die zich stelt is of het mogelijk is zelf (intern bij WLH of via uitbesteding) software te ontwikkelen. Daar dit heel wat specifieke kennis en ervaring, maar vooral veel tijd (en bijgevolg veel geld) vraagt, kan men deze optie onmiddellijk schrappen. Ook omdat er reeds heel wat softwarepakketten op de markt zijn die voor dit probleem gebruikt kunnen worden, maakt het onnodig zelf nog software te ontwikkelen. Een bijkomend nadeel van een zelf ontwikkeld model is dat het zich nog niet in de praktijk bewezen heeft. Het is dus beter tijd, energie, geld, stress, … te besparen in het ontwerpen van een nieuw geïntegreerd oppervlaktewater-grondwater model en deze te investeren in een bestaand softwarepakket dat zich reeds in dit vakgebied bewezen heeft. Zelf een geïntegreerd oppervlaktewater – grondwater softwarepakket ontwikkelen of gebruik maken van bestaande softwarepakketten?

Gebruik maken van bestaande software.

Zelf een geïntegreerd softwarepakket ontwikkelen.

Een volledig geïntegreerd oppervlaktewater – grondwater softwarepakket aankopen. OPTIE 1

Een link kopen of ontwikkelen die een oppervlaktewatermodel aan een grondwatermodel koppelt.

2

3

Ontwikkelen of uitbreiden van de oppervlaktewatermodule van een softwarepakket voor de modellering van grondwater. 4

Ontwikkelen of uitbreiden van de grondwatermodule van een softwarepakket voor de modellering van oppervlakte-water. 5

De 5 mogelijkheden om m.b.v. van software een geïntegreerd oppervlaktewater-grondwater model te bouwen. De vorige vraag was eigenlijk een overbodige vraag, maar moest, hoewel het antwoord in feite al op voorhand gekend was, ter volledigheid wel gesteld worden. Wanneer je beslist bestaande software te gebruiken, bestaan er vier alternatieve oplossingen om de oppervlaktewater-grondwater link te simuleren.

Eindrapport

december 2004

8


OPTIE 2

Je kan gebruik maken van een softwarepakket dat de volledige hydrologische cyclus geïntegreerd kan modelleren. MIKE-SHE Het is één van de weinige hydrologische programma’s dat initieel ontwikkeld is voor het integraal modelleren van zowel grond- als oppervlaktewater. MIKE-SHE werd ontworpen door het Danish Hydraulic Institute (DHI) en wordt gebruikt voor het simuleren van de stroming en transport van zowel water, opgeloste stof als sediment in zowel oppervlaktewater als grondwater. Momenteel tracht DHI MODFLOW in MIKE SHE te integreren naast de bestaande 2D- en 3D- eindige verschillen grondwatermodule.

OPTIE 3

Je kan een programma ontwikkelen of kopen dat een oppervlaktewatermodel aan een grondwatermodel koppelt. Onder deze optie vallen ook de reeds op de markt bestaande gekoppelde softwarepakketten. Duflow-MicroFem De heer Smits heeft als afstudeeronderzoek [Smits, 2002] een programma ontworpen dat de programma’s Duflow en MicroFem aan elkaar koppelt. Duflow is ontwikkeld voor de berekening van eendimensionale stationaire en nietstationaire stroming van water in een stelsel van kanalen, rivieren, geulen en/of sloten. MicroFem is een numeriek rekenprogramma voor stationaire en niet-stationaire grondwaterstroming in de verzadigde zone. Het koppelingsprogramma brengt per tijdsinterval de uitkomsten van het oppervlaktewater- en het grondwatermodel iteratief met elkaar in evenwicht. FHM-FIPR Het FHM model koppelt twee publiek beschikbare programma’s: HSPF en MODFLOW. De ontwikkeling van het FHM programma startte in 1988 bij het Florida Institute of Phosphate Research (FIPR). Het werd ontwikkeld om de interactie tussen grondwater en oppervlaktewater te simuleren in gebieden met een ondiepe grondwatertafel. HSPF en MODFLOW kunnen zowel afzonderlijk als geïntegreerd lopen. Het programma kent weinig gebruikers buiten de (Amerikaanse) academische wereld. [CDM, 2001] MODBRANCH MODBRANCH [Swain en Wexler, 1996] is een koppeling van het driedimensionale grondwatermodelleringsprogramma MODFLOW en het eendimensionale programma voor de modellering van niet-stationaire stroming in open kanalen BRANCH. MODBRANCH simuleert de interactie tussen oppervlaktewaterstroming en ondergrondse stroming in gebieden met dynamische, hydraulisch verbonden grondwater- en oppervlaktewatersystemen.

