Hydropower is essential to fulfill future energy demands. Water scarcity is likely to increase due to climate change and aase in water demand. Therefore, Climate Risk Assessments are required before large investments in new and large hydropower stations (>100 MW) are made. Small hydropower (1 – 20 MW) does not require these Climate Risk Assessments yet, but this will eventually happen in the future. Investors are highly interested in the profitability of these small hydropower stations, especially because of the uncertainty caused by future climate change. Current methods for Climate Risk Assessments (CRA) are however still too costly for these small-hydro projects because they are very labor intensive and require specific knowledge.

FutureWater has carried out a feasibility study to assess the possibilities for the development of a “Small-Hydro Climate Risk Assessment tool” (SH-CRA) that can make CRA’s for small-hydro projects cost effective. The starting point of this project to develop the SH-CRA is the recent change in the approach to CRA’s: until a few years ago, these were based purely on climate models, also known as the “Top-down” approach. Nowadays however, investors require a more pragmatic approach in which climate risks are balanced against other risks and presented in a clear way. This new “Bottom-up” approach makes it possible for small-hydro projects to include climate risks in the investment decision.

This feasibility project has therefore investigated whether the “bottom-up” climate risk analysis approach can make it possible to develop such a SH-CRA solution, based on a combination of literature research, an inventory of available technology and potential partners, and competition analysis.

A large Dutch consortium has joined in the project “Dutch network on small spaceborne radar instruments and applications (NL-RIA)”, led by TU Delft. The objective is to bundle the radar-related knowhow available in The Netherlands, and fill the knowledge gaps, in order to boost SmallSat radar-based Earth Observation technology. The focus of the project is on microwave remote sensing.

A key advantage of microwave remote sensing compared to optimal imagery is the all-weather/day and night observation capability, which greatly enhances the observation opportunities. This includes the ability to observe through clouds. Microwave remote sensing system include passive (radiometers) and active ones (radar altimeters, Synthetic Aperture Radars, precipitation radars, scatterometers, etc). This study will focus on altimeters and thus on active radar.

Continuous monitoring of fresh water bodies like rivers, lakes and artificial reservoirs, is important for water resources management, and thus for the principal water users in river basins, such as domestic, industrial and irrigation demands. Also, potentially there can be applications of this information for flood early warning, renewable energy (hydropower) and for the transport sector (shipping).

For the management of fresh water resources at the basin level, information on the status of surface water bodies is critical. In many areas in the world however, this information is scarce. Especially in developing countries, water level measurements of lakes and reservoirs are hardly available. In Europe, ground-based measurements are more common but sometimes performed by the entity operating the reservoir or river abstraction, and thus not available to water resources managers for the purpose of water resources planning. Also in transboundary (international) river basins, ground-based information is often not shared, so satellite-based information can be of high value for certain end-users (Zhang et al., 2014).

Altimeter measurements of rivers, lakes and artificial reservoirs and be used for two purposes:

  • Strategic planning of water resources, which requires water resources assessments to support for example river basin management plans
  • Operational management of water resources, for example for the hour-by-hour operational management of water release from reservoirs for hydropower.

The study performed by FutureWater focused on the first type of applications: strategic planning and decision making on the long-term. Especially for this purpose, satellite-based altimeter data has the potential to fill an important information gap. For the second type of applications: operational water management and short-term decision making, typically ground-level water level sensors are more cost-effective than satellite-based solutions.

Key results

From the analysis performed by FutureWater and based on literature review, the following key considerations are proposed for shaping a low-cost altimetry mission useful for assessing inland water bodies and water resources planning:

