Gekoppeld oppervlaktewatermodel (Sobek) en grondwatermodel (Modlfow) van het waterschap Regge en Dinkel

(1)

Princetonlaan 6 Postbus 80015 3508 TA Utrecht www.tno.nl T 030 256 42 56 F 030 256 44 75 info-BenO@tno.nl TNO-rapport 0909-0266

Gekoppeld oppervlaktewatermodel

(Sobek) en grondwatermodel

(Modlfow) van het waterschap

Regge en Dinkel

Datum September 2009

Auteur(s) Neeltje Goorden

Hans Hakvoort Rob van der Krogt

Opdrachtgever Waterschap Regge en Dinkel en Delft Cluster

Projectnummer 005.35160

Aantal pagina's 38 (incl. bijlagen)

Aantal bijlagen 1

Goedgekeurd door Bennie Minnema

Alle rechten voorbehouden. Niets uit dit rapport mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van TNO.

Indien dit rapport in opdracht werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verplichtingen van opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen naar de Algemene Voorwaarden voor onderzoeksopdrachten aan TNO, dan wel de betreffende terzake tussen de partijen gesloten overeenkomst.

Het ter inzage geven van het TNO-rapport aan direct belanghebbenden is toegestaan.

(2)

Inhoudsopgave

1 Inleiding ... 3

1.1 Achtergrond ... 3

1.2 Doelstelling... 3

1.3 Leeswijzer... 3

2 Softwaretechnische beschrijving van Koppeling Modflow met Sobek-CF... 4

2.1 Beschrijving werking online koppelsoftware ... 4

2.2 Verbeteringen aan de software... 5

3 Koppeling Sobek-oppervlaktewatermodel en Modflow-grondwatermodel... 6

3.1 Koppelingswijze van waterlopen, drains , maaiveld en stedelijk gebied ... 6

3.2 Werkwijze aanmaken koppeling... 7

4 Resultaten gekoppeld model ... 10

4.1 Vergelijking gesimuleerde en gemeten afvoeren en oppervlaktewaterstanden ... 10

4.2 Vergelijking gemiddelde grondwaterstand gesimuleerd met Modflow-Sobek en met Modflow ... 12

4.3 Vergelijking grondwaterstandtijdreeksen gesimuleerd met Modflow-Sobek en met Modflow ... 15

4.4 Vergelijking uitwisselingsfluxen gesimuleerd met Modflow-Sobek en met Modflow . 16 5 Conclusies en aanbevelingen... 19

5.1 Conclusies... 19

5.2 Aanbevelingen ... 19

5.3 Vervolgtraject ... 20

6 Literatuur ... 23

Bijlage A - Oppervlaktewaterstanden en afvoeren gemeten en gesimuleerd met Sobek

(3)

1 Inleiding

1.1 Achtergrond

In opdracht van Vitens is in 2005 een koppeling ontwikkeld op basis van de

modelcodes van Modflow en Sobek. Deze koppelingssoftware is getest in pilot gebied Wierden, onderdeel van het Regge-stroomgebied (Gehrels en Hakvoort, 2005). De resultaten van de test wezen uit dat de ontwikkelde software een krachtig

instrumentarium is dat inzetbaar is in talloze watervraagstukken bv op het gebied van overstroming, grondwatervoeding en op termijn waterkwaliteit. Het waterschap Regge en Dinkel, Vitens, Delft Cluster en TNO hebben dan ook een verdere doorontwikkeling van de koppelingssoftware in gang gezet.

1.2 Doelstelling

De doelstelling van dit onderzoek is om met de ontwikkelde koppelingssoftware de gangbare en meest geavanceerde grond- en oppervlaktewatermodellen van het Regge stroomgebied te combineren, waarmee een volwaardige toepassing wordt gecreëerd voor geïntegreerde analyse van grond- en oppervlaktewater, die ook voor andere gemodelleerde stroomgebieden kan worden opgezet. In dit onderzoek wordt het bestaande grondwatermodel van Regge en Dinkel (Minnema en Snepvangers, 2004) gekoppeld aan het bestaande Sobek oppervlaktewatermodel van de Regge (WL|Delft Hydraulics, 2005).

1.3 Leeswijzer

Dit rapport is bedoeld voor grondwaterbeheerders, kennisontwikkelaars en technisch personeel betrokken bij hydrologische modelleringen, en projectleiders die inzicht willen krijgen in de eigenschappen en mogelijkheden van de koppelingssoftware voor geavanceerde grond- en oppervlaktewatermodellen.

In hoofdstuk twee staat een beknopte beschrijving van de bestaande koppelingsoftware en de verbeteringen die aan de koppelingssoftware zijn gedaan ten behoeve van het versnellen van de simulatietijd. Hoofdstuk drie geeft een beschrijving van het al bestaande grondwater en oppervlaktewater model en de werkwijze tot het maken van 1 gekoppeld model.

In hoofdstuk vier zijn de modelresultaten van het gekoppelde model beschreven. Hierbij zijn de gesimuleerde oppervlaktewaterstanden, grondwaterstanden en debieten in de waterlopen vergeleken met meetreeksen. Ook is hierbij een vergelijking gemaakt van de prestaties van het ongekoppelde model en het gekoppelde model.

(4)

2 Softwaretechnische beschrijving van Koppeling

Modflow met Sobek-CF

In dit hoofdstuk wordt ingegaan op de werking van de koppeling tussen Sobek en Modflow. Sobek is een oppervlaktewater stromingmodel en wordt in dit project gebruikt om de 1D stroming door de waterlopen te simuleren. Modflow is in dit project gebruikt om de grondwaterstroming door te rekenen. De waterlopen in Sobek zijn in deze modelstudie gekoppeld aan Modflow waterlopen door middel van een peilen fluxenuitwisseling. Een uitgebreide technische beschrijving van deze koppeling wordt in onderstaand hoofdstuk gegeven.

