ACTUEEL

Een selectie buien voor snelle en nauwkeurige watersysteemanalyse in de stad

‘Steden schuilen niet wanneer het regent.’ Die regel uit het gedicht van Joseph Brodsky prijkt ‘s avonds in lichtgevende neongroene letters aan het Kleinpolderplein in Rotterdam. Precies daarom willen we weten wat er gebeurt in een stad als het regent. Hoe groot is de kans op wateroverlast na een hevige regenbui? Wat betekent een voorgenomen maatregel voor de kans op wateroverlast? Hoe hoog komt het water naar verwachting eens per tien of eens per honderd jaar? Simpele vragen, maar soms niet eenvoudig te beantwoorden.

“De vertaling van neerslagstatistiek naar waterstandstatistiek is minder voor de hand liggend dan soms wordt aangenomen.”

Waterschap Rivierenland gebruikt, net als veel andere waterschappen en gemeentes, vaak een ontwerpbui voor deze vraagstukken in stedelijk gebied. Helaas is het bijna onmogelijk één enkele ontwerpbui te vinden die voor alle (delen van) watersystemen resulteert in een waterstand met de juiste herhalingstijd. Nauwkeuriger is de tijdreeksmethode, zoals Hoogheemraadschap Delfland gebruikt. Een groot nadeel daarvan is de tijd die het kost om een langjarige reeks met zware modellen van stedelijk gebied door te rekenen.

In opdracht van Hoogheemraadschap Delfland en Waterschap Rivierenland ontwikkelde HKV een alternatief; een middenweg tussen beide methodes. We maakten daarvoor een selectie van buien uit metingen van KNMI stations, buien die dus daadwerkelijk gevallen zijn. De set van buien is aantoonbaar representatief voor een gekozen herhalingstijd. Deze nieuwe methode is nauwkeuriger dan het gebruik van een enkele ontwerpbui en kost minder rekentijd dan de tijdreeksmethode en de stochastenmethode.

Waarom een nieuwe methode?
Van neerslagstatistiek hebben we in Nederland een goed beeld. Bij een hoeveelheid regen in een uur, een paar uur of een dag, weten we hoe vaak die gemiddeld genomen voor komt. Bij waterstandstatistiek in stedelijke systemen is dat anders. Er zijn minder metingen beschikbaar en watersystemen veranderen vaak. De vertaling van neerslagstatistiek naar waterstandstatistiek is minder voor de hand liggend dan soms wordt aangenomen. Een bui die eens per tien jaar voorkomt, leidt niet altijd tot een waterstand die eens per tien jaar voorkomt.

Twee methodes die veel worden gebruikt om waterstandstatistiek te bepalen aan de hand van modelberekeningen zijn de stochastenmethode en de tijdreeksmethode. In beide methodes wordt – naast een extreme bui zelf – rekening gehouden met andere variabelen die de waterstand kunnen beïnvloeden. Een voorbeeld daarvan is de beschikbare berging in de bodem, die onder meer wordt bepaald door hoeveel neerslag er de afgelopen weken is gevallen. Dat zijn hydrologische processen met een langer ‘geheugen’ – waarin de voorgeschiedenis een grote rol speelt. Helaas kosten deze methodes ook veel rekentijd; het model wordt voor veel combinaties van stochasten of een lange tijdreeks doorgerekend. Juist modelberekeningen voor stedelijke systemen zijn vaak erg zwaar.

“Steden en hun watersystemen zijn heel divers: verschillende (delen van) watersystemen reageren anders op iedere bui.”

Stedelijke watersystemen met veel verhard oppervlak hebben een minder lang ‘geheugen’; de beschikbare berging in de bodem is bijvoorbeeld minder van invloed op de kans op wateroverlast. Vaak wordt door gemeenten en waterschappen dan de ontwerpbui-methode gebruikt in plaats van de stochastenmethode en de tijdreeksmethode. Daarbij wordt één bui gekozen of ontworpen, waarvan de aanname is dat deze – bijvoorbeeld – een T10 waterstand veroorzaakt. Zo hoeft het model maar voor één bui te worden doorgerekend, om op alle locaties in het watersysteem de T10 waterstand te bepalen. Dat kost natuurlijk minder rekentijd.

Jammer genoeg is die aanname nu juist niet zo simpel te maken. Steden en hun watersystemen zijn heel divers en ieder watersysteem reageert anders op iedere bui. Zelfs verschillende locaties binnen hetzelfde watersysteem reageren anders op dezelfde bui. Zo kan er in een bepaald deel van een gebied overlast optreden bij een korte hevige bui van een uur, maar zal er in een ander deel juist wateroverlast optreden als regen een dag lang aanhoudt. Het is daarom lastig één ontwerpbui te kiezen die, voor iedere locatie in een watersysteem en voor ieder watersysteem, leidt tot een T10 (of T100, T50 of T25,..) waterstand.

Een selectie representatieve, echt gemeten, gebeurtenissen
In deze nieuwe methode maken we gebruik van drie representatieve gebeurtenissen (buien) voor een gekozen herhalingstijd, in plaats van één enkele ontwerpbui. De gebeurtenissen hebben we geselecteerd uit tien-minuten metingen bij een dertigtal stations van het KNMI in de periode 2003 tot en met 2016. Het zijn dus buien die daadwerkelijk gevallen zijn. We gebruiken de jaarmaxima van die metingen, die zijn ook gebruikt voor de afleiding van neerslagstatistiek in STOWA Rapport 2018-12.

