DEEL 4: MODELLERINGEN GRONDWATER, OPPERVLAKTEWATER EN VEGETATIE
16.5 Lokaal model
16.5.1 Modelcode
Voor het kerngebied van de vijvers van De Maten (lokaal model) is een hydrogeologisch model ontwikkeld met de Visual Modflow 2009.1-software. Modflow gebruikt de techniek van de Eindige Differenties, maar laat niet toe dat lokaal de rastering verdicht wordt. MODFLOW is als broncode door USGS ontwikkeld. De interface die door Vito gebruikt wordt is Visual Modflow 2009.1, die door Schlumberger wordt gecommercialiseerd.
16.5.2 Geografische omschrijving
Het lokaal model beslaat het gebied dat wordt ingesloten door de Stiemer (O) en de Heiweyerbeek (W) en aansluitende delen van het SBZ-gebied. De grenzen van het lokale model zijn de grenzen die gehanteerd worden door INBO voor de NICHE-modellering. Grosso modo is dat naar het noordwesten, ongeveer de
waterscheiding van de Heiweyerbeek. Naar het oosten is er voor de INBO-gebied geen duidelijke fysische grens, maar is de rand van het model evenwijdig met de Stiemer.
Het gebied tussen Stiemer en Heiweyerbeek is een min of meer afgesloten hydrogeologisch systeem, dat rondom begrensd wordt door fysisch controleerbare grenzen. De Stiemer is weliswaar deels antropogeen, maar ingevoerd als flux-limiet is deze randvoorwaarde op het terrein verifieerbaar. Dit laat toe om de grondwater-problematiek van het vijvergebied in detail te beschrijven/bestuderen. Ook de impact van de dijkstructuren stroomafwaarts van enkele vijvers kan ten volle in het model worden ingebracht.
Hydrogeologisch is er in de Maten één freatisch reservoir (Formatie van Bolderberg, Lid van Genk (BbGe)). De vloer van het systeem (kleiig zand van formatie Eigenbilzen) wordt afgeleid uit de geologische kaart en hertaald naar het fijnere raster. In het lokaal model worden 4 rekenlagen ingebracht, waarbij de eerste 3 lagen van west naar oost een gelijke dikte houden. Voor laag 4 neemt de dikte toe in NO richting. Ruwweg zijn er op die wijze 40.000 x 4 actieve rasters.
De topografie is ingevoerd op basis van het DHM-grid aangeleverd door INBO. Het opnamegrid heeft een horizontale resolutie van 0.25 m en dat is door INBO omgezet naar DHM raster van 12.5 x 12.5 m. Voor het lokale model van het vijvergebied is in functie van de eco-hydrologische modellering, gekozen voor een uniform raster van 12.5 m x 12.5 m.
Figuur 47: Topografie van het kerngebied) tussen Stiemer en Heiweyerbeek gebaseerd op DHM 5m (AGIV). Het vijvercomplex ‘De Maten’ is helblauw gemarkeerd; de aanwezige dijkstructuren zijn aangeduid met rode streepjes.
16.5.3 Geologie – reliëf
De geologische opbouw van de ondergrond is afgeleid uit de Geologische Kaart van België, Vlaams Gewest, bladen 25 (Hasselt) en 26 (Rekem). De oligocene en miocene zanden komen voor in het gehele studiegebied:
Formatie van Eigenbilzen [Eg] : kleihoudend glauconietzand met een dikte van ongeveer 20 m dat naar de
basis toe nog moeilijk te onderscheiden is van de onderliggende Klei van Boom (Fm Boom);
Formatie van Bolderberg, Lid Houthalen [BbHo] : fijn glauconietzand met een uniforme dikte van ongeveer
10 m;
Formatie van Bolderberg, Lid van Genk [BbGe] : fijn tot gemiddeld geel zand.
Het reliëf van het kerngebied van De Maten is zeer verschillend van het reliëf in het regionale model. In het kerngebied is het reliëf gelijkmatig oplopend met een helling van 3‰, terwijl in het regionaal model in de bovenloop van de rivieren (Figuur 48), de helling naar de waterscheiding verdubbelt tot 5 à 6 ‰.
