Processen die kunnen worden gesimuleerd
- De meest relevante processen uit de hydrologische cyclus: rioolafvoer, oppervlaktewaterafvoer, grondwaterstroming, infiltratie, vegetatie en interceptie.
- Kunstwerken zoals stuwen, duikers en pompen (inclusief sturing) en dijkdoorbraken.
- Vereenvoudigde neerslag–afvoermodellen (0D‑instroom) conform de Nederlandse NWRW‑richtlijnen of met aangepaste kenmerken.
- Scenario’s kunnen worden aangestuurd door neerslag, windforcing, diverse bronnen en putten, lekkage en verschillende randvoorwaarden.
Modelcomponenten die configureerbaar zijn als 2D‑raster
- AHN/DEM (hoogtemodel)
- Wrijvingscoëfficiënt
- Infiltratie
- Interception
- Grondwater
- Interflow
- Initiële waterstand
- Vegetatie
De Rana Hydrodynamic Computational Core
De rekenkern is ontwikkeld in samenwerking met Stelling Hydraulics en is gebaseerd op de meest recente wetenschappelijke inzichten.
Modellen kunnen worden opgebouwd met 0D-, 1D- en 2D‑componenten. Wanneer meerdere componenten worden gebruikt, lost Rana het volledige stelsel van vergelijkingen op binnen één en dezelfde matrix.
Dus geen gekoppeld model voor oppervlaktewater en rioolwater, maar één volledig geïntegreerde oplossing.
Het voordeel hiervan is dat de 1D‑2D‑ en 2D‑oppervlakte/grondwateruitwisseling:
- uitermate stabiel is, en
- strikt massaconservatief wordt berekend.
De subgrid‑methode & het rekenrooster
De rekenkern is gebaseerd op de subgrid‑methodologie. Deze methode maakt het mogelijk om hoog‑resolutie‑informatie mee te nemen zonder dat de rekenkosten significant toenemen. De subgrid‑methode maakt een niet‑lineaire relatie tussen volume en waterstand mogelijk. Dit betekent dat overstromen en droogvallen automatisch worden meegenomen.
Rana maakt gebruik van een vierkant, gestaggerd rekenrooster. De celgrootte wordt door de gebruiker bepaald en kan ruimtelijk variëren. Het programma verfijnt het rooster automatisch op basis van een quadtree‑structuur. De wiskundige eigenschappen van dit rooster zijn zo gekozen dat de hoogst mogelijke nauwkeurigheid bij het oplossen van de watervergelijkingen wordt gegarandeerd.
De roostergenerator is een integraal onderdeel van het modelleringsproces en is volledig geautomatiseerd. Indien gewenst kan de gebruiker eigen gebieden aanwijzen voor extra roosterverfijning.
Subgrid versus diepte‑gemiddelde modellering
Om te laten zien wat de subgrid‑methode doet met de modelresultaten, hebben we een model gebouwd met en zonder subgrid.
De rekenroosters en alle simulatie‑instellingen zijn in dit voorbeeld exact gelijk.
Op de linkerafbeelding zie je het resultaat van een overstromingssimulatie zonder subgrid.
Voor elke cel is slechts één hoogtewaarde beschikbaar, wat leidt tot een grof resultaat en invloed heeft op de stroming en het tijdstip waarop de overstroming plaatsvindt.
Op de rechterafbeelding gebruiken we subgrid. Hier hebben de rekenroostercellen dezelfde afmetingen, maar binnen elke cel wordt de hoogst beschikbare resolutie van het hoogtebestand gebruikt.
Het verschil is duidelijk:
met subgrid krijgen we een veel nauwkeuriger resultaat — en de rekentijd blijft hetzelfde!
Persdrukstroming
Voor het oplossen van gesloten leidingsystemen hebben we een geneste Newton‑benadering geïmplementeerd. Dit is een uitbreiding op de methode die al zorgde voor de niet‑lineaire relatie tussen waterstand en volume. Hierdoor kunnen we gesloten profielen modelleren zonder gebruik te hoeven maken van work‑arounds zoals een Preissmann‑slot.
Dit levert de volgende voordelen op:
- Vloeiende overgangen tussen niet‑persdruk en persdruk stroming
- Nauwkeurigere berekeningen
- Strikte massaconservering
Dijkdoorbraken
Een dijkdoorbraak is een vooraf gedefinieerd punt in een dijk waar de 1D–2D‑interactie door de modelleur wordt ingesteld. Door een locatie als dijkdoorbraak te markeren, wordt de Verheij & Van der Knaap‑formule toegepast voor de ontwikkeling van de doorbraak. De stroming door de doorbraak wordt berekend met onze stuwformule.
