Conceptuele riviermodellering op bekkenschaal, ter ondersteuning van onzekerheids- en scenario analyses

Overstromingen worden wereldwijd beschouwd als de natuurramp met de meest verstrekkende gevolgen, wanneer gekeken wordt naar de economische verliezen of uitbetaalde schade. Men verwacht dat de frequentie en de gevolgen van deze overstromingen (getroffenen, financiële schade of impact op het milieu) zullen toenemen in de komende decennia, als gevolg van klimaatverandering, veranderingen in landgebruik en bevolkingstoename. Het is in dit opzicht dat de Europese Commissie de EU Water Framework Directive (2000/60/EC) en de EU Floods Directive (2007/60/EC) heeft goedgekeurd. De eerste richtlijn verplicht de EU lidstaten om een goede kwantitatieve en kwalitatieve status van de waterlichamen te bekomen en beheersplannen op bekkenschaal uit te werken. De tweede richtlijn verwacht dat alle overstromingsgevoelige gebieden geïdentificeerd worden en dat maatregelen uitgewerkt worden om het overstromingsrisico te verminderen. Om te voldoen aan deze verwachtingen gebruiken water beheerders een combinatie van hydrologische neerslagafstromingsmodellen en hydrodynamische rivier modellen. Beide modellen proberen de werkelijkheid zo goed mogelijk te benaderen, maar worden onvermijdelijk beïnvloed door verschillende bronnen van onzekerheid. Het erkennen en in rekening brengen van deze onzekerheden is van groot belang, rekening houdende met het feit dat model resultaten meer en meer gebruikt worden bij het nemen van beslissingen.

Het omgaan met onzekerheden in nagenoeg elke toepassing gaat gepaard met een groot aantal simulaties of lange termijn simulaties. Conventionele hydrodynamische modellen zijn hiervoor niet geschikt, omwille van hun relatief lange rekentijden en de beperkte flexibiliteit van de gebruikers interface. Conceptuele modellen, die de meer gedetailleerde modellen nabootsen, kunnen in dergelijke gevallen een goed alternatief zijn. Het discrete en expliciete rekenschema van deze modellen laat toe om de rekentijd drastisch te verkorten, in combinatie met slechts een beperkt verlies aan nauwkeurigheid. Dit maakt hen zeer waardevol voor toepassingen die snelle en accurate resultaten nodig hebben. Deze thesis demonstreert hoe de aanpak van conceptuele modellen kan gebruikt worden binnen de EU Floods Directive, waarbij bovendien ook nog rekening wordt gehouden met de verschillende bronnen van onzekerheid.

Het eerste gedeelte van dit manuscript beschrijft een conceptuele modelleringsaanpak, welke gebruikt kan worden in een brede waaier van toepassingen in waterbeheer. Het riviernetwerk worden geschematiseerd door een aantal onderling verbonden reservoirs, waarbij processen op macro schaal samengevoegd worden in tijd en ruimte. Elk reservoir maakt gebruik van een discrete vorm van de continuïteitsvergelijking en er wordt verondersteld dat alle waterkwantiteitvariabelen direct of indirect gerelateerd zijn aan het volume in dat reservoir. Een breed gamma aan model componenten en bijhorende kalibratieprocedures is beschikbaar om alle mogelijke rivier typologieën en dynamische effecten te kunnen modelleren. Tot op heden werd deze techniek voornamelijk gebruikt voor de vrij stromende, opwaartse gedeelten van rivieren, waar er geen invloeden zijn van de opstuwingseffecten veroorzaakt door afwaartse randvoorwaarden. Toepassingen op rivieren onderworpen aan getijdeninvloed waren bijgevolg nagenoeg onbestaande. Daarom werd een aantal extra model componenten ontwikkeld om deze rivieren te kunnen opnemen in de bestaande conceptuele modelleringsaanpak. Riviernetwerken kunnen nu op een efficiënte manier gemodelleerd worden, op bekkenschaal.