Figuur 48: Topografisch profiel van het lokaal modelgebied.
16.5.4 Hydrogeologie – Natuurlijke grondwaterstroming
De freatische laag is ingesloten in de tertiaire zanden van de formaties van Eigenbilzen en Houthalen. In regel is het kwartaire grind op het Kempens plateau niet watervoerend. In het lokale modelgebied heeft het freatische pakket een gemiddelde dikte van 62 m. Minimale dikte is 40 m en maximale dikte is 84 m. De natuurlijke grondwaterstroming is naar het westen georiënteerd.
16.5.5 Waterlopen, drainagegrachten en vijvers
Het tracé van de waterlopen wordt overgenomen uit de VHA-atlas. In het model worden de waterlopen ingevoerd als een Fourier-conditie, waarbij de beddingsweerstand (e/K) van het gecalibreerd Newsam-model wordt overgenomen. Idem voor de vijvers van De Maten, waar de beddingsweerstand was berekend uit de gemeten slibdikte en een gecalibreerde doorlatendheid K.
Om de diffuse afwatering tussen de vijvereenheden mee in rekening te brengen is het DRN-pakket gebruikt. Met het DRN-pakket wordt m.a.w. de oppervlakkige drainage in rekening gebracht, waarmee uittredend grondwater over maaiveld wordt afgevoerd. Het verschil met een Fourier-conditie is dat een drainagekanaal de freatische laag niet kan voeden. Voor elke DRN-cel kan het drainagedebiet (kwel) berekend worden op analoge manier als voor RIVER-cellen (maar daar kan zowel drainage (kwel) als infiltratie optreden). Daarbij dient opgemerkt te worden dat de drainageweerstand een belangrijke bepalende factor is voor het debiet. De drainageweerstand kan technisch in het model gerelateerd worden aan bodem/bedding eigenschappen (bv. zand versus veen), maar bij gebrek aan een betrouwbare en gebiedsdekkende bodemkaart van het gebied wordt dit binnen het kader van deze studie niet meegenomen in de modellering. Omdat in natte perioden in de lage delen en dalflanken van De Maten kwel optreedt waarbij het water over maaiveld wordt afgevoerd, is er, in overleg met INBO en UA, gekozen om in het grondwatermodel over het ganse gebied mogelijkheid tot drainage van grondwater te voorzien.
Concreet is dit als volgt in het model geïmplementeerd:
Grotere waterlopen die permanent water afvoeren, worden ingevoerd als RIVER-cellen. Alle andere cellen worden ingevoerd als DRN-cellen. Dit betekent dat alle cellen buiten de waterlopen grondwater kunnen draineren. De drainhoogte is bepaald op 2 cm onder maaiveld met een uniforme drainageweerstand van 1 dag. Het invoeren van een drain-randvoorwaarde impliceert niet dat het grondwater niet boven dat niveau kan stijgen : de grondwaterstand wordt in de eerste plaats bepaald door de omgevingswaarden (continue functie !). Een
drain-voorwaarde laat toe dat vanaf een gegeven niveau grondwater uit het systeem verdwijnt, met een debiet dat door de drainageweerstand wordt bepaald (T = 156 m²/d). Voor de ingemeten kleine waterlopen en grachten wordt het gemeten drainageniveau aangehouden.
Voor alle cellen kan dan een drainagedebiet of kwelflux berekend worden.
Vijvers zijn apart gedefinieerde cellen (randvoorwaarde type River (=Fourier)). Het statisch waterpeil van de vijver is het peil dat tijdens de onderscheiden campagnes is opgemeten. Afhankelijk van de verhouding tot het freatische grondwater, kan een vijver ofwel grondwater afvoeren (kwel) dan wel het freatische pakket voeden (infiltratie).
