Validatie hoogwater Maas juli 2021

In juli 2021 heeft op de Maas een extreem hoogwater plaatsgevonden. Het betrof een zeer spits zomerhoogwater met een stijging van slechts 2 dagen en topafvoeren van 3310 m3/s bij St. Pieter en 3284 m3/s bij Borgharen-dorp. Deze recordafvoeren zijn meer dan 10% groter dan eerdere wintertoppen en meer dan 65% groter dan de tot dan toe meest extreme zomer-piekafvoer van 2000 m3/s uit juli 1980 (Van der Veen, 2021). Met dit hoogwater is het voor het eerst sinds 1993 en 1995 weer mogelijk om het functioneren van het model en het gebruik van de operationeel beschikbare gegevens voor een Maasafvoer boven de 3000 m3/s te analyseren. Met een validatie van het hoogwater van 2021 kunnen de modelresultaten ten aanzien van de waterstanden bij toekomstige hoogwaters beter worden onderbouwd. Modelbouw Deze rapportage beschrijft de opbouw van het historische j21-model van de Maas in D-HYDRO. Dit model is specifiek opgebouwd voor de validatie van het hoogwater van juli 2021. Baseline-maas-j21_6-v1 en dflowfm2d-maas-j21_6-v1a zijn opgebouwd uit en vervolgens vergeleken met baseline-maas-j19_6-v2 en dflowfm2d-maas-j19_6-v2a. Ter validatie van het nieuwe j21-model zijn met beide modellen simulaties uitgevoerd met 2 standaardsommen van de Jaarlijkse Actualisatie Modellen Maas (JAMM) 2022, namelijk de som S250 en D4100. Er zijn geen onverwachte veranderingen in de waterstand zichtbaar en dflowfm2d-maas-j21_6-v1a is daarom geaccepteerd. Voor de randvoorwaarden zijn meetreeksen van debieten en waterstanden gebruikt. De randvoorwaarden van de beken zijn afgeleid met behulp van de Randvoorwaarden Generator Water Modellen (RGWM). Daarnaast zijn voor de aansturing van de kunstwerken historische tijdseries voor Real Time Control (RTC) opgesteld op basis van de door Rijkswaterstaat aangeleverde gemeten waterstanden. In de tweede versie van dit onderliggende rapport zijn de randvoorwaarden herzien en zijn extra modelvarianten opgezet. Het model dflowfm2d-maas-j21_6-v1a met nieuwe randvoorwaarden, nieuwe RTC-tijdseries en de modelinvoer voor de extra modelvarianten is opgeleverd als dflowfm2d-maas-j21_6-v1b. Om te testen of de huidige kalibratie nog goed van toepassing is op het zesde-generatie Maasmodel is een aantal varianten doorgerekend zonder kalibratie. Daarnaast is ook een aantal varianten doorgerekend zonder kalibratiefactor voor het H2-niveau. Om het effect van de zomervegetatie op de ruwheid en op de opgetreden waterstanden te onderzoeken zijn extra varianten doorgerekend met daarin de ruwheidscoëfficiënten van de zomer i.p.v. die van de winter. Daarnaast zijn ook varianten doorgerekend met een zomerkartering. Voor de zomerkartering zijn land_use_polygons met de ruwheidscodes 121 (akker), 122 (strooisel) en 1822 (95% akker + 5% doornstruweel) vervangen door overeenkomstige polygonen uit de gewasregistraties van Nederland en Vlaanderen. Validatie Voor de validatie worden diverse databronnen gebruikt, namelijk: meetreeksen van waterstanden en debieten, diverse incidentele metingen (topwaterstanden, notities van waterstanden op peilschalen en strootjesmetingen), afvoermetingen, verhanglijnmetingen, LiDAR- data van 16-18 juli 2021 en een topwaterstandenkaart. Waterstand De topwaterstanden worden door de referentie op de Bovenmaas (Eijsden tot Borgharen) met 10 tot 21 cm overschat, terwijl het verschil op de Grensmaas (Borgharen tot Thorn) -50 tot +10 cm bedraagt. Deze verschillen zijn in D-HYDRO (zesde-generatiemodel) 10 tot 20 cm kleiner dan in het vijfde-generatiemodel WAQUA. Het model presteert op de Grensmaas nog beter wanneer de ruwheid van de zomervegetatie of de zomerkartering wordt gebruikt. Door de extreem spitse vorm van het hoogwater van juli 2021 zakt de piekafvoer sterk in. Dit begint zichtbaar te worden in de waterstanden op de Plassenmaas. Het model is redelijk goed in de reproductie van het opgaande water, behalve voor het hoogste deel van de afvoerpiek en de topwaterstand wordt met 7 tot 10 cm onderschat. Vanaf Roermond is er een groter verschil zichtbaar tussen het moment dat de topwaterstand in het model en in de metingen wordt bereikt. De vorm van de piek gaat vanaf deze locatie verder afwijken en de topwaterstand wordt tot aan meetpunt Belfeld Boven met 7 tot 11 cm onderschat. In de dalende fase van het hoogwater heeft de waterstand een beduidend steiler verloop dan de metingen aantonen. Dit is ook het geval in het model met de hogere zomerruwheden. De hogere zomerruwheden zorgen wel voor een verdere toename van de topwaterstand, maar niet voor een trager verloop van de afvoergolf. Het gebruik van de zomerkartering zorgt daarentegen zowel voor een toename van de topwaterstand als voor een tragere stijging vlak voor de topwaterstand. Vanaf Venlo tot Sambeek is juist zichtbaar dat de waterstanden in het model te traag stijgen, waardoor de topwaterstand te laat wordt bereikt in het model. De topwaterstand wordt met 23 cm onderschat, deze onderschatting is in dezelfde orde als de onderschatting van het WAQUA model. De waterstanden stijgen nog trager voor de variant met zomerkartering, maar wel is door een toename in de topwaterstand de onderschatting