Schematisering van het topsysteem

Omdat aanvullend op het complete instrumentarium door de stuurgroep gevraagd is een snel rekenende, eenvoudigere versie van het instrumentarium te operationaliseren om landelijke beleidsstudies met acceptabele rekentijden mogelijk te maken, zijn voor het topsysteem twee schematiseringen nodig: een gedetailleerde die aansluit op het LHM en een vereenvoudigde voor snelle beleidsstudies.

2.4.1.1 De gedetailleerde schematisering in ANIMO Horizontale schematisering

Bij de ruimtelijke eenheden van het LHM versie 3.5 (Pouwels et al., 2018) zijn ANIMO-eenheden gedefinieerd. De LHM-schematisering bestaat uit 419.781 rekeneenheden van 250x250m. Een deel daarvan representeert volledig open water, kassen of stedelijk gebied, die niet worden meegenomen in de uitspoelberekeningen. Het aantal rekeneenheden voor ANIMO in het gedetailleerde

instrumentarium is daardoor kleiner, namelijk 400.596 eenheden. Voor deze eenheden zijn de hydrologische kenmerken van het LHM (grondgebruiksvorm, bodemeigenschappen,

drainagekarakteristieken, hydrologische randvoorwaarden etc.) aan het ANIMO-model opgelegd. Hierbij is geen rekening gehouden met de intrinsieke ruimtelijke schalen van het stoftransportconcept in ANIMO. De LHM-rekencellen die het bodem-water-plant-atmosfeer-systeem beschrijven, heten in wetenschappelijk jargon ‘soil(water)-vegetation-atmosphere transfers’: SVATs. Deze naam is in dit rapport overgenomen.

De stuurgroep NWM heeft gevraagd een snel rekenende versie van het instrumentarium op te leveren voor beleidsverkenningen. Tegelijkertijd zouden de resultaten voor een verfijndere schematisering een gelijkwaardige of grotere nauwkeurigheid moeten hebben dan de resultaten van STONE-plots. Om dat

te bewerkstelligen, zijn SVATs met vergelijkbare eigenschappen binnen landbouwdeelgebieden samengevoegd tot HRU’s (homogeneous respons units). Bij het afleiden van de HRU’s moet ervoor worden gezorgd dat de totale water-, mest- en nutriëntenbalans nauwelijks verandert. Via de vereenvoudigde schematisering (de volgende paragraaf) zijn bovendien 5202 extra HRU’s afgeleid voor de Waddeneilanden; het betreft HRU’s die (omdat de Waddeneilanden in het LHM ontbreken) geen corresponderende SVATs in het LHM hebben.

Verticale schematisering

Voor de indeling in compartimenten in het uitspoelingmodel is één generieke laagindeling toegepast. In deze indeling is aangesloten op de indeling in bodemhorizonten en neemt de laagdikte toe met de diepte. De laagdikte van de eerste laag direct onder het maaiveld is 5 cm, deze neemt geleidelijk toe tot een diepte van 4 m en vanaf deze diepte bedraagt de laagdikte 1 m (figuur 2.5). Vergeleken met de voorloper van het instrumentarium, STONE, zijn effectief meer lagen onderscheiden.

De diepte van de kolommen is ruimtelijk gespecificeerd. Op basis van analyse van de

geohydrologische eigenschappen in de onderliggende bestanden in het LHM, is een koppelvlak tussen ANIMO en MT3DMS gedefinieerd. Dit wordt nader toegelicht in paragraaf 2.4.3.

Figuur 2.5 Verticale schematisering: fijne schematisering nabij het maaiveld, grover naar beneden.

2.4.1.2 De vereenvoudigde schematisering in HRU’s Horizontale schematisering

Om de gevraagde snel rekenende versie voor beleidsverkenningen te maken, is een vereenvoudigde versie met minder rekeneenheden afgeleid uit de gedetailleerde schematisering van ANIMO. Deze eenheden worden aangeduid met ‘Homogeneous Response Units’ (HRU’s). Een HRU is een cluster van SVATs die dezelfde of sterk gelijkende eigenschappen hebben en dus een vergelijkbare uit- en afspoeling hebben. Vanwege die overeenkomst kunnen deze SVATs identiek worden geschematiseerd en geparametriseerd tot een HRU.

5 5 5 5 5 5 10 10 10 20 20 20 20 30 30 50 50 50 50 100

De methode waarmee de HRU’s zijn afgeleid, is uitgebreid beschreven door Renaud et al. (2017). In 2018 is besloten deze HRU-indeling aan te passen door niet de Gt-kaart, maar de door het LHM berekende gemiddelde laagste en hoogste grondwaterstanden (de GHG’s en GLG’s) te gebruiken. De reden voor deze wijziging is dat de hydrologische invoerparameters een te grote range kenden, waardoor de door de LHM berekende karakteristieken te veel zouden worden uitgemiddeld. De gevolgde werkwijze, waarbij het gebruik van de berekende grondwaterstandsklassen is verwerkt, wordt hieronder op hoofdlijnen beschreven.

