modelinstrumentarium
Bij een kalibratie worden modelinstellingen voor een bepaalde periode en situatie afgeregeld zodanig dat de berekende waarden goed (genoeg) overeenkomen met metingen. Een validatie houdt in dat het model met dezelfde modelinstellingen voor een andere periode en/of met andere metingen wordt vergeleken. De validatie is geslaagd als ook dan de berekende waarden goed (genoeg) overeenkomen met de metingen.
Figuur D.1 Zuurstofconcentratie (in g/m3) op locatie Dreischor in de onsuccesvolle validatieberekening
In eerste instantie was de validatie van het 3D Grevelingen model niet succesvol. Voor de validatie was het jaar 2008 berekend met de modelinstellingen zoals afgeregeld voor het jaar 2000 (Deltares, 2008). Figuur D.1 toont het berekeningsresultaat van de validatieberekening. Duidelijk is te zien dat de langdurig zuurstofuitputting in de zomer in de onderlaag niet door het model gereproduceerd wordt. Aangezien de zuurstofhuishouding het voornaamste doel van het model is, is het resultaat niet acceptabel en wordt een nader onderzoek naar de modelinstellingen nodig.
Figuur D.2 op de volgende pagina’s geeft een schematisch overzicht van het uitgevoerde (model)onderzoek dat geleid heeft tot het verbeterde model.
De zuurstofuitputting in de onderlaag wordt in essentie bepaald door twee factoren. De mate van stratificatie bepaald de aanvoer van zuurstof vanuit de bovenlaag. Bij een sterke stratificatie – dat wil zeggen een groot zout- en/of temperatuursverschil tussen boven- en onderlaag – is de aanvoer vrijwel nihil, De tweede factor is de zuurstofvraag in de onderlaag. Afbraak van organisch materiaal en de reactie met gereduceerde stoffen zoals sulfides en ammonium verbruiken zuurstof. Een grotere zuurstofvraag in de onderlaag bij gelijkblijvende stratificatie leidt tot een snellere zuurstofuitputting.
In eerste instantie richtte het onderzoek zich op de zuurstofvraag in de zomerperiode. Enkele gevoeligheidstesten met een kunstmatig verhoogde zuurstofvraag gaven al snel aan dat een
1201650-000-ZKS-0016, 31 december 2010, definitief
grotere zuurstofvraag nauwelijks tot een lagere zuurstofconcentratie leidde. Te weinig stratificatie bleef daardoor over als mogelijke verklaring.
De aanwijzing die uiteindelijk leidde naar de oplossing, was het verloop van de temperatuur in de onderlaag. De GTSO metingen laten zien dat de temperatuur in de onderlaag achterblijft bij de temperatuur van de bovenlaag. Bijvoorbeeld in juli in GTSO-13 (Dreischor) is de temperatuur bij de bodem zo’n 14 oC. Deze temperatuur kan gelezen worden als een tijdstempel; 14 oC is de normale temperatuur van april/mei. Dat de temperatuur in juli nog gelijk is aan 14 oC betekent dat het water in de onderlaag van GTSO-13 sinds april/mei niet ververst is.
Het model laat daarentegen in juli een te hoge temperatuur in de onderlaag zien. Kijkend naar het verloop van de temperatuur in de onderlaag is te constateren dat het model begin mei nog goed op de metingen ligt, maar dat het model een snellere doormenging van de waterkolom laat zien dan de metingen. In het model is de temperatuur van de onderlaag in ongeveer een maand opgelopen naar de temperatuur van de bovenlaag, terwijl dat in de metingen ongeveer drie maanden duurt.
De sleutel werd tenslotte gevonden in de vorming van de stratificatie in begin mei. Bij de GTSO meting van 7 mei 2008 wordt een scherpe zoutstratificatie van 1,5 ppt gemeten in alle diepe putten, waarbij de stratificatie in het westen wat groter is dan in het oosten. De meting van twee weken daarvoor (24 april) laat de zoutstratificatie nog niet zien, zodat de stratificatie tussen 24 april en 7 mei moet zijn gevormd. De zoutstratificatie wordt niet door het model gereproduceerd.