OPTIE 4

Een derde mogelijkheid is een programma te gebruiken dat grondwater modelleert en dat een voldoende uitgebreid oppervlaktewatermodule bevat. (Of – maar dit is om bovenvermelde redenen ook niet haalbaar – je kan de oppervlaktewatermodule zelf uitbreiden). MODFLOW MODFLOW [McDonald & Harbaugh, 1988] is een computerprogramma dat driedimensionale grondwaterstroming simuleert door middel van de techniek van de eindige verschillen. Eén van de grote voordelen van MODFLOW is de modulaire opbouw van het programma. Het programma bestaat uit een hoofdprogramma en een serie van onafhankelijke pakketten. Elk pakket bestaat uit een groep van subroutines die voor een specifiek onderdeel van de simulatie verantwoordelijk is. Veranderingen aan de pakketten of toevoegen van een pakket veroorzaakt zo weinig structurele aanpassingen aan de andere pakketten in MODFLOW [CDM, 2001]. De modellering van de oppervlaktewater-grondwater interactie gebeurt aan de hand van volgende pakketten: het Stream-Aquifer pakket, Stream-Routing pakket, het River pakket, het Lake pakket en het Wetland pakket.

Eindrapport

december 2004

9


MODFLOW gebruikt een aantal tekstbestanden voor de in- en uitvoer en voorziet geen hulpmiddelen om deze bestanden aan te maken en te controleren. Voor het programma bestaan echter een aantal pre- en postprocessoren. Deze processoren, ook gekend als GUIs (Graphical User Interfaces), zijn eigenlijk hulpprogramma’s die de invoer, verwerking en presentatie van data vereenvoudigen. Enkele voorbeelden zijn Groundwater Modelling System (GMS), Visual MODFLOW en Groundwater Vistas. In tegenstelling tot MODFLOW zijn de GUIs niet publiek beschikbaar en bijgevolg dus ook niet gratis. DYNFLOW DYNFLOW is een grondwatermodel dat op drie niveaus de interactie tussen het grondwater en het oppervlaktewater simuleert. Het eerste, “eenvoudige” niveau beschrijft de interactie door de oppervlaktewater-grondwater randvoorwaarden te definiëren. Het tweede niveau omvat oppervlaktewaterelementen zoals vijvers en meren. Het derde en meest complexe niveau kan een simulatie uit voeren van een geïntegreerd oppervlaktewatergrondwater model op een gelijkaardige manier als MODFLOW. Het berekent o.a. runoff, opwaartse toestroming, aftakkingen, transfers tussen bekkens, … [CMD, 2001]. TRIWACO TRIWACO is een softwarepakket dat door Royal Haskoning werd ontwikkeld voor de simulatie van grondwaterstroming. Het is opgebouwd uit verschillende modules die onafhankelijk de verschillende aspecten van de simulatie kunnen berekenen, wat flexibiliteit zou moeten garanderen. De interactie tussen het grondwater- en oppervlaktewatersysteem is in het pakket beschreven door het “topsysteem” dat negen voorgedefinieerde types omvat. Elk type wordt gekarakteriseerd door specifieke eigenschappen zoals de weerstand van de bovenste grondlaag, drainage parameters, …. De TriFlow-module kan oppervlaktewaterdebieten en –peilen berekenen die via het “topsysteem” met de grondwatermodule (TRIWACO-Flairs) wordt verbonden waardoor men een geïntegreerd model bekomt. De laatste versie (TRIWACOv3.0) voorziet de keuze tussen de oorspronkelijke grondwatermodule TRIWACO-Flairs of MODFLOW om de grondwaterstromen te berekenen. TRIWACO kan ondertussen ook gekoppeld worden met de oppervlaktewatermodellen SOBEK en DUFLOW. [bron: TRIWACO website] OPTIE 5

De laatste mogelijkheid is het omgekeerde van de vorige n.l. gebruik maken van een softwarepakket voor het modelleren van oppervlaktewater met een uitgebreid grondwatermodule. Ook hier zou het mogelijk moeten zijn om, indien nodig, de grondwatermodule zelf verder te optimaliseren. Daar de nadruk bij de bovenvermelde typevragen voornamelijk gespitst is op het grondwater, is deze optie, waar men vertrekt vanuit het oogpunt van oppervlaktewater, minder aantrekkelijk dan de vorige. Daarom worden er ook geen programma’s van opgelijst.

Eindrapport

december 2004

10


6

WELK SOFTWARETYPE IS HET MEEST GESCHIKT?

