Modelleren op maat

~ stowa rapporten nummer 9 onder redactie

Stichting Toegepast Onderzoek Waterbeheer

van: G.D. Geldof L.R. Wentholt

-

l

M o d e l l e r e n op maat

l

l Modelleren op maat

P u t I 2 ~ t i e s en h 4 puiilikôIitovinic:i STOWA kunt u u i l s u t r n d h?rle:lw h11 Sl~chting Tutgepact 0ndi:nork Wat?rtrti?tr Hagemari V e r ~ a k k r r i

W

Postbus 8090 Postbus 281

3503 RB Utrecht 2700 AC Zui:ttrrni?r tel. 030~321199 tel. 079-61 1

188

fax 030~321766 fax 079-613927

a v v ISBN- of bestelnummer en een d u d e i k afleveradies.

Modelleren op maat

Modelleren op maat

onder redactie van ir. G.D. Geldof ir. L.R. Wentholt

STOWA~rapporIen nr. 9 Utrecht. juli 1993

1 6 M E I 1994

~

l Modelleren op maat

Modelleren op maat

dr. ir. P.J.T. van Bakel l .l Inleiding

1.2 Het modelleringsproces 1 . 3 Indeling van modellen 1 . 4 Stand van zaken

1 . 5 Samenvatting en conclusies

2 Enquëte over gebruik modellen in het waterbeheer

ir. G.D. Geldof 2.1 Inleiding

2 . 2 Ontwikkelingen in modellen voor het waterbeheer 2.3 Het gebruik van modellen

2.4 Zelf maken. kopen en uitbesteden

2.5 De 18 meest genoemde computerprogramma's 2.6 Integraal waterbeheer en modellen

2.7 Zelf ontwikkelde programma's

3 Computerondersteund waterbeheer

G. Nijhof

3 . 1 Waterschap Dollardzijivest 3.2 Computergebruik

3.3 S . W . W . ~ m o d e l (Simulatie Waterbeheer Waterschappen) 3 . 4 Gebruik SWW

3.5 Knelpunten en toekomstverwachtingen

4 Het Zuidlaardermeer-effectvoorspelling van maatregelen aan de hand van waterkwaliteitsmodellering

ir. D.M. Komen

4.1 Achtergronden

4 . 2 Fosfaatbalans 1997-1 9 8 0

4 . 3 Waterkwaliteitsstudie met JSBACH 4 . 4 Ontwikkelingen

4.5 Conclusie

Modelleren op maat

5 Modelleren in Rijnland ir. G.M. Moser

5.1 Samenvatting 5 . 2 Inleiding 5 . 3 Organisatie 5 . 4 Modellen

5.5 Modeltoepassingen 5 . 6 Discussie

6 Stromingsmodel van een begroeide waterloop met behulp van een spreadsheet 8 5

ir. C.J.H. G r ~ f f i o e n

6.1 Inleiding

6 2 Model en parameters

6 . 3 Eigenschappen van het model 6 . 4 Voorbeeld

6 5 Slotopmerkingen

7 W.I.C. 4 . 0 (Watergangen Waterstanden Informatie Calculatiel

ing. F.T.L.M. de Gruijter

7 . 1 De ontwtkkeling van W.I.C. 4 . 0 7 . 2 Doelstellingen W.I.C.

7 . 3 Uitgangspunten b ~ j de ontwikkeling 7.4 Invoeren

7.5 Berekenen stuwkrommen 7.6 Continuïteit

7 . 7 Conclusie

Bijlage I Modelomschrijvingen Bijlage II Overzicht per model

/ Documentatie I

Modelleren op maat

1 Modelleren op maat?

dr. ir. P.J.T. van Bakel

1 . l Inleiding

Het motto van de bijeenkomst "Modelleren op maat" geeft aanleiding t o t allerlei vra- gen, zoals:

- wat is een model;

- waarin wordt er gemodelleerd en hoe;

- is modelleren niet altijd maatwerk.

In deze inleiding zal op deze vragen kort worden ingegaan.

War i s een model?

Een model is een vereenvoudigde voorstelling van een deel van de werkelijkheid. Vol- gens deze definitie kan een model variëren van een zeer eenvoudige idee over de water- stroming tot niet-stationaire, drie-dimensionale modellen. Het kenmerk is dat ze betrek- king hebben op de (hydrologische] werkelijkheid.

Belangrijk is om een onderscheid te maken met een methode. Een methode is de 'tech- niek' waarmee een model kan worden gemaakt (bijvoorbeeld een wiskundige formule, een monogram of een computerprogramma],

Wat i s modelleren?

Modelleren is het proces van het maken van een model. Daarbij kan gebruik worden gemaakt van methoden zoals wiskundige vergelijkingen of computerprogramma's.

Waarom wordt er gemodelleerd?

De belangrijkste drijfveer voor het toepassen van modellen is dat we vragen kunnen stellen in de trend van: wat gebeurt er als ik een bepaalde maatregel neem. zonder dat daarvoor de maatregel ook daadwerkelijk wordt uitgevoerd. Andere belangrijke motie- ven zijn de reproduceerbaarheid van dosis-effectrelaties en de inzichtelijkheid. Ook kan een model dienen als leermiddel of als 'boekhouder'.

Sommigen zien de sterke toename in het gebruik van modellen als een modeverschijn- sel of waarschuwen tegen oneigenlijk gebruik (o.a. Beven, 1989).

IS modelleren niet altijd maatwerk?

In het algemeen zal, gegeven de probleemstelling, een model worden toegepast dat daarbij zo goed mogelijk aansluit, en dat wordt 'gevuld' met de probleemspecifieke gegevens. Op voorhand kan worden geconstateerd dat in veel gevallen maatwerk niet bestaat. Soms worden (te) ingewikkelde modellen toegepast voor eenvoudige vraag- stellingen of worden (teleenvoudige modellen gebruikt voor ingewikkelde processen (Komen, deze publikatie).

Modelleren op maar

I n het hierna volgende w o r d t nader ingegadri o p het modelleringsproces en de centrale rol die de probleemstelling hierbij speelt i h o o f d s t u k 21

I n h o o f d s t u k 3 w o r d e n 3 categorieen van modellen behandeld, terwijl in hoofdstuk 4 een 'state o f the art' w o r d t gegeven van toepassing van modellen in het waterbeheer D e samenvatting e n conclusies worden gepresenteerd in hoofdstuk 5

1 .Z

H e t modelleringsproces

Bij het modelleren moeten een aantal stappen w o r d e n doorlopen !zie figuur l i . De belangrijkste stap is het vertalen van de probleemstelling naar het te modelleren systeem. Daarbij m o e t e n vragen w o r d e n h c a n t w o o r d zoals: welke processen moeten w o r d e n meegenomen, waar is de grens van het te modelleren systeem, kan w o r d e n volstaan met langjarig gemiddelde gegeveris o f m o e t e n tijdreeksen worden gebruikt.

Het a n t w o o r d o p d c ~ e vrayen hangt sterk af van w i e de vrayen stelt !de beleidsmaker, de ontwerper o f de beheerder), welk probleem moet worden opgelost en met w e l k doel een model w o r d t toegepast i v a i ë r e r i d var1 richting geven aan o p l o s s n g e n t o t het gene- reren v a n beheerregels voor kunstwerkerii. Ook s aangegeven dar de probleemstelling en de schematiserrig van de werkelijkhm3 w o r d t beïnvloed door de kennis over de werkelijkheid, in de v o r m v a n data.

Bij het s c h e m a t s e r e n van een watertiii!shoii<lkundiy systeem w o r d t een conceptueel model opgesteld en in de regel omgezet in een w i s k u n d g model. Als voorbeeld kan dienen de stroming v a n water in de verzadigde zone. Een conceptueel model daarvoor is dat w a t e r v a n h o o g naar laag stroomt en dat her debiet groter is naarmate het ver^

schil in stijghoogte groter is. Een wiskundig model hiervoor is de bekende vergelijking v a n Darcy:

waarin:

k = mediumspecifieke parameter I d o o r l a t e n d h e ~ d l

F = parameter afhankelijk v a n het beschouwde systeem ioppervlaktel i = variabele (gradient in stijghoogte)

Q = grootheid waarmee het v a n grondwaterstroming w o r d t gekwantificeerd Gegeven de schematisering van de werkelijkheid (het concept) k a n worden besloten t o t het !ver)bouwen v a n een m o d e waarbij de niethode eveneens moet worden o n t w i k - keld, of h e t toepassen v a n een reeds bestaande methode ( b ~ j v o o r b e e l d een compurer- programma). Het proces v a n het b o u w e n van een model en het o n t w k k e l e n van c o m - puterprogramma's w o r d t behandeld door Kovar !deze publikatiel.

Modelleren op maat

Werkelijkheid

- 1 Probleemstelling b

4 ^Modelbouw Modeltoepassing 1

Calibratie (en modelanalyse) k

Model

Data

Calibratiegegevens

Validatiegegevens

Ftguur 1 Schematische weergave van het rnodelleringsproces

Modelleren o p rriaat

Watcrbcheerders r u l l e r i tri d e r n c c s i c giwalleri reeds bestaande methoderi toepassen.

