Inzicht in de beheerruimte van het watersysteem met digitale oplossing

Waterschap Aa en Maas en Royal HaskoningDHV hebben samen een instrument ontwikkeld waarmee in één oogopslag een indicatie van de hydraulische ruimte van watergangen verkregen kan worden. De onderliggende methode verwerkt en ontsluit grote hoeveelheden data tot een inzichtelijke kaartlaag.

Download hier de pdf van dit artikel

Geschreven door Paul Aalders, Toine Kerckhoffs (Royal HaskoningDHV), Bart Brugmans, Jack de Wilt (Waterschap Aa en Maas)

Waterschappen werken op verschillende manieren aan het watersysteem zodat de ecologische kwaliteit van KRW-waterlichamen verbeterd wordt. Om het tempo van inrichtingsmaatregelen op te voeren wil Waterschap Aa en Maas waar mogelijk in het natte profiel van de watergangen ecologische kansen benutten. Hiertoe zijn inrichtingsvarianten uitgewerkt [1], [2]. Er bestaat echter geen eenduidig, uniform ruimtelijk overzicht van de ‘hydraulische ruimte’ in de watergangen. Dat terwijl er in werkelijkheid wel verschillen bestaan tussen krappere en ruimere profielen (afbeelding 1). Daarom heeft het waterschap in 2019 samen met Royal HaskoningDHV een beheergebiedsbrede zogeheten beheerruimtekaart opgesteld. Deze is in 2022 geactualiseerd.  

Om inzichtelijk te maken wat de beheerruimte is binnen een watersysteem is veel hydrologische en hydraulische kennis nodig. Vaak wordt deze kennis in de planvorming van een inrichtingsproject door het projectteam als maatwerk ingebracht. Het waterschap beschikt over veel meer uniforme informatie, maar deze is niet eenvoudig toegankelijk en beschikbaar voor iedereen. Dit kan bijvoorbeeld doordat de data of informatie in verschillende, zeer specifieke softwarepakketten zijn opgenomen.

Er is echter wel behoefte om in de voorverkenningsfase van een inrichtingsproject een idee te hebben of er in het dwarsprofiel ruimte is om maatregelen te treffen, zoals het toepassen van dood hout, grindpakketten of het realiseren van een flauw talud. Dit soort maatregelen veroorzaakt opstuwing en kan alleen toegepast worden als daarvoor in de waterloop hydraulische ruimte beschikbaar is.

Daarnaast kan het waterschap intern ook de discussie aangaan of de beheerruimte kan worden ingezet voor andere doeleinden, zoals waterberging, het aanpassen van het maaibeleid of aanpassen van de baggerfrequentie.

Afbeelding 1. Voorbeeld krappe waterloop (Schijndelse Loop) en ruime waterloop (Bakelse Aa)

Aanpak
Het waterschap beschikt over grote hoeveelheden voor dit vraagstuk bruikbare data en informatie. Met automatiseringstechnieken is het mogelijk om deze data en informatie te verwerken, te combineren en om te zetten tot iets dat bruikbaar is voor een bepaalde toepassing, in dit geval de beheerruimtekaart.

Om een gebalanceerde combinatie tussen werkveld (ecologie/hydrologie) en IT te realiseren is dit vraagstuk aangevlogen via een vierfasenaanpak voor digitale oplossingen (binnen dit domein:

1. Business Understanding: inhoudelijk vraagstuk inzichtelijk maken;
2. Data Understanding: data verwerken en inzichtelijk maken;
3. Solution Design: oplossing ontwikkelen;
4. Solution Implementation + Feedback: oplossing implementeren en onderhouden.

Stap 1: inhoudelijk vraagstuk inzichtelijk maken
Aan het begin van het project is het van belang om gezamenlijk duidelijk te krijgen welke inzichten in beeld moesten worden gebracht en hoe deze inzichten tot stand komen. Hoe wordt de ‘beheerruimte’ gedefinieerd? Van welke parameters is deze afhankelijk? Welke impliciete keuzes worden vaak gemaakt? Wie is de eindgebruiker en/of eigenaar van het eindresultaat? De antwoorden op deze vragen leggen de fundering onder het eindproduct. Daarnaast is de vorm van het wensproduct in deze fase al inzichtelijk gemaakt en gezamenlijk afgestemd.