Nu de specifieke problemen gedefinieerd zijn (Hoofdstuk 3) en de verschillende oplossingsmethodes zijn gekend (Hoofdstuk 5), moet aan elk probleem een softwaretype worden gekoppeld. Welk soort model is het meest geschikt voor het oplossen van de verschillende typevragen? Voor de eerste vraag is het niet nodig om over een volledig geïntegreerd model te beschikken, het volstaat om over een oppervlaktewatermodel te beschikken met een uitgebreide grondwatermodule (OPTIE 5) of een grondwatermodel met een uitgebreide oppervlaktewatermodule (OPTIE 4). Daar de vraag zich expliciet stelt naar de grondwatertafel, lijkt OPTIE 4 de beste optie. In een dergelijk model kan je de ondergrond nauwkeuriger beschrijven dan in een ‘OPTIE 5-model’ en kan de hydraulische berekening van de nieuwe waterpeilen met de oppervlaktewatermodule gebeuren. Indien men enkel geïnteresseerd is in de verandering van het grondwaterpeil, is het zelfs niet nodig om de ondergrond uitgebreid te beschrijven. Het volstaat enkel de verandering in oppervlaktepeil in te voeren zodat het programma de verandering in grondwaterpeil berekent [WLH, 2004a]. Om diezelfde reden is dit type van model ook het meest geschikt voor de simulatie van de twee overige typevragen. Afhankelijk van de situatie moet dit probleem echter statisch of dynamisch opgelost worden. Dit veronderstelt dat het model tijdreeksen als invoer moet aanvaarden en niet enkel een statisch peil. Je kan dus stellen dat, gelet op de typevragen, een grondwatermodel met een uitgebreide oppervlaktewatermodule (OPTIE 4) het meest geschikt is. Uiteraard is het mogelijk om deze vragen op te lossen met een volledig geïntegreerd model (OPTIE 2) of een gekoppeld model (OPTIE 3). Maar waarom al die tijd en energie investeren in zulke modellen als je met een “eenvoudiger” model hetzelfde resultaat kan bekomen? Een model dat in staat is de volledige hydrologische cyclus te simuleren is gebaseerd op een uitgebreid aantal parameters die de fysische realiteit trachten te beschrijven. Wil je accurate resultaten bekomen dan moeten deze parameters zo ingevuld worden zodat het model zo juist mogelijk de werkelijkheid nabootst. Dit vraagt om een enorme kennis van het te modelleren gebied zoals gewasspecifieke evapotranspiratie, drainagecoëfficiënten van landbouwpercelen en dergelijke [USACE, 2002]. Vaak zijn die nutteloos voor relatief eenvoudige vraagstukken zoals b.v. de eerste typevraag.

Eindrapport

december 2004

11


7

WELK COMPUTERPROGRAMMA IS HET MEEST GESCHIKT?

Een grondwatersimulatieprogramma dat een goed uitgebouwd oppervlaktewatermodule heeft is het meest geschikt voor het oplossen van de typevragen zoals die in Hoofdstuk 3 gesteld zijn (Hoofdstuk 6). Om de verschillende programma’s objectief te vergelijken dienen ze getoetst te worden aan enkele evaluatiecriteria. Het belangrijkste criterium is natuurlijk het vermogen om zo effectief en precies mogelijk de oppervlaktewater-grondwater simulaties uit te voeren met het oog op de boven vermelde problemen. De verschillende programma’s die in Hoofdstuk 5 opgesomd zijn (GMS, Groundwater Vistas, Visual MODFLOW, DYNFLOW en TRIWACO) zijn technisch perfect in staat deze problemen op te lossen. Daarom moeten ze eveneens aan volgende criteria getoetst moeten worden [CMD, 2001]:

7.1

Algemene aanvaardbaarheid:

Een model dat gebruikt wordt voor verschillende doeleinden (zowel fysisch als politiek en economisch) wordt door verschillende partijen, met vaak tegengestelde belangen, als betrouwbaar aanvaard. Het feit dat het ook gebruikt wordt in alle hoeken van de wereld voor diverse simulaties maakt dat zulk een model het best beoordeeld zal worden volgens dit criterium. GMS, Groundwater Vistas en Visual MODFLOW zijn alle drie GUIs die MODFLOW kunnen aansturen. MODFLOW is verruit het meest gebruikte softwarepakket voor de simulatie van grondwatersystemen en het geldt wereldwijd als de standaard voor het oplossen van complexe en gewichtige grondwatervraagstukken. DYNFLOW en vooral TRIWACO worden minder gebruikt. Waar DYNFLOW wereldwijd nog toepassingen kent bij verschillende universiteiten en bedrijven, is het gebruik van TRIWACO voornamelijk beperkt tot Nederlandse instellingen.

