Zoetwaterverdeling

Berekeningen over zoetwaterverdeling worden binnen het Nationaal Water Model voor verschillende gebieden en met behulp van verschillende modellen gemaakt.

Zoetwaterverdelingsvraagstukken die we met het Nationaal Water Model doorrekenen, zijn vooral beleidsmatige waterverdelings- en waterbeschikbaarheidsvraagstukken. Daarnaast berekenen we de watertemperatuur van zoetwater en is ook het zoutgehalte (chlorideconcentratie) een belangrijke parameter bij zoetwatervraagstukken.

Modelinstrumentarium zoetwater

Het modelinstrumentarium voor zoetwater is een modeltrein van veel afzonderlijke modellen. De reden dat er verschillende modellen nodig zijn, is dat er voor zoetwatervraagstukken verschillende uitkomsten nodig zijn. Het Nationaal Water Model moet onder meer resultaten leveren over grondwaterstand, waterverdeling, zoutgehalte en temperatuur. Elk model berekent een deel hiervan.

Deelmodellen

De deelmodellen die we gebruiken zijn:

  • LHM
  • SOBEK-NDB
  • LSM light
  • LSM
  • LTM

We lichten ieder model hieronder afzonderlijk toe. En laten zien hoe en waarom de modellen op een bepaalde manier in een rekentrein gekoppeld worden.

Modellentrein-NWM

Modeltrein van het onderdeel zoetwaterverdeling .

Landelijk Hydrologisch Model (LHM)

Het Landelijk Hydrologisch Model (LHM) is het grond- en oppervlaktewatermodel van Nederland. Het bestaat uit 4 geïntegreerde modellen. Het is vanaf 2006 ontwikkeld voor de ondersteuning van het landelijk beleid.

We zetten het LHM in voor verschillende doeleinden. Bijvoorbeeld voor het analyseren van de effecten van klimaatverandering op het Nederlandse watersysteem (Deltaprogramma) of de Kaderrichtlijn Water. En om tijdens droogte te adviseren over de landelijke waterverdeling (Landelijke Coördinatiecommissie Waterverdeling).

Wat berekenen we met het LHM?

Met het LHM berekenen we het regionale grondwaterstromingspatroon van Nederland voor het huidige klimaat en voor de verschillende klimaatscenario’s. Het instrumentarium is gericht op de simulatie van gemiddelde en droge situaties. Met het LHM kunnen we bijvoorbeeld grondwaterstanden, stijghoogten in diepere watervoerende pakketten, kwel- en wegzijgingsfluxen en de uitwisseling tussen het grond- en oppervlaktewater berekenen. Daarnaast wordt de verdeling berekend van oppervlaktewater over het landelijke waterverdelingsnetwerk en over de verschillende regionale oppervlaktewateren in Nederland. Hiermee brengen we de beschikbaarheid van oppervlaktewater op regionaal en landelijk niveau in beeld.

De modeluitvoer kan worden gebruikt als invoer voor andere modellen. Bijvoorbeeld de berekende vochtgehalten in de bodem. Deze kunnen worden gebruikt om de effecten op de landbouw en natuur op het land inzichtelijk te maken. Daarnaast kunnen ze als input dienen voor waterkwaliteitsmodellen. Naast de waterbalans wordt ook de chloridebalans bijgehouden in het grond- en oppervlaktewater.

Waaruit is het LHM opgebouwd?

Het LHM is opgebouwd uit de data, software en tools die ontwikkeld zijn binnen het Nederlands Hydrologisch Instrumentarium (NHI). Het LHM bestaat uit 4 gekoppelde deelmodellen voor grond- en oppervlaktewater:

  • MODFLOW: grondwaterstroming voor de verzadigde zone
  • MetaSWAP: grondwaterstroming voor de onverzadigde zone
  • MOZART: regionaal oppervlaktewater
  • Distributiemodel (DM) voor het landelijke waterverdelingsnetwerk

Distriebutiemodel-DM

De verschillende modellen in het LHM

Het LHM beslaat heel Nederland. Het model heeft een output in de vorm van een raster. Elk rasterhokje beslaat in werkelijkheid 250 m en heeft zijn eigen waarde. 3 van de onderliggende modellen hebben dit ook (MOZART, MetaSWAP, MODFLOW). Het distributiemodel is als volgt geschematiseerd:

Schematisatie-DM

Schematisatie van het Distributiemodel (DM) .