H e t modelleren k o m t d a n neer o p het n v o e r e n v a n de probleem- s r x c f i e k e par ar net er^

w a a r d e n . I n d e n e e n m o d e l w o r d t g e b o u w d o f toegepast o m her gedrag v a n een sys- teen1 t e k u n n e n n a b o o t s e n (simulerenl. m o e t een calibratie e n een v a l d a t e w o r d e n uitgevoerd

I n de c a b r a t i e f a s e k u n n e n de waarder1 var) de parameters ibijvoorbeeld het doorlaat^

v e r n i o y e n i , w o r d e i i aangepast o m de overeenkonist tussen genieten en berekende Iyesirriuleerdel variabelen I b ~ j v o o r h e e l d de g r o n d w a t e r s t a r i d l te verbeteren. Bij het valideren w o r d t nagegaan o f het model de w e r k e j k h e i d voldoende g o e d representeert.

door y e s m u l e e r d e w a a r d e n t e vergelliken niet gemeten w a a r d e n . I n d e n d e overeen- komst volgens een of ander s t a t i s t s c h criteriiini goed is ( z e ook Kovar, deze pub li ka^

t e l , s het m o d e gereed en k a n tiet w o r d e n toegepast o m d o s i s ~ e f f e c t r e a t e s t e p r o d u - ceren.

Bil het o r i t w k k e e r i of toepasseri var1 nior~r!lleri die w o r d e n gehruikt o m e g e n s c h a p p e n v a n een systcern v a s t t e leggen lbi~voorlir!r!ld leggerbeheerpakketicni. is v a n een ca li^

b r a t i e en v a d a t i e f a s e iri strikte z r i geen sprake. Echter ook h i e r b ~ ) yr:lrll d a t de p r o d u k ~ t e n v a n tiet n i o d e worderi vergelekeri niet gegevens var? de w e r k e ~ k h e i d

A a n d a c h t s p u n t e n bij h e t modelleren

Het belangrijkste o r i d e r d e e v a n het modelleririgsproces is de vertaling vari d e probleem^

stelling n het te modelleren systr:r:m. Hiervoor zijn geen strikte regels t e geven, w e l een aarital o v e r w e g i n g e n . O p dc ncrstf: i ~ l a a t s is het v a n belang te realiseren w i e de vragen s t e l t . Is d a t d e b e l e d s m a k e r . de o r t v i e r p e r o f d e b e h e e r d e r Ten t w e e d e - e n d t h a n g t n a u w samen m e t tiet e e r s t e wr!lk doel w o r d t beoogd m e t tiet b o u w e n en toe^

passen v a n ceri m o d e l . Dr! 1ielr:idsniakf:r s meestal vooral ge(r1teresseerd n de haal- tlaartieid v a n oplossingen o f hi:t nader v o r m geven v a n d e o p l o s s n g e r i . De o n t w e r p e r w i l b ~ j v o o r b e e l d v a t e n h o e c m v ~ a t e r l o u p kar1 w o r d e n o n t w o r p e r i of een n i e e t s y s t e e m k a n w o r d e n g e d e f n r : e r d De a d m i n i s t r a t e f betieerder heeft vooral b e h o e f t e aan een model w a a r m e e d c afnif:trirjr:ri var1 'r/aterlopf:ii kuririeri w o r d e n gereproduceerd, t e r w j l de o p e r a t o n e e l beticerdr:r t>~)voorbeeld w i l vreter! o f het gevoerde beheer beter had gekund.

Ook h e e f t a ó t s t y e n o e m d e b e h o e f t e aar1 rnodellen w a a r m e e het dagelijks waterbeheer k a n w o r d e n ondersteund. Bij d11 alles is de varlatie in beschikbare gegevens en in be- schikbare m e n s k r a c h t en ervaring g r o o t .

Het d e f i n i k r e n v a n het t e rnodrllcrr:n systciirri w o r d t o m deze rcderir:ri gekenschetst a s een 'art a n d s c i e n c e ' - a c t ~ v i t c i t . J i i s t daardoor is het v e r s t a n d y o p v o o r h a n d c r i t e r a o p t e s l e i e n waaraan een modelli?ririrj NiOet vulrlocn.

H e t zelf o n t w i k k e l e n v a n een m e t h o d e (zoals h r t s c t ~ r i j v e n v a n c e n c o m p u t e r p r o g r a m n i a l . s zeer tijdrovend e n t e 1 resultaat v e r t o o n t nieestal k e n m e r k e n v a n een ' p r o t o t y ~ p e ' . Reden w a a r o n i wat<:riictir!erders hij voorkeur eer) bestaande m e t h o d e toepassen.

Modelleren op maat

Een nadeel is wel dat kennis van het modelleren systeem daardoor in de regel minder is of dat het toepassingsgebied wordt opgerekt.

Een constatering is ook dat calibratie en verificatie. zo deze al worden uitgevoerd, meestal slecht zijn gescheiden. De verleiding is groot o m het model zo snel mogelijk als geschikt te verklaren. De ervaring leert echter dat de eisen aan de modeltoepassingen steeds hoger worden gesteld, vooral als daarmee het mede daarop gebaseerde beheer aanwijsbaar invloed heeft op specifieke belangen (zie o.a. van Walsum, 1990). De modelleur moet dan verantwoording kunnen afleggen over de door het gebruikte model geproduceerde dosis-effectrelaties.

1.3 Indeling van modellen

Het onderscheid in parameters waarmee de eigenschappen van een systeem worden vastgelegd, variabelen die de toestand van een systeem weergeven en processen (zie hoofdstuk 2 ) . is essentieel en leidt tot de volgende indeling in categorieën van model- len:

l a. Modellen die eigenschappen van een systeem vastleaaen. Voorbeelden zijn de pak- ketten voor leggerbeheer, en geografische informatiesystemen (GISI, om geografi- sche gebonden informatie over de eigenschappen van een systeem op te slaan en te presenteren.

b. Modellen die het (hydrologische) gedrag van een systeem in ruimte enlof tijd

k

schriiven. Voorbeelden hiervan zijn modellen waarmee waargenomen tijdreeksen van variabelen in een wiskundig model worden gevat [bijvoorbeeld tijdreeksmodellen volgens Box and Jenkis. 1960) of waarmee het ruimtelijke beeld van stijghoogten wordt beschreven (met behulp van bijvoorbeeld Kriging: Delhomme. 1978).

Deze modellen bevatten een deterministische component (verklarend deel1 en een toevalscomponent (niet-verklarend deel).

In die gevallen waarin men niet is geïnteresseerd in voorspellingen maar vooral in verklaringen voor opgetreden verschijnselen. genieten deze modellen de voorkeur boven ~ ~ o r s p e l l e n d e modellen vanwege de relatieve eenvoud.

c. Voorspellende modellen.

In de inleiding is reeds gesteld dat toepassing van modellen mede is toegenomen omdat daarmee voorspellingen kunnen worden gedaan of dosis-effectrelaties kunnen worden opgesteld. In tabel 1 staan een viertal methoden vermeld. die hierbij kunnen worden toegepast. De v o o r en nadelen van elke methode spreken voor zich. Bij analogons wordt gebruik gemaakt van de analogie tussen bijvoorbeeld elektrische stroom en grondwaterstroming. Het uitvoeren van praktijkproeven, om daarmee te kunnen voorspellen hoe in andere situaties het effect van maatregelen zal zijn, kan worden opgevat als een fysisch analogon. waarin gebruik wordt gemaakt van de overeenkomst in de stroming van water in het ene gebied vergeleken met een ander gebied. Dit is op zich juist. echter de eigenschappen zullen in de regel sterk ver- schillen, waardoor overdracht van resultaten moeilijk zal zijn.

Modelleren op maat

Het g e b r u k van fysische analogen in de hydrologie is sterk teruggelopen. vanwege de tijdrovende opzet van dergelijke modellen.

Tabel 1 Overzicht van de v e r s c h l e n d e methoden o m voorspellende modellen te m a k e n .

fladelen

1

m0etll)k e x t r a poleer b a a r

duur

Fysische analagans

I

Spleet model

I

b c i i e r k b a a r

I

Een omvangrijke categorie wordt gevormd door niodellen waarin hef verband tussen oorzaak en gevolg w o r d t beschreven door een o f ander. niet o p f y s s c h e grondslagen gebaseerd verband. De 'coëfficiënten' h e r n w o r d e n vastgesteld aan de hand van waargenomen realisaties. M e t een aldus vastgesteld model kunnen vervolgens voor- spellingen w o r d e n gedaan. D e meest toegepaste methode hierbij is het doen v a n voor^

spellingen o p basis v a n m e n s e j k e n z i c h t ('expert judgement'i. Bij de geformalseerde methoden w o r d e n de coëfficiënten ingevuld met behulp v a n curve f i t t n g - t e c h n i e k e n . Daardoor w o r d t de best mogelijke fit op de bestaande situatie verkregen. Echter de extrapoleerbaarheid vormt het probleem.

