Koppelen van modellen

Mogelijkheden om modellen te koppelen varieert van een koppeling op afstand tot volledig geïntegreerde modelberekeningen. De modulaire opbouw en open structuur van het modelinstrumentarium zorgt ervoor dat een koppeling van verschillende modellen binnen of buiten de modelomgeving eenvoudig is te realiseren. Al sinds medio jaren 90 zijn in diverse studies (o.a. waterschappen en provincies) koppelingen tussen modellen gerealiseerd. triwaco biedt de mogelijkheid om modellen op verschillende manieren te koppelen:

• op afstand (off-line)
• geintegreerd (on-line)
• geintegreerd volgens OpenMI

Voor de gelijktijdige simulatie van het grond- en oppervlaktewatersysteem zijn door Royal Haskoning koppelingen tussen grondwatermodellen (FLAIRS, MODFLOW), onverzadigde zone modellen (FLUZO, en binnenkort SWAP) en de oppervlaktewatermodellen DUFLOW en SOBEK ontwikkeld.

De modulaire opbouw van het modelinstrumentarium heeft als voordeel dat modellen voor grondwater, onverzadigde zone en oppervlaktewater voor dat ze worden gekoppeld onafhankelijk van elkaar kunnen worden opgezet. Dit betekent dat de modellen ook onafhankelijk van elkaar kunnen worden doorgerekend. Er is dus altijd een vrije keuze om modellen al dan niet gekoppeld te laten rekenen.

Koppelen op afstand (off-line)
De eenvoudigste koppeling is een koppeling op afstand ofwel offline. Waarbij het modelresultaat van model 1 wordt gebruikt als invoer voor model 2. Een voorbeeld is de kwelflux uit een grondwatermodel MODFLOW dat wordt gebruikt als onderrandvoorwaarde voor een SOBEK-RR model. Voordeel hiervan is dat de modellen los van elkaar kunnen worden gedraaid.

Geintegreerde koppeling (on-line)
Een stap geavanceerder is om uitwisseling van data per tijdstap te laten plaatsvinden. Dit kan op twee manieren. De eerste is koppeling volgens een zogenaamde expliciete koppeling. Dit is een koppeling waarbij de informatie aan het eind van elke tijdstap wordt uigewisseld. Zoals hieronder is weergegeven. Voordeel van deze methode is dat de rekentijd zo groot is als de gekoppelde modellen afzonderlijk rekenen. Nadeel is dat er geen terugkoppeling (iteratie) binnen de tijdstap plaatsvindt. Bij grote tijdstappen kan dit een probleem geven.

De tweede manier is een impliciete koppeling. In deze koppeling worden per tijdstap de resultaten van de onderlinge tijdstappen uitgewisseld en vindt dus een iteratie plaats. Het verschil in tijdstapgrootte van de afzonderlijke modellen is daardoor flexibel. Dit is de meest geavanceerde en best haalbare koppelingsmethodiek. Royal Haskoning en WL Delft hebben samen een impliciete koppeling ontwikkeld voor FLAIRS, FLUZO en SOBEK-CF en SOBEK-RR. Daarnaast werken Royal Haskoning en WL Delft samen om de koppelingen efficiënter en flexibeler te maken met behulp van OpenMI.

De door ons en het WL ontwikkelde koppeling is niet afhankelijk van het gebruikte rekengrid of de rekenkern en is daardoor zeer robuust en flexibel. De voordelen zijn:

• Flexibel te kiezen tijdschalen voor berekening. Bijvoorbeeld kleine tijdstappen snelle deel (Oppervlaktwater SOBEK-CF en onverzadigde zone/ondiep grondwater SOBEK-RR) met langzame deel (grondwater FLAIRS of MODFLOW)
• Een eenmaal gedefinieerde koppeling blijft intact ook als een rekennetwerk of parameters worden aangepast.

Onderstaand schema geeft een voorbeeld van de koppeling tussen de modellen volgens een impliciete koppeling.

Koppelen volgens OpenMI
OpenMI staat voor “Open Modelling Interface and Environment” en is een Europese standaard voor het koppelen van hydrologische modellen. OpenMI is ontwikkeld binnen het HarmonIT project, een onderzoeksproject (gefinancierd door de Europese Commissie) ter ondersteuning van strategische planning en het opstellen van stroomgebiedsbeheersplannen zoals vereist worden door de Kaderrichtlijn Water.

