Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Toepasbaarheid van innovatieve
onderzoekstechnieken rond de
grondwaterstroming in en rond dijken
Case zandmeevoerende wellen Fort Vuren en Hurwenense Kil
J. Velstra, K. Groen en S. Burger (Acacia Water)
M. Groen (Vrije Universiteit)
2013
Inhoudsopgave • Doel van dit onderzoek
• Locatie Hurwenen
– Locatie en de wel
– Resultaten metingen
– Resultaten modellering
– Samenvatting
• Locatie Fort Vuren
– Locatie en de wel
– Resultaten metingen
– Samenvatting
• Conclusies
• Aanbevelingen
2
Doel van het onderzoek
• Demonstratie van technieken om geologie en opbarst- en piping risico’s van ondergrond en dijklichaam in kaart te brengen
• Demonstratie van technieken om waterstroming in en rond wellen en waterkeringen te onderzoeken
• Zoeken naar een meettstrategie waarin de technieken in reguliere onderzoeken en de toetsing van waterkeringen kunnen worden ingebed.
3
Hurwenen – Locatie en de wel
4
Vuren Zaltbommel
Hurwenen – Locatie en de wel
• Twee wellen. In sloot (niet meer aanwezig) en eentje in de boomgaard.
Hurwenen – Locatie en de wel • Wel in de sloot
– Na schouw nog zeer fijn zand op de kant aangetroffen (2013)
6
2011 2011
2013 2011
Hurwenen – Locatie en de wel • Wel in boomgaard
– In 2013 is de wel weg, maar een kleine is aanwezig lagergelegen. Bij veldonderzoek ook niet meer aangetroffen.
7
2013
2013
2011
2011
Uitgevoerde werkzaamheden
• Bestaande informatie boringen en sonderingen
• Nieuwe metingen :
– DUALEM
• 2D profielen van de elektrische weerstand tot 6 m diepte gemeten.
• Snel uitvoerbaar, omdat geen contact gemaakt hoeft te worden met de ondergrond.
• Per dag kan 2 tot 5 kilometer profiel worden gemeten afhankelijk van de toegankelijkheid.
– CVES
• 2D profielen van de elektrische weerstand gemaakt met lengtes van 80 m en tot ca 15 m diepte of 40m lengte en ca 7,5m diep.
• Gedetailleerd (en afhankelijk van elektrodeafstand een groter dieptebereik)
• Relatief tijdrovend vanwege het plaatsen van de electroden in de grond en de lange meettijd. In de praktijk kunnen 2 CVES metingen per dag worden uitgevoerd.
• Modelsimulaties
8
Uitgevoerde werkzaamheden
9
CVES 2
CVES 1
Resultaten
10
Droge sloot
O W, N Z Profiel 16a Profiel 16b
Resultaten metingen
11
Zone met dikke veenlaag
Resultaten
12
N Z
Resultaten
CVES 1 loopt over wel in boomgaard,
maar er is geen anomalie zichtbaar
CVES 2
CVES 1
NO SW
Resultaten
14 14
Kijkrichting ZW
CVES 2 loopt dwars op dijk.
Ondiepe verticale structuur zichtbaar bij sloot,
niet bij afwijkende vegetatie
CVES 2
CVES 1
Modelsimulaties • De berekeningen worden uitgevoerd met een 2D doorsnede principe model
op basis van FlexPDE.
• FlexPDE is de ‘volgende generatie’ modelsoftware waarmee op zeer gedetailleerde schaal geïntegreerd verzadigde en onverzadigde dichtheidsafhankelijke stroming desgewenst met stoftransport gesimuleerd kan worden.
• FlexPDE werkt op basis van partiële differentiaal vergelijkingen met de mogelijkheid tot onder andere
– Vertaling naar eindige elementen niveau gecombineerd cm tot m en km
– Per rekenstap dynamische eindige elementen grids
– Volledig geïntegreerde oplossing van grondwater en onverzadigde zone met stoftransport en dichtheidsstroming
– In 1D, 2D en 3D
• Ontwikkeling specifiek voor waterkeringen.
– Naast stroming dus ook stabiliteit etc.
– Geintegreerde berekeningen stroming én stabiliteit.
15
Resultaten modellering
• Op basis van de boringen en sonderingen een schematische doorsnede model gemaakt.