2.1 Beschrijving werking online koppelsoftware

Voor de Sobek-Modflow koppeling is ondersteunende software ontwikkeld, die de door het ene rekenhart berekende grootheid omzet naar de door het andere rekenhart

gevraagde representatie. In de Sobek-Modflow koppeling ziet dat er als volgt uit: Sobek levert op de volledig gekoppelde cellen met Modflow de berekende

waterhoogte door.

Modflow levert de door hem berekende onttrekkingen of toevoegingen in m3 over de afgelopen tijdstap;

De koppelingssoftware sommeert deze volumes tot volumes per Sobek-segment, en levert ze vervolgens aan Sobek als debiet, in m3/s.

Daarnaast bewaart de koppelingssoftware de geleverde volumes per cel, zodat er in geval van een niet te realiseren watervraag per cel aan Modflow kan worden

teruggekoppeld welke deel van het gevraagde volume daadwerkelijk beschikbaar was. Schematisch ziet de koppeling van de Modflow-Sobek er als volgt uit:

t = 0

1

4

3

5

2 t = 1

initialisatie initialisatie

Sobek

Modflow

Figuur 2.1 Schematisch overzicht van de koppeling Modflow-Sobek

Uitleg figuur 2.1

(5)

2: Modflow berekent over 1 stressperiode (1 dag) stijghoogtes en fluxen 3: volumes van de berekende fluxen gaan naar begin tijdstap Sobek

4: Sobek rekent over n tijdstappen (n=96) met als invoer in elke tijdstap 1/n volume 5: in Sobek berekende waterhoogtes én een eventuele correctie op de ‘watervraag’ vanuit Modflow (die in 3 is doorgegeven) gaan naar Modflow voor begin volgende tijdstap. De correctie wordt als onttrekking in Modflow ingevoerd.

De River-package (inputfile van standaard Modflow om de locaties en parameters van de waterlopen te definiëren) is uitgebreid met een aantal stresstermen tot een zgn.

General Stress Link Package waarmee alle onttrekkingen of toevoegingen van water in

het topsysteem kunnen worden gemodelleerd. Deze package wordt gebruikt om de uitwisseling van fluxen en waterhoogten tussen Sobek en Modflow te verzorgen.

2.2 Verbeteringen aan de software

In het kader van het Wierden project is de koppelsoftware Modflow-Sobek ontwikkeld. Het Regge stroomgebied is qua afmeting echter aanzienlijk groter dan het Wierden modelgebied. Door de grote modelafmetingen zijn de simulatietijden van het Regge stroomgebied zo hoog geworden dat de huidige koppeling niet meer werkbaar is. Daarom is een aanpassing aan de koppelsoftware gedaan om de simulatietijden te verkleinen. Op deze manier is de koppeling ook geschikt voor grote modelgebieden. De aanpassing aan de software staat in onderstaand stukje beschreven.

Soms wordt op sommige SOBEK-CF-ReachSegments een dermate grote laterale onttrekking opgelegd, dat het te ontrekken water niet voorradig is. SOBEK-CF gaat er dan vanuit dat het gewenste water verderop in de huidige tijdstap misschien alsnog zal arriveren. Het rekenhart legt daarom slechts een klein deel van de onttrekking

daadwerkelijk op, en rekent daarna intern met een veel kleinere tijdstap door, in afwachting van toename van de voorraad water.

Dit ‘knijpen van de tijdstap’ kan zeer vertragend werken. In de koppeling met

MODFLOW TNO-versie v1r0 leidt dit met name tijdens het doorrekenen van de eerste dag tot enorme vertragingen, vanwege het feit dat de initiële situaties van beide modellen nooit helemaal perfect op elkaar afgestemd zijn, waardoor lokaal enorme infiltraties kunnen worden berekend.

In de al in SOBEKsim versie 3.7.95 kan de gebruiker er voor kiezen om SOBEK-CF veel efficiënter om te laten gaan met te grote laterale onttrekkingen. Door het aanzetten van een bepaalde vlag kan worden aangegeven dat het te onttrekken water de komende tijdstap niet alsnog voorradig zal zijn. Hierdoor wordt effectief de onttrekking

gedurende het restant van de tijdstap op 0 gezet, en wordt met een veel minder geknepen interne stap doorgerekend.

Deze versnellingsvlag is getest door WL/Delft Hydraulics (nu Deltares) en de conclusie is dat de versnellingsvlag goed werkt en de modelsimulatie met een factor 50 versnelt. De verschillen bij de versnellingsvlag aan en uit zijn voor de resultaten van de fluxen en waterstanden verwaarloosbaar klein.

(6)

3 Koppeling Sobek-oppervlaktewatermodel en

Modflow-grondwatermodel

Het reeds ontwikkelde Sobek-model van het stroomgebied van de Regge (WL Delft Hydraulics, 2005) en het grondwatermodel van het waterschap Regge en Dinkel voor het jaar 1998 (WRD-model, Minnema en Snepvangers, 2004) zijn met de ontwikkelde koppelingssoftware aan elkaar gekoppeld. De ontwikkeling van het nieuwe gekoppelde model is in onderstaande paragrafen kort beschreven.

3.1 Koppelingswijze van waterlopen, drains , maaiveld en stedelijk gebied

Volledig gekoppelde elementen

De hoofdwaterlopen die zowel in het Sobek model als in het Modflow model zijn gemodelleerd zijn volledig gekoppeld. Dit betekent dat naast fluxuitwisseling ook nog waterstanden van de Sobek waterloop doorgegeven worden aan de Modflow waterloop. De uitwisseling van peilen en fluxen gebeurt in dit model op dagbasis.

Fluxgekoppelde elementen

De kleine waterlopen, drainage, maaiveld en het stedelijke gebied in het bestaande Modflow model zijn aan de Sobek waterlopen gekoppeld op basis van een

fluxkoppeling. Dit betekent dat Modflow de door hem berekende onttrekkingen of

toevoegingen (in m3) over de afgelopen tijdstap (dag) levert en de koppelingssoftware sommeert deze volumes tot volumes per Sobek-segment, en levert ze vervolgens aan Sobek als volume. Dit volume wordt vervolgens gelijkmatig over de Sobek tijdstap (1uur) verdeeld. Extra informatie over de elementen die fluxgekoppeld zijn, vind je puntsgewijs in onderstaande tekst.

