Simgro en AlterrAqua AlterrAqua site 20 april 2004 Presentatie ten behoeve van GIS-conferentie 24-25 september 2003 Door: Alterra Centrum voor water en klimaat team Integraal waterbeheer Pim Dik (onderzoeker hydrologie) Gerrit Hendriksen (onderzoeker GIS en hydrologie)

Inhoud Simgro AlterrAqua Toepassingen Voorbeelden/resultaten

Simgro is … Historie Conceptueel Voorbeelden/resultaten

Simgro is … … een geïntegreerd hydrologisch model voor grond-, bodem- en oppervlaktewater. Het model geeft antwoord op vragen die centraal staan bij het ontwikkelen en voeren van een doelmatig waterbeheer.

Simgro is … … ontwikkeld vanuit het besef dat in bijna heel Nederland de waterhuishouding een samenhangend geheel is van grond-, bodem- en oppervlaktewater.

Simgro historie Fortran-programma (1988, Querner en 1998, Veldhuizen) Sindsdien aangepast en uitgebreid met vele functionaliteiten The hydrological cycle is a dynamic system which operates within a set of constraints and physical laws that control the movement, storage and disposition of water within it. It is a closed system and satisfies the principle of conservation of mass. SIMGRO (SIMulation of GROundwater flow and surface water levels) was developed to simulate regional groundwater flow in relation to drainage, water supply, sprinkling, subsurface irrigation and water level control (Querner and van Bakel, 1989). Literatuur: - Querner E.P., 1988. Description of a regional groundwater flow model SIMGRO and some applications. Agric. Water Man. 14: 209-218. - Querner E.P. and Van Bakel P.J.T., 1989. Description of the regional groundwater flow model SIMGRO. Wageningen, DLO Winand Staring Centre. Report 7. 44 pp. - Veldhuizen A.A., A. Poelman, L.C.P.M. Stuyt en E.P. Querner, 1998. Software documentation for SIMGRO V3.0; Regional water management simulator. Technical document 50, SC-DLO Wageningen.

Simgro conceptueel SIMGRO (Querner en Van Bakel, 1989; Veldhuizen et al., 1998) is een geïntegreerd hydrologisch model voor grond-, bodem- en oppervlaktewater. Het model geeft antwoord op vragen die centraal staan bij het ontwikkelen en voeren van een doelmatig waterbeheer. In de figuur rechtsonder is een schematisch beeld gegeven van het model. Het niet-stationaire karakter van dit model, waarbij de interactie tussen de hydrologische processen in grond- en oppervlaktewater van belang zijn, maakt het mogelijk de variaties binnen het hydrologisch systeem door veranderende randvoorwaarden, zoals de weersomstandigheden, te beschrijven. De stroming in het grondwatersysteem wordt berekend volgens de eindige elementen methode (figuur linksboven). Deze methode beschrijft de stijghoogte en/of flux in ieder knooppunt met behulp van lineaire interpolatiefuncties. Daartoe wordt het gebied verdeeld in een aantal driehoekige elementen waarvan de hoekpunten knooppunten vormen. Dit netwerk is voor elke laag in het verticale vlak (zie ook verticale schematisatie) gelijk; zie Figuur 2. De driehoeken hoeven niet aan elkaar gelijk te zijn. Daardoor is het netwerk flexibel en kan het aan de vraagstelling worden aangepast. Voor onze toepassingen betekent dit dat het netwerk kan worden verdicht rond bijvoorbeeld onttrekkingen of beekdalen (Van der Bolt et al., 1996a; Van der Bolt en Veldhuizen, 1998a, 1998b), dat de grenzen van afwateringseenheden en/of beleidsgrenzen in het netwerk kunnen worden gevolgd (Van der Bolt en Hollanders, 1996; Van der Bolt en Veldhuizen, 1998a en 1998b) en dat de afstand van de knooppunten naar de rand kan toenemen, waardoor een efficiënt netwerk kan worden gegenereerd (Van der Bolt et al., 1996; Van der Bolt en Veldhuizen, 1998a; 1998b). Om een oplossing te kunnen berekenen moeten langs de randen van het modelgebied zgn. randvoorwaarden bekend zijn.

