Verkenning GPU integrale oppervlakte-grondwatermodellering : voor casus Veluwe

Waterschap Vallei en Veluwe wil hydrologische analyses op perceelniveau verbeteren, waarbij snelle processen aan het maaiveld en langzamere processen in de ondergrond geïntegreerd worden doorgerekend. Met het huidige modelinstrumentarium loopt men hierbij echter tegen beperkingen in de rekentijd aan: • Er geen integrale doorrekening met de snelle processen aan het maaiveld mogelijk is op hoge resolutie. • In het AZURE 2.0 model (AZURE, 2024) wordt gerekend met relatief grove rastercellen, in de orde van 200-400 m waardoor het hoogtemodel afwijkt en er geen directe simulatie tussen grond- en oppervlaktewater is. Recente technologische ontwikkelingen bieden nieuwe mogelijkheden. GPU technologie, zoals toegepast in het Tygron Platform, maakt het mogelijk om op hoge ruimtelijke resolutie te rekenen zonder sterk toenemende rekentijden. Hierdoor worden interacties tussen oppervlakkige afstroming, drainage en infiltratie beter zichtbaar en zijn minder numerieke vereenvoudigingen nodig. De ondergrondberekeningen in het Tygron Platform zijn nog in ontwikkeling en het is wenselijk te verkennen hoe de grondwaterberekeningen op de GPU verder kunnen worden verbeterd. In deze verkenning zijn de conceptuele verschillen in hydrologische processen tussen het Tygron Platform en MODFLOW-MetaSWAP nader geanalyseerd, gefocust op de processen in de ondergrond, inclusief de interactie met het oppervlaktewater. In de verkenning concluderen we dat er twee oplossingsrichtingen denkbaar zijn om met GPU technologie het grondwater realistischer te modelleren. De eerste optie is een hybride aanpak met zowel CPU als GPU: Tygron berekent hierbij de snelle maaiveldprocessen en de interactie met het freatische grondwater, terwijl MODFLOW de meerlaagse stroming in de diepere ondergrond voor zijn rekening neemt. De tweede optie is een volledig GPU-gebaseerde grondwaterberekening. Dit biedt maximale rekensnelheid, maar vraagt om een aanzienlijke investering, terwijl de inhoudelijke meerwaarde vooraf niet vaststaat. Wij adviseren om de onderstaande stappen te zetten voor een doelgerichte doorontwikkeling: • Korte termijn Uitbreiden van het Tygron Platform met een dynamische Q relatie voor grond oppervlaktewaterinteractie en een (meerlaagse) transferfunctie voor realistischere reistijden in de onverzadigde zone. Daarna kan worden bepaald welke vervolgaanpassingen de meeste meerwaarde bieden. • Middellange termijn Realiseren van een online koppeling tussen Tygron Platform en MODFLOW. • Lange termijn De hybride aanpak biedt al duidelijke voordelen, maar voor optimale prestaties zijn verdere stappen mogelijk. Aanvullend onderzoek is nodig om de haalbaarheid en de meerwaarde te beoordelen. Richtingen zijn onder meer het inbouwen van geavanceerde onverzadigde zone-concepten (zoals de full Richardsmethode in 1D of 3D, aansluitend op ontwikkelingen in MODFLOW 6) en het op lange termijn verkennen van een volledige GPU-implementatie van een meerlaags grondwatermodel. Dit laatste vereist verdiepend fundamenteel onderzoek, bijvoorbeeld via promotietrajecten of grotere onderzoeksprogramma’s.