  • Altimetry information can be extremely useful for complex systems as for example swamps, where data on surface water levels and flows are scarce, as often the case in developing countries. Altimetry data can support the management and conservation of these systems that provide key ecosystem services for people and the environment.
  • To build hydrological models for water resources assessments, historic data is required to calibrate and validate the tools. To capture the variability in water resources systems and thus perform a successful validation, a period of around 10 years of altimetry data is recommendable.
  • A revisit frequency of 1 month is typically sufficient for water resources assessments. Higher frequencies are normally not necessary as they may only lead to minor improvements in the performance of the modeling tools. Lower frequencies (e.g. two months) are not sufficient to capture the seasonal pattern adequately.
  • The required accuracy is highly dependent on the characteristics of the water body and is a function principally of the annual dynamics in storage, and the depth-storage relationship. In case study I, with a very large but shallow water body, an accuracy of approx. 10 cm was considered necessary. For case study II, with a smaller and deeper water body, it was found that up to an error of 180 cm the performance of the model was not significantly affected.
  • The accuracy requirement can possibly also be expressed as a percentage of the annual variability in water levels, of a particular water body of interest. For example:
    • In case study I, annual increases of approximately 1 m are common. The accuracy requirement is approximately 10% of this (10 cm)
    • In case study II, water level increases or decreases within a year of around 15 m are possible. Also here, the accuracy requirement is in the order of 10-15% of this annual variability.
  • Finally it has to be noted, that the usefulness of the altimetry data is also dependent on the availability and quality of other datasets necessary for the hydrological modeling. These datasets are primarily the depth-volume relationship, ideally from in-situ measurements but possibly extracted from satellite data (Duan and Bastiaanssen, 2013b); as well as discharge data upstream or downstream of the water body. Without these data sources it is not possible to establish a reliable water balance of the water body.

Meteorologische en klimatologische informatie is van groot belang voor regionale waterbeheerders om hun kerntaken goed te kunnen uitvoeren. Zowel het KNMI als de private sector zijn actief in de ontwikkeling en levering van weers- en klimaatproducten, waarbij het KNMI typisch een onderzoeks- en ontwikkelings rol vervult en de bedrijven zich richten op praktische markttoepassingen. Momenteel verlopen de activiteiten vaak projectmatig in plaats van in een programmatische context. Om een kennisagenda voor de lange termijn op te stellen en concrete onderzoeksvragen te formuleren, is het noodzakelijk om de behoefte in de watersector (waterschappen, Rioned, RWS) helder te definiëren. Daarnaast is het nodig om betere afstemming tussen de verschillende betrokken organisaties te realiseren, wat vraagt om inkadering van de rollen en verantwoordelijkheden van o.a. STOWA, Het Waterschapshuis, en de Unie van Waterschappen.

In deze inventarisatie van de kennisbehoefte in de watersector is onderscheid gemaakt tussen zowel actuele weersdata en -informatie als klimaatdata en -informatie. Typische voorbeelden van variabelen welke in dit project zijn meegenomen zijn neerslag, temperatuur, wind, en verdamping. Aangezien de waterschappen zelf de nodige technische en inhoudelijke capaciteit in huis hebben, kan de behoefte betrekking hebben op zowel (ruwe en gecalibreerde) data, als op daarvan afgeleide informatieproducten.

De informatie over de behoefte in de watersector is op twee manieren verkregen:

  1. Vijf diepte interviews met kernpersonen die een belangrijke organisatie / doelgroep vertegenwoordigen:
  2. Een online enquête onder een grotere doelgroep van waterbeheerders. Deze enquête bestaat uit een mix van verschillende typen vragen (multiple-choice, open, rankings, etc.) en de resultaten worden gepresenteerd in enkele eenvoudig te begrijpen figuren en grafieken.

Momenteel kopen de Nederlandse waterschappen via het SAT-WATER initiatief verdampingsdata aan die gebaseerd is op optische en thermische satellietbeelden. Echter, zulke beelden zijn op bewolkte dagen niet beschikbaar, waardoor de berekening van de actuele verdamping niet optimaal uitgevoerd kan worden. Op dit moment wordt door SAT-WATER de kwaliteit van de verdampingsdata op bewolkte dagen als onvoldoende beoordeeld. Gezien de hoge bewolkingsgraad van Nederland kunnen zo substantiële gaten ontstaan in de verdampingstijdreeksen voor de bewolkte perioden. Dit is een serieus obstakel voor het gebruik van satellietgebaseerde verdampingsdata voor het operationele, tactische en strategische waterbeheer.

