Het hoofddoel van dit project is de oplevering van state-of-the-art software modules voor de gebruikers om te kunnen rekenen aan hydrologische processen op verschillende schaalniveaus in tijd en ruimte, dat wil zeggen voor nationale, regionale en lokale studies terwijl onderlinge consistentie gewaarborgd blijft, en daarnaast voor gedetailleerde, maar ook verkennende en snelle berekeningen.

Dergelijke berekeningen dragen bij aan besluitvorming gericht op een klimaatadaptieve en toekomstbestendige inrichting van het watersysteem en het landelijk gebied en zijn gericht op de afstemming van gebruiksfuncties op het watersysteem. Consistentie tussen de verschillende schalen en concepten ondersteunt het draagvlak bij gebruikers bijvoorbeeld in de regio voor uitkomsten in een landelijke analyse.

Met de gezamenlijke aanpak in dit project beogen we de aansluiting op nieuwe externe ontwikkelingen te realiseren om daarmee de modellen die worden toegepast in het Nederlandse waterbeheer robuust te maken voor de toekomst, en meteen de inhoudelijke verbeterslagen te maken die we samen met gebruikers al eerder hebben geprioriteerd voor de link tussen de onverzadigde zone, het grondwater en het oppervlaktewater en voor de Waterwijzers.

Dit projectvoorstel past bij de MMIP C1 en MMIP F3 uit de KIA-LWV:

C1: Het modelinstrumentarium waar we aan werken is specifiek gericht op de modellering van het Nederlandse watersysteem en zal worden toegepast om zicht te krijgen op effecten van hydrologische maatregelen en van klimaat op de zoetwatervoorziening voor landbouw en natuur, met specifieke aandacht voor droogte en wateroverlast. Modelstudies (nationaal en regionaal) worden veelal ingezet voor scenariostudies en toekomstverkenningen om te komen tot een klimaatbestendige inrichting van het landelijk gebied. Verbetering van het instrumentarium zal bijdragen aan een betere afweging en kwantificering van de effecten van klimaatadaptieve maatregelen.
Samengevat dragen de voorstellen direct bij aan onderbouwing van klimaatadaptieve systeemkennis bodem-water-atmosfeer, vergroten van de regionale waterzelfvoorzienendheid, landgebruik op basis van water- en bodemgeschiktheid en omgaan met (extreme) droogte.

F3: Binnen ‘Nederland Digitaal Waterland’ past dit projectvoorstel ook want het maakt onderdeel uit van de ontwikkeling en toepassing van simulatietools voor het optimaliseren van het Nederlandse watersysteem en het gebruik daarvan voor strategisch en operationeel waterbeheer. Toepassing van het instrumentarium draagt bovendien bij aan beter onderbouwde afwegingen voor beleidsvorming, en verbeterde consistentie tussen landelijke, regionale en lokale schaal.
De innovaties worden vastgelegd in de basisinstrumenten die ook worden ingezet in het missiegedreven onderzoek van de kennisinstituten. Bijvoorbeeld voor Deltares voor het beantwoorden van de onderzoeksvragen in de missiegebieden toekomstige delta’s en duurzame delta’s.

De ontwikkelingen zijn onderverdeeld in verschillende deelprojecten, die grotendeels parallel worden uitgevoerd. De meeste deelprojecten doorlopen verschillende stadia, waarin eerst de wensen en functionaliteiten worden uitgewerkt in concepten, vervolgens de functionaliteiten geïmplementeerd in deelmodules van software, en vervolgens getest en gevalideerd. In een aantal geval gaat het om aanpassing van huidige functionaliteiten op de nieuwe modelleertechnieken.

De ontwikkelingen resulteren onder meer in software releases, waarin de verschillende ontwikkelingen ook samen komen; de grondwaterontwikkelingen worden vastgelegd in MODFLOW gerelateerde software (iMOD/BMI-couplers etc.), de onverzadigde zone activiteiten vooral in gestructureerde modules in MetaSWAP en/of SWAP en gerelateerde software, inclusief de Waterwijzers. In een aantal gevallen worden opleveringen gecombineerd (bijv. gekoppeld iMOD – MetaSWAP).

Tussen de sporen wordt frequent afgestemd, zodat de deelprojecten van elkaars ontwikkelingen op de hoogte zijn en eventuele afhankelijkheden voldoende in beeld blijven. De voortgang en resultaten van de ontwikkelingen worden breed gedeeld, bijvoorbeeld in gezamenlijke publicaties en bijdragen aan symposia en via websites.