Stap 2: data verwerken en inzichtelijk maken
De door het waterschap aangeleverde gegevens zijn gecontroleerd en geanalyseerd. Vervolgens is de bruikbaarheid en de verwerking van de gegevens besproken met het waterschap. Concreet betekent dit dat nu het wensbeeld en de databeschikbaarheid over elkaar heen worden gelegd en deze de kaders geven voor de oplossing en input voor de volgende stap.

Stap 3: oplossing ontwikkelen
Op basis van het wensbeeld, de databeschikbaarheid, de samenhang en de technologische mogelijkheden is er:

• een methodiek ontwikkeld om tot een beheerruimtekaart te komen (methodiek);
• een technische workflow ontwikkeld om het automatisch te kunnen genereren (digitale oplossing).

Stap 4: oplossing implementeren en onderhouden
De resultaten van de beheerruimtekaart en de verschillende kaartlagen zijn in de organisatie van het waterschap geïmplementeerd via de Geoweb-viewer. De kaartlagen zijn voorzien van een duidelijke toelichting hoe deze kaarten gebruikt kunnen worden - in de vorm van een leeswijzer - en waar ze wel/niet geschikt voor zijn.

Inhoudelijke methodiek beheerruimte
De beheerruimte is gedefinieerd als de hydraulische ruimte in een waterloop, uitgedrukt als percentage ten opzichte van de referentieafvoer. De beheerruimte is per maaivak bepaald. Hierbij is vanuit een groot aantal hydraulische modelberekeningen vastgesteld onder welke belasting een maaivak ‘faalt’. Falen betekent dat er ergens in dat maaivak een overstroming ontstaat. Als referentie is gerekend met de belasting die dat maaivak volgens de NBW-normen wateroverlast (Nationaal Bestuursakkoord Water) zou moeten kunnen verwerken. Vervolgens is de hydraulische belasting verder opgevoerd, tot het moment dat er overstroming optreedt. De afvoer bij dit faalmoment is vergeleken met de afvoer uit de referentie-NBW-situatie. Vervolgens is deze afvoer uitgedrukt in een percentage van de referentieafvoer.

Het waterschap beschikt over uniform doorgerekende SOBEK-modellen voor het hele beheergebied in de winterperiode (waarin de gemiddeld hoogste grondwaterstand valt). Deze modelberekeningen vormen samen met de maaivakken van het beheergebied de basis voor de beheerruimtekaart. De doorgerekende SOBEK-modellen bevatten diverse buien. De minimale neerslagsituatie is 30 millimeter in drie dagen en de maximale neerslagsituatie is 300 millimeter in drie dagen. Vervolgens zijn de volgende stappen doorlopen: 

1. Normsituatie vaststellen
• als normsituatie is de T25-NBW-situatie gebruikt.

2. Toets per rekenpunt uitvoeren
In afbeelding 2 is een schematische weergave opgenomen. De toets bestaat uit:
• het bepalen van de insteekhoogte per rekenpunt.
• het bepalen van de waterstand van de normsituatie per rekenpunt.
• dit levert een ruimte in centimeters op of een waterstand die boven de insteek uitkomt (dus falend). Bij falen wordt dit aan het rekenpunt meegegeven. Ook wordt het debiet dat bij dit punt hoort eraan gekoppeld.
• het bepalen van de waterstand van elke doorgerekende neerslagsituatie per rekenpunt. De tabellen in afbeelding 2 zijn hier het resultaat van.
• nagaan of de berekende waterstand hoger is dan de insteek per neerslagsituatie en per rekenpunt. Definieer de minst extreme neerslagsituatie waarbij de waterstand hoger is dan de insteek (falend). Koppel de afvoer die bij de neerslagsituatie hoort aan dit rekenpunt.

3. Van rekenpunt naar traject (lijn)
• koppel de rekenpunten aan de bijbehorende SOBEK-trajecten (reaches) door uit te gaan van het meest kritische punt. Dat is het punt met het laagste debiet.
• bereken de beheerruimte door de verhouding tussen faaldebiet en maatgevend debiet te bepalen, uitgedrukt in procenten. Hierbij is het maatgevende debiet het debiet dat hoort bij de neerslagsituatie van de norm (T25). Het resultaat bestaat uit lijnstukken uitgedrukt in procenten.

4. Opschaling naar maaitraject
• per maaitraject worden alle hierop aanwezige SOBEKtrajecten beschouwd. Het meest kritische SOBEK-traject is daarbij bepalend voor de beheerruimte voor het hele maaitraject. De beheerruimte van het meest kritische SOBEK-traject wordt daarom aan het betreffende maaitraject gekoppeld.

