Beschikbaar zoet grondwater nu sneller en op hoge resolutie te modelleren

Voor waterbeheerders wordt het steeds belangrijker te weten hoe de beschikbare voorraad wordt beïnvloed door extreme droogtes, verzilting, zeespiegelstijging en bodemdaling veroorzaakt door het overmatig oppompen van grondwater, en hoe negatieve effecten kunnen worden gecompenseerd. Ze maken daarvoor gebruik van grondwatermodellen.

Transport over honderd jaar binnen enkele dagen uitgerekend

Zulke voorspellingsmodellen worden bijvoorbeeld gemaakt voor Nederlandse waterbeheerders met het Nederlands Hydrologisch Instrument (NHI), dat gebruikers voorziet van software en data. Deze modellen rekenen doorgaans langere periodes door en daarom vragen ze een lange rekentijd en groot geheugengebruik. Deze beperkingen drukken een grote stempel op de praktische bruikbaarheid wanneer de modellen worden geijkt en tal van scenarioberekeningen moeten worden gedraaid. Onlangs is echter door parallellisatie van de gebruikte rekencodes grote vooruitgang geboekt om die lange rekentijd flink te verkorten.

Als eerste is nu de huidige landelijke toepassing van NHI, het geïntegreerde Landelijk Hydrologische Model, aanzienlijk versneld door de gebruikte rekencode MODFLOW (iMODFLOW-MetaSWAP) te parallelliseren. Ten tweede heeft parallellisatie van de rekencode SEAWAT (iMOD-WQ) de ontwikkeling van het landelijk drie-dimensionale NHI zoet-zout model mogelijk gemaakt. Nu kan dichtheidsafhankelijk grondwater en zout transport over bijvoorbeeld 100 jaar binnen enkele dagen worden uitgerekend; dit is veel sneller dan voorheen en hierdoor een echte gamechanger.

Jarno Verkaik, expert grondwatermodellering : “Als oplossing voor doorlooptijd en geheugencapaciteit van grondwatermodellen heb ik parallellisatie toegepast waarbij geheugen wordt gedistribueerd over meerdere computers. In mijn eerste twee artikelen toon ik aan dat versnellingen van meer dan twee orden van groottes mogelijk zijn.”

Opeens veel meer toepassingen mogelijk

Door de significant kortere rekentijden zijn er opeens veel meer toepassingen mogelijk, geeft Gualbert Oude Essink aan. “Zo kan je lokale grondwater processen met een hogere resolutie veel nauwkeuriger nabootsen en dus beter begrijpen. Denk daarbij aan het opkegelen van zout grondwater onder een grondwater winput, droogte op een landbouwperceel of een klein natuurgebied, of zoete regenwaterlenzen drijvend op brak grondwater. Aan de andere kant van het spectrum van mogelijke toepassingen bevinden zich 3D zoet-zout grondwatermodellen op mondiale schaal. Hiermee kunnen we bijvoorbeeld het effect van menselijk handelen en een zeespiegelstijging uitrekenen langs alle kustgebieden in de wereld. Tevens kunnen we snel meerdere scenario’s van compenserende maatregelen draaien en zodoende handelingsperspectief bieden aan onze klanten, van de Wereldbank en de FAO tot nationale en regionale overheden. Recent heeft de Universiteit van Oldenburg onze rekencode gekregen om de effecten van klimaatverandering op het grondwatersysteem van Noordwest Duitsland te bepalen.”

Samen met de Amerikaanse Geologische Dienst getest in MODFLOW

Binnen het onderzoek wordt nauw samengewerkt met de Amerikaanse Geologische Dienst (USGS), de maker van MODFLOW. MODFLOW is open source, de meest gebruikte rekencode voor grondwater ter wereld en wordt gebruikt door een grote gemeenschap gebruikers bij overheden, adviesbureaus en onderzoeksinstituten. Er is inmiddels samen met de USGS een werkende parallelle versie van MODFLOW 6 ontwikkeld waarmee een PCR-GLOBWB mondiaal grondwater model op 1 km resolutie is doorgerekend voor circa 60 jaar.

Hiervoor worden nu de laatste experimenten afgerond voor een nieuwe peer-reviewed publicatie. Met als plan dat deze code als basis dient om in 2022 samen met de USGS aan derden vrij te geven.