Schematisatie en concepten

Om een indruk te geven van de schematisatie en concepten achter MetaSWAP worden de verschillende modelcomponenten in hoofdlijnen beschreven. Voor meer diepgang en de literatuur van verschillende methoden wordt verwezen naar de beschikbare documentatie van MetaSWAP.

Het MetaSWAP model bestaat uit een verzameling van een groot aantal SVAT-kolommen, waarbij SVAT staat voor ‘Soil Vegetation Atmosphere Transfer’ (Bodem Vegetatie Atmosfeer Uitwisseling). Al deze SVAT-kolommen samen vormen een ruimtelijke 2-dimensionaal raster, waarbij iedere rastercel één SVAT-kolom bevat.

In iMODFLOW is iedere SVAT-kolom gekoppeld aan een MODFLOW rastercel. Dit kan een 1:1 koppeling zijn, wat inhoudt dat één SVAT-kolom aan één MODFLOW cel is verbonden. Maar er kunnen ook meerdere SVAT-kolommen aan één MODFLOW-cel worden gekoppeld: de n:1 koppeling.

Iedere SVAT-kolom wordt gevoed met neerslag. Deze neerslag is altijd in vloeibare vorm, i.e., er worden geen sneeuwprocessen gesimuleerd met MetaSWAP. Een deel van deze neerslag kan tijdelijk als interceptie worden opgevangen in het bladerdek. Het overige deel van de neerslag bereikt de grond en is beschikbaar voor infiltratie en oppervlakkige afvoer.

Een eventuele beregeningsflux voor een SVAT-kolom kan op verschillende manieren worden gesimuleerd. Er kan gebruik gemaakt worden van verschillende beregeningsmethoden, waaronder sproeien, (diepe) druppel irrigatie en sub-irrigatie. Verder kan beregeningswater afkomstig zijn uit verschillende bronnen, namelijk oppervlaktewater en grondwater (verschillende watervoerende pakketten).

Jaarlijkse som van oppervlakkige afvoer in 2003 op uur basis berekend met de Green-Ampt methode in het Landelijk Hydrologisch model. Bron: Verbeterde infiltratieberekeningen NHI o.b.v. methode Green-Ampt door Van Walsum en Kroon (2021) .

Om de infiltratie en oppervlakkige afvoer voor iedere SVAT-kolom te bepalen worden verschillende processen gesimuleerd. Voor de verdeling van beschikbare neerslag in infiltratie en oppervlakkige afvoer kan de ‘Curve Number’ methode of de recent geïmplementeerde ‘Green Ampt methode worden toegepast. Verder zijn de hoeveelheid infiltratie en oppervlakkige afvoer afhankelijk van de verzadiging van de wortelzone. Daarnaast kunnen (lokale) storende weerstandslaagjes in de onverzadigde zone de percolatie beperken en daarmee het bovenste deel van de bodem/wortelzone verzadigen. Hierdoor kan extra oppervlakkige afvoer worden gegenereerd. Dit mechanisme wordt echter alleen gesimuleerd als de storende laag zich in de onverzadigde zone bevindt.

Voor iedere SVAT-kolom worden verschillende verdampingscomponenten berekend, waaronder transpiratie en evaporatie (kale grond-, interceptie- en openwaterevaporatie). Er zijn verschillende methoden voor de berekening van transpiratie en evaporatie, waaronder die van Makkink en die van Penman-Monteith. Een eventuele reductie in verdamping wordt o.a. bepaald met de methode van Feddes. Bij de Penman-Montheith methode wordt deze reductie ook nog beïnvloed door de gewasweerstanden.

Zowel de berekeningen met Makkink als Penman-Monteith hebben meteorologische modelinvoer en informatie over gewaskarakteristieken nodig. De hoeveelheid benodigde meteorologische modelinvoer verschilt per methode, waarbij voor de Penman-Monteith methode de meeste gegevens nodig zijn. Informatie over gewaskarakteristieken kan afkomstig zijn uit langjarige gemiddelden van berekeningen met het gewasgroeimodel WOFOST-model. Alternatief kunnen deze gewasparameters tijdens de MetaSWAP simulatie gekoppeld met WOFOST worden berekend.