SOBEK-model Noordelijk Delta Bekken (SOBEK-NDB)

SOBEK is een modelsysteem in 1 dimensie en laat geschematiseerde open waterlopen (oppervlaktewater) zien. Zo kunnen we waterbeweging, zoutindringing, sturing van kunstwerken als stuwen, waterkwaliteit, neerslagafvoer en sedimenttransport simuleren. Het watersysteem wordt in SOBEK gedefinieerd als een stelsel van knopen en takken die op een logische manier aan elkaar gekoppeld zijn. Langs de takken bevinden zich rekenpunten waaraan gebiedsgegevens gekoppeld zijn. Deze gegevens zijn, in het geval waarin waterbeweging en sedimenttransport worden gesimuleerd, onder andere het dwarsprofiel van de watergang, de bodemwrijving, de initiële waterstand of -diepte en karakteristieke korreldiameters van het sediment. Zie ook de pagina Wat is de relatie met SOBEK?

Het SOBEK-NDB model wordt binnen de zoetwatermodeltrein om 1 specifieke reden ingezet: de berekening van de zoutindringing via de Noordzee in het Noordelijk Delta Bekken. Het SOBEK-NDB model gebruikt binnen het Nationaal Water Model onder andere als invoer de met berekende hoeveelheden water per tijdseenheid op de bovenrand (meest bovenstroomse locatie: Tiel, Hagestein en Lith) en de met het LHM berekende lateralen op de zijtakken.

In het Nationaal Water Model gebruiken we de volgende versie van het Noordelijk Delta Bekken: SOBEK-Re 2.52.009 - NDB 1_1_0.

LSM en LSM-Light

Het Landelijk Sobek Model (LSM) is ontwikkeld door de beschikbare Sobek-modellen van landelijke en regionale waterbeheerders te combineren in 1 grote Sobek-schematisatie. Dit is beschreven in het achtergronddocument LSM.04 (pdf, 6.4 MB)

Watergangen-LSM

De geschematiseerde watergangen die in het LSM .

Het LSM wordt binnen het Nationaal Water Model vooral ingezet om het oppervlaktewater in meer detail door te rekenen. Dit resulteert in de parameters waterstanden en debieten. Hiervoor maakt het LSM gebruik van de waterverdeling die met het LHM berekend is. Hoewel LHM zelf op basis van de berekende waterverdeling ook waterstanden uitrekent, hebben deze uitkomsten in het algemeen te weinig detail. Dit komt door de wijze waarop de waterlopen in het LHM zijn geschematiseerd. De waterstanden kunnen met het LSM wanneer gewenst per rivierkilometer worden berekend. Naast het gebruik van LSM voor beleidsanalyses in het Deltaprogramma, en dan met name het Deelprogramma Zoetwater, zijn LSM-resultaten recent ook gebruikt door het project VONK (Vervangingsopgave Natte Kunstwerken).

Binnen het Nationaal Water Model gebruiken we versie 1.2 van LSM.

Verschillen LSM en LSM-LT

Binnen het Nationaal Water Model kunnen we ervoor kiezen om alleen het hoofdwatersysteem door te rekenen, plus een beperkt gedeelte van de regionale watersystemen. We gebruiken hiervoor LSM Light. Op basis van een LSM Light berekening kunnen we vervolgens ook de watertemperatuur berekenen met het Landelijk Temperatuur Model (LTM). Om de regionale wateren te kunnen doorrekenen zetten we het ‘grotere’ LSM in.

LTM

Het LTM is een aparte module gekoppeld aan LSM/LSM-Light waarmee de (rivier)watertemperatuur kan worden gemodelleerd. Het LTM houdt rekening met de luchttemperatuur, luchtvochtigheid en bewolkingsgraad om de warmteuitwisseling tussen lucht en water inzichtelijk te maken. Zo kan de watertemperatuur de invloed voelen van de lucht. De warmteuitwisseling wordt ook bepaald door de hoeveelheid water en de snelheid waarmee het op een bepaalde locatie stroomt. Daarom is een koppeling met het LSM/LSM-Light noodzakelijk.

