Methoden die gebruikt worden om toekomstige afvoerveranderingen

Figuur 3.1 illustreert de benodigde stappen om de gevolgen van

klimaatverandering voor het waterbeheer vast te stellen. Voor scenario’s tot 2050, spelen emissiescenario’s een kleine rol en worden de verschillen in projecties bijna volledig bepaald door de verschillen in de resultaten van de diverse klimaatmodellen. Scenario’s die operationeel worden gebruikt ten behoeve van het waterbeheer zijn daarom hoofdzakelijk gebaseerd op de resultaten van verschillende klimaatmodellen in combinatie met

hydrologische/hydraulische modellen. In hydrologische toepassingen worden de drie bovenste vakken gewoonlijk als één enkel vak behandeld.

Figuur 0.1

Figuur 3.1: Benodigde stappen om de gevolgen van klimaatverandering voor het waterbeheer vast te stellen (Kwadijk et al., 2008)

Klimaatmodellen berekenen de hoeveelheid neerslag die afgevoerd wordt. Op basis van uitsluitend klimaatmodellen zijn voor verschillende grote

stroomgebieden in de wereld studies gedaan waarbij de nadruk lag op de jaarlijkse afvoer; echter niet voor de rivier de Rijn. Klimaatmodellen houden echter geen rekening met de accumulatie van het water in het stroomgebied, noch beschrijven ze de hydraulische effecten zoals de voortplanting en

afvlakking van hoogwatergolven in de riviertakken. Veranderingen in rivierafvoer door klimaatverandering worden normaal gesproken in kaart gebracht door klimaatmodellen te combineren met afzonderlijke hydrologische modellen, waarbij met de hydrologische modellen het neerslag-afvoer proces en de afvoer naar de monding van de (deel)stroomgebieden gesimuleerd wordt. Recente studies van het Rijnstroomgebied maken ook gebruik van hydraulische modellen. De hydrologische modellen gekoppeld aan een hydraulisch model, waarbij de hydrologische modellen de afvoer naar de riviertakken simuleren en het

hydraulische model de voortplanting van afvoergolven door de hoofdtak van de rivier simuleert, waarbij rekening gehouden kan worden met de effecten van overstromingen langs de riviertakken. In Nederland zijn de hydrologische

modellen van het Rijnstroomgebied die het meest gebruikt worden het Rhineflow model en het HBV model; het toegepaste hydraulische model is het Sobek 1- dimensionale model.

In recente studies naar de veranderingen in de Rijnafvoer is gebruik gemaakt van klimaatmodellen of klimaatscenario’s die geprojecteerd worden op het Rijnstroomgebied met behulp van één van de volgende methoden:

1. Een deltabenadering waarin de geprojecteerde veranderingen in de relevante klimaatparameters, zoals neerslag, ‘toegevoegd’ worden aan historische tijdreeksen. Deze aangepaste tijdreeksen worden, op hun beurt, gebruikt als invoer voor het hydrologische model.

2. Door de (dagelijkse) resultaten van een (mondiaal of regionaal)

klimaatmodel rechtstreeks te gebruiken als invoer voor het hydrologische model.

Alle scenario’s die gebruikt zijn ten behoeve van het Nederlandse waterbeheer zijn gebaseerd op de eerste methode. Met betrekking tot de bepaling van extreme hoogwaters worden specifiekere methoden toegepast die afzonderlijk beschreven zullen worden.

Deltabenadering (of ‘incremental’ scenario’s), door gebruik te maken van een combinatie van veranderingen in gemiddelde klimaatcondities en hydrologische modellen

