Najaarsbijeenkomst 12 januari 2012

Waterkwaliteitsmodellering biedt uitdagingen voor jou als hydroloog!

 

"Een hydrologisch model is pas af als er betrouwbare transportberekeningen mee kunnen worden gedaan".


De betrouwbaarheid van berekeningsresultaten van waterkwaliteitsmodellen is sterk afhankelijk van de mate waarin de modellering van de waterstroming in combinatie met fluxen en verblijftijden correct is. De waterkwaliteitsmodellering is echter meestal niet het uiteindelijke hoofddoel wanneer er stromingsmodellen worden gebouwd. Aldus worden de prestaties van deze modellen doorgaans op andere criteria beoordeeld dan waterkwaliteitsmodelleurs graag zouden zien. Met als gevolg dat de stromingsmodellen vaak onnauwkeurig of zelfs ongeschikt blijken voor stoftransportberekeningen. Stroombanen laten een onlogisch patroon zien, de berekende fluxen en massabalansen zijn onrealistisch, de gebruikte schematisaties zijn onhandig, enzovoorts. Tenslotte moet er tijdens de waterkwaliteitsmodellering in vele gevallen nog flink gesleuteld worden aan het onderliggende hydrologische model.


Op 12 januari 2012 heeft de NHV op haar jaarlijkse Najaarsbijeenkomst een bijdrage geleverd aan een praktijk, een good modelling practice, van hydrologische modelbouw die minder hobbels opwerpt voor waterkwaliteitsmodelleurs die met de stromingsmodellen bezig zijn of aan de slag willen gaan.


Tijdens de najaarsbijeenkomst zijn voorbeelden gepresenteerd van hoe fout en ook goed het kan gaan, en is lering getrokken uit vragen van de praktijk als:

  • Wat zijn de grootste bottlenecks?
  • Waar gaat het meestal mis?
  • Wat zijn eenvoudige stappen en controles die ondernomen kunnen worden tijdens de bouw van een stromingsmodel die ervoor kunnen zorgen dat stromingsmodellen hun naam waarmaken, namelijk dat ze niet alleen de waterkwantiteit, maar ook echt de stroming goed berekenen?
  • Welke informatie kan daarbij helpen?

 

Het programma van de dag was als volgt:

09.15 - 09.45 Inloop met koffie

09.45 - 10.00 Opening door dagvoorzitter (Toon Leijnse)
10.00 - 10.30 Vera Lagendijk, Vitens
10.30 - 11.00 Kees Vink, KWR/Vink Hydroadvies
11.00 - 11.30 Koffiepauze
11.30 - 12.00 Matthijs Hehenkamp, Grontmij
12.00 - 12.30 Hans-Peter Broers, TNO en Bas van der Grift, Deltares
12.30 - 12.45 Uitreiking Kees Maas Prijs

12.45 - 13.45 Lunch

13.45 - 14.05 Maarten Ouboter, Waternet
14.05 - 14.25 Piet Groenendijk, Alterra
14.25 - 14.45 Erik van Dijk, Neelen en Schuurmans
14.45 - 15.05 Jet Lebbink, Gemeente Hilversum en Martin van der Schans, Grontmij

15.05 - 15.30 Pauze

15.30 - 15.50 Perry de Louw, Deltares
15.50 - 16.10 Hendrik Meuwese/Robert Hoogeveen, Witteveen en Bos

16.10 - 16.45 Discussie (discussieleider: Harry Boukes).

16.45 - ? Borrel

 

Dagvoorzitter Toon Leijnse

 

Sprekers en samenvattingen presentaties

 

Vera Lagendijk (Vitens): Stroombanen in De Nieuwe Ondergrond
Ondergrondinformatie kan steeds gedetailleerder in grondwatermodellen ingebracht worden. Als vervolgens echter met deze modellen gerekend gaat worden, zoals bijvoorbeeld ten behoeve van een herberekening van de beschermingsgebieden van winningen of om de herkomst van ons water in relatie tot waterkwaliteit te bepalen komen we soms voor onverwachte resultaten te staan. Deze resultaten dwingen ons als drinkwaterbedrijf, maar ook al onze partners, tot nadenken. Welk water willen we nu beschermen en hoe gaan we om met onzekerheden in deze nieuwe modelresultaten. Maar de eerste vraag die meestal opkomt na het zien van de nieuwe plaatjes is: Zijn de oude of de nieuwe berekeningen nu goed? Aan de hand van een aantal soms onverwachte, soms verwachte, soms onverklaarbare en soms goed verklaarbare resultaten wordt op die laatste vraag verder ingaan. Daarnaast zullen een aantal aandachtspunten meegegeven worden die bij berekeningen met deze modellen in het achterhoofd gehouden moeten worden.