Kleine waterlopen

Kleine Modlfow waterlopen, gefilterd uit het AHN-bestand, zijn fluxgekoppeld. Doordat deze waterlopen niet gemodelleerd zijn in Sobek, krijgen ze het winter- dan wel zomerpeil peil zoals opgegeven in Modflow. Wanneer een Modflow-waterloop echter dicht bij een Sobek waterloop ligt waar die op afwatert, kan deze Modflow-waterloop beïnvloed worden door de waterstand benedenstrooms. In dit geval kan gekozen worden voor een invloedsfactor. Wanneer bijvoorbeeld een factor van 0.5 wordt gekozen, betekent dit dat de nieuwe waterstand in de greppel = 0.5 * waterstand in Modflow greppel + 0.5 * Sobek-waterstand. Op deze manier kan als het ware een stuwkromme worden gecreëerd

Drainage

De drains in Modflow zijn gekoppeld met de Sobek waterlopen door middel van een fluxkoppeling. Van de in Sobek gemodelleerde waterlopen wordt aangenomen dat ze geen invloed hebben op de drains, omdat het hoofdwaterlopen zijn

Maaiveld

Oppervlakte afstroming over maaiveld vindt plaats via een fluxkoppeling. Modflow berekent de kwelflux naar maaiveld en deze wordt aan de gekoppelde Sobek waterloop benedenstrooms toegekend.

Stedelijk gebied

Oppervlakkige afstroming vanaf bebouwing en verhard oppervlak in stedelijk gebied via een gescheiden regenwaterriool naar het oppervlaktewater of via een gemengd

(7)

rioolsysteem naar de RWZI en dan naar het oppervlaktewater, vindt plaats via een fluxkoppeling. Hierbij wordt een deel van de neerslag (in dit model 23%) afgevangen en toegevoegd aan het oppervlaktewater benedenstrooms van het stedelijke gebied. Ter verduidelijking is de koppelingswijze van het Modflow-Sobek model voor het Regge-stroomgebied schematisch in figuur 3.1 weergegeven.

Volledige koppeling Fluxkoppeling

(hoofdwaterlopen) (Kleine waterlopen, drainage,maaiveld en stedelijke gebied)

Figuur 3.1 Koppelingswijze van het Modflow_Sobek model voor het Regge-stroomgebied

3.2 Werkwijze aanmaken koppeling

De werkwijze voor het aanmaken van de modelkoppeling bestaat uit twee stappen. Ten eerste worden de hoofdwaterlopen die volledig gekoppeld worden, bepaald. Hierna worden de stroomgebieden die op de volledig gekoppelde hoofdwaterloop afwateren, aangemaakt. In de ondergaande beschrijving zijn deze twee stappen uitgelegd.

1. Bepalen hoofdwaterlopen.

Het Sobek model van Regge geeft de hoofdwaterlopen weer, zie figuur 3.1. Het hoofdwaterlopenstelsel is afgeleid uit het top10-vektor bestand. In Modflow worden ook de kleine waterlopen uit het AHN-bestand gemodelleerd, zie figuur 3.2. Als eerste stap worden de waterlopen van het Sobek-model vergeleken met de waterlopen die in Modflow-model zijn gemodelleerd. De waterlopen die overeenkomen worden volledig gekoppeld. Flux Sobek Modflow Flux Waterstand Modflow Sobek

(8)

Figuur 3.2 Waterlopennetwerk Sobek; deze waterlopen zijn volledig gekoppeld

(9)

2. Creëren van stroomgebieden

De koppelingssoftware moet weten op welke Sobek-waterloop de in Modflow

gemodelleerde drains, maaiveld, stedelijk gebied en de waterlopen afstromen. Daarom is een grid met oppervlaktewater stroomgebieden gecreëerd. De stroomgebieden zijn aangemaakt op basis van de helling van de berekende grondwaterstand van het Modflow model. Voor elk van de waterlopen uit het AHN-bestand wordt bepaald op welke Sobek waterloop deze afstroomt. De waterlopen die op dezelfde Sobek-waterloop afstromen behoren tot hetzelfde oppervlaktewater-stroomgebied. Zo ontstaan bij elke gekoppelde Sobek-waterloop de stroomgebieden zoals weegegeven in figuur 3.3.

Figuur 3.3 Stroomgebieden van Modflow-cellen die afwateren op de Sobek-waterloop(donkereblauw)

(10)

4 Resultaten gekoppeld model

De resultaten van de Modflow-Sobek simulatie voor het jaar 1998 zijn beschreven in paragraaf 4.1 t/m 4.3. In paragraaf 4.1 zijn de gesimuleerde waterstanden

afvoerreeksen van het oppervlaktewater geanalyseerd door middel van vergelijking met meetreeksen. Ook zijn de resultaten uit het Sobek model weergeven.

In paragraaf 4.2 is een vergelijking gemaakt tussen de gemiddelde grondwaterstanden per maand gesimuleerd door het Modflow-Sobek model en het Modflow model. In paragraaf 4.3 zijn de grondwaterstandmeetreeksen vergeleken met gesimuleerde grondwaterstandreeksen van zowel het Modflow-Sobek model als het Modflow model.

4.1 Vergelijking gesimuleerde en gemeten afvoeren en oppervlaktewaterstanden

Afvoer oppervlaktewater

De gemeten afvoer van het oppervlaktewater is vergeleken met de gesimuleerde oppervlaktewater afvoer. In bijlage A staan de resultaten van de Modflow-Sobek simulatie. Tevens zijn de resultaten van de afvoer van het Sobek model weergegeven in bijlage A.