Simgro voorbeelden en gebruikers Een aantal studies Waterwijs Hoog-Nederland (optimalisatie inrichting gebied) Hoogwaterberekeningen Brabant Reconstructiegebied Nederweert Een aantal gebruikers Brabantse waterschappen, Hoogheemraadschap De Stichtse Rijnlanden Ingenieursbureau’s (Grontmij, Royal Haskoning, Arcadis) Alterra De effecten van hydrologische maatregelen hebben effect op de natuur. Grondwaterstanden, verdampingstekort, kwelfluxen naar de wortelzone en waterkwaliteit zijn sturend. Veranderingen in deze variabelen zijn afhankelijk, variëren in de tijd, en werken door via het regionaal hydrologisch systeem. Het gebruik van een model dat de regionale waterhuishouding dynamisch simuleert heeft daarom de voorkeur. Neerslag/verdamping, onverzadigde zone, grond- en oppervlaktewatersysteem moeten worden beschreven. SIMGRO is een model dat aan deze eisen voldoet en wordt daarom voor deze studie toegepast. Met dit model kunnen, indien gewenst, in een vervolgfase de effecten van maatregelen ten behoeve van verdrogingsbestrijding en waterberging[1] tegelijkertijd worden geëvalueerd; het model is toepasbaar voor gewone, extreem natte (waterberging) en extreem droge (wateraanvoer, beregening) situaties en kan zowel de effecten van veranderingen in inrichting en beheer van het watersysteem als functieverandering (incl. afgraven) voorspellen. [1] Voor de Brabantse Waterschappen wordt dit model gebruikt om volgens de voor WB21 voorgestelde methode de bergingsbehoefte te kwantificeren.

AlterrAqua is … Historie Schematische weergave Conceptuele beschrijving Beschrijving functionaliteit

AlterrAqua is … … een gebruiksvriendelijke omgeving om, gebruikmakend van basisgegevens van waterbeheerders, te komen tot een reproduceerbare modelopbouw ten behoeve van het regionale hydrologische model Simgro.

AlterrAqua historie Vanuit uiterst beperkte invoer- en presentatie mogelijkheden binnen Simgro ontstaan HIB, een ArcView3.2 extensie voor 6 waterschappen binnen West-Brabant en opgeleverd in 2001 Aanvullende functionaliteit ondergebracht in modulair opgezette AlterrAqua (2003)

AlterrAqua schematisch Water-beheer Basisgegevens Bodem Geohydro-logie Etc. Schemati-sering Kwantit. methoden Presentatie-tools Administratie tools AlterrAqua AlterrAqua bevindt zich tussen basisgegevens als AHN, bodemkaart, geohydrologische gegevens, LGN en gegevens van waterbeheerders en het modelinstrumentarium Simgro. model Simgro

AlterrAqua conceptueel Modulair volgens GMP (General Modeling Practice) Conform Adventus Kwaliteit Data controle Reproduceerbaar Overdraagbaar Drempelverlagend rekenmethode normering WB21 WATERNOOD

AlterrAqua opbouw Databeheer Controle van data Modelbouw Simgro Aanroepen Simgro Presentatie gegevens

AlterrAqua beheer Data- en projectbeheer vanuit GUI diverse controleopties in te stellen via het beheer venster

AlterrAqua controle Controle van data Controle op uniciteit van de gegevens Controle op ligging van waterlopen ten opzichte van een uitstroompunt Controle ligging kunstwerken ten opzichte van waterlopen Controle drainage Controle inlaten

