IJken met de representermethode - Johan Valstar - NHV.nu

IJken met de representermethode - Johan Valstar - NHV.nu IJken met de representermethode - Johan Valstar - NHV.nu

12.07.2015 Views

IJken met de representermethodeJohan ValstarInleidingBij het opstellen van een ruimtelijk grondwatermodel wordt elke geohydroloog vroeg of laatvoor de opgave gesteld het model te ijken met waarnemingen. Afgezien van tal van modelaannamesen schematisaties, zit doorgaans de grootste bron van onzekerheid in de statischemodelparameters (bijvoorbeeld kD- en c-waarde). De waarde van deze parameters opelk knooppunt in het model is onzeker. Een fors probleem is daarom dat het aantal vrijheidsgradenbij het schatten van de ruimtelijke parameterverdeling vele malen groter isdan het beschikbare aantal meetwaarden. Bij gebruik van klassieke ijkmethodes wordt hetaantal te schatten parameters meestal beperkt door een zonering aan te brengen. Daarbijwordt de ruimtelijke variatie binnen een zone veronachtzaamd. De representermethodemaakt het echter mogelijk een ruimtelijk variabel beeld van de parameters te berekenen,waarbij het aantal vrijheidsgraden niet door zonering wordt teruggebracht.Binnen TNO wordt nu enige jaren gebruik gemaakt van deze representermethode voorhet ijken van grondwatermodellen. Deze methode wordt van origine toegepast in de oceanografieen meteorologie voor data assimilatie (het schatten van toestandsvariabelen metbehulp van data), zie Bennett (1992). In dat vakgebied zit de grootste onzekerheid in debeginschatting, de randvoorwaarden en niet in de statische modelparameters. Tijdens mijnpromotieonderzoek heb ik deze methode uitgebreid zodat ook de statische modelparametersgeschat kunnen worden. Ik heb deze methode toegepast voor grondwaterstroming en transportvan verontreinigingen. Gezien de beschikbaarheid van relevante data is de methode inde praktijk vooral toepasbaar voor regionale grondwaterstromingsmodellen. Na afloop vanmijn promotieonderzoek heb ik deze methode binnen de gangbare modelcode MODFLOWrobuust gemaakt en uitgebreid met meerdere (standaard MODFLOW)-modules.In deze bijdrage zal ik globaal de werking van de representermethode duidelijk maken,zonder de lezer lastig te vallen met afleidingen en detailinformatie die een significantinzicht in de methode vereisen. Voor die informatie verwijs ik de geïnteresseerde naar mijnproefschrift (Valstar 2001). De implementatie van de methode vereist een significantehoeveelheid programmeerwerk, waarvoor niet iedere hydroloog in Nederland de tijd zalhebben. Voor deze hydrologen, die wel interesse in de methode hebben is er echter goednieuws. In overleg met de USGS heeft TNO besloten om de methode te updaten naar denieuwste MODFLOW-2005 versie en de broncode en handleiding daarna vrij te geven, zodatde methode door iedere hydroloog toegepast kan worden.Johan Valstar is werkzaam bij TNO Bouw en Ondergrond, Postbus 80015, 3508 TA Utrecht, tel (030) 256 4707, fax: (030) 256 48 55, e-mail: johan.valstar@tno.nl.STROMINGEN 13 (2007), NUMMER 2 37