In het algemeen valt op dat de oppervlaktewaterafvoer goed gesimuleerd wordt, maar soms de hoogste afvoerpieken die gemeten worden niet haalt. Een verklaring hiervoor kan zijn dat de snelle afvoer uit stedelijk gebied er nog betrekkelijk schematisch inzit. Een aanbeveling is dan ook om te onderzoeken waarom de gesimuleerde afvoerpieken niet hoog genoeg zijn.

Het patroon van de afvoer zit er echter wel goed in. In figuur 4.1 is een voorbeeld van de afvoer geplot ter plaatse van de Archem stuw en vistrap (meetpunt 010).

Waterstanden oppervlaktewater

De gemeten en gesimuleerde waterstanden van het Modflow-Sobek model zijn ook weergeven in bijlage A. Tevens zijn de waterstanden van het Sobek model weergegeven in bijlage A.

De waterstanden worden door het gekoppelde model redelijk gesimuleerd. De waterstand haalt echter sommige hoge pieken niet en daalt na hoge pieken soms te langzaam. Dit is een vergelijkbaar beeld zoals in de afvoer te zien was. In figuur 4.2 zijn bijvoorbeeld het afvoerverloop en de waterstanden van het Modflow-Sobek model geplot ter plaatse van het meetpunt bij Vroomshoop-Zwols kanaal. De waterstanden zijn bij dit kunstwerk zowel boven- als benedenstrooms weergegeven.

(11)

(12)

Figuur 4.2 Gemeten en gesimuleerde beneden en bovenstroomse waterstand bij kunstwerk Vroomshoop Zwols kanaal (Modflow-Sobek model)

4.2 Vergelijking gemiddelde grondwaterstand gesimuleerd met Modflow-Sobek en met Modflow

De gemiddelde gesimuleerde grondwaterstand van de maanden april, augustus en november in 1998 zijn berekend voor het gekoppelde grondwatermodel (Modflow-Sobek model). Deze gemiddelde grondwaterstanden zijn vergeleken met de

grondwaterstanden gesimuleerd door middel van het ongekoppelde grondwatermodel (Modflow model). De verschillen zijn weergegeven in figuur 4.3 t/m 4.5.

De grootste verschillen in de grondwaterstanden zijn te vinden in de directe omgeving van de gekoppelde waterlopen. Dit komt, omdat de peilen in de waterlopen van beide modellen verschillen. In het gekoppelde model variëren de oppervlaktewaterpeilen dagelijks door middel van de Sobek simulatie, terwijl het Modlfow model in alle waterlopen een constant winter- dan wel zomerpeil in 1998 krijgt opgelegd. Wanneer bijvoorbeeld in een waterloop het Sobek waterlooppeil over een tijdsperiode gemiddeld hoger is dan het Modflow waterlooppeil heeft dit een gemiddeld hogere

grondwaterstand tot gevolg. Dit zijn de blauwgroene gebieden in de figuren van 4.3 t/m 4.5. De rode gebieden geven een gemiddeld lagere grondwaterstand weer van het gekoppelde model ten opzichte van het ongekoppelde model.

(13)

De verschillen in grondwaterstanden kunnen in de gekoppelde waterlopen oplopen tot een hoogte van 1 meter. In de omgeving van de waterlopen dempt het grote verschil in grondwaterstanden vrij snel uit en zijn de verschillen vaak slechts centimeters.

Figuur 4.3 Verschil gemiddelde grondwaterstanden tussen gekoppeld en ongekoppeld model in april 1998

(14)

Figuur 4.4 Verschil gemiddelde grondwaterstanden tussen het gekoppeld en ongekoppeld model in augustus

(15)

4.3 Vergelijking grondwaterstandtijdreeksen gesimuleerd met Modflow-Sobek en met Modflow

Grondwaterstandtijdreeksen van 1998 gesimuleerd door het Modflow-Sobek model zijn vergeleken met meetreeksen van het grondwater van 1998. Vanwege de omvang zijn de tijdstijghoogtekaarten zijn deze alleen als digitale bestanden opgenomen:

GWtijdreeks1998_gekoppeld.pdf, GWtijdreeks1998_ongekoppeld.pdf.

Hierbij geeft GWtijdreeks1998_gekoppeld.pdf grondwaterstandreeksen zowel gemeten als gesimuleerd door het Modflow-Sobek model weer. Het bestand

GWtijdreeks1998_ongekoppeld.pdf geeft de grondwaterstandreeksen zowel gemeten als gesimuleerd door het Modflow model weer.

De conclusie is dat de gesimuleerde stijghoogtereeksen redelijk goed overeenkomen met de metingen. In figuur 4.6 is een tijdreeks als voorbeeld weergegeven, waarbij rood de gesimuleerde grondwaterstand is door het gekoppelde model. De blauwe punten geven de meetreeks weer.

Wanneer de grondwaterstanden gesimuleerd met het gekoppelde (Modflow-Sobek) en het Modflow model worden vergeleken, blijkt dat deze niet veel verschillen van elkaar, zie de twee bij dit rapport geleverde digitale bestanden

“GWtijdreeks1998_gekoppeld.pdf” en “GWtijdreeks1998_ongekoppeld.pdf”..Zoals in de figuren van de gemiddelde grondwaterstand beschreven in paragraaf 4.2 duidelijk is geworden, zijn de stijghoogten van de grondwaterstand gesimuleerd door het

ongekoppelde model nagenoeg gelijk aan de grondwaterstanden gesimuleerd door het gekoppelde model wanneer deze zich niet in de buurt van een waterloop bevindt. In de directe omgeving van waterlopen en in een aantal gebieden bovenstrooms is het gekoppelde model wat natter. Er zijn echter te weinig metingen op deze plaatsen om na te gaan of het gekoppelde model de metingen beter volgt dan het ongekoppelde model.

(16)

4.4 Vergelijking uitwisselingsfluxen gesimuleerd met Modflow-Sobek en met Modflow

Tijdens de simulatie voor 1998 worden op dagbasis fluxen uitgewisseld tussen het oppervlaktewater en het grondwater. In deze paragraaf zijn deze uitwisselingsfluxen van het gekoppelde model vergeleken met die van het ongekoppelde model.

