3Di inzichtelijk
3Di inzichtelijk
VOORWOORD Ruim vier jaar geleden werd ik gebeld door Ron Thiemann. Hij had twee heren aan zijn bureau met een onwaarschijnlijk verhaal en vroeg of ik belangstelling had. Die twee heren, Guus Stelling en Wytze Schuurmans, beweerden dat ze waterberekeningen honderd keer sneller konden maken. Een buitengewone bewering, die om buitengewoon bewijs vraagt. Maar dan moeten er wel mensen zijn die dat avontuur aandurven. Na het verhaal te hebben aangehoord, zocht ik contact met mijn collega Luc Kohsiek en we besloten samen op weg te gaan. Spoedig kwamen Pier Vellinga en Bas Verkerk ons te hulp en zo zijn we begonnen. We konden misschien niet altijd alles volgen wat Guus ons vertelde, maar het enthousiasme was aanstekelijk en de resultaten spectaculair. Vorig jaar besloten de gemeenten Amsterdam, Rotterdam, Den Haag en OAS-project (Optimalisering AfvalwaterSysteem) De Groote Lucht dat afvalwater ook een plek in 3Di verdient. Het valorisatieprogramma deltatechnologie ondersteunde 3Di als een schoolvoorbeeld van een innovatie waaruit een toepasbaar marktproduct is gekomen. Nu ronden we een uniek innovatieproject af dat wetenschappelijk en op veel andere fronten vernieuwend is. Bovenal ligt er nu iets wat bruikbaar voor alle (afval) waterbeheerders. Ik hoop dat u net als ik overtuigd raakt en het avontuur aandurft.
Michiel van Haersma Buma, voorzitter stuurgroep 3Di waterbeheer Delft, 20 maart 2014
1
3Di inzichtelijk
COLOFON Deze brochure is samengesteld in het kader van de afsluiting van het vierjarige project 3Di waterbeheer
3Di inzichtelijk
INHOUDSOPGAVE
DE STUURGROEP 3Di BESTOND UIT:
MODELLEREN VOOR ALTIJD ANDERS
5
– Michiel van Haersma Buma, dijkgraaf Hoogheemraadschap van Delfland
MODELLEREN AUTOMATISEREN
7
VEELGESTELDE VRAGEN
9
– Luc Kohsiek, dijkgraaf Hoogheemraadschap Hollands Noorderkwartier – Ron Thiemann, directeur Deltares – Pier Vellinga, directeur Kennis voor Klimaat – Peter Weesendorp, directeur Waternet
3Di ONDER DE MOTORKAP
17
BEHEER EN GEBRUIK VAN 3Di GEBIEDSMODELLEN
23
3Di IN DE PRAKTIJK
29
WAT MOET DAT KOSTEN?
35
– Guus Stelling, hoogleraar TU-Delft – Elmar Eisemann, hoogleraar TU-Delft – Bas Verkerk, burgemeester Delft – Wytze Schuurmans, directeur Nelen & Schuurmans
DE PROJECTGROEP 3Di BESTOND UIT: – Jan Strijker, Hoogheemraadschap Hollands Noorderkwartier – Peter Hollanders, Hoogheemraadschap van Delfland – Marcel Boomgaard, Hoogheemraadschap Hollands Noorderkwartier – Carl Paauwe, Hoogheemraadschap van Delfland – Daniel Goedbloed, Gemeente Rotterdam, Waternet – Arthur van Dam, Deltares – Elgard van Leeuwen, Deltares – Kim van Nieuwaal, Kennis voor Klimaat – Olga Pleumeekers, Nelen & Schuurmans – Wytze Schuurmans, Nelen & Schuurmans Een uitgave van het consortium 3Di Waterbeheer © 2014. Aan de inhoud van deze brochure kunnen geen rechten worden ontleend. Ontwerp: Theo Horstink
2
3
3Di inzichtelijk
3Di inzichtelijk
MODELLEREN, VOOR ALTIJD ANDERS Kunt u zich nog uw platenverzameling herinneren? Of, voor de jongere generatie, uw CD-collectie? Mogelijk heeft u alles nog bewaard, maar waarschijnlijk heeft u uw muziek nu digitaal opgeslagen en beluistert u deze in de kamer, maar als het uitkomt ook onderweg in de auto of tijdens het sporten. Uw muziekcollectie is minder tastbaar, maar u kunt er vaker van genieten. En hoe zit het met uw watersysteemmodellen? Heeft u modellen van uw watersysteem? Zo ja, waar bewaart u deze modellen? En als u ermee wilt rekenen, moet u dan een afdeling of een adviesbureau inschakelen? Na hoeveel dagen of weken krijgt u vervolgens antwoord? Eenvoudig modelleren, makkelijk toegang tot uw data en vrijwel meteen de uitkomsten van uw berekeningen zien. Misschien klinkt dit als toekomstmuziek, maar dankzij 3Di is het al werkelijkheid. 3Di modellen worden centraal in the cloud beheerd en raken nooit meer zoek. Dankzij een geavanceerd versiebeheersysteem worden uw eerdere versies ook bewaard. Berekeningen maken kan eenvoudig via uw internetbrowser. Binnen enkele minuten heeft u antwoord op uw vragen. Niet alleen waterspecialisten, maar ook planvormers en ruimtelijke ordenaars kunnen met 3Di ingrepen in water en ruimtelijke ordening inzichtelijk maken en de effecten van plannen op het waterbeheer letterlijk in kaart brengen.
U heeft al uw platen of cd’s nog maar luistert naar uw muziek in digitale bestanden, thuis, in de auto of tijdens het sporten. Uw muziekcollectie is minder tastbaar, maar u kunt er vaker van genieten.