16
Modelresultaten
• Laagwater
17
Modelaanpak
• Verloop waterhoogte in de Waal als invoer voor het model
• Stijghoogte op teen, midden en sloot
18
2
3
4
5
6
7
8
0 10 20 30 40 50
Wat
erh
oo
gte
(M
+NA
P)
Tijd (dagen)
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
Modelresultaten
• Laag en Hoog water Zonder wel
• Laag en Hoog water Met wel
19
Samenvatting Hurwenen • Wellen waren niet actief tijdens metingen
• Geofysische metingen geven geen duidelijke verticale structuren te zien bij de wel zelf
• Geofysische metingen laten lithologie (bijv. veenlaag) goed zien in noordelijk gedeelte
• Dit blijkt ook uit de sonderingen en boringen langs de dijk
• Modelsimulatie geeft inzicht in drukhoogtes in de tijd en effecten van een wel
• Wel is een 3D probleem en kan ook op die manier gesimuleerd worden. Daar werken we nu aan.
• Modelsimulaties helpen bij ontwikkelen strategie beheersen van wellen
20
Vuren – Locatie en de wel
21
Vuren Zaltbommel
Vuren – Locatie en de wel
22
Vuren - Locatie en wel
23
2013
2011 2011 2011
2013 2013 2013
Uitgevoerde metingen
• Bestaande informatie : boringen en sonderingen
• Nieuwe metingen :
– DUALEM
– CVES
– Metingen van waterstanden en analyse opbarstingrisico
– Chemische analyse
24
Uitgevoerde metingen
25
CVES1
CVES2
Resultaten
• Typische weerstanden voor:
– Veen : ca. 20 Ohmm
– Klei : ca. 40 Ohmm
– Zand : ca. 50 – 100 Ohmm
– Puin en drains : 40-100 Ohmm
26
W O
Resultaten - DUALEM
27
Resultaten
• Aanwezigheid van de wel door anomalie in bodemopbouw (veen)
28
Locatie van de wel
Resultaten
29
CVES 1
CVES 2
CVES 1
CVES 2
Wel
Wel N Z
NW ZO
Bestaande geologische informatie
30
In landelijke databases is veel gedetailleerde
informatie over de ondiepe geologie
(GEOTOP, publicaties Berendsen)
Fort Vuren: overwegend veen
Zaltbommel: afwisselend
De wel treedt op waar het veen zit
Wellen vs piping
• Wellen vs piping
• Wellen leiden niet altijd tot piping. Chemische signatuur kan hierover informatie geven.
31
Wellen gedragen zich
als onttrekkingsputten
met upconing van
grondwater uit de
diepte
Chemische systeemanalyse
Nr Locatie pH EGV Fluoride Chloride Nitriet Bromide Nitraat Sulfaat C/Br Temp
microS/cm mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l
1 slotgracht 7.37 420 0.2 44.5 0.0 0.0 0.2 9.7 1711
2 wel 7.62 652 0.2 82.6 <0.03 0.1 0.1 40.1 585
3 drain 7.24 0.3 81.4 0.1 0.2 0.7 22.7 490
4 grondwater B44 7.75 675 0.3 79.6 <0.03 0.1 0.1 34.9 572 12.0/12.1
5 Waal 7.78 762 0.2 81.6 <0.03 0.2 9.9 70.1 422
Nr Locatie Natrium Kalium Calcium Magnesium IJzer (2+) Mang. (2+) Silicium Amm. 2dH20 18dH20
mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l ‰ ‰
1 slotgracht 31.2 6.4 36.3 8.3 0.30 0.04 0.6 0.4 -16.55 -1.34
2 wel 44.5 4.5 77.1 10.7 0.52 1.21 6.0 1.9 -63.39 -9.10
3 drain 44.7 4.0 81.9 11.3 5.73 1.14 8.2 2.6 -61.89 -9.08
4 grondwater B44 41.5 4.5 75.5 11.1 1.33 0.88 5.8 1.3 -62.78 -9.35
5 Waal 46.1 4.6 70.0 12.4 0.11 0.02 2.1 <0.01 -63.90 -9.36
32
Chemische systeemanalyse: herkomst
33
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
1 2 3 4 5
C/…
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
90.0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1 2 3 4 5
mg/
l
EGV
in m
icro
S/cm
EGV
Chloride
- Hoge Cl/Br -> Rijnwater (gem van 422)
- Grondwater en neerslag is normaal 270
- Hoge verhouding slotgracht-> opname
bromide door waterplanten
Zoutgehalte grondwater is relatief hoog en
gelijk aan Waalwater. Slotgracht wijkt af
Chemische systeemanalyse: herkomst
34
-80.00
-70.00
-60.00
-50.00
-40.00
-30.00
-20.00
-10.00
0.00
10.00
20.00
-12.00 -10.00 -8.00 -6.00 -4.00 -2.00 0.00
2d
H2
O
18dH20
monsters F. Vuren GMWL gem. neerslag verdampingslijn
Water slotgracht beinvloed door verdamping
Gemiddelde neerslag en grondwater Nederland
Grondwater monsters en Waal
Globale Meteorische Waterlijn
Chemische systeemanalyse: verblijftijd
35
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
1 2 3 4 5
mg/
l
IJzer (2+)
Mang. (2+)
Hoog ijzer en mangaangehalte -> anoxisch grondwater -> lange verblijftijd
Temperatuur in september en december 12 oC
Gelijk aan gemiddelde jaartemperatuur
Wijst op lange verblijftijd
Metingen van waterstanden en analyse
opbarstrisico
36
0
1
2
3
4
5
6
0 100 200 300 400 500
Gr
on
dw
ate
rs
tijg
ho
og
te i
n
m +
NA
P
Afstand vanaf rivier in m bij stand NAP+0.90 m
Waalpeil NAP+0.90 m en c-waarde 1000 dg
Waalpeil NAP+0.90 m en c-waarde 100 dg
Waalpeil NAP+4.00 m en c-waarde 1000 dg
Waalpeil NAP+4.00 m en c-waarde 100 dg
stijghoogte in B44 bij wel
kritische stijghoogte voor opbarsten
Waal Dijk
Metingen van waterstanden en analyse
opbarstrisico • Peilbuis 38H0248 180 m ten noorden van wel
37
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
250
1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000
Sti
jgh
oo
gte
in
(c
m +
NA
P)
Tussen 1985 en 1995 nemen fluctuaties en gemiddelde van stijghoogte af. Gevolg van opbarsten ?