OpenMI maakt het mogelijk om een bestaand simulatieprogramma met beperkte aanpassingen te voorzien van generieke koppelbaarheid. Bovendien geeft OpenMI zeer veel vrijheid aan de modelleur om koppelingen te definiëren. OpenMI bevat ook allerlei gereedschap om de modelleur te helpen bij het opzetten en runnen van een gekoppelde berekening. Zo is er functionaliteit voor het controleren van convergentie en het itereren van tijdstappen tussen gekoppelde modellen.

De aanpassingen in het simulatieprogramma beperken zich tot het expliciet maken van een aantal functies voor het sturen van de berekening en het ontvangen en leveren van variabelen. Deze functies worden aangeroepen vanuit een buffer tussen het simulatieprogramma en de OpenMI-laag voor het model.

De functies voor het sturen van een berekening worden eenvoudig vanuit een meegeleverde OpenMI software (OmiEd) aangeroepen waarmee het programma volledig operationeel blijft ook zonder koppeling. De OpenMI-laag bevat alle functionaliteit om het model dat in het simulatieprogramma is geladen herkenbaar te maken voor OpenMI, zodat de modelleur de koppeling in OpenMI kan definiëren of een reeds gedefinieerde koppeling kan oproepen, en vervolgens de simulatie kan starten.

Royal Haskoning ontwikkeld samen met WL Delft aan de OpenMI koppeling tussen FLAIRS, FLUZO en SOBEK-CF en SOBEK-RR. Verder werken we momenteel aan de implementatie van OpenMI in SWAP.

Zie www.openmi.org voor meer achtergrondinformatie.

triwaco gaat een stap verder met koppelen en OpenMI : koppelen op GIS niveau
Bij het koppelen van modellen volgens OpenMI wordt de rekentechnische uitwisseling van data tussen de modellen onderling geregeld. De wijze waarop de daadwerkelijke koppeling van de modellen plaats vindt, dus welk rekenpunt van het ene model gekoppeld moet worden aan het rekenpunt van het ander model, is binnen het OpenMI niet vastgelegd.

Veelal vindt koppeling tussen modellen vindt plaats door de rekenknopen van het ene model direct te koppelen aan de rekenknopen van het andere model. Er zijn binnen OpenMI routines beschikbaar voor koppeling op basis van ligging. Deze kan bijvoorbeeld automatisch de cellen bepalen in een grondwatermodel die overeenkomen met de takken in een oppervlaktewatermodel. Dit is echter een weinig flexibele wijze van koppelen omdat deze afhankelijk is van de ligging van de rekenknopen (en niet de werkelijke waterloop) en bovendien dient deze in zijn geheel opnieuw worden gedefinieerd als één van de twee modellen wijzigt. Dit leidt tot problemen bijvoorbeeld bij dijksloten aan de binnenkant van een dijk langs boezemwater of bij grenzen van peilvakken.

Deze problemen zijn opgelost door een koppeling op een hoger abstractieniveau te definiëren. De rekenknopen van twee of meer modellen hoeven dan ruimtelijk niet meer overeen te komen. Zo worden waterlopen voor een grondwatermodel (MODFLOW of FLAIRS) als lijnelementen (bijv. shape file) gedefinieerd met een eigen unieke ID. De waterlopen zijn daardoor eenvoudig te koppelen zijn aan de ID’s van dezelfde waterlopen in het oppervlaktewatermodel (DUFLOW of SOBEK-CF). Op dezelfde wijze wordt oppervlaktewater met een breedte groter dan één knoop/cel gedefinieerd met polygonen (bijv. shape file) met een unieke ID waardoor de koppeling net zo eenvoudig is.

De koppeling van, in dit geval, SOBEK-CF en FLAIRS komt tot stand middels een eenvoudige koppeltabel. Binnen de tabel worden de ID’s van de takken van SOBEK-CF gekoppeld aan de ID’s voor de waterlopen of waterpartijen (o.a. infiltratievijvers) van FLAIRS.

Koppelen op een hoger abstractie niveau van GIS kaarten heeft als voordeel dat wijzigingen aan één van beide modellen niet van invloed is op de koppeling. Het inzoomen in een grondwater model (in feite verfijnen van een rekengrid), bijvoorbeeld, is dus zonder meer mogelijk. Ook wijzigingen die wel van invloed zijn op de koppeling, bijvoorbeeld een nieuwe waterloop, zijn eenvoudig aan te realiseren. Immers de koppeling vindt plaats middels een koppeltabel die eenvoudig is uit te breiden met de nieuwe ID’s uit de modellen.