7.2

Grondwatermodelleringen bij andere instanties:

Het is belangrijk om te weten hoe andere instanties gelijkaardige grondwatersimulaties uitvoeren en welke software ze hiervoor gebruiken. Hiermee rekening houdend verkrijg je compatibiliteit en mogelijkheden tot uitwisseling met hun instrumentarium. De belangrijkste instantie in Vlaanderen wat betreft grondwater is AMINAL afdeling Water (AMWA), omdat ze het Vlaams GrondwaterModel (VGM) zullen beheren. Het VGM is een ondersteunend instrument voor een geïntegreerd grondwaterbeleid in Vlaanderen. Het zal als randvoorwaarde gelden voor alle locale grondwaterstudies op Vlaams grondgebied. Uitwisseling van gegevens en resultaten met VGM mag niet te omslachtig zijn. Het VGM wordt opgebouwd met GMS [schriftelijke mededeling dhr. Lermytte]. Andere grondwatermodelleringen gebeuren in Vlaanderen ook hoofdzakelijk met MODFLOW, zij het wel met verschillende GUIs. TRIWACO en DYNFLOW worden beduidend minder gebruikt in Vlaanderen. Het uitwisselen van bestanden tussen dezelfde GUIs levert geen problemen. Uitwisseling van bestanden tussen verschillende GUIs gaat niet, tenzij het gebeurt onder de vorm van zuivere MODFLOWbestanden. Dit heeft als repercussie dat de post-processing opnieuw gedaan zal moeten worden met de andere GUI. DYNFLOW gebruikt geen MODFLOW voor de grondwaterberekeningen. Uitwisseling met MODFLOW-bestanden zal dus niet lukken.

Eindrapport

december 2004

12


TRIWACO laat de keuze welke programma je gebruikt voor de grondwaterberekeningen TriwacoFlairs of MODFLOW. Logischerwijs kunnen MODFLOW-bestanden uitgewisseld worden wanneer MODFLOW wordt gekozen, wanneer TRIWACO-Flairs gekozen wordt zal het uitwisselen niet lukken.

Daar MODFLOW gebruikt wordt voor de opmaak van het Vlaams Grondwatermodel en het wereldwijd dé norm is voor grondwatersimulaties zullen DYNFLOW en TRIWACO in de volgende criteria niet meer ter evaluatie genomen worden. De verdere evaluatie zal beperkt worden tot de meest gebruikte GUIs.

7.3

Gebruiksvriendelijkheid en GIS integratie:

GIS is een continu veranderende technologie voor het verwerken van gebiedsdekkende data dat zeer handig kan zijn bij het opstellen van modellen of het presenteren van resultaten. Hier worden de mogelijkheden om GIS data te integreren en eventueel te beheren en bewerken geanalyseerd. Alle drie de programma’s zijn GUIs voor o.a. MODFLOW. Het zijn dus per definitie gebruiksvriendelijke pakketten die de invoer, verwerking en presentatie van gegevens en resultaten overzichtelijk maken. Dit impliceert niet dat ze GIS data in het programma kunnen importeren, laat staan aanmaken. GMS is de enige GUI van de drie dat met behulp van “GIS feature objects” zoals punten, polygonen en bogen een conceptueel model kan opbouwen, dit gebeurt in de GMS Map module. Het conceptueel model definieert de randvoorwaarden, bodemeigenschappen e.d., deze modelgegevens worden automatisch naar een raster vertaald. GMS heeft een directe verbinding met ArcGIS en ondersteunt bijna elk formaat van GIS data. In principe bouw je het model op met de Map module, de interface zal dit vertalen naar het raster zodat MODFLOW de berekeningen kan aanvatten. Vervolgens kunnen de resultaten met de Map module ook weergegeven worden. Het principe verandert niet of je de GIS gegevens in GMS opmaakt of ze invoert vanuit GIS bestanden. Visual MODFLOW kan geen GIS data invoeren of aanmaken. Het heeft wel een eigen visualisatiemodule (VMOD 3D-Explorer) dat efficiënt calibratie- en modelresultaten kan verwerken en presenteren. Groundwater Vistas kan parameters en randvoorwaarden importeren van ArcView. Resultaten kunnen eveneens in een ArcView formaat geëxporteerd worden, het kan echter niet in het programma zelf GIS data genereren.