<strong>IJken</strong> <strong>met</strong> <strong>de</strong> representer<strong>met</strong>ho<strong>de</strong><strong>Johan</strong> <strong>Valstar</strong>InleidingBij het opstellen van een ruimtelijk grondwatermo<strong>de</strong>l wordt elke geohydroloog vroeg of laatvoor <strong>de</strong> opgave gesteld het mo<strong>de</strong>l te ijken <strong>met</strong> waarnemingen. Afgezien van tal van mo<strong>de</strong>laannamesen schematisaties, zit doorgaans <strong>de</strong> grootste bron van onzekerheid in <strong>de</strong> statischemo<strong>de</strong>lpara<strong>met</strong>ers (bijvoorbeeld kD- en c-waar<strong>de</strong>). De waar<strong>de</strong> van <strong>de</strong>ze para<strong>met</strong>ers opelk knooppunt in het mo<strong>de</strong>l is onzeker. Een fors probleem is daarom dat het aantal vrijheidsgra<strong>de</strong>nbij het schatten van <strong>de</strong> ruimtelijke para<strong>met</strong>erver<strong>de</strong>ling vele malen groter isdan het beschikbare aantal meetwaar<strong>de</strong>n. Bij gebruik van klassieke ijk<strong>met</strong>ho<strong>de</strong>s wordt hetaantal te schatten para<strong>met</strong>ers meestal beperkt door een zonering aan te brengen. Daarbijwordt <strong>de</strong> ruimtelijke variatie binnen een zone veronachtzaamd. De representer<strong>met</strong>ho<strong>de</strong>maakt het echter mogelijk een ruimtelijk variabel beeld van <strong>de</strong> para<strong>met</strong>ers te berekenen,waarbij het aantal vrijheidsgra<strong>de</strong>n niet door zonering wordt teruggebracht.Binnen TNO wordt <strong>nu</strong> enige jaren gebruik gemaakt van <strong>de</strong>ze representer<strong>met</strong>ho<strong>de</strong> voorhet ijken van grondwatermo<strong>de</strong>llen. Deze <strong>met</strong>ho<strong>de</strong> wordt van origine toegepast in <strong>de</strong> oceanografieen <strong>met</strong>eorologie voor data assimilatie (het schatten van toestandsvariabelen <strong>met</strong>behulp van data), zie Bennett (1992). In dat vakgebied zit <strong>de</strong> grootste onzekerheid in <strong>de</strong>beginschatting, <strong>de</strong> randvoorwaar<strong>de</strong>n en niet in <strong>de</strong> statische mo<strong>de</strong>lpara<strong>met</strong>ers. Tij<strong>de</strong>ns mijnpromotieon<strong>de</strong>rzoek heb ik <strong>de</strong>ze <strong>met</strong>ho<strong>de</strong> uitgebreid zodat ook <strong>de</strong> statische mo<strong>de</strong>lpara<strong>met</strong>ersgeschat kunnen wor<strong>de</strong>n. Ik heb <strong>de</strong>ze <strong>met</strong>ho<strong>de</strong> toegepast voor grondwaterstroming en transportvan verontreinigingen. Gezien <strong>de</strong> beschikbaarheid van relevante data is <strong>de</strong> <strong>met</strong>ho<strong>de</strong> in<strong>de</strong> praktijk vooral toepasbaar voor regionale grondwaterstromingsmo<strong>de</strong>llen. Na afloop vanmijn promotieon<strong>de</strong>rzoek heb ik <strong>de</strong>ze <strong>met</strong>ho<strong>de</strong> binnen <strong>de</strong> gangbare mo<strong>de</strong>lco<strong>de</strong> MODFLOWrobuust gemaakt en uitgebreid <strong>met</strong> meer<strong>de</strong>re (standaard MODFLOW)-modules.In <strong>de</strong>ze bijdrage zal ik globaal <strong>de</strong> werking van <strong>de</strong> representer<strong>met</strong>ho<strong>de</strong> dui<strong>de</strong>lijk maken,zon<strong>de</strong>r <strong>de</strong> lezer lastig te vallen <strong>met</strong> afleidingen en <strong>de</strong>tailinformatie die een significantinzicht in <strong>de</strong> <strong>met</strong>ho<strong>de</strong> vereisen. Voor die informatie verwijs ik <strong>de</strong> geïnteresseer<strong>de</strong> naar mijnproefschrift (<strong>Valstar</strong> 2001). De implementatie van <strong>de</strong> <strong>met</strong>ho<strong>de</strong> vereist een significantehoeveelheid programmeerwerk, waarvoor niet ie<strong>de</strong>re hydroloog in Ne<strong>de</strong>rland <strong>de</strong> tijd zalhebben. Voor <strong>de</strong>ze hydrologen, die wel interesse in <strong>de</strong> <strong>met</strong>ho<strong>de</strong> hebben is er echter goednieuws. In overleg <strong>met</strong> <strong>de</strong> USGS heeft TNO besloten om <strong>de</strong> <strong>met</strong>ho<strong>de</strong> te updaten naar <strong>de</strong>nieuwste MODFLOW-2005 versie en <strong>de</strong> bronco<strong>de</strong> en handleiding daarna vrij te geven, zodat<strong>de</strong> <strong>met</strong>ho<strong>de</strong> door ie<strong>de</strong>re hydroloog toegepast kan wor<strong>de</strong>n.<strong>Johan</strong> <strong>Valstar</strong> is werkzaam bij TNO Bouw en On<strong>de</strong>rgrond, Postbus 80015, 3508 TA Utrecht, tel (030) 256 4707, fax: (030) 256 48 55, e-mail: johan.valstar@tno.nl.STROMINGEN 13 (2007), NUMMER 2 37


Achtergrond ijk<strong>met</strong>ho<strong>de</strong>Tij<strong>de</strong>ns ijking gebruikt een hydroloog <strong>de</strong> verschillen tussen mo<strong>de</strong>lvoorspellingen en meetwaar<strong>de</strong>nom een betere schatting te krijgen van <strong>de</strong> onzekere mo<strong>de</strong>lpara<strong>met</strong>ers. Hiervoorheeft hij een mo<strong>de</strong>l, <strong>met</strong>ingen en een doelfunctie nodig. Deze wor<strong>de</strong>n hieron<strong>de</strong>r beschreven.Mo<strong>de</strong>lEen grondwatermo<strong>de</strong>l wordt in <strong>de</strong> praktijk vaak opgelost door discretisatie van <strong>de</strong> achterliggen<strong>de</strong>vergelijkingen <strong>met</strong> behulp van een eindige differentie of eindige elementen<strong>met</strong>ho<strong>de</strong>.Het gediscretiseer<strong>de</strong> mo<strong>de</strong>l kan wor<strong>de</strong>n geschreven als een matrixvergelijking. In ditartikel wordt uitgegaan van een lineair mo<strong>de</strong>l dus zon<strong>de</strong>r freatisch pakket <strong>met</strong> een stijghoogteafhankelijketransmissiviteit. Het mo<strong>de</strong>l kan dan als volgt wor<strong>de</strong>n beschreven:Voor stationaire stroming:Ah = f (1)waarin:A is <strong>de</strong> systeemmatrix,h is <strong>de</strong> vector <strong>met</strong> stijghoogten,f is <strong>de</strong> vector <strong>met</strong> drijven<strong>de</strong> krachten.Voor niet stationaire stroming:t t−1Ah = Sh +ft(2)waarin:A en S zijn systeemmatrices,h t is <strong>de</strong> vector <strong>met</strong> stijghoogten op tijdstip t,f t is een vector <strong>met</strong> drijven<strong>de</strong> krachten op tijdtip t.In het vervolg van dit artikel behan<strong>de</strong>l ik ver<strong>de</strong>r alleen het stationaire mo<strong>de</strong>l, maar <strong>de</strong><strong>met</strong>ho<strong>de</strong> is ook toepasbaar op niet-stationaire mo<strong>de</strong>llen.MetingenEr wordt va<strong>nu</strong>it gegaan dat <strong>de</strong> meetwaar<strong>de</strong>n lineair zijn <strong>met</strong> <strong>de</strong> stijghoogten. Gedacht kanwor<strong>de</strong>n aan stijghoogte<strong>met</strong>ingen, maar ook aan <strong>met</strong>ingen van afvoeren in één of meermo<strong>de</strong>lcellen. De <strong>met</strong>ingen wor<strong>de</strong>n beschreven <strong>met</strong> <strong>de</strong> volgen<strong>de</strong> meetvergelijking:z = M ( h)+ ε(3)zwaarin:z is <strong>de</strong> vector <strong>met</strong> meetwaar<strong>de</strong>n,38 STROMINGEN 13 (2007), NUMMER 2