Het in dit project ontwikkelde product heet CoMET (Coupled Models for EvapoTranspiration). CoMET is een koppeling tussen een satellietgebaseerd verdampingsmodel (ET-Look) en een ruimtelijk gedistribueerd hydrologisch model (Spatial Processes in HYdrology – SPHY) dat bodemvochtgegevens en verdamping berekent. Het energiebalansmodel ET-Look voedt het waterbalansmodel SPHY met dynamische en actuele vegetatie parameters waardoor SPHY het bodemvocht nauwkeuriger kan schatten, en op basis van een nauwkeuriger bodemvochtgehalte kan ET-Look vervolgens zijn verdampingsschatting verbeteren. Het resultaat is een verbeterde schatting van de actuele verdamping op zowel bewolkte als onbewolkte dagen.

Interessante meerwaarde ligt verder in het feit dat, naast de actuele verdamping en verdampingstekort, ook bodemvocht dagelijks geleverd wordt. Daarnaast biedt CoMET de mogelijkheid om een 7-daagse voorspelling te geven van zowel verdamping als bodemvocht op basis van weersvoorspellingen. Dit geeft waterschappen een sterk verbeterd inzicht in de bergingsmogelijkheden per beheersgebied, en biedt ze de mogelijkheid sneller en effectiever te anticiperen op veranderingen in de waterhuishouding en zo eventuele economische of maatschappelijke schade te minimaliseren. Alle kaarten worden geleverd op 250×250 meter resolutie en met een kwantitatieve nauwkeurigheidsinschatting per pixel.

De online viewer van CoMET is hier te bekijken.

Screenshot van de viewer waarin dagelijks nieuwe kaarten van actuele verdamping worden weergegeven. Te zien is de kaart van 19 november 2017, zoals die op 16 november werd voorspeld door de gekoppelde COMET modellen.

The development of high-end electrical sensors has taken a boost over the last few years, and staying up-to-date is therefore a must. Within the east of the Netherlands, several SMEs and knowledge institutes luckily have a strong position in the development, production, and commercializing of sensor systems, their components, and required technologies. The Management Authority OP Oost from the province of Gelderland provides financial support to bring the development and commercialization of innovative sensor systems from TRL4/5 to TRL6/7.

Difference between high-resolution AESA radar (left) and KNMI radar (right).

Within the first DAISY project the TRL4/5 of the DAISY concept was demonstrated. We demonstrated that this compact and mobile sensor system has the potential for several socio-economic applications, being security, transport and logistics, life-sciences, and agro-food. DAISY 2 builds on the success of the first DAISY project, and aims to further develop this sensor system and explore the viability of this sensor product for different markets.

The DAISY 2 consortium is led by Thales Nederland B.V., and consists of the following consortium members: NXP, TNO, Sencio, Salland Engineering, Sintecs, Noldus, VDM Kunststoftechniek, Etchform, FutureWater, and the Hydrology and Quantitative Water Management Group (HWM) of Wageningen University. During this 3-year project we aim to bring the development and commercialization of this sensor product to a Technology Readiness Level (TRL) 6/7. Within this project FutureWater will work closely together with the HWM group of Wageningen University to further develop and explore the viability of this AESA sensor for the meteo-hydrological forecasting and water-for-food market.

Presentation of the DAISY concept (left) to Mr. Kamp, Minister of Economic Affairs (right).

Climate change will likely influence the concentrations and loads of contaminants in and towards ground- and surface waters. To have a better understanding on the effects of climate change on contaminants in the hydrological system, a consortium was formed a few years ago, consisting of the National Institute for Public Health and the Environment (RIVM), Utrecht University, VITO (Belgium), and ALTERRA. The project was entitled as “Climate Cascades”, which represents interrelated processes that occur as a result of climate change, and the influences of these processes that are exerted on man and ecosystems.

In the project “Climate Cascades”, Utrecht University adopted the task to develop a “River Basin Model” aiming at simulating the climate change-induced changes in catchment-scale heavy metal and pathogen concentrations and loads. The “River Basin Model” has been developed by implementing and applying a conceptual lumped hydrological model, called WALRUS (Wageningen Lowland Runoff Simulator), in a semi-distributed way. For the implementation and application of the model the catchment of the Dommel River (i.e. located in the border region of the Netherlands and Belgium) was selected as study area. Subsequently, a metal transport module was coupled with the hydrological model in order to simulate Cd and Zn concentrations and loads in ground- and surface water. Following the coupling between the hydrological model and the metal transport module, a pathogen transport model was coupled with the hydrological model in order to simulate the transport of Campylobacter and Cryptosporidium from land surface and sewage to surface waters.