Ten eerste is bekeken wat de totale fluxuitwisseling tussen het grondwater en oppervlaktewater voor 1998 is. In onderstaande grafiek zijn de fluxen tussen het grondwater en oppervlaktewater van beide modellen cumulatief weergegeven voor 1998. Een negatieve flux in de figuur bekent dat er water van het oppervlaktewater naar het grondwater stroomt en een positieve flux dat water van het grondwater naar het oppervlaktewater stroomt.

De totale uitwisseling flux over 1998 is voor beide modellen ongeveer 1021 miljoen m3. Deze flux is positief wat betekent dat het grondwater 1021 m3 water aan het

oppervlaktewater levert. Het verschil tussen beide modellen is slechts 0.46%.

0.E+00 1.E+08 2.E+08 3.E+08 4.E+08 5.E+08 6.E+08 7.E+08 8.E+08 9.E+08 1.E+09 1.E+09 1-1-98 1-2-98 1-3-98 1-4-98 1-5-98 1-6-98 1-7-98 1-8-98 1-9-98 1-10-98 1-11-98 1-12-98 Datum C um m ul at iev e flux [ m 3 ] Gekoppeld model Ongekoppeld model

(17)

In figuur 4.8 is de uitwisselingsflux weergegeven tussen oppervlaktewater en

grondwater voor zowel het gekoppelde (grijze lijn) als ongekoppelde model (rode lijn) in miljoen m3/dag.

Het verschil tussen de uitwisselingsfluxen tussen oppervlakte en grondwater op dagbasis is in figuur 4.8 weergegeven als blauwe lijn. Dit verschil is uitgedrukt in percentages en is berekend volgens de volgende formule:

Verschil_flux = (flux_gekoppeld_model - flux_gwmodel)*100 / flux_grwrmodel

In figuur 4.8 is te zien dat deze flux op enkele dagen tot maximaal 18% kan verschillen. In de figuur is ook te zien dat dit slechts om een paar piekverschillen gaat De overige verschillen in uitwisselingsflux op dagbasis vallen bijna allemaal in de range van -6% - 3%.

(18)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 01. 01.1 998 01. 02.1 998 01.03 .1998 01.0 4.199 8 01. 05.1 998 01. 06.1 998 01. 07.1 998 01. 08.1 998 01. 09.1 998 01. 10.1 998 01. 11.1 998 01.12 .1998 Datum U it w is sel in g sf lu x [ *1. 0 00. 0 00 m3/ d ag ] -18 -15 -12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 15 18 V er s c hi l i n uit wis s el ing s flux [%] Gekoppeld model Ongekoppeld model Verschilflux in percentage

Figuur 4.8 Verschil in totale uitwisselingsflux gw-opp.w tussen het gekoppelde model en het ongekoppelde model uitgedrukt in percentages.

(19)

5 Conclusies en aanbevelingen

5.1 Conclusies

De koppeling tussen Sobek en Modflow is softwarematig zodanig verbeterd dat de simulatietijden voor een berekening met een factor 50 zijn verkleind voor het Regge & Dinkel model. Hierdoor is de koppeling ook voor grote modellen werkbaar geworden.

De piek debieten van het oppervlaktewater worden in het gekoppelde Regge en Dinkel model soms onderschat.

De resultaten van het Modflow-Sobek model voor het jaar 1998 zijn vergeleken met resultaten van de twee ongekoppelde modellen van 1998. De conclusie is dat het gekoppelde model de oppervlaktewaterafvoer en waterstanden ongeveer even goed simuleert als de het Sobek model.

De grondwaterstanden vertonen ter plaatse van de waterlopen de grootste

verschillen tussen beide modellen. Dit komt, omdat de peilen in de waterlopen van beide modellen verschillen. In het gekoppelde model variëren de Sobek

oppervlaktewaterpeilen dagelijks, terwijl in het Modflow model een constant zomer- dan wel winterpeil is opgelegd. Er zijn echter te weinig meetreeksen voorradig ter plaatse van de waterlopen om te controleren of het gekoppelde model de grondwaterstand beter simuleert dan het ongekoppelde model.

De uitwisselingsfluxen tussen het oppervlaktewater en grondwater zijn vergeleken voor zowel het gekoppelde als ongekoppelde model. Het verschil in totale

uitwisselingsflux van het jaar 1998 verschilt slechts 0.46% voor beide modellen. Wanneer op dagbasis naar het verschil in uitwisselingsflux tussen grondwater en oppervlaktewater wordt gekeken, blijkt dat deze maximaal 18% verschilt. Dit zijn echter een paar piekverschillen. Bijna alle verschillen in uitwisselingsflux op dagbasis vallen in de range van -6% - 3%

5.2 Aanbevelingen

Het neerslagafvoer proces wordt met de huidige koppeling nog niet goed

gemodelleerd. Met behulp van een koppeling met een onverzadigde zone model kan dit proces beter worden gemodelleerd. Medio 2008 is een nieuwe koppeling tussen Modflow, Metaswap (onverzadigde zone model, Alterra) en Sobek ontwikkeld. Dit is een belangrijke verbetering voor het goed simuleren van het oppervlaktewater, grondwater en de onverzadigde zone. De verbeteringen van deze nieuwe koppeling worden uitgebreid getest. Een deel van het gebied Waterschap Rivierenland wordt momenteel met deze koppeling gesimuleerd. Voor het Regge en Dinkel model is deze vernieuwde koppeling een mooie verbetering.

Het Sobek netwerk kan worden uitgebreid met alle infiltrerende waterlopen van Modflow. Op deze manier krijgen alle infiltrerende waterlopen een meebewegend peil. Daardoor wordt voorkomen dat waterlopen in Modflow infiltreren zonder dat het peil wordt aangepast. Dit komt overeen met de werkelijke situatie

Vervolgens is het mogelijk om de intreeweerstanden te ijken aan de gemeten afvoeren van het model.