7.4

Kostprijs:

Dit criterium evalueert de aankoopprijs van de verschillende GUIs. Er werd steeds een pakket gekozen dat ook MODPATH en PEST omvat. MODPATH is een “particle tracking” programma dat de herkomst van deeltjes in het grondwater kan bepalen. Dit programma kan zeer nuttig zijn in het kader van het onderzoek rond sediment en de herkomst ervan in de waterwegen. PEST staat voor Parameter ESTimation en is een algoritme dat de modelcalibratie vereenvoudigt en helpt met het interpreteren van data. Hoewel MODFLOW een publiek beschikbaar pakket is -en bijgevolg gratis is-, zijn de GUIs commerciële pakketten waarvoor betaalt moet worden. De prijzen werden bekomen van de Scientific Software Group (SSG). Ze zullen waarschijnlijk verschillen afhankelijk van de verdeler en de extra service en kortingen deze kan leveren. Desalniettemin geeft dit een zeer nauwkeurige indicatie van de kostprijs van de GUIs.

Eindrapport

december 2004

13


GUI GMS – MODPATH pakket (Map, Grid,Sub, Geostat, ModF2000, ModP)

Extra programma’s & andere kosten of kortingen

PEST Netwerk Hardware Sleutel Overheidskorting Groundwater Vistas (ModF, ModF2000, MT3D, Pest, ModP) Advanced Groundwater Vistas (mogelijkheid tot stochastisch modelleren)

Prijs ($) 3.050 600 150 5% 990

Overheidskorting

1.990 10%

WinPEST Jaarlijks onderhoud

1.190 490 295

Jaarlijks onderhoud

2.490 395

Visual MODFOW (ModF2000, ModP, MT3DMS, RT3D, Stream-routing package)

Visual MODFLOW Pro (incl. WinPEST & 3D-Explorer)

Overzicht van de aankooptprijs van de 3 meest gebruikte GUIs. (prijzen afkomstig van de Scientific Software Group (SSG) website)

7.5

Koppelingen met andere modellen

Er worden twee zaken onderzocht: welke programma’s de GUI zelf kan aansturen en met welke programma’s het gekoppeld kan worden. De GUIs acteren niet enkel als interface met MODFLOW, maar ook met diverse andere programma’s (‘parameter estimation’ programma’s, densiteitafhankelijke stroming, transport met biodegradatie, …). Vaak sturen de GUIs dezelfde programma’s aan. Afhankelijk van de GUI is het mogelijk enkel de programma’s die je nodig hebt aan te vragen of wordt er een uitgebreid pakket van programma’s meegeleverd. Verder moet er onderzocht worden of er een koppeling mogelijk is tussen de GUIs en andere op het WLH beschikbare modellen, met name het 1D-hydraulische model MIKE 11. Er zal een groot aantal programma’s opgesomd worden die nog niet in de tekst beschreven werden. Het zou te ver leiden om al deze programma’s in dit document toe te lichten, meer informatie kan je vinden op de websites waarvan de URLs achteraan dit document vermeld staan. Groundwater Vistas kan volgende programma’s ondersteunen: -

Stromingsmodellen: MODFLOW88, MODFLOW96 Double Precision, MODFLOW 2000, MODFLOWT, MODFLOW- SURFACT, SWIFT

-

Transportmodellen: MT3DMS, SEAWAT, RT3D, MODPATH, MODFLOWT, MODFLOW- SURFACT, SWIFT, MT3D'99, PATH3D

-

Optimalisatiemodellen: Brute Force, MODOFC, SOMOS, MGO

-

Calibratiemodellen: PEST-ASP, UCODE, MODFLOW2000

Afhankelijk van de leverancier worden bepaalde van deze programma’s standaard meegeleverd en bestaat de optie om nog andere programma aanvullend bij aan te kopen. Visual MODFLOW wordt geleverd met volgende programma’s: MODFLOW-2000, MODPATH, MT3DMS and RT3D. Visual MODFLOW Pro combineert de standaardversie met WinPEST en de Visual MODFLOW 3D-Explorer. Daarbij kan je, afhankelijk van de verdeler, nog kiezen uit SAMG, MT3D99 en MODFLOW-SURFACT. De programmakeuze voor GMS is volledig vrij, elk programma is afzonderlijk verkrijgbaar. Men biedt ook specifieke programmapakketten aan een voordeliger tarief aan. Let wel op als je afzonderlijk pro-