Bij sommige modellen n deze categorie w o r d e n fysische concepten z o a l s het cascade- concept van Nash- g e b r u k t . Ze vormen de overgang naar de fysisch-mathematische modellen. die zijn gebaseerd op de beschrjvirlg van processen volgens algemeen gel- dende wiskundige v e r g e j k i n g e n (zoals de formule v a n H o o g h o u d t i e n w e t t e n (bijvoor- beeld de w e t v a n D a r c y ) . Oe vertaling van deze vergelijkingen n computerprogramma's heeft geresulteerd is een grote verscheidenheld aan cornputersimulat~eprograrnrna's (zoals MODFLOW voor de r e g o n a l e g r o n d w a t e r s t r o m n g e n en DUFLOW voor de stro- ming v a n water in open waterlopen). Problemen van c a l i b r a t e en verifcatie, zoals beschreven n tiet v o r y c t ~ o o f d s t u k , r j n vooral op modellen, vdaarbj cornputersimulatie~

programma's w o r d e n toegepast, van t o c p a s s r i y . Ook de behoefte aan veel data is vaak

Modelleren op maat

een beperkende factor voor toepassing. Desondanks kan worden geconstateerd dat het gebruik van computersimulatieprogramma's een hoge vlucht heeft genomen. niet in de laatste plaats door het gemak waarmee daarmee 'experimenten op papier' kunnen worden gedaan.

In de praktijk worden de drie genoemde categorieën veelal naast elkaar gebruikt. Bij- voorbeeld: de verlagingen van de grondwaterstanden worden berekend met een compu- tersimulatiemodel, terwijl de effecten op flora en fauna worden geschat met "curve fitting" - modellen zoals DEMNAT (Witte, 19901. Op grond van de berekende verande- ringen in de waterbalanstermen wordt een inschatting ('expert judgement'l gemaakt van de veranderingen in de chemische samenstelling van het oppervlaktewater. waarna met behulp van ICHORS (Barendregt e.a.. 19861 de effecten op de aquatische ecologie kunnen worden voorspeld.

Ook moet worden bedacht dat fysisch-mathematische modellen meestal relaties be- vatten die kunnen worden opgevat als resultaten van "curve fitting" (bijvoorbeeld de kD-waarden voor een watervoerend pakket afgeleid uit een pompproefl.

1.4 Stand van zaken

In het voorgaande is het modelleringsproces aan de orde geweest, waarbij vooral is gewezen op het belang van een heldere probleemstelling (wie stelt de vragen en met welk doel). Daarmee is de keuze van de methode voor een groot gedeelte vastgelegd.

In dit hoofdstuk komt aan de orde hoe op dit moment de stand van zaken is met be- trekking tot het gebruik van modellen. met speciale aandacht voor de vraag of er spra- ke is van maatwerk.

Het gebruik van modellen bij het beleid is vooral gericht op het aangeven van oplos- singsrichtingen. Computersimulatiemodellen worden dan ook veelvuldig en met succes toegepast bij vooral landelijke (PAWN-instrumentarium1 en provinciale beleidsvraagstuk- ken op het gebied van het waterbeheer. Of hierbij altijd goed maatwerk wordt geleverd is moeilijk eenduidig te beantwoorden. Er zijn veel voorbeelden te noemen waarbij het gebruik van modellen antwoord heeft gegeven op vragen. zoals de rentabiliteit van wateraanvoer in Drenthe resp. Noord-Brabant (Werkgroep tus-10-plan 1988; Werk- groep Waterbeheer Noord~Brabant, 1991

1.

Bij de berekening van de belasting van het oppervlaktewater voor geheel Nederland met behulp van het computerprogramma ANIMO kunnen echter grote vraagtekens worden gezet. gelet op de uitkomsten van de gevoeligheidsanalyse (Kroes e.a.. 19901.

Bij het ontwerpen van waterhuishoudkundige systemen is het gebruik van ontwerppro- gramma's min of meer routine geworden, bijvoorbeeld het computerprogramma DIWA;

(André en Gelokt, 1 9 7 6 voor het ontwerpen van waterlopen. Het kenmerk is dat wordt gewerkt met strikte randvoorwaarden lontwerpcriteria), zoals de maatgevende afvoer.

Modelleren O D maat

Gegeven deze strikte raridvoorwaarderi k a n gesteld w o r d e n d a t modelleren o p maat vooral bij het o n t w e r p y e r e a s e e r d i s

Bii het d a a d w e r k e j k e waterbetieer moet oriderscheid w o r d e n gemaakt n administratief beheer e n operationeel betieer izie h o o f d s t u k 21. Bij h e t a d m n s t r a t i e f beheer is het g e b r u k v a n C A D ~ a c t i t i g e p a k k e t t e n gemeengoed g e w o r d e n en is m a a t w e r k i n principe h e r b j de regel. De k o p p e n y v a n deze pakketteri aan geografische i n f o r r n a t e s y s t e m e n s m o m e n t e e l aan de o r d e . De nodige Inspanning w o r d e n o n d e r n o m e n o m daarbij t e k o m e n t o t een g o c d e o r i d e r i n g e a f s t e m n i n y .

Het o p e r a t o n e e l bftier:r w o r d t vooral u t g e v o e r d door w a t e r s c h a p p e n Geconstateerd k a n vuordcn deze hetiecrdcr voor;jl te m a k e n k r ~ j g t m e t d e ' g r l l i r j e ' werkelijkheid. daar^

o p v i o r d t versclillr:n<l yr:rf:oger:rd, varrtrcrid v a n strikt aar) regels gebonden beheer t o t lier c o r r i p i i t e r o r i d c r s t c ~ ~ r ~ ~ J r e a l f i m e beheer, viaarbij v o o r t d u r e n d viordt n y e s p e e l d o p d e actuele h y d r o l < i r j s c h e stiiatir! (als voorbeeld v a n het laatste; zie Piijhof, deze pub li ka^

11ci

Over tiet agenief:ri s tiet besef gegroeid d a t o p r i j n m n s t het peilbetieer m o e t w o r d e n afgestemd o p de a c t i i a l t r : t Een peilbeheer a f g e s t e m d o p g e m e t e n g r o n d w a f e r s t a n d e n is door een aant;il w a t e r s c h a p p e n reeds d o o r ( j e v o e r d .

Toepassing var1 niociellen b ~ j het o p e r a t o n e e l beheer s n o g lang geen sprake v a n goed m a a t w e r k . Vragen over de mate var) sLtir:rriatisering v a n de werkelijkheid ( w e l k e deel- s y s t e m e n i n model brengen, puntrriudellen »f r e g o n a l e modellen toepassen, w a t e r k w a ~ i t e i t meenemen, etc l e r di: b c r i o d g d c r r i k e n w i j r e c . q . te g e b r u k e n s o f t w a r e z j n n o g niet opgelost.

O o k de k w a l i t e t v a i i de t e gebriiik6:n s o f t v ~ a r e laar t e w e n s e n o v e r .

M e t b e t r e k k i n g t o t het d a a d w e r k e l i ~ k e gebruik v a n modellen, w o r d t v e r w e r e n naar de resultaten v a n d e door het K l v l ulgr:v«crdc enquête (Geldof, deze p u b l i k a t e ) .

De evaluatie v a n t e l gevo[:rdf: b e t i r ~ e f k a r vjorden o p g e v a t als onderdeel v a n het opera^

tioneel beheer. H c l yi:bruk v a n s n i i i a t i : n i o d e e n leent r c h h e r v o o r bil uitstek, o m d a t v e r s c h d e n d e mari~crr:ri v a n bchecr, gesrriiileerd m e t een model, achteraf m e t elkaar k u n n e n w o r d e n veriJelr!ki:ri. l i i de p r a k t s i k v ~ o r d t echter sporadisch het beheer g e ë v a w eerd m e t behulp v a r ? deze niodr:lleri, en beperkt de evaluatie zich t o t een weergave v a n het gevoerde beheer.

Modelleren op maat

1.5

Samenvatting en

conclusies

A a n het begin van deze bijdrage is de vraag gesteld o f modelleren niet altijd maatwerk is. O m deze vraag te beantwoorden s in hoofdstuk 2 nader ingegaan o p h e t modelle- ringsproces en o p het doel van het gebruik v a n modellen voor beleid. o n t w e r p e n be- heer. I n hoofdstuk 3 zijn drie c a t e g o r e ë n van modellen onderscheiden. gebaseerd op de functies: het vastleggen v a n eigenschappen v a n een waterhuishoudkundig systeem, het beschrijven van het gedrag. en het kunnen voorspellen van het gedrag. De stand van zaken v a n het gebruik van modellen is beschreven in hoofdstuk 4. Bij wijze van samenvatting zijn de volgende conclusies t e trekken:

qua s o f t w a r e en hardware s maatwerk v r j w e altijd haalbaar Een groot scala aan methoden s besctiikbaar;

- de k e n n s van de werkelijkhed en de vaardigheden van de modelleur blijven daarbij achter en vormen daarmee beperkende factoren;

- want altijd geldt dat de resultaten van modellen niet beter zijn dan de invoergege- vens ('rjarbage in - garbage o u t ' ) ;

- een heldere probleemstell~ng is essentieel;

b j aanvang van het modeleringsproces moeten c r t e r a worden opgesteld, waaraan de resutateri van de modellering moeten voldoen;

het vereenvoudiqen van de werkelijkheid s a t i l d noodzakelijk ( e n g e w e n s t ] . Bij d i t _. vereenvoudigen kunnen zich echter problemen voor doen I z o a s het schaalprobleem.

lineariseren van n i e t ~ l i n e a i r e orocesseni. die onvoldoende w o r d e n onderkend (zie ook ^{~ ~ ~} van Bakel, 1992);

- het gebruik van computersimulatieniodellen bij het beleid k o m t veelvuldig voor, zij h e t met wisselend succes;

- bij het o n t w e r p behoort het gebruik van ontwerpprogramma's t o t de standaard werkwijze;

- bij h e t administratief beheer w o r d t veelvoudig gewerkt met CAD-achtige pakketten.

