Schrijf u in voor ons magazine Daadkragt!
Wilt u op de hoogte blijven van al onze nieuwe projecten, innovaties en nieuws rondom onze diensten?
Hoe wilt u de nieuwsbrief ontvangen?
1D, 2D of geen iD?
Geplaatst op: 30-10-2019
De impact van extreme neerslag op de omgeving is groot. Om de oorzaken en gevolgen van extreme neerslag te onderzoeken worden tegenwoordig zogenaamde 2D-modellen gebruikt. Maar wat is eigenlijk een 2D-berekening? Wat kun je er wel en wat juist niet mee? Wanneer volstaat een 1D-model en wanneer heeft een 2D-model een toegevoegde waarde?
De ervaring is dat dit lang niet helder is voor iedereen die met rekenen aan wateroverlastproblematiek te maken heeft. Dit leidt meer dan eens tot verkeerde verwachtingen en inschattingen met betrekking tot mogelijkheden, kosten en planning. In dit artikel geven wij u, in begrijpelijke taal, meer inzicht in wat 2D-rekenen precies inhoudt.
Terminologie
De termen 1D en 2D suggereren dat deze betrekking hebben op de drie dimensies lengte, breedte en hoogte. In ‘de wereld van hydraulische berekeningen’ hebben deze termen echter betrekking op het type objecten dat in de berekening is gebruikt. Een 1D-object is een object met een beginpunt en een eindpunt, zoals een rioolstreng. Water stroomt altijd van begin naar eind of andersom. Een 2D-object is een object waarbij de waterstroom in meerdere richtingen kan plaatsvinden, zoals een element in een maaiveldmodel. De richting van de waterstroom is in dat geval afhankelijk van de waterdiepte, de stroomsnelheid en de richting waaruit het water wordt aangevoerd.
1D-modellen
Een 1D-rekenmodel werkt prima zolang de gehanteerde uitgangspunten geen overbelasting van het gemodelleerde stelsel opleveren. Zodra dat wel het geval is en er water op straat optreedt, ontstaat een afwijking ten op zichte van de werkelijkheid. Bij 1D-modellen bevindt water op straat zich eigenlijk ‘buiten’ het model, in zogenaamde trechters. Deze fictieve trechters slaan het water dat uit de rioolputten treedt op, waarbij de modellering van de trechters bepaalt in welke waterdiepte dat resulteert. Is er weer capaciteit in de riolering beschikbaar dan wordt het water weer via dezelfde put naar het riool afgevoerd.
In de praktijk zal water dat uit rioolputten treedt over maaiveld gaan afstromen en niet boven de betreffende put blijven staan. De drukhoogte die de trechters in de berekening genereren is dus niet aanwezig.
Aangezien de stroming in de riolen berekend wordt op basis van drukverschillen ontstaat een afwijking. Hoe groter de berekende hoeveelheid water op straat, hoe groter deze afwijking. Verschillen van meer dan 10% zijn hierbij zeker mogelijk. Een 1D-model heeft dus werkgrenzen waarbinnen het model correcte resultaten oplevert. Het rekenen aan extreme neerslag valt vrijwel altijd buiten deze grenzen. Het maken en toetsen van een rioolontwerp is wel prima mogelijk met een 1D-model.
2D-modellen
Een 2D-model is in feite een in vele kleine stukjes (elementen) opgedeeld vlak; in ons vakgebied het maaiveld. Behalve de gebiedsgrens kent een 2D-model in principe geen werkgrenzen waarbinnen het model correct kan functioneren. Berekeningen met een 2D-model leveren inzicht in de dynamische waterstromen die op maaiveldniveau ontstaan. Daar staat tegenover dat een puur 2D-model de stroming door riolen en watergangen niet kan berekenen en daardoor ook weer resultaten oplevert die vaak niet kloppen met de praktijk. Voor nauwkeurige resultaten is dus een gecombineerd 1D-2D-model nodig.
Het bouwen van een 2D-model lijkt vrij simpel; AHN-data importeren en klaar. Voor zeer grove inschattingen van de problematiek binnen een groot gebied zou men deze optie kunnen kiezen. Is een hoger detailniveau gewenst dan moet ook rekening worden gehouden met bijvoorbeeld trottoirbanden, muurtjes, hagen, dorpelhoogtes, verschillen in landgebruik en infiltratiesnelheden, tunnels, kolken, enzovoort.
De meeste rekensoftware kan met bovengenoemde zaken rekening houden, maar ook daar zitten haken en ogen aan. De informatie is vaak afkomstig uit verschillende bronnen (zoals AHN, BGT, BAG) waardoor de objecten niet goed op elkaar aansluiten. Hierdoor kunnen niet alleen foutieve waterstromen worden berekend, maar dit kan ook resulteren in instabiele (lees: onbetrouwbare) modellen met lange rekentijden.
Dit moet dus worden gecontroleerd en gecorrigeerd. Het spreekt voor zich dat hoe meer objecten er in het model worden opgenomen, hoe meer tijd dit kost. Het simpelweg modelleren van alle details binnen het projectgebied is daarom zowel wat betreft planning als kosten niet altijd mogelijk. Hier moet dus een zorgvuldige afweging worden gemaakt.
Maar wat modelleer je dan wel en wat niet? Dat is precies de spagaat waarin men zich als modelleur bevindt. Natuurlijk kan een ervaren modelleur hier een inschatting van maken, maar de mate van variatie in het maaiveld is in principe oneindig en ook is niet elk detail in de beschikbare data opgenomen. Hierbij is het benodigde detailniveau een zeer belangrijke factor. Het bouwen van een 2D-model dat geschikt is voor het beoogde doel is dan ook meestal een iteratief proces van modelleren, rekenen, analyseren en aanpassen. Is een hoog detailniveau gewenst, dan is kennis van de te modelleren situatie daarbij onontbeerlijk.
Afsluiting
Op basis van modelberekeningen worden grote financiële beslissingen genomen. Ondanks dat de mogelijkheden van modelberekeningen enorm groot zijn, zien we in de praktijk vaak dat genoegen wordt genomen met de abstracte resultaten van een ‘light-versie’. Een goed hydraulisch rekenmodel vraagt om maatwerk en bestaat uit een koppeling van de 1D- en 2D-rekenmethoden. De interactie tussen riolen, watergangen en het, correct gemodelleerde, terrein is essentieel om de juiste beslissingen te nemen.
Besef hierbij ook dat het model zelden stopt na de uitlaat of overstort van het systeem.