Child pages
  • DEL143 - Conceptuele modelverbetering NHI
Skip to end of metadata
Go to start of metadata

Binnen hydrologisch Nederland worden NHI en de Waterwijzers Landbouw en Natuur toegepast om effecten van veranderingen in hydrologie, klimaat en maatregelen op het watersysteem, de natuur en landbouw in beeld te brengen. In verschillende studies komen diverse tekortkomingen naar voren. Deltares, WENR en KWR slaan de handen ineen en werken samen met gebruikers aan harmonisatie en verbetering van de modellen. Daarbij wordt een grondige conceptuele verbeterslag doorgevoerd in de modelcodes, gebaseerd op nieuwe robuuste modelconcepten, die op verschillende schaalniveaus en onderling consistent toepasbaar zijn.  Onderlinge afstemming van de rekeninstrumenten staat centraal, zodat de gebruikers er geen last van hebben dat modellen zijn opgebouwd uit componenten van verschillende onderzoeksinstellingen. 

Nieuwe modelleertechnieken in MODFLOW 6 bieden nieuwe mogelijkheden voor onder meer toepassing van verschillende rekenresoluties en geneste modellen. Om optimaal gebruik te kunnen maken van de nieuwe modelleertechnieken, is het nodig de huidige Nederlandse modelconcepten van landelijke, regionale en lokale modellering te herijken, de bestaande concepten en modelkoppelingen aan te passen op de nieuwe modelcode MODFLOW 6, en de concepten tegelijkertijd meer modulair van opzet te maken, zodat verschillende opties en schaalniveaus met onderlinge consistentie kunnen worden toegepast, afhankelijk van de doelstelling van de berekeningen van de gebruikers. Dit levert nieuwe modules op om bijvoorbeeld klimaat robuuste maatregelen door te rekenen en biedt mogelijkheden voor beoordeling van maatregelen tegen zowel droogte als wateroverlast.

Deltares, WENR en KWR hebben daarom besloten de handen ineen te slaan en de externe ontwikkelingen aan te grijpen om in samenwerking met gebruikers harmonisatie en verbetering van de huidige modelconcepten door te voeren. Daarbij staat onderlinge afstemming centraal, zodat de eindgebruiker er geen last van heeft dat de modellen zijn opgebouwd uit componenten die bij verschillende onderzoeksinstellingen worden beheerd en onderhouden.   De ontwikkelingen resulteren in software releases van iMOD en Waterwijzers  die robuust zijn voor de toekomst, en aansluiten op nieuwe externe ontwikkelingen. Bovendien worden meteen inhoudelijke verbeterslagen doorgevoerd, die al eerder zijn geprioriteerd samen met de gebruikers.  De ontwikkelingen dragen uiteindelijk bij aan uitbreiding en verbetering van de gereedschapskist NHI, waarbij wordt gefocust op toepasbare modelcodes en modelconcepten. In die zin is het voorstel complementair aan het investeringsplan NHI, waar wordt gefocust op het orde krijgen van data en modelgeneratoren om modelinvoer te maken.


Hieronder volgt een overzicht waar wordt aan gewerkt in de periode 2021 - 2022:


