B&O-modellen en deelmodellen Maas

Dit rapport beschrijft de ontwikkeling van een nieuw beno22-model van de zesde generatie en bijbehorende deelmodellen voor de Maas, die worden ingezet voor de vergunningverlening in het kader van de Waterwet. Het beno22-model is het eerste beno-model van de Maas dat vanuit Baseline-NL is opgebouwd. Ten opzichte van het beno19-model (Van der Deijl et al., 2022) zijn de kunstwerken bij de in- en uitlaatkanalen van maatregelen Elerweerd, Heerenlaak en Contelmo opgenomen in de D-HYDRO-schematisatie en is de doorstroming bij deze maatregelen en bij de haven van Wanssum verbeterd met modelmaatregelen. Voor de stationaire berekeningen zijn er initiële condities gemaakt die beter passen bij de gewenste eindtoestand, waardoor de benodigde rekentijd aanzienlijk verkort kon worden. En er zijn verbeteringen doorgevoerd in zowel Baseline als D-RTC om handmatige aanpassingen aan de schematisatie na projectie met Baseline overbodig te maken. De roosterresolutie van de deelmodellen is vier keer zo fijn als die van het gehele Maasmodel. Om te lange rekentijden te voorkomen is het totaalmodel opgeknipt in drie deelmodellen van telkens 80-100 km lengte (gemeten langs de rivieras) en met een overlap van ongeveer 20 km. De modelschematisaties zijn afgeleid van de Baselineschematisatie baseline-maas-beno22_6-v2. De aanpak voor het maken van de deelmodellen is ten opzichte van de vijfde-generatiemodellen herzien op basis van aanbevelingen en wensen van gebruikers van de modellen. De belangrijkste wijzigingen zijn het aantal deelmodellen (van 9 naar 3) en de manier waarop in de randvoorwaarden rekening gehouden wordt met topvervlakking. Het rooster van het gehele Maasmodel is in twee stappen verfijnd om tot een zo hoog mogelijke kwaliteit van de deelroosters te komen. Ten eerste is het rooster automatisch met een factor vier (2x2) verfijnd. Vervolgens is het resulterende 20-m-rooster aangepast om de orthogonaliteit te verbeteren en het rooster te optimaliseren voor de tijdstap. In de deelmodellen zijn de parameterinstellingen zoveel mogelijk hetzelfde gehouden als in het gehele Maasmodel. Alleen de achtergrondwaarde van de horizontale wervelviscositeit (“eddy viscosity”) is verhoogd van 0,1 naar 0,4 m2/s, om het waterstandsverschil ten opzichte van het 40 m model van de gehele Maas te verminderen. De berekende waterstanden liggen in het beno22-model van de gehele Maas over het algemeen lager dan in beno19. Benedenstrooms van de Grensmaas gaat het om een verschil van enkele cm, dat veroorzaakt wordt door een structureel verschil in de hoogte van de zomerbedbodem en enkele lokale ingrepen in de uiterwaarden. Op de Grensmaas zijn de waterstandsverschillen groter, tot maximaal 70 cm. Op dit traject is, onder andere door het hoogwater van juli 2021, de bodemligging in het zomerbed sterk veranderd. Daarnaast zijn op enkele locaties nieuwe/gewijzigde ingrepen in het winterbed opgenomen. Het toevoegen van de nieuwe kunstwerken bij Elerweerd, Heerenlaak en Contelmo veroorzaakt bij Roosteren aanzienlijk hogere waterstanden (tot 63 cm) dan in beno19. De verschillen in berekende waterstanden zorgen, samen met enkele veranderingen in kadehoogtes, voor verschillen in inundatiegebieden op enkele locaties. De verschillen zijn het grootst voor de afvoerniveaus van 3.200 m3/s en 4.100 m3/s. In de dynamische berekening D1300 is de hoogste berekende waterstand tussen net bovenstrooms van stuw Sambeek (rkm 145) tot Lith dorp (rkm 202) niet representatief voor de passage van de hoogwaterpiek, omdat de stuwen dan nog actief zijn. Door de sturing op wisselende streefpeilen ligt de waterstand in de aan- en afloop van het hoogwater hoger dan tijdens de piekafvoer. De PID-controllers van alle stuwen behalve Linne en Roermond worden instabiel bij lage afvoeren. Dit komt door de instellingen voor de PID-parameters. In de dynamische berekeningen wordt de sturing van de benedenstroomse stuwen Grave en Lith instabiel bij de overgang van het ene naar het volgende streefpeil. Er wordt aanbevolen de sturing te verbeteren om instabiliteit in de toekomst te voorkomen. Inmiddels is dit ingepland voor de tweede helft van 2023. Door een bug in de gebruikte versie van D-HYDRO (Versie 2022.01_patch01) ontstaat een fout in de afvoerbalans als partitiegrenzen gekruist worden door bruggen of kunstwerken. Inmiddels is versie 2023.01 beschikbaar, waarin deze fout is opgelost. Dit is echter nog niet in detail getest met het Maas-model. Het waterstandsverschil in de simulaties met een afvoer van 3.200 m3/s tussen de deelmodellen B (rkm 67 – 165) en C (rkm 145 – 247) en het gehele Maasmodel bedraagt vrijwel overal minder dan 8 cm. Bij de spoor- en fietsbrug Mook (rkm 165) is een lokale uitschieter van 11 cm zichtbaar in deelmodel C. In deelmodel B valt het traject tussen rkm 100 en 125 (grofweg de gemeente Venlo) op. Hier liggen de waterstanden in het deelmodel structureel enkele cm lager dan in het gehele Maasmodel. Een mogelijke verklaring hiervoor is dat op dit traject vrijwel geen winterbed aanwezig is, waardoor (kleine) verschillen in de weergave van het zomerbed en de oevers van de Maas als gevolg van de hogere resolutie in het deelmodel toch kunnen leiden tot relatief grote waterstandsverschillen. In de simulatie met 4.100 m3/s zijn de verschillen tussen deelmodel en C en het gehele Maasmodel kleiner dan in de simulatie met 3.200 m3/s. Model A kent een beduidend groter verschil ten opzichte van het gehele Maasmodel, zowel bij 3.200 m3/s als bij 4.100 m3/s. Bovenstrooms van rkm 15 (Maastricht) en bij Roosteren (rkm 50-55) liggen de waterstanden in het deelmodel aanzienlijk lager (max. 35 cm). Eén van de verklaringen voor het verschil bij Maastricht is de weergave van het zomerbed, dat in het 20m-model gemiddeld genomen breder uitpakt dan in het 40 m model. Bij Roosteren is de belangrijkste oorzaak dat de afvoer door de maatregelen Elerweerd, Heerenlaak en Contelmo (Oude Maasje) aanzienlijk hoger is dan in het gehele Maasmodel. Alle standaardberekeningen met zowel beno22 als de deelmodellen kunnen binnen één nacht worden gedraaid. De rekentijden liggen, afhankelijk van de situatie (afvoerniveau en stationair/dynamisch) tussen 5 en 17 uur voor beno22 en tussen 9 en 20 uur voor de deelmodellen. Van de deelmodellen rekent deelmodel A aanzienlijk langer dan deelmodellen B en C, omdat de stroomsnelheden in dat gebied significant hoger zijn en dus aanzienlijk kleinere tijdstappen nodig zijn.