DEL143 - Conceptuele modelverbetering NHI

• 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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:

• presentatie overzicht TKI werkzaamheden en andere NHI ontwikkelingen: NHI (stowa.nl)
• presentatie TKI versnelling van MODFLOW 6 berekeningen PowerPoint Presentation (stowa.nl)
• presentatie TKI ontwikkelingen rond Waterwijzers PowerPoint-presentatie (stowa.nl)

Voor de meest recente ontwikkelingen wordt naar onderstaande presentatie verwezen.