4
5
3Di inzichtelijk
3Di inzichtelijk
MODELLEREN AUTOMATISEREN In modelleren is 2014 een keerpunt, zoals 1908 dat was in de autoproductie. Hoewel auto’s al langer bestonden werd de auto toen ook beschikbaar voor de massa dankzij de lopende bandproductie van de beroemde T-Ford. Met 3Di waterbeheer wordt niet alleen snel gerekend; ook de gebiedsmodellen worden snel gemaakt dankzij een geautomatiseerde productietechniek. Een grote groep deskundigen met achtergronden in database technieken, GIS-expertise, (grondwater)hydrologie en hydraulica werken nauw samen aan een geautomatiseerde omgeving. Hiermee worden de 3Di gebiedsmodellen beter van kwaliteit, beter te onderhouden en natuurlijk goedkoper. Daardoor kan ieder waterschap en iedere gemeente zich nu 3Di gebiedsmodellen veroorloven.
In modelleren is 2014 een keerpunt, zoals 1908 dat was in de autoproductie.
6
7
3Di inzichtelijk
3Di inzichtelijk
VEELGESTELDE VRAGEN In dit hoofdstukje worden een aantal vragen besproken die vaak tijdens workshops en presentaties worden gesteld. Wat is 3Di? Wat kan het precies? Hoe verhoudt het zich tot modelleerpakketten? Is 3Di een open systeem? En wat is de Stichting 3Di?
Wat is 3Di? 3Di omvat innovatieve, met elkaar samenhangende ontwikkelingen. Daardoor kan 3Di interactief en integraal rekenen aan water, rekenen in the cloud, resultaten realistisch visualiseren op de iPad en touch table, en gebruik maken van 3d stereo visualisatie. De zogenaamde gebiedsmodellen vormen in 3Di een onderlegger, opgebouwd uit diverse kaartlagen van geografische informatie, zoals de bodemkaart, maaiveldhoogte, grondgebruik. Op deze ‘onderlegger’ kunnen waterberekeningen worden uitgevoerd met de 3Di rekenkern. 3Di genereert deze gebiedsmodellen zoveel mogelijk automatisch uit de bronbestanden. De gebiedsmodellen zijn door het hoge detailniveau, de supersnelle rekentijden en het interactief gebruik via een webbrowser geschikt voor een brede doelgroep, variërend van waterspecialist, ruimtelijke ontwerper, operationeel beheerder en communicatieadviseur tot calamiteitencoördinator.
Wat kan 3Di?
Dankzij de 3Di subgrid techniek kunnen overstromingen en wateroverlast heel gedetailleerd worden berekend. Een realistische visualisatie van
3Di gebiedsmodellen kunnen waterstromen en de effecten van overstromingen, hevige neerslag en droogte letterlijk in kaart brengen, zowel voor de huidige situatie, bijvoorbeeld tijdens hevige regenbuien, als ook voor klimaatscenario’s in stedelijke en landelijke omgeving. Met 3Di kan de gebruiker interactief ‘spelen’ door de kaart waarop wordt gerekend aan te passen. Dat kunnen aanpassingen zijn in de buitenruimte, bijvoorbeeld maaiveldhoogte, stedelijke uitbreiding, doorlatendheid, type verharding et cetera. Ook de
de rekenresultaten in het digitale hoogtemodel maakt de berekeningen vervolgens begrijpelijk voor de leek.
8
9
3Di inzichtelijk
3Di inzichtelijk
lay-out en de afvoercapaciteit van water-, riool- en grondwater systemen kan worden gewijzigd, bijvoorbeeld door het aanpassen van doorstroomprofielen en kunstwerken. 3Di is door de combinatie van de hoge rekensnelheid en het hoge detailniveau van de buitenruimte in het model, bij uitstek geschikt voor beslissingsondersteuning bij crisisbeheersing, interactieve planvormingsprocessen en investeringsbeslissingen. Het effect van mogelijke ingrepen kan in een handomdraai in beeld worden gebracht en de afwegingen waar het om gaat maximaal ondersteunen. In het hoge detailniveau herkennen ook leken de situatie en kan ook de ‘niet-specialistische’ gebruiker ideeën naar voren brengen en uitproberen. Daarnaast heeft de specialist door de geavanceerde GISomgeving de mogelijkheid om achter de schermen een veel groter aantal aanpassingen door te voeren.
Hoe verhoudt 3Di zich tot modelleerpakketten? 3Di is een instrument voor het verkennen van verbeteringsmaatregelen in de buitenruimte. Het is bij uitstek geschikt voor vraagstukken op het gebied van de ruimtelijke inpassing water, crisisbeheersing en de lokale aanpak van wateroverlast. Het is niet bedoeld als vervanging van modelleerpakketten voor het ontwerp en de toetsing van (afval)watersystemen. 3Di richt zich primair op beleidsmedewerkers van waterschappen, regisseurs van de buitenruimte, planologen, stedenbouwers, calamiteitencoördinatoren en andere waterveiligheidsprofessionals. Anders dan specialistische modelleerpakketten, werkt 3Di met vooraf gedefinieerde gebiedsmodellen waarin de gebruiker onder andere via een gebruiksvriendelijke interface maatregelen in de buitenruimte of het watersysteem kan doorvoeren, om de effecten in beeld te brengen.
Wat is de Stichting 3Di? 3Di is de afgelopen vier jaar ontwikkeld door een consortium van Deltares, TU Delft en Nelen & Schuurmans. Financieel is de ontwikkeling mogelijk gemaakt door de volgende waterschappen, gemeenten en subsidiegevers: Hoogheemraadschap van Delfland, Hoogheemraadschap Hollands Noorderkwartier, gemeente Rotterdam, gemeente Den Haag, Waternet, OAS de Groote Lucht, Kennis voor Klimaat en Waterkader Haaglanden.