Voor de modellering van een doorbraak wordt verwacht dat de volgende gegevens bekend zijn:
- het materiaal van de dijk (zand of klei)
- de initiële bresbreedte
- de maximale bresdiepte
- de tijd die nodig is om deze maximale diepte te bereiken
Deze formulering verdeelt de doorbraakontwikkeling in twee fasen:
- In de eerste fase verdiept de bres.
- In de tweede fase verbreedt de bres.
Het betreft een experimentele formule, maar deze wordt algemeen beschouwd als de best beschikbare methode binnen de hydrodynamica.
Hoe we de werkelijkheid vastleggen
Binnen Rana maken we onderscheid tussen:
- Schematisatie
- Threedimodel
- Simulatiesjablonen
Schematisatie
Een schematisatie is een weergave van de werkelijkheid, bijvoorbeeld in de vorm van rasters, een Spatialite‑database, en de instellingen die nodig zijn om het Rana‑rekenrooster en de bijbehorende tabellen te definiëren.
Threedimodel
Een threedimodel is een geconverteerde schematisatie waarmee Rana daadwerkelijk kan rekenen.
Simulatiesjabloon
Een simulatiesjabloon bevat alle informatie die nodig is voor het uitvoeren van een simulatie met een Rana‑model, zoals:
- Initiële waterstand
- Gebeurtenissen, zoals dijkdoorbraak, DEM‑aanpassing, of sturing van kunstwerken
- Forcings, zoals neerslag, laterale toevoer en randvoorwaarden
- Simulatie‑instellingen
Hoe dit samenwerkt
Zodra je een threedimodel hebt, kun je elke gewenste simulatie draaien. De informatie die bij die simulatie hoort, kun je vervolgens eenvoudig opslaan als een simulatiesjabloon.
Dit maakt het voor jou — én je collega’s — heel eenvoudig om:
- exact dezelfde simulatie opnieuw uit te voeren, of
- terug te kijken naar historische simulaties en te zien welke instellingen destijds zijn gebruikt.
Testbank
Elke nieuwe functionaliteit die wordt toegevoegd aan de rekenkern, wordt ook opgenomen in onze testbank.
De testbank vergelijkt de nieuwe rekenkern met analytische uitkomsten.
Dit zorgt ervoor dat bij elke update of mogelijke bugfix de uitkomsten van de rekenkern gegarandeerd correct en consistent blijven.
Benchmarkstudies van modelleerinstrumenten
Regelmatig worden benchmarkstudies uitgevoerd om de betrouwbaarheid te analyseren van instrumenten die overstromingen modelleren. Rana is in twee van deze studies opgenomen, beide nog onder de vorige naam 3Di. Deze benchmarks zijn uitgevoerd door STOWA en door de Environment Agency.
STOWA
STOWA is de stichting voor toegepast wateronderzoek in Nederland. Haar missie is om kennis te ontwikkelen die Nederlandse waterbeheerders ondersteunt.
Uit de hydraulische benchmarkstudie blijkt dat Rana het enige modelleerpakket is dat alle testcases correct wist uit te voeren.
Omdat Rana voor alle testcases nauwkeurige resultaten levert, is het een aanbevolen hydraulisch modelleerinstrument voor elke waterbeheerder.
De modelleerinstrumenten die door STOWA zijn getest, zijn onder andere:
Rana, D‑HYDRO, InfoWorks ICM, HEC‑RAS, SOBEK 2, TELEMAC, SIMGRO, WOLK en TYGRON.
Environment Agency
De Environment Agency is het overheidsorgaan dat het milieu in Engeland beschermt en verbetert.
In augustus 2013 publiceerden zij het rapport:
“Benchmarking the latest generation of 2D hydraulic modelling packages”.
Na het succesvol doorlopen van de STOWA‑benchmark heeft het Rana‑team de benchmark van de Environment Agency gereproduceerd en de resultaten in een rapportage gepubliceerd.
Sindsdien is Rana goedgekeurd voor gebruik in het Verenigd Koninkrijk.
De wetenschap achter Rana
Wij hechten grote waarde aan de wiskunde en natuurkunde die centraal staan in de hydrodynamische simulaties van Rana. We werken nauw samen met Prof. dr. Guus Stelling en gebruiken de nieuwste wiskundige inzichten om de volledige St. Venant‑vergelijkingen op te lossen, met behoud van zowel massa als momentum.
De wetenschappelijke basis van Rana Hydrodynamics is uitgebreid gedocumenteerd: