Afleiding en gebruik van afvoerchloriderelaties voor de Rijn- Maasmonding

Klimaatverandering en menselijke ingrepen beïnvloeden de zoutindringing in de Rijn-Maasmonding (RMM). Voor de beheerder is het van belang om inzicht te hebben in zowel de mate van verzilting onder verschillende omstandigheden als de bijbehorende herhalingstijd en duur. Dit vereist bepaling van de verzilting voor langjarige tijdreeksen van zeewaterstanden en rivierafvoeren. Voor studies voor de KZH (Klimaatbestendige Zoetwatervoorziening Hoofd-watersysteem) en het DPZW (Deltaprogramma Zoetwater) gebeurt dit door met een 1D-model lange tijdreeksen van rivierafvoer en zeewaterstanden door te rekenen. Zoutindringing is echter een complex 3D-proces, waardoor de 1D-verziltingsberekeningen een grote onzekerheid hebben, met name als het gaat om het bepalen van het effect van systeemveranderingen op verzilting, zoals zeespiegelstijging of een ver(on)dieping van de waterbodem. Voor betrouwbare verziltingsprojecties zijn daarom 3D-berekeningen nodig. Vanwege de rekentijd is het vooralsnog niet realistisch om tientallen jaren aan condities door te rekenen. Daarom heeft Deltares recent een methode ontwikkeld, waarbij op basis van een combinatie van langjarige afvoerreeksen en een beperkte set aan 3D-berekeningen een indicatie verkregen kan worden van de herhalingstijden van verzilting. In deze methode worden eerst de effecten van ingrepen en klimaatverandering met een 3D-model berekend voor een beperkte set aan condities. Vervolgens wordt er op basis van deze berekeningen een relatie afgeleid tussen chloride en rivierafvoer. Een set van zulke afvoer-chloriderelaties geeft inzicht in hoe verzilting verandert als gevolg van een andere rivierafvoer, zeespiegel of ingrepen. Daarnaast kunnen deze relaties toegepast worden om in combinatie met de langjarige afvoerreeksen een indicatie te krijgen van de herhalingstijden van verziltingsgebeurtenissen. Deze methode is inmiddels in diverse projecten toegepast. Daarnaast zijn op basis van de berekeningen uit deze studies ook relaties afgeleid voor verkennende toepassing binnen KZH als potentiële aanvulling op, of alternatief voor de 1D-berekeningen. In dit rapport worden 1) de voor KZH afgeleide relaties gedocumenteerd 2) de relatie voor Krimpen aan den IJssel kwalitatief gevalideerd en 3) de toepasbaarheid voor vervolgstudies beoordeeld. Voor de kwalitatieve validatie zijn de chlorideconcentraties uit de afvoer-chloriderelaties voor Krimpen aan den IJssel vergeleken met de berekende concentraties uit het RMM 3D-model. Dit is de modelberekening waar deze relaties op zijn gebaseerd. Uit deze vergelijking blijkt dat de relaties de globale verziltingsvariaties ten gevolge van rivierafvoer goed weergeven. De verzilting zonder windopzet wordt iets overschat en de afvoergedreven verzilting met substantiële windopzet wordt onderschat. Daarmee is de relatie voor Krimpen aan den IJssel (met en zonder zeespiegelstijging) geschikt om trendmatige verandering van gemiddelde verzilting als reactie op veranderingen in het watersysteem te verkrijgen. De relatie is daarbij alleen geschikt voor de geometrie van de onderliggende Delft3D berekening, namelijk die van na de verdieping Nieuwe Waterweg (schematisatie 2022). Voor toepassing binnen DPZW of KZH (als alternatief voor het 1D-model) is een groter detailniveau vereist dan een algemene indicatie van verziltingsveranderingen. Aanvullende validatie aan de hand van gemeten concentraties van na de verdieping Nieuwe Waterweg is nodig om vast te stellen of de relatie voor Krimpen aan de IJssel hiervoor geschikt is. Mogelijk overschat de huidige relatie de benodigde inzet voor de KWA (Klimaatbestendige WaterAanvoer), omdat bij afvoergedreven verzilting zonder de wind, de concentraties bij Krimpen aan den IJssel door de relatie worden overschat. Voor afvoer-chloriderelaties afgeleid voor andere locaties, andere bodemligging of op basis van andere berekeningen is nog geen vergelijking uitgevoerd. Hierdoor kunnen er geen uitspraken worden gedaan over de nauwkeurigheid en toekomstige toepasbaarheid van deze relaties. De toepasbaarheid van de methodiek van de afvoer-chloriderelaties is beoordeeld op basis van validatie voor Krimpen aan den IJssel, aanvullende analyses en kennis over verziltingsprocessen. De verwachting is dat afvoer-chloriderelaties geschikt zijn om kentallen te verkrijgen voor de verandering van verzilting als reactie op veranderingen in het watersysteem. Ook kunnen ze worden gebruikt om, samen met langjarige afvoerreeksen, een ruwe indicatie van herhalingstijden voor verschillende klimaatprojecties van rivierafvoer te krijgen. De afvoer-chloriderelaties zijn in de basis geschikt voor situaties en locaties waar de rivierafvoer de belangrijkste oorzaak is van langdurige problematische verzilting en waar binnen één à twee weken een nagenoeg dynamisch evenwicht wordt bereikt. Voor zijrivieren waar het surplusdebiet mede bepalend is voor de verzilting, kunnen aanvullende relaties worden opgesteld die afhankelijk zijn van zowel de rivierafvoer die het estuarium verlaat als het lokale surplusdebiet. Dit is in een eerdere studie bijvoorbeeld gedaan voor de rivier de Lek. Voor locaties die geen dynamisch evenwicht bereiken, zoals gebieden met nalevering of voortschrijdende verzilting bij een netto negatief debiet, kunnen geen geschikte afvoer-chloriderelaties worden afgeleid. In deze situaties spelen andere processen een dermate grote rol dat er geen duidelijke relatie meer is tussen de rivierafvoer en de chlorideconcentratie. Tot slot blijkt uit de analyse dat de kwaliteit van de afvoer-chloriderelaties wordt beïnvloedt door de kenmerken van de onderliggende berekeningen, zoals voor welk afvoerbereik de chloride is bepaald, of windopzet is meegenomen in de berekeningen en of er dynamisch of semi-stationair is gerekend. Vanwege deze verschillen is nadere validatie nodig om te bepalen wat de beste kenmerken zijn voor het afleiden van robuuste relaties. Gezien de mogelijkheid om de afvoer-chloriderelaties voor diverse studies in te zetten wordt geadviseerd de afvoer-chloriderelaties verder te valideren, verbeteren en uit te breiden. Hiervoor worden de volgende stappen geadviseerd: 1) het doorvoeren van verbeteringen in het 3D RMM-model, 2) het uitvoeren van een kwantitatieve validatie op basis van metingen voor de verschillende afvoer-chloriderelaties, om vast te stellen welke kenmerken nodig zijn voor het afleiden van robuuste relaties 3) het koppelen van de relaties aan wetenschappelijke literatuur ten aanzien van afvoer-zoutintrusierelaties, om een stevigere fysische basis te leggen en te onderzoeken in hoeverre ze kunnen worden uitgebreid met afhankelijkheden voor windopzet, zeespiegelstijging en surplusdebiet. Indien gewenst kan op basis van deze informatie met aanvullende modelberekeningen een uitgebreidere en geconsolideerde set aan afvoer-chloriderelaties worden afgeleid. Voor welke studies de relaties toepasbaar zijn, zal afhangen van de uitkomsten van de validatie en het benodigde detailniveau van de betreffende studie.