De koppeling met GIS is actueel;

- bij het operatoneel beheer is het g e b r u k van computersimulatiemodellen nog in het prototype-stadium;

modellen o n t w k k e l d voor b e l e d s en ontwerpvraagstukken zijn in potentie ook te gebruiken voor het operationeel beheer. A a n de realisatie hiervan w o r d t onvoldoende g e w e r k t .

Meer algemeen kunnen de volgeride conclusies w o r d e n getrokken over de relatie tussen waterbeheer en het gebruik van modellen o p maat:

- integraal waterbeheer noopt t o t zorgvuldigier) afweging van belangen. Een gevolg hiervan is dat effecten van maatregelen inzichtelijk en verifieerbaar m o e t e n z j n . Het g e b r u k v a n modellen op maat s h i e r b ~ j onontbeerlijk;

integraal waterbeheer heeft kenmerken v a n een c h a o t s c h systeem, hetgeen t o t uiting k o m t in grote onzekerheden, vooral in de uitgangspunten voor het beleid. De 'beleidsmatige' levensduur van modellen is d a n o o k beperkt. Ook m o e t e n de u i t k o m -

Modelleren op maat

sten w o r d e n gezien in relatie t o t de 'maakbaarheid' van de hydrologische werkelijk- heid. Een implicatie v a n de chaostheorie is o o k dat het vooral gaat o m processen e n minder o m de eventueel t e bereiken eindtoestand. D i t dynamisch aspect past vooral goed bij h e t gebruik v a n simulatiemodelen.

Ook k u n n e n modellen -door het proces v a n m o d e l l e r e n bijdragen aan het e e r - en bewustwordingsproces;

integraal waterbeheer vraagt o m eenvoudige, d o c h geintegreerde ( i n de zin v a n meerder systemen bevattende) modellen. I n deze eis schuilt een zekere spanning;

modelleren o p maat k o m e n vooral v o o r t uit de basis. Betrokkenheid is d a n o o k een vereiste (zie o o k de bijdragen van Geldof. Griffioen e n Moser; deze publikatiei.

Concluderend kan gesteld worden dat modelleren op maat zich dient te voltrekken v a t w e e sporen, namelijk 'kleinere' modellen voor specifieke veldsituaties (waarbij echt m a a t w e r k mogelijk is), naast het g e b r u k van standaardpakketten. Een nadere invulling v a n dit tweesporenbeled. met name op het gebied v a n o p e r a t o n e e beheer, is echter noodzakelijk. Daarbij kan S T O W A een initiërende en sturende rol vervullen.

Modelleren op maat

Geraadpleegde literatuur

Andre. D . en A.J. Gelok. 1 9 7 6 . Voorbeeld van de berekening van een waterbeheers- plan. waarbij gebruik gemaakt is van de computerproyrarnnia's CORLIST. DIWA, GROND en TEKDIGRO. Cult. Dienst. Utrecht.

Bakel. P.J.T.. 1 9 9 2 . Hydrologische voorspellingsmethoden. Kanttekeningen bij de bruikbaarhed voor ecologische toepassingen. Landschap 9(21:107-1 17.

Barendregt. A.J.. Wassen. J.T. de Smidt en E. Lippe. 1 9 8 6 . Ingreepeffect voorspelling voor waterbeheer. Landschap 3: 4 0 - 5 5 .

Beven, K.. 1 9 8 9 . Changing ideas in Hydrology. The case of physically-based rnodels. J.

of Hydr. 1 0 5 : 1 5 7 - 1 7 2 .

Box, G.F.P. and G.M. Jenkins, 1 9 6 0 . Time series analysis, forecasting and control.

Holden Day. San Fransisco.

Deelhomrne J.P.. 1 9 7 8 . Kriging

in

the hydrosciences. Adv. Wat. Res. 1 15): 2 5 1 - 256.

Hooghoudt. S.B., 1 9 3 7 . Bijdragen t o t de kennis van enige natuurkundige grootheden van de grond. Deel 6. Versl. landbouwk. onderz. 4 3 1131 B: 4 6 1 676.

Kroes. J.G.. C.W.J. Roest. P.E. Rijterna en L.F. Locht. 1 9 9 0 . De invloed van enige bemestingsscenario's op de afvoer van stikstof en fosfor naar het oppervlaktewater in Nederland. Rapport 55. SC~DLO. Wagenngen.

Werkgroep t u s l o ~ p l a n . 1 9 8 8 . Water voor Drenthe

Werkgroep Waterbeheer Noord-Brabant, 1 9 9 0 . Planning van de oppervlakte water huis^

houding n midden en oostelijk Noord-Brabant. Rapport 9 9 . SC-DLO, Wageningen.

Wind, G.P.. 1 9 7 9 . Analog modeling of transient rnosture flow in unsaturared soil.

Proefschrift. Landbouwhogeschool. Wageningen.

Witte, J.P.M., 1 9 9 0 . OEMNAT: aanzet t o t een landelijke ecohydrologische voorspel- lingsrnodel. Nota 90.057. Rijkswaterstaat. Dienst B~nnenwatereniRIZA.

Walsurn. P.E.V.. 1 9 9 0 . Waterbeheer rondom de Groote Peel. Verkenning en evaluatie van scenario's. Rapport 1 0 6 . SC-DLO, Wageningen.

Modellereri op nia;it

/DOCUme,t,ti,l

Modelleren o p maat

2 Enquête over gebruik modellen in het waterbeheer

ir. G D . Geldof

2 . 1 Inleiding

I n de t w e e d e helft van 1 9 9 2 is t e n behoeve van het symposium over 'modelleren o p maat' een enquete uitgezet onder de waterbeheerders in Nederland. I n totaal zijn ca.

2 5 0 formulieren verstuurd naar waterschappen. zuiveringsschappen, provincies. afde- lingen v a n rijkswaterstaat e n gemeenten, voor zover eigen oppervlaktewater in beheer.

H e t doel v a n de enquête w a s in beeld te brengen:

1 . in welke mate door waterbeheerders gebruik w o r d t gemaakt van modellen;

2 . in welke probleemvelden modellen worden toegepast en welke computerprogram- ma's daarbij w o r d e n gehanteerd;

3 . hoe vaak volstaan kan worden m e t stsndaard programma's e n hoe vaak het nood-

zakelijk is ten behoeve v a n de specifieke problematiek als waterbeheerder zelf een model te ontwikkelen;

4. w a t integraal waterbeheer betekent voor de toepassing van modellen.

De respons o p de enquête w a s groot. I n tabel 1 is aangegeven hoeveel waterbeheer- deis het formulier hebben geretourneerd. D a a r b ) zijn de 'al1 in' waterschappen onder de waterschappen n y e d e e l d .

Tabel 1 Respons enquête.

Waterschappen Zuivenngsschappen Provincies

Rijkswaterstaat

Gemeenten 1 2

D e enquête heeft tevens als doel gehad een inventarisatie te maken van de computer- programma's die door waterbeheerders zelf zijn o n t w i k k e l d . Het k o m t regelmatig voor dat een waterbeheerder voor een specifiek p r o b e e n i geen geschikt programma k a n vinden in h e t STOWA modellenbestand (Heikens et al., 1 9 9 1 ) . Hij gaat dan zelf een programma ontwikkelen, bijvoorbeeld in een spreadsheet o f in Turbo-Pascal. Deze modellen kunnen erg h a n d g zijn en - zoals b l j k t professioneel v a n opzet.

I n totaal zijn door waterbeheerders 63 eigen modellen ingestuurd. Enkele eigenschap- pen v a n deze modellen k o m e n in deze bijdrage aan de orde. I n de bijlagen I e n II v a n deze publikatie is een overzicht van de ingezonden modellen weergegeven.