3Di gebiedsmodellen zijn integraal op het niveau van het rekenhart. Dat betekent geen tijdrovende uitwisseling van data via files met als gevolg
3Di is een zeer succesvolle samenwerking in de zogenaamde gouden driehoek. Specialisten en ontwikkelaars van topniveau op het gebied van informatica, hydraulica en GIS werken binnen 3Di samen in een klein team. De geïnspireerde en efficiënte wijze waarop dit gebeurt en de bijzonder goede samenwerking met het werkveld is daarbij essentieel. Om deze aanpak in de toekomst voort te zetten en een succesvolle door-
zeer snelle rekentijden. En de modellen nemen alle interacties mee, waardoor effecten van maatregelen zeer nauwkeurig in kaart worden gebracht.
10
11
3Di inzichtelijk
3Di inzichtelijk
ontwikkeling mogelijk te maken, is Stichting 3Di opgericht. De stichting beheert 3Di en werkt aan de verdere ontwikkeling van 3Di. Concreet ontwikkelt en beheert Stichting de 3Di gebiedsmodellen en ondersteunt zij de doorontwikkeling van 3Di. Het bestuur van de stichting bestaat uit vertegenwoordigers van de consortiumpartijen en waterbeheerders. Het bestuur stelt een overkoepelende visie vast en een jaarlijks ontwikkelplan, in samenspraak met de Programmaraad. In de Raad van Toezicht, die het bestuur en het reilen en zeilen van de stichting controleert, kunnen de financiers van de doorontwikkeling toetreden. Ook is er een programmaraad met inhoudelijke deskundigen, die het ontwikkelplan opstellen. Daarnaast is er een Gebruikerscommunity. De hieraan deelnemende gebruikers formuleren hun ervaringen met 3Di en stellen wensen op met betrekking tot doorontwikkeling. 3Di is open en transparant. Als gebruiker van 3Di heeft u te maken met de Stichting 3Di voor de eenmalige aanmaak van een of meerdere gebiedsmodellen en de hosting en het beheer van de gebiedsmodellen en 3Di rekenservers. Hiervoor wordt een vergoeding in rekening gebracht, helder gekoppeld aan watersysteemkenmerken (zie overzicht achterin). Met de inkomsten die de Stichting van de gebruikers ontvangt, worden de kosten voor de gebiedsmodellen en cloud services zoals hosting en opslag gedekt. Verder wordt actief gezocht naar subsidies om nieuwe 3Di ontwikkelingen te steunen.
Hoe kan ik meedoen? U kunt 3Di gaan gebruiken en de doorontwikkeling ondersteunen. Als u 3Di gaat gebruiken, steunt u de Stichting 3Di en kunt u deelnemen aan de 3Di gebruikers community. Deze komt tweemaal per jaar bijeen en adviseert over gewenste aanpassingen en uitbreidingen vanuit de praktijkervaringen met 3Di. De pilotfase van 3Di is afgerond en de implementatie van 3Di is in het beheersgebied van het hoogheemraadschap van Delfland en het hoogheemraadschap Hollands Noorderkwartier gestart. Natuurlijk worden ook nieuwe toepassingsgebieden verkend, zoals de integratie van bijvoorbeeld waterkwaliteit en dijksterkte. Partijen die eventuele nieuwe ontwikkelingen financieel ondersteunen of beschikken over interessante kennis of technologieën kunnen zich aansluiten bij 3Di en mede sturing geven aan ontwikkelkoers. Ook daarin is 3Di een open ontwikkeling. In de ruimtelijke ordening is water slechts een van de ruimtelijke structuren. Waterinformatie moet daarom juist in combinatie met andere relevante informatie kunnen worden getoond. 3Di biedt deze mogelijkheid en is daarom bij uitstek geschikt voor het ontwikkelen van structuurvisies en klimaatadaptatie strategieën.
12
13
3Di inzichtelijk
3Di inzichtelijk
Is 3Di open? 3Di is een volledig open ontwikkeling. De inhoudelijke achtergronden (hoe werkt 3Di?) zijn gepubliceerd in wetenschappelijke publicaties, artikelen in vakbladen en via de colleges op de website www.3di.nu. De afgelopen jaren is de voortgang uitputtend getest in workshops en praktijkgerichte studies, een aanpak die de kwaliteit van 3Di sterk ten goede is gekomen. Verder zijn meerdere promovendi actief bezig met elementen uit 3Di. Geïnteresseerden zijn altijd welkom om het 3Di lab aan de Drieharingstraat 6 in Utrecht te bezoeken, om daar met de programmeurs en modelleurs te spreken over inhoudelijke kwesties. De formats en structuur van de in- en uitvoerbestanden van de rekenkern zijn volledig open en toegankelijk; de interface is gepubliceerd. Een gebiedsmodel wordt eenmalig door de Stichting 3Di ontwikkeld en in the cloud gebracht. Zo kan de kwaliteit en probleemloze werking in the cloud worden gegarandeerd. Daarna kan de gebruiker via open GIS modellen naar believen aanpassen. De band met universiteiten en hogescholen komt tot uitdrukking in gezamenlijke projecten. Binnen de 3Di Academy wordt middels de toepassing van 3Di in promotie- en afstudeeronderzoek, contact gehouden met de wetenschappelijke staf, promovendi en studenten aan universiteiten. De 3Di partners willen de 3Di software snel open source maken. Daarvoor zijn nog wel een aantal ontwikkel- en validatiestappen nodig. De software onderdelen die zijn ontwikkeld zullen onder GPLv3 licentie worden uitgebracht (open source). Daarmee stellen we andere partijen in staat om nieuwe functies te ontwikkelen en aan 3Di toe te voegen. Nieuwe functies worden beoordeeld en bij geschiktheid en na grondig testen meegenomen in nieuwe releases. De rekenkern voor overstromingen zal naar verwachting binnen een jaar onder GPLv3 worden uitgebracht.