AlterrAqua controle Data waterlopen afw. gebieden DTM rioleringsgebieden duikers stuwen landgebruik top10 vector Controle acties binnen AlterrAqua bestaan uit: Controle op uniciteit (bijvoorbeeld op het veld OVKIDENT voor waterlopen) Consistentie van de gegevens (stroomrichting) Controle op de ligging ten opzichte van uitstroompunten (voorwaterlopen) en de relatie ten opzichte van waterlopen (voor alle andere gegevens afkomstig van waterbeheerders) Controle op de aanwezigheid van bepaalde velden Controle op ingevulde waarde in bepaalde velden

AlterrAqua controle Geometrische controle op waterlopen: aansluitingen sinks bifurcaties Controle op waterlopen Er wordt gecontroleerd of de waterlopen verbonden zijn met de uitstroompunten uit het model. Het uitstroompunten bestand moet door de gebruiker worden aangemaakt en de punten mogen maximaal met een door de gebruiker op te geven afstandscriterium van het werkelijk uitstroompunt (eindnode laatset waterloop) verwijderd zijn. Als alle waterlopen verbonden zijn met een uitstroompunt krijgt de gebruiker hiervan een melding. Als dit niet het geval is worden er twee shapefiles aangemaakt. Een bestand met waterlopen die wel verbonden zijn met een uitstroompunt en een bestand met waterlopen die niet verbonden zijn met een uitstroompunt. Vervolgens worden de verbonden waterlopen gecontroleerd op richting. Alle waterlopen moeten uiteindelijk uitmonden in het uitstromingspunt. Er wordt onderscheid gemaakt dus mogelijke fouten en echte fouten. Echte fouten zijn bijvoorbeeld sinks of sources (fout). Een sink is een plek waar een aantal waterlopen op elkaar doodlopen en een sources is een plek waar een aantal waterlopen uit het niets ontspringen. Mogelijke fouten treden op op splitspunten vanuit waar het water twee verschillende richting opstroomt of bij aansluit problemen (aansluitingen en bifurcaties). Met opzet wordt gesproken over mogelijke fouten, omdat ze enerzijds afhankelijk zijn van het gekozen afstandscriterium en anderzijds omdat sommige situatie in werkelijkheid gewoon voorkomen. Tot slot worden ook alle goede punten die de verbinding vormen tussen twee waterlopen als punt weggeschreven, omdat in de praktijk blijkt dit het controleproces vergemakkelijkt. Het resultaat wordt weggeschreven naar een punten shapefile onderverdeeld naar type fout (fout, bifurcatie, aansluiting, connectie).

AlterrAqua modelbouw Preprocessing Processing voorbereiding processing aanmaak netwerk toekennen gegevens Met de module modelbouw wordt het Simgro model opgebouwd. Er wordt onderscheid gemaakt tussen preprocessing, processing en processing (optioneel) zoals in onderstaande figuur is afgebeeld. Met de functies in het preprocessing gedeelte worden basis GIS gegevens gereed gemaakt voor het processing gedeelte. Zo wordt per invloedsgebied (zie Simgro conptueel sheet) de gemiddelde maaiveldhoogte beschikbaar gemaakt voor Simgro. De oppervlaktewater structuur is van groot belang voor het modelleren van het oppervlakte watersysteem. In de structuur wordt vastgelegd welk ‘bakje’ naar welk ‘bakje’ stroomt. Voordat de structuur wordt vastgesteld is het van belang dat het waterlopen bestand, de stuwen en de gemalen eerst gecontroleerd zijn met de controle module voordat de oppervlakte waterstructuur wordt aangemaakt. Naast dat de structuur wordt vastgesteld met deze functie wordt ook per waterloop een aantal belangrijk peilen vastgesteld. Voor het bepalen van deze karakteristieken wordt gebruik gemaakt van het stuwen bestand en van het gemalen bestand Een ander voorbeeld is de bepaling van de bewortelingsdiepte per nodes uit het netwerk. Dit kan niet direct maar gebeurt met behulp van een tweetal LookUp tabellen. De bewortelingsdiepte is namelijk afhankelijk van zowel het type bodem als het landgebruik. Voordat de bewortelingsdiepte kan worden toegekend dient eerst het landgebruik aan de nodes te zijn toegekend. Het reeds eerder toegekende landgebruik wordt gecombineerd met de bodemcode, hetgeen resulteert in een bewortelingsdiepte per invloedsgebied. In het processing gedeelte wordt de daadwerkelijke Simgro invoer aangemaakt. Tevens zijn er een nog een aantal optionele modelbouw opties, die niet noodzakelijk zijn om het model te draaien. Alle bewerkingen zijn ondergebracht en uitgebreid beschreven met voorbeelden van invoer- en uitvoer bestanden in een goed toegankelijke helpfile.