Activiteiten:
1. Prototype peilgestuurde drainage en subirrigatie opwaarderen en consolideren in MODFLOW6;
2. Koppeling D-Hydro FM -MODFLOW 6, desgewenst in combinatie met MetaSWAP;
3. Modulaire opzet en harmonisatie SWAP-MetaSWAP + testen enkele modules onverzadigde zone;
4. Unconfined rekenen en verbeterde concepten Grondwateraanvulling in gebieden met diepe grondwaterstanden;
5. Versneld rekenen in MODFLOW 6;
6. Verbeterde conceptbeschrijving bodem-wortel interacties gericht op verbeterde reductiefunctie voor wateropname en deze testen voor bodemprofielen waar dit relevant is (veen-kleigronden);
7. Methode voor validatie van droogte- en natschade aan de hand van groenmonitordata;
8. Overzicht en samenhang componenten.

In 2020 heeft Deltares samen met de USGS gewerkt aan het BMI-compliant maken van MODFLOW 6 (Russcher et al, in prep, 2021), waardoor koppelingen met andere modellen mogelijk wordt gemaakt. Voor de Nederlandse gebruikers is bovendien een koppeling met het onverzadigde zone model MetaSWAP gerealiseerd, waardoor standaard, gestructureerde (dus nog op basis van een klassiek eindige differentie netwerk) berekeningen met de combinatie MODFLOW 6-MetaSWAP kunnen worden uitgevoerd. Al eerder is – vooral in het programma Lumbricus – gewerkt aan prototypen voor het doorrekenen van klimaatrobuuste maatregelen; onder meer is gewerkt aan een prototype voor een conceptuele koppeling tussen MODFLOW 2005, MetaSWAP en D-Hydro FM.

De huidige koppelingen en prototypen die zijn ontwikkeld voor de Nederlandse markt zullen moeten worden aangepast voor de vernieuwde modelcode van MODFLOW 6 en op onderdelen doorontwikkeld, aangezien de opzet van MODFLOW 6 compleet gewijzigd is ten opzichte van eerdere MODFLOW-versies. Daarbij is een migratie nodig om de huidige regisseursfunctie (zoals bijv. toegepast in de modelkoppeling iMOD - D-Hydro FM) te vervangen door de aansturing die wordt gehanteerd in de recent ontwikkelde BMI-koppeling. Dit betekent een aanzienlijke wijziging in de aansturing van de gekoppelde modellen, wat onderzoek vereist naar de wijze waarop de waterbalanscomponenten tussen de gekoppelde componenten worden uitgewisseld.

Bestaande modelkoppelingen in het NHI zijn tot op heden alleen toepasbaar voor het rekenen met gespannen lagen (zogenaamde ‘confined aquifers’). In veel zandgebieden is dit een te eenvoudige benadering. Het is gewenst om in de grondwatermodellering te kunnen rekenen met het droogvallen van de bovenste modellaag of -lagen. Dit vereist herziening en verfijning van de huidige modelkoppelingen tussen het grondwater en de onverzadigde zone en overige software, aangezien in de berekeningen moet kunnen worden geschakeld tussen de bovenste en onderliggende lagen, gebruik makend van de nieuwe numeriek stabiele algoritmes van MODFLOW 6 voor droogvallende lagen.

Specifiek is in gebieden met diepe grondwaterstanden de huidige benadering voor de onverzadigde zone onvoldoende. De gehanteerde concepten voor berekening van de grondwateraanvulling (in NHI en de Waterwijzers) volstaan voor ondiepe bodemprofielen, maar houden onvoldoende rekening met bijvoorbeeld vertraging en uitvlakking van de grondwateraanvulling bij dikkere onverzadigde zones. Dit wordt in de praktijk nu dikwijls omzeild door voor deze gebieden extra, iteratieve berekeningen uit te voeren met verschillende modelinstellingen, wat omslachtig is. MODFLOW 6 maakt het mogelijk om gecombineerde concepten voor de onverzadigde zone toe te passen, die naar verwachting leiden tot meer realistische simulatieresultaten voor tijdsafhankelijke grondwateraanvulling in deze gebieden. Hiervoor zal onderzoek worden verricht naar toepassing van gecombineerde modelconcepten, naar verwachting resulterend in een extra module tussen MODFLOW en MetaSWAP.

Naast voordelen en extra opties biedt toepassing van MODFLOW 6 ook enkele nadelen. Doordat volledig 3D wordt gemodelleerd, dienen in de simulatie scheidende lagen expliciet te worden onderscheiden van aquifers. Hierdoor neemt de rekentijd ruim een factor 2 toe, net als de omvang van de modeluitvoer. Dit zou kunnen worden voorkomen door gecombineerde aanpassingen in de modelinvoer en de modelcode door te voeren. Aangezien er bewust voor gekozen is om in de toekomst voor de Nederlandse markt geen eigen versie van de MODFLOW-code te onderhouden, maar de officiële broncode van de USGS toe te passen, dient (naast lopend onderzoek van parallellisatie van berekeningen, Verkaik et al, in prep.) een andere oplossing te worden gezocht om de modeluitvoer en rekentijd te reduceren. Verwacht wordt dat deze kan worden gevonden in het opleggen van randvoorwaarden en parameters via de in 2020 gerealiseerde BMI-koppeling.