Geprobeerd is om de rekeneenheden zo veel mogelijk locatiegebonden te definiëren. Dat is

gerealiseerd door bij het samenstellen van de eenheden – naast karakteristieke fysische kenmerken (bijv. de bodemeigenschappen) – ook gebruik te maken van gemeentegrenzen en CBS-

landbouwgebieden (figuur 2.6). In tabel 2.1 is een overzicht gegeven van de bestanden die zijn gebruikt om stapsgewijs (volgens de volgorde in de tabel) het aantal rekeneenheden in te dikken tot de HRU’s.

Figuur 2.6 CBS-landbouwgebieden (links) en Landbouwdeelgebieden (rechts) gebruikt in HRU- indeling.

Tabel 2.1 Kenmerken die zijn gebruikt bij de afleiding van homogene eenheden.

Kenmerk Aantal gebruikte

eenheden/klassen Bron Gemeentegrenzen 239 PDOK (2017) Landbouwdeelgebieden CBS (2017) Landgebruik 8 LGN7 Bodemkaart 289 BIS

Bodemfysische eenheden (BOFEK) BIS

Bodemeenheden (PAWN) BIS

Indeling pleistoceen / holoceen 2 Hydrotypenkaart

Berekende kwel in het holoceen 6 (3) LHM / NHI (2017) Berekende grondwatertrap pleistoceen 4 LHM / NHI (2018)

Aanwezigheid buisdrainage 2 LHM / NHI (2017)

Het afleiden van de HRU’s is hieronder samengevat. Voor de uitgebreide beschrijving van de methode wordt verwezen naar Renaud et al. (2017). In Bijlage 3 zijn de geactualiseerde stappen voor het afleiden van de HRU’s in detail beschreven.

Samengevat zijn de volgende stappen doorlopen:

• De bestanden zijn verrasterd op 250 m-formaat, voor zover ze al niet beschikbaar waren in deze resolutie (m.n. de bestanden die in het LHM worden gebruikt).

• Eerst zijn landbouwdeelgebieden gedefinieerd op basis van de CBS-gemeentekaart. Bij het eventueel samenvoegen van gemeenten is gestreefd naar een areaal van minimaal 7000 ha landbouwgrond. Onregelmatige vormen van de deelgebieden zijn voorkomen. Dit resulteerde in 239 landbouwdeelgebieden (individuele of clusters van CBS-gemeenten).

• De landgebruiksgroepen in LGN zijn gegroepeerd naar acht landgebruiksklassen.

• De kaarten met bodemeigenschappen zijn gereduceerd tot 289 bodemfysische unieke eenheden, die gekoppeld zijn aan de Bodemkaart van Nederland 1:50.000 (1980). Daarbij zijn de zeer kleine eenheden verwijderd, en via gemeenschappelijke kenmerken in de grovere kaarten (PAWN, indeling klei, löss, veen en zand) geschematiseerd met grotere eenheden met gelijksoortige eigenschappen. • Op basis van de kwelkaart van LHM 3.3 (rekenperiode 1981-2010) is vergelijkbaar met STONE een

indeling in zes klassen gemaakt (Bijlage 3). In het pleistocene gebied zijn de berekende grondwatertrappen in LHM 3.5 geclusterd naar 4 GLG-klassen (Bijlage 3).

• De resulterende indelingen (landbouwdeelgebieden, landgebruiksgroepen, bodemfysische eenheden, indeling holoceen/pleistoceen (m.u.v. in natuurgebieden), kwelklassen, GLG-klassen) zijn samen met de onderliggende data voor alle rastercellen in een database vastgelegd.

• Met beslisregels zijn vervolgens in enkele stappen HRU’s gegenereerd, waarbij bijvoorbeeld voor eenheden met een zeer klein oppervlakte (< 100 ha) kenmerken zijn toegekend op basis van dominante kenmerken, bijvoorbeeld de (meest voorkomende) bodemfysische eenheden. Voor landbouwgebieden is onderscheid gemaakt naar de aanwezigheid van buisdrainage voor zover het oppervlak niet te klein wordt (>50 ha).

• Tot slot zijn voor de Waddeneilanden HRU’s toegekend op basis van gelijkende eenheden op het vaste land, met name in Noord-Holland en Friesland. Dit betreft 77 HRU’s.

Via deze werkwijze zijn voor het LWKM 28.610 HRU’s onderscheiden. De details over het aanmaken van de HRU’s, en in het bijzonder de specifieke queries die zijn gebruikt voor het reduceren van het aantal HRU’s, zijn weergegeven in Bijlage 3.

De Waddeneilanden ontbreken in het LHM, daardoor konden deze in eerste instantie ook niet met het LWKM worden gerepresenteerd. Het overstappen op de HRU’s maakt het mogelijk op basis van de bodemeigenschappen gelijkende HRU’s te zoeken en te combineren met de mestdata voor de landbouwdeelgebieden van de Waddeneilanden. Hierdoor kunnen via de berekeningen met de HRU’s ook resultaten voor de Waddeneilanden worden gegenereerd, die ook in de een-op-een-benadering kunnen worden toegepast. Bij de 77 gedefinieerde HRU’s horen 5205 SVATs die kunnen worden toegepast in de gedetailleerde berekeningen.

Verticale schematisering

De verticale schematisering van de HRU’s is gelijk aan de schematisering van de gedetailleerde rekeneenheden (paragraaf 2.4.1.1).