  • In 2020 heeft Deltares samen met de USGS gewerkt aan het BMI-compliant maken van MODFLOW 6 (Russcher et al, in prep, 2021), waardoor koppelingen met andere modellen mogelijk wordt gemaakt. Voor de Nederlandse gebruikers is bovendien een koppeling met het onverzadigde zone model MetaSWAP gerealiseerd, waardoor standaard, gestructureerde (dus nog op basis van een klassiek eindige differentie netwerk) berekeningen met de combinatie MODFLOW 6-MetaSWAP kunnen worden uitgevoerd. Al eerder is  – vooral in het programma Lumbricus – gewerkt aan prototypen voor het doorrekenen van klimaatrobuuste maatregelen; onder meer is gewerkt aan een prototype voor een conceptuele koppeling tussen MODFLOW 2005, MetaSWAP en D-Hydro FM.
  • De huidige koppelingen en prototypen die zijn ontwikkeld voor de Nederlandse markt zullen moeten worden aangepast voor de vernieuwde modelcode van MODFLOW 6 en op onderdelen doorontwikkeld, aangezien de opzet van MODFLOW 6 compleet gewijzigd is ten opzichte van eerdere MODFLOW-versies. Daarbij is een migratie nodig om de huidige regisseursfunctie (zoals bijv. toegepast in de modelkoppeling iMOD - D-Hydro FM) te vervangen door de aansturing die wordt gehanteerd in de recent ontwikkelde BMI-koppeling. Dit betekent een aanzienlijke wijziging in de aansturing van de gekoppelde modellen, wat onderzoek vereist naar de wijze waarop de waterbalanscomponenten tussen de gekoppelde componenten worden uitgewisseld.
  • Bestaande modelkoppelingen in het NHI zijn tot op heden alleen toepasbaar voor het rekenen met gespannen lagen (zogenaamde ‘confined aquifers’). In veel zandgebieden is dit een te eenvoudige benadering. Het is gewenst om in de grondwatermodellering te kunnen rekenen met het droogvallen van de bovenste modellaag of -lagen. Dit vereist herziening en verfijning van de huidige modelkoppelingen tussen het grondwater en de onverzadigde zone en overige software, aangezien in de berekeningen moet kunnen worden geschakeld tussen de bovenste en onderliggende lagen, gebruik makend van de nieuwe numeriek stabiele algoritmes van MODFLOW 6 voor droogvallende lagen. 
  • Specifiek is in gebieden met diepe grondwaterstanden de huidige benadering voor de onverzadigde zone onvoldoende. De gehanteerde concepten voor berekening van de grondwateraanvulling  (in NHI en de Waterwijzers) volstaan voor ondiepe bodemprofielen, maar houden onvoldoende rekening met bijvoorbeeld vertraging en uitvlakking van de grondwateraanvulling bij dikkere onverzadigde zones. Dit wordt in de praktijk nu dikwijls omzeild door voor deze gebieden extra, iteratieve berekeningen uit te voeren met verschillende modelinstellingen, wat omslachtig is.  MODFLOW 6 maakt het mogelijk om gecombineerde concepten voor de onverzadigde zone toe te passen, die naar verwachting leiden tot meer realistische simulatieresultaten voor tijdsafhankelijke grondwateraanvulling in deze gebieden. Hiervoor zal onderzoek worden verricht naar toepassing van gecombineerde modelconcepten, naar verwachting resulterend in een extra module tussen MODFLOW en MetaSWAP.
  • Naast voordelen en extra opties biedt toepassing van MODFLOW 6 ook enkele nadelen.  Doordat volledig 3D wordt gemodelleerd, dienen in de simulatie scheidende lagen expliciet te worden onderscheiden van aquifers. Hierdoor neemt de rekentijd ruim een factor 2 toe, net als de omvang van de modeluitvoer. Dit zou kunnen worden voorkomen door gecombineerde aanpassingen in de modelinvoer en de modelcode door te voeren. Aangezien er bewust voor gekozen is om in de toekomst voor de Nederlandse markt geen eigen versie van de MODFLOW-code te onderhouden, maar de officiële broncode van de USGS toe te passen, dient (naast lopend onderzoek van parallellisatie van berekeningen, Verkaik et al, in prep.) een andere oplossing te worden gezocht om de modeluitvoer en rekentijd te reduceren. Verwacht wordt dat deze kan worden gevonden in het opleggen van randvoorwaarden en parameters via de in 2020 gerealiseerde BMI-koppeling.   
  • Aansluitend op de ontwikkelingen rond de grondwatersoftware, en de verbeterde mogelijkheden om in MODFLOW 6 met verschillende resoluties te rekenen, worden de concepten in de onverzadigde zone en het simuleren van landgebruik (in MetaSWAP,SWAP en WOFOST in de Waterwijzers) verder op elkaar afgestemd en waar nodig herzien, waarbij voor ogen wordt gehouden toe te werken naar een gereedschapskist met verschillende benaderingen voor toepassingen op verschillende schalen. Daarbij gaan we uit van een versterking van de modulaire opzet van deze modellen voor de onverzadigde zone. In de huidige versies van SWAP en MetaSWAP wordt al onderscheid gemaakt in deelprocessen, maar recente wijzigingen en toevoegingen zijn niet ten goede gekomen aan de onderlinge afstemming en overdraagbaarheid van deze componenten. Daartoe stellen we voor om in 2021 te werken aan een verbeterd ontwerp van de modulaire opzet waarbij een structuur wordt opgezet waar alle modules aan moeten voldoen. Bij de herprogrammering van deze modules zal efficiëntie en overdraagbaarheid van de diverse componenten (modules) in de modellen voorop staan.
  • Tegelijkertijd zal er gewerkt worden aan een verbeterde module voor wateropname in de wortelzone met aandacht voor wortel-bodem-interactie op basis van de concepten van De Willigen et al. en De Jong van Lier et al.  Het ultieme doel van deze exercitie is een verbeterde bodemafhankelijke ‘Feddes-functie’ (macroscopisch reductiefunctie voor gewasopname).
  • Tenslotte zal voor de validatie van het modelinstrumentarium voor zover het betrekking heeft op droogteschade en natschade voor landbouw en natuur een methode worden uitgewerkt om de groenmonitordata (www.groenmonitor.nl) gebaseerd op de NDVI-waarnemingen (Europese Sentinelbeelden) op te schalen naar bodem-Gt-combinaties gekoppeld aan de BodemFysische EenhedenKaart (BOFEK). Deze data kunnen dan op verschillende schaalniveaus voor toetsing van het instrumentarium worden ingezet.



