Reconstructie van een begraven paleogeul op basis van een...

Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen

Academiejaar 2010-2011

Reconstructie van een begraven paleogeul op basis van

een multisignaal elektromagnetische inductie sensor

Els Spyckerelle

Promotor: Prof. Dr. ir. Marc Van Meirvenne

Begeleiders: ir. Eef Meerschman, lic. Phillipe De Smedt

Masterproef voorgedragen tot het behalen van de graad van

Master in de bio-ingenieurswetenschappen: land- en waterbeheer

Copyright

De auteur en promotor geven de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te stellen en

delen ervan te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen

van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting uitdrukkelijk de bron

te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze scriptie.

The author and promoter give the permission to use this thesis for consultation and to copy

parts of it for personal use. Every other use is subject to the copyright laws, more specifically

the source must be extensively specified when using from this thesis.

Gent, juni 2011

De promotor De begeleiders De auteur

Prof. dr. ir. Marc Van Meirvenne ir. Eef Meerschman Els Spyckerelle

lic. Phillipe De Smedt

Woord vooraf

Met enige trots presenteer ik mijn scriptie als resultaat en eindpunt van mijn studies aan de

faculteit bio-ingenieurswetenschappen te Gent.

Een thesis schrijven is een zware opdracht en doe je niet alleen. Het heeft, letterlijk en figuurlijk,

heel wat voeten in de aarde gehad. De kennis, hulp en steun van een aantal personen was hierbij

onmisbaar.

Deze laatsten wil ik hier graag bedanken. In de eerste plaats mijn promotor Prof. Dr. ir.

Marc Van Meirvenne om te mogen deel uitmaken van de Onderzoeksgroep Ruimtelijke Bode-

minventarisatietechnieken (ORBIT). Hopelijk leveren de resultaten een meerwaarde op voor

verder onderzoek. Speciale dank gaat uit naar de doctoraatstudenten ir. Eef Meerschman en

lic. Phillipe De Smedt tevens mijn begeleiders, die mij telkens met deskundig advies op goede

baan hebben geholpen, en mij met raad en daad gedurende het ganse jaar begeleid hebben. Ik

wens hen veel succes met het beëindigen van hun doctoraat en in de verdere toekomst.

Ook het personeel van ORBIT waarbij ik terecht kon met mijn vragen. In bijzonder Valentijn

Van Parys voor de technische ondersteuning bij het veldwerk en Matthieu Schatteman voor

de begeleiding in het textuurlabo. Archeoloog Alexander Lehouck wil ik bedanken voor de

artikels die hij opstuurde over de archeologische site “Hof ter Hille”. Alsook de landbouwers R.

Dhondt, M. Simoens, P. Hooiaerts, F. Hubrecht en B. De Potter die bereid waren hun velden

ter beschikking te stellen voor prospectie.

Hier is ook een woordje van dank op zijn plaats aan alle professoren en assistenten die ik gedu-

rende de voorbije vijf jaar op het boerekot heb mogen ontmoeten en die met veel enthousiasme

hun vakkennis hebben overgedragen.

Mijn ouders wil ik bedanken voor de financiële steun. Wanneer het even moeilijk werd en het

zelfvertrouwen ver te zoeken was, stonden ze telkens klaar om me te helpen de motivatie terug

te vinden.

Ook dank ik mijn vriend Jeroen voor het aanhoren van de laatste thesisperikelen en mijn vrien-

den op het boerekot voor de kameraadschap, de onvergetelijke weekends en boerekotfeestjes.

Gent, juni 2011

Els Spyckerelle

Samenvatting

Tijdens een recent geofysisch onderzoek in enkele landbouwpercelen in de oudlandpolders van

Koksijde werd een arm van een begraven paleogeul ontdekt. Dit onderzoek maakte deel uit van

een landschapshistorisch onderzoek uitgevoerd naar aanleiding van de aanleg van een golfter-

rein. Deze geul is ontstaan in het holoceen tijdens de ontwikkeling van de kustvlakte. Vandaag

de dag is de geul door duinverstuiving uit het landschap verdwenen. Slechts enkele overblijfse-

len in het landschap, zoals de vorm van de percelering getuigen van het vroegere verloop van de

geul. In de ondergrond daarentegen is uitvoerig bewijs aanwezig omwille van het contrasterend

textuurverschil van de geulvulling met het onderliggend zandig basismateriaal. Deze sporen

kunnen door geofysische prospectie met proximale bodemsensoren veruiterlijkt worden.

Het doel van de geofysische prospectie uitgevoerd in deze thesis is de verdere reconstructie

van deze begraven paleogeul. Daartoe werden de omliggende velden opgemeten met een mul-

tisignaal elektromagnetische inductie sensor om de bodemvariabiliteit in kaart te brengen en

zodoende een 2D-kartering van de geul te bekomen op landschapsniveau. Vervolgens werd het

verloop driedimensionaal gereconstrueerd, door verschillende methodes voor dieptemodellering

met elkaar te vergelijken.

De reconstructie van het verdere verloop van deze paleogeul is van belang om een uitvoeriger

inzicht te krijgen in het ontstaan en de complexe ontwikkeling van het middeleeuwse polder-

landschap. Daarnaast speelde deze geul een belangrijke rol in de vestiging van nederzettingen

en zorgen de contrasterende textuurverschillen voor een binnenperceelsvariabiliteit die conse-

quenties heeft voor de landbouw.

De multisignaal elektromagnetische inductie sensor die gebruikt werd is de DUALEM-21S.

Deze EMI-sensor bestaat uit een zendspoel waaruit elektromagnetische golven worden uitge-

stuurd die ontvangen worden door vier ontvangspoelen. Hieruit kan de schijnbare elektrische

conductiviteit (ECa) van de bodem gemeten worden. Omwille van het niet-invasief karakter

van de sensor kan de meetconfiguratie mobiel gemaakt worden. Hierdoor kan een groot aan-

tal metingen in een hoge resolutie bekomen worden op relatief korte tijd. Daartoe werd de

DUALEM-21S sensor gemonteerd in een slede die getrokken werd door een quad. De data

werd gegeorefereerd via de koppeling met een GPS-systeem.

De gemeten ECa is indicatief voor belangrijke bodemeigenschappen zoals het kleigehalte, het

vochtgehalte en het organisch materiaal gehalte. De ECa kan aldus gebruikt worden om de

tweedimensionale bodemvariabiliteit in kaart te brengen. Bovendien kunnen de ECa-metingen

ii

de bodemvariabiliteit ook driedimensionaal karakteriseren. De ontvangspoelen hebben een wel-

bepaalde spoelafstand en oriëntatie ten opzichte van de zendspoel. Voor elke spoelconfiguratie

wordt de meetdiepte bepaald door zowel de afstand tussen de zend- en ontvangspoel als door

de oriëntatie. De DUALEM-21S bestaat uit vier verschillende spoelconfiguraties en is dus in

staat om simultaan vier verschillende bodemvolumes op te meten.

In een eerste luik werden de vier simultane ECa-metingen aangewend om een 2D-kartering te

bekomen van de begraven paleogeul. Elke van de vier ECa-signalen werd hiervoor verwerkt

en daarna gëınterpoleerd met ordinary kriging tot een continu oppervlak. Omwille van het

contrasterend textuurverschil van de geulvulling met het omliggende zand en de sterke rela-

tie tussen ECa-metingen en het kleigehalte, zijn de vier simultane ECa-metingen uitermate

geschikt om het verloop van de paleogeul verder te reconstrueren op landschapsniveau.

Het verloop manifesteert zich in de hoge ECa-waardes die indicatief zijn voor kleirijke afzet-

tingen en hoge gehaltes organisch materiaal in de geulvulling. Lage waarden wijzen op een

grotere proportie zand. Op elk van de ECa-kaarten is het verloop analoog en werd een goede

indicatie verkregen van het verloop van de geul. Het verder verloop is noordelijk gekenmerkt

door meandering. Meer naar het zuiden verbreedt de geul. In het oosten van het studiegebied

werd vermoedelijk een voormalig moeras of alluviale vlakte opgemeten.

De hoge variatie in EC reflecteert de hoge textuurvariabiliteit. Dit heeft zonder twijfel een

sterke invloed op de landbouwproductiviteit. De ECa-metingen kunnen in deze context ge-

bruikt worden als een essentiële component binnen precisielandbouw om gedetailleerde bodem-

informatie aan te brengen. Naast het geulverloop zijn ook antropogene patronen veruiterlijkt.

De lineaire structuren zijn waarschijnlijk afkomstig van leidingen. De vierkante structuren zijn

analoog aan de middeleeuwse vissersnederzettingen die in de golfzone werden ontdekt. Derge-

lijke sites waren tot op heden onbekend. De informatie die ze herbergen kunnen het inzicht in

de middeleeuwse kustbewoning verruimen.

In het tweede luik werden verschillende modellen en modelleringsopties onderzocht die de ver-

schillende ECa signalen combineren om de diepte van de paleogeul, z, in kaart te brengen.

De twee beschouwde modellen zijn enerzijds een datagebaseerd exponentieel verband tussen

ECa en z, en anderzijds een model gebaseerd op de diepteresponscurves van McNeill (1980b).