Aansluitend op de ontwikkelingen rond de grondwatersoftware, en de verbeterde mogelijkheden om in MODFLOW 6 met verschillende resoluties te rekenen, worden de concepten in de onverzadigde zone en het simuleren van landgebruik (in MetaSWAP, SWAP en WOFOST) verder op elkaar afgestemd en waar nodig herzien, waarbij voor ogen wordt gehouden toe te werken naar een gereedschapskist met verschillende benaderingen voor toepassingen op verschillende schalen. Daarbij gaan we uit van een versterking van de modulaire opzet van deze modellen voor de onverzadigde zone. In de huidige versies van SWAP en MetaSWAP wordt al onderscheid gemaakt in deelprocessen, maar recente wijzigingen en toevoegingen zijn niet ten goede gekomen aan de onderlinge afstemming en overdraagbaarheid van deze componenten. Daartoe stellen we voor om in 2021 te werken aan een verbeterd ontwerp van de modulaire opzet waarbij een structuur wordt opgezet waar alle modules aan moeten voldoen. Bij de herprogrammering van deze modules zal efficiëntie en overdraagbaarheid van de diverse componenten (modules) in de modellen voorop staan.

Tegelijkertijd zal er gewerkt worden aan een verbeterde module voor wateropname in de wortelzone met aandacht voor wortel-bodem-interactie op basis van de concepten van De Willigen et al. en De Jong van Lier et al. Het ultieme doel van deze exercitie is een verbeterde bodemafhankelijke ‘Feddes-functie’ (macroscopisch reductiefunctie voor gewasopname).

Tenslotte zal voor de validatie van het modelinstrumentarium voor zover het betrekking heeft op droogteschade en natschade voor landbouw en natuur een methode worden uitgewerkt om de groenmonitordata (www.groenmonitor.nl) gebaseerd op de NDVI-waarnemingen (Europese Sentinelbeelden) op te schalen naar bodem-Gt-combinaties gekoppeld aan de BodemFysische EenhedenKaart (BOFEK). Deze data kunnen dan op verschillende schaalniveaus voor toetsing van het instrumentarium worden ingezet.

'- Deltares: Ontwikkeling van modelcodes en koppelingen, toepassing in pilotgebieden, ontwikkeltesten, release en publicatie;
- WENR: Ontwikkeling van modelcodes en koppelingen, toepassing in pilotgebieden, ontwikkeltesten, release en publicatie;
- KWR: Toepassing, testen, publicatie;
- Vitens: Toepassing, testen, publicatie;
- Brabant Water: Toepassing, testen, publicatie;
- RHDHV: Bijdrage aan ontwikkeling, toepassing, testen en publicatie;
- SWECO: Bijdrage aan ontwikkeling, toepassing, testen en publicatie;
- TAUW: Bijdrage aan ontwikkeling, toepassing, testen en publicatie;
- Witteveen+Bos: Bijdrage aan ontwikkeling, toepassing, testen en publicatie;
- Waterschap Limburg: Bijdrage aan o.a. validatie (incl testen in aanvullend project) en publicatie;
- Waterschap Aa en Maas: Bijdrage aan o.a. validatie (incl. zelf testen) en publicatie;
- STOWA: Bijdrage aan o.a. validatie (incl. zelf testen) en publicatie;
- ACSG: Bijdrage aan o.a. validatie (incl. zelf testen) en publicatie;
- RWS: Bijdrage aan o.a. validatie (incl. zelf testen) en publicatie.

Alle producten binnen NHI en de Waterwijzers hebben een open karakter, en worden na ontwikkeling en releasen van de software beschikbaar gesteld aan alle gebruikers in NL (en desgewenst daarbuiten). In het algemeen: IP ligt bij de hoofdontwikkelaar(s) / bronhouder(s).

De voortgang en resultaten worden gepresenteerd op IMOD-gebruikersdag, NHI-dag en gebruikersdagen Waterwijzers.
Informatie wordt eveneens gedeeld op de verschillende websites:
- https://www.nhi.nu/
- https://waterwijzer.nl/
- https://waterwijzerlandbouw.wur.nl/
- https://oss.deltares.nl/
- https://swap.wur.nl/

Uitsluitend in overleg met de huidige deelnemers kan het project worden uitgebreid met aanvullende partners, bijvoorbeeld voor aanvullende gerelateerde onderwerpen of extra validatie activiteiten in pilotgebieden. In principe is het logisch nieuwe partners eerder te betrekken in voorziene vervolgvoorstellen binnen mogelijke TKI-projecten.