Overzicht activiteiten TKI project


Rol partijen

1. Prototype peilgestuurde drainage en subirrigatie opwaarderen en consolideren in MODFLOW6

(okt 2021 – april 2022)


Deltares en WENR: programmeren. Testen en valideren in samenwerking met WS Aa en Maas en Limburg. Door WS Limburg is extra testwerk voorzien in een uitbesteding, aanvullend op dit traject.

2. Koppeling D-Hydro FM -MODFLOW 6, desgewenst in combinatie met MetaSWAP

(okt 2021 – juni 2022)


WS Aa en Maas en Limburg: formuleren eisen modelconcepten en besluitvorming conceptuele keuzes;

Deltares en WENR: uitwerken concepten en programmeren;

waterschappen en een of meerdere adviesbureaus (i.i.g. Witteveen+Bos); testen en validatie, en op onderdelen bijdragen aan conceptuele uitwerking.

3. Modulaire opzet en harmonisatie SWAP-MetaSWAP + testen enkele modules onverzadigde zone

(okt 2021 – dec 2022)


STOWA, ACSG en RWS: formuleren eisen modelconcepten en besluitvorming

WENR: ontwerp en programmeren;

Waterschappen en adviesbureaus: bijdrage aan testen en validatie.

4. Unconfined rekenen en  verbeterde concepten

Grondwateraanvulling in gebieden met diepe grondwaterstanden

(okt 2021 – juni 2022)


WS Limburg en Brabant Water: formuleren eisen modelconcepten en besluitvorming

Deltares en WENR: ontwerp en programmeren.

Adviesbureaus RHDHV en SWECO: bijdragen aan ontwerp, programmeren en testen.

WS Limburg, Aa en Maas en Brabant Water (en naar verwachting ook WML) : bijdragen aan testen en validatie.

5 Versneld rekenen in MODFLOW 6

(okt 2021 – juni 2022)


Rijkswaterstaat en evt. Brabant Water of WS Limburg: formuleren eisen modelconcepten en besluitvorming.

Deltares en TAUW: gezamenlijk uitwerken ontwerp en implementatie software en testen.

Gezamenlijk (allen): bijdragen aan pilotberekeningen (bijv. met  het Brabant model).

6 Verbeterde conceptbeschrijving bodem-wortel interacties gericht op verbeterde reductiefunctie voor wateropname en deze testen voor bodemprofielen waar dit relevant is (veen-kleigronden).

(okt 2021 – dec 2022)


Formuleren eisen en wensen: ACSG, STOWA en RWS. WENR, KWR:  inventarisatie modelconcepten in literatuur, programmeren en testen in samenwerking met partijen (o.a. Vitens, evt. Witteveen+Bos).

7. Methode voor validatie van droogte- en natschade aan de hand van groenmonitordata

(okt 2021 – dec 2022)


STOWA, waterschap Aa en Maas: formuleren wensen

WENR: uitvoering

Toepassing/testen: waterschappen, Vitens en adviesbureaus.

8. Overzicht en samenhang componenten


Alle partijen, onder gezamenlijke aanvoering van Deltares en WENR.

Status (juli 2022)

Activiteit


Toelichting

1. Prototype peilgestuurde drainage en subirrigatie opwaarderen en consolideren in MODFLOW6


Eind 2021 is een prototype opgeleverd, dat binnen het TKI project getest is. Het prototype werkt en is verder getest binnen het TKI-project toepasbaar. Momenteel wordt gewerkt aan documentatie van de functionaliteiten. Het resultaat zal worden meegenomen in de iMOD 5.4 release in de zomer van 2022. Zie voor verdere toelichting ook de presentaties TKI 27 juni 2022 (en de toelichting onder de tabel).  

2. Koppeling D-Hydro FM -MODFLOW 6


Er is voortgebouwd op het prototype uit Lumbricus. Dat was nog niet helemaal volmaakt, de koppelingen leken destidjs nog niet helemaal sluitend te zijn uitgewerkt. In het TKI project is een  ‘fout’ in de waterbalans verholpen, die bleek op te treden in specifieke onderdelen in de koppelsoftware bij toepassing op (uitsluitend) het 1D model. Er wordt verder gewerkt aan de migratie naar MODFLOW 6. Ook zijn voorbereidingen gestart voor een nieuw proefgebied in Rivierenland. Zie voor verdere toelichting ook de presentaties TKI 27 juni 2022 (en de toelichting onder de tabel).  