 

Kees Vink (Vink Hydroadvies/KWR): 'Checks and balances'  bij modellering van het lot van bestrijdingsmiddelen in de ondergrond van Limburg.
Als onderdeel van een risicoanalyse is het gedrag van bestrijdingsmiddelen in de ondergrond van het stroomgebied van de Maas geanalyseerd en zijn  prognoses berekend van concentraties van diverse stoffen in ruwwater. Met het grondwatermodel IBRAHYM zijn daarvoor stroombanen bepaald, met Pearl is uitspoeling naar de verzadigde zone gemodelleerd en vervolgens is met Respond het verzadigde transport gesimuleerd langs stroombanen die eindigen in de winputten van de WML. Deze modellering heeft het beeld bevestigd dat grondwaterkwaliteitsmodellering niet alleen specifieke eisen stelt aan het grondwatermodel, maar ook een bron van informatie is waarmee het onderliggende grondwatermodel verbeterd kan worden. Enkele potentiële foutenbronnen, leermomenten, kansen voor controle en modelverbetering zijn ons pad gekruist tijdens de uitvoering.

 

Eric van Dijk (Nelen en Schuurmans): Waterlopenmodel Schermerboezem: van hoogwatervoorspelling naar waterkwaliteit
Om de doelmatigheid van verbetering van een aantal rioolwaterzuiveringen te kunnen beoordelen is het bestaande waterlopenmodel van het boezemsysteem van Hoogheemraadschap Hollands Noorderkwartier uitgebreid met een waterkwaliteitsmodule. Doordat dit model oorspronkelijk is opgezet voor waterbezwaarsituaties en hoogwatervoorspelling, bleek het noodzakelijk het model bijna geheel te vernieuwen en alleen de basiscomponenten te behouden. Daarbij waren een gebrek aan metingen en het grote aantal aannames extra complicerende factoren om het model te valideren en geschikt te maken voor jaarrond-voorspellingen.

 

Jet Lebbink (Gemeente Hilversum) en Martin van der Schans (Grontmij): onderzoek hydrologische systeem drinkwaterwinning Laren
Het onderzoek is uitgevoerd voor de gemeente Hilversum, provincie Noord-Holland en Vitens om in het kader van gebiedsgericht grondwaterbeheer 't Gooi een beheerplan op te stellen voor de verontreinigingspluimen rondom pompstation Laren. Doel van het onderzoek was het afbakenen en voorspellen van de verspreiding van meerdere grootschalige verontreinigingspluimen voor toekomstige scenario's. Hierbij is in eerste instantie vooral gebruik gemaakt van een bestaand regionaal grondwaterstromingsmodel (het MpG-model). Maar gaandeweg het project werd tegen allerlei problemen aangelopen doordat het model met name was opgezet voor kwantiteitsmodellering. Er zal worden ingegaan op hoe door middel van geochemische analyses, stroombanen, geochemische zonering en analyse van de waterbalans-termen uiteindelijk het model is verbeterd.

 

Piet Groenendijk (Alterra): Transport van diffuus verspreide stoffen naar het oppervlaktewater in regionale en landelijke uitspoelingsmodellen.

De relatie tussen landgebruik en -beheer en waterkwaliteit is van eminent belang voor verschillende milieuthema’s. In deze relatie spelen de bodem en het grondwater een rol. Om een oordeel te vellen over de stelling dat grondwatermodellen pas echt "af" zijn als ze geschikt zijn voor transportberekeningen, is het nodig inzicht te hebben in belang van het bodem- en grondwatersysteem voor de belasting van oppervlaktewater. In de keten van oorzaak en gevolg speelt bemesting en opname door gewassen een grote rol. De ruimtelijke variatie van het stikstofoverschot is in de praktijk erg groot en is op perceelsniveauop basis van statistieken en modellen nauwelijks te voorspellen. Van het bodemoverschot spoelt een gering deel uit naar het oppervlaktewater (5-35%) en dit transport vindt voor meer dan 90% plaats in de zone ondieper dan 1meter beneden de gemiddeld laagste grondwaterstand. Voor fosfaat bestaat het beeld dat de transportroutes door het grondwater slechts incidenteel een rol spelen in de belasting van het oppervlaktewater.

