Langzame bodemafvoer modelleren in 3Di: case study Schermerpolders
- Opdrachtgever
- Hoogheemraadschap Hollands Noorderkwartier
- Jaar
- 2020-2021
- Locatie
- Noord- en Zuidschermer
Hoogheemraadschap Hollands Noorderkwartier (HHNK) heeft de ambitie een 24/7 wateroverlastbeeld van het beheergebied te verkrijgen. Het hoogheemraadschap beschikt over gedetailleerde neerslag-afvoer modellen in 3Di die hiervoor ingezet kunnen worden. Deze modellen zijn echter ontwikkeld voor kortstondige neerslaggebeurtenissen. In opdracht van HHNK is onderzocht of de onverzadigde zone van de bodem beter gemodelleerd kan worden met behulp van de ‘interflow’ functionaliteit in 3Di. De gedistribueerde interflow laag in het model kan water langzaam opnemen en geleidelijk weer uit laten stromen. Nelen & Schuurmans heeft aan de hand van het model van de Schermerpolder onderzocht welke schematisaties mogelijk zijn om dit proces natuurgetrouw te simuleren.
De uitdaging
Het ontwikkelen van een nauwkeurig wateroverlastbeeld onder toenemende neerslag extremen vereist accurate modelcomponenten. Hierbij is het cruciaal het gehele watersysteem inclusief zowel snelle als langzame afvoer goed te simuleren. De huidige BWN-modellen van HHNK zijn echter niet toereikend in het doorrekenen van langzame afvoer bij langdurige neerslagreeksen. De beperkende factor daarbij is het gebrek aan een vertragende ‘sponslaag’ die langzaam vult bij neerslag en na afloop van een bui geleidelijk weer leeg loopt. De nieuwe interflow functionaliteit is ontwikkeld met het doel dit proces nauwkeuriger te kunnen modelleren. Het uitgevoerde onderzoek is gericht op het verfijnen en optimaliseren van deze extra interflow laag voor de Schermerpolder.
Onze oplossing
Het onderzoek is uitgevoerd in vier fases:
- Actualisatie van het bestaande wateroverlastmodel Schermerpolder
- Vergelijking tussen modelresultaten en metingen
- Schematisering van meerdere configuraties van de interflow laag
- Stapsgewijze uitvoering van een gevoeligheidsanalyse op de modelconfiguraties
Het basis-wateroverlastmodel is ontwikkeld binnen het BWN2-project met het hydrologisch instrumentarium 3Di. Voor de huidige casus zijn actualisaties aangebracht voor stuwsturing en is de simulatieperiode vergroot. Hiermee wordt de implementatie van de interflow laag vereenvoudigd en is de nauwkeurigheid van het referentiescenario vergroot.
De interflow laag dekt de langzame afvoercomponent door bodemopvulling én lediging te berekenen. De fysische basis wordt hierbij beschreven door Darcy’s vergelijking voor 2D grondwaterstroming. Water wordt intern geborgen, waarna vrije afstroming richting watergangen plaatsvindt. De laag bevindt zich direct onder het maaiveld en is ruimtelijk geparametriseerd door de variabelen dikte, effectieve porositeit en doorlatendheid. De interflow laag opereert echter niet als aparte laag, maar als additionele stroomlijn tussen bestaande cellen. Hierdoor blijft de simulatietijd beperkt. Door meerdere interflowtypen te conceptualiseren, variërend in configuratie, is de gebiedspecifieke toepasbaarheid inzichtelijk gemaakt en geoptimaliseerd.
Een goede beschrijving van de relatie tussen volume en waterstand is essentieel voor een juiste stromingsberekening met interflow. Door de subgrid-techniek toe te passen beschrijft 3Di deze non-lineaire relatie voor elke rekencel op hoog detailniveau. Hierdoor kan nauwkeurig berekend worden op welke plekken binnen een rekencel de bodem verzadigd is en waar water op het maaiveld blijft staan.
Het resultaat
Uit het onderzoek is gebleken dat de interflow laag in 3Di het gedrag van de onverzadigde zone in neerslag-afvoer processen nauwkeurig modelleert. Door gebruik te maken van deze laag is het mogelijk de integrale 1D/2D-modellen operationeel in te zetten voor een actueel wateroverlastbeeld. Hiermee heeft HHNK de eerste stappen gezet richting een dergelijk ‘24/7 wateroverlastbeeld’.
Alle cases