Deel van het gedetailleerde maaiveld hoogtemodel van Amsterdam, een van de informatielagen van 3Di gebiedsmodellen. De selectie geeft een langsdoorsnede van de Arena. Het dak is open.
14
15
3Di inzichtelijk
3Di inzichtelijk
3Di ONDER DE MOTORKAP Algemeen 3Di is een dynamisch watermodel. De waterbeweging in 3Di wordt beschreven met twee behoudswetten, te weten behoud van massa en behoud van momentum (beweging). Een bijzonder kenmerk van 3Di is dat behoud van massa extreem strikt is tot op machineprecisie. De momentum vergelijking beschrijft de waterbeweging volgens de De Saint Venant vergelijking in 1d en 2d stroming. De grondwaterstroming in 3Di wordt beschreven met de Darcy vergelijking. Het bodemvocht wordt beschreven volgens capsim. Alle vergelijkingen worden in een matrix ondergebracht en deze wordt efficient impliciet opgelost zodat met grotere tijdstappen kan worden gerekend zonder stabiliteitsproblemen. Dit betekent tevens een volledige interactie tussen 1d, 2d, grondwater en riolering. Een 3Di gebiedsmodel kan uit een of meer modellagen bestaan, te weten: – Raster terreinlaag (voor overstromingen, neerslag) – Raster ondergrondlaag (voor bodemvocht en grondwater) – 1d open water netwerklaag (voor het kanalenstelsel) – 1d rioolnetwerklaag (voor het rioolstelsel)
Raster terreinlaag, voor overstromingen en neerslag De 2d stroming in 3Di is geschikt voor overstromingen en de stroming in meren en estuaria. De 2d stroming is volledig hydrodynamisch en geschikt voor dry bed flow. In de berekening wordt nauwkeurig rekening gehouden met detail hoogteverschillen in het landschap (of bodem) dankzij de subgridtechniek met onregelmatige quadtrees. Op deze wijze kunnen ook rivieren en kanalen in het subgrid raster worden ’uitgegraven’.
Een 3Di gebiedsmodel kan uit meerdere lagen bestaan. Hier een
Het is mogelijk om 1d levees in de schematisatie op te nemen voor een nauwkeuriger beeld. De 1d levees kunnen in de tijd worden aangepast om bijvoorbeeld bresgroei te
voorbeeld van een model met drie lagen: raster ondergrondlaag, raster terreinlaag en een 1d open water netwerklaag.
16
17
3Di inzichtelijk
3Di inzichtelijk
simuleren. Naast een overstroming kunnen ook neerslag en verdamping worden ingevoerd. Voor de neerslag wordt in principe gewerkt met de regenradarbeelden, maar het is ook mogelijk om een neerslagstations toe te voegen. Het rekenhart kan rekenen met meer dan 1 miljard subgridcellen en rekent dan circa 1000 maal sneller dan vergelijkbare modellen op dezelfde hardware configuratie. Windeffecten zullen nog worden toegevoegd.
Raster ondergrondlaag, voor bodemvocht en grondwater De grondwaterstroming is beperkt tot het ondiepe grondwater met de onverzadigde zone. De onverzadigde zone beschrijft verschillende processen zoals (gewas)verdamping, infiltratie, percolatie, bodemberging, uitdroging en capilaire opstijging. De bodem eigenschappen worden per subgrid opgegeven en per subgrid wordt het bodemvocht berekend. De grondwaterstroming tussen rekencellen wordt in 2d beschreven met de Darcy vergelijking. Kwel/wegzijging wordt ruimtelijk opgegeven. Hoge grondwaterstanden leiden tot water op land. De grondwaterstroming gaat dan over in 2d oppervlaktestroming. De diepe grondwaterstroming over meerdere horizontale en verticale lagen wordt niet meegenomen in 3Di.
1d open water netwerklaag De 1d stroming door kanalen wordt volledig hydrodynamisch berekend. In de kanalen kan een profiel worden opgegeven met weerstand en bodemhoogte. In de kanalen kunnen kunstwerken worden gemodelleerd waaronder gemalen, stuwen, onderlaten, duikers en bruggen. Bij de kunstwerkstroming wordt rekening gehouden met de stroomrichting en verschillende stromingscondities, zoals vrije en verdronken stroming. De kunstwerken kunnen real time control worden aangestuurd, maar dit is momenteel nog maatwerk. Ten opzichte van andere 1d modellen is 3Di volledig massabehoudend en ook bij droogvallende kanalen en schietend water wordt tijdstapreductie voorkomen. De connectie tussen 1d en 2d stroming kent drie varianten: embedded, connected en isolated. De 1d kanalen kunnen op drie manieren met het grondwater worden gekoppeld. Zo kan ieder systeem goed worden beschreven. Het afvoerproces van neerslag wordt in 3Di beschreven via deze koppelingen, een langzame afvoer via het grondwater en een snelle afvoer via de oppervlaktestroming. Voorbeeld van een testberekening waarin het het verloop van de grondwaterstand wordt berekend.
18
19
3Di inzichtelijk
3Di inzichtelijk
1d riool netwerklaag Het rekenhart is binnenkort in staat om het rioolstelsel volledig hydrodynamisch door te rekenen op put- en strengniveau. Ondergrondse constructies kunnen in detail worden beschreven via bergingshoogte functies. In het rioolnetwerk kunnen kunstwerken voorkomen, zoals gemalen, stuwen en onderlaten. Net als het 1d open water kan het rioolnetwerk worden verbonden met het 2d rasternetwerk en 2d grondwaternetwerk. Daarbij gelden dezelfde type verbindingen als voor het 1d oppervlaktewater, te weten embedded, connected en isolated. De rioolberekening is volledig massabehoudend, rekent zonder tijdstapreductie en is geschikt voor subkritische en superkritische stroming.