Daarnaast werden ook verschillende kalibratiemethodes vergeleken, namelijk het Nelder-Mead

algoritme en het WARPE algoritme. Bovendien hebben de modelparameters in het McNeill

model een fysische betekenis zodat ze ook in het veld bepaald kunnen worden met de EC-sonde

in plaats van met één van beide kalibratie algoritmes. Tenslotte kan z gemodelleerd worden

met de ECa-z relatie waarvoor de goodness of fit het best is of door de vier ECa-z relaties,

overeenkomstig de vier spoelconfiguraties te combineren met het Levenberg-Marquadt algo-

ritme. De dieptemodellering werd geoptimaliseerd op een testveld waar kalibratie- en validatie

boringen werden uitgevoerd. Vervolgens werd de dieptemodellering naar de omliggende vel-

den geëxtrapoleerd. De diepte in het testveld kon het nauwkeurigst ingeschat worden met een

model gebaseerd op de diepteresponscurves gedefinieerd door McNeill (1980b), waarin de mo-

delparameters in het veld met de EC-sonde werden gemeten en waarbij de vier ECa-z relaties

iii

gecombineerd werden. Ook voor de extrapolatie naar de omliggende velden had deze methode

de beste performantie. Op basis van de modellering van z en het digitaal hoogtemodel (DHM)

kon de paleotopografie en vermoedelijke stroompatronen gereconstrueerd worden. De recon-

structie van de paleogeul draagt bij tot een verder inzicht in het ontstaan en de ontwikkeling

van het middeleeuwse landschap van de polders.

iv

Inhoudsopgave

Samenvatting ii

Lijst van figuren vii

Lijst van tabellen ix

Lijst van afkortingen x

1 Probleemstelling en objectieven 1

2 Inleiding 3

2.1 Historische kadering van de begraven paleogeul te Koksijde . . . . . . . . . . . 3

2.1.1 De landschapshistorische ontwikkeling van de kust . . . . . . . . . . . . 3

2.1.2 De cultuurhistorische ontwikkeling van Koksijde . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.3 Landschapsarcheologisch onderzoek: Golf Hof ter Hille . . . . . . . . . . 6

2.2 Proximale bodemsensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2.1 EMI-sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.2 Dieptegevoeligheid en multisignaal EMI-sensoren . . . . . . . . . . . . . 12

3 Materiaal en methoden 14

3.1 Studiegebied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.2 Algemene bodemkenmerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.3 EC-metingen en dataverwerking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.4 2D-kartering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.5 3D-modellering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.5.1 Kalibratie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.5.2 Dieptemodellering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.5.3 Validatie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

4 Resultaten en discussie 27

4.1 Algemene bodemkenmerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.2 2D-kartering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

4.3 3D-modellering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.3.1 Optimalisatie van de methode op het testveld . . . . . . . . . . . . . . . 36

v

Inhoudsopgave

4.3.2 Extrapolatie naar de omliggende velden . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5 Conclusie 46

6 Ideeën voor verder onderzoek 48

Bibliografie 50

Bijlage 57

A Van puntdata tot kaart 57

A.1 Variogram modellering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

A.2 Ordinary Kriging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

B Modelkalibratie 61

B.1 Weight-Adaptive Recursive Parameter Estimation (WARPE) . . . . . . . . . . 61

B.2 Nelder-Mead methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

vi

Lijst van figuren

1.1 Resultaat van de geofysische prospectie in Koksijde voor één van de vier opgeme-

ten elektrische conductiviteitssignalen met aanduiding van de paleogeul (links) en 3D-

reconstructie (rechts) (Bron: aangepast uit Saey, 2010). . . . . . . . . . . . . . . . 1

2.1 Relatieve zeespiegelstijgiging van het gemiddelde hoog- en laagwaterniveau in m TAW

(de tweede algemene wateraanpassing) (Bron: aangepast uit Baeteman, 1999). . . . . 5

2.2 Golfzone Hof ter Hille en de ontdekte arm van de oude getijdengeul. De rode lijn toont

de omtrek van het toekomstige golfterrein, de gearceerde blokjes zijn de opgravingszones

afgebakend op basis van het vooronderzoek (Bron: Eggermont et al., 2010). . . . . . . 8

2.3 Schematische voorstelling van het elektromagnetisch inductie principe, met weergave

van twee spoelen (cirkels) en magnetische velden (Bron: aangepast uit Simpson, 2009). 10

2.4 Faseverschuiving en amplitudeverandering van het secundair veld Hs ten opzichte van

het primair veld Hp met weergave van de in-fase en uit-fase component van Hs. . . . 11

3.1 Situering van het studiegebied in België (links) en topografische kaart van het studiege-

bied in Lambert72 coördinaten (rechts) met aanduiding van de opgemeten velden. Het

rood omlijnde gebied werd opgemeten in Saey (2010). . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.2 Bodemkaart in Lambert72 coördinaten (Bron: Digitale bodemkaart Vlaanderen). . . 15

3.3 DHM in mTAW in Lambert72 coördinaten (Bron: DHM ondersteunend centrum GIS

Vlaanderen, VLM). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.4 Gëınterpoleerde ECa van de hcp1 configuratie (mS m-1) voor het veld waarin de paleo-

geul werd ontdekt (Saey, 2010) met lokalisatie van het transect A–B en het validatiegrid.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.5 EC-sondekit met aardweerstandsmeter, EC-sonde en gutsboor (Bron: Eijkelkamp, 2003). 18

3.6 Schematische weergave van de werking van de EC-sonde (Bron: Eijkelkamp, 2003). . . 19

3.7 DUALEM-21S sensor met weergave van de zend- en ontvangspoelconfiguratie (Bron:

Saey et al., 2009). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.8 Cumulatieve respons in functie van de diepte z voor de perp en hcp spoelconfiguraties. 20

3.9 Mobiele meetconfiguratie met (a) de sensor, (b) de slede, (c) de quad, (d) de Trimble

AgGPS332 GPS met veldcumputer, (e) de GPS antenne en (f) de Trimble Lightbar

Guidance System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.10 Overzicht van de opeenvolgende stappen van de modelkalibratie en -validatie op het

testveld. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

vii

Lijst van figuren

3.11 Voorstelling van een bodem opgebouwd uit drie homogene bodemlagen. . . . . . . . 25

4.1 Profielopbouw langs transect A–B. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.2 Resultaat van de textuuranalyses geplot op de Belgische textuurdriehoek met ◦ de stalen

in het basismateriaal en • de stalen in de geulvulling. . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.3 vervolg volgende pagina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.3 Kaarten van de gemeten schijnbare elektromagnetische conductiviteit (mS m-1) voor

(a) de perp1 configuratie (ECaperp1), (b) de perp2 configuratie (ECaperp2), (c) de hcp1

configuratie (ECahcp1) en (d) de hcp2 configuratie (ECahcp2) met lokalisatie van de

verkennende boringen (a–e), het validatietransect (C–D) en sporen van middeleeuwse

hoeves met walgracht (rode kaders). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.4 Overgang naar veen in boorput e op 1.5 m onder het maaiveld (stippellijn) en een hout-

stuk (pijl). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.5 Kaart van de gemeten schijnbare elektromagnetische conductiviteit (mS m-1) voor de

hcp1 configuratie (ECahcp1) in het studiegebied aangevuld met de resultaten uit de

golfzone (Saey, 2010). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.6 Geobserveerde diepte z uitgezet in functie van de gemeten ECa op de kalibratiepun-

ten met de gefitte ECa-z relaties - Exponentieel-WARPE; - McNeill-WARPE; -McNeill-ECsonde voor; (a) de perp1 configuratie, (b) de perp2 configuratie (c) de hcp1

configuratie en (d) de hcp2 configuratie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.7 Validatie van de gemodelleerde diepte van de geul (z∗) in het testveld op basis van 20

observaties (z) in het validatiegrid (Fig. 3.4) voor de drie dieptemodelleringsmethodes. 41

4.8 Geobserveerde diepte z (•) en gemodelleerde diepte z∗ (curves) van de paleogeul langs

transect C–D (Fig. 4.3). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.9 Scatterplot van de geobserveerde diepte (z) t.o.v. de gemodelleerde diepte (z∗) langs

transect C–D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.10 3D reconstructie van de gemodelleerde diepte van de paleogeul (z∗) met de methode

McNeill-ECsonde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.11 3D reconstructie van de paleotopografie met weergave van gemodelleerde stroompatronen. 45

B.1 Schematische weergave van het WARPE algoritme (Bron: aangepast uit Welch & Bis-

hop, 2006) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

B.2 Nelder-Mead algoritme iteratiestappen (Bron: aangepast uit Lagarias et al., 1998) . . 64

viii

Lijst van tabellen

3.1 Tijdstip veldwerk en bodemtemperatuur T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.1 Resultaten van de laboanalyse (OS, CaCO3, textuur) voor de bodemstalen (5 in de

geulvulling, 4 in het basismateriaal) langs transect A–B (gemiddelde: m, standaardaf-

wijking: s). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

4.2 Beschrijvende statistieken van de velden (gemiddelde: m, minimum: min, maximum:

max, standaardafwijking: s) van ECaperp1, ECaperp2, ECahcp1 en ECahcp2 voor het

studiegebied. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4.3 Resultaten van de laboanalyse (OS, CaCO3, textuur) voor de bodemstalen in de ver-

kennende boringen (Fig. 4.3). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.4 Gekalibreerde modelparameters met het WARPE-algoritme voor het exponentieel model

(Exp-WARPE) en het McNeill model (McNeill-WARPE) en met de EC-sonde voor het

McNeill model (McNeill-ECsonde). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.5 Goodness of fit indicatoren voor de drie gefitte ECa-z relaties met links de determinatie

coëfficiënt R2 en rechts de root mean squared estimation error RMSEE. . . . . . . . 40

4.6 Validatieparameters voor het exponentieel en McNeill model en de drie kalibratieme-

thodes op basis van 20 boringen in het validatiegrid (Fig. 3.4). . . . . . . . . . . . . 40

4.7 Validatieparameters op basis van de 10 boringen in het validatietransect C–D (Fig. 4.3). 42

ix

Lijst van afkortingen en symbolen

DHM digitaal hoogtemodel

EC elektrische conductiviteit

ECa schijnbare elektrische conductiviteit

EMI elektromagnetische inductie

MEE mean estimation error

MS magnetische susceptibiliteit

OK ordinary kriging

OS organische stof

r Pearson correlatie coëfficiënt

R2 determinatie coëfficiënt

RMSEE root mean squared estimation error

TAW tweede algemene wateraanpassing

WARPE weight-adaptive recursive parameter estimation

z diepte van de paleogeul

z∗ gemodelleerde diepte van de paleogeul

x

Hoofdstuk 1

Probleemstelling en objectieven

In het kader van een recent historisch landschapsonderzoek in de oudlandpolders in Koksijde

werd bij de geofysische prospectie een arm van een begraven paleogeul ontdekt en gerecon-

strueerd (Fig. 1.1) (Saey, 2010). Dit historisch landschapsonderzoek werd uitgevoerd naar

aanleiding van de aanleg van een golfterrein. De paleogeul wordt beschouwd als een getijden-

geul omwille van de ligging nabij de Noordzee. Deze geul verdween uit het landschap in de

loop van de late middeleeuwen als gevolg van duinverstuiving (Lehouck, 2010b).

Figuur 1.1: Resultaat van de geofysische prospectie in Koksijde voor één van de vier op-

gemeten elektrische conductiviteitssignalen met aanduiding van de paleogeul

(links) en 3D-reconstructie (rechts) (Bron: aangepast uit Saey, 2010).

De reconstructie van het verdere verloop van deze paleogeul is van belang omwille van ver-

schillende redenen. Ten eerste is deze reconstructie noodzakelijk om een uitvoeriger inzicht te

krijgen in het ontstaan en de ontwikkeling van het middeleeuwse polderlandschap. Daarnaast

speelde deze geul een belangrijke rol in de vestiging van nederzettingen. Zo leidde de lokalisatie

1

Hoofdstuk 1. Probleemstelling en objectieven

van de paleogeul tot de plaats waar de 12de eeuwse abdij van Fulco stond (Lehouck, 2010a).