Daarnaast houdt het LTM rekening met de opwarming van het rivierwater op het moment dat het water gebruikt wordt voor de koeling van industriële installaties (zoals energiecentrales). De mate van opwarming is afhankelijk van het type installatie en de wamteproductie. Het LTM maakt gebruik van de zogenoemde vergunde hoeveelheden. Dit zijn de hoeveelheden koelwater die bedrijven volgens de vergunning mogen gebruiken. Het opwarmende effect van koelwater op de riviertemperatuur kan van belang zijn tijdens periodes van lage rivierafvoer in combinatie met zeer warm weer. Dan kan lokaal de riviertemperatuur zoveel oplopen dat bepaalde wettelijke grenswaarden worden overschreden. In dat geval kunnen industriële faciliteiten worden verplicht om hun productie te beperken, wat financiële schade met zich meebrengt.

Met klimaatverandering in het achterhoofd is het cruciaal om meer inzicht te krijgen in de riviertemperatuur en het effect van opwarming van water door koelwater in Nederland. Maar ook de opeenstapeling van effecten door het gebruik van rivierwater als koelwater in de bovenstroomse landen, zoals Duitsland. Er kunnen dan eventueel specifieke afspraken worden gemaakt.

Zout binnen het zoetwaterinstrumentarium

Het zoutgehalte is een belangrijke parameter in veel zoetwatervraagstukken. Er wordt onderscheid gemaakt in:

  • zout dat via het grondwater in het oppervlaktewater terecht komt
  • zout dat vanuit de Noordzee via de Nieuwe Waterweg in het rivierenstelsel terecht komt

De zoutbelasting via het grondwater wordt berekend binnen het LHM. De zoutindringing (zoutflux) via de Nieuwe Waterweg en de verspreiding van het zout in het Noordelijk Delta Bekken gebied wordt berekend met het SOBEK-NDB model. Omdat de zoutindringing van invloed is op de waterverdeling die berekend wordt met het LHM, is ervoor gezorgd dat de door het SOBEK-NDB model berekende zoutflux wordt doorgegeven aan het LHM.

Het SOBEK-NDB model heeft als invoer echter lateralen op de zijtakken nodig die met LHM worden berekend. Daarom is ervoor gekozen eerst een LHM-berekening uit te voeren waarbij er geen rekening wordt gehouden met de zoutindringing via de Nieuwe Waterweg. Deze berekening is alleen bedoeld om de lateralen te genereren voor het SOBEK-NDB model. Daarnaast zijn er nog andere invoergegevens nodig, namelijk randvoorwaarden (debieten) voor de bovenrand van het SOBEK-NDB model. Hiervoor wordt een LSM-Light berekening uitgevoerd. Nadat het NDB-model is doorgerekend kan op basis van de doorgegeven zoutflux van SOBEK-NDB de correcte LHM-berekening worden uitgevoerd, die wel rekening houdt met de zoutindringing via de Nieuwe Waterweg.

Om de correcte invloed van de zoutindringing op de waterstanden in beeld te brengen, wordt deze LHM-berekening gevolgd door een LSM of LSM-LT berekening. Dit verklaart de modeltrein zoals weergegeven in het onderstaande schema.

modellentrein-zoetwaterverdeling

Modeltrein va n het onde rdeel zo etwaterverdeling .

Nieuwe versie LSM

Het streven is om eind 2018/begin 2019 een nieuwe versie van het NWM beschikbaar te stellen, waarin een nieuwe versie van het Landelijk Sobek Model voor het hoofdwatersysteem is opgenomen (LSM-RWS). De nieuwe versie van LSM is gebaseerd op de software SOBEK-3.
Naar verwachting kunnen met het nieuwe LSM-RWS ook zoutgehalte en temperatuur worden doorgerekend.

2 keer berekenen

Het blijft voorlopig nodig om de LHM- en LSM-RWS berekeningen 2 keer uit te voeren: met en zonder zoutindringing. De berekening met zoutindringing kan namelijk uitkomen op een andere waterverdeling in vergelijking met de berekening zonder zoutindringing. Deze veranderde waterverdeling dient vervolgens weer als input voor de LSM-RWS berekening, die daardoor ook weer andere resultaten kan leveren dan de eerste LSM-RWS berekening.

Het 2 keer doorrekenen van LHM en LSM verdwijnt mogelijk in de toekomst als het LHM vernieuwd wordt en het met het LHM ook mogelijk is om zoutgehaltes door te rekenen. Medio 2018 komt er een nieuwe versie van het LHM beschikbaar, waarbij het DM en MOZART zijn vervangen door RTC Tools. RTC Tools is een model voor berekeningen over oppervlaktewater, met specifieke mogelijkheden om kunstwerken te modelleren. Er wordt nog onderzocht wat de mogelijkheden binnen RTC Tools zijn voor berekeningen over het zoutgehalte.