M(h) is een lineaire meetoperator,ε zis <strong>de</strong> meetfout.Para<strong>met</strong>eronzekerheidBij <strong>de</strong> representer<strong>met</strong>ho<strong>de</strong> wordt aangenomen dat <strong>de</strong> para<strong>met</strong>ers normaal ver<strong>de</strong>el<strong>de</strong>, ruimtelijkgecorreleer<strong>de</strong>, stochastische variabelen zijn, waarbij het gemid<strong>de</strong>l<strong>de</strong> en <strong>de</strong> covariantiebekend zijn. De doorlatendheid vertoont in <strong>de</strong> praktijk vaak een log-normale ver<strong>de</strong>ling endaarom wordt eigenlijk niet <strong>de</strong> doorlatendheid maar <strong>de</strong> ln-waar<strong>de</strong> van een vermenigvuldigingsfactorvan <strong>de</strong> doorlatendheid geschat. Tij<strong>de</strong>ns <strong>de</strong> ijking kunnen <strong>de</strong> para<strong>met</strong>ers in elkemo<strong>de</strong>lcel een an<strong>de</strong>re aanpassing krijgen. De ruimtelijke structuur in <strong>de</strong> covariantie zorgt erin <strong>de</strong> praktijk wel voor dat <strong>de</strong> aanpassingen ruimtelijk gelei<strong>de</strong>lijk zullen variëren.DoelfunctieOm <strong>de</strong> optimale para<strong>met</strong>erschatting (α) te vin<strong>de</strong>n, dient <strong>de</strong> volgen<strong>de</strong> doelfunctie (J) te wor<strong>de</strong>ngeminimaliseerd:TJ = ( z − M ( h))C−1εT( z − M ( h))+ ( α −α) C−1α( α −α)(4)waarin:C εis covariantiematrix van meetfouten. In <strong>de</strong> praktijk is dit vaak een diagonaalmatrixomdat vrijwel altijd wordt aangenomen dat meetfouten ongecorrelleerd zijn;α is het a priori gemid<strong>de</strong>l<strong>de</strong> van mo<strong>de</strong>lpara<strong>met</strong>ers;C α is <strong>de</strong> a priori covariantiematrix van <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>lpara<strong>met</strong>ers.Deze doelfunctie bestraft zowel <strong>de</strong> verschillen tussen <strong>de</strong> meetwaar<strong>de</strong>n en <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>lvoorspellingals ook <strong>de</strong> afwijking van <strong>de</strong> para<strong>met</strong>ers van hun a priori gemid<strong>de</strong>l<strong>de</strong>.Een belangrijk kenmerk van <strong>de</strong>ze doelfunctie is dat <strong>de</strong> waar<strong>de</strong> in <strong>de</strong> praktijk vaak nietdirect te berekenen valt omdat <strong>de</strong> covariantiematrix van <strong>de</strong> para<strong>met</strong>er heel groot is en hetonmogelijk is om <strong>de</strong>ze matrix op te slaan; laat staan om <strong>de</strong> inverse ervan te berekenen.Veel traditionele optimalisatie algoritmen kunnen dan ook niet wor<strong>de</strong>n toegepast, omdat zegebruik maken van <strong>de</strong> waar<strong>de</strong>n van <strong>de</strong> doelfunctie en <strong>de</strong> eerste afgelei<strong>de</strong> van <strong>de</strong> doelfunctie<strong>met</strong> betrekking tot <strong>de</strong> para<strong>met</strong>ers.Vergelijking <strong>met</strong> klassieke ijk<strong>met</strong>ho<strong>de</strong>De uitgangspunten van <strong>de</strong> representer<strong>met</strong>ho<strong>de</strong> zijn afwijkend van <strong>de</strong> klassieke ijking.Bij <strong>de</strong> klassieke ijking wordt meestal een beperkt aantal para<strong>met</strong>ers geschat, zie bijvoorbeeldHill et al. (2000). Hiertoe wordt vaak een zonering toegepast. Binnen één zone wordtdan 1 enkele aanpassingfactor berekend tij<strong>de</strong>ns <strong>de</strong> ijking. Variatie van <strong>de</strong> para<strong>met</strong>ers binnen<strong>de</strong> zone wordt volledig genegeerd. De doelfunctie die dan wordt geminimaliseerd is <strong>de</strong>eerste term van vergelijking 4 als wordt aangenomen dat <strong>de</strong> para<strong>met</strong>ers vooraf volledigonbekend zijn en <strong>de</strong> initiële schatting geen effect op <strong>de</strong> uitkomst van <strong>de</strong> ijking mag hebben.STROMINGEN 13 (2007), NUMMER 2 39


