Neerslag-afvoer modellenvoor waterkwaliteit.

Ype van der Velde, Joachim Rozemeijer,Ger de Rooij, Frans van Geer

Introductie: Dynamiek in waterkwaliteit

Drains: Grondwater: Overland flow:

Bijdrage van routes is essentieel voor zinvol waterkwaliteitsmodel

Belangrijkste route voor NO3

Relatief schoon Belangrijkste route voor P

Introductie: Dynamiek in waterkwaliteit

Introductie

� Hupselse beek en metingen

� Nieuw type neerslag-afvoer model

� Van reistijdverdeling naar waterkwaliteit

Hupselse Beek

- 6.6km2

- Max hoogte verschil 10 m

- 10 km sloot per km2

- 60% gedraineerd

- Geen wateraanvoer

Historische waterkwaliteitsmetingen

� Meten op geneste schalen om bijdrages van individuele flowroutes te bepalen

Geneste afvoer metingen

Sub-stroomgebied(0.38 km2)

Proefveld(0.009 km2)

Hupsel stroomgebied(6.64 km2)

Proefveld

� Buis drainage

� Oppervlakkige afstroming

� Grondwater stroming

Afvoer metingen in sloot� Sloot drainage � Buis drainage

Resultaten

Gezocht: Neerslag-afvoer model dat bijdrages van buis drainage en afstroming voorspelt

Wat moet RR-model voor waterkwaliteit kunnen?� Een zeer variable drainage systeem

95% van het drainage systeem valt droog tijdens de zomer

� Plasvorming en afstroming, buis drainage, grondwaterstroming, onverzadigde zone

� Accurate grondwater berging (voor reistijden)

Neerslag afvoer model

Model voor drainage oppervlak:•Grondwater en buis drainage•Grondwater en oppervlakte water

Afvoer van buis drainage

Afvoer van sloten en maaiveld

Diepte grondwater

Afvoer

Drainage oppervlak op het proefveld

Droog:

Nat:

Buis drainage: Grw diepte < drain diepte

Oppervlaktewater:Grw diepte < 0

Dry day Wet day

Fie

ld-s

cal

e(m

ea

sure

d)C

atc

hm

ent

-sca

le

(Dis

trib

ute

d g

rwm

ode

l)

Dry day Wet day

Fie

ld-s

cal

e(m

ea

sure

d)C

atc

hm

ent

-sca

le

(Dis

trib

ute

d g

rwm

ode

l)

Drainage oppervlak voor hele stroomgebied

Proefveld (gemeten) Stroomgebied (grondwatermodel)

Pro

efve

ld(g

emet

en)

Str

oom

gebi

ed

(mod

el)

Droge dag Natte dag

Verandering in berging = Neerslag - verdamping - afvoer

Verzadigde berging

Onverzadigde berging

Maaivelds berging

Buis drainage

Grondwater stroming

Oppervlakkige afstroming

Het waterbalans model:

Grondwater diepte

Drainage oppervlak

Normaal verdeling

Oppervlakkige afstroming

r

u

weerstand

Grwdiepteqov

−=−=Punt:

uGemiddelde grondwater diepte (m)

Opp

ervl

akki

ge a

fstr

omin

g (m

m/d

ag)

∫∞−

⋅−=0

d)(1

uutfr

q uovVeld:

Verandering in berging = Neerslag - verdamping - afvoer

Verzadigde berging

Onverzadigde berging

Maaivelds berging

Buis drainage

Grondwater stroming

Oppervlakkige afstroming

Het model:

Grondwater diepte

Drainage oppervlak

Normaal verdeling

Eerste model resultatenproefveld

Buis drainage

Oppervlakkige afstroming

Gemodelleerde grondwaterstanden

Opschaling model resultatenDrainage oppervlak

Waterkwaliteits modellering via reistijden

� Reistijd verdeling:� De bijdrage van reistijden via alle routes aan de afvoer.

Direct e regen10 %, 1dag

Buis drainage60 %, 30 dagen

Grondwater 30 %, 300 dagen

10-2-1994

Waterkwaliteits modellering via reistijden

Travel time distribution

Regen dat direct op sloot/beek valt

Niet stationaire reistijdverdelingenP

erce

ntag

e of

flow

pat

hs (

-)

Traveltime (Days)

Regen events in het verleden hebben grote invloed op de reistijdverdeling

Stationaire reistijd verdeling

12 oktober 2009 24

Reistijd verdeling � Oppervlakte water concentraties

Regen Drain Grondwater

= 39.4 mg/l

Direct rain ~ 1 mg/lDrain water ~ 30 mg/lGrondwater ~ 80 mg/l

Catchment concentration function

Concentratie berekening

C(t) =

Chloride: ConservativeNitrate: Reactive

Catchment concentration function

RegenDrain GrondwaterRegen Drain

Grondwater

12 oktober 2009 26

Results chloride

� Gemeten data

� Berekening met elke dag een nieuwe reistijdverdeling

� v.s. constante reistijdverdeling

27

Results nitraat

� Measured data

� Concentration calculations with daily traveltime distributions

� v.s. constant traveltime distribution

Conclusies

© Wageningen UR

� Neerslag-afvoer model voor waterkwaliteit moet vooral gericht zijn op routes en reistijden

� Meetcampagnes op geneste schalen zijn erg waardevol voor opschalen van routes

� In dicht gedraineerde stroomgebieden is opschalen van routes ≈ opschalen drainage oppervlak.

� Waterkwaliteitsdynamiek kan voor een groot deel verklaard worden door reistijddynamiek

Contact: Ype.vandervelde@wur.nl

Upscaling flow route discharge

Use field-scale parameters+ fit of groundwater table properties (mean and standard deviation grw. depth

Surface storage (ponding)

umssurf −⋅=At a point:

∫∞−

−=0

d)()( uutfmts usurf

For the entire field:

Tube drain flow

� Tube drainage: Groundwater heads above tube drain depth cause discharge

( ) uudtfr

tqdrd

drudr

dr d)(1

)( ∫∞−

−⋅=dr

drdr r

udq

−=

At a point: For the entire field:

Drain depth (ddr)

Groundwater depth (u)

Tube drain discharge

Cleaningtube drains

Cleaningtube drains