Modelleren o p maat

Alvorens iri re yaaii o p de deadwerkelifke result;itcn v a n d e er1qui;te vdoidt in deze bijdrarje r1 tiet kort ci!n l ~ l o s « f e oritrold over di: o r i t v f i k k e l n g i n de n i o d e l e n d e w o r d e n gehanteerd i n het ~ w a t e r t x t i c e r . A a n de tiarid var) deze f!losofie v i o r d t een indeliny geniaakt i n d e modi:len c n kar1 wellicht v i o r d c n verklaard w a a r o n i de reacties o p het v ~ e r d e a a n d a c h t s r ~ u r i t v a n de e n q i i i i l e , over dc b e t e k e n var1 iriti!graal waterheheer voor tint gebruik v a r ) niodellen, z o tcleurstc1li:rid dijn

2.2 Ontwikkelingen in modellen voor het waterbeheer

Zolang er waterbeheer bestaat, 1ii:staan er ook riiodf:len. Zo g a u w er sprake IS v a n het riernfiri v a n maatregr!Ir!ri uni prtitilenien o p tr! lossen e n er w o r d t cen ~ i t s p r a a k gedaan over tiet t e v e r w a c t t i : r i i:fIi:ct var1 d e rri;l;itrii!jrili:ri, rroc:t er spraki! i i j r i var1 een m o d e l . D t mioclcl kar, z i j r l r:i:ii ~ t i t ~ n e l c ! rc:d~r~i:rrig, (:cri t ~ e r e k e n r i j op di: ;ictiterkarÏt van een l u c i f e r ~ d u u s j e of zelfs u c i i i i i t i i t e v e i r i g r v i i i y

De laatste jaren is er een terideris o n t s t a a n c « r n p u t e r [ ~ r o y r a m m a ' s ie hanteren voor de modclluring v a n w a t e r b e t i e e r s i t i i a t e s . D e i e tendens k o m t e n e r r ~ r l s v o o r t u t behoefte - d e h e h e e r s t u a t i e s w o r d i i r i str:c:iis cornfllcxer en a r ~ d e r r j d s u t het grote aanbod v a n krachtige tiardwarr: c r i !ji:r;tflrir:r!rde softviari: S r i n i r r i y e n Tien hii:r>ri een duidelijk ' k p of ei' probleem.

W o r d t nu nader gr:ki:kcii riaar di: curri~iiiti!rrri<idc1Ie11ny en v i o r d t di! redenering m e t name y e r i c f l t o p liet o ~ > ~ ) í i r v l a k r e ~ ~ a r e r l > i : f i e e r dari kuririen de drie siadia r m r d e r i u r i d e r ~ sctie~tlcin

Stadium 1

I n d t s t a d u m var1 de r r i i i í J i : c r n g w a s a l e s riog ' o u d en v e r t r o u w i l ' Orri een wateryan- (jeristi!se te d~nif:nsiirir:ri:r~ leverde t~i)v«ort~i:iild elk g e b e d 1 . 2 1 s prir tia e r het ort^

w e r p voldeed als di: txrf:kf!ndi: h o « ~ j v i ; i t ~ : r l , j i ut> v e g e afstand v a n tiet n i a a v e d bleef.

Dit w a s helder er1 rr:l;iii:f i:i:iivoiiiig Ciivi:rirli:ri w a s er sprake var1 ecri d i i d c l j k e nor^

rncring. z o w e l voor de w;jti!r;i;irivoer als afvoi:r.

S t a d i u m 2

S t a d i u m 2 kan worderi gezeri ;is het stadiirri van h e t n i e t ~ s t a t o r a r modelleren. In plaats v a n een coiistariti: a;iriv»cr var1 w;itr:r v i u r d t t ~ i j v o o r b e e l d een reeie reeks v a n neerslag en verdanir>ir~(j gi!tianteeid en tcveris viorden processcri a s r i c e r s l a g ~ a f v o e r . sedimenttransport. o p w a a r i g door w r i d i:ri s i i i r n g i n d e m o d e i : r n y b e t r o k k e n . H e r b j openbaarde ~ c t i i x t i t e r w e ccri d u d e l i j k n o r r n e r n y s p r o b l e e n i W o r d t bij voor^

beeld een s y s t e e m v a n 1 5 0 krio[ien en takkeri voor een p e r o d e var1 een tieel jaar door- gerekcrid en w o r d e n resiiltateii r:i:ns p e r d a g afijíxJriikt. d a t h e e f t de riio~Ii!llengebruiker na a f l o o r ~ per simu1;ite di: l i c s c t i k k n y over m e e r dari 50.000 t x r e k e r i d e ,,eterstanden en rlchir!Icn. H o c k a n i 1 0 d a a r o r ~ i:cn !ieticcrstii;itc b e o o r d e e n >

Modelleren oo maat

Stadium 3

Stadium 3, het huidige stadium, k a n worden aangeduid als het stadium van integraal waterheheer. Naast de genoemde processen in stadium 2 worden n u ook waterkwali- teitsprocessen e n ecologische processen in beschouwing genomen e n w o r d t ook de relatie m e t het grondwaterbeheer in beschouwing genomen. Het beleid, dat o p basis van de simulatieresultaten w o r d t onderbouwd, moet worden afgestemd o p h e t beleid v a n onder andere milieu en ruimtelijke ordening.

Het geconstateerde probleem uit stadium 2 manifesteert zich n u in n o g sterkere mate.

Er w o r d t dan o o k met betrekking t o t waterbeheerders w e i gesteld d a t ze 'data rich' maar 'information poor' zijn (Grijns & Wisserhof. 19921. Belangrijk problemen bij het huidige modelleren zijn:

welke processen moet w e l e n welke processen moet niet in beschouwing w o r d e n genomen?

- tussen welke processen is de interactie zo gering dat ze niet gekoppeld hoeven t e w o r d e n ?

Probleemvelden

I n figuur 1 is schematisch een o n d e r v e r d e n g gemaakt drie probleemvelden die onder- scheiden kunnen w o r d e n . Daarbij is onderscheid gemaakt naar:

probleemveld 1 : lineair;

probleemveld 2: bifurcaties;

probleemveld 3: orde en chaos.

orde en lineair bifurcaties chaos

wam

^{stadium 1}

w#/

stadium 2

/ A stadium 3

standaardiseren simulaties.

(bijv. DUFLOW) beleidsana~ses,

herwaarderen mens

Figuur 1 Onderverdeling in drie probleemvelden

Modelleren op maat

Ir! tiet Iineacre deel is iiij tiet analyseren var? probleerns~tuaties sprake van eeriduidige dosis-offect~relaties en kunnen r e f s met redelijk sterke w s k u n d i y e vereenvoudiyingen goede resultaten w o r d e n bereikt. I n dit deel is sprake v a n een yrote voorspelbaarheid eri is het relatief eenvoudig o m o p betrouwbare m a i i e r een computerniodel te maken.

Dit yeldt slechts gedeeltelijk voor het probleemveld waarin sprake is van b i f u r c a t e s isplitsingspunteri). Hier doet zich 7 0 n u en dar, tiet verschijnsel voor dat bij vrljwel gelij- ke ultgangspunteri $ri een computermudel sterk verschillende rekenresultaten kunnen w o r d e n verkregen. In dit deel kurnt het voor dat één probleem meerdere oplossingen heeft. Een bekend voorbeeld h ~ e r v a r i u11 de hydraulica betreft de mogelijkheid van superkritische stroming en subkritische stroming bij een zelfde d e b e t .

Het laatste deel is h e r a a n g e d u d als tiet deel v a n 'orde e n chaos' I G l e c k , 19901. I n d t deel openbaart zich eeri fractale iiitkonisteriruimte, met eilanden var1 voorspelbaarheid in een zee van onvoorspelhaariieid. Het niaken van computermodellen in d t probleem^

veld kan leiden t o t grote tr4eurstcllinyen

Gesteld kan w o r d e n dat n het eerder yf!rioenrdc eerste stadium v a n r n o d e e r i n y p r o b l e ~ m e n werden yescticrriatseerd die 7ict1 v r i j w c u i t s l u t e n d bevonden in het r i e a r e deel.

Bij het t w e e d e s t a d i i m , het stadlurri van n e t - s t a t o n a r niodelleren, h e v e r i df! p r o c e s b e ~ s c h r i j v n y e n ook vei:al heperkt t o t het Iineari! deel. echter zo n u en dan w e r d het deel met b ~ f u r c a t i e bereikt. Icdure rnodellerigebriiiker tieeft w e l eeris r r ~ c c y e m a a k t dat bij complexe b e r e k e n n g e n h11 yunstiycr invoercycyc:vens o n y u n s t y e r resultaten werden verkregen!

limbisch

~ .

Figuur 2 Een indeliriy van de menselijke iiersenen (Vroon, 19891

Modelleren o p maat

Bij het beschrijven van de processen binnen inteyraal waterbeheer zijn w e het deel v a n 'orde en chaos' binnengeschoven. Vele processen laten zich goed beschrijven, echter er zijn aandachtsgebieden (zoals ecologie en beleid) waar voorspelbaarheid soms ver t e zoeken is. O f daarbij sprake is van echte chaos ( i n de wiskundige betekenis) is niet m e t zekerheid vast te stellen. maar h e t heeft er wel veel van w e g .

Als w e kijken naar de computerprogramma's die veel gebruikt w o r d e n in h e t waterbe- heer. dan betreft het met name programma's die kunnen w o r d e n ondergebracht in h e t linker deel van f y u u r 1 . Voor dit deel is de tijd rijp o m t o t standaardisatie over te gaan.

Dit vergroot h e t gemak waarmee gegevens uitgewisseld kunnen w o r d e n tussen beheer- ders. Voor het rechter deel v a n figuur 1, het g e b e d van 'orde en chaos'. is standaardi- satie niet mogelijk. I n dit deel zullen veelal discrete simulatiemodellen e n modellen voor beledsanalyse w o r d e n gebruikt o m binnen de c o m p l e x i l e i l en subjectiviteir v a n inte- y r a a waterbeheer enige structuur aan te brengen. Tevens zal voor dit deel vaker terug- y e v a l e n w o r d e n op hardware die sinds de n t r o d u c t i e van de computer enigszins naar de achtergrond is verschoven, maar bij de n t r o d u c t i e van echt integraal waterbeheer weer aan waarde kan winnen (zie figuur 21. De menselijke hersenen functioneren name- I j k optimaal in dat deel van het probleemveld waar w e chaos k u n n e n herkennen e n de huidige computermodellen h e t volledig laten a f w e t e n .

