Low flow modelling of the Meuse Recalibration of the existing HBV Meuse model Document title Low flow Modelling of the River Meuse Recalibration of the existing HBV Meuse modelling Document number 2005.123X Status Final thesis Date October 2005 Author Martin Arends Under supervision of University Twente, Civil Engineering and Management, Section Water Engineering &management, Enschede, The Netherlands & Ministry of Transport, Public Works and Water Management, Directorate-general for Public Works and Water Management,Institute for Inland Water Management and Waste Water Treatment (RIZA), Arnhem, The Netherlands Committee of counsellors Dr. M.S. Krol (UT) Dr.ir. M.J. Booij (UT) Dr. M.J.M. de Wit (RIZA) 2 Voorwoord Dit onderzoek is uitgevoerd als afsluitende doctoraalopdracht van de opleiding Civiele technologie en Management aan de Universiteit Twente. Het onderzoek is uitgevoerd bij het Rijksinstituut voor Integraal Zoetwaterbeheer en Afvalwaterbehandeling. Met veel plezier en trots kijk in terug op een voor mij geslaagde afstudeerperiode. Speciale dank gaat uit naar mijn begeleiders, Marcel de Wit, Maarten Krol en Martijn Booij. Mede dankzij hun goede adviezen, aanbevelingen en inzet is dit rapport tot stand gekomen. Acknowledgements Rijkswaterstaat Direction Limburg provided the discharge data for Borgharen/Monsin. The discharge data for the Walloon stations has been provided by MET-Sethy. The meteorological 1968-1998 dataset is based on data from KMI and MeteoFrance and has been prepared by the Royal Meteorological Institute of the Netherlands (KNMI). Martijn Booij and Willem van Deursen calibrated the HBV model for the Meuse. Page 3 of 104 Voorwoord Low flow modelling of the Meuse Page 4 of 104 Samenvatting De Maas heeft een totale lengte van 875 kilometer en stroomt van zijn bron in Frankrijk naar de monding in Nederland. Het stroomgebied heeft een gematigd klimaat met een door neerslag en verdamping geregeerd afvoer patroon. De rivier levert water voor huishoudelijke, industriële, agrarische en scheepsvaart doeleinden. Vele verandering zijn in de rivierloop aangebracht om deze functies door het gehele jaar zo goed mogelijk te kunnen vervullen. Hoog- en laagwaters zijn natuurlijk voorkomende fenomenen die grote invloed kunnen hebben op deze functies. (Berger 1992) Dit onderzoek richt zich op laagwaters in het gedeelte van het stroomgebied bovenstrooms van Borgharen. Het doel van dit onderzoek is het ontwikkelen van een nieuw HBV model dat beter instaat is om lage afvoeren te voorspellen zonder dat dit ten koste gaat van de voorspelling van normale en hoge afvoeren. Het gebruikte HBV model is ontwikkeld door het Zweedse Meteorologische en Hydrologische Instituut. De gebruikte schematisatie voor de Maas is ontwikkeld door Booij (2002) en aangepast door Van Deursen (2004). Deze schematisatie bevat geen sluizen, stuwen, reservoirs of andere menselijke ingrepen. Tijdens de calibratie uitgevoerd door Van Deursen is gebruik gemaakt van statistische criteria, de standaard R en de Nash-Sutcliffe coëfficiënt. Dit heeft geresulteerd in een goed werkend hydrologisch model voor normale en hoge afvoeren, Nash-Sutcliffe van 0.92. (Deursen, 2004) De kwaliteit van de laagwatervoorspellingen is echter een stuk lager. Tijdens dit onderzoek is er een nieuwe set calibratie criteria opgesteld om de laagwater kwaliteit te meten. De uiteindelijke lijst bevat de volgende criteria • Totale afvoerdeficit tijdens de calibratie periode • Nash-Sutcliffe coëfficiënt voor lage afvoeren • Gesommeerde absolute fout in het afvoerdeficit Deze criteria zijn gebruikt tijdens de calibratie en validatie van het model. De tijdens dit onderzoek gebruikte parameters beïnvloeden grondwaterprocessen en zijn niet gebruikt tijdens de Booij and Van Deursen calibraties. De volgende parameters zijn gebruikt; • k4, recessie coëfficient voor het langzame afvoer reservoir • perc, percolatie van het snelle naar het langzame afvoer reservoir Omdat deze parameters invloed hebben op lange termijn processen moet tijdens de calibratie ook naar de lange termijn invloed van veranderingen in deze parameters worden gekeken. Daarom is er gebruik gemaakt van een “moving average” van de gemeten debieten over een periode variërend tussen de 41 en 9 dagen. Calibratie heeft plaatsgevonden door voor verschillend k4 en perc waarden de uitkomsten van de verschillende criteria te bepalen. Vervolgens is de stapgrote verkleind tussen de parameter waarden waar de beste uitkomsten waren behaald. Dit is herhaald tot er een optimum gevonden was. Tijdens de eerste calibratie stappen bleken de invloeden van variaties van k4 en perc een grote onderlinge afhankelijkheid te vertonen. Het afvoerdeficit in combinatie met de absolute fout gemaakt in dit afvoerdeficit zijn de twee belangrijkste