Deze abdij behoort tot de Ten Duinen abdij van Koksijde. Bovendien speelde de geul niet

enkel een belangrijke rol voor de abdij. In de directe omgeving van de geul zijn diverse neder-

zettingen van vissersboeren weergevonden die dateren uit de 10de tot 12de eeuw. Hun ligging

nabij de geul was interessant omdat men hierdoor in verbinding stond met de mondig van de

IJzer, ter hoogte van Nieuwpoort, en andere vissersdorpen (Lehouck, 2008). Tenslotte is de re-

constructie, naast voorgenoemde historische belangen, ook interessant vanuit landbouwkundig

standpunt. Deze fluviatiele structuren hebben namelijk consequenties voor het bodembeheer

daar de bodem in de geul rijker is aan klei en organisch materiaal. De reconstructie opent dan

ook perspectieven voor precisielandbouw.

De doelstelling van deze thesis bestaat erin het verdere verloop van de paleogeul te reconstrue-

ren door (i) de omliggende velden op te meten met een bodemsensor om de bodemvariabiliteit

in kaart te brengen en zodoende een 2D-kartering van de geul te bekomen op landschapsniveau

en (ii) een 3D-reconstructie uit te voeren, door verschillende methodes voor dieptemodellering

met elkaar te vergelijken.

Deze thesis is opgedeeld in 6 hoofdstukken. In het volgende hoofdstuk wordt de lezer ingeleid

tot het historische kader van de begraven paleogeul en tot proximale bodemsensoren met de

nadruk op elektromagnetische inductie (EMI) sensoren. Hoofdstuk 3 beschrijft het studiegebied

en de toegepaste methodologie. In hoofdstuk 4 worden de resultaten van het veldwerk en de

laboanalyses, de 2D-karteringen de 3D-modellering voorgesteld en besproken. Hoofdstuk 5

vat de belangrijkste conclusies samen. In Hoofdstuk 6 worden enkele suggesties voor verder

onderzoek gegeven.

2

Hoofdstuk 2

Inleiding

2.1 Historische kadering van de begraven paleogeul te Koksijde

In deze sectie zal eerst dieper ingegaan worden op de genese van de kustvlakte waarin geulen

een belangrijke rol speelden. Vervolgens wordt ingegaan op het etymologische verband tussen

het kusttoponiem Koksijde en het feit dat deze gemeente tijdens de middeleeuwen aan een

getijdengeul lag. Ten derde wordt het landschapsarcheologisch onderzoek op de site “golf Hof

ter Hille” waardoor de arm van de paelogeul werd ontdekt besproken.

2.1.1 De landschapshistorische ontwikkeling van de kust (vanaf Holoceen)

De kust is een bijzonder dynamisch milieu. De laatste 10 000 jaar (Holoceen) is het kustgebied

sterk veranderd. Ongeveer 10 000 jaar geleden, na de laatste ijstijd, begon de zeespiegel te

stijgen als gevolg van de algemene opwarming van het klimaat. Door de stijging van het

zeeniveau verhoogde ook de grondwatertafel. Er ontstonden zoetwatermoerassen waarin veen

accumuleerde, het zogenaamde basisveen. Naarmate de zeespiegelstijging vorderde, bleef ook

de grondwatertafel verder stijgen. Dit ging gepaard met een landinwaartse uitbreiding van het

basisveen. Aan deze veenontwikkeling kwam in de laagst gelegen gedeelten van het toenmalige

landschap een einde toen de Noordzee onze streken bereikte. Onder invloed van de getijden

ontwikkelden zich verschillende landschappen en afzettingsmilieus bovenop het veen zoals de

slikken, de schorren en het zandwad, allen doorsneden door getijdengeulen die samen het

getijdengebied (of wad) vormen (Baeteman, 2007b; Baeteman & Declercq, 2002; Baeteman

et al., 2002).

Het getijdengebied omvat drie subzones, elk met typische kenmerken, afhankelijk van de ligging

ten opzichte van het gemiddelde laag- en hoogwaterniveau: het intertidaal-, het suptidaal- en

het subtidaal gebied. De slikken (intertidaal gebied) liggen boven het gemiddelde laagwater-

niveau en onder het gemiddeld hoogwaterniveau. De slikken lopen onder water bij vloed en

vallen min of meer droog bij eb. Slikken worden dus tweemaal per etmaal overspoeld waarbij

slib wordt afgezet. Dichter bij de laagwaterlijn is het afgezette sediment grover, namelijk fijn

zand. Dit gebied wordt gekenmerkt door een rijke bodemfauna. Schelpdieren, wormen en an-

dere benthonische dieren leven er net onder de oppervlakte en zorgen voor een verstoring van

3

Hoofdstuk 2. Inleiding

de oorspronkelijke gelaagdheid (bioturbatie) (Baeteman, 2007b).

Het supratidaal gebied, ook wel schorre genoemd, bevindt zich boven het gemiddelde hoogwa-

terniveau. De schorre wordt niet meer overspoeld bij hoogwater, maar komt wel bij springvloed

onder water te staan. Een typisch kenmerk is zoutminnende vegetatie (halofyten) die de sedi-

menten bij overstroming ophouden. De afzettingen bestaan uit fijnkorrelig sediment. Door de

afwezigheid van bioturbatie wordt de oorspronkelijke gelaagdheid hier goed bewaard. Dit ge-

bied evolueert uit slikke dat voldoende hoog is opgeslibd zodat het boven het hoogwaterniveau

komt te liggen. De lagere delen van de schorre, ook wel kreken genoemd, blijven water aan- en

afvoeren bij eb en vloed. Kustveenmoeras ontstaat wanneer de schorre samen met de kreken

voldoende hoog zijn opgeslibd zodat ze niet meer overstromen gedurende een periode waarin

zich een zoetwaterlens onder het oppervlak vormt (Baeteman, 2007b).

Het subtidaal gebied bevat de getijdengeulen. Een getijdengeul brengt bij vloed het zeewater,

geladen met klei en fijn zand, het wad binnen en voert het water terug af bij eb. Getijdengeulen

komen op geen enkel moment droog te liggen. Getijdengeulen kunnen zich onder invloed van

meandering verplaatsen. Ten gevolge van deze migratie is kriskrasgelaagdheid de belangrijkste

afzettingsstructuur (Baeteman, 2007b).

De schorren en slikken zijn sterk afhankelijk van het zeeniveau en daarom zeer dynamisch.

Door de zeespiegelstijgingen drongen de getijdengeulen verder landinwaarts met als gevolg

dat de slikke zich uitbreidde over het vroegere schorregebied dat op zijn beurt ook verder

landinwaarts trok. Tijdens de kustgenese hebben zich door de zeespiegelstijging meerdere van

deze verschuivingen voorgedaan.

In de periode voor 7500 jaar terug steeg de zeespiegel met ± 7m per 1000 jaar (Fig. 2.1) enbreidde het getijdengebied zich vlug landinwaarts uit. Hierbij werd een dik pakket zand en klei

afgezet (Baeteman et al., 2002; Denys & Baeteman, 1995).

Door een eerste vertraging van de zeespiegelstijging (± 4 tot 2.5m/ 1000 jaar), 7500 tot 7000jaar geleden (Fig. 2.1) (Denys & Baeteman, 1995), raakten delen van het wad voldoende

hoog opgeslibd en werden zo minder overspoeld. Er kon zich een zoetwaterlaag vormen onder

de schorre waardoor zoetwatermoerassen ontstonden waarin veen accumuleert. Getijdengeulen

verplaatsten zich op zoek naar ruimte om sediment af te zetten. Hierdoor bestaan de afzettingen

uit deze periode uit afwisselende laagjes van veen en wadsediment. Deze afzettingen worden

onterecht Duinkerke afzettingen genoemd (afzettingen veroorzaakt door schommelingen in de

zeespiegel) (Baeteman, 2007a; Denys & Baeteman, 1995).

Een tweede vertraging van de stijging 5500 tot 5000 jaar geleden (± 1 tot 0.7m/ 1000 jaar)(Fig. 2.1) (Denys & Baeteman, 1995) zorgde ervoor dat veenaccumulatie ongestoord kon blijven

doorgaan. Dit veen, ook oppervlakteveen genoemd, bedekte rond 4800 jaar geleden nagenoeg

de volledige toenmalige kustvlakte (Baeteman, 2007a; Denys & Baeteman, 1995).

Een combinatie van verschillende factoren (Baeteman, 2007a) zorgde ± 2300 jaar geleden vooreen einde aan de veengroei (Baeteman, 2007b; Baeteman et al., 2002; Baeteman, 1991). Via

getijdengeulen stond de vlakte terug onder invloed van de getijdenwerking waardoor deze op-

nieuw werd uitgeschuurd. Het veen aan de randen van de geulen werd geërodeerd. Dit zorgde

4


Figuur 2.1: Relatieve zeespiegelstijgiging van het gemiddelde

hoog- en laagwaterniveau in m TAW (de tweede

algemene wateraanpassing) (Bron: aangepast

uit Baeteman, 1999).

voor een ontwatering waardoor het veen ging inklinken in de omgeving van de geulen (Bae-

teman, 2007b). De geulen met zandige opvulling, die oorspronkelijk de laagst gelegen zones

uitmaakten, maar waar het veen door erosie verdwenen was, zijn hierdoor in reliëf gekomen.

Dit verschijnsel van reliëfinversie is vooral uitgesproken in het Oudland, waar de kleigronden

met venige ondergrond de zogenaamde poelgronden vormen. In het Middelland en vooral in

het Nieuwland en de Historische polders is dat verschijnsel minder of zelfs niet meer merkbaar

door de afzetting van recentere kleilagen. In die laatste poldertypes vormen de geulen nog min

of meer duidelijk zichtbare depressies. Hun opvulling bestaat meestal uit klei (Van Ranst &

Sys, 2000).