D e hier gepresenteerde indeling in modellen en problcemvelden kan v a n n u t zijn bij de interpretatie v a n de resultaten v a n de enquête.

Modellereri o o maat

2.3

H e t gebruik van modellen

A a n de geënquëteerden is gevraagd hoe vaak r i j een computermodel gebruiken bij het uitvoeren van de waterbeheertaak. F g u u r 3 geeft een overzicht van h e t resultaat.

F y u i i r 3 Het g e b r u k van modcllcn

Voor de waterschapperi, gerrieeriteri, p r o v i n c e s , ri)kswaterstaat en de z u v e r i n g s s c h a p ~ pen is weergegeven b j hoever: organisaties het gebruik intensief is, regelmatig. zo n u en dan, n a u w e l ~ j k s o f h e e n i a a l riiet. OD de v e r t c a l e as is de frequentie weergegeven.

Uit de enquëte blijkt d a t bij 21 var? de 6 3 waterschappen geen g e b r u k w o r d t gemaakt v a n modellen. Bij 6 waterschappen ^IS tiet gebruik ervan n t e n s i e f .

Opvallend is ook h e t intensieve gebruik var) modellen bij de rnccstr! diensten van r i j k s ~ Waterstaat.

2 . 4

Zelf maken, kopen en uitbesteden

In figuur 4 is weergegeven hoe vaak bij de organisaties idie w e l modellen gebruiken) een computerprogramma zelf w o r d t o n t w i k k d d , een computerprogramma w o r d t ge- kocht en hoe vaak het maker, var! tierekenirigeri w o r d t uitbesteed aan een a d v i e s b u ~ reau.

Modelleren o p maat

Figuur 4 Modelberekeningen m e t e g e n programma, gekocht programma o f u t b e ~ steed.

Figuur 4 laat zien d a t bij waterschappen veel g e w e r k t w o r d t niet eigen programmatuur en rijkswaterstaat zich voornamelijk bedient van programma's d e door de dienst zelf zijn o n t w i k k e l d . Bij gemeenten w o r d t relatief het meeste uitbesteed.

2 . 5

De

18

meest genoemde computerprogramma's

I n de enquête s gevraagd welke computerprogramma's in de organisatie w o r d e n ge- bruikt en hoe programma's worden toegepast. In tabel 2 is een overzicht gegeven v a n de programma's die tenminste drie keer genoemd zijn.

Modelleren o p maat

Tabel 2 De c u n i p u t e r p r o g r ~ ~ r r ~ r r ~ u ' s d e drie k c e i o f vaker gerioerlid z i j r i door verschil^

e n d e waterbehccrders

T o e p a s s n y

Berekenen HW-lijnen, «ntwer(j waterlopen K w u l i t e i t bodem, o n t v i i k k e l i n g algen Gronclvda1crmodel:geviasopbrengsten Waterbchec?r I a r i d ~ r i r i c h t ~ r i g s p r o j e c t c n N~et~st;it~í,ri;iirf: v,airirhi:tiegirig

Nutri;ntc:ri en algeii operi vrater Golfvoorspellitig ihoogtr! cri richting]

t l e r ~ s t a t o r i ; i i r e s t r r i r r r i g oppervlaktr!water Vervic!rkiri(l tiydroloyisctir! gegevens Regriri;ilc <jrondwaterstrorriiri(I Regionale ~ ~ r o n d w a t e r i t r « n i r i y O r i t w c r p riuolsysirirricn

V e r ï p r e d r ~ g vr:ruritr. t ~ a g g e r s p e c c d e p e pilttf!ri N e t ~ s t a t o n a i r s t r o r n r i g o p p e r v l a k t e w a t e r O p p c r v l a k t e w a t e r . groridwater, riolering Rf!(jionac < j r o r d n ; i t e r s r r o m n g

2 ~ 1 m c n s i o r i a I f : v i a t e r t ~ c v i e g n y l - d n i c r i z o r i a l e watertJi:,iegrig e s r u a r a Naani programma

C H A R M

D E L W A O I B L O O M DEMGEN

D I W A DUFLOW D Y N A M O H I S W A HYDRA H Y M O S MICROFEM M O D F L O W O P W R O ORPHEUS RIBASI T A U W S I M TRIWACO W A O U A ZWENDL

I n tabel 2 is iri d e laatst^: koloni ;jariycrji:vcn door welke waterbeheerders is aan ge ge^

vc!ri d a t r e het prograrrinia g e b r u k e r i V i - Waterschap. P = P r o v r i c i e , R = R i l k s w a ~ t e r s t a a t l . De progrdrrinia's viaara1,titer r i de Ik8atste k o l o n i niets v c r r r d d is w o r d e n door moerderc: waterbetoi:rders gi:tir~iikt.

D e meeste prograirinia's r I r , r r r i d e r d a n t e r ) ii:c:r g e n o e m d duor d e waterbehef!rders.

Grotere uitzondering hlerop s tiet prograrnrr;u DUFLOW. Door 33 waterbeheerders is aangegeveti d a t z<? het rnodr:l gr:hriiiken of i r i tiuis h e h h e n . Wellicht is hier sprake v a n cc!n soontune starifl;i;irdsatie.

-

Modelleren or, maat

2.6

Integraal waterbeheer en modellen

Zoals gesteld is de respons op de vraag wat integraal waterbeheer betekent voor het gebruik van modellen teleurstellend. De volgende drie opmerkingen rijn aangetroffen Op de formulieren:

Een koppeling tussen vuiluifworpmodellen van rioolsfelsels en waterkwalifeitsmodellen is van belang.

Invalshoek gebruik modellen is een probleem; voor welke problemen zijn welk type modellen nodig o m tot effectief integraal waterbeheer re komen?

Toepassing SIMGRO: integraal waterbeheer h e f nadruk op grondwater)

Een suggestie, een vraag en een constatering. Wellicht is integraal waterbeheer iets dat de waterbeheerders niet bezig houdt op het niveau van modelleren. Wellicht is integraal waterbeheer iets dat voorlopig met name beperkt blijft op het niveau van beleid. Wel- licht is de betekenis van integraal waterbeheer voor het modelleren voorlopig uitsluitend van belang voor onderroeksinstellingen [deze hebben geen enquëteformulier gekregen].

Hoe het ook zij, de enquëte heeft met betrekking tot de problematiek geen nieuwe en verfrissende inzichten opgeleverd.

2.7

Zelf ontwikkelde programma's

In totaal zijn door de waterbeheerders 63 formulieren geretourneerd met zelf ontwikkel- de programma's Hiervan hadden 37 programma's betrekking op de modellering van oppervlaktewater. 6 op grondwatermodellerng en 8 op de modellering van neerslag afvoerrelaties De overge modellen rijn met name ontwikkeld voor de presentatie van gegevens

Tabel 3 geeft een beeld van de processen die met behulp van de programma's kunnen worden beschreven.

Tabel 3 Gemodelleerde processen.

Stroming

Opgeloste stoffen Sedimenttransport Nutriënten Sturinglregeling

Modelleren o p niaat

Bij de programma's vdaiirbj het proces van stroming w o r d t gemodelleerd gebeurt dat in bijna 70% var1 de gevallcri op s t a t o n a r e b a s s Circa 30% o m v a t i i i e t ~ s t a t i o n a i r e stro^

m n g .

Het leeuwedeel van de progranima's 1461 is o r i r w i k k e d voor g e b r u k op de PC. Negen programma's zijn o n t w i k k e l d voor een m ~ r i c o n i p u t e r o f een 'mainframe'. A c h t pro^

gramma's zijn zo algenieen ( o f p r o f e s s o n e c l l dat ze onder meerdere 'operating sys- t e m ' kunnen w o r d e n gedraaid.

T o t slot de ontwikkelorri!jeving, o f t e w e l de programmeertaal. Het b l j k t dat ondanks de o n t w k k e l n y van f w r v6:el i i i e u w c talcri ' y o o d o d ' FORTRAN n o g steeds het meest w o r d t g e b r u k t . V;iii di: 6 3 programma's z l j r 33 geheel o f g e d e e l t e l k n FORTRAN g e s c h r e v e n 011 ecri tvieede plaats volgt BASIC, niet 14 programma's. Talen zoals Pascal c n C, d e beter r I n aangepast aan de o n i g e v n g van cen PC en vele rnogelijkhe~

der1 b r i n e n een PC tot op d<: bodcrri kuiirieri benutten, w o r d e n slechts zeer zelden gebruikt onder de waterbeheerders.

W a t tevens opvalt, is het gebrtiik van sr~rc;idstieets voor het m a k c n van modellen voor zowel o p p e r v l a k t e w a t e r s t r o n i ~ r ~ g en grondriaterstroming als voor de verwerking van gegevens. In totaal worderi 10 v«orbecdi:ii aarigetroffen met gf:bruk vsri eer) spreads^

heet.