Het rioleringsnetwerk van de gemeenten binnen het gebied van OAS De Groote Lucht in 3Di. Ook de riolering wordt geïntegreerd in het 3Di rekenhart. Berekeningen tot op het niveau van de straatkolk komen dan binnen bereik. Het zoomniveau bepaald welke details in beeld worden gebracht.
20
21
3Di inzichtelijk
3Di inzichtelijk
BEHEER EN GEBRUIK VAN 3Di GEBIEDSMODELLEN Algemeen Bij de opzet van 3Di is veel aandacht besteed aan het aanmaken en beheren van de modelschematisaties, ook wel gebiedsmodellen genoemd. Centraal staan: – aansluiting op de bron beheerbestanden van de waterbeheerder – flexibel updaten van gebiedsmodellen met nieuwe gegevens – controleren, corrigeren of aanvullen van de noodzakelijke gegevens – bewerken en aanpassen van gebiedsmodellen door de modelleur of adviseur – versiebeheer van de gebiedsmodellen en modelscenario’s – interactief gebruik van de gebiedsmodellen
Beheer bij de bron Elke waterbeheerder beschikt over brondata en bijbehorende software voor het beheren van de gegevens van waterlopen, rioolleidingen en kunstwerken. Bij het maken van een gebiedsmodel wordt aangesloten op de gegevensstandaarden en de standaard beheersoftware. De gegevens die nodig zijn voor het gebiedsmodel worden ingelezen in een ‘objectendatabase’ en een ‘rasterdatabase’. Wijzigingen in de bronbestanden kunnen opnieuw worden ingelezen in deze databases.
Controle, correctie en aanvullingen De objectendatabase wordt gecontroleerd en waar nodig gecorrigeerd en aangevuld. Deze controle is volledig automatisch en daarmee uitermate flexibel voor updates. De correcties en aanvullingen zijn noodzakelijk voor het maken van het gebiedsmodel. De aangevulde en gecorrigeerde waarden worden ook teruggemeld aan de beheerder van Het detailniveau van 3Di maakt het mogelijk wateroverlast in detail te berekenen en met maatwerk op te lossen.
22
23
3Di inzichtelijk
3Di inzichtelijk
de bronbestanden. De beheerder kan dan zelf besluiten om de wijzigingen al dan niet door te voeren in de bronbestanden.
Datamining De controles worden uitgevoerd op twee niveaus. De basiscontrole zorgt voor een volledig model. Een intensieve controle is optioneel en gebaseerd op (big) datamining. Hierbij worden ontbrekende profielen, verbindingen, duikers, stuwen en peilgrenzen gecorrigeerd en aangevuld op basis van talrijke bronbestanden. Datamining blijkt vooral waardevol voor het secundaire en tertaire watersysteem en zorgt voor een betere kwaliteit van de gebiedsmodellen.
Aanmaken gebiedsmodel De gebiedsmodellen worden geautomatiseerd gegenereerd vanuit de objecten en rasterdatabase door een 3Di specialist. De objectendatabase en de gebiedsmodellen worden opgeslagen in the cloud. Alle varianten van een gebiedsmodel worden automatisch in de cloud beheerd en eerdere varianten kunnen worden teruggehaald.
Bewerken gebiedsmodel Een gebiedsmodel wordt opgeslagen in een SpatiaLite database. De gebruiker kan een gebiedsmodel downloaden, bewerken en vervolgens weer uploaden. Voor het bewerken wordt gebruik gemaakt van QGIS v2.2. Alle raster- en objectdata van het gebiedsmodel zijn met standaard GIS tools benaderbaar en bewerkbaar.
3Di gebiedsmodellen kunnen door de specialist tot op het kleinste detailniveau worden aangepast met QGIS, een open source GIS pakket.
24
25
3Di inzichtelijk
3Di inzichtelijk
Interactief gebruik Voor het uitvoeren van een berekening kiest de gebruiker via de 3Di webinterface een gebiedsmodel en een scenario. De gebruiker kan een berekening starten met de ‘play’ knop en op de kaart het verloop van de berekening volgen. De gebruiker kan tijdens de berekening informatie opvragen en wijzigingen doorvoeren. Wijzigingen kunnen betrekking hebben op de ruimtelijke ordening of het (afval)watersysteem en kunstwerken.
3Di en FEWS Om de gebiedsmodellen te valideren en het gebiedsmodel te gebruiken in een hoogwatervoorspelsysteem is voorzien in een koppeling met FEWS en ControlNext. In deze combinatie wordt het 3Di gebiedsmodel elk kwartier of uur aangestuurd met de actuele radargegevens en voorspellingen. Afwijkingen tussen de gemeten en de berekende waarden worden gelogd en desgewenst bijgesteld.
Binnen 3Di gebiedsmodellen zijn de 1d waterlopen volledig geïntegreerd in het 2d stromingsmodel. Door visualisatie van de duikers, stuwen, gemalen (draaiende propellers bij afvoerend gemaal) en de waterstroming (stromende ‘witte balletjes’) ontstaat snel inzicht in de werking van het watersysteem.
26
27
3Di inzichtelijk
3Di inzichtelijk
3Di IN DE PRAKTIJK 3Di gebiedsmodellen zijn voor veel toepassingen inzetbaar. In de afgelopen jaren zijn er verschillende praktijkcases uitgevoerd. Een 3Di gebiedsmodel is te gebruiken voor een bureaustudie, als interactief instrument in workshops en als onderdeel van een BOS of hoogwatervoorspelsysteem. Alternatieven kunnen tijdens een werksessies direct worden ingevoerd en doorgerekend. Op deze wijze ontstaat veel sneller consensus over nut en noodzaak van maatregelen en een scheiding tussen zinvolle en zinloze maatregelen. Ter illustratie presenteren we hieronder een aantal toepassingen. Voor een goede inbedding van 3Di in uw organisatie is vanzelfsprekend meer nodig dan een goed werkend model. Dankzij de 3Di cloud oplossing is de technische implementatie in elk geval zo makkelijk mogelijk gemaakt.