16.5.6 Invoer data en Randvoorwaarden
De randvoorwaarden van het lokaal model worden mede bepaald door het regionaal model. In het lokale model zijn de waterlopen Stiemer en Heiweyerbeek ingevoerd als Fourier-conditie
(beekpotentialen). Bij het model in transiënt regime worden voor het peil van de oppervlaktewateren in het kerngebied de tijdsreeks gebruikt, die is opgemeten in kader van deze studie. Voor de meeste waterlopen is een beddingsweerstand van 1 dag aangenomen, behalve voor de Stiemer en het Albertkanaal. De Stiemer is in de benedenloop voor een groot deel artificieel en daarom is een beddingsweerstand van 20 dagen ingevoerd. Voor de vijvers in het natuurdomein De Maten zijn de waterpeilen en de slibdiktes opgemeten in kader van deze opdracht. De beddingsweerstand van de vijvers is berekend uit de gemiddelde slibdikte (e) en de geschatte doorlatendheid K = 0,01 m/d : c = e/K [T] en werd verder gemoduleerd tijdens de ijking.
Uit eerdere studies en modellen in de regio is de doorlaatbaarheid van de miocene zanden goed gekend. De dikte van het freatisch pakket is afgeleid van de geologische kaart. Omdat de kwartaire grind-formaties in Zutendaal niet watervoerend zijn is voor de berekening van de transmissiviteit rekening gehouden met de dikte van de onverzadigde zone. De transmissiviteit stijgt van 200 m²/d in het zuiden tot 460 m²/d in het noordoosten.
Bij berekeningen in permanent regime wordt een gemiddelde neerslag ingevoerd. Bij berekeningen in transiënt regime worden 14-daagse neerslag reeksen ingevoerd. In het lokaal model is de nuttige neerslag berekend op basis van 3 pluviometers in de omgeving (data VMM), rekening houdend met landgebruik, evaporatie en run-off (zie § 16.5.8).
16.5.7 Beschikbare referentiewaarden
In het kerngebied zijn piëzometriegegevens beschikbaar van 14 locaties (peilbuizen met dataloggers). De opgemeten dagelijkse waterstanden zijn gebruikt voor ijking en evaluatie van de modelresultaten. Op 4 locaties zijn er meetreeksen van ruim 2 jaar (november 2010 t.e.m. juli 2013). Op de overige 10 locaties beslaat de meetreeks ongeveer 1.5 jaar (juni 2011 t.e.m. juli 2013).
16.5.8 Berekening van de natuurlijke voeding - Neerslagoverschot
Inleiding
Voor de simulatie van een hydrogeologisch systeem in een permanent regime (dh/dt = 0), zal de natuurlijke neerslag meestal een minder kritische parameter zijn omdat een langjarig gemiddelde veelal gekend is. Voor een simulatie in een transiënt regime is een langjarig gemiddelde niet voldoende. Omdat de reactiviteit van het systeem wordt getest door een vergelijking met lange piëzometrische reeksen met punctuele opnames (piëzometrie op één gegeven plaats op één gegeven tijdstip), wordt de nuttige neerslag als een pulsbron meegegeven: de piëzometrie reageert immers vrij direct op de hoeveelheid water die in de aquifer binnentreedt. Door de VITO is daarom een eenvoudige methode ontwikkeld om, op basis van 14-daagse of maandelijkse sommen voor de totale neerslag, de overeenkomstige nuttige neerslag te berekenen.