Modelleren op maat

Literatuur

Gleick. J . , 1989. Chaos. De derde wetenschappelr/ke revolutie. Uitgeverlj Contact.

Amsterdam.

Grijns, L.C. en J . Wisserhof. 1992. Ontwikkelingen in integraal waterbeheer. Verken- ning van beleid, beheer en onderzoek. Delft studies in integrated water management.

Delft University Press. Delft.

Hekens, D.L.J., P . E . R . M . van Leeuwen en R. Bol. 1991. Computermodellen in het waterbeheer. Het SAMWATmodelienbesfand. SAMWAT rapporten nummer 7 . Delft.

Vroon. P.A., 1989. Tranen van de krokodil. Over de te snelle evolutie van onze herse- nen. Utgeverij Ambo, Baarn.

Modelleren op m a a t

1 Documentatie 1

I J

Modelleren o p maat

3 Computerondersteund waterbeheer

G. Nijhof

3.1 Waterschap Dollardzijlvest

Inrichting van h e t gebied.

Het waterschap is gelegen binnen het stroomgebied v a n de Dollard.

De dagelijks af te voeren waterhoeveelheid van h e t gebied w o r d t bij Nieuwe Statenzijl via een spuisluis o p de Dollard geloosd.

Het s p u p r o c e s w o r d t met behulp van een computermodel op basis v a n een aantal in de boezem aanwezige meetlocaties automatisch geregeld.

\Vat de wateraanvoer betreft kan opgemerkt worden dat h e t gebied gedurende de zomerperiode gebruik kan maken v a n uit het IJsselmeer op t e pompen water. dat voor h e t Groningse deel via het Friese kanalenstelsel w o r d t aangevoerd ( 1 0 m'lseci. terwijl voor het Drentse gedeelte gebruik gemaakt w o r d t van het Provinciale Drentse kanalen- stelsel, waarlangs een hoeveelheid v a n 4 m3/sec kan worden aangevoerd voor het Drentse gedeelte van het gebied.

Er zal de komende jaren de laatste hand gelegd worden aan de n o g noodzakelijke aan- passing v a n de infrastructuur in het gebied, waarna voor h e t totale stroomgebied zowel een optimale waterafvoer als w e l wateraanvoer gerealiseerd is.

Het gebied kenmerkt zich door als een t y p s c h landbouwkundig voor met name akker- b o u w ingericht gebied dat voor 6 0 % u t moerige veenkoloniale profielen is opgebouwd.

die ontstaan zijn na de vervening van het hoogveen.

Ongeveer 2 5 % van de oppervlakte bestaat uit meer zanderige profielen, die te vinden zijn o p de w a t hogere delen n het gebied.

In het uiterste noorden vinden w e tenslotte de k e g r o n d e n , die in de loop der eeuwen g e w o n n e n zijn door inpolderingen van gedeelten v a n de Dollard.

In h e t algemeen g t het z o m e r p e ~ l ongeveer 6 0 a 7 0 c m boven het normaal geham teerde winterpeil.

M e t d i t gegeven ligt het d u s tevens voor de hand dat er sturingsmechanismen Ont- wikkeld moesten w o r d e n voor het waterbeheer.

l

Modelleren op m a a t

Modelleren op maat

3.2 Computergebruik

Waterbeheer als onderdeel van het informatiesysteem.

Voor de inrichting van hst gebied en de afstemming op de huidige eisen met betrekking tot de gebruiksmogelijkheden van de bodem wordt bij het waterschap sedert een tiental jaren gebruik gemaakt van de computer.

In figuur 2 laat ik u de samenhang van de verschillende in gebruik zijnde computerpro- gramma's zien.

We kennen aan de ene kant de ontwerp-programma's. die gebruikt worden voor de dimensionering van het waterlopenstelsel. Als voorbeeld noem ik dan het bij ons in gebruik zijnde model DIWA, een stationair model, afkomstig van de landinrichtings- dienst. Aan de andere zijde van het INFO-systeem treffen de we beheersprogramma's aan, die bij het waterschap in gebruik zijn.

In het kort noem ik hierbij even de volgende applicaties.

Het model SWW. dat staat voor Simulatie Waterbeheer Waterschappen is ontwikkeld in nauwe samenwerking met het Staringcentrum te Wageningen en de onderzoeksafdeling van de Landinrichtingsdienst.

In het vervolg van mijn verhaal kom ik op de toepassing van dit model uitvoering terug.

Voor de automatisering van het afvoer-spuiproces op de Dollard wordt gebruik gemaakt van een Boezembeheersprogramma. dat specifiek ontwikkeld is door het waterloopkun- dig laboratorium de Voorst. (Een onder UNIX ontwikkelde applicatie)

Voor de dagelijkse sturing van de afvoer naar de boezem wordt gebruik gemaakt van het programma REGFLEX, dat op MS-Dos machines werkt.

Alle hier genoemde programmatuur is of direct aanwezig op een MICROVAX-3100 minicomputer. die uitgerust is met een tweetal operating-systemen, te weten VMS [het operatingsysteem van de VAXI en MS-DOS. of draait stand-alone op een werkstation, dat door middel van een telefoon en modem benaderbaar is vanaf het kantoor.

Op deze wijze is er sprake van een geïntegreerd informatiesysteem. van waaruit naar behoefte tal van gegevens verkregen kunnen worden, en aangevuld worden.

Er wordt in de loop van dit jaar een begin gemaakt met de implementatie van een geografisch informatie-systeem dat door de gehele organisatie heen alle benodigde informatie kan aanleveren.

i

Modelleren o p maat

Waterbeheer

in h e t informatiesysteem

I

Programma's

I l l

I d

l

I I

Dlwa

I

I

1

Programma's I

l

I '

I

Informatie

I

^.

I

l

^{Figuur 2}

Modelleren O D maat

Toepassing van computergestuurd waterbeheer.

Het SWW-model is een operationeel beheerssysteem en dient een vervolg te zijn op de dimensioneringsberekeningen.

Na meestal ingrijpende cultuurtechnische voorzieningen te hebben aangelegd is het zaak daar ook een zo optimaal mogelijk profijt van te kunnen hebben.

Uit deze doelstelling is halverwege de tachtiger-jaren de behoefte ontstaan een meer op wetenschappelijke basis onderbouwd waterbeheer te gaan voeren. Immers er werden i n die tijd voor miljoenen aan investeringen gepleegd voor een betere beheersing van het oppervlaktewater. zonder dat er duidelijke richtlijnen waren hoe w e met het water o m moesten gaan.

Vanuit deze gedachte is langzaam maar zeker het besef ontstaan dat er een aanvaard- baar beslisinstrument voor de waterbeheerder ontwikkeld moest worden. waarmee hij op geheel objectieve wijze het dagelijkse oppervlaktewaterbeheer kon beheersen en reguleren.

Waarom gaan we modelleren?

Zo juist is al aangegeven dat w e niet meer willen en mogen werken op basis een piep- systeem. maar w e behoren als waterbeheerder ons te allen tijde te kunnen verantwoor- den inzake de genomen beslissingen.

We hanteren hierbij:

De vastgelegde objectieve beheersregels. die afhankelijk van bodemsoort en droogleggingsnormen per stuwpeilgebied zijn vastgelegd.

Een consequent beheer. dus niet meer reageren op de landbouwer, die toevallig een slecht doorlatend bodemprofiel of een verstoorde detailontwatering heeft.

* Sturen op basis van inzicht, hetgeen wil zeggen dat het interpreteren van de weke- lijkse modeluitkomsten een zaak is die met kennis van zaken dient plaats te vinden.

Dit betekent dat de waterbeheerder naast een goed o m w i k k e l d theoretisch kennis- niveau omtrent de hydrologische stromingsprocessen, toch ook i n nauw contact dient te staan met de praktijk. Hij is immers het eerste aanspreekpunt voor de in ge^

landen, die bij hem zullen komen met hun vragen en problemen.

*

De waterbeheerder verzamelt in de loop van een jaar veel gegevens en dient na afloop van een groei-seizoen het oogstjaar te kunnen evalueren en verantwoorden.

Uit deze opsomming blijkt dat er al snel behoefte zal rijn aan hulpmiddelen o m de hiervoor geschetste doelstellingen te kunnen verwezenlijken.

De doelstellingen om te gaan modeileren zijn:

We willen een snel inzicht in de zich van dag tot dag wijzigende hydrologische om- standigheden.

Het verloop van het waterbeheer in alle beheerseenheden moet gevolgd en beoor- deeld kunnen worden.

De beheerder moet een advies uit het model ontvangen omtrent zijn in te stellen waterpeilen bii de stuwen.

W e willen ons w e r k en de yevolgen v a r geiionien b e s i s s n y e r ! i r i ~ i c t i t e l ~ j k k u n n e n m a k e n v o o r onszelf er1 het rnanaycrncrit.

3.3

S . W . W . m o d e l (Simulatie Waterbeheer Waterschappen)

De o n t w i k k e l i n g v a n het S W W ~ m o d e I s v c r r c h t v a n u t d e onderlngc! r e a t e s v a n d e in figuur 3 vermelde processen.

Het m o d e l is een afyolcide en tevens eert u i t h r c i < l r i g v a n het SWATRE niíidel voor d m e n s i o n a l e sirriulate v a n tict wateitrarisport i r i eer, bodeniprofiel.