Het tweede en tevens belangrijkste gedeelte van deze thesis focust op de rol van onzekerheid in riviermodellering. Een eerste objectief hierbij is het begroten van de onzekerheid op model resultaten en het ontbinden ervan in een aantal bijdrages. Dit moet toelaten om te begrijpen waar de onzekerheid vandaan komt, om de belangrijkste bronnen te identificeren en om efficiënte strategieën voor de reductie van onzekerheid uit te werken. De onzekerheid in model resultaten wordt begroot met een data gebaseerde aanpak, die zowel op waterpeilen als debieten toepasbaar is. De aanpak vergelijkt simulatie resultaten met metingen en laat toe om effecten zoals heteroscedasticiteit, scheefheid, niet normale verdelingen, … eenvoudig in rekening te brengen. Onzekerheden op randvoorwaarden en parameters worden vervolgens gepropageerd door het model om hun impact op bepaalde locaties in te schatten. Dit propageren kan relatief snel gebeuren, dankzij de beperkte rekentijden van het conceptuele model. In de volgende stap worden de resultaten statische geanalyseerd om het aandeel van elke onzekerheidsbron tot de totale onzekerheid te begroten. Dit wordt zowel voor de gemiddelde afwijking als de variantie gedaan, om zo een beter beeld te krijgen over de totale onzekerheid. De aanpak wordt gedemonstreerd op twee gevalstudies, Zenne en Dender, en voor beiden worden een aantal adviezen geformuleerd om de nauwkeurigheid van het model te vergroten.

Een tweede objectief binnen het onzekerheidsgedeelte is de kalibratie van hydrodynamische model parameters. Het kalibreren van deze parameters is meestal een manueel en tijdrovend proces, of is voor de eenvoud gebaseerd op standaard waarden. Het uiteindelijk resultaat zal bijgevolg afhangen van de ervaring van de model ontwikkelaar en men kan verwachten dat het globale optimum zeer moeilijk te bereiken is binnen een werkbaar tijdsbestek. Een meer accurate kalibratie van de model parameters zou moeten toelaten om de invloed van parameter onzekerheid op de modelresultaten sterk te verlagen. Dit werk presenteert een aanpak die het mogelijk maakt om een aantal parameters van hydrodynamische modellen te kalibreren, door gebruik te maken van een conceptueel vervang model. Dit model, dat zodanig opgesteld is dat het effect van veranderende parameter waarden bestudeerd kan worden, is gekoppeld met de SCEM-UA optimalisatie toolbox. De parameters worden gekalibreerd door het minimaliseren van de verschillen tussen model resultaten en historische waarnemingen. De resultaten tonen duidelijk aan dat het gekalibreerde model in staat is om nauwkeurigere resultaten te produceren dan het originele model. De aanpak laat bovendien toe om de parameters te laten variëren in de tijd, waardoor het finale conceptuele model nauwkeuriger is dan het gedetailleerde hydrodynamische model.

Het derde objectief van deze thesis bestaat erin om de toepasbaarheid en de voordelen van het conceptuele model binnen een scenario analyse, aan te tonen. De stijging van het overstromingsrisico in het Dender bekken wordt bepaald voor het huidige en toekomstige klimaat. Vervolgens zijn een aantal mogelijke scenario’s om dit risico in te dijken geëvalueerd. Overstromings-risico’s worden berekend aan de hand van de lange termijn simulaties met het conceptuele model, waarbij de invloed van klimaatverandering op de op- en afwaartse randvoorwaarde in rekening wordt gebracht. Een kosten-baten analyse laat toe om de meest efficiënte scenario’s, zowel op economisch als op sociaal vlak, te identificeren. In een tweede stap wordt de onzekerheid op de randvoorwaarden ook beschouwd. Het doel hiervan is om een inschatting te maken van de kans dat een bepaald scenario effectief tot een reductie van het overstromingsrisico leidt. De resultaten van de eerste analyse worden nl. beïnvloed door verschillende bronnen van onzekerheid. Het berekenen van de eerder vermelde kansen levert dus extra informatie op voor beleidsmakers.