Eindrapport

december 2004

14


gramma’s besteld. Bepaalde programma’s maken gebruik van extra modules die men ook afzonderlijk moet bestellen. GMS ondersteunt MODFLOW 2000, MODPATH, MT3DMS, RT3D, SEAM3D, ART3D, MODAEM, FEMWATER, SEEP2D, UTCHEM, PEST, UCODE en T-PROGS, Gezien het feit dat de broncode van verschillende van deze programma’s publiek beschikbaar is, kan deze door de gebruikers verbeterd worden. Dit houdt in dat de GUIs regelmatig vernieuwd moeten worden opdat hun interfaces up to date blijven met de nieuwste ontwikkelingen. Deze ‘updates’ zijn gratis beschikbaar op het internet, althans voor GMS. Voor de andere GUIs is dat niet bekend. ‘Upgrades’ zijn de vernieuwingen aan de software van de GUI zelf, zonder dat dit invloed heeft op de interactie met model (m.a.w. een nieuwe versie). De ‘upgrades’ zijn te betalen. De koppeling met andere dan de hierboven vermelde programma’s stoelt op hetzelfde principe zoals dat in het tweede evaluatiecriterium (7.2) is uitgelegd. Een directe koppeling tussen een GUI en MIKE11 gaat dus niet. Nu blijkt dat DHI misschien tegen 2005 een koppeling voorziet tussen MIKE11 en MODFLOW zoals ze dat nu reeds doen in MIKE SHE (schriftelijke mededeling van MASc. P. Eng. Graham, manager van het MIKE SHE ontwikkelingsteam). Indien dit op termijn gerealiseerd wordt, zou men de zuivere MODFLOW bestanden in een GUI kunnen importeren of omgekeerd.

7.6

Ondersteuning:

Dit criterium beoordeelt naast het beschikbaar zijn van ondersteunende dienstverlening ook de beschikbare documentatie over hoe een model op te stellen, de beperkingen en toepassingen ervan. Wanneer er te weinig informatie voor handen is zal er betrekkelijk meer tijd en energie nodig zijn om met het programmal te leren werken. De ondersteuning is afhankelijk van leverancier tot leverancier. Echter bieden ze alle gelijkaardige diensten aan. Bij aankoop krijg je steeds de nodige handleidingen en leerpakketten meegeleverd. Verder bieden ze ook gratis on-line technische ondersteuning aan. Ook opleidingen worden door de leveranciers voorzien. Deze zijn gekoppeld aan een vermindering van de aankoopprijs van de software. Deze opleidingen vinden echter voornamelijk in het buitenland plaats, wat natuurlijk extra uitgaven (vervoers- en verblijfskosten) met zich meebrengt. Er bestaan ook on-line fora waar gebruikers mekaar onderling kunnen helpen en raad geven. Ten slotte bieden de verschillende verdelers ook nog gratis elektronische nieuwsbrieven aan zodat de gebruikers op de hoogte gehouden worden van eventuele nieuwigheden.

7.7

Kwaliteiten:

Wat zijn de beperkingen van de programma’s? Wat zijn de voordelen van het ene programma ten opzichte van het andere? Een vraag die hier niet echt op zijn plaats lijkt, maar toch een belangrijke praktische toepassing kent is hoe je de invloed van veranderingen in landgebruik op het grondwater kan bepalen. Alle op MODFLOW gebaseerde GUIs zijn in staat veranderingen in landgebruik te simuleren door de parameters aan te passen die de evapotranspiratie en de aanvulling van het grondwater (recharge) beschrijven [schriftelijke mededelingen van dhr English, verkoopsmanager SSG en dhr Klemp, Eastern Regional Manager Boss Int.]. Door de grafische capaciteiten van de GUIs is dit betrekkelijk eenvoudig aan te passen, zeker in GMS waar je met polygonen kan werken om gebieden af te bakenen en deze waarden toe te kennen. De voornaamste beperking van GMS en Visual MODFLOW is dat ze enkel MODFLOW2000 ondersteunen en geen oudere versies. Verder vereisen de lijvige handleidingen van MODLOW2000 en andere programma’s de nodige ervaring om ze efficiënt te gebruiken. Aangezien de modelopties niet automatisch presenteert, moet je toch wat behendig zijn in het opbouwen van een model om het te gebruiken. De grote troef van GMS ten opzichte van de andere GUIs is het Geostatistics-pakket. Eén van de grote uitdagingen van grondwatermodelleringen is het gebruiken van beschikbare data die ruimtelijk verspreid zijn. Deze zijn pas bruikbaar als ze geïnterpoleerd kunnen worden. Het Geostatistics-pakket biedt enkele interpolatietechnieken aan om de bestaande data te transformeren tot een vorm dat als

Eindrapport

december 2004

15


invoer voor het model kan dienen. Visual MODFLOW en GroundwaterVistas beschikken niet over een dergelijke module. De grafische capaciteiten van Visual MODFLOW om data in je model in te voeren en resultaten via rapporten en grafieken uit te voeren zijn beperkt omdat het een DOS applicatie is. DOS is een 2-D omgeving, wat inhoudt dat de 3-D weergaven in Visual MODFLOW niet gebaseerd zijn op een echte 3-D omgeving [schriftelijke mededeling dhr. Klemp].