Pas rond 800 n. Chr. kwam er een evenwicht tussen het toenmalige zeeniveau, de aanvoer

van sediment en de komberging. De geulen werden opnieuw opgevuld en een groot deel van

de vlakte kon tot slikken en schorre evolueren. Er werd geen bergingsruimte meer gecreëerd

waardoor de geulen lateraal migreerden. Het einde van de complexe opvulling van de kustvlakte

werd mede in de hand gewerkt door de mens die de vlakte beetje bij beetje begon in te dijken

(Baeteman, 2007a). Vanaf de 10de eeuw begonnen de eerste cultuurinnames. Getijdengeulen

die in verbindingen stonden met de zee zorgden voor overstromingen bij stormvloeden. Om

te verkomen dat de ingenomen weiden zouden overspoelen werden dijken aangelegd. Deze

“oude zeedijken” zijn niet zeer hoog en staan meestal loodrecht op de kustlijn, het water

komt immers via de geulen binnen. Het indijken veroorzaakte grotere stormvloeden in de

overgebleven geulen. Door de indijkingen moest de mens zelf zorgen voor drainage van het

land via grachten en drainagesystemen. Samen met de middeleeuwse veenuitgraving zorgde het

aanleggen van grachten voor een verlaging van het oppervlak. De doorbraak van een dijk had

dan bijgevolg catastrofale gevolgen. De overstromingen na 1000 n. Chr. werden vroeger gezien

als de Duinkerke III transgressie maar werden echter door de middeleeuwse mens veroorzaakt

(Baeteman, 2007b).

5


2.1.2 De cultuurhistorische ontwikkeling van Koksijde

Landschapshistorisch onderzoek heeft aangeduid dat de plaatsnaam Koksijde gëıdentificeerd

kan worden met een middeleeuwse vissersnederzetting aan de oever van een verdwenen getij-

dengeul. De plaatsnaam Koksijde wordt vanaf de 13de eeuw in kerkelijke archieven vermeld

onder de vorm Coxhide en Coxhyde. Koksijde eindigt net als meerdere plaatsnamen aan de

kust op “-ijde” of “-ide”. Deze plaatsnamen verwijzen naar een oud middeleeuws gebruik om

kleinere vissersschuiten aan land te brengen, te “(h)yden”, en te beschermen voor het grotere

zeegeweld. Etymologen zien in de uitgang “-ijde” of “-ide” een verband met het Oudengelse

hyp, wat betekent “aanlegplaats” (schuilhaven of kleine haven) of “landingsplaats” (Lehouck,

2010b; Devos, 2007).

Voor de etymologische betekenis van de naam “kok” zijn in de literatuur verschillende bete-

kenissen te vinden. Een mogelijke verklaring verwijst naar het woord kok in verband met de

betekenis als ronde hoogte, heuvel of duin. De etymologie kan ook gezocht worden in het

woord Kokkel. De Kokkel, Cerastoderma edule, is een tweekleppig schelpdier dat massaal voor-

komt aan de basis van een geul. Het toponiem Koksijde zou aldus vertaald kunnen worden

als een aanlegplaats voor vissersboten waar kokkels massaal voorkomen. De meest sluitende

verklaring, zowel taalkundig als geschiedkundig, is echter het verband met de persoonsnaam

of familienaam Coc als de eerste hier actieve of voornaamste reder (Lehouck, 2010b; Devos,

2007).

Door de ligging van Koksijde naast deze getijdengeul was het gedurende de late middeleeuwen

mogelijk vanuit Koksijde de vissersdorpen Oostduinkerke, het verdwenen Nieuwe Yde en de

IJzermonding te bereiken. Duinverstuiving en aanslibbing maakten de getijdengeul in de loop

van de late middeleeuwen onbevaarbaar. Omstreeks 1900 kwam de kuststreek onder toene-

mende druk van het opkomende kusttoerisme te staan wat de oude topografie ernstig heeft

aangetast en de laatste sporen van deze getijdengeul uit het landschap liet verdwijnen. Daar-

naast maakte de duinverstuiving archeologisch onderzoek in de duinstreek bijzonder moeilijk.

Het stuifzand zorgde voor een verplaatsing van de kern van de vissersnederzetting. Hierdoor

is de archeologische kennis beperkt en zijn er weinig historische bronnen beschikbaar voor een

nader inzicht in de ontstaansgeschiedenis van de middeleeuwse nederzetting Koksijde (Lehouck,

2010b; Lehouck, 2008). De beperkte kennis over het ontstaan van Koksijde samen met de spe-

culaties over de etymologische verklaring van Koksijde geeft aan dat er nood is aan verdere

informatie over het verloop van de geul.

2.1.3 Landschapsarcheologisch onderzoek: Golf Hof ter Hille

De verdwenen getijdengeul werd ontdekt tijdens de geofysische prospectie van enkele land-

bouwpercelen in Koksijde. Deze geofysische prospectie werd uitgevoerd, in het kader van een

historisch landschapsonderzoek, naar aanleiding van de aanleg van het golfterrein Hof ter Hille.

De gemeente Koksijde nam in 2000 het initiatief om een golfterrein aan te leggen om aan de

toenemende vraag naar toeristische en recreatieve infrastructuur te voldoen. Het golfproject zal

gerealiseerd worden in een 84.5 ha groot landbouwgebied met een belangrijke erfgoedwaarde,

6


gelegen ten zuidwesten van het centrum van Oostduinkerke (Fig. 2.2). Het gebied valt binnen

het oude poldergebied, het zogenaamde Oudland. Dergelijk grootschalig golfproject heeft een

grote impact op het cultuurlandschap en vormt een bedreiging voor het cultuurhistorisch en

landschapshistorisch erfgoed die deze streek rijk is. Rekening houdend met verschillende de-

creten aangaande de bescherming van het archeologisch en landschapshistorisch erfgoed werd

in 2008 een historisch landschapsonderzoek gestart (Eggermont et al., 2010).

Het vooronderzoek omvatte een niet-destructieve geofysische prospectietechniek, gebaseerd op

elektromagnetische inductie, om de bodemvariabiliteit in kaart te brengen. Hierbij werd ge-

zocht naar anomalieën in de bodem die archeologische of landschapshistorische sporen kunnen

veruiterlijken, zoals onder andere voormalige perceelsgrenzen, nederzettingen en verdwenen

landschapsvormen zoals getijdengeulen. Potentieel archeologisch waardelvolle gebieden konden

hierdoor gelokaliseerd worden om de opgravingen te sturen.

De ontdekking van de oude getijdengeul is een van de belangrijkste resultaten van het vooron-

derzoek (Fig. 2.2). De lokalisatie van de getijdengeul leidde tot de plaats waar de 12de eeuwse

abdij van Fulco stond (Lehouck, 2010a). Deze abdij behoort tot de Ten Duinen abdij en werd

in 1128 gesticht onder abt Fulco met de steun van de Graven van Vlaanderen. Tot voorheen

behoorde de oudste rüıne van de Ten Duinenabdij echter toe aan de vroeggotische abdij uit het

begin van de 13de eeuw. In 15de eeuwse bronnen wordt verwezen naar “het oostelijk strand” in

de buurt van de abdij van Fulco waardoor de abdij ten onrechte in het noorden werd gesitueerd

nabij de Noordzee. Nu is het echter duidelijk dat met “oostelijk strand” de westelijke oever

van de getijdengeul werd bedoeld (Lehouck, 2008).

De getijdengeul speelde ook een rol in het ontstaan van vissersnederzettingen. In de directe

omgeving van de geul zijn diverse nederzettingen van vissersboeren gevonden die dateren uit

de periode van de 10de tot 12de eeuw (Lehouck, 2008). Uit het vooronderzoek werden vier

zones geselecteerd voor archeologische opgravingen met als doelstelling de nederzettingen te

documenteren in een landschappelijke context (Fig. 2.2).

Zones 1, 2 en 3 hiervan bevatten nederzettingen uit de volle en late middeleeuwen. Dergelijke

archeologische sites zijn tot op heden haast onbekend. Dit maakt dit onderzoek dan ook zeer

bijzonder. De onderzochte nederzettingen zijn omgeven door een vierkante grachtstructuur en

waren uit hout opgetrokken. Door de vergankelijkheid van dit materiaal zijn weinig bouwsporen

terug te vinden. De grondverkleuringen in grachten en greppels bevatten echter voldoende

informatie om een inzicht te krijgen in de plattegronden. In de vullingen is het afval van de

bewoners aan te treffen. Hieruit kan een schat aan informatie gehaald worden betreffende

de voedsel- en eetgewoonten, gebruiksvoorwerpen, de landschappelijke omgeving, de land- en

tuinbouw, de veeteelt etc. Zone 4 (Nonnenhof) herbergt vooral interessante gegevens met

betrekking tot de geallieerde troepen die er gedurende WO-I waren. Tijdens WO-I werden

zowel het Nonnenhof als Hof ter Hille in het verdedigingssysteem ingezet. De deelname in

het verdedigingssysteem verklaart het grondverzet en de bomgaten. Er werden batterijen en

bunkers aangelegd. Alsook militaire voetpaden en tijdelijke spoorwegen (Lehouck, 2008).

7


Figuur 2.2: Golfzone Hof ter Hille en de ontdekte arm van de

oude getijdengeul. De rode lijn toont de omtrek

van het toekomstige golfterrein, de gearceerde

blokjes zijn de opgravingszones afgebakend op

basis van het vooronderzoek (Bron: Eggermont

et al., 2010).

2.2 Proximale bodemsensoren

Om de bodemvariabiliteit te karakteriseren kan gebruik gemaakt worden van boringen of sen-

sordata. Boringen laten toe om op een directe manier de bodemvariabiliteit in kaart te brengen.

Ze worden uitgevoerd volgens een vooraf gedefinieerde staalnamestrategie, eventueel gevolgd

door een laboanalyse op de te onderzoeken bodemeigenschap. Hierbij moet de staalnamedicht-

heid een weerspiegeling zijn van de bodemvariabiliteit om betrouwbare gegevens te bekomen.

Hoe heterogener de bodem, hoe meer bodemstalen nodig zijn om een nodige precisie te bereiken.

De mate waarin conventionele bodemstalen gebruikt kunnen worden om de bodemvariabiliteit

te kwantificeren is echter meestal beperkt omwille van economische en praktische redenen daar

handboringen arbeids- en tijdsintensief zijn, alsook het dure labowerk dat ermee gepaard gaat

(Stroh et al., 2001).

Sensortechnologie biedt een waardig alternatief om op een eenvoudige, snelle en minder ar-

beidsintensieve manier informatie te verzamelen over de bodemvariabiliteit. Bodemsensoren

kunnen gedefinieerd worden volgens de afstand tussen de bodem en de sensor: ver of dichtbij

(Cockx, 2010).