De effectieve neerslag wordt berekend vertrekkende van de dagelijkse neerslag in 3 pluviometrische stations uit de omgeving. De neerslag wordt geaggregeerd in periodes van 14 dagen. Dat is ook de periode om de effectieve neerslag te begroten, op basis van de groeicurves van een aantal gewassen. Er is momenteel geen
gebiedsdekkende kaart beschikbaar m.b.t. vegetatie en landgebruik volgens de classificatie waarop de berekening van nuttige neerslag gebaseerd is. Voor het gebied is wel door De Belder et al. (2002) de vegetatieverdeling in de periode 1942-1998 afgeleid uit luchtfoto’s (zie tussenrapport 1, Ontwikkeling van de vegetatie vanaf 1942). Die studie onderscheidt 12 vegetatie-eenheden waarvan de omvang (m2) en het procentuele aandeel in het buitengebied van De Maten werd bepaald (exclusief vijvers). Op basis van de meest recente gegevens (1998) uit De Belder et al. (2002) en de beschikbare data over de huidige omvang van de vijvers wordt de vegetatie- en landgebruiksverdeling afgeleid die aangehouden wordt voor de berekening van de nuttige neerslag in het ganse kerngebied (7 klassen: bos, weide, akker, heide, water, urbaan, ruraal). Aan de hand van een beknopte analyse met een uniform (voor het hele kerngebied geldt een ruimtelijk uniforme neerslag) en een ruimtelijk verdeeld scenario (op basis van de vegetatieverdeling) zal gemotiveerd worden wat het effect is van de keuze van de uniforme effectieve neerslag en of het zinvol is die ruimtelijk verder te
Gebruikte gegevens
Onderstaand is het algoritme beschreven voor de berekening van de nuttige neerslag. Er is gebruik gemaakt van de meetreeksen met dagsommen van de totale neerslag in de omgeving van De Maten, beschikbaar in de VMM databank voor oppervlaktewater (www.hydronet.be). Een gemiddelde waarde is berekend op basis van de 3 meest nabijgelegen stations en vervolgens zijn de dagwaarden geaggregeerd tot 14-daagse neerslag wat vereist is voor de gebruikte methodiek voor omrekening naar nuttige neerslag. Bij de omrekening wordt rekening gehouden met het landgebruik in het gebied, de bijhorende groeicurves voor waterverbruik van gewassen in functie van seizoentijd, en de fysische verdamping (panverdamping).
Berekeningsmethode
Essentieel voor de berekening is het begroten van de hoeveelheid water die verdampt. Voor het begroten van de term 'evapotranspiratie' bestaan er verschillende al dan niet gesofisticeerde methodes, die meestal alleen op dagbasis kunnen toegepast worden, zoals de methodes van Thornthwaite, van Penman of van Turc. Voor deze methodes moet echter het temperatuurprofiel, de rechtstreekse instraling en de windverdeling in de atmosfeer voor een gegeven dag zijn gekend.
Deze gegevens zijn voor de regio in onderhavige studie slechts of niet fragmentair gekend (klimatologisch station). Anderzijds bestaan er rechtstreekse metingen van de verdamping aan een vrij wateroppervlak. In de voorgestelde methode wordt aangenomen dat de gemeten verdamping in Mol de klimatologische condities representatief weergeeft.
De evapotranspiratie (i.e. de rechtstreekse verdamping plus de fysiologische verdamping) wordt vooral door de aanwezige vegetatie gedetermineerd: de hoeveelheid grondwater die via een bos verdampt is zowel in hoeveelheid als in chronologie totaal verschillend van bijv. een grasland of een akkerland. Daarom is in de methode expliciet rekening gehouden met de groeicurves van de verschillende gewassen.
De totale verdamping per maand werd berekend als (Viesmann,1977; Penman, 1956; Sokolov, 1974; Kaufmann, 1992) : x p i i j
GI k E
ET
ETj : Evapotranspiratie voor de maand j GIi : groeiindex voor het gewas i
k : verhouding van GI tot de gemeten panverdamping Ep : pan verdamping voor maand j
: totale porositeit : drainageporositeit
: porositeit die via verdamping kan gedraineerd worden, afhankelijk van de
grondsoort en bodemtype x : /G
Om de nuttige neerslag te berekenen, moet naast de totale verdamping ook de oppervlakkige - directe - afvoer van regenwater worden gekwantificeerd. Uit de hydrologie (Chow, 1964, Vanderbeken, 1982) zijn voldoende gegevens gekend over de relatie bodembedekking en afvoer.