Soms wordt er veron<strong>de</strong>rsteld dat er wel a priori informatie (gemid<strong>de</strong>l<strong>de</strong> en standaard <strong>de</strong>viatie)over <strong>de</strong> para<strong>met</strong>ers beschikbaar is. In dat geval lijkt <strong>de</strong> doelfunctie op functie 4, maar ishet aantal para<strong>met</strong>ers min<strong>de</strong>r en is <strong>de</strong> covariantiematrix van <strong>de</strong> para<strong>met</strong>ers een diagonaalmatrix.De representer<strong>met</strong>ho<strong>de</strong>Het is intuïtief voor te stellen dat als je aan één <strong>met</strong>ing <strong>de</strong>nkt er een optimaal aanpassingveldvoor <strong>de</strong> para<strong>met</strong>ers moet bestaan. Aanpassing van <strong>de</strong> para<strong>met</strong>ers volgens dit veldgeeft een maximaal effect op <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>lvoorspelling van <strong>de</strong>ze <strong>met</strong>ing, terwijl <strong>de</strong> bestraffingvoor <strong>de</strong> afwijking van <strong>de</strong> para<strong>met</strong>ers van hun a priori gemid<strong>de</strong>l<strong>de</strong> (<strong>de</strong> twee<strong>de</strong> term vandoelfunctie in vergelijking 4) minimaal is.Afhankelijk van het verschil tussen meetwaar<strong>de</strong> en mo<strong>de</strong>lvoorspelling kun je dit veld<strong>met</strong> een coëfficiënt vermenigvuldigen en je kunt <strong>de</strong> <strong>met</strong>ing exact fitten of bena<strong>de</strong>ren als jeeen meetfout toelaat.Wel<strong>nu</strong>, zo’n optimaal aanpassingsveld voor één <strong>met</strong>ing bestaat in<strong>de</strong>rdaad. Sterker nog, inmijn proefschrift bewijs ik dat <strong>de</strong> optimale oplossing bij meer<strong>de</strong>re <strong>met</strong>ingen bestaat uit eenlineaire combinatie van <strong>de</strong> optimale aanpassingvel<strong>de</strong>n van <strong>de</strong> individuele <strong>met</strong>ingen. Als <strong>de</strong>optimale aanpassingvel<strong>de</strong>n bekend zijn vereist <strong>de</strong> minimalisatie van <strong>de</strong> doelfunctie hetvin<strong>de</strong>n van <strong>de</strong> bijbehoren<strong>de</strong> coëfficiënten. Het aantal vrijheidsgra<strong>de</strong>n van het optimalisatieprobleemvermin<strong>de</strong>rt dan van het aantal para<strong>met</strong>ers (or<strong>de</strong> grootte van het aantal mo<strong>de</strong>lcellen)naar het aantal <strong>met</strong>ingen, maar <strong>de</strong> uitein<strong>de</strong>lijke oplossing blijft gelijk.Met behulp van <strong>de</strong> representers zijn <strong>de</strong>ze optimale invloedsfunctie en een vergelijkingvoor <strong>de</strong> bijbehoren<strong>de</strong> coëfficiënten af te lei<strong>de</strong>n. Ik zal hier niet <strong>de</strong> volledige afleiding geven,maar uitsluitend <strong>de</strong> <strong>de</strong>finitie en <strong>de</strong> uitein<strong>de</strong>lijke vergelijkingen. Voor <strong>de</strong> volledige afleidingverwijs ik naar mijn proefschrift (<strong>Valstar</strong>, 2001).Allereerst is hier <strong>de</strong> <strong>de</strong>finitie van <strong>de</strong> representers:α = α + bΨ(5)h = h + bΞ+(6)Fh corrwaarin:b is <strong>de</strong> vector <strong>met</strong> representercoëfficiënten,Ψ is <strong>de</strong> representer voor mo<strong>de</strong>lpara<strong>met</strong>ers,Ξ is <strong>de</strong> representer voor stijghoogte,h Fis <strong>de</strong> ‘First guess’ stijghoogte (stijghoogten die behoren het berekenen van het mo<strong>de</strong>l <strong>met</strong><strong>de</strong> a priori para<strong>met</strong>ers),h corris <strong>de</strong> stijghoogte correctie term.Hierbij is <strong>de</strong> para<strong>met</strong>errepresenter Ψ <strong>de</strong> eer<strong>de</strong>r genoem<strong>de</strong> optimale invloedsfunctie. Destijghoogterepresenter Ξ is <strong>de</strong> gelineariseer<strong>de</strong> veran<strong>de</strong>ring van <strong>de</strong> stijghoogten indien <strong>de</strong>para<strong>met</strong>ers wor<strong>de</strong>n aangepast volgens het patroon van <strong>de</strong> para<strong>met</strong>errepresenter.Om dit te illustreren geef ik hier eerst een voorbeeld van een eenvoudig 2-dimensionaalmo<strong>de</strong>l <strong>met</strong> vaste stijghoogten links (+1m) en rechts (0m) en gesloten ran<strong>de</strong>n aan <strong>de</strong> boven-40 STROMINGEN 13 (2007), NUMMER 2


en on<strong>de</strong>rkant. De a priori doorlatendheid is constant. Figuur 1 geeft <strong>de</strong> para<strong>met</strong>er representers(links) en stijghoogterepresenter (rechts) weer voor een <strong>met</strong>ing in het mid<strong>de</strong>n vanhet mo<strong>de</strong>l. In <strong>de</strong>ze situatie blijkt dat <strong>de</strong> stijghoogte op <strong>de</strong> meetlocatie het ‘goedkoopst’ is tebeïnvloe<strong>de</strong>n door direct links van <strong>de</strong> meetlocatie <strong>de</strong> transmissiviteit het meest te verhogenen <strong>de</strong>ze direct rechts het meest te verlagen. Aanpassing van <strong>de</strong> transmissiviteit op <strong>de</strong>meetlocatie zelf heeft geen enkele invloed op <strong>de</strong> stijghoogte op <strong>de</strong> meetlocatie en <strong>de</strong> para<strong>met</strong>errepresenterwaar<strong>de</strong>is daar dan ook <strong>nu</strong>l. De stijghoogterepresenter geeft aan dat <strong>met</strong> <strong>de</strong>voorgestel<strong>de</strong> aanpassingspatroon <strong>de</strong> stijghoogte overal, <strong>met</strong> uitzon<strong>de</strong>ring van <strong>de</strong> vastestijghoogteran<strong>de</strong>n, zal toenemen en het meest op <strong>de</strong> locatie van <strong>de</strong> <strong>met</strong>ing. Ook blijkt dataanpassingen op enige afstand loodrecht op <strong>de</strong> stromingrichting groter is dan op gelijkeafstand in <strong>de</strong> stromingsrichting.Figuur 1: Illustratie van representerfuncties.In werkelijkheid is <strong>de</strong> relatie tussen <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>lpara<strong>met</strong>ers en <strong>de</strong> stijghoogten niet lineair enis <strong>de</strong> voorspel<strong>de</strong> aanpassing van <strong>de</strong> stijghoogten volgens <strong>de</strong> stijghoogterepresenter alleenmaar geldig voor kleine waar<strong>de</strong>n van <strong>de</strong> representercoëfficiënt b. Ook zal <strong>de</strong> bij een veran<strong>de</strong>ringvan <strong>de</strong> para<strong>met</strong>ers, <strong>de</strong> para<strong>met</strong>errepresenter gelei<strong>de</strong>lijk an<strong>de</strong>rs wor<strong>de</strong>n. Daarom zalbij ie<strong>de</strong>r nieuwe schatting van <strong>de</strong> para<strong>met</strong>ers steeds opnieuw <strong>de</strong> representerfuncties moetenwor<strong>de</strong>n bepaald totdat <strong>de</strong> oplossing convergeert.De representerfuncties kunnen berekend wor<strong>de</strong>n <strong>met</strong> <strong>de</strong> volgen<strong>de</strong> vergelijkingen.Allereerst moet er een extra hulpvariabele berekend wor<strong>de</strong>n: <strong>de</strong> representer voor <strong>de</strong> zogenaam<strong>de</strong>adjoint variabele voor <strong>met</strong>ing i:dMi( h)AΦ i=(7)dhDeze vergelijking heeft alleen een drijven<strong>de</strong> kracht op <strong>de</strong> locatie waar <strong>de</strong> stijghoogte van <strong>de</strong><strong>met</strong>ingen van invloed is op <strong>de</strong> meetwaar<strong>de</strong>. Bij een stijghoogte<strong>met</strong>ing in het mid<strong>de</strong>n vanSTROMINGEN 13 (2007), NUMMER 2 41