The outcomes of the studies as mentioned above were and are reported by means of scientific publications. The aim of this project is to finish two papers that were initiated at the Utrecht University. The first paper focussing on the effects of climate change on metal transport has already been submitted and is currently in review. The second paper focussing on the effects of climate change on pathogen transport is in development and has to be submitted. The main aim of this project is to finish these papers and to guide them to publication in a peer-reviewed journal.

Tijdens droge zomerperiodes wordt er in de provincies rondom het IJsselmeer water aangevoerd, onder andere voor het op peil houden van de grondwaterstanden en beregening ten behoeve van de landbouw. In de meeste zomers is de buffercapaciteit van het IJsselmeer voldoende om aan alle watervragen te voldoen, maar in extreem droge zomers kan het voorkomen dat zelfs het IJsselmeer niet kan voldoen aan de watervraag. Zulke extreem droge zomers zullen naar verwachting steeds vaker voorkomen als gevolg van klimaatverandering.

Tijdens periodes van waterschaarste is een optimale verdeling van zoetwater van groot belang. Om te komen tot een optimale verdeling van zoetwater moeten eerst de watervragen van de regio’s rondom het IJsselmeer inzichtelijk gemaakt worden. Deze watervragen kunnen verschillen door ruimtelijke verschillen in neerslagtekort, maar ook door verschillen in gebruiksfuncties (peilhandhaving voor behoud van de stabiliteit van waterkeringen, beregening van kapitaalintensieve teelten, proceswater voor de industrie, etc.).

Wanneer de watervraag van de verschillende regio’s in beeld is gebracht en het wateraanbod bekend is, kunnen ook de watertekorten berekend worden. Watertekorten kunnen evenredig over de regio’s en functies worden verdeeld, maar omdat bepaalde functies waardevoller zijn dan andere is er in 2009 een landelijke prioritering opgesteld. Deze prioritering wordt de ´verdringingsreeks´ genoemd. Het uitgangspunt van de verdringingsreeks is dat de economische en maatschappelijke schade van het watertekort geminimaliseerd wordt.

De landelijke verdringingsreeks.

Binnen de categorieën 3 en 4 van de landelijke verdringingsreeks is er ruimte voor regionale prioritering. Bij uitwerking van de regionale prioritering voor Noord-Nederland is de inschatting van de economische en maatschappelijke schade gemaakt op basis van de beschikbare kennis en deskundigheid van de werkgroep. Er is echter behoefte om deze inschatting te kunnen kwantificeren, zowel om de juiste keuze voor de waterverdeling te kunnen maken als wel om de prioritering uit te kunnen leggen aan de belanghebbenden. Ook is er de behoefte om de gevolgen van andere prioriteringen in beeld te kunnen brengen.

Om de watervraag van een van de regio’s rond het IJsselmeergebied in beeld te brengen, zal een pilot uitgevoerd worden in het beheersgebied van waterschap Hunze en Aa’s. Met het ontwikkelde instrumentarium zullen een aantal scenario’s voor waterverdeling doorgerekend worden. Op die manier zal onderzocht worden hoe het water optimaal toebedeeld kan worden aan de
gebruiksfuncties, waarbij de economische en maatschappelijke schade geminimaliseerd wordt. De watervraag, watertekorten en schade onder verschillende waterverdelingen zullen in beeld gebracht worden voor de droge zomer van 2013.

Het Woudagemaal in Lemmer. Hier wordt IJsselmeerwater ingelaten en via Friesland doorgevoerd naar Groningen en Drenthe.
Het Woudagemaal in Lemmer. Hier wordt IJsselmeerwater ingelaten en via Friesland doorgevoerd naar Groningen en Drenthe.

Wanneer deze pilot veelbelovende resultaten oplevert, kan deze uitgebreid worden naar de gehele zoetwaterregio IJsselmeergebied, waarbij de onderlinge verdeling van het wateraanbod tussen de regionale waterbeheerders rondom het IJsselmeer geoptimaliseerd wordt. Het resultaat van de pilot is een bouwsteen om Slim Watermanagement in de praktijk te brengen.

