Ruimtelijk gespreide grondwatervoeding en grondwater - oppervlaktewater interacties in grondwatermodellen: van de veld- tot de stroomgebiedsschaal

Stroming en transport in watervoerende lagen in vlakke laag gelegen gebieden of laagland worden sterk beïnvloed door grondwatervoeding en interacties met het oppervlaktewaternetwerk. In laagland ligt de grondwaterspiegel dicht bij het topografische oppervlak. Daarom vinden de interacties tussen grondwater, atmosfeer, bodem, vegetatie en oppervlaktewater plaats over korte afstanden binnen de zogenaamde kritische zone. Vanwege deze korte afstanden en de niet-lineariteit van stromingsprocessen in de kritische zone blijft een correcte weergave van deze processen in catchment/regionale grondwatermodellen een uitdaging. Deze dissertatie onderzoekt hoe watertransfer in de kritische zone tussen grondwatervoerende lagen, het oppervlaktewater en het bodemoppervlak in laagland accuraat in grondwatermodellen beschreven kan worden tegen een aanvaardbare rekenkost. De algemene aanpak die in dit werk wordt gebruikt is een bottom-up opschaling. Eerst worden processen mechanistisch gesimuleerd op kleinere schaal (punt- en veldschaal), rekening houdend met de kleinschalige spatio-temporele kenmerken van het systeem. Deze gesimuleerde processen worden vervolgens gemiddeld of geaggregeerd tot een grotere schaal (catchment scale) en functionele relaties tussen gemiddelde processen op grotere schaal en kenmerken van de kleinere schaalstructuur worden afgeleid. Op deze manier worden het inzicht in en kennis van kleinschalige processen en strukturen effectief gebruikt om relaties die op grotere schaal ontstaan af te leiden.

In regionale modellen wordt watertransfer tussen grondwater en oppervlaktewater meestal voorgesteld met een Cauchy-randvoorwaarde die gebruik maakt van een geleidingsparameter. Om de representatie van grondwater - oppervlaktewater interacties in regionale hydrogeologische modellen te verbeteren, is in het tweede hoofdstuk een nieuwe uitdrukking voor deze geleidingsparameter afgeleid. Parametrisering van de geleidingsparameter is op dit moment problematisch omdat deze uitgaat van de veronderstelling dat de geleiding uitsluitend wordt bepaald door eigenschappen van de rivierbedding. Afhankelijk van het specifieke systeem en de ruimtelijke discretisatie van het hydrogeologische model kan de hydraulisch conductiviteit van de watervoerende laag echter een beperkende factor zijn voor de interacties tussen grond- en oppervlaktewater. De resulterende schaalafhankelijkheid van de geleidingsparameter wordt in de huidige conceptualisering niet in aanmerking genomen. De nieuwe uitdrukking, die is afgeleid uit analytische vergelijkingen en 2D simulaties van een verticale beek-aquifer doorsnede, koppelt de geleiding aan de dikte en hydraulische conductiviteit van de aquifer, de discretisatie van het grondwatermodel en de dichtheid van het oppervlaktewaternetwerk. De expressie werd geëvalueerd met behulp van 3D hydrogeologische simulatiemodellen met verschillende ruimtelijke resoluties en vergeleken met eerder gepubliceerde parameterisatiemethoden. De resultaten laten zien dat de nieuwe expressie zowel het effect van de rastergrootte als de dichtheid van het oppervlaktewaternetwerk op de geleidingsparameter accuraat weergeeft, zonder dat dit het numerieke model complexer maakt.

In het derde hoofdstuk van het proefschrift wordt een modelleringsstudie op veldschaal gepresenteerd waarin het verband wordt onderzocht tussen de dagelijkse schommelingen van de grondwaterstand en de opname van grondwater door plantenwortels. Een 3D model werd opgezet om de waargenomen dagelijkse grondwaterfluctuaties in een loofboomperceel en in het aangrenzende grasveld te simuleren. Het model simuleerde de belangrijkste kenmerken van de geobserveerde diurnale grondwaterspiegelschommelingen goed, hoewel een meer geavanceerde vegetatie module nodig zou zijn om de timing van de diurnale schommelingen beter weer te geven. Significante dagpatronen werden gesimuleerd in de tijdreeks van fluxen tussen het boomperceel, het naburige grasperceel en de aangrenzende rivier. Bovendien leidde de opname van water uit het grondwater door plantenwortels tot kleinere (10 tot 30 %) grondwater - oppervlaktewaterfluxen tijdens droge perioden. Dit suggereert dat grondwateropname door planten een belangrijk proces is dat in een stroomgebiedschaalmodel kan worden weergegeven.

In het laatste hoofdstuk van dit proefschrift wordt een steady-state grondwatermodel van het stroomgebied van de Kleine Nete (Noordoost-België) gepresenteerd. Verschillende parametrisaties van grondwatervoeding en grondwater - oppervlaktewaterinteracties en hun effecten op de gesimuleerde grondwaterstanden en -fluxen werden beoordeeld. Met betrekking tot grondwater - oppervlaktewater interacties, werd het gebruik van de nieuwe functie voor grondwater - oppervlaktewater geleidingsparameter vergeleken met het gebruik van een homogene geleidingsparameter die bekomen werd door kalibratie. De grondwatervoeding werd bepaald via een opzoektabel waarin de relaties tussen de diepte van het grondwater, het bodemtype, de vegetatie met al dan niet wateropname door plantenwortels uit het grondwater en de grondwatervoeding werden samengevat. Deze opzoektabel was gebaseerd op simulaties met een 1D bodemhydrologisch model. Met deze opzoektabel kon het effect van subgrid variabiliteit met betrekking tot vegetatie, bodem en topografie op de grondwatervoeding in de gridcel eenvoudig in rekening gebracht worden. Het relatieve belang van het overwegen van deze factoren op gesimuleerde grondwatervoeding en grondwaterstromingsvelden werd geëvalueerd. De resultaten benadrukken de relevantie van het gebruik van een ruimtelijk variabele grondwater – oppervlaktewater geleidingparameterisatie en het belang van het overwegen van de koppeling tussen de diepte van het grondwater en de grondwatervoeding in laagland met ondiep grondwater.