een mo<strong>de</strong>lcel heeft alleen <strong>de</strong>ze cel een drijven<strong>de</strong> kracht <strong>met</strong> waar<strong>de</strong> 1.Vervolgens kan <strong>de</strong> para<strong>met</strong>errepresenter wor<strong>de</strong>n berekend voor <strong>met</strong>ing i <strong>met</strong>:⎛ dA df ⎞Ψi = Cα⎜Φih − Φi ⎟(8)⎝ dαdα⎠Daarna kan <strong>de</strong> stijghoogterepresenter wor<strong>de</strong>n berekend <strong>met</strong>:dA dfAΞ i= −Ψih + Ψi(9)dα dαBovenstaan<strong>de</strong> vergelijkingen voor <strong>de</strong> representers moeten voor ie<strong>de</strong>re <strong>met</strong>ing wor<strong>de</strong>n berekend,maar kunnen wel onafhankelijk en dus parallel van elkaar berekend wor<strong>de</strong>n.De stijghoogte correctieterm kan wor<strong>de</strong>n berekend <strong>met</strong>:Ah= f − AhdA df+ h ( α − α ) − ( α −α)dαdαcorrectie(10)FAls laatste kunnen <strong>de</strong> coëfficiënten van representer wor<strong>de</strong>n berekend <strong>met</strong> <strong>de</strong> volgen<strong>de</strong>matrixvergelijking:(correctionM ( Ξ)+ Cε ) b = z − ( M ( h F+ h ))(11)Deze vergelijkingen zijn exact als voor <strong>de</strong> para<strong>met</strong>ers en <strong>de</strong> stijghoogten <strong>de</strong> optimale waar<strong>de</strong>nwor<strong>de</strong>n ingevuld. Deze zijn uiteraard voor <strong>de</strong> ijking nog onbekend en kunnen uitsluitenditeratief gevon<strong>de</strong>n wor<strong>de</strong>n. De procedure die gevolgd word is globaal: Bereken <strong>met</strong> <strong>de</strong>laatste schatting van <strong>de</strong> para<strong>met</strong>ers en <strong>de</strong> stijghoogten <strong>de</strong> representers (vergelijkingen 7-9),<strong>de</strong> stijghoogte correctie term (vergelijking 10) en <strong>de</strong> representercoëfficiënten (vergelijking11). Update vervolgens <strong>de</strong> para<strong>met</strong>ers (vergelijking 4) en bereken <strong>met</strong> het grondwatermo<strong>de</strong>leen nieuwe schatting van <strong>de</strong> stijghoogten en herhaal dit tot convergentie is bereikt. Om ditzoek algoritme robuust te maken en ook om het geheugengebruik binnen <strong>de</strong> perken tehou<strong>de</strong>n zijn nog wel wat aanpassingen nodig. Hiervoor verwijs ik <strong>de</strong> lezer naar <strong>Valstar</strong>(2001).Nauwkeurigheid van <strong>de</strong> resultatenNa convergentie van <strong>de</strong> ijking is het mogelijk om <strong>met</strong> <strong>de</strong> representer<strong>met</strong>ho<strong>de</strong> ook nog eenschatting te krijgen van <strong>de</strong> resteren<strong>de</strong> (a posteriori) onzekerheid in <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>lpara<strong>met</strong>ers en<strong>de</strong> stijghoogten. Deze schatting is wel gebaseerd op een linearisatie aanname. De covariantieskunnen wor<strong>de</strong>n verkregen door:42 STROMINGEN 13 (2007), NUMMER 2