Afbeelding 2. Schematische weergave toets per rekenpunt en bepaling beheerruimte. De zwarte kaders en pijl geven de geografische koppeling van rekenpunten en reaches weer (stap 3)

Van technische workflow naar digitale oplossing
De uitgangspunten voor de technische workflow zijn:

• de workflow moet geautomatiseerd zijn en het script moet overgedragen kunnen worden.
• de uitgeleverde databronnen worden samengevoegd in een PostgreSQL-database. Dit heeft voordelen in de bewerkingen die uitgevoerd moeten worden.
• de bewerkingen worden met een Python-script geautomatiseerd. Het uitlezen van SOBEK-data in Python maakt de workflow uniformer, robuuster, flexibeler en sneller.

De architectuur van de technische workflow is schematisch weergegeven in afbeelding 3. Van links naar rechts worden achtereenvolgens de databronnen ingelezen (zwart), verwerkt tot bruikbare informatie (groen) en toegevoegd aan de centrale database (blauw). Van daaruit worden verschillende Python-scripts gedraaid waarin de inhoudelijke methode van de beheerruimtekaart is geautomatiseerd (groen). Het eindresultaat is de kaartlaag met de berekende beheerruimte per waterloop voor het hele beheergebied van waterschap Aa en Maas.

Afbeelding 3. Architectuur van de technische workflow

Resultaten en gebruik beheerruimtekaart
Afbeelding 4 geeft de hydraulische ruimte weer voor een wintersituatie in een traject van de waterloop. De trajecten zijn gebaseerd op de maaivakken. De hydraulische ruimte geeft aan of er eventueel plaats is voor Bouwen met Natuur-maatregelen, zoals het toepassen van pakketten dood hout [3 en 4], grindpakketten of het laten staan van water- en oeverplanten. Het waterschap gebruikt deze informatie om een eerste indicatie voor de kansrijkheid van de verschillende maatregelen te verkrijgen.

Afbeelding 4. Beheerruimtekaart, versie 2022

Gebruik van de beheerruimte in de Bouwen met Natuur-kansenkaart
Voor de Bouwen met Natuur-kansenkaart zijn vooraf drie mogelijke maatregelen benoemd:
1. Inbrengen dood hout pakketten (voor 6 varianten);
2. Inbrengen grind pakketten;
3. Laten staan van water- en oevervegetatie.

De beheerruimte is - samen met andere criteria, zoals stroomsnelheid, beschaduwing en waterbreedte - een belangrijke parameter voor het bepalen van de kansrijkheid voor verschillende Bouwen met Natuur-maatregelen. De beheerruimtekaart biedt daarom een belangrijk inzicht voor de verschillende maatregelen van de Bouwen met Natuur-kansenkaart. In interne werksessies bij het waterschap is voor maatregel 1 en 2 (inbrengen dood hout en grindpakketten), een methode- en stappenplan opgesteld. Voor maatregel 3, het laten staan van water- en oevervegetatie, bleek dit nog te complex.

In deze stappenplannen zijn afgebakende keuzes vastgelegd om kansenkaarten op te stellen. Het stappenplan om te komen tot een kansenkaart voor het inbrengen van houtpakketten [4] is in afbeelding 5 hieronder weergegeven. Bij het doorlopen van de vier criteria (beschaduwing, stroomsnelheid, breedte en beheerruimte) geldt als totaaloordeel de kleinste kansrijkheid (one out - all out principe).

Afbeelding 5. Stappenplan houtpakketten

Afbeelding 6. Soorten houtpakketten

Implementatie en doorontwikkeling
De digitale oplossing die is ontwikkeld heeft als aanvullend inzicht aangetoond dat het verwerken en omzetten van grote hoeveelheden data naar informatie tegelijkertijd vele andere mogelijkheden biedt. Een andere doortonwikkelingsmogelijkheid is het koppelen van bestaande en nieuwe monitoringspunten. De technologische ontwikkelingen maken het mogelijk om steeds grotere datasets met elkaar te verbinden. Het automatisch kunnen koppelen van modelresultaten en monitoringsinformatie geeft automatisch mogelijkheden tot validatie van de modellen, waarbij ook het modelverbeterproces geautomatiseerd zou kunnen worden. De kwaliteit van de onderliggende data en informatie is bepalend voor de mogelijkheden hiervoor.