(20)

5.3 Vervolgtraject

In deze paragraaf zijn aanbevelingen van Deltares weergegeven met betrekking tot het vervolgtraject voor de integrale modellering van grondwater en oppervlaktewater.

Inleiding

Ten behoeve van een duurzame watersysteeminrichting wordt steeds vaker gevraagd om een integrale regionale modellering van grondwater en oppervlaktewater. Dit geldt zowel voor waterkwantiteitsvraagstukken (waterverdeling, droogte, wateroverlast) als voor waterkwaliteitsvraagstukken (zoals verzilting o.a. als gevolg van

klimaatsverandering als ook de KRW doelstellingen).

Op het gebied van waterkwantiteit is begin 2008 voor relatief kleine studiegebieden reeds een basis modelinstrumentarium ontwikkeld in de vorm van een gekoppeld MODFLOW-SOBEK-SIMGRO model. Met de komst van grootschalige modellen zoals NHI volstaat het huidige instrumentarium echter niet. De modellen zijn simpelweg te groot om op een PC doorgerekend te kunnen worden. Het huidige

modelinstrumentarium moet zodanig worden aangepast dat het in staat is de koppeling toe te passen op de volgende modellen

NHI: Nationaal Hydrologisch instrumentarium

TNO, Alterra, WL, RIZA en MNP hebben in december 2005 besloten één gezamenlijk Nationaal Hydrologisch Instrumentarium te ontwikkelen.

Grondwatermodellering zoals die in het verleden bij RIZA en MNP hebben plaats gevonden, wordt overgedragen aan het Deltares in samenwerking met Alterra. De eerste fase zal resulteren in één gezamenlijk grondwatermodelinstrumentarium gebouwd voor de landelijke beleidsvragen. Voor de eerste fase is als

modelprogrammatuur gekozen voor MODFLOW, metaSWAP, en de

waterverdeling uit het Distributiemodel/MOZART. Voor deze programmatuur is gekozen, omdat een overgang wordt voorzien naar de programmatuur in de tweede fase, te weten MODFLOW-MetaSWAP/SIMGRO-SOBEK-CF.

Waterschap Rivierenland

Waterschap rivierenland sluit aan bij de landelijke modellenlijn, die reeds in een aantal projecten in Nederland ingezet is. WSRL wil de beschikking krijgen over een modelinstrumentarium, waarmee in grote mate van detail de hydrologische en hydraulische processen in het projectgebied gesimuleerd kunnen worden. Dit modelinstrumentarium zal tevens een goede basis zijn voor stofvrachten- en waterkwaliteitsanalyses.

Voor toepassing op het gebied van waterkwaliteit is nog geen goed gekoppeld

modelinstrumentarium beschikbaar. Gedetailleerde berekeningen van waterkwaliteit (en daarvan afgeleid ecologie) op een hoge ruimtelijke resolutie zijn in toenemende mate van belang in verband met klimaatsverandering en de gevolgen daarvan voor de waterkwaliteit/flora/fauna, maar ook voor de inmiddels alom bekende KRW-doelstellingen.

Doelstelling vervolgtraject

Deltares ziet als voornaamste doel voor het vervolgtraject het verder ontwikkelen van een gekoppeld modelinstrumentarium voor integrale regionale modellering van grootschalige grondwater- en oppervlaktewatersystemen met een hoge resolutie en een

(21)

optimale koppeling tussen verzadigde en onverzadigde grondwaterstroming, oppervlaktewaterstroming, dichtheidsstroming en waterkwaliteit.

Onderzoeksvragen

De afgelopen jaren is er in samenwerking met Alterra gewerkt aan de bouw van een gekoppelde modelsoftware voor oppervlaktewater, grondwater en onverzadigde zone. Deze software is binnen diverse onderzoeks- en marktprojecten toegepast en verder verbeterd. In deze projecten was de omvang van de modellen beperkt. De recentelijk ontwikkelde grootschalige grondwatermodellen zoals NHI, vraagt nu om

modelkoppelingen op een dermate grote schaal, dat bestaande software niet meer toereikend is. Daarnaast is op het gebied van waterkwaliteit steeds meer behoefte aan een (verbeterde) koppeling van het grondwater- en oppervlaktewatersysteem. Dit bleek o.a. uit een quick scan die in augustus is uitgevoerd bij de units BGS, ZWS en ZKS van Deltares. Verdere investeringen in de koppeling van modellen van grond- en

oppervlaktewater zijn essentieel om vragen zoals de beschikbaarheid van water (droogte, wateroverlast, calamiteiten) en sturing van water te kunnen beantwoorden.

Aanbevelingen voor onderzoek en vervolgactiviteiten

Activiteit 1: Strategische verkenning

Voor de komende jaren verwachten we een verdere ontwikkeling op het gebied van gekoppelde modellen, zeker op het gebied van gekoppelde

waterkwaliteitsberekeningen. De voorbereiding hierop is reeds in gang gezet met een verkenning op een aantal cruciale aspecten, zodat de komende jaren gericht kan worden doorgebouwd aan het gekoppelde modelinstrumentarium.

We onderscheiden de volgende onderwerpen:

- Verkenning koppeling Delft3D-FLOW-MODFLOW/MOCDENS3D/SEAWAT voor het modelleren van dichtheidsafhankelijke stroming met zoutuitwisseling. Met de ontwikkeling van een dergelijke koppeling wordt zowel in binnen- als buitenland een nieuwe markt aangeboord.

- Uitbreiding SOBEK-MODFLOW/MOCDENS3D-SIMGRO met zout en

temperatuur. In het licht van de ontwikkelingen binnen NHI is hier nu al onderzoek voor nodig.

- Verkenning gekoppeld waterkwaliteitsinstrumentarium, tijdig aansluiten/kortsluiten met onder andere SOBEK-MODFLOW-SIMGRO ontwikkelingen. Naast zaken reeds voorzien in activiteit 2, spelen er andere belangrijke aspecten. Voor

waterkwaliteit moet de grens/transitie zone tussen ondergrond en oppervlaktewater in meer detail gemodelleerd worden.