Waarom werkt het gebruik van meerdere buien beter dan één ontwerpbui? Dat komt onder andere omdat de maatgevende duur – de duur van een bui waarvoor het watersysteem het meest gevoelig is – per watersysteem verschillend en vaak zelfs niet bekend is. Wanneer er één enkele bui wordt gebruikt, moet die bui dus voor alle duren de beoogde herhalingstijd hebben. Die wordt vaak als volgt gevormd uit de regenduurlijn:

 

Een bui waarin alle duren een herhalingstijd hebben van tien jaar, is een zeldzamere gebeurtenis dan eens per tien jaar. Wanneer een watersysteem echt alleen gevoelig is voor één enkele duur, levert dat geen probleem op bij het bepalen van waterstandsstatistiek. Maar dat is meestal niet het geval; soms zal de combinatie van langdurige neerslag met nog een piekbui van een uur voor extra wateroverlast zorgen. Wanneer die combinatie zeldzamer is dan eens per tien jaar, is dus ook de resulterende waterstand extremer dan eens per tien jaar. De waterstand bepaald met de ontwerpbui zal dan dus de T10 waterstand overschatten.

“.., soms zal de combinatie van langdurige neerslag met een piekbui van een uur voor extra wateroverlast zorgen.”

In deze nieuwe methode, lossen we dat op door niet alle duren in één enkele bui te vatten. Idealiter zouden we een watersysteem doorrekenen met een afzonderlijke T10 bui voor zoveel mogelijk verschillende duren. Om de rekentijd behapbaar te houden werken we echter met slechts drie geselecteerde gebeurtenissen;

  • één voor korte (10, 30 of 60 minuten),
  • één voor middellange (4 of 12 uur), en
  • één voor lange duur (12 of 24 uur).

Voor het selecteren van bijvoorbeeld een gebeurtenis van middellange duur, kijken we naar de duren 4 en 12 uur en zoeken we een gebeurtenis met een herhalingstijd van ongeveer 10 jaar. We kijken ook naar de herhalingstijd van die gebeurtenis voor de andere duren. Zo willen we voorkomen dat we een gebeurtenis kiezen, met daarin bijvoorbeeld een uur-neerslag die veel extremer is dan eens per 10 jaar. Dan zou het namelijk kunnen gebeuren dat de waterstand heel hoog wordt als gevolg van die extreme uur-som in plaats van de 12-uursom.

In eerste instantie hebben we de methode uitgewerkt en getest voor vier herhalingstijden: T10, T25, T50 en T100. Dat levert een set van drie maal vier representatieve gebeurtenissen, die allemaal daadwerkelijk hebben plaatsgevonden. Voor T100 zien de drie representatieve  gebeurtenissen er als volgt uit:

De T10 (T25, T50 of T100) waterstand op een locatie wordt bepaald door met elk van de drie gebeurtenissen voor de herhalingstijd een modelsimulatie te draaien. De hoogste waterstand die optreedt in deze drie simulaties benadert dan de T10 waterstand op die locatie. Het kan dus zijn dat de T10 waterstand op de ene locatie in het systeem wordt bepaald door een andere gebeurtenissen dan de T10 waterstand op een andere locatie.

Het onderstaande figuur vat de methode samen:

De methode toegepast in Sliedrecht
We hebben de methode toegepast op een SOBEK-model van het stedelijke gebied van Sliedrecht, dat door het Waterschap Rivierenland gebruikt wordt. We vergeleken de T10, T25, T50 en T100 waterstand met een referentiestatistiek. De referentiestatistiek werd in dit geval bepaald aan de hand de methode zoals beschreven in STOWA Rapport 2019-19. Daarnaast hebben we vergeleken met de ontwerpbuien voor T10 en T100, zoals tot de uitvoering van deze studie werd gebruikt door het waterschap. Hieronder de resultaten voor een locatie binnen en buiten Sliedrecht:

Het blijkt dat de methode met representatieve gebeurtenissen de referentiestatistiek op deze locaties beter benadert dan de ontwerpbuien voor T10 en T100 die Waterschap Rivierenland tot nu toe gebruikte. We bekeken nog 13 andere locaties verspreid in het model, waaruit dezelfde conclusie volgde.

Conclusies
Er zijn verschillende redenen waarom de methode met drie representatieve buien volgens ons een beter alternatief is voor het gebruik van een ontwerpbui. Omdat de methode

  • meer dan een ontwerpbui recht doet aan de diversiteit van verschillende (delen van) watersystemen, die ervoor zorgt dat de (combinatie van) meerdere duren een rol kunnen spelen in de waterstandstatistiek;
  • ten opzichte van de tijdreeksmethode en de stochastenmethode een beperkte rekentijd heeft;
  • ook kan worden ingezet voor watersystemen waarvan de maatgevende duur onbekend is.

Bijkomend voordeel is dat de methode inzicht geeft in welke duur relevant is in verschillende (delen van) watersystemen. We kunnen immers voor iedere locatie zien welke representatieve gebeurtenis, die voor lange, middellange of korte duur, de hoogste waterstand opleverde.

Voor het model Sliedrecht van Waterschap Rivierenland is gebleken dat de methode inderdaad betere resultaten oplevert dan de ontwerpbuien die het waterschap tot dan toe gebruikte. Onze verwachting is dat dat voor meer watersystemen zal gelden. We hopen daarom deze methode bij meer waterschappen en gemeentes te onderzoeken!

ir. D. Lugt adviseur Water en Klimaat d.lugt@hkv.nl