8


Teledetectiesensoren verzamelen informatie van op een afstand die kan variëren van enkele

meters tot honderden kilometers. Ze meten de reflectantie van het bodemoppervlak op in ver-

schillende banden van elektromagnetische spectrum. Deze reflectantie is functie van de fysische

en chemische kenmerken van de bodem. Het nadeel van deze methode om de bodemvariabi-

liteit te karakterisen is de grove spatiale resolutie. Bovendien worden zelden beelden van de

naakte bodem bekomen door de aanwezigheid van gewassen, gewasresten of ander vormen van

landbedekking. Het voordeel van deze techniek is dat grote gebieden snel kunnen opgemeten

worden, alsook ontoegankelijke gebieden (Lillesand et al., 2008).

Proximale bodemsensoren laten toe om informatie over bodemkenmerken te verzamelen via

direct contact met de bodem of vanuit een positie net erboven (1 m of minder). Verschil-

lende van deze sensoren zijn ontwikkeld in een configuratie die mobiele metingen mogelijk

maakt. Hierdoor kan de bodemheterogeniteit op een ruimtelijk continue wijze gekarakteriseerd

worden. Deze sensoren worden op het veld gecombineerd met een GPS om de informatie te

georefereren en een veldcomputer om de data te registreren. Een omschrijving van optische en

radiometrische sensoren, mechanische sensoren, elektrochemische sensoren en elektromagneti-

sche inductie (EMI) sensoren is gegeven in Cockx (2010). Vaak gebruikte bodemsensoren zijn

EMI-sensoren. Commercieel beschikbare EMI-sensoren worden ondermeer geproduceerd door

Geonics ltd. (Mississauga, Ontario, Canada) en DUALEM inc. (Milton, Ontario, Canada).

2.2.1 EMI-sensoren

EMI-sensoren bepalen het vermogen van de bodem om elektrische ladingen op te slaan en

te geleiden door gebruik te maken van elektrische stroomkringen. Ze wekken een veranderend

magnetisch veld op dat een elektrische stroom induceert in een conductief medium. Hieruit kan

de laterale verandering in schijnbare elektrische conductiviteit (ECa) en schijnbare magnetische

susceptibiliteit (MSa) van de bodem bepaald worden. Deze twee gemeten signalen zijn een

integratie over een bodemvolume onder de sensor. Vandaar dat gesproken wordt van schijnbare

EC en MS (Cockx, 2010; Simpson, 2009).

Hun werking is gebaseerd op het principe van EMI. Dit principe kan beschreven worden met

twee fundamentele vergelijkingen: (i) de wet van Ampère, die later uitgebreid werd door Max-

well en (ii) de wet van Faraday (Giancoli, 2004). De wet van Ampère-Maxwell stelt dat een

elektrisch veld E (veroorzaakt door een elektrische stroom) aanwezig in een homogeen en iso-

troop medium met conductiviteit σ en permitiviteit � een magnetische veld H induceert volgens

volgende vergelijking (Giancoli, 2004):

∇×H = σE + �dEdt

(2.1)

Hierbij is de eerste term van het rechterlid de geleidingsstroom en de tweede term de ver-

plaatsingsstroom. Een magnetisch veld kan dus opgewekt worden door een elektrisch veld. Het

omgekeerde is echter ook mogelijk. De wet van Faraday stelt dat een elektrisch veld gëınduceerd

wordt in een conductief medium door een veranderend magnetisch veld. Voor een homogeen

een isotroop medium met magnetische susceptibiliteit µ is het elektrisch veld E gegeven door

9


(Giancoli, 2004):

∇×E = −µdHdt

(2.2)

In het algemeen bestaan EMI-sensoren uit 2 spoelen (Fig. 2.3): een zend- en een ontvangspoel.

Deze spoelen kunnen als magnetische dipolen beschouwd worden. Een wisselstroom met een

bepaalde frequentie wordt door de zendspoel gestuurd waardoor een (primair) tijdsvariabel

magnetisch veld (Hp) wordt opgewekt (de wet van Ampère-Maxwell). Dit magnetisch veld

wordt rechtstreeks opgevangen door de ontvangspoel en induceert volgens de wet van Faraday

wervelstromen (eddy currents) in de bodem. Deze wervelstromen wekken op hun beurt een

secundair magnetisch veld (Hs) op, dat eveneens door de ontvangspoel wordt opgevangen.

Zowel het primaire als het secundaire magnetisch veld induceren een stroom in de ontvangspoel

waarvan het voltage opgemeten wordt. Het secundair magnetisch veld heeft een amplitude en

faseverschuiving die verschillend zijn van deze van het primaire magnetisch veld. Het verschil

is afhankelijk van de bodemeigenschappen, de afstand tussen de zend- en ontvangspoel en hun

oriëntatie, de frequentie en de afstand tot het maaiveld. Het secundair magnetisch veld kan

met een Fourier transformatie ontleed worden in twee componenten: (i) de in-fase component,

die in fase is met het primaire veld en (ii) de quadratuur component, die 90◦ uit fase is met

het primaire veld. Beide componenten zijn voorgesteld in Fig. 2.4 (Hendrickx & Kachanoski,

2002; Reynolds, 1997).

Figuur 2.3: Schematische voorstelling van het elektromagnetisch induc-

tie principe, met weergave van twee spoelen (cirkels) en

magnetische velden (Bron: aangepast uit Simpson, 2009).

10


tijd

ampl

itude

in−fase

uit−fase

Hp

Hs

Figuur 2.4: Faseverschuiving en amplitudeverandering van het secun-

dair veld Hs ten opzichte van het primair veld Hp met weer-

gave van de in-fase en uit-fase component van Hs.

De MSa is proportioneel met de verhouding van de in-fase component van Hs en Hp (Simpson,

2009). De MS van de bodem is onder meer afhankelijk van de concentratie Fe-oxiden zoals

magnetiet en magnesiet. Pedogene en antropogene processen zorgen voor vorming en wijziging

van deze mineralen zodat de MSa hoger is in de toplaag en op locaties met verbrand of verhit

materiaal zoals bakstenen. Vandaar dat MSa veel gebruikt wordt voor archeologische prospectie

(Simpson et al., 2008).

De ECa die gemeten wordt door de sensor is proportioneel met de verhouding van de uit-fase

component van het secundaire veld en het primaire veld in de ontvangspoel (McNeill, 1980b):

ECa =4

2πfµ0s2HsHp

(2.3)

met, ECa, de schijnbare elektrische conductiviteit [mS m-1],

f , de frequentie [Hz],

µ0, de permeabiliteit in vacuüm [4π10-7H m-1],

s, de afstand tussen de zend- en ontvangspoel [m],

Hs, de uit-fase component van het secundair magnetisch veld in de ontvangspoel [H m-1],

Hp, het primair magnetisch veld in de ontvangspoel [H m-1].

ECa-metingen zijn sterk gerelateerd aan verschillende fysico-chemische bodemparameters

(Simpson, 2009; Friedman, 2005; McNeill, 1980b). Ze werden daarom reeds gebruikt om ver-

schillende edafische eigenschappen in kaart te brengen zoals het kleigehalte (McBratney et al.,

2005; Triantafilis & Lesch, 2005; Hedley et al., 2004), de bodemsaliniteit (Amezketa, 2007;

Amezketa, 2006; Lesch et al., 1998), het vochtgehalte (Huth & Poulton, 2007; Brevik et al.,

2006; Sherlock & McDonnell, 2003), bulkdensiteit gerelateerde eigenschappen zoals compactie

(Gorucu et al., 2001) en de kationuitwisselingcapaciteit (Triantafilis et al., 2009; McBride et al.,

1990). ECa-metingen worden algemeen bëınvloed door al deze factoren, waarbij de verbanden

en interacties complex zijn ().

11


Omwille van de sterke relatie tussen ECa en het kleigehalte kunnen ECa-metingen ook bijdragen

tot de reconstructie van afzettingen in alluviale gebieden. Dit werd toegepast in Conyers et al.

(2008) om potentieel archeologisch waardevolle gebieden te lokaliseren in voormalige alluviale

gebieden. In Gourry et al. (2003) werden ECa-metingen gebruikt als bijdrage aan de constructie

van de rivierdynamiek van de Loire.

Dankzij het niet-invasieve karakter en de onmiddellijke respons zijn ECa-metingen mobiel te

maken. Hierdoor kunnen grote oppervlaktes sneller, efficiënter en met een hogere resolutie

worden opgemeten (Sudduth et al., 2005; Corwin & Lesch, 2005b). De nadelen van EMI zijn

de driftgevoeligheid en onstabiliteit voor externe invloeden zoals hoogspanningsleidingen en

elektromagnetische straling (Simpson, 2009).

2.2.2 Dieptegevoeligheid en multisignaal EMI-sensoren

EMI sensoren werden reeds veel gebruikt om de ruimtelijke variatie aan bodemeigenschappen in

kaart te brengen. Omwille van de dieptegevoeligheid van deze sensoren wordt meer recent uit de

ECa-metingen ook informatie gehaald over de verticale bodemvariabiliteit. De dieptegevoelig-

heid is afhankelijk van de spoelafstand, de spoeloriëntatie (horizontaal, verticaal of loodrecht)

en de hoogte van de sensor boven het maaiveld (Gebbers et al., 2007). ECa-metingen laten

dus toe de bodemvariabiliteit zowel tweedimensionaal als driedimensionaal te karakteriseren.

Zo kunnen ECa-metingen gebruikt worden om de diepte van de interfase tussen verschillende

bodemlagen of horizonten te bepalen. De verandering van bodemeigenschappen, zoals het

kleigehalte of de aanwezigheid van een zoutwatertafel, met de diepte zijn belangrijk voor de

landbouw. Sterke veranderingen in het kleigehalte en de aanwezigheid van een ondiepe zout-

watertafel kunnen de productiviteit namelijk opmerkelijk bëınvloeden. Met betrekking tot het

kleigehalte werden in Vitharana et al. (2008), Cockx et al. (2007), Doolittle et al. (1994) en

Brus et al. (1992) ECa-metingen gebruikt om de diepte tot een kleilaag te bepalen. Hierbij

werd het verband tussen de diepte tot de kleilaag en ECa exponentieel gefit op basis van een

kalibratiedataset. Analoog werd in Buchanan & Triantafilis (2009) de diepte tot de zoutwater-

tafel bepaald. In Triantafilis et al. (2003) werd de verhouding tussen ECa-metingen van EM38

en EM31 gebruikt, welke een verschillende frequentie en spoelafstand hebben, om het verband

met de diepte tot de kleilaag exponentieel te fitten.

Naast curve fitting, welke een data gebaseerde methode is, zijn er ook meer theoretisch on-

derbouwde methoden om veranderingen in bodemeigenschappen met de diepte te beschrijven.