Samenvatting Vuren
• Bij de wel is een verticale structuur met lagere weerstanden zichtbaar in de geofysische metingen.
• Verklaring lage weerstand mogelijk upconing meer gemineraliseerd grondwater
• Wel is gevolg van opbarsten van dikke veen laag. Opbarstcriterium is overschreden bij hoge Waalstanden
• Veenlaag is goed detecteerbaar met geofysiche metingen vanwege lage weerstand (10 a 20 Ohmm)
• Opbarsten veenlaag in verleden heeft geleid tot verlaging stijghoogte en is waarneembaar in tijdserieanalyses van peilbuizen
• Water uit de wel is geheel afkomstig uit Waal
• Water uit wel heeft redelijk lange verblijftijd van enkele maanden tot jaren.
• Water stroomt waarschijnlijk radiaal naar de wel als ware het een ontrekkingsput.
38
Case Mijdrecht (2008)
39
Mijdrecht / Locaties wellen
• Optreden wellen subtiel verschil in dikte en samenstelling deklaag (klei en veen) en geulen (net iets zandiger en maaiveld daardoor iets hoger)
40
Chloride (mg/l)
Diepteligging
5000 mg Cl-/l vlak
Getijdekreken
in zeeklei
Veengebied
1 2
3
4 5
Mijdrecht – Optreden wellen te voorspellen
met grondwatermodel
• De locaties 1 -4 geven locaties weer waar een laag chloridegehalte is gemeten in een gebied waar het grondwater onder de deklaag zout is. Deze gebieden komen overeen met gebieden waar volgens de wellenregel geen wellen zijn berekend. Locatie 5 is een hoofdwatergang waar het water sterk is verdund door de hoge zoete kwelafvoer uit de randzone van de Vinkeveense Plassen.
41
Chloride (mg/l)
Diepteligging5000 mg Cl-/l vlak
Wellende waterlopen
Wellen
Geen wellen
1
23
45
• q wellenflux naar kwellende sloot [m3/m’/d], b is de slootbreedte [m], φ is de stijghoogte onder de deklaag [m NAP], f is de welfactor [-], w is het overgewicht van de deklaag ten opzichte van water uitgedrukt in waterkolom [m], h is de oppervlaktewaterstand in de sloot [m NAP] en c is de welweerstand per slootoppervlak [d].
• De welfactor f en de welweerstand c zijn de resterende parameters in de wellenregel en worden als ijkparameters gebruikt.
Aanbevelingen Uitwerken case
– Analyse van beschikbare data met archiefonderzoek het ontsluiten van historische gegevens, geohydrologie en geomorfologie. Dit zijn vaak gegevens beschikbaar bij het waterschap en nationale databases als DINO in een GIS omgeving.
– Toepassen van een aantal innovatieve geofysische, geohydrologische en GIS onderzoekstechnieken, die aanvullende informatie opleveren ten opzichte van reguliere technieken.
– Opzetten van een optimaal onderzoeksprogramma voor aanvullende metingen die door het waterschap in de markt gezet kan worden.
– Ondersteuning van het waterschap bij interpretatie van de verkregen data in de vorm van kaarten en profielen.
– Onderzoek bij wellen. Toepassing van 3D grondwatermodellen (geintegreerd verzadigd-onverzadigd) naar geohydrologische maatregelen om wellen te beheersen (drukontlasting, peilopzet)
42