Op 7 mei 2008 is er nog nauwelijks sprake van temperatuurstratificatie. Van 7 mei tot 15 mei is er vervolgens warm voorjaarsweer met luchttemperaturen die oplopen tot meer dan 20 oC en met meerdere dagen met een stralende zon zonder bewolking. Dit heeft tot gevolg dat de temperatuur van de oppervlaktelaag snel oploopt hetgeen in de GTSO meting van 21 mei 2008 goed is te zien. Ook in het model loopt de temperatuur van de oppervlaktelaag snel op. In het model wordt in begin mei dus wel de temperatuurstratificatie, maar niet de zoutstratificatie gereproduceerd. Wat heeft dit voor gevolg? Met alleen temperatuurstratificatie is de mate van stratificatie in het model minder dan in werkelijkheid volgens de metingen. Dit resulteert logischerwijs in een snellere doormenging in het model dan in werkelijkheid volgens de metingen. Tot zover is het modelgedrag begrijpelijk en verklaarbaar.
Waarom is er geen zoutstratificatie in het model op 7 mei 2008? Tussen 24 april en 7 mei 2008 moet water met een zoutgehalte van tenminste 30,5 ppt (dat wil zeggen het zoutgehalte onder de putten) zijn ingestroomd. De metingen van station BG08 geven een lager zoutgehalte op de Noordzee weer en tevens ontbreken gegevens voor enkele dagen. Er is geen andere bron dan de Noordzee denkbaar die ervoor kan zorgen dat de onderlaag van de putten gevuld wordt met zouter water. We hebben daarom geconcludeerd dat de gegevens van BG08 en de GTSO-metingen niet consistent met elkaar zijn.
Via enkele gevoeligheidsberekeningen hebben we getoetst wat het effect van de aanwezigheid van zoutstratificatie op 7 mei 2008 is op de stratificatie en de berekende zuurstofconcentratie in de zomerperiode. Zonder de resultaten van deze testen te laten zien, was de conclusie dat deze zoutstratificatie cruciaal was voor het modelresultaat.
1201650-000-ZKS-0016, 31 december 2010, definitief
Validatie van het 3D model van het Grevelingenmeer voor hydrodynamica, waterkwaliteit en primaire productie
D-3 van 75
Tenslotte was de vraag hoe de zoutstratificatie begin mei te realiseren. We hebben ervoor gekozen om de randvoorwaarde op de Noordzee aan te passen zodanig dat het instromende zoutgehalte consistent was met de GTSO-metingen.
Figuur D.2 geeft een schematisch overzicht van het uitgevoerde (model)onderzoek. De nieuwe resultaten van het 3D Grevelingen model met de aangepaste randvoorwaarde en het dubbele aantal lagen zijn beschreven in het hoofdrapport in hoofdstuk 2.
Conclusie: De aanzet van stratificatie in het voorjaar is cruciaal voor rest van het jaar. Temperatuurstratificatie bovenop aanwezige zoutstratificatie heeft een versterkend effect en zorgt voor een stabiele stratificatie die in 2008 maanden in stand blijft.
Bovenstaande conclusie is een aanwijzing dat de zuurstofproblematiek wellicht gedeeltelijk te verbeteren is door een aangepast sluisbeheer. Als de zoutstratificatie begin 2008 voorkomen had kunnen worden, zou de stratificatie minder stabiel zijn geweest en zou de zuurstofloosheid minder langdurig zijn geweest. Het is aan te bevelen in hoeverre een aanpassing van het sluisbeheer tot verbetering zou kunnen leiden, bijvoorbeeld door gebruik te maken van een combinatie van actuele metingen en operationele modelvoorspellingen. Zowel geschikte metingen (meetlocaties) als geschikte modellen zijn beschikbaar om deze combinatie te verkennen.
1201650-000-ZKS-0016, 31 december 2010, definitief
Validatie van het 3D model van het Grevelingenmeer voor hydrodynamica, waterkwaliteit en primaire productie