Calamiteitenbeheer Een 3Di gebiedsmodel is bij uitstek geschikt om te gebruiken bij een calamiteit of bij een calamiteitenoefening. Wanneer een (dreigende) doorbraak wordt gesignaleerd dan kan deze instantaan in het gebiedsmodel worden ingevoerd. Binnen enkele minuten is er een realistisch beeld van de overstroming beschikbaar. Een 3Di gebiedsmodel kan ook worden ingezet voor wateroverlast door extreme neerslag. Daarbij kan gebruik worden gemaakt van neerslagradarbeelden voor een nauwkeurig ruimtelijk beeld. Noodmaatregelen kunt u eerst uitproberen in het gebiedsmodel. Zo kan het effect van dijkverhogingen, noodpompen of het afsluiten watergangen, fietstunnels en viaducten binnen enkele minuten in beeld worden gebracht. Daarmee is 3Di bij uitstek geschikt om in noodgevallen de juiste maatregelen te kunnen treffen. Het beeld kan worden gedeeld via de ‘meekijkfunctie’ van de internet interface. De beelden kunnen ook worden verzonden naar het Calamiteiten Management Systeem. Bij (dreigende) calamiteiten is een goed beeld van de actuele situatie van groot belang, net als de consequenties van mogelijke ingrepen. Met een 3Di gebiedsmodel kan worden ingeschat welke wegen bij een bepaalde kadebreuk nog kunnen worden gebruikt voor evacuatie.
28
29
3Di inzichtelijk
3Di inzichtelijk
Normering kaden De boezem en regionale kaden worden genormeerd in een zogenaamde IPO klasse (1 t/m 5). De IPO-klasse is gerelateerd aan de schade die ontstaat bij een breuk van de kade. Gebleken is dat de berekening van de schade veel nauwkeurig kan dankzij het hoge detail van de gebiedsmodellen in 3Di. Met 3Di is het mogelijk om in korte tijd tienduizenden doorbraakscenario’s door te rekenen en de juiste IPO-klasse per kadevak te bepalen. Het hoogheemraadschap Hollands Noorderkwartier heeft op deze wijze ruim honderdmiljoen euro bespaard op voorgenomen dijkversterkingen. Dankzij de scherpere normering zijn onnodige dijkversterkingen door een te hoge normering voorkomen.
Rivieren en estuaria 2d modellen van rivieren en estuaria bestaan al lang, maar zijn te traag of te groot voor veel toepassingen. Met het nieuwe 3Di rekenhart is het nu wel mogelijk om in 2d te rekenen. Het onderlopen en droogvallen van uiterwaarden en de effecten op de rivierafvoer wordt met een 3Di gebiedsmodel bijzonder goed beschreven. Met het 3Di gebiedsmodel kunnen de effecten van verdiepingen, havenuitbreidingen en bypasses worden onderzocht. Ook het effect van natuurontwikkeling in de uiterwaarden, of de inzet van overloopgebieden wordt voor iedereen zichtbaar. In het buitenland zijn met 3Di 2d modellen gemaakt van Jamaica Bay in New York en San Francisco Bay. De rekentijd van deze modellen bedraagt slechts enkele minuten terwijl de modellen een miljard cellen bevatten.
Aanpak wateroverlast De wateroverlast die ontstaat bij hevige neerslag is voor veel waterschappen aanleiding geweest om hun watersystemen te toetsen. De NBW normen geven aan dat kwetsbare gebieden, zoals stedelijke gebieden, een betere bescherming nodig hebben dan de minder kwetsbare gebieden, zoals grasland. Met een 3Di gebiedsmodel kan heel nauwkeurig en gedetailleerd de impact van extreme neerslag in kaart worden gebracht. Uit een 3Di case studie uitgevoerd in Delfland bleek Het 3Di rekenschema is geschikt voor het berekenen van het 2d stromingspatroon in rivieren omdat de werking van uiterwaarden goed wordt verdisconteerd.
30
31
3Di inzichtelijk
3Di inzichtelijk
dat de wateropgave in een kwetsbare polder met 80 procent kon worden gereduceerd. Dat is een enorm verschil en heeft navenant veel besparingen opgeleverd. In plaats van de aankoop van grond voor open waterberging wordt nu samen met de gemeente een oplossing op maatwerk gerealiseerd die ruimtelijk inpasbaar is. Het bepalen van de wateropgave en het zoeken naar maatwerkoplossingen is met 3Di gebiedsmodellen vele malen sneller en nauwkeuriger dan voorheen.
Stedelijk omgevingsplan Vooruitlopend op de nieuwe omgevingswet is er behoefte aan een integrale ruimtelijke analyse van het watergedrag. Bij extreme neerslag gaat om veel meer neerslag dan de ‘bui08’ voor water op straat. Bent u benieuwd wat er in uw gemeente gebeurt als er 100 millimeter neerslag valt? Met een 3Di gebiedsmodel kan een ‘waterscan’ worden uitgevoerd. Voor Amsterdam is bijvoorbeeld een 3Di gebiedsmodel gemaakt op het detailniveau van een stoeptegel. Met dit gebiedsmodel zijn de kwetsbare gebieden in de stad nauwkeurig in kaart gebracht.