McBratney et al. (2000) pasten de Tikhonov regularisatie toe op EM38-metingen, genomen op

verschillende hoogtes boven het maaiveld, om het bodemprofiel te reconstrueren. Daarnaast

kan het verband tussen bodemeigenschappen die veranderen met de diepte en ECa-metingen

ook gemodelleerd worden door ECa te benaderen als een dieptegewogen som van de EC van

verschillende als homogeen beschouwde bodemlagen. Het gewicht van elke bodemlaag wordt

bepaald op basis van de cumulatieve diepteresponscurves (vgl. 2.4, 2.5 en 2.6). De cumulatieve

responscurves, uitgedrukt als een percentage van het gemeten signaal, van een bodemvolume

tot aan een diepte z (m) zijn gedefinieerd door McNeill (1980b) voor verticale (Rv(z)) en hori-

zontale (Rh(z)) spoeloriëntaties (vgl. 2.4 en 2.5) en door Wait (1962) voor loodrechte (Rp(z))

12


spoeloriëntaties (vgl. 2.6):

Rv(z) =1− (4z2

s2+ 1)−0.5 (2.4)

Rh(z) =1− (4z2

s2+ 1)−0.5 + 2

z

s(2.5)

Rp(z) =2z

s(4z2

s2+ 1)−0.5 (2.6)

met s de afstand tussen de zend- en ontvangspoel. Deze techniek werd toegepast in Saey et al.

(2008) op metingen van de EM38 om de diepte tot de interfase tussen twee bodemlagen te bepa-

len. De EC toegekend aan de twee lagen werd hierbij bepaald door het gekwadrateerde verschil

tussen de geobserveerde en gemodelleerde diepte voor enkele kalibratiepunten te minimaliseren.

Omwille van de vaste frequentie van de sensoren zijn de enige mogelijkheden om de dieptegevoe-

ligheid aan te passen de spoelafstand, de spoeloriëntatie en de hoogte van de sensor boven het

maaiveld. In Triantafilis et al. (2003) werden meerdere EMI-senoren met verschillende spoel-

oriëntaties en afstanden met elkaar gecombineerd om meer informatie in de diepte te bekomen.

In (McBratney et al., 2000) werden daartoe de metingen op verschillende hoogtes boven het

maaiveld uitgevoerd.

Technologische vooruitgang in het ontwerp van EMI-sensoren zorgde voor een nieuwe generatie

EMI-sensoren met meerdere spoelconfiguraties, de zogenaamde multisignaal sensoren zoals de

DUALEM-21S, de DUALEM-421 en de EM38DD. Deze sensoren zijn ontworpen om meerdere

ECa-metingen simultaan te registreren bij verschillende spoelafstanden en oriëntaties. Bij elke

van de spoelconfiguratie hoort een specifieke diepteresponscurve. Ze bieden hierdoor meer

informatie over de bodemvariabiliteit in de diepte. De EM38DD bestaat in essentie uit twee

EM38 dipolen die loodrecht op elkaar zijn geplaatst. De ECa’s gemeten door de horizontale

en de verticale dipool werden gecombineerd in Viscarra Rossel et al. (2010) om de diepte tot

tertiaire klei onder een leemlaag te bepalen. In Saey et al. (2009) werd de performantie van de

DUALEM-21S met de EM38DD vergeleken in het bepalen van de diepte tot een onderliggende

kleilaag gebruikmakende van de cumulatieve diepteresponscurves. Hieruit kon men besluiten

dat beide sensoren een nauwkeurige bepaling van de interfase tussen twee horizonten toe laten.

Echter bij de EM38DD zijn kalibratie observaties nodig van de diepte tot de interfase om

een EC toe te kennen aan de twee lagen, terwijl de vier verschillende spoelconfiguraties van

de DUALEM-21S theoretisch voldoende gegevens leveren om de diepte tot de interfase te

bepalen zonder bijkomende kalibratieobservaties. In Saey (2010) werden de vier simultane

metingen van de DUALEM-21S gebruikt om de diepte te modelleren van de ontdekte arm

van de paleogeul in Koksijde gebaseerd op de diepteresponscurves. De EC toegekend aan de

verschillende lagen werd hier bepaald met de EC-sonde. Analoog werd in De Smedt et al.

(2011) de diepte van een paleogeul gemodelleerd. Hier werd de EC van de bodemlagen bepaald

door het gekwadrateerde verschil tussen de geobserveerde en gemodelleerde diepte voor enkele

kalibratiepunten te minimaliseren voor elke spoelconfiguratie. Monteiro Santos et al. (2010)

ontwikkelde een 2D inversiemodel, eveneens gebaseerd op de cumulatieve diepteresponscurves,

om uit de zes simultane ECa-metingen van de DUALEM-421 de profielopbouw te bepalen.

13

Hoofdstuk 3

Materiaal en methoden

3.1 Studiegebied

Het studiegebied is gelegen ten zuidwesten van Oostduinkerke in de kustgemeente Koksijde

(West-Vlaanderen) (Fig. 3.1). Het studiegebied ligt ongeveer 3 km ten zuiden van de kust-

lijn met de duinengordel tussenin. Het onderzochte gebied omvat 11 velden met een totale

oppervlakte van 40 ha gelegen in een landbouwzone. De centrale velden konden niet worden

opgemeten omwille van de confrontatie met één van de nadelen van de meetconfiguratie na-

melijk de toegankelijkheid van de velden. Hiervoor is men afhankelijk van de toestemming

van de eigenaars of de pachters. In het westen wordt het onderzochte gebied door de Hof ter

Hillestraat afgebakend van het golfproject “golf Hof ter Hille”. Deze grens omvat het tracé van

de beruchte “Oude Zeedijk”. Deze dijk vormt de grens tussen de Oudlandpolders (ten westen

van de Oude Zeedijk) en Middellandpolders (ten oosten ervan). Het studiegebied valt aldus

binnen de Middellandpolders.

Figuur 3.1: Situering van het studiegebied in België (links) en topografische kaart van het studiegebied

in Lambert72 coördinaten (rechts) met aanduiding van de opgemeten velden. Het rood

omlijnde gebied werd opgemeten in Saey (2010).

14

Hoofdstuk 3. Materiaal en methoden

Net zoals de rest van de kustvlakte behoort het studiegebied geologisch tot het kwartair. Het

substraat bestaat uit pleistoceen zand of zandleem. Vroegere geologische lagen spelen geen rol

in de opbouw van het oppervlak. De voorkomende bodemseries volgens de digitale bodemkaart

van Vlaanderen worden weergegeven in Fig 3.2. Het morfogenetisch classificatiesysteem waar

de Belgische bodemkaart is op gebaseerd kon niet toegepast worden in de kuststreek, aangezien

de bodems in deze streek geen profielontwikkeling vertonen. De kustvlakte is voornamelijk ont-

staan als gevolg van de postglaciaire zeespiegelstijgingen. Bijgevolg steunt de bodemkartering

in de kustvlakte op een classificatie die gebaseerd is op geomorfologische en lithostratigrafische

criteria. De bodem in het studiegebied is voornamelijk gekarteerd als kreekruggronden en dek-

klei polders. Kreekruggronden bestaan uit slibhoudend zand tot klei dat met de diepte overgaat

in een lichter materiaal. Dekklei bestaat uit zware klei tot klei tot op meer dan 100 cm. De

bodem bestaat aldus in de toplaag vooral uit klei dat van alluviale oorsprong is bovenop lichter

materiaal, geulzand en pleistoceen zand (Van Ranst & Sys, 2000).

Figuur 3.2: Bodemkaart in Lambert72 coördinaten (Bron: Digitale bodemkaart Vlaanderen).

Fig. 3.3 geeft het digitaal hoogtemodel (DHM) van het studiegebied weer. Het studiegebied

situeert zich tussen 3.5 en 5 mTAW. Daarnaast is het verloop van de ontdekte arm in Saey

(2010), door kleine variaties in de hoogte waar te nemen op het DHM. De getijdengeul vormt

namelijk een lichte depressie in het landschap. Dit is het gevolg van de grotere compactiege-

voeligheid van klei en veen, waarmee de geul gevuld is, ten opzicht van zand. Deze vaststelling

werd echter enkel gedaan dankzij de voorafgaande EMI prospectie. Zonder deze informatie

zou deze arm niet uit het DHM alleen ontdekt kunnen worden. Er valt te verwachten dat de

15


getijdengeul verbreedt naar het zuiden. Voor de andere omliggende velden valt het verloop niet

af te leiden uit het microreliëf en is verdere EMI prospectie noodzakelijk.

Figuur 3.3: DHM in mTAW in Lambert72 coördinaten (Bron: DHM ondersteu-

nend centrum GIS Vlaanderen, VLM).

3.2 Algemene bodemkenmerken

Op een vijftiental punten werd met een gutsboor geboord om de profielopbouw te bepalen.

De boorpunten werden uitgezet langs een 65 m lang transect A–B dwars op de getijdengeul.

Transect A–B is gelokaliseerd in Fig. 3.4. Ter plaatse werd het volledige profiel op basis van

duidelijk waarneembare textuurverschillen opgedeeld en werden bodemstalen genomen voor

verdere textuuranalyse in het labo. De diepte van de getijdengeul (z) werd in elk van de

punten genoteerd als kalibratie observaties voor de dieptemodellering om een ECa-z relatie op

te stellen.

Voor de aanvang van de analyses werden de bodemstalen gedroogd. Vervolgens werd de lucht-

droge grond fijngemalen in een mortier en gezeefd op een 2 mm zeef. Vervolgens werd het

organische stof gehalte (OS) en het calciumcarbonaat (CaCO3) gehalte bepaald. Deze analy-

ses zijn nodig voor de textuuranalyse, daar OS en CaCO3 cementerende materialen zijn die

verwijderd moeten worden om een goede dispersie van de kleifractie te bekomen.

16


Het OS werd bepaald met de methode van “Walkley & Black” (Walkley & Black, 1934). Een

volledig exacte bepaling van OS in de bodem is niet mogelijk omdat een volledige afzondering

van OS uit de bodem niet mogelijk is. De bepaling van koolstof in de bodem is wel nauwkeurig

door te voeren. In de methode van Walkley & Black wordt de koolstof omgezet tot CO2 door

oxiderend bichromaat (K2Cr2O7) toe te voegen. Er wordt aangenomen dat het koolstofgehalte

van het organisch materiaal 50% bedraagt in Belgische bodems. Er dient echter opgemerkt te

worden dat niet alle koolstof in de bodem afkomstig is van OS en dat de samenstelling van

koolstof in OS niet constant is.