criteria geweest tijdens de calibratie. De Nash-Sutcliffe coëfficiënt voor lage afvoeren heeft gediend om de kwaliteit te controleren van de voorspellingen van de dagelijkse afvoeren tijdens perioden met een lage afvoer. De veranderingen in de k4 en perc waarden hebben de algehele model prestatie niet negatief beïnvloed, dezelfde Nash-Sutcliffe coefficient is behaald als voor het Van Deursen model. Page 5 of 104 Samenvatting De invloed van reservoirs op de laagwaterafvoeren is onderzocht door de situatie in de Vesdre te bestuderen. De Vesdre is het stroomgebied met relatief gezien de grote invloed van de aanwezige reservoirs. Door middel van een post processing van de modelresultaten is de invloed van de aanwezige reservoirs onderzocht. Dit onderzoek wees uit dat een model met reservoir beter resultaten kent dan een model zonder reservoir. De resultaten voor de Vesdre hadden waarschijnlijk beter kunnen zijn indien er informatie beschikbaar was geweest over de manier waarop de reservoirs beheerd worden. De verschillen tussen het model met en zonder reservoir zijn dermate klein dat gekozen is om met een model zonder reservoir verder te gaan. Dit omdat de transparantie van het geheel een stuk groter is zonder post-model processen. De verschillen die dit veroorzaakt in de resultaten voor Monsin zijn relatief klein. De uiteindelijke calibratie en validatie resultaten tonen een behoorlijke verbetering van de laagwatervoorspelling wanneer gekeken wordt naar de lange termijn. De dagelijkse voorspellingen zijn, ook met de nieuwe afregeling onder de maat. Een van de verklaringen hiervoor is de aangebrachte kunstwerken in de Maas. Deze beïnvloeden de lage afvoeren in grote mate. De onttrekkingen tussen Borgharen en Monsin spelen hierin ook een grote rol. Het uiteindelijke gesimuleerde afvoerdeficit voor Chooz is nagenoeg perfect wanneer wordt gekeken naar het deficit over de gehele validation periode. Wanneer gekeken wordt naar individuele jaren zijn er nog steeds afwijkingen. Voor Monsin zijn de resultaten minder goed, maar ze vertonen hetzelfde patroon als voor Chooz. De afwijkingen voor individuele jaren zijn echter groter, zowel relatief als absoluut. De afwijkingen lijken samen te hangen met voorafgaande natte jaren. De hoeveelheid data is echter te klein om hier bindende uitspraken over te doen. Het uiteindelijke model kan gebruikt worden voor het voorspellen van afvoerdeficiten. De resultaten moeten echter wel kritisch bekeken worden alvorens ze worden toegepast. De voorspellingen van individuele afvoeren gedurende laag water perioden is iets beter geworden echt deze is onvoldoende om met enige nauwkeurigheid gebruikt te kunnen worden. De gevonden optimale parameter waarden vertonen een sterke relatie met de karakteristieken van de deelstroomgebieden. Gebieden met snelle en grote afvoerfluctuaties hebben andere parameter waarden dan gebieden met relatief kleine en langzame afvoerfluctuaties. Low flow modelling of the Meuse Page 6 of 104 Abstract The river Meuse has a length of 875 kilometres from its source in France to its mouth in The Netherlands. The basin of the river has a temporate climate with a rainfall-evaporation regime. It supplies water for domestic, industrial, agricultural and shipping uses. Many alternations have been made to fulfil these functions as best as possible throughout the year. Floods and low flows are natural phenomena, which can have a major impact on the functions the river fulfils. This research focuses specifically on low flows in the river part upstream of Borgharen. The aim of this research is to develop a new HBV Meuse schematisation that better simulates low flows without influencing the simulation of high and normal flows. The HBV model used was developed by the Swedish Meteorological and Hydrological Institute. The schematisation used was developed by Booij (2003???) and modified by Van Deursen (2004). This schematisation does not include locks, weirs, reservoirs or other man made alternations. During the calibration, carried out by Van Deursen, statistical criteria where used, being the Standard R2 and Nash-Sutcliffe coefficient. This resulted in a proper working hydrological model that predicts normal and high discharge really well, Nash-Sutcliffe value of 0.92 during validation. The low flow predictions of the model are of a lesser quality. During this research a new set of calibration criteria has been developed to evaluate the model performance during low flows. The final list of criteria used during calibration and validation consists of; • Discharge deficit • Nash-Sutcliffe coefficient for low flows • Accumulated absolute error in the discharge deficit During this research parameters that influence groundwater processes have been used. Van Deursen did not use these parameters