Remote sensing wordt in de ruimste zin van het woord gebruikt voor waarnemingen vanaf afstand en in de geo-informatica tot het gebruik maken van satellieten, vliegtuigen, en drones voor aardobservatie. Ondanks dat remote sensing technieken al meer dan een eeuw oud zijn (luchtballon sinds ~1860, vliegtuigen sinds ~1915, satellieten sinds ~1960, drones sinds ~2010) is de toepassing ervan in het waterbeheer nog steeds beperkt. Typische voorbeelden waar wel veelvuldig gebruik van gemaakt wordt in Nederland zijn het AHN, neerslagradar en LGN landgebruik. Daarnaast wordt er incidenteel op pilot basis gekeken naar diverse toepassingen zoals verdamping, dijkmonitoring, slotenschouw en waterkwaliteit.

Remote sensing voor precisielandbouw
Remote sensing voor precisielandbouw.

De mogelijkheden voor remote sensing in het waterbeheer zijn echter veel groter dan de huidige toepassingen. Er lijkt een soort contradictie te zijn: zowel de vraagkant als de aanbodkant zijn groot, maar men komt nog weinig tot elkaar. Een aantal belangrijke knelpunten zijn dat: (i) de aanbodkant vaak een te optimistisch beeld van mogelijkheden schetst; (ii) de vraagkant soms niet-haalbare eisen stelt; (iii) aanbodkant vaak meer academisch is en vraagkant zeer praktisch insteekt; (iv) weinig personen / organisaties / bedrijven beide werelden goed kennen. Een eerste stap om te zorgen dat vraag en aanbod beter met elkaar in contact komen is een gedegen en realistische inventarisatie van huidige en potentiële mogelijkheden. Belangrijk is om aan te geven wat nu mogelijk is, maar ook al een doorkijk te geven voor de komende vijf tot tien jaar.


De kerngroep SATWATER binnen de Adviesgroep Watersysteemanalyse van STOWA is een samenwerkingsverband van waterschappen dat nastreeft om gezamenlijk het potentieel van remote sensing in het waterbeheer optimaal te benutten. SATWATER wil haar koers voor de komende jaren verder uitwerken en heeft daartoe aan FutureWater opdracht gegeven voor het uitvoeren van een marktverkenning van informatieproducten op basis van remote sensing, die interessant zijn voor de waterschappen. In het kader van deze marktverkenning stelt FutureWater een database samen van informatieproducten op basis van remote sensing die aangeboden worden door Nederlandse partijen, met hun belangrijkste eigenschappen. In een begeleidend rapport wordt deze database geanalyseerd en in verband gebracht met de bestaande informatiebehoefte bij de waterschappen.

De afgelopen jaren hebben in Nederland verschillende grote natuurbranden plaatsgevonden. Ondanks dat de aangetaste arealen klein zijn in vergelijking met het buitenland, is het maatschappelijk risico groot vanwege de intensieve gebruiksfunctie van de natuur door recreatie, toerisme, houtproductie, militaire oefenterreinen, etc. Daarnaast grenst risicovolle vegetatie vaak aan snelwegen, spoorwegen, installaties voor drinkwatervoorziening en stedelijke bebouwing. Het Natuurbrandverspreidingsmodel (NBVM) van het IFV speelt een belangrijke rol in de beheersing van natuurbranden. Het model geeft een prognose van de uitbreiding in de tijd van een brand en wordt gebruikt zowel voor risicoanalyse in de voorbereidende fase, als om tijdens een natuurbrand de besluitvorming te ondersteunen.

Ondanks dat het NBVM sterk afhankelijk is van ruimtelijke informatie, wordt op dit moment alleen gebruikt gemaakt van de TOP 10NL kaart in combinatie met weersgegevens. Het project Satellietdatagebruik bij Natuurbrandbeheersing zal een product opleveren waarmee een significante verbetering gerealiseerd wordt in de ruimtelijke representatie van omgevingsfactoren die relevant zijn voor het NBVM. De Wildfire module van het product SVIPE (Satellite-based Vegetation Information PackagE) zal dynamische kaartlagen bevatten die als invoer kunnen worden gebruikt. Generieke, actuele kaartlagen van een groot aantal belangrijke factoren in een natuurbrandproces zullen beschikbaar komen voor alle natuurgebieden in heel Nederland. Op basis van deze informatie zullen de prestaties van het NBVM verbeteren, zowel voor het analyseren van risico’s op het ontstaan van branden als voor het simuleren van verspreidingsgedrag. Wanneer zowel brandweer als natuurbeheerders gebruik maken van het product zal dit ten goede komen aan het gezamenlijk beheersen van risico’s en bestrijden van incidenten.