Het CaCO3 gehalte werd bepaald door een gekende overmaat H2SO4 aan het monster toe te

voegen. Na inwerking werd de overgebleven hoeveelheid H2SO4 bepaald door terugtitratie met

NaOH.

Het gehalte zand (50-2000µm), leem (2-50µm) en klei (


3.3 EC-metingen en dataverwerking

Met de EC-sondekit werden langs transect A–B (Fig. 3.4) puntmetingen uitgevoerd van de EC

van de verschillende bodemlagen: de ploeglaag, de alluviale klei en geulvulling alsook van het

onderliggende basismateriaal. Deze metingen werden gebruikt als kalibratie observaties voor

de dieptemodellering om een ECa-z relatie op te stellen.

De EC-sondekit (Fig. 3.5) bestaat standaard uit een EC-sonde met uitschroefbaar handvat,

aardweerstandsmeter en gutsboor (Eijkelkamp Agrisearch Equipment, Giesbeek, Nederland).

De EC-sonde bestaat uit een stalen staaf met onderaan de sonde. In de sonde bevinden zich

vier ringvormige elektroden op een onderlinge afstand van 25 mm. De elektroden zijn onderling

gescheiden door afdichtringen en isolatieringen. De buitenste elektroden zijn stroomelektroden

en de middelste zijn meetelektroden.

Figuur 3.5: EC-sondekit met aardweerstandsmeter, EC-

sonde en gutsboor (Bron: Eijkelkamp, 2003).

Het meten van de bodemweerstand met behulp van vier elektroden is gebaseerd op de Wenner-

methode, en werd door Rhoades & Van Schilfgaarde (1976) gebruikt voor de ontwikkeling van

een EC-sonde. Daar de bodemweerstand de reciproke waarde is van de EC kan ook de EC

van de bodem bepaald worden. Fig. 3.6 geeft de werking van de EC-sonde schematisch weer.

De stroom (6) wordt geleverd door de aardweerstandsmeter. Deze genereert een wisselstroom

tussen de twee stroomelektroden (1,4). Hierdoor wordt een elektrisch veld opgewekt waarvan

de grootte afhangt van (i) de stroomsterkte en (ii) de afstand tussen de vier elektroden (allen

op 25 mm). De spanning tussen de stroomelektroden neemt af tengevolge van de weerstand

van de bodem. De aardweerstandsmeter (7) meet het optredende spanningsverschil tussen de

meetelektroden (2,3). De verhouding van het gemeten spanningsverschil en de stroomsterkte

geeft de weerstand van de bodem (Eijkelkamp, 2003). Deze waarde, die wordt weergegeven op

de display van de aardweerstandsmeter, is representatief voor een elliptisch bodemvolume van

± 80 cm3 rond de sonde. Na meting van de weerstand wordt aan de hand van vgl. 3.1 de ECvan de bodem berekend:

EC = 100.k

Rt(3.1)

18


met, EC, de elektrische geleidbaarheid [mS m−1],

k, de celconstante 17,5 [cm-1],

Rt, de gemeten weerstand bij de heersende bodemtemperatuur [kΩ].

Omdat de EC afhankelijk is van de bodemtemperatuur is een temperatuursensor voorhanden.

Deze meet een temperatuurscorrectiefactor ft waaruit de bodemtemperatuur T bepaald kan

worden:

T =1− 0.49135.ft

0.020346.ft(3.2)

met, T , de bodemtemperatuur [◦C],

ft, de temperatuurscorrectiefactor.

Daar op elke meetlocatie een boring moet uitgevoerd worden om de EC te kunnen meten zijn

enkel puntmetingen mogelijk, en geen mobiele metingen.

Figuur 3.6: Schematische weergave van de werking van de EC-sonde (Bron: Eijkelkamp, 2003).

De mobiele ECa-metingen werden uitgevoerd met een multisignaal EMI-sensor, de DUALEM-

21S . Deze sensor bestaat uit een 2.41 m lange buis en bevat één zendspoel en vier ontvangspoe-

len (Fig. 3.7). De ontvangspoelen bevinden zich op 1, 1.1, 2 en 2.1 m afstand van de zendspoel

die zich langs het ene uiteinde van de sensor bevindt. De ontvangspoelen op 1 en 2 m afstand

vormen samen met de zendspoel de verticale spoelconfiguraties hcp1 en hcp2. De spoelwin-

dingen staan hierbij horizontaal coplanair (hcp). De ontvangspoelen op 1.1 en 2.1 m vormen

de loodrechte spoelconfiguraties perp1 en perp2 (Dualem, 2007). Door deze vier verschillende

spoelconfiguraties kunnen vier ECa’s (ECaperp1, ECaperp2, ECahcp1 en ECahcp2) gelijktijdig

gemeten worden met een verschillende dieptegevoeligheid. Omwille van het quasi exponentieel

verloop van de cumulatieve diepteresponscurves (vgl. 2.4 & 2.6) wordt de dieptegevoeligheid

standaard gedefinieerd als de diepte waarbij 70% van het totale gemeten signaal afkomstig

is van het bodemvolume boven deze diepte. Fig. 3.8 geeft de cumulatieve diepteresponscur-

ves voor de vier spoelconfiguraties van de DUALEM-21S. Hieruit kan afgeleid worden dat de

19


dieptegevoeligheid toeneemt voor de verschillende spoelconfiguraties: 0.54 m voor de perp1 con-

figuratie, 1.03 m voor de perp2 configuratie, 1.55 m voor de hcp1 configuratie en 3.18 m voor de

hcp2 configuratie (Fig. 3.8). Er kan aldus informatie bekomen worden van zowel oppervlakkige

bodemlagen als diepere bodemlagen tot op een diepte van ongeveer 3 m onder het maaiveld

(Saey et al., 2009).

Figuur 3.7: DUALEM-21S sensor met

weergave van de zend- en ont-

vangspoelconfiguratie (Bron:

Saey et al., 2009).

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

cumulatieve respons

z (m

)

perp1perp2hcp1hcp270% respons

Figuur 3.8: Cumulatieve respons in functie van de

diepte z voor de perp en hcp spoelcon-

figuraties.

Met deze sensor werd langsheen parallelle lijnen de ECa van de bodem opgemeten. De sensor

werd stevig gemonteerd in een slede die achter een quad over het veld werd getrokken met een

snelheid van 5 tot 10 km h-1 (Fig. 3.9). De stevige montage van de sensor in de slede dient

ervoor te zorgen dat de spoeloriëntatie ongewijzigd blijft. Voor het monteren van de sensor

in de slede werd deze omhuld door mousse. De mousse zorgt er voor dat schokken tijdens

het rijden opgevangen worden. De slede is vervaardigd uit high-density polyethyleen waardoor

ze resistent is tegen wrijving. Bovendien bevat ze geen metalen onderdelen die de metingen

verstoren en is ze bedekt met witte stickers om het directe zonlicht te weerkaatsen. Grote

temperatuurschommelingen die de metingen bëınvloeden worden hierdoor gereduceerd. De

sledeconstructie positioneert de sensor op een hoogte van 0.16 m boven het maaiveld (Simpson,

2009).

De quad werd gestuurd door de combinatie van een Trimble AgGPS332 GPS systeem (Trimble

Inc., Colorado, V.S.A.) met Omnistar HP correction (OmniSTAR Inc., Texas, V.S.A.) en

een Trimble Lightbar Guidance System, zodat parallelle lijnen zo accuraat mogelijk worden

afgereden. De invloed van de quad op de metingen werd beperkt door een voldoende afstand

met de sensor te behouden. De veldcomputer (Juniper Systems Inc., Utah, V.S.A.) verbindt

de sensor met de GPS en zet de sensordata met de bijhorende GPS-coördinaten samen in

een bestand. De hele oppervlakte werd in een 5 m (tussen de rij) bij 0.2 – 0.3 m (in de rij)

resolutie opgemeten en uitgevoerd bij een frequentie van 8 tot 10 Hz. Bijkomend werd op elke

meetlocatie de hoogte geregistreerd met de Trimble AgGPS332 (nauwkeurigheid ± 0.30 m).

20


(e)

(a)

(b) (c)

(d)

(e)

(f)

Figuur 3.9: Mobiele meetconfiguratie met (a) de sensor, (b) de slede, (c) de quad, (d) de Trimble

AgGPS332 GPS met veldcumputer, (e) de GPS antenne en (f) de Trimble Lightbar

Guidance System.

Na het uitvoeren van het veldwerk werden de data van de veldcomputer overgebracht naar

een desktopcomputer. De vier simultaan gemeten ECa signalen werden gecorrigeerd voor de

afstand tussen de GPS antenne en het middelpunt tussen de zend- en ontvangspoel. Daar-

naast werd ook gecorrigeerd voor veranderlijke invloeden tijdens het opmeten van de velden,

de zogenaamde drift (Simpson, 2009). Drift zorgt voor een andere absolute waarde van het

gemeten signaal over een relatief kort tijdsverschil. Dit wordt voornamelijk veroorzaakt door

temperatuursvariaties in de sensor, die een invloed hebben op de weerstand van de elektrische

componenten. Het effect van deze temperatuursvariaties wordt deels afgezwakt door de sen-

sor te isoleren met mousse en af te dekken met witte stickers. Om de drift te corrigeren werd

voor het afrijden van de velden een kalibratielijn opgemeten die alle daaropvolgende opgemeten

lijnen doorsnijdt. Daar deze kalibratielijn opgemeten wordt op een relatief korte periode kun-

nen deze opgemeten ECa-waarden als driftloos worden verondersteld. Waar de kalibratielijn

de metingen snijdt werd het verschil tussen de kalibratiedata en de overeenkomstige meting

bepaald en uitgezet in functie van tijd waarop de data werd opgemeten. Hieraan werd een

continue functie gefit bestaande uit tien polynomiale functies op basis van een least squares

minimalisatie. De bekomen functie kan dan gebruikt worden om de metingen te corrigeren.

Vervolgens werd een temperatuursstandaardisatie uitgevoerd naar een referentietemperatuur

van 25◦C daar EC-metingen temperatuurafhankelijk zijn en de velden op verschillende dagen

met verschillende bodemtemperatuur werden opgemeten (Sheets & Hendrickx, 1995; Slavich &

Petterson, 1990):

ECa25 = ECa.(0.447 + 1.4034e− T

26.815 ) (3.3)

met, ECa25, de gestandaardiseerde ECa voor 25◦C,

T , de bodemtemperatuur [◦C].