Voor <strong>de</strong> para<strong>met</strong>ersCna ijkingα= Cvoor ijkingα+ ΨT−1( M Ξ)+ C ) Ψ(ε(12)En voor <strong>de</strong> stijghoogten−1( M Ξ)+ C ) Ξna ijking voor ijking TCh = Ch+ Ξ (ε(13)Waarbij <strong>de</strong> covariantie van <strong>de</strong> stijghoogten voor <strong>de</strong> ijking nog niet bekend is, behalve voor<strong>de</strong> meetlocaties, maar per punt kan wor<strong>de</strong>n uitgerekend <strong>met</strong> behulp van een nieuwe stijghoogterepresentervoor een fictieve <strong>met</strong>ing in <strong>de</strong> betreffen<strong>de</strong> mo<strong>de</strong>lcel. Vaak is echter eenanalyse van <strong>de</strong> variantie afdoen<strong>de</strong>. Dan kan men <strong>de</strong>ze in een beperkt aantal cellen uitrekenenen vervolgens interpoleren omdat <strong>de</strong> stijghoogtevariantie voor ijking vaak een groteruimtelijke correlatie heeft. Uitzon<strong>de</strong>ringen hierop zijn onttrekkings- en injectieputten,waarbij <strong>de</strong> stijghoogtevariantie fors toeneemt.Met behulp van <strong>de</strong>ze onzekerheidsbepaling zijn ook een aantal toepassingen ontwikkeld,zoals het vali<strong>de</strong>ren van <strong>de</strong> bereken<strong>de</strong> stijghoogtevarianties door mid<strong>de</strong>l van een crossvalidatietechniek,zie <strong>Valstar</strong> en Minnema (2002) of het optimaliseren van meetnetten, zie<strong>Valstar</strong> en Minnema (2002) en Janssen e.a. (2006).VoorbeeldDe <strong>met</strong>ho<strong>de</strong> wordt toegepast op een mo<strong>de</strong>l <strong>met</strong> 2 aquifers van 5000 m bij 5000 m opge<strong>de</strong>eldin 50 cellen van 100 m in zowel x- als y-richting. Het mid<strong>de</strong>n van <strong>de</strong> cel linkson<strong>de</strong>r is gelijkaan x = 0, y = 0. De ran<strong>de</strong>n van het mo<strong>de</strong>l zijn gesloten, maar afvoer vindt plaats via eenrivier in bei<strong>de</strong> pakketen op y = 4900 m (rivierpeil= 0 m, conductance is 300 m 2 /dag) en viadrains in <strong>de</strong> bovenste aquifer op x = 0 en x = 900 m.(drainagepeil +0,1 m, conductance is100 m 2 /dag). De grondwateraanvulling is 1 mm/dag. Op x = 3900m, y = 1000m is eenonttrekking aanwezig van 5000 m 3 /dag in het on<strong>de</strong>rste pakket.De transmissiviteiten van bei<strong>de</strong> lagen en <strong>de</strong> verticale conductance (reciproke van <strong>de</strong>weerstand tussen bei<strong>de</strong> pakketten) zijn ruimtelijk variabel. De a priori schatting van <strong>de</strong>zepara<strong>met</strong>ers zijn respectievelijk 80 m 2 /dag, 3000 m 2 /dag en 0,001 1/dag. De werkelijk waar<strong>de</strong>nzijn gesimuleerd <strong>met</strong> behulp van het geostatische pakket GSLIB (Deutsch en Journel,1992). Hierbij is per cel een vermenigvuldigingfactor gesimuleerd. Deze factor is log-normaalver<strong>de</strong>eld en heeft een exponentiële covariantiefunctie <strong>met</strong> variantie 1 en een correlatielengtevan 1500 m en 500 m voor respectievelijk <strong>de</strong> bei<strong>de</strong> transmissiviteiten en <strong>de</strong> verticaleconductance. De gesimuleer<strong>de</strong>, werkelijke para<strong>met</strong>ers zijn te zien in figuur 2. Metbehulp van <strong>de</strong>ze para<strong>met</strong>ers is <strong>de</strong> werkelijke stijghoogtenver<strong>de</strong>ling bepaald. Deze is te zienin figuur 3.STROMINGEN 13 (2007), NUMMER 2 43


Figuur 2: Werkelijke vermenigvuldigingsfactor van <strong>de</strong> transmissiviteit in laag 1 en 2 en van <strong>de</strong> verticaleconductance; “+” geeft locatie van <strong>de</strong> stijghoogte<strong>met</strong>ingen weer en “o” <strong>de</strong> locatie van <strong>de</strong> onttrekking.44 STROMINGEN 13 (2007), NUMMER 2


Figuur 3: Werkelijke stijghoogten in laag 1 en 2; “+” geeft locatie van <strong>de</strong> stijghoogte<strong>met</strong>ingen weer en “o”<strong>de</strong> locatie van <strong>de</strong> onttrekking.Op een twaalftal locaties (zie “+”-tekens in <strong>de</strong> figuren) zijn stijghoogte<strong>met</strong>ingen getrokkenin bei<strong>de</strong> pakketten. Bij <strong>de</strong>ze stijghoogte<strong>met</strong>ingen zijn ongecorreleer<strong>de</strong> meetfouten gesimuleerd<strong>met</strong> een normale ver<strong>de</strong>ling en een standaard <strong>de</strong>viatie van 5 cm.Uitgaan<strong>de</strong> van <strong>de</strong> schatting van <strong>de</strong> para<strong>met</strong>er voor ijking (<strong>met</strong> vermenigvuldigingsfactorvan 1) is het mo<strong>de</strong>l doorgerekend. Figuur 4 toont <strong>de</strong> stijghoogtever<strong>de</strong>ling voor ijking. Hieruitblijkt dat er aanzienlijke verschillen bestaan tussen <strong>de</strong> stijghoogten in bei<strong>de</strong> mo<strong>de</strong>llagenin vergelijking <strong>met</strong> figuur 3.STROMINGEN 13 (2007), NUMMER 2 45


Figuur 4: Stijghoogten in laag 1 en 2 voor ijking.Uitgaan<strong>de</strong> van <strong>de</strong> <strong>met</strong>ingen en <strong>de</strong> a priori statistieken (gemid<strong>de</strong>l<strong>de</strong> en covariantie) is <strong>nu</strong> hetinverse mo<strong>de</strong>l doorberekend. De ijking was in 5 iteraties geconvergeerd: <strong>de</strong> verschillentussen <strong>de</strong> bereken<strong>de</strong> stijghoogten op <strong>de</strong> meetlocaties en <strong>de</strong> optimale schatting uit vergelijking6 waren min<strong>de</strong>r dan 1 mm. De resultaten voor <strong>de</strong> para<strong>met</strong>ers wor<strong>de</strong>n weergeven infiguur 5 en <strong>de</strong> schatting van <strong>de</strong> stijghoogten na ijking zijn weergegeven in figuur 6.46 STROMINGEN 13 (2007), NUMMER 2


Figuur 5: Schatting van <strong>de</strong> vermenigvuldigingsfactor van <strong>de</strong> para<strong>met</strong>ers na ijking.STROMINGEN 13 (2007), NUMMER 2 47