7.8

Hardware vereisten:

Welke specificaties zijn er nodig opdat het programma optimaal kan werken? Welk besturingssysteem heb je nodig? Hoeveel RAM-geheugen moet er ten minste vrij zijn?… Elke GUI draait op een standaard PC die de laatste drie jaar aangekocht is en een Windows besturingssysteem heeft. Voor GMS geldt er echter een uitzondering. GMS v5.0 is geschreven op een WindowsXP platform en er wordt daarom aangeraden om het programma ook onder WindowsXP te laten werken. Het programma werkt ook onder WindowsNT, maar dit kan problemen geven met de nieuwste versies [schriftelijke mededeling dhr. Jenkins, Technical Support EMSi]. Voldoende geheugen is afhankelijk van de toepassingen en data. Volgens dhr. English moet er minstens 32Mb RAM geheugen beschikbaar zijn om een GUI te laten draaien. Een goede grafische kaart zal je productiviteit verhogen en maakt de interacties met de software gemakkelijker en sneller. De GUIs draaien met elke grafische kaart, misschien dat er met oudere en goedkope kaarten kleine problemen kunnen optreden. De GUIs kunnen met elk type processor gebruikt worden. Er wordt, omwille van comfort, aangeraden minstens een 17’’ monitor te gebruiken met een resolutie van minstens 1280 x 1024 pixels. De nieuwe PCs die op het Waterbouwkundig Laboratorium geleverd worden voldoen aan deze eisen en mogen dus geen beperking vormen voor de werking van de software. Er wordt aangeraden om WindowsXP als besturingssysteem te gebruiken.

Eindrapport

december 2004

16


8

SAMENVATTING EN CONCLUSIE

Het doel van deze studie is een techniek voor te stellen die er in slaagt de interactie tussen oppervlaktewater en grondwater te beschrijven gelet op de specifieke, uit de praktijk gestelde vragen (Hoofdstuk 3). Alle vragen zijn eigenlijk te herleiden tot één gemeenschappelijke vraag: “Wat is het effect van wijzigingen in het oppervlaktewatersysteem op het grondwatersysteem?” Als blijkt dat deze vragen betrekkelijk eenvoudig zelf op te lossen zijn, zonder behulp van specifieke programma’s, dan kon de studie reeds bij Hoofdstuk 4 afgerond worden. Uit deze paragraaf blijkt echter dat de complexiteit van de vergelijkingen voor het oplossen van de grondwatervraagstukken te hoog is. Bijgevolg moest er geëvalueerd worden welk softwaretype het meest geschikt is voor het oplossen van de in Hoofdstuk 3 gestelde problemen (Hoofdstuk 5 & Hoofdstuk 6). Aangezien de problemen zich alle specifiek richten op de veranderingen in het grondwatersysteem, werd een grondwatermodelleringsprogramma dat over een uitgebreid oppervlaktewater-module beschikt als geschiktste softwaretype bevonden. Uit de beoordeling van de computerprogramma’s zelf, bleek al gauw dat een MODFLOW ondersteunende Graphical User Interface (GUI) het ideale instrument is. MODFLOW wordt wereldwijd het meeste gebruikt en geldt als dé norm voor het modelleren van grondwatersystemen. Daarbij komt dat het Vlaams Grondwatermodel, dat als referentiekader zal dienen voor de toekomstige grondwatersimulaties in Vlaanderen, ook in MODFLOW wordt opgebouwd met behulp van de GUI GMS. GMS komt uit de verdere evaluatie als meest competente GUI naar voor. Het heeft het onmiskenbare voordeel dat het VGM ermee wordt opgebouwd, zo kunnen data gemakkelijk uitgewisseld worden. Een tweede troef is de sterke GIS integratie. In tegenstelling tot de andere GUIs kan je in GMS zelf GIS bewerkingen uitvoeren en blijft de GIS integratie niet beperkt tot slechts het in- en uitvoeren van GIS data. Verder beschikt GMS over een Geostatistics-pakket dat in staat is ruimtelijk verspreide puntgegevens te interpoleren en in een model in te voeren. Daar er nu langs enkele waterwegen (Grote Nete, Dender en Maas) grondwaterpeilmetingen uitgevoerd worden, komt deze module goed van pas bij het invoeren van deze gegevens in het model. GMS heeft ook sterkere visualisatie- en exportcapaciteiten dan de andere GUIs. Een laatste voordeel, tenslotte, is dat GMS je de kans biedt enkel die programma’s aan te schaffen die je werkelijk nodig hebt. De GUIs ondersteunen namelijk ook andere programma’s voor o.a. het berekenen van transport, het vereenvoudigen van calibraties, e.d. In vergelijking met de andere GUIs is GMS duurder, dit weegt echter niet op tegen de voordelen die het te bieden heeft. Voornamelijk het feit dat GMS gebruikt wordt voor de opbouw van het VGM en de sterke GIS-integratie wegen zwaar door.