Regionale en landelijke uitspoelingsmodellenzoals STONE en GEOPEARL zijn tot nu toe gebaseerd op verticale kolommen die een gridcel of plot representeren. In een plot of gridcel is de relatie met het oppervlaktewater op conceptuele wijze beschreven. Alhoewel er een wens is om over te stappen op 3D transportmodellering zal de kolom-aanpak de komende 5 à 10 jaar nog gebruikt blijven worden. Het gebruik en beheer van landbouwgrond en het daaruit voortvloeiende overschot is verreweg de meest dominante factor voor de uitspoeling en daarnaast speelt de nutriëntendynamiek in de zone tot en met de bovenste meter van het grondwater een grote rol. Zolang de informatie over overschotten en processen niet verbetert is met een 3D transportmodellering geen vooruitgang in voorspelkracht te verwachten.Het gevaar van een dergelijke transportmodellering is dat het een nauwkeurigheid suggereert die niet is waar te maken en dat de stap van probleemconceptualisering te gemakkelijk wordt overgeslagen. Daarnaast is er nog de factor rekentijd. In de praktijk zijn voor een studie naar bijv. de effecten van mestbeleid enkele honderden modelruns nodig voor calibratie- en validatiefase, scenario-analyse, filteren van de effecten van weerjaren en het bepalen van de relatieve bijdrage van verschillende bronnen aan de belasting van het oppervlaktewater. Dit kan alleen als een model een 30-jarige reeks kan simuleren in minder dan een half uur rekentijd.

 

Uitspoelingsmodellen hebben hydrologische informatie nodig. Om te beoordelen of deze informatie adequaat is, is het raadzaam een simulatie uit te voerenmet virtuele tracers en leeftijden. Als voorbeeld is met de hydrologie voor het STONE-model de verdeling van watertypen en leeftijd met de diepte en in het uitstromende grondwater berekend.De methode geeft inzicht in de consequenties van modelaannames en conceptualiseringen. Geadviseerd wordt deze analyse standaard uit te voeren als tussenstap tussen een hydrologische modellering en het opzetten van een waterkwaliteitsmodel. De methodiek wordt geïmplementeerd in de MetaSwap-module die deel uitmaakt van het NHI.

 

 

Perry de Louw (Deltares): Het kwantificeren van water en zout fluxen in een diepe polder.

Zoute kwel in polders leidt tot verzilting van het oppervlaktewater. Er kunnen drie typen kwel worden onderscheiden die verschillen in flux en zoutgehalte: 1) diffuse kwel, 2) zandbanen kwel en 3) kwel via wellen. Een andere belangrijke maar onbekende bron voor water en zout in een polder, is de inlaat van boezemwater. Voor het nemen van effectieve maatregelen tegen verzilting en verbetering van de zoetwatervoorziening, is het noodzakelijk de verschillende water- en zoutbronnen van elkaar te scheiden en ze te kwantificeren op dagbasis. Tot op heden is het niet gelukt om een tijdsafhankelijke sluitende water- en zoutbalans op te stellen van een diepe polder in Nederland. De belangrijkste redenen hiervoor zijn het niet meenemen van preferente kwel via zandbanen en wellen en de onzekerheid van geschatte en gemeten fluxen en zoutgehaltes van de verschillende bronnen. In de lezing presenteer ik een methode voor het kwantificeren van water en zoutfluxen op dagbasis in een diepe polder en laat een succesvolle toepassing voor Polder de Noordplas zien. De 'generalized likelihood uncertainty estimation - GLUE' is toegepast voor het meenemen van de onzekerheid van de verschillende bronnen. De resultaten laten zien dat preferente kwel via zandbanen en wellen voor meer dan 80 % bijdragen aan de verzilting van het oppervlaktewater in Polder de Noordplas. Het was tevens mogelijk om effecten van maatregelen en een veranderend klimaat te voorspellen en de onzekerheid in de voorspelling aan te geven.

 

Hendrik Meuwese en Robert Hoogeveen (Witteveen en Bos): Een hydrologisch model is nooit af, het voldoet...