Optimalisering afvalwaterketen Voor een afvalwaterketen kan een optimalisatie studie worden uitgevoerd, oftewel een OAS. Om het daadwerkelijk functioneren van de afvalwaterketen goed in kaart te brengen is een 3Di gebiedsmodel bijzonder geschikt. Een dergelijk model bevat de gehele riolering op strengniveau van alle gemeenten, gecombineerd met een 3Di oppervlaktemodel. Voor de OAS de Groote Lucht is een 3Di gebiedsmodel ontwikkeld. Zo wordt het functioneren van de afvalwaterketen nauwkeurig in beeld gebracht en kunnen optimalisatiemaatregelen worden onderzocht, zoals het afkoppelen van woongebieden, real time control en aanpassingen aan het rioolstelsel of de zuivering.
De klimaatrobuustheid van een (stedelijk) gebied kan worden onderzocht, ook voor zeer extreme neerslag al dan niet in combinatie met een kadebreuk. Met 3Di komt een ‘klimaatscan’ binnen bereik van ieder waterschap of gemeente.
32
33
3Di inzichtelijk
3Di inzichtelijk
WAT MOET DAT KOSTEN? U weet wat 3Di waard is, maar wat kost het om 3Di te gebruiken? In dit hoofdstuk vindt u het kostenplaatje, met aan het eind enkele rekenvoorbeelden. De kosten zijn onder te verdelen in: – De jaarlijkse gebruikskosten voor het rekenen met een 3Di gebiedsmodel. – De eenmalige kosten om een of meerdere 3Di gebiedsmodellen te maken. – De kosten voor 3d realistische stereo visualisatie. De hierna genoemde prijzen zijn exclusief btw. Medewerkers of derden kunnen een gebiedsmodel volledig aanpassen en scenario- en maatregelenanalyses uitvoeren. Daarbij gebruiken ze het basisgebiedsmodel en uw rekenabonnement.
3Di gebruikskosten U hoeft geen licentie te kopen en zelf ook bijna niets aan software te installeren om met 3Di te rekenen. De 3Di rekenkern wordt gehost op rekenservers in een professioneel datacentrum. Om met een 3Di gebiedsmodel te rekenen heeft u een moderne internet browser nodig zoals Chrome en een 3Di abonnement. Vergelijkbaar met een belbundel voor uw mobiele telefoon, koopt u met een 3Di bundel een jaarlijkse hoeveelheid rekentijd en data-opslag.
TYPE BASIS MEDIUM LARGE
Het 3Di rekenhart kan op subgrid niveau stroomsnelheden weergeven.
PREMIUM
OPSLAG
REKENTIJD
PRIJS
5 GB
10 UUR
L 5.000
50 GB
100 UUR
L 10.000
500 GB
1000 UUR
L 50.000
2 TB
2000 UUR
L 75.000
Hierdoor ontstaat bijvoorbeeld een gedetailleerd beeld van het veranderende stromingspatroon tijdens eb en vloed in de San Francisco Bay. Waar zijn de ontsnapte gevangen uit Alcatraz aan land gegaan? 3Di geeft het antwoord.
34
35
3Di inzichtelijk
– Voor af en toe gebruik is basis voldoende, gelet op de snelle rekentijden. Voor een middelgrote gemeente is medium geschikt. Een waterschap met veel 3Di gebiedsmodellen kan met large goed uit de voeten. Voor intensief grootschalig gebruik is de premium de beste optie. – Op een account kunnen meerdere gebruikers werken. Ook kunt u externe adviseurs toegang geven tot uw account. Elke gebruiker wordt geregistreerd en kan meer of minder rechten toegewezen krijgen. – Als meerdere gebruikers tegelijk willen rekenen dan dient u uw abonnement uit te breiden. Dat kan een kleinere abonnementsvorm zijn. Op een gelijkwaardig abonnement zijn de kortingsregels van toepassing die ook gelden voor meerdere modellen. – Voor bedrijfskritische toepassingen, zoals bij gebruik in de calamiteitenorganisatie of als onderdeel van een beslissingsondersteunend systeem kan een hoger servicelevel agreement nodig zijn. Deze wordt op aanvraag toegezonden.
3Di gebiedsmodel Om met 3Di te rekenen heeft u een 3Di gebiedsmodel nodig. Een 3Di gebiedsmodel kan uit een of meer modellagen bestaan, te weten: – Raster terreinlaag (voor overstromingen, neerslag). – Raster ondergrondlaag (voor bodemvocht en grondwater). – 1d open water netwerklaag (voor het kanalenstelsel). – 1d rioolnetwerklaag (voor het rioolstelsel). Een basisgebiedsmodel kan alleen door Stichting 3Di worden gemaakt. Een eenmaal aangemaakt gebiedsmodel kan door iedereen, die daar de rechten toe krijgt, worden aangepast. De eenmalige kosten van een gebiedsmodel worden bepaald door het aantal modellagen en het aantal schematisatie-elementen per modellaag. De kosten kunnen worden afgeleid uit de tabel op pagina 37.
3Di inzichtelijk
RASTERS
1 MILJOEN
PRIJS
1D ELEMENTEN
PRIJS
L 10.000
1000
L 10.000
10 MILJOEN
L 20.000
5000
L 20.000
50 MILJOEN
L 30.000
10000
L 30.000
100 MILJOEN
L 40.000
15000
L 40.000
500 MILJOEN
L 60.000
20000
L 50.000
1 MILJARD
L 80.000
25000
L 60.000
1.5 MILJARD
L 100.000
50000
L 100.000
L 120.000
75000
L 125.000
2 MILJARD
Kortingen, samenwerken loont Wanneer meerdere modellen tegelijk worden gemaakt, kan een aanzienlijk efficiency voordeel worden behaald. De korting die dan wordt gegeven, kan oplopen tot 90%.
AANTAL 3Di MODELLEN 1
KORTING 0%
2
50%
3
60%
4
70%
5 – 10
80%
11 EN MEER
90%
– Kortingen gelden alleen bij gelijktijdige opdrachtverlening. – De hoogste kortingen worden gegeven op de goedkoopste modellen. De kosten van een gebiedsmodel zijn inclusief het inlezen van de data uit het beheersysteem volgens de standaard uitwisselingsformaten en protocollen. Ontbrekende of inconsistente data in de aangeleverde datasets worden gecorrigeerd en uitgevoerde correcties worden teruggemeld.