De stroming van water door de onverzadigde zone wordt berekend met een metamodel dat teruggrijpt op een grote set aan uitkomsten van SWAP (link). Deze berekening bestaat uit drie onderdelen: (1) voorbewerking, (2) de berekeningen met het metamodel en (3) de nabewerking.

Tijdens de voorbewerking zijn met SWAP vele stationaire oplossingen berekend voor verschillende bodemtypes en verschillende diktes van de wortelzone. Voor deze SWAP-berekening is de bodem onderverdeeld in gedetailleerde lagen. Ook zijn bij deze stationaire SWAP-berekeningen verschillende randvoorwaarden gebruikt:

• Waterfluxen voor de wortelzone - variërend van hoge infiltratie tot hoge evapotranspiratie.
• Grondwaterstanden - variërend van net onder het maaiveld tot de diepste grondwaterstand beschikbaar in het interessegebied.

Schematisatie van de bodem in MetaSWAP en SWAP. Bron: Artikel in het blad Stromingen van J. Schaap en P. Dik (2007).

De vele (miljoenen) uitkomsten van deze gedetailleerde SWAP berekeningen zijn opgeslagen in een metatabel. Op basis van deze uitkomsten zijn metarelaties gedefinieerd voor de minder gedetailleerde schematisatie van de ondergrond in MetaSWAP.

Tijdens de daadwerkelijke berekening gebruikt MetaSWAP de metarelaties om de:

• Hoeveelheid water in de wortelzone en de lagen daaronder te bepalen.
• Flux tussen de wortelzone en de laag daaronder af te leiden.

De hoeveelheid water in de onverzadigde zone en de uitwisseling tussen de verschillende lagen in MetaSWAP wordt verder geüpdatet op basis van hydrologische fluxen: infiltratie en/of verdamping. Bij een netto infiltratie neemt de drukhoogte in de wortelzone toe en wordt eventueel percolatie bevorderd. Bij een netto verdamping neemt de hoeveelheid water in de wortelzone af en wordt eventueel capillaire nalevering bevorderd.

De uiteindelijke uitwisseling tussen water in de onverzadigde zone en het grondwater wordt berekend in de koppeling MODFLOW-MetaSWAP. Deze koppeling is verder beschreven in koppeling MODFLOW-MetaSWAP.

Tijdens de nabewerking kunnen de resultaten van MetaSWAP weer “neergeschaald” worden (Figuur 8, links). Dit houdt in dat de vereenvoudigde watervolumes in de onverzadigde zone waarmee MetaSWAP rekent weer worden terugvertaald naar de oorspronkelijke gedetailleerde stationaire drukhoogte profielen SWAP. Hiermee kan qua resultaten met MetaSWAP hetzelfde detailniveau worden gehaald als met de oorspronkelijke SWAP berekeningen. Door de verschillende berekeningsmethodes kunnen de resultaten van een SWAP en MetaSWAP berekening wel iets van elkaar verschillen.

Met de neergeschaalde drukhoogteprofielen van MetaSWAP kunnen verschillende waterkwaliteitsaspecten worden berekend. Zo kan zuurstofstress in de onverzadigde zone worden berekend met o.a. de methode van Bartholomeus. Voor deze zuurstofberekeningen wordt het neergeschaalde bodemvochtprofiel wel gemiddeld over meerdere tijdstappen, om zo een onrealistische aanvoerbeperking van zuurstof na korte buien te voorkomen. Wanneer MetaSWAP Light (op basis van BOFEK) wordt gebruikt dan kunnen de waterkwaliteitsaspecten niet adequaat worden berekend: de BOFEK-eenheden worden vertegenwoordigd door één van de SPU’s (Soil Physical Units) op basis van de bodemfysische eigenschappen, de bodemchemische eigenschappen binnen één BOFEK-eenheid kunnen meer variëren.

Naast zuurstofstress kunnen met de neergeschaalde drukhoogteprofielen allerlei stoftransportprocessen worden berekend. Dit kan door gebruik te maken van de TRANSOL-module in MetaSWAP. Op het moment van schrijven richten de berekeningen met deze module zich nog voornamelijk op zout/chloride transport.