Borgerhout, december 2004

De onderzoekers belast met de studie,

Stef Michielsen

Katrien Van Eerdenbrugh

Gezien,

Dr. Frank Mostaert Afdelingshoofd Waterbouwkundig Laboratorium en Hydrologisch Onderzoek

Eindrapport

december 2004

17


REFERENTIES

CDM – Camp, Dresser & McKee (2001) Evaluation of Integrated Surface Water and Groundwater Modeling Tools. Rapport opgesteld voor Camp Dresser & McKee Inc. Water Resources Research & Development Program. Freeze R.A. & Cherry J.A. (1979) Groundwater. Prentice Hall Inc., Englewood Cliffs, New York, USA McDonald M.G.& Harbaugh A.W. (1988) A Modular Three-Dimensional Finite-Difference Groundwater Flow Model. U.S. Geological Survey Techniques of Water Resources Investigations Book A3 Sato K. & Iwasa Y. (2003) Groundwater Hydraulics. Springer-Verlag, Japan Slot A., Velstra J., Wijnker L & van Vugt E. (1999) Koppeling computermodellen voor grond- en oppervlaktewater interessant voor integrale aanpak waterbeheer. H2O 16/17, p 30-31 Smits F. (2002) Koppeling Duflow - Microfem. Afstudeerverslag, Vrije Universiteit Amsterdam, Nederland Swain E.D. & Wexler E.J. (1996) A Coupled Surface-Water and Ground-Water Flow Model (MODBRANCH) for Simulation of Stream-Aquifer Interaction. U.S. Geological Survey Techniques of Water Resources Investigations Book 6, Chapter A6 USACE, SFWMD & Kimley-Horn and Assoc. Inc. (2002) Central and southern Florida project – Comprehensive Everglades restoration plan – EAA storage reservoirs-Phase – B.2 Hydraulics – Final model evaluation report. Viaene P., Vlieghe C., Bellon J., Buysse M. & De Smedt P. (1998) Vergelijking van vier softwarepakketten voor de modellering van grondwaterstroming. Water 101, p.101-106 VUB [2002] Procedure ter evaluatie van de aanvragen tot bodemsaneringsdeskundige – Deelopdracht 2: Lijst van geschikte grondwatermodellen. In opdracht van OVAM WLH (2004a) Dendermodel: Optimalisatie van de dimensionering van een uitwateringssluis ter hoogte van het Denderbellebroek – Impact van de uitwateringssluis op de grondwatertafel. Mod. 715/9. Waterbouwkundig Laboratorium en Hydrologisch Onderzoek. WLH (2004b) Nota grondwaterberging langsheen de Maas tijdens de hoogwaterperiode 2002-2003. Mod. 710/4. Waterbouwkundig Laboratorium en Hydrologisch Onderzoek.

Eindrapport

december 2004

18


WEBSITES

Software DYNFLOW:

www.dynsystem.com/system/dynflow.html

GMS:

chl.erdc.usace.army.mil/CHL.aspx?p=s&a=Software;1 www.ems-i.com

Groundwater Vistas:

www.groundwater-vistas.com www.esinternational.com

MIKESHE:

www.dhisoftware.com/mikeshe

TRIWACO:

www.triwaco.com

Visual MODFLOW:

www.visual-modflow.com

Verdelers Boss International Inc.:

www.bossint.com

Danish Hydrologic Institute:

www.dhi.dk

Scientific Software Group:

www.scientificsoftwaregroup.com

Waterloo Hydrogeologic Institute:

Eindrapport

www.flowpath.com

december 2004

19

WATERBOUWKUNDIG LABORATORIUM FLANDERS HYDRAULICS RESEARCH

Berchemlei 115 B- 2140 ANTWERPEN tel. 32(0)3/224 60 35 fax 32(0)3/224 60 36 e-mail: [email protected] [email protected] http://watlab.lin.vlaanderen.be

ministerie van de Vlaamse Gemeenschap administratie Waterwegen en Zeewezen afdeling Waterbouwkundig Laboratorium en Hydrologisch Onderzoek Berchemlei 115 B - 2140 Antwerpen

HYDRAULICA

NAUTICA

HYDROLOGIE

MILIEU

UITWERKEN VAN EEN STRATEGIE VOOR HET BEPALEN VAN DE IMPACT VAN HET WATERPEILBEHEER OP HET GRONDWATERPEIL IN DE OMGEVING

Recommend Documents