36
37
3Di inzichtelijk
3Di inzichtelijk
Wanneer er naast de rasterterreinlaag, ook een rasterondergrondlaag in het gebiedsmodel wordt opgenomen, wordt een korting van 50% op de tweede rasterlaag verstrekt.
Het rioolstelsel van de gemeente bevat 15.000 elementen (putten, overstorten, gemalen, et cetera). De kosten voor het 1d rioolnetwerk komen hiermee uit op J 40.000,-.
3Di visualisatie
De totale kosten voor een 3Di gebiedsmodel voor de gemeente bedragen hiermee J 100.000,- (terreinmodel, ondergrondmodel en rioolmodel), of J 80.000,- (terreinmodel met rioolmodel).
De resultaten van een 3Di berekening kunnen in een realistische omgeving worden gevisualiseerd met de zogenaamde point cloud. Deze point cloud data moeten eerst eenmalig met luchtfoto’s worden verwerkt.
POLDER
De eenmalige kosten voor het verwerken van de point cloud data voor visualisatie bedragen per hectare:
In dit voorbeeld wordt uitgegaan van een polderoppervlak van 1500 ha. Wanneer voor de terreinlaag een resolutie van 0,25 m2 wordt gehanteerd, bestaat deze laag uit 60 miljoen subgrids. De kosten voor het maken van deze laag zijn J 40.000,-.
GEBIED
KOSTEN
De ondergrondlaag voor deze polder bedraagt eveneens 60 miljoen subgrids. Het gelijktijdig meenemen van de ondergrondlaag kost 50% x 40.000 = J 20.000,-.
L 5000,-
0 – 5000 HA
5000 – 100.000 HA
L 1,- PER HA
L 50.000,- + L 0,50 PER HA
> 100.000 HA.
Voor het tonen van 3d beelden zijn een stereobeamer en een laptop nodig. De apparatuur kan worden gehuurd of zelf worden aangeschaft. De huur van de apparatuur is: J 1500,- per dag. De aanschaf van de apparatuur is J 20.000,- inclusief installatie van de software.
Voorbeelden kostenberekening MIDDELGROTE GEMEENTE Neem een gemeente met 80.000 inwoners en een bebouwde kom van 1570 hectare. De terreinlaag, met een resolutie van 0,25m2, bedraagt voor dit gebied 63 miljoen subgrids. De kosten voor het maken van een gebiedsmodel met alleen deze terreinmodellaag zijn J 40.000,-. De ondergrondlaag bedraagt eveneens 63 miljoen subgrids. Als deze gelijktijdig wordt meegenomen, wordt een korting van 50% gegeven. Dit komt uit op een extra bedrag van J 20.000,-.
38
Het aantal 1d elementen in het open water netwerk van de polder is 4000 elementen, waarvan 1500 stuwen, duikers, gemalen en bruggen. De kosten voor het 1d open water netwerk bedragen hiermee J 20.000,-. De schematisatie van een 3Di gebiedsmodel met ‘3 lagen’ voor deze polder komt daarmee uit op J 40.000,- + J 20.000,- + J 20.000,- = J 80.000,-. KORTING Wanneer besloten wordt om gelijktijdig meerdere modellen te maken dan worden de kosten voor het volgende model: Kosten model 1: J 80.000,Kosten model 2: J 40.000,- (50% korting) >> Kosten model 6: J 16.000,- (80% korting) De totale kosten voor het maken van de poldermodellen voor uw hele beheersgebied zijn hiermee eenvoudig te bepalen. Voor gemeenten is het mogelijk om een flinke korting te krijgen door gelijktijdig meerdere 3Di gebiedsmodellen te laten maken, eventueel tezamen met andere gemeenten.
39
3Di inzichtelijk
AAN HET ONDERZOEKSPROGRAMMA 3Di WATERBEHEER WERKTEN MEE:
DELTARES
Jorik Chen
Onno van den Akker
Fritz van Deventer
Fedor Baart
Wouter van Esse
Ruben Dahm
Jack Ha
Arthur van Dam
Olivier Hoes
Klaas-Jan van Heeringen
Alexander Hoff
Olga Kleptsova
Ernst Kuilder
Robert Leander
Anne Leskens
Elgard van Leeuwen
Coen Nengerman
Arnejan van Loenen
Gijs Nijholt
Jan Noort
Olga Pleumeekers
Daniël Twigt
Jan-Maarten Verbree
Govert Verhoeven
Bram de Vries
Toine Vergroesen
Bastiaan Roos
Jarno Verkaik
Reinout van Rees Wytze Schuurmans
TU DELFT
Jonas van Schrojenstein Lantman
Elmar Eisemann
Martijn Siemerink
Gerwin de Haan
Sander Smits
Christian Kehl
Arjan Verkerk
Frits Post
Arjen Vrielink
Guus Stelling
Daniël Zijderveld
Tim Tutenel Nicolette Volp
3Di ACADEMY
Lars Wijtemans
Louise Klingen (Hogeschool Van Hall Larensteijn) Tessa van Rosmalen (Universiteit Utrecht)
NELEN & SCHUURMANS
Anna Cruijsen (TU Delft)
Ber Albers
Benno Fakkert (Universiteit Twente)
Thomas Berends
Frank Tibben (Universiteit Twente)
Berto Booijink
Kelly van der Elst (Radboud Universiteit)
Dimitri van Breemen
Yasmin Faraji (Universiteit Utrecht)
Pieter Buijs
Floor Speet (Universiteit Twente)
Carsten Byrman
Arnold van ‘t Veld (TU Delft)
40
www.3di.nu