afgenomen tot 20 cm voor de variant met zomerruwheid en 9 cm voor de variant met zomerkartering. Er zijn dus waarschijnlijk (ook) andere factoren die maken dat de vorm van de afvoergolf niet goed gerepresenteerd wordt in het model. Na Mook is ook in het eerste deel van de opgaande fase van het hoogwater steeds een duidelijke afwijking zichtbaar tussen het model en de metingen. Er zijn in het model minder momenten met afvlakking van de stijging van het water en de topwaterstand wordt in het model steeds eerder bereikt dan in de metingen. De topwaterstanden liggen op dit traject 8 tot 19 cm hoger dan de metingen. Deze overschatting is 10 tot 15 cm lager dan in WAQUA. Afvoer De piekafvoer bij Sint Pieter Noord is in het model 34 m3/s hoger en de piek wordt ook iets later bereikt dan in de metingen. Door de extreem spitse vorm van het hoogwater van juli 2021 zakt de piekafvoer sterk in benedenstroomse richting. Dit is zichtbaar in zowel de modelresultaten als de metingen. Echter stijgt de afvoer in het model sneller en wordt de piekafvoer in het model op de benedenstroomse meetlocaties doorgaans eerder bereikt. De grootste verschillen (voornamelijk overschattingen door het model) ontstaan op het moment dat het verloop van de afvoerpiek het steilst is. Het is opvallend dat over het gehele model de afvoeren veel beter overeenkomen voor de variant met zomerkartering. De zomerkartering geeft een sterke verbetering doordat de stijging voor de hogere afvoeren minder snel is. De piekafvoer valt daardoor beter samen met de meting en ook neemt de overschatting van de piekafvoer af. De extra afvoermetingen van Aqua Vision tonen dat er in het stuwpand tussen Sambeek en Grave tijdens de piek in het model naar verhouding minder water via het zomerbed en meer via het winterbed stroomt dan dat de metingen aangeven. Ook hier nemen de verschillen tussen het model en de metingen af voor de variant met zomerkartering. Conclusie en aanbevelingen De resultaten tonen dat dflowfm2d-maas-j21_6-v1b (de referentie) beter presteert in deze validatie dan de ongekalibreerde varianten of de varianten zonder de kalibratie op het hoogste niveau (H2), dat op basis van 1995 is vastgesteld. Herkalibratie op het basis van het hoogwater van juli 2021 moet pas overwogen worden indien de verschillen tussen de modelresultaten en de metingen van dit hoogwater van 2021 onacceptabel zijn en de verwachting is dat herkalibratie op basis van dit hoogwater de modelresultaten voor toekomstige hoogwaters verbeterd. Op basis van alleen een vergelijking met metingen kan echter niet worden gezegd of herkalibratie een beter model op gaat leveren. Het hoogwater van juli 2021 was zeer spits qua golfvorm en het betrof een zomerevent, terwijl hoogwaters tot nu toe altijd in de winter plaatsvonden. De schematisatie van 2021 is wel veel recenter en ook de kwaliteit van de meetdata van het hoogwater is beter en diverser dan voor het hoogwater van 1993 en 1995. Echter ontbraken losse divermetingen in de uiterwaarden en is ook nog niet duidelijk welke data daadwerkelijk voor eventuele herkalibratie meegenomen kan worden. Daarnaast is nog onzeker waardoor de verschillen tussen de modelresultaten en metingen exact worden veroorzaakt en dit dient eerst verder te worden onderzocht en waar nodig dient het model eerst verder te worden verbeterd. Als er toch voor herkalibratie wordt gekozen, wordt aanbevolen om de simulatie met zomervegetatie te gebruiken, aangezien dit model over de hele Maas gezien gemiddeld beter presteert dan het model met zomerruwheidscoëfficiënten of de referentie met wintervegetatie. Er is echter ook voor het model met zomervegetatie geen algehele betere overeenkomst met zowel de afvoergolf als de hoogwaterstanden, die direct te linken is aan de verandering in vegetatiekartering. Er is namelijk te weinig topvervlakking in het bovenstroomse deel van de Maas. Er is wel een verbetering in de piekwaterstanden en vorm van het verloop van de waterstanden vanaf Heel, maar er is ook teveel topvervlakking vanaf Venlo. Daarentegen verbetert wel zowel de piekafvoer als de vorm van de afvoergolf over het gehele model door het gebruik van de zomervegetatie. Dit impliceerd dat er waarschijnlijk ook andere factoren in de schematisatie of stuwsturing zijn die zorgen dat de vorm van de afvoergolf en de hoogwaterstanden niet goed gerepresenteerd worden in het model. Om deze reden wordt eerst verder onderzoek aanbevolen. Er wordt onder andere aanbevolen om het effect van de vegetatie op ruwheden en waterstanden verder te onderzoeken. Daarbij is met name onderzoek nodig naar de verandering in ruwheid van de vegetatie tijdens de seizoenen en de verandering tijdens een hoogwater door bijvoorbeeld het platslaan en afbreken van de vegetatie. Ook zou de huidige zomerkartering gevalideerd kunnen worden met behulp van luchtfoto’s om te checken of boeren niet snel voor het hoogwater de gewassen hebben geoogst. Verder wordt aanbevolen om een extra analyse of check uit te voeren van de schematisatie van de Grensmaas en de schematisatie tussen Sambeek en Lith. Hier zijn namelijk grote verschillen zichtbaar tussen de piekwaterstand van het model en de metingen.