Na een succesvolle eerste fase waarin de technische en economische haalbaarheid van SVIPE-W is aangetoond, is nu een tweede fase van start gegaan om een volwaardig prototype te ontwikkelen. De methodiek zal in deze fase volledig worden geautomatiseerd en gestandaardiseerd, en dankzij veldwerk zullen de gebruikte algoritmen verder worden getraind en gevalideerd. Het eindresultaat van dit project is een product dat op operationele basis vlakdekkende informatie biedt over brandstoftype, biomassadichtheid, en vochtgehalte.

Wetterskip Fryslân beheert ongeveer 3.300 km aan regionale waterkeringen. Om de toestand hiervan te monitoren worden deze tijdens de jaarlijkse kadeschouw gedurende de maanden januari en februari te voet gecontroleerd door de rayonbeheerders.

Het uitvoeren van de jaarlijkse kadeschouw is arbeidsintensief werk en resulteert slechts in momentopnamen. Daarom is Wetterskip Fryslân op zoek naar methodes om kades systematisch te inspecteren met nieuwe technologie. Ook is het Wetterskip Fryslân geïnteresseerd in methodes waarmee in het geval van calamiteiten, zoals droogtesituaties, snel informatie beschikbaar gemaakt kan worden die dient ter aanvulling van de visuele kade-inspectie.

In dit onderzoek is gekeken naar de mogelijkheden die Flying Sensors (drones) bieden bij kade-inspecties, zowel onder normale omstandigheden als onder zogenoemde calamiteiten.
Uit het onderzoek kwam naar voren dat de huidige generatie Flying Sensors niet de volledige kadeschouw kunnen vervangen omdat het totale inspectiegebied te groot is ten opzichte van de – op dit moment wettelijk toegestane – actieradius. De kracht van de huidige generatie Flying Sensors bij kadeschouw is vooral aanvullend en in beperkte mate vervangend voor huidige technieken. Toepassingen zijn vooral: (i) een gerichte inzet in specifieke gebieden waar er vermoedens bestaan van problemen, (ii) bij een noodzaak van zeer frequent monitoren, of (iii) in moeilijk toegankelijke gebieden.

Flying Sensor hoogtemodel van het pilotgebied bij Goingarijp.

Dit project heeft aangetoond dat Flying Sensors de potentie hebben voor het vastleggen van de kadehoogtes voor de hoogtetoets (vergelijking van vereiste kadehoogte met de werkelijke kadehoogte). De huidige wettelijke restrictie dat er maximaal 500 meter van een waarnemer gevlogen mag worden (dus actieradius van 1 kilometer), maakt wel dat de inzet van Flying Sensors economisch nog niet volledig kan concurreren met andere methoden. De hoge resolutie en de flexibiliteit om de Flying Sensors op elk gewenst moment in te zetten, zijn grote verbeteringen ten opzichte van bestaande technieken gebaseerd op het AHN. Daarnaast geeft de Flying Sensor niet alleen de hoogte, maar integraal ook de vegetatietoestand en een hoge resolutie zichtbaar beeld. De digitale hoogtemodellen kunnen ook in 3D bekeken worden op Sketchfab.

Een toepassing die op dit moment al wel mogelijk is, is het in beeld brengen van de dalingssnelheid van kades. Dit kan gedaan worden door de kade gelijk na een revisietraject in te vliegen met een Flying Sensors of in te meten met een 3D-laserscanner. Ook in het geval van een calamiteit, zoals (kans op) dijkdoorbraak en muizenplaag, kan ter plekke de schade in kaart gebracht worden met Flying Sensors.

Naast de genoemde toepassingen is monitoring van vegetatiegroei in natuuroevers een toepassing die al mogelijk is met Flying Sensors. Daarnaast liggen er kansen voor de ontwikkeling van methodes voor kweldetectie met behulp van een thermische sensor, monitoring van algenbloei, monstername met Flying Sensors en puntinspectie i.v.m. het vastleggen van milieudelicten.