AlterrAqua modelbouw Digitaal terrein model Correctie No Data gebieden Correctie stedelijk gebied Correctie waterlopen

AlterrAqua modelbouw Aanmaken netwerk Nodes (node_sim.inp): 1 22.73 181850.0 401050.0 2 22.74 181950.0 401050.0 3 22.77 182050.0 401050.0 4 22.85 182150.0 401050.0 5 22.22 181550.0 400950.0 Elementen (elem_sim.inp): 1 1 8 2 2 2 9 3 3 3 10 4 4 24 6 5 5 25 7 6

AlterrAqua modelbouw Gebruik van dwarsprofielen

AlterrAqua modelbouw Aanmaak afwateringsgebieden

AlterrAqua rekenen Simgro modelinstellingen Uitvoeren Simgro-berekening

AlterrAqua presentatie Basisgegevens Resultaten berekening

AlterrAqua voorbeelden Afvoeren Grondwaterstanden en grondwatertrappen Temporele veranderingen in grondwaterstand Effect van beheermaatregelen op inundatie Inundatie bij verschillende herhalingstijden Inundatie en klimaatscenario’s Normen en landgebruik

AlterrAqua Afvoeren

AlterrAqua Grondwaterstanden en grondwatertrappen

AlterrAqua Effect van beheermaatregelen op inundatie Huidig Stuwen omhoog

AlterrAqua Inundatie bij verschillende herhalingstijden

AlterrAqua Inundatie en klimaatscenario’s Herhalingstijden voor de huidige situatie en een klimaat scenario (midden scenario Cie WB 21) Huidig Klimaat

AlterrAqua Normen en landgebruik

AlterrAqua Stand van zaken Ontwikkeld voor/met Simgro Koppeling met SOBEK/DUFLOW … Koppeling met MODFLOW … Enkele stappen moeten inhoudelijk beter Functionaliteit niet volledig (Kwantitatieve methoden, schematiseringmethoden, keuzes via expert-systeem, logboek-functionaliteit?) Overstap naar ARCGIS?

AlterrAqua Ontwikkelingen Inhoudelijke aandachtspunten zijn Q(h)-relaties vlakke gebieden Drainageweerstanden Groene waterlopen Maaiveld Oppervlaktestroming

AlterrAqua Ontwikkelingen Aandachtspunten schematisering Vraag- en systeemafhankelijk: onverzadigde zone, oppervlaktewater, grondwater, combinaties Stratificeren met karteerbare kenmerken tops Opschalen/Clusteren tops Afgeleid: database voor locale simulaties tops? Eindige elementen netwerken grondwater Andere ruimte- en tijdschalen grondwater in de diepte? Opschalen naar eenvoudiger oppervlaktewater-systeem?

AlterrAqua Ontwikkelingen Aandachtspunten kwantitatieve methoden Monitoring en data-acquisitie Schematisatie (op/neerschalen, clusteren) Gevoeligheidsanalyse Calibratie/data-assimilatie Onzekerheidsanalyse Interpretatie/tijdreeksanalyse Risicoanalyse

Contact Frank van der Bolt Frank.VanderBolt@wur.nl Pim Dik Pim.Dik@wur.nl Gerrit Hendriksen Gerrit.Hendriksen@wur.nl Post adres: Bezoekadres: Alterra Alterra Postbus 47 Lawickse Allee 11 (ILRI-gebouw (425)) 6700 AA WAGENINGEN WAGENINGEN