Wanneer is een model af? Wanneer functioneert het voldoende of onvoldoende? Een model blijft een stuk gereedschap dat ondersteuning biedt bij het nemen van beslissingen.
Op basis van de regionale modellen IBRAHYM en MORIA heeft Witteveen+Bos een aantal transportmodellen ontwikkeld. Hierbij zijn aanpassingen aan het modelinstrumentarium doorgevoerd om met de nodige betrouwbaarheid het gedrag van stoffen te kunnen modelleren. De transportberekeningen vormden de input voor het opstellen van saneringsplannen voor twee bodem- en grondwaterverontreinigingen in Limburg. Daarnaast hebben we een transportmodel opgesteld om de verzilting van drinkwaterwinning Grubbenvorst te onderzoeken.
Een model voldoet, als het helpt je vraag te beantwoorden. Dat kunnen grondwaterstanden, grondwaterfluxen of reistijden zijn. Is het dan af?!
Tijdens onze presentatie bespreken we oplossingen en problemen die tijdens het uitbreiden van een hydrologisch model naar een stoftransportmodel naar voren zijn gekomen.


Hans-Peter Broers (TNO/Deltares): Reistijdenverdelingen en instationair transport.

Voor een prognose van de waterkwaliteit bij een waterwinning of in een stroomgebied zijn er feitelijk drie grote onzekerheden: de emissie van stoffen, chemische processen onderweg en de transportroute en reistijden tussen bron en receptor. Hydrologische modellen leveren daarbij met name informatie over de transportroute, de reistijdenverdeling en de fluxen. Maar, zeker op de eerste twee eigenschappen wordt een hydrologisch model maar zelden geijkt en voor de fluxen wordt meestal uitgegaan van stationariteit. Bij de presentatie wordt ingegaan op deze onzekerheden aan de hand van drie voorbeelden. Voor het stroomgebied van her riviertje de Run wordt aangetoond hoe groot het effect is van de modeldiscretisatie en de oplossingsmethode op de reistijdenverdeling van het grondwater naar het riviertje. Voor de waterwinning Holten wordt getoond hoe datering van het water uit pompputten kan worden gebruikt om een hydrologisch model te calibreren op een reistijdverdeling. En voor de polder Quarles van Ufford wordt besproken hoe veel het uitmaakt om transport instationair door te rekenen in plaats van stationair.

 

Maarten Ouboter (Waternet): Waterkwaliteitsmodellering: de voorpret alleen is al bijna genoeg..
Een pleidooi om vooral te worstelen met hoe een systeem nou precies werkt. Vanwege die worsteling verzamel je gegevens: om te snappen hoe het op een plaats werkt. En vanwege die worsteling zet je soms een model in: om onoverzichtelijke consequenties van bevindingen te gaan overzien. Modellen neigen er zo vaak toe een 'altaar' te zijn waar data heengesleept worden omdat de invoer dat nodig vindt. Het verhaal geeft voorbeelden van systeemanalyse, de zoektocht naar waarom het is zoals het is.
De 'waterkwantiteit' wordt vanuit deze benadering veel meer aangesproken met specifieke vragen dan dat het een technologie op zich is. De standaard volgorde 'kwantiteit - kwaliteit - ecologie' keert om: 'landschap/kwaniteit/ecologie/ - kwaliteit'. 'Modelleren' is steeds meer een ordening van vragen waarvoor data-analyses en, als dit nodig is, modellen worden ingezet. Een conclusie van deze voorbeelden is dat het voorspel alleen al bijna genoeg is....


Mattijs Hehenkamp (Grontmij): Op dit moment maken wij waterkwaliteitsmodellen voor het waterschap Rivierenland in Sobek (in combinatie met de Emissiemodule). De basis hiervoor is een schematisatie en een gecalibreerd model die is gemaakt door een hydroloog. Gevolg is dat stap 1 van ons werk het aanpassen van het model is om ervoor te zorgen dat we er mee kunnen rekenen. Belangrijk punt is bv het droogvallen van watergangen. Voor hydrologen geen probleem, voor waterkwaliteitsberekeningen een crash van de berekening. Wat verder een interessant gegeven is dat we eigenlijk altijd starten met een fractieberekening om te kijken wat de verhoudingen zijn van de verschillende bronnen en hoe het model werkt. Dit levert vaak inzichten op die voor de hydrologen nieuw is. Soms wordt zelfs besloten het model aan te passen op basis van die inzichten, en dat terwijl we werkten met een opgeleverd en gecalibreerd model. Kortom, het grensgebied tussen waterkwaliteitsmodellen en waterkwantiteitsmodellen is interessant en we zouden graag zien dat meer werkzaamheden die op dit moment door waterkwaliteitsmodelleurs worden uitgevoerd worden opgepakt door de hydrologen, zoals een fractieberekening. In de presentatie zal dieper op het bovenstaande worden ingegaan, met voorbeelden vanuit de modellen die we opzetten voor Rivierenland.

 

Harry Boukes: Discussieleider bij de plenaire discussie in de middag.