Bij de deltabenadering worden de toekomstige veranderingen in de relevante klimaatparameters (de “delta’s”) ofwel overgenomen uit een klimaatscenario (bijv. één van de vier KNMI’6 klimaatscenario’s) ofwel afgeleid uit de

veranderingen die gesimuleerd zijn met een regionaal of mondiaal klimaatmodel (respectievelijk RCM of GCM). In het laatstgenoemde geval worden de

veranderingen (de delta’s) verkregen uit de verschillen tussen de controlerun (die het huidige klimaat beschrijft) en de ‘verstoorde’ run (die het toekomstige klimaat beschrijft gegeven een bepaald broeikasgas emissiescenario). De verschillen (delta’s) worden gebruikt om historisch waargenomen

klimaattijdreeksen te veranderen in mogelijke toekomstige tijdreeksen. Deze getransformeerde reeksen worden vervolgens gebruikt als basis van een hydrologisch model voor het het betreffende rivierstroomgebied. Vergelijkbaar met de toepassing van de deltamethode voor klimaattijdreeksen, kan de

deltamethode ook gebruikt worden om waargenomen fouten in het hydrologische model te omzeilen of te corrigeren; d.w.z. dat de (afvoer-) resultaten van het hydrologische model niet rechtstreeks gebruikt worden maar dat de

veranderingen in de afvoer die door het hydrologische model gesimuleerd zijn, gebruikt worden om de historisch waargenomen afvoer aan te passen.

In veel toepassingen van de deltabenadering worden alleen veranderingen in gemiddelde klimaatparameters meegenomen. Een nadeel van deze ‘klassieke’ deltamethode is dat er, door alleen gemiddelde veranderingen te beschouwen, impliciet van uitgegaan wordt dat er geen verschil is tussen de historische en toekomstige klimaatvariabiliteit; de toekomstige klimaatvariabiliteit wordt als het

ware geërfd van de historisch waargenomen reeksen. Dit betekent bijvoorbeeld ook dat het aantal regendagen in het toekomstige klimaat hetzelfde zal zijn als in het historisch waargenomen klimaat. Dit nadeel is belangrijk voor de beoordeling van de veranderingen in de piekafvoeren. De verandering in de piekafvoer van de Rijn is niet alleen gevoelig voor de verandering in de gemiddelde neerslag, maar blijkt ook zeer gevoelig te zijn voor veranderingen in de relatieve

variabiliteit van meerdaagse neerslagsommen (bijv. Buishand en Lenderink, 2004). Daarom zijn deltamethoden waarbij alleen rekening wordt gehouden met gemiddelde veranderingen minder geschikt om de veranderingen in piekafvoeren te beoordelen. Dit wil niet zeggen dat deltamethoden in het algemeen

gediskwalificeerd worden, aangezien er ook aangepaste deltamethoden beschikbaar zijn.

Directe koppeling van de klimaatmodelresultaten met de hydrologische modellen, of directe benadering

Bij deze benadering worden tijdreeksen uit een klimaatmodel rechtstreeks gebruikt als invoer voor het hydrologische model. Een voordeel van deze benadering is dat rekening gehouden wordt met de veranderingen in

klimaatvariabiliteit die door het klimaatmodel gesimuleerd worden. Een nadeel is dat klimaatmodellen nog steeds problemen hebben met het reproduceren van bepaalde waargenomen neerslagpatronen. Dit betekent dat, ondanks de

terminologie ‘direct’, in de praktijk, verschillende foutcorrecties (biascorrecties) van de klimaatmodelresultaten nodig zijn om de systematische verschillen tussen de controlerun van het klimaatmodel en de historische waarnemingen in

rekening te brengen.

Benaderingen die specifiek toegepast worden voor de bepaling van extreme afvoeren

Bij de bepaling van veranderingen in extreme afvoeren, en in het bijzonder bij de ontwerpafvoer, wordt gebruik gemaakt van alternatieve en/of aanvullende

methoden. Deze omvatten het gebruik van empirische relaties tussen (veranderingen in) maandelijkse of 10-daagse gemiddelde afvoeren en

(veranderingen in) afvoerpieken; extreme waarden analyse om (statistisch) te extrapoleren naar herhalingstijden tussen ~50 en 1250 jaar; het gebruik van lange (1000-jarige) synthetische klimaattijdreeksen om lange afvoertijdreeksen te verkrijgen; het gebruik van één- of tweedimensionale hydraulische modellen om realistischer de voortplanting van afvoerpieken door het rivierkanaal te beschrijven en om rekening te houden met de effecten van retentiemaatregelen en dijkoverstromingen.