Figuur 6: Schatting van <strong>de</strong> stijghoogten in laag 1 en 2 na ijking.De para<strong>met</strong>ers hebben maar een beperkte vrij gradueel variëren<strong>de</strong> aanpassing on<strong>de</strong>rgaan.Dit effect zien we vrijwel altijd. Met een relatief glad<strong>de</strong> aanpassing van <strong>de</strong> para<strong>met</strong>erskunnen <strong>de</strong> meetwaar<strong>de</strong>n toch goed gefit wor<strong>de</strong>n. De aanpassingen zorgen er wel voor dat <strong>de</strong>para<strong>met</strong>ers op grofschalig niveau iets beter lijken op <strong>de</strong> werkelijke para<strong>met</strong>ers in figuur 2.Er is echter te weinig informatie in <strong>de</strong> <strong>met</strong>ingen aanwezig om ook <strong>de</strong> kleinschalige variatiein <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>lpara<strong>met</strong>ers te bepalen. Bij <strong>de</strong> stijghoogtenver<strong>de</strong>ling blijkt dat <strong>de</strong>ze in laag 2goed lijkt op <strong>de</strong> werkelijke stijghoogtenver<strong>de</strong>ling. Voor laag 1 komen <strong>de</strong> stijghoogten op <strong>de</strong>meetlocaties wel behoorlijk goed overeen. Op an<strong>de</strong>re locaties bestaan er nog behoorlijkeverschillen, maar zijn die wel kleiner gewor<strong>de</strong>n in vergelijking <strong>met</strong> <strong>de</strong> stijghoogten voorijking. Dit effect valt te verklaren <strong>met</strong> <strong>de</strong> schaal waarop variaties in <strong>de</strong> werkelijke stijghoogtenin laag 1 optre<strong>de</strong>n (zie figuur 3). Er is hier een variatie op een kleinere schaalaanwezig dan <strong>de</strong> dichtheid van <strong>de</strong> meetpunten en <strong>de</strong> informatie uit <strong>de</strong> meetpunten zal dus48 STROMINGEN 13 (2007), NUMMER 2


Figuur 7: Onzekerheid (standaard <strong>de</strong>viatie van <strong>de</strong> ln-waar<strong>de</strong>) van <strong>de</strong> vermenigvuldigingsfactor van <strong>de</strong>mo<strong>de</strong>lpara<strong>met</strong>ers na ijking.STROMINGEN 13 (2007), NUMMER 2 49


geen informatie geven over <strong>de</strong>ze lokale variabiliteit van <strong>de</strong> stijghoogten. In laag 2 is <strong>de</strong>zekleinschalige variatie afwezig en is <strong>de</strong> schatting van <strong>de</strong> stijghoogten na ijking dus ook dui<strong>de</strong>lijkbeter.Ook is nog <strong>de</strong> onzekerheid (standaard <strong>de</strong>viatie per cel) van <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>lpara<strong>met</strong>ers en <strong>de</strong> stijghoogtenvoor en na ijking berekend. Deze wor<strong>de</strong>n weergegeven in figuur 7 en figuur 8.Hieruit blijkt ook dat <strong>de</strong> afname van <strong>de</strong> onzekerheid van <strong>de</strong> stijghoogten relatief veel groteris dan <strong>de</strong> afname van <strong>de</strong> onzekerheid bij <strong>de</strong> para<strong>met</strong>ers, welke een a prior standaard<strong>de</strong>viatievan 1,0 had<strong>de</strong>n. Ook blijkt dat in laag 1 <strong>de</strong> stijghoogte<strong>met</strong>ing alleen lokaal een sterkeafname van onzekerheid geven, terwijl in laag 2 <strong>de</strong> afname van <strong>de</strong> onzekerheid overal grootis. In een groot <strong>de</strong>el van het mo<strong>de</strong>l is <strong>de</strong> standaard <strong>de</strong>viatie na ijking zelfs lager dan <strong>de</strong>standaard<strong>de</strong>viatie van <strong>de</strong> meetfout van 5 cm.Figuur 8: Onzekerheid (standaard <strong>de</strong>viatie) van <strong>de</strong> stijghoogten voor en na ijking.50 STROMINGEN 13 (2007), NUMMER 2


