Grondwaterstroming in de onverzadigde zone

De stroming van water in de onverzadigde zone wordt over het algemeen beschreven als één-dimensionaal en in de verticale richting, waarbij gebruik wordt gemaakt van de Richard’s vergelijking. In SIMGRO wordt de niet-stationaire stroming in de onverzadigde zone benaderd door een aaneenschakeling van stationaire situaties (pseudo-dynamische situatie). Hierbij wordt de onverzadigde zone beschouwd als twee reservoirs, een voor de wortelzone en een voor het gebied tussen de wortelzone en de grondwaterspiegel [Rijtema, 1971; De Laat, 1980]. Het reservoir van de wortelzone simuleert de berging van

vocht, met instroom en uitstroom van bijvoorbeeld neerslag, actuele evapotranspiratie, oppervlakkige afstroming en capillaire opstijging of percolatie. Oppervlakkige afstroming wordt berekend als de neerslagintensiteit de infiltratiecapaciteit overschrijdt of als er water op het maaiveld staat. Water dat op verhard oppervlak valt kan via riolering naar een RWZI worden gevoerd of direct aan een dichtbij gelegen sloot worden toegekend.

Percolatie wordt berekend wanneer het vochtgehalte van de wortelzone het zogenaamde evenwichtsvochtgehalte overschrijdt. Het evenwichtsvochtgehalte is het vochtgehalte dat in evenwicht is met de diepte van de grondwaterstand, in afwezigheid van stroming. Capillaire opstijging vanuit het grondwater wordt berekend wanneer het vochtgehalte beneden de evenwichtswaarde blijft. Het balansmodel van de wortelzone maakt gebruik van rekenresultaten (o.a. Qc, Veq en µ)

die vooraf met het ééndimensionale numerieke model CAPSEV zijn verkregen [Wesseling, 1991]. Het model CAPSEV heeft als invoer de opbouw van lagen en de bijbehorende bodemfysische parameters.

Het andere reservoir wordt gebruikt voor de berekening van de freatische bergingscoëfficiënt (zie figuur 5.3). In het model wordt met een variërende waarde van de freatische bergingscoëfficiënt in de ondergrond gewerkt. Deze coefficient wordt geheel afhankelijk gesteld van de diepte van de grondwaterstand. In werkelijkheid is de bergingscoefficient ook afhankelijk van het vochtgehalte van de wortelzone. De gevolgde methode is voor het modelleren op regionale schaal echter voldoende nauwkeurig [Van Walsum & Veldhuizen, 1999]. De waarde van de freatische bergingscoefficient als functie van de grondwaterstandsdiepte is eveneens

Figuur 5.3 Schematisatie van de onverzadigde zone in SIMGRO. Met Pn = netto neerslag, Ps = beregening, E = evapotranspiratie, V = vochtgehalte, Veq = evenwichtsvochtgehalte en Qc = opwaartse flux [Querner, 1993].

met CAPSEV berekend, door een serie van berekeningen te maken voor verschillende grondwaterstandsdiepten.

Voor het berekenen van de verdamping heeft SIMGRO de potentiële evapotranspiratie van een referentie gewas als invoer nodig. Van andere vegetatietypen wordt de potentiële verdamping berekend met gewasfactoren ontleend aan Feddes [1987]. Voor open water is een gewasfactor van 1.25 aangehouden. Voor bos wordt de potentiële verdamping berekend als de som van transpiratie en interceptie. De potentiële verdamping van het referentiegewas wordt berekend uit meteorologische data, gebruik makend van de Makkink-vergelijking voor gras. Reductie van de potentiële verdamping van het referentiegewas tot de actuele verdamping wordt in SIMGRO gebaseerd op de vochtspanning in de wortelzone volgens:

r E E

E =α * vergelijking 5.4

Met: α als functie van vochtspanning en potentiële transpiratie E_E pvolgens figuur 5.4

5.2.3 Af- en ontwatering

In SIMGRO is het afwateringssysteem geschematiseerd als een aaneenschakeling van reservoirs, een per traject van een grotere waterloop. De reservoirs worden gereguleerd door een stuw (of imaginaire stuw) bij het uitstroompunt van het reservoir. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een Q-h relatie, zoals vergelijking 5.5.

Elow Ehigh h4 h3h h2 h1 0.0 1.0 h3l aE h

Figuur 5.4 Reductiecoëfficiënt voor wateropname door wortels a_E , als functie van bodemvochtspanning en potentiële transpiratie E_p. Bij h₄ (verwelkingspunt) is er geen wateropname, tussen h₃ en h₂ is de evapotranspiratie maximaal (potentieel) tussen h₂ en h₁ is er weer reductie als gevolg van zuurstof tekort [Feddes et al, 1978]

52 Alterra-rapport 844

( )

n h c Q= ⋅ ∆ vergelijking 5.5 Waarin: Q = oppervlaktewater debiet (m3d-1) c = constante (m3-nd-1) h ∆ = overstorthoogte (m) n = afvoer factor (-)

De Q-h relatie vat alle hydraulische kenmerken binnen het reservoir samen op een ‘black box’ manier. De door een waterloopvak en bijbehorende drainagemid- delen gedraineerde opper- vlakte die gedraineerd wordt een afwateringseenheid genoemd. Deze afwaterings-

eenheden visualiseren de al besproken reservoirs. De inhoud van een reservoir wordt bepaald door de dimensies van alle binnen de afwateringseenheid aanwezige waterlopen. Aan elkaar gekoppelde afwateringseenheden vormen een cascade die overeenkomt met de natuurlijke route van het oppervlaktewater in het betreffende gebied. De afwateringseenheden omvatten minimaal één invloedsgebied (van een knooppunt). Voor het berekenen van de ontwatering wordt in SIMGRO de formule van Ernst gebruikt:

(

)

Y h h q_w g sw α − = vergelijking 5.6 Waarin: w q = drainage flux (md-1) g h = gemiddelde grondwaterspiegel (m) sw

h = waterpeil van het oppervlaktewater (m)

α = geometrie factor, afhankelijk van de vorm van de grondwaterspiegel tussen

de sloten, waarde: 0,65-0,85

Y = drainage- of infiltratieweerstand (d)

De waarde van de weerstand (Y) is zowel afhankelijk van de kenmerken van de waterloop (dimensies en intreeweerstand) als van de doorlatendheid van de pakketten die de waterloop aansnijdt. In figuur 5.5 is het af- en ontwateringssysteem zoals in SIMGRO geschematiseerd weergegeven. Van alle ontwateringsmiddelen (zoals kleine sloten, greppels en drainage wordt binnen een afwateringseenheid, per invloedsgebied de drainageflux of infiltratieflux berekend. De drainage of infiltratiefluxen van de verschillende ontwateringsmiddelen worden vervolgens bij

Waterloop Knooppunt Invloedsgebied Afwateringseenheid

elkaar opgeteld en als debiet aan het reservoir toegevoegd De drainage of infiltratie wordt berekend afhankelijk van het oppervlaktewaterpeil en de grondwaterstand. Ontwateringsmiddelen functioneren als het oppervlaktewaterpeil en/of de grondwaterstand boven de bodemhoogte van de ontwateringsmiddelen liggen. [Van Walsum & Veldhuizen, 1999]. Oppervlakte-afvoer wordt in SIMGRO berekend als de neerslagintensiteit de infiltratiecapaciteit overschrijdt, of als de grondwaterstand boven het maaiveld stijgt.

5.3 Modelschematisatie

In document Effecten van verdrogingsbestrijdende maatregelen en klimaatverandering op extreem hoge afvoeren (pagina 50-53)