Nieuwe manier van hydrologisch modelleren toepasbaar voor elk stroomgebied in de wereld

Gepubliceerd 6 mei 2020

Waterbeheerders nemen continu beslissingen om de waterveiligheid te garanderen. Deze beslissingen vinden plaats op de korte termijn, bijvoorbeeld gedurende de huidige droogte of juist bij kans op overstroming; maar ook voor de lange termijn, met het oog op de grotere extremen door klimaatverandering. Eén aspect hebben al deze beslissingen gemeen, ze worden vaak onderbouwd met resultaten van hydrologische modellen.

Modelleren met een hoge ruimtelijke resolutie

Het ontwerp van zo’n model en de opzet voor een bepaald stroomgebied brengen een hoop uitdagingen met zich mee. Vooral de modelparametrisatie wordt vaak als een struikelblok gezien. Parameters van een hydrologisch model worden gebruikt om het gedrag van het model te koppelen aan die van de rivier, waar het model voor wordt opgezet. De huidige hydrologische modellen zijn ruimtelijk gedistribueerd, wat inhoudt dat ze het stroomgebied opdelen in kleine cellen van bijvoorbeeld één vierkante kilometer. Voor iedere cel is dan een set parameters aanwezig. Tot nu toe werden de parameterwaarden gevonden door middel van kalibratiemethoden, die toegepast werden op alle modelparameters. Met de steeds hogere ruimtelijke resolutie waarop we stroomgebieden modelleren, wordt deze aanpak echter een onhaalbaar multidimensionaal probleem.

Vrij beschikbare omgevingsdata

In deze studie worden de parameters van een hydrologisch model geschat door middel van experimentele functies uit de literatuur, welke zijn afgeleid in laboratoria wereldwijd. De functies gebruiken vrij beschikbare omgevingsdata, zoals bodem-, vegetatie- en landgebruiksgegevens om fysische eigenschappen mee te schatten. Voor de toepassing van deze functies, is dan nog een model benodigd met parameters die deze fysische eigenschappen representeren. Wflow_sbm, een hydrologisch model dat grotendeels bij Deltares is ontwikkeld, heeft dit en biedt daarmee een uitgelezen kans om zo’n aanpak te testen. De aanpak is getest voor de Europese Rijn, waarbij modelparameters eerst zijn afgeleid op de vaak hogere dataresolutie en daarna opgeschaald met parameterspecifieke opschaalregels naar de modelresolutie. Het voordeel daarvan is dat dit consistente parametervelden geeft op elke gewenste resolutie. Een zo hoog mogelijke resolutie is vaak gewenst, maar voor klimaatonderzoek is dat qua computerkracht vaak niet haalbaar. Een grovere resolutie is dan beter, mits de resultaten zo min mogelijk verschillen van de resultaten op een hogere resolutie. Het juist opschalen van de parameters maakt dit mogelijk.

Robuust en schaalonafhankelijk model

De resultaten voor de Rijn zijn veelbelovend en vergelijkbaar met het huidige operationele model, maar dan schaalbaar en veel sneller afgeleid. De vervolgstappen zijn het testen van de limieten van deze aanpak voor stroomgebieden wereldwijd in combinatie met andere experimentele functies voor de parameterschattingen, want mogelijk is het maximaal haalbare nog niet bereikt. Ook de ontwikkeling van het model (wflow_sbm) staat niet stil. Inmiddels werken Deltares experts aan een verbeterde afleiding van het rivier- en drainagenetwerk, om op die manier het model robuuster en schaalonafhankelijker te maken.

Ruben Imhoff (wetenschapper Deltares / Wageningen UR): “Het bijzondere van deze aanpak is dat het niet exclusief werkt voor de Rijn. We kunnen de aanpak toepassen op elk stroomgebied wereldwijd, wat het modelleren van niet-bemeten gebieden in bijvoorbeeld ontwikkelingslanden mogelijk maakt. Dit zijn we op dit moment aan het testen.”

————————-

“Scaling Point‐Scale (Pedo)transfer Functions to Seamless Large‐Domain Parameter Estimates for High‐Resolution Distributed Hydrologic Modeling: An Example for the Rhine River”, in Water Resources Research (AGU).

Auteurs: Ruben Imhoff (Deltares / Wageningen UR), Willem van Verseveld (Deltares), Bart van Osnabrugge (Deltares / Wageningen UR), Albrecht Weerts (Deltares / Wageningen UR)

Bron: Deltares