Activiteit 2: Gekoppeld doorrekenen van grootschalige modellen en gebruiksvriendelijkheid

De huidige ontwikkeling van grootschalige modellen leidt ertoe dat modellen niet meer in zijn geheel doorgerekend kunnen worden op een pc. Voor ontkoppelde modellen (bijv. alleen grondwatermodel of alleen oppervlaktewatermodel) zijn recentelijk technieken ontwikkeld om deze modellen toch te kunnen draaien. Voor gekoppelde modellen (grond-, oppervlaktewater en onverzadigde zone) vraagt dit echter om een aanzienlijke kennisimpuls. Reeds in huidige projecten wordt de grens van wat rekentechnisch mogelijk is overschreden. Kijkende naar de huidige en toekomstige vragen vanuit bijvoorbeeld NHI, is de urgentie van dit onderzoek dan ook zeer hoog.

(22)

Een ander belangrijk aspect is de toegankelijkheid van deze grootschalige modellen voor gebruikers (bijv. waterschappen). Vanwege het gebruik van iMOD voor grondwatermodellen en SOBEK voor oppervlaktewatermodellen, wordt binnen dit onderzoek een verkenning gedaan naar de afstemming van de verschillende

gebruikersomgevingen van iMOD, SOBEK en FEWS onderling en met het gekoppelde modelinstrumentarium. Deze afstemming is van groot belang voor de praktische toepasbaarheid van het instrumentarium voor eindgebruikers.

Activiteit 3: Onderscheid van fluxen tussen gekoppelde modelcodes.

Bij gekoppelde modelcodes (hydrodynamica, hydrologie, etc.) gaan diverse fluxen heen en weer tussen de betrokken componenten. Zo kan er bijv. op een bepaalde locatie water van MODFLOW naar SOBEK gaan (infiltratie of exfiltratie), maar tegelijkertijd ook van SOBEK naar SIMGRO (beregening) etc.

Voor de berekening van de hydrodynamica is de netto flux voldoende (en die wordt dan ook gebruikt en gelogd), maar voor waterkwaliteitstoepassingen is onderscheid in de verschillende fluxen wel zeker relevant.

Om de online koppeling van kennisdomeinen in kwantitatief opzicht ook geschikt te maken voor kwaliteitsberekeningen, is het dus van groot belang dat elke aanwezige fluxuitwisseling individueel kan worden bijgehouden, en aan andere

modelcomponenten toe kan leveren, achteraf en/of online. In deze activiteit wordt een generieke module gerealiseerd die deze support biedt, en die in eerste instantie binnen SOBEK zal worden aangebracht. De debieten kunnen vervolgens achteraf uit files of online via OpenMI worden opgevraagd.

(23)

6 Literatuur

Minnema, B. en Snepvangers, J.J.J.C., 2004. Waterschap Regge en Dinkel;

Grondwatermodel en IR-database ter ondersteuning van waterbeheer in Twente. TNO-rapport NITG 04-020-B.

WL | Delft hydraulics, 2005. Oppervlaktewatermodel voor het stroomgebied van de Regge. In opdracht van Waterschap Regge en Dinkel.

Hans Gehrels, Hans Hakvoort (WL | Delft hydraulics), Ype van der Velde, Stef Hummel (WL | Delft hydraulics), Aris Lourens, Judith Snepvangers, Neeltje Goorden. Gekoppeld Modflow-Sobek waterstromen-model toegepast op waterwinning Wierden. TNO-rapport NITG 05-087-B

(24)

Bijlage A: Oppervlaktewaterstanden en afvoeren gemeten en

gesimuleerd met Sobek en Modflow-Sobek

(25)

Locatie: Archem stuw ST/01/86.10 en vistrap ST/01/9999.98 Meetpunt: 010

Parameter: afvoer en waterstanden

MODELSIMULATIE: SOBEK 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1 jan 98 1 apr 98 30 jun 98 28 sep 98 27 dec 98

Tijd

Deb

iet (m3/s)

Gemeten Gesimuleerd

Figuur 1 Afvoertijdreeks 1998 bij Archem (stuw & vistrap) MODELSIMULATIE: MODFLOW-SOBEK 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1-jan 1-feb 1-mrt 1-apr 1-mei 1-jun 1-jul 1-aug 1-sep 1-okt 1-nov 1-dec

Tijd Deb iet [m 3 /s] GEMETEN Gesimuleerd

(26)

MODELSIMULATIE: SOBEK 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0

Tijd Wa ters tan d (m +N A P ) Gemeten Gesimuleerd Gemeten Gesimuleerd

Figuur 3 Waterstandtijdreeks 1998 Archem (stuw & vistrap)

MODELSIMULATIE: MODFLOW-SOBEK 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tijd W a tr es tand [m N AP] Gemeten Gemeten Gesimuleerd Gesimuleerd

(27)

Locatie: Linderbeek (instroom Regge) ST/07/0.70 Meetpunt: 011 MODELSIMULATIE:SOBEK 0 5 10 15 20 25 30 35 40

Tijd D e b ie t ( m 3 /s ) Gemeten Gesimuleerd

Figuur 5 Afvoertijdreeks 1998 bij Linderbeek Archem uitmonding in Regge MODELSIMULATIE: MODFLOW-SOBEK 0 5 10 15 20 25 30 35 40

1-jan 1-mrt 1-mei 1-jul 1-sep 1-nov

Tijd D eb iet [m 3/ s] GEMETEN GESIMULEERD

(28)

MODELSIMULATIE: SOBEK 0 1 2 3 4 5 6 7

Tijd W at er stand (m+ N AP) Gemeten Gesimuleerd Gemeten Gesimuleerd

Figuur 7 Waterstandtijdreeks 1998 bij Linderbeek Archem uitmonding in Regge

MODELSIMULATIE: MODFLOW-SOBEK 0 1 2 3 4 5 6 7

Tijd W a tr est an d [m NA P ] Gemeten Gemeten Gesimuleerd Gesimuleerd

(29)