De kansenkaarten voor ‘Bouwen met Natuur’- maatregelen zijn ontwikkeld voor het hele beheergebied van Waterschap Aa en Maas. De kansenkaarten tonen geschikte locaties voor het toepassen van beschaduwing, dood hout en grindpakketten. Daarnaast is ook informatie ontsloten over de huidige situatie met betrekking tot de overcapaciteit in de waterloop (beheerruimte). Deze overcapaciteit kan worden benut om maatregelen in het dwarsprofiel te nemen (toestaan verlanding of dood hout). Deze kaarten zijn door de medewerkers van Aa en Maas in te zien via het interne informatieportaal. Deze kansenkaarten worden regelmatig geactualiseerd.

Conclusies en aanbevelingen
De beheerruimtekaart geeft een eerste indicatie voor de hydraulische ruimte in elke watergang van Waterschap Aa en Maas. Samen met beschikbare veldkennis wordt dit op projectniveau toegepast. In de methodiek van de beheerruimtekaart zijn verschillende keuzes gemaakt, zoals het gebruik van SOBEK-wintermodellen, maaivakken en een faaldebiet bij een herhalingstijd van 25 jaar. Deze keuzes hebben invloed op het resultaat van de beheerruimtekaart en daarmee op hoe deze geïnterpreteerd kan worden:

• de beheerruimtekaart is op een generieke manier opgezet, waarbij verschillende keuzes zijn gemaakt. Het wordt aanbevolen om bij het daadwerkelijk doorvoeren van een bepaalde maatregel de beheerruimtekaart te combineren met veld- en/of detailkennis.
• het geeft een goed overzicht van waar mogelijk nog ruimte is om bepaalde maatregelen te nemen.
• als de beheerruimtekaart gebruikt wordt bij een analyse van maaibeheer in de zomer, moet men extra alert zijn hoe de informatie geïnterpreteerd wordt.
• afhankelijk van de informatievraag kunnen andere keuzes gemaakt worden in de methodiek en de aannames.

Er is dus niet één beheerruimtekaart. Er zijn veel verschillende beheerruimtekaarten mogelijk, met verschillende uitgangspunten. Voor verschillende ecologische of hydrologische vraagstukken zouden dus verschillende beheerruimtekaarten gemaakt kunnen worden. Deze inzichten kunnen met relatief kleine technische aanpassingen worden gegenereerd.

Voor ecologische vraagstukken wordt regelmatig informatie gebruikt van oppervlaktewatermodellen (SOBEK/D-Hydro). Het zou van meerwaarde zijn om deze informatie snel inzichtelijk te maken en tot een nieuw product om te bouwen. Dit kan bijvoorbeeld gaan over stroomsnelheden, profielen of waterstanden van verschillende scenario’s of beheerruimtes. De nieuwe automatiseringsmogelijkheden, zoals onder andere de slimme inzet van open source-relationele databases, maakt het hergebruik van grote hoeveelheden data tot nieuwe producten relatief eenvoudig.

Voor de Bouwen met Natuur-maatregelen bepaalt de beheerruimte in de beek een van de gegevens de kansrijkheid. Deze beheerruimte kan inzichtelijk worden gemaakt voor verschillende situaties. Denk hierbij aan keuzes als winter-zomer, onderhouden-niet onderhouden en stuwen hoog-stuwen laag. De volledige hydraulische ruimte zou in de toekomst op een vergelijkbare manier kunnen worden gepresenteerd als de huidige beheerruimtekaart.

REFERENTIES

1. Reeze, B., Winden, A. van en Kurstjens, G. (2021). Ecologische streefbeelden watersystemen. Eisen voor ecologische inrichting en beheer & onderhoud. Waterschap Aa en Maas, ’s-Hertogenbosch. https://edepot.wur.nl/562089
2. Reeze, B. (2022). Inrichtingsvarianten voor waterlichamen met de opgave NVO. Oplossingsrichtingen voor beken, sloten en kanalen. Waterschap Aa en Maas, ’s-Hertogenbosch. https://edepot.wur.nl/572418
3. Reeze, B. et al. (2020). Deltafact - Bouwen met Natuur maatregelen in beken. STOWA, Amersfoort.
4. Reeze, B. (2022). Varianten toepassing dood hout in stromende wateren. Waterschap Aa en Maas, ’s-Hertogenbosch. https://edepot.wur.nl/585898