De maandelijkse afvoer is begroot als
R
jq
iN
jA
i
Rj : directe afvoer voor maand j
qi : drainagecoëfficiënt voor bodemgebruik i Nj : totale neerslag voor maand j
Ai : oppervlakte ingenomen door bodembedekking i
De totale nuttige neerslag per maand is voor elke deelgebied tenslotte berekend als
16.5.9 Modeloutput
Het grondwatermodel berekent grondwaterstanden in m-TAW. Deze waarden worden herrekend naar m-mv gebruik makend van het 12.5m x 12.5m DHM-grid (opgemaakt door INBO). Het grondwatermodel berekent de flux van/naar waterlopen (RIVER-cellen), m.a.w. de infiltratie- of drainageflux. Op elke locatie waar de
grondwaterstand boven het maaiveld of boven drainageniveau van de grachten uitkomt, wordt het water gedraineerd (aftoppen van de waterstand) en wordt de drainageflux (kwelflux) berekend.
Na kalibratie op basis van vergelijking van de berekende met de gemeten piëzometrie in periode 2011-2013, wordt de nuttige neerslag berekend voor een periode van 8 jaar (2004 – 2012). Voor elke raster wordt de grondwaterstand berekend en wordt deze waarde om de 15 dagen weggeschreven. Uit dit databestand worden de GxG-waarden berekend. Voor elk of RIVER-raster wordt de flux berekend (enkel drainage bij DRN-cellen; drainage of infiltratie bij RIVER-cellen). De kwelflux is de gemiddelde drainageflux.
16.5.10 Kalibratie
Bij vergelijking van de modelresultaten met de gemeten grondwaterstanden dient rekening gehouden te worden met de ongelijke spreiding en de soms ongunstige ligging van de peilbuizen met beschikbare piëzometrische data. In het zuidwestelijk deel van het gebied zijn er geen peilbuizen en de diverse peilbuizen staan zeer dicht bij de rand van een vijver. Het verloop van de waterstand in een peilbuis vlakbij een randvoorwaarde (in dit geval een vijver) wordt in het grondwatermodel in hoofdzaak bepaald door de randvoorwaarde van het model zodat de gemodelleerde waterstanden er beïnvloed zullen zijn door de afstand tot de randvoorwaarde. Verder kunnen nabij randvoorwaarden steilere gradiënten optreden waardoor de exacte locatie van de peilbuis een behoorlijk effect kan hebben op de berekende waterstand. Immers, de berekende grondwaterstand voor een bepaalde peilbuis is de grondwaterstand in het centrum van de rastercel waarin deze peilbuis gelokaliseerd is. De grondwaterstand is per definitie over het gehele raster gelijk. Bij de kalibratie wordt gemoduleerd op beddingsweerstand en hydraulische conductiviteit.
Permanent regime
In een eerste fase wordt het lokaal model vs. 4 gekalibreerd in een permanent regime. Hiervoor wordt voor het gehele kerngebied (6 km²) een gelijke jaarlijkse nuttige neerslag aangenomen. De piëzometrie wordt
gekalibreerd met de meetdata van november 2011. De maand november wordt gekozen omdat er in regel gedurende november er een aanvulling van het freatisch reservoir gebeurt (Neff > 0).
Voor een geslaagde kalibratie geldt (met α = 0.01) : hmeting = 1.00 x hmodel De residuen zijn normaal verdeeld met s² ≈ 1.0 in de standaardvorm.
Transiënt regime
In een tweede fase wordt voor de periode januari 2011 tot mei augustus 2013 de evolutie van de piëzometrie berekend in een transiënt regime; de dagelijkse grondwaterstand gemeten in de 14 peilputten geldt als
ijkingscriterium. Bij het kalibreren wordt getracht om voor elk van de 14 piëzometers het verloop zo goed mogelijk te reconstrueren. Hierbij speelt zowel de hoogte van de berekende piëzometrie als het verloop een bepalende rol. De resultaten worden geëvalueerd o.b.v. het correllogram (gemeten vs. berekende waterstand) en de verdeling van de residuen. Daarnaast zullen voor elke piëzometer ook de gemeten en de berekende HG3, LG3 en VG3-waarden (jaargemiddelden van hoogste, laagste en voorjaarsgrondwaterstand) vergeleken worden.