De bodemtemperatuur werd op de dag van de metingen gemeten met de EC-sonde. Het tijdstip

van de veldmeting en bodemtemperatuur T is gegeven in Tabel 3.1. De metingen werden

vervolgens in het GIS pakket ArcMap (ESRI Environmental Systems Research Institute Inc.,

21


Californië, V.S.A.) gevisualiseerd om de data te verkennen en metingen te identificeren die niet

gelinkt zijn aan de bodemvariabiliteit maar bëınvloed zijn door anomalieën in de bodem zoals

aanwezige metaal- en baksteenfragmenten.

Tabel 3.1: Tijdstip veldwerk en bodemtemperatuur T .

Veld Datum T [◦C]

1,2 7 sept 2010 14.3

3,4,5 15 okt 2010 12.0

6,7,8 22 okt 2010 12.5

9 29 nov 2010 8.5

10 29 nov 2010 9.2

11 29 nov 2010 8.0

3.4 2D-kartering

Om een regelmatige grid van de ECaperp1-, ECaperp2-, ECahcp1- en ECahcp2-metingen te beko-

men werd ordinary kriging (OK) gebruikt als interpolatiemethode. In OK wordt een schatting

bekomen van de variabelen op iedere niet-bemonsterde locatie via een lineaire combinatie van

observaties van deze variabele binnen een voorgedefinieerd zoekvenster. Een maximum van

64 en een minimum van 8 observaties werd gebruikt in een elliptisch zoekvenster met lange

straal 50 m loodrecht op de rijrichting en korte straal 10 m volgens de rijrichting. Zo werd

rekening gehouden met de verschillende observatiedichtheid in deze richtingen. De ruimtelijke

structuur van de variabelen ECaperp1, ECaperp2, ECahcp1 en ECahcp2 werd voorgesteld met

een variogrammodel, dat gebruikt werd om een gewicht toe te kennen aan de observaties van

de variabelen. Voor een theoretische onderbouwing wordt verwezen naar Bijlage A voor een

beknopt overzicht. De fitting van het theoretisch variogram aan het experimenteel variogram

model werd uitgevoerd in Surfer 9 (Golden Software Inc., Golden, Colorado, V.S.A.). De ECa-

metingen werden gëınterpoleerd naar een grid van 1 m op 1 m. De bekomen kaarten werden in

ArcMap gevisualiseerd.

3.5 3D-modellering

Het is onze bedoeling de diepte vanaf het maaiveld tot de bodem van de getijdengeul z te

reconstrueren op basis van de ECa-metingen. Daartoe werden verschillende modellen en mo-

delleringsopties met elkaar vergeleken waarbij z gedefinieerd werd als de diepte waarop de

textuur overgaat van klei naar zand. Er werden twee modellen beschouwd om z te bepalen in

functie van de ECa-metingen. Het eerste model bepaalt z aan de hand van een exponentiële

functie. Het tweede model steunt op een meer theoretisch onderbouwde relatie tussen ECa

en z gebruikmakend van de cumulatieve diepteresponscurves zoals gedefinieerd door McNeill

(1980b) (vgl. 2.4 & 2.6). Om de modellen te optimaliseren en hun performantie te valideren

22


werd een testveld geselecteerd waarop kalibratie- en validatieboringen werden uitgevoerd.

In sectie 3.5.1 tot 3.5.3 worden de opeenvolgende stappen van deze eerste fase toegelicht. Een

schematisch overzicht is gegeven in Fig. 3.10.

In een tweede fase werden de geoptimaliseerde modellen toegepast in de aanliggende velden om

ook daar z te modelleren.

Figuur 3.10: Overzicht van de opeenvolgende stappen van de modelkalibratie en -validatie op het

testveld.

3.5.1 Kalibratie

Voor de kalibratie werd een transect A–B uitgezet in het testveld (Fig. 3.4). Het kalibratie-

transect werd loodrecht op het verloop van de kreek geselecteerd zodat zowel lage als hoge

ECa waarden vertegenwoordigd werden. Langs dit 65 m lang transect werden 14 handboringen

uitgevoerd op een 5 m interval. In het midden van het transect werd een 15de handboring

uitgevoerd. Op elk van deze locaties werd z bepaald (sectie 3.2).

De parameters voor beide modellen werden iteratief aangepast totdat de doelfunctie een mini-

mum bereikte. De doelfunctie Ψ werd gedefinieerd als de som van de gekwadrateerde verschillen

tussen de geobserveerde en gemodelleerde diepte z∗:

Ψ =n∑i=1

[z(i)− z∗(i)]2 = min (3.4)

Voor de minimalisatie van Ψ zijn meerdere kalibratiealgoritmes voorhanden. In De Smedt

et al. (2011), Saey (2010), Saey et al. (2009), Saey et al. (2008) werd de Nelder-Mead kalibra-

23


tie toegepast. De Nelder-Mead methode tracht het minimum te vinden door de waarde van

de doelfunctie te evalueren in verschillende punten, zonder gebruik te maken van afgeleiden.

Tijdens het itereren wordt de functiewaarde in de punten berekend en vergeleken met deze van

een nieuw punt binnen of buiten de huidige simplex. Het punt met de hoogste waarde wordt

hierbij vervangen, de procedure loopt verder totdat een minimum bereikt wordt. Dit kalibra-

tiealgoritme werd hier vergeleken met het Weight-Adaptive Recursive Parameter Estimation

(WARPE) algoritme. WARPE is een gradiënt gebaseerde methode. Het minimum van de

doelfunctie wordt gevonden door de afgeleide van de doelfunctie te bepalen. De belangrijkste

troef van WARPE is dat rekening gehouden wordt met de onzekerheid op de kalibratiedata.

Doordat de textuurovergangen niet scherp maar gradueel waren, kon z niet eenduidig bepaald

worden, waardoor de kalibratieboringen niet zonder onzekerheden zijn. Bovendien wordt ook

de foutencovariantie berekend als een maat voor de fout op de parameterschatting. In Bij-

lage B wordt dieper in gegaan op de theoretische werking van deze kalibratiealgoritmes. De

modelkalibratiealgoritmes voor WARPE werden door de auteur in Matlab (MathWorks, Na-

tick, Massachusetts, V.S.A) geschreven. De Nelder-Mead methode is standaard in Matlab

gëımplementeerd via de functie FMINSEARCH.

De kwaliteit van de kalibratie werd beoordeeld door de kalibratieobservaties en de modelre-

sultaten paarsgewijs met elkaar te vergelijken. Naast een visuele beoordeling werden enkele

goodness of fit indicatoren berekend. De gebruikte goodness of fit indicatoren zijn de determi-

natie coëfficiënt R2 en de wortel uit het minimum van Ψ (Root Mean-Squared Error RMSE).

De R2 is gedefinieerd als:

R2 = 1− SSRSST

= 1−∑n

i (z − z∗)2∑ni (z − z̄)2

(3.5)

waarbij SSR gelijk is aan de sum of squares of residuals is, SST de total sum of squares en

z̄ het gemiddelde van de observaties van z. De waarde van R2 ligt tussen één en -∞. Vooreen perfect model is SSR gelijk aan nul, en R2 dus gelijk aan één. Een SSR gelijk aan SST

impliceert dat de performantie van het model niet beter is dan een kennisloosmodel dat als

predictie telkens de gemiddelde waarde van de observaties z̄ geeft. In dit geval is de R2 gelijk

aan nul. Indien R2 kleiner is dan nul, is de performantie van het model nog slechter dan een

kennisloosmodel.

3.5.2 Dieptemodellering

Het exponentieel model beschrijft de ECa-z relatie als z = a · exp(b ·ECa). Een exponentieelverband tussen ECa en de diepte tot een contrasterende bodemlaag werd reeds gebruikt in

Vitharana et al. (2008), Cockx et al. (2007), Doolittle et al. (1994) en Brus et al. (1992). De

modelparameters a en b hebben geen fysische betekenis. Dit model is dus louter datagebaseerd.

Het model gebaseerd op de cumulatieve diepteresponscurves veronderstelt dat de bodem be-

staat uit drie homogene lagen: een 30 cm dikke ploeglaag en een kleiige geulvulling bovenop

zandig basismateriaal. Fig. 3.11 geeft een schematische voorstelling van een drielagige bodem

opgemeten met de DUALEM-21S, waarbij h de hoogte is van de sensor boven het maaiveld,

24


d de dikte van de ploeglaag, z de diepte tot de interfase en ECl, ECAp, ECtop en ECsub de

geleidbaarheden van respectievelijk de lucht, de ploeg-, de top- en de sublaag. De gemeten ECa

kan dan uitgedrukt worden als de som van de elektrische geleidbaarheid van de verschillende

lagen vermenigvuldigd met de cumulatieve diepterespons (McNeill, 1980b):

ECa = R(h) ·ECl+[R(h+d)−R(h)] ·ECAp+[R(z+h)−R(h+d)] ·ECtop+[R(∞)−R(z+h)] ·ECsub(3.6)

h

z

ECtop

DUALEM-21S

ECsub

ECl

d ECAp

Figuur 3.11: Voorstelling van een bodem opgebouwd uit

drie homogene bodemlagen.

Aangezien de conductiviteit van lucht in essentie nul is en de cumulatieve diepterespons op

oneindig één, kan vgl. 3.6 vereenvoudigd worden tot:

ECa = [R(h+d)−R(h)] ·ECAp+[R(z+h)−R(h+d)] ·ECtop+[1−R(z+h)] ·ECsub (3.7)

Als ECAp, ECtop en ECsub gekend zijn kan de bijdrage aan de ECa van de bodemlaag boven

z bepaald worden uit vgl. 3.7:

R(z + h) =ECa + [R(h+ d)−R(h)] ·ECAp +R(h+ d) ·ECtop − ECsub

ECtop − ECsub(3.8)

De berekende waarde van R(z + h) kan gesubstitueerd worden in de diepteresponscurves om

de gemodelleerde z∗ te bekomen (Saey et al., 2008). Dit geeft voor de hcp configuraties:

z∗ =s

2

[1

(1−R(z + h))2 − 1

]0.5− h (3.9)

en voor de perp configuraties:

z∗ =s

2

R(z + h)

(1−R(z + h)2)0.5 − 1− h (3.10)

De modelparameters ECAp, ECtop en ECsub hebben hier dus wel een fysische betekenis. Ze

kunnen bijgevolg ook bepaald worden door in het veld daadwerkelijk de EC van elke bodem-

laag te meten met behulp van een EC-sonde (Saey, 2010). Bovendien bieden de DUALEM-21S