Locatie: Totaal instroom Regge (010 Archem en 011 Linderbeek) Meetpunt: 010 en 011 Parameter: afvoer MODELSIMULATIE:SOBEK 0 20 40 60 80 100 120 140 160

Tijd D eb iet (m 3/s ) Gemeten Gesimuleerd

Figuur 9 Afvoertijdreeks 1998 bij Archem (stuw & vistrap) + Linderbeek MODELSIMULATIE: MODFLOW-SOBEK 0 20 40 60 80 100 120 140 160 1-1 1-3 1-5 1-7 1-9 1-11 Tijd D eb iet [m 3/ s] GEMETEN GESIMULEERD

(30)

De bij bovenstaande grafiek behorende volumegrafiek: MODELSIMULATIE: SOBEK TOTAAL Regge 010 + 011 0 10000000 20000000 30000000 40000000 50000000 60000000 70000000

jan feb mrt ap r mei jun jul aug sep okt nov dec

C um g esi m ul ee rd- C um . ge m ete n [m 3] 1998 MODELSIMULATIE: MODFLOW-SOBEK Totaal Regge 010 + 011 -10000000 0 10000000 20000000 30000000 40000000 50000000 60000000 70000000

Cum gesim uleerd - cum g e m et en [ m 3] 1998

(31)

Locatie: Hagmolenbeek uitm.Twentekanaal ST/2005/0.40 Meetpunt: 063

Parameter: afvoer en bovenwaterstanden (benedenwaterstanden niet gemeten)

MODELSIMULATIE:SOBEK 0 2 4 6 8 10 12

Tijd De biet ( m3/s ) Gemeten Gesimuleerd

Figuur 11 Afvoertijdreeks 1998 van Hagmolenbeek

MODELSIMULATIE: MODFLOW-SOBEK 0 2 4 6 8 10 12

Tijd D e bie t [ m 3 /s] GEMETEN Gesimuleerd

(32)

MODELSIMULATIE: SOBEK 11.4 11.6 11.8 12.0 12.2 12.4 12.6 12.8 13.0

Tijd Wate rstan d (m + NAP) Gemeten Gesimuleerd

Figuur 13 Waterstandtijdreeks 1998 bij Hagmolenbeek uitm.Twentekanaal, bovenstroomse waterstand

MODELSIMULATIE: MODFLOW-SOBEK 11,4 11,6 11,8 12,0 12,2 12,4 12,6 12,8 13,0

1-jan 1-feb 1-mrt 1-apr 1-mei 1-jun 1-jul 1-aug 1-s ep 1-okt 1-nov 1-dec

Tijd W a tr e s ta n d [m N A P ] Gemeten Gesimuleerd

(33)

Locatie: Maria Stuw Loolee ST/14/21.75 Meetpunt: 016 MODELSIMULATIE: SOBEK 0 5 10 15 20 25 30 35 40

Tijd D eb iet (m 3 /s) Gemeten Gesimuleerd

Figuur 15 Afvoertijdreeks 1998 van Maria Stuw Loolee MODELSIMULATIE: MODFLOW-SOBEK 0 5 10 15 20 25 30 35 40

Tijd D eb iet [m 3/s ] GEMETEN GSIMULEERD

(34)

MODELSIMULATIE: SOBEK 9.5 9.7 9.9 10.1 10.3 10.5 10.7 10.9 11.1 11.3 11.5

Tijd Wa te rstan d (m + NA P) Gemeten Gesimuleerd Gemeten Gesimuleerd

Figuur 17 Waterstandtijdreeks 1998 van Lolee verdeelwerk naar Lolee-Lateraalkanaal MODELSIMULATIE: MODFLOW-SOBEK 9,5 9,7 9,9 10,1 10,3 10,5 10,7 10,9 11,1 11,3 11,5

Tijd W a tr e stand [m NAP ] Gemeten Gemeten Gesimuleerd Gesimuleerd

(35)

Locatie: Vroomshoop – Zwols Kanaal ST/08/0.07 Meetpunt: 23

Parameter: afvoer en waterstanden

MODELSIMULATIE:SOBEK 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Tijd

Debi

et (

m3/s)

Gemeten Gesimuleerd

Figuur 19 Afvoertijdreeks 1998 van Vroomshoop – Zwols Kanaal MODELSIMULATIE: MODFLOW-SOBEK 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Tijd D eb iet [m 3/s] GEMETEN GSIMULEERD

(36)

MODELSIMULATIE: SOBEK 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0

Tijd Wa ters tan d (m+ NAP) Gemeten Gesimuleerd Gemeten Gesimuleerd

Figuur 21 Waterstandtijdreeks Vroomshoop – Zwols Kanaal

MODELSIMULATIE: MODFLOW-SOBEK

6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0

Tijd W a tre s ta n d [m NAP ] Gemeten Gemeten Gesimuleerd Gesimuleerd

(37)

Locatie: Notter – Midden Regge ST/02/134.62 Meetpunt: 018a MODELSIMULATIE: SOBEK 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0

Tijd Wate rst an d (m +NAP ) Gemeten Gesimuleerd Gemeten Gesimuleerd

Figuur 23 Waterstandtijdreeksen 1998 van Notter Midden Regge MODELSIMULATIE: MODFLOW-SOBEK 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0

Tijd W at re st an d [m NA P ] Gemeten Gemeten Gesimuleerd Gesimuleerd

(38)

Locatie: Hancate ST/02/0.00 Meetpunt: 53

Parameter: boven- en bendenwaterstanden, afvoer niet gemeten.

MODELSIMULATIE: SOBEK 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0

Tijd Water stan d (m+NAP) Gemeten Gesimuleerd Gemeten Gesimuleerd

Figuur 25 Waterstandtijdreeksen 1998 van Hancate MODELSIMULATIE: MODFLOW-SOBEK 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0

Tijd W a tr e s ta n d [m N A P ] Gemeten Gemeten Gesimuleerd Gesimuleerd