Voor d e onderrand v a n het model moeren de k w e l ~ c o m p o n c n t r i tiet g e b e d , alsmede de infiltratie o f drainagcwccrstand bekend z ~ j r i . Tevens w o r d e r i de g e m e t e n g r o n d w a ~ terstanden en s f i i w p c i l e n als ran(1voorw;iardfi b c t r o k k c n .

Voor d e b o v e n r a n d van het model m o e t c r i di: k l i r n a f o l o g s c h e y c y e v e i i s bekend zijn Voorts is d e keuze var) het te t d e n gevias v a n belang i n verband niet tiet w a f c r t r a n s - p o r t naar d e atniosfeer v a i i i i t het gekoreri bodeniprofiel

/

Atmosfeer

/ 1

Verzadigde z6ne

/Ci

F y u u r 3. Scheniatische w c e r g a v e benodigd,: yeyevens S . W . W . - m o d e l

Modelleren oo maat

Bij:

Kwel

ra:z:a~ voAT-A

P-

-- - Gewasverdamping ^AF:

Wegzijging Waterafvoer Verdamping

Figuur 4 . Vocht~boekhouding.

De balans

We hebben zojuist de diverse parameters besproken. die voor het model van belang zijn.

In feite is het waterbeheer te vergelijken met een boekhouding, die we hier in dit ver- band goed een vochtboekhouding zouden kunnen noemen. waar aan de ene zijde water toegevoegd wordt in de vorm van NEERSLAG. WATERAANVOER, en bijv. KWEL, en aan de andere zijde een verbruik van water is door GEWASVERDAMPING, WEGZIJ- GING, WATERAFVOERIDOORVOER (BEREGENING), en VERDAMPING.

Invoergegevens

Om het model te kunnen gebruiken moeten we eerst het gebied dat w e willen doorre- kenen goed definiëren. waarvoor w e een veelheid aan zowel vaste als variabele gege- vens moeten vastleggen.

Modelleren o p maat

INVOERGEGEVENS:

Hydrologie

Beschrijving beheer Bodemkundige gege Gewasgegevens

wens

Variabel: Oppervlakle- en grondwaterstanden

Meteorologische gegevens Gewas gegevens

Figuur 5

Het model is zodanig o p g e b o u w d dat alle benodigde gegevens i n t e r a c t e f met behulp v a n een menu-structuur kunnen worden ingevoerd.

Daar w a a r de gegevens onvolledig 21jn r a l het programma d i t z o w e l direct o p het scherm als in een zogenaamde l o g - f e kenbaar maken aan de gebruiker.

Modelleren op maat

Het programma wordt in dergelijke gevallen afgebroken. en de gebruiker zal eerst de ontbrekende data moeten invoeren, voordat verder yewerkt kan worden.

Voor de invoer van de variabele gegevens moeten we de beschikking hebben over opname-gegevens van de actuele veld-situatie met betrekking tot de ingestelde stuw- peilen, grondwaterstanden, neerslagspreiding en verdamping in het gebied.

Om het hydrologische proces goed te kunnen simuleren heeft het model tamelijk veel gegevens nodig van de randvoorwaarden. die van directe invloed zijn op de resultaten van de simulatie.

Met het computermodel kan de totale vocht-boekhouding van het bovenste doorwor- telde bodemprofiel laagsgewijs van week tot week doorgerekend worden.

Het model is sterk modulair opgebouwd. en bevat een veelheid aan subroutines. die afhankelijk van de gemaakte menu-keuzes kunnen worden aangeroepen.

3.4

Gebruik

SWW

Organisatie in het gebied

Bij het waterschap Dollardzijlvest worden gedurende de periode maart tot en met no- vember wekelijks door een vijftal medewerkers van alle peilgebieden waarnemingen van stuwpeilen en grondwaterstanden verricht. die met behulp van een hand~terminal in het veld reeds in een elektronisch data-bestand worden ingetoetst.

1 ⁴⁵⁰ stuwpeilgebieden 2 Waterbeheerders 5 Peilopzichters l

Figuur 6. Organisatie in het peilgebied

Modelleren o p maat

Na voltooiing v a n deze veldopnames kunnen de w a a r n e m n y e n direct worden overge haald naar de gegevens file. d e door het model w o r d t adngeroepen Op d e l e w1lze w o r d t een belangrjke arbeidsbesparing verkregen bij de invoer van de wekelijks aan te vullen veldwaarneminaen _"

In het gebied zijn voorts enkele regenmeters geplaatst, terwill de referentiegewas verdamping en de gemiddelde dagtemperatuur d a y e l ~ j k s per fax vdn het K N M I station Eelde w o r d e n verkregen

Voor een directe beoordeling van de waterstanden in h e t terrein hebben de p e i l o p z ~ c h - ters de beschikking over een weekstaat, waarop de fasering v a n het waterbeheer per stuwpeilgebied staat aangegeven. Zij kiirinen hierdoor aan de hand van de m t r u c t ! e s van de waterbeheerder de stuwklepperi zodanig instellen dat een aan de hand van de modelberekeningen verkregen puladvies gemakkelijk kan worden n g e s t e l d De fasering dient hiervoor te sporen niet de niodelherekeriingen.

Wanneer alle b e n o d r j d e gegevens zijn ingevoerd kan een s i m u l a t e ~ r u r i geniaakt worden van een nader te bepalen serie o f een enkel ~ i c i l v a k .

In het model w o r d t vervolgens een scric yeschakelde subroutines d o o r o p e n , die de volgende taken uitvoeren;

Simulatie van het vochttransport n de bodeni I n f i l t r a t ~ e uit neerslag o f irrigatie

*

Verdamping

Worteiopname door de gewassen

Drainage e n infiltratie van het waterloperistelsel K w e l e n wegzijging v a n de verzadiyde zone

Nadat h e t model een s i m u l a r i e ~ r u n heeft voltooid kunnen de u t k o m s t e n van de bere^

keningen o p de volgende wijze w o r d e n buoc~rdeeld:

A a n de hand van een weekstaat wordt op numerieke wijze per stuwpeilyebted inzicht gegeven in de actuele situatie en w o r d t op b a s s hiervan een adviespeil voor de k o ~ mende week gegeven.

M e t de informatie uit de weekstaat worden de stuwpeilen voor de volgende week eventueel bijgesteld. of blijven o p de ingestelde hoogtes staan. Op deze w ~ j z e kan binnen enkele dagen in het gehele gebied o p een zo verantwoord mogelijke wijze het oppervlaktewaterped bijgesteld w o r d e n .

Dit adviespeil is gebaseerd op de actuele vochtsituatie en h o u d t rekening met het verloop v a n het in h e t model vastgelegde verloop van het groeiseizoen in de tijd.

Als aanvulling o p de beoordeling v a r een weekstaat ziln aanvullende h u l p r o u t ~ n e s o n t w i k k e l d o m de numerieke output snel Ikesbaar te maken in een g r a f s c h verloop

Modelleren oo maat

Op deze wijze wordt snel een visueel inzicht gegeven in het verloop van het waterbe- heer voor rnanagement~beoordeling.

Een derde vorm van uitvoer is de mogelijkheid om aan het einde van het jaar een inzicht te verkrijgen i n het totale verdampingstekort. dat ten opzichte van de potentiële ver- damping is ontstaan. Op deze wijze kunnen berekeningen worden gemaakt en wordt inzicht verkregen in de mate waarin het gevoerde waterbeheer over de afgelopen perio- de succesvol is geweest voor de vochtvoorziening van de geteelde gewassen.

Tot dusver was het niet mogelijk in het gebied van het waterschap op alle plaatsen voldoende water aan te voeren, zodat in veel gevallen de gecumuleerde actuele ge- wasverdamping tamelijk hoog uitvalt.

In de gebieden waar wel sprake is van een goede wateraanvoer zijn de betere resulta- ten dan ook duidelijk aangetoond.

We behandelen een tweetal voorbeelden. o m te laten zien in welke mate het gesimu- leerde waterbeheer tot resultaten kan leiden.

Roswinkel

gebied

120

Resultaten van het afgelopen jaar 1992 l e voorbeeld:

We hebben hier te maken met een podzolbodern, d e voorzien is van een behoorlijk humusdek. Het grondwaterstandsverloop reageert in 1992 nauwelijks op de neerslag- piek van begin maart. Tot eind juni kon de grondwaterstand hier vastgehouden worden op een hoogte van rond 9 0 c m - maaiveld. Het gebied kon profiteren van een goede wateraanvoermogelijkheid. doch er kon niet worden voorkomen dat de grondwater- stand begin augustus daalde tot een diepte van 1 2 0 c m - maaiveld.

Het uiteindelijke resultaat leidde t o t een verdampingsreductie van totaal 7 mm. hetgeen te danken is aan de goede capillaire nalevering van dit bodemprofiel.

De voor dit gebied uitgevoerde simulatie-run, waarbij geen gebruik is gemaakt van de waarnemingen van de grondwaterstand geeft een goed vergelijkbaar beeld van het grondwaterstandsverloop (zie figuur 7).

De door het model berekende verdampingsreductie k w a m bij deze simulatie uit op 9 mm.

Een alleszins aanvaardbaar resultaat.