RekenvereistenDe representer<strong>met</strong>ho<strong>de</strong> vereist een forse rekeninspanning. Per iteratie zijn voor <strong>de</strong> representers2 maal het aantal <strong>met</strong>ingen aan MODFLOW-berekeningen vereist. Deze kunnenechter wel tegelijk parallel wor<strong>de</strong>n uitgevoerd, zodat afhankelijk van <strong>de</strong> hoeveelheidbeschikbare processoren, <strong>de</strong> doorlooptijd aanzienlijk kan wor<strong>de</strong>n gereduceerd. In <strong>de</strong> praktijkbij TNO blijkt vaak dat het aantal benodig<strong>de</strong> iteraties maximaal 5 bedraagt, waarbijresultaten meestal na een nacht beschikbaar zijn.PraktijkVoor echte mo<strong>de</strong>llen is een belangrijke uitdaging om <strong>de</strong> a priori covariantie van <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>lpara<strong>met</strong>ersen <strong>de</strong> meetfouten te vin<strong>de</strong>n en een mo<strong>de</strong>l te hebben ontwikkeld waar <strong>de</strong> grootstefouten wor<strong>de</strong>n veroorzaakt door <strong>de</strong> onzekerheid van <strong>de</strong> para<strong>met</strong>ers, die men mee wilijken en geen grote fouten in het mo<strong>de</strong>lconcept hebben.Voor <strong>de</strong> meetfouten wordt in <strong>de</strong> praktijk voor stationaire mo<strong>de</strong>llen althans altijd aangenomendat <strong>de</strong> meetfouten ongecorrelleerd zijn en <strong>de</strong> meetfoutcovariantie dus een diagonaalmatrixis <strong>met</strong> op <strong>de</strong> diagonaal <strong>de</strong> variantie voor <strong>de</strong> fout in elke <strong>met</strong>ing. Deze individuelefout is een combinatie van <strong>de</strong> meetfout in <strong>de</strong> meetwaarneming, eventueel het vertalenvan een tijdreeks naar <strong>de</strong> tijdsgemid<strong>de</strong>l<strong>de</strong> waar<strong>de</strong> indien het mo<strong>de</strong>l stationair is en mogelijkeen fout in <strong>de</strong> representativiteit van <strong>de</strong> <strong>met</strong>ing voor <strong>de</strong> voorspelling in <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>lcel.Voor <strong>de</strong> a priori covariantie van <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>lpara<strong>met</strong>ers is het nog lastiger. Deze covariantiewordt <strong>nu</strong> beschreven <strong>met</strong> een exponentiële covariantiefunctie:− x−x'/ λ2C(x,x')= σ e(14)waarin,C(x,x’) is <strong>de</strong> covariantie tussen punt x en x’,σ is <strong>de</strong> standaard <strong>de</strong>viatie,λ is <strong>de</strong> correlatielengte.Op basis van <strong>de</strong> hydrogeologische kennis is meestal wel aan te geven welke aanpassingsfactormen reëel acht, b.v. door <strong>de</strong> standaard<strong>de</strong>viatie van <strong>de</strong> log-normaal ver<strong>de</strong>el<strong>de</strong> para<strong>met</strong>erzodanig te kiezen dat <strong>de</strong> maximale gewenste aanpassingsfactor gelijk is aan e +/-2σ .De correlatielengte is in <strong>de</strong> praktijk moeilijker te schatten. Vaak wor<strong>de</strong>n waar<strong>de</strong>n vanenige kilo<strong>met</strong>ers aangehou<strong>de</strong>n op basis van praktijkervaring.In <strong>de</strong> praktijk blijkt dat ondanks <strong>de</strong> reële inschattingen van <strong>de</strong> mogelijke para<strong>met</strong>erafwijkingen<strong>de</strong> oplossing van het ijken toch grotere para<strong>met</strong>eraanpassingen geeft dan wenselijkwordt geacht. Hiervoor zijn verschillen<strong>de</strong> oorzaken te vin<strong>de</strong>n, zoals een fout in het mo<strong>de</strong>lconcept,<strong>met</strong>ingen die op basis van <strong>de</strong> geologie in verkeer<strong>de</strong> aquifers liggen, verstoor<strong>de</strong><strong>met</strong>ingen of een foutieve inschatting van <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>lpara<strong>met</strong>ers en hun covarianties. Metgezond verstand zijn een aantal van <strong>de</strong>ze fouten in <strong>de</strong> praktijk te achterhalen en te herstellen,maar vaak niet allemaal. Daarom wordt meestal gekozen voor een relatief langecorrelatielengte, waarbinnen meer<strong>de</strong>re <strong>met</strong>ingen liggen, zodat forse mo<strong>de</strong>laanpassingenalleen geschie<strong>de</strong>n als meer<strong>de</strong>re <strong>met</strong>ingen dit aangeven. Hierop is <strong>de</strong> gebruikerservaringSTROMINGEN 13 (2007), NUMMER 2 51


van <strong>de</strong> correlatielengte van enige kilo<strong>met</strong>ers in <strong>de</strong> praktijk uit <strong>de</strong> vorige alinea gebaseerd.Een an<strong>de</strong>re mogelijkheid is om <strong>de</strong> variantie van <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>lpara<strong>met</strong>ers te verkleinen, zodat ermeer gewicht aan het a priori gemid<strong>de</strong>l<strong>de</strong> van <strong>de</strong> para<strong>met</strong>ers toe wordt gekend en min<strong>de</strong>raan <strong>de</strong> <strong>met</strong>ingen. Deze keuzes wor<strong>de</strong>n vaak gemaakt in overleg <strong>met</strong> <strong>de</strong> opdrachtgever diemeestal over grote waar<strong>de</strong>volle terreinkennis beschikt.In <strong>de</strong> praktijk blijkt dat het resultaat van <strong>de</strong> ijk<strong>met</strong>ho<strong>de</strong> sterk afhangt van <strong>de</strong> manierwaarop <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>lleur er mee omgaat. Met <strong>de</strong> <strong>met</strong>ho<strong>de</strong> is het mogelijk om <strong>de</strong> <strong>met</strong>ingen exactte fitten indien <strong>de</strong> meetfoutvariantie maar relatief klein wordt gekozen. Uiteraard moet datniet het doel van <strong>de</strong> ijking zijn, maar is het doel het verkrijgen van een zo goed mogelijkmo<strong>de</strong>l. In het bijzon<strong>de</strong>r voor para<strong>met</strong>ers die naar verwachting een significante ruimtelijkevariatie vertonen, zoals <strong>de</strong> weerstand van kleilagen, waarbinnen zandige geulafzettingenaanwezig kunnen zijn, biedt <strong>de</strong> representer<strong>met</strong>ho<strong>de</strong> in mijn ogen grote voor<strong>de</strong>len in vergelijking<strong>met</strong> klassieke ijkings<strong>met</strong>ho<strong>de</strong>, die <strong>de</strong>ze ruimtelijke variatie binnen een zone negeert.LiteratuurBennett, A.F. (1992) Inverse <strong>met</strong>hods in physical oceanography; Cambridge UniversityPress.Deutsch, C. en A. Journel (1992) GSLIB: Geostatistical Software Library and User'sGui<strong>de</strong>; Oxford University Press, New York.Janssen, G.M.C.M., J.R. <strong>Valstar</strong>, S.E.A.T.M. van <strong>de</strong>r Zee. (2006) Measurement network<strong>de</strong>sign including groundwater age observations; In Proceedings. XVII0nternational Conference on Computational Methods in Water Resources, Copenhagen.Hill, M.C., E.R. Banta, A.H. Harbaugh en E.R.An<strong>de</strong>rman (2000) MODFLOW 2000,The U.S. geological Survey Modular ground-water mo<strong>de</strong>l – user gui<strong>de</strong> to the observation,sensitivity and para<strong>met</strong>er estimation processes and three post-processing programs.<strong>Valstar</strong>, J.R. (2001) Inverse mo<strong>de</strong>ling of groundwater flow and transport; ProefschriftTechnische Universiteit Delft.<strong>Valstar</strong>, J.R. en B. Minnema (2002) Using a Bayesian estimation algorithm for estimatingpara<strong>met</strong>er uncertainty and optimisation of monitoring networks; in proceedingsMo<strong>de</strong>lCARE 2002.52 STROMINGEN 13 (2007), NUMMER 2

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!