3. Modulaire opzet en harmonisatie SWAP-MetaSWAP + testen enkele modules onverzadigde zone



zie voor communicatie de website waterwijzer landbouw WaterWijzer Landbouw Home (wur.nl) en info activiteit info 8. Zie voor verdere toelichting ook de presentaties TKI 27 juni 2022 (en de toelichting onder de tabel).  

4. Unconfined rekenen en  verbeterde concepten

Grondwateraanvulling in gebieden met diepe grondwaterstanden


Voor Zuid Limburg is een eerst versie van unconfined modellering in MODFLOW 6 opgezet. Na aanvankelijk moeizame convergentie van de modellen is in het voorjaar van 2022 flinke progressie geboekt. Prototypes voor een combinatie van unconfined rekenen in MODFLOW 6 met de onverzadigde zone module UZF zijn succesvol door testen gekomen. In de zomer van 2022 wordt verder gewerkt aan het koppelen van het onverzadigde zone model MetaSWAP aan deze combinatie, zodat combinatie in het najaar van 2022 kan worden getest. Naar verwachting kan het resultaat eind 2022 worden gereleased in iMOD. Zie voor verdere toelichting ook de presentaties TKI 27 juni 2022 (en de toelichting onder de tabel).  

5 Versneld rekenen in MODFLOW 6



Er zijn succesvolle tussenresultaten verkregen bij het implementeren van een methode voor quasi 3D berekeningen in MODFLOW 6, zonder de modelcode zelf aan t passen. Hierbij is gebruik gemaakt van iMOD coupler (XMI).  Resultaten laten zien dat een versnelling van een factor 5,5 in de rekentijd mogelijk is, dit komt vrijwel overeen met compensatie van het verlies in rekentijd door de overgang naar MODFLOW 6. In het voorjaar van 2022 is gewerkt aan tooling, o.a. voor de conversie naar DISU, en verder testen van de methode in het LHM. De werkzaamheden zullen in de zomer van 2022 worden afgerond door ze te documenteren. Zie voor verdere toelichting ook de presentaties TKI 27 juni 2022 (en de toelichting onder de tabel).  

6 Verbeterde conceptbeschrijving bodem-wortel interacties gericht op verbeterde reductiefunctie voor wateropname en deze testen voor bodemprofielen waar dit relevant is (veen-kleigronden).


zie voor communicatie de website waterwijzer landbouw WaterWijzer Landbouw Home (wur.nl) en en info activiteit info 8. Zie voor verdere toelichting ook de presentaties TKI 27 juni 2022 (en de toelichting onder de tabel).  

7. Methode voor validatie van droogte- en natschade aan de hand van groenmonitordata


zie voor communicatie de website waterwijzer landbouw WaterWijzer Landbouw Home (wur.nl) en info activiteit info 8. Zie voor verdere toelichting ook de presentaties TKI 27 juni 2022 (en de toelichting onder de tabel).  

8. Overzicht en samenhang componenten


De inhoudelijke voortgang wordt maandelijks afgestemd tussen de betrokken partijen, de overleggen zijn hiervoor uitgesplitst naar een overleg voor grondwater en een overleg voor de waterwijzers, waarbij kruisbestuiving tussen de deeloverleggen is gerealiseerd. Daarna worden regelmatig in bijeenkomsten een toelichting aan derden gegeven over de voortgang. de NHI bijeenkomst in januari zijn de volgende presentaties gegeven:

Zie voor verdere toelichting ook de presentaties TKI 27 juni 2022 (en de toelichting onder deze tabel).  

Status (juli 2022)

Op 27 juni is in een gezamenlijke bijeenkomst van alle partners binnen het TKI een tussenstand van de ontwikkelingen aan elkaar gepresenteerd.  Per deelproject is de status weergegeven. Daarbij is de 'oogst' van de producten tot dusver gepresenteerd, en overzicht gegeven van de nog uit te voeren activiteiten in 2022. Tot slot is een schets gegeven van de (mogelijke) toekomstige samenhang van de verschillende componenten. Zie de link naar de presentaties TKI 27 juni 2022 waaar de verschillende deelonderwerpen zijn toegelicht.


Planning

Het TKI project is gestart in sept / okt 2021 en zal doorlopen tot eind 2022. Diverse onderdelen zullen eerder worden opgeleverd, bijvoorbeeld in iMOD releases in de zomer en het najaar vna 2022 en in opleveringen binnen het project Waterwijzer Landbouw.

  • No labels