Deltares heeft een nieuwe rekentechniek voor grondwatermodellen geïntroduceerd waarmee ontwikkelingen veel sneller en gedetailleerder in beeld kunnen worden gebracht. Hierbij staat parallellisatie van rekencodes centraal. Om de vele nieuwe mogelijkheden wereldwijd goed te kunnen benutten, is het wel belangrijk dat landen gegevens over grondwater meer gaan delen.
Het onafhankelijke instituut voor toegepast onderzoek op het gebied van water en ondergrond noemt het zelf een ‘echte gamechanger’. Het zijn niet zijn woorden, zegt Gualbert Oude Essink, maar hij spreekt wel over een ‘ongelooflijke’ vooruitgang door de nieuwe rekentechniek.
Gualbert Oude Essink
“Een model moest bijvoorbeeld recent nog 113 dagen draaien voor een nauwkeurige voorspelling van de grondwaterstijghoogten op mondiale schaal over de afgelopen 55 jaar. Het antwoord ligt er nu al na 17 uur.”
Het maakt het onder meer mogelijk om voor een periode van honderd jaar het effect van de zeespiegelstijging op de verdeling van zoet en zout grondwater uit te rekenen. “Daar begon bijvoorbeeld Rijkswaterstaat tot voor kort niet aan. Want dat was gewoon niet te doen.”
Slimme techniek voor gebruik van computercapaciteit
Oude Essink is senior hydrogeoloog bij Deltares en universitair hoofddocent aan Universiteit Utrecht. Hij licht de achtergrond en basis toe van de oplossing, die bedacht en ontwikkeld is door zijn collega Jarno Verkaik. “Wereldwijd worden steeds vaker modellen toegepast voor vraagstukken inzake zoetwaterbeschikbaarheid, droogte, verzilting en waterkwaliteit. De modellen worden ook steeds verfijnder, maar nog niet genoeg voor de nabootsing van de werkelijke processen. Deze processen begrijpen wij steeds beter, mede door de vele data die met innovatieve monitoringstechnieken worden verzameld.”
De capaciteit van het werkgeheugen en de rekensnelheid van computers zijn hierbij grote problemen, zegt Oude Essink. “Met de data die nu al beschikbaar zijn en de vragen die we krijgen, zitten we tegen de grens aan van wat mogelijk is. Zelfs met seriële berekeningen op de nationale supercomputer Snellius die wij voor grondwaterberekeningen inzetten. Jarno, die hiermee al tien jaar bezig is, heeft een slimme techniek bedacht om krachtige computers veel efficiënter te kunnen gebruiken.”
Model in kleinere domeinen opgesplitst
Verkaik koos voor parallellisatie en heeft deze techniek uitgewerkt. De crux is het opsplitsen van modellen met tientallen of honderden miljoenen cellen in kleinere domeinen die op een efficiënte manier met elkaar ‘praten’.
Oude Essink: “Dit houdt in dat je de capaciteit van bijvoorbeeld de supercomputer of zelfs je eigen computer, die bestaat uit meerdere rekenknooppunten en rekenkernen, veel beter benut. Hiermee kun je elk domein apart doorrekenen en dus een groot vraagstuk in stukjes hakken. Zo kom je veel sneller tot een antwoord. Wij hebben parallellisatie toegepast bij de rekencode MODFLOW van de Amerikaanse Geologische Dienst. Dit is de meest gebruikte rekencode voor grondwater ter wereld.”
'Door parallellisatie kun je een groot vraagstuk in stukjes hakken'
Daarmee zijn versnellingen van meer dan twee orden van groottes mogelijk, blijkt uit twee recente artikelen van Jarno Verkaik in de wetenschappelijke tijdschriften Advances in Water Resources en Environmental Modelling & Software waaraan Oude Essink meewerkte. Als eerste is de landelijke toepassing van NHI, het geïntegreerde Landelijk Hydrologisch Model, flink versneld door het parallelliseren van MODFLOW. Ook kon er nu een landelijk drie-dimensionaal NHI zoet-zout model worden gemaakt. Vanuit het buitenland is er veel interesse. “Recent heeft de Universiteit van Oldenburg onze rekencode gekregen om de effecten van klimaatverandering op het grondwatersysteem in het noordwesten van Duitsland te bepalen.”
De nieuwe rekentechniek kan ook worden toegepast bij modellering op wereldschaal en daar richt Verkaik zich momenteel op. “Dat is zijn grote uitdaging. Hij is nu net op Snellius bezig om een mondiaal model van 278 miljoen modelcellen op te delen over 12 rekenknooppunten en 384 rekenkernen. Hiermee wordt de droogte over de afgelopen decennia doorgerekend. Dat gaat 160 keer sneller dan als de computer serieel staat te stampen tot er een uitkomst is.”
Veel nieuwe toepassingsmogelijkheden
Het voordeel van de veel kortere rekentijden is aanzienlijk, zegt Oude Essink. “Het biedt mensen die de modellen toepassen allerlei nieuwe mogelijkheden. Zo kun je nu de celgrootte verkleinen om fijnschalige processen beter door te rekenen. Daarmee kunnen we processen veel gedetailleerder in beeld brengen, zoals hoe zout grondwater naar een onttrekkingsput stroomt of hoe het zit met de grondwaterstand op een perceel tijdens droge periodes.”
'We gaan nu naar een honderd keer zo hoge resolutie'
Oude Essink geeft een voorbeeld op het terrein van grondwater in kustgebieden, zijn eigen specialisme. Deltares maakte bij het bepalen van de zoete grondwatervoorraad in de kustduinen traditioneel gebruik van modellen met cellen van 250 bij 250 meter. “Nogal grof, al wordt dit internationaal nog regelmatig als een fijnschalige modellering beschouwd. Maar in een duingebied kan op korte afstand de hydrogeologische situatie al flink anders zijn, en dat kan zo’n grof model niet nabootsen.”
Het model gaat nu naar een honderd keer zo hoge resolutie van 25 bij 25 meter. “Wij kunnen opeens veel beter inschatten onder welke omstandigheden een grondwateronttrekkingsput verzilt. Je kunt daardoor veel efficiënter en gerichter maatregelen nemen om de zoetwatervoorziening voor de toekomst te garanderen.”
Beter delen van data internationaal nodig
Internationaal ziet Gualbert Oude Essink ook heel wat mogelijkheden. Hij wijst erop dat in de meeste landen veel minder data worden verzameld dan in Nederland. “De parallellisatie maakt het mogelijk snel meerdere modellen te draaien om een betere grip te krijgen op de onzekerheden in bijvoorbeeld bodemparameters.”
Volgens Oude Essink is nu het grootste knelpunt, zeker internationaal, om een grote hoeveelheid betrouwbare data te implementeren in de steeds verfijndere grondwatermodellen. Dat vraagt niet alleen van landen dat zij veel meer informatie verzamelen maar die ook via open bronnen delen. “In sommige landen zitten de verschillende instituten nog in de fase dat ze gegevens voor zichzelf willen houden, bijvoorbeeld omdat dit geld zou opleveren. In Nederland hebben we gemerkt dat het een meerwaarde heeft om open te delen.”
Deltares geeft niet alleen data maar ook software vrij. “Onze oproep is: ‘dare to share’. Hierdoor kunnen we wereldwijd de grote vraagstukken op het gebied van waterbeschikbaarheid in een veranderend klimaat waarschijnlijk net op tijd aan.”
MEER INFORMATIE
Toelichting door Deltares
Artikel in Environmental Modelling & Software (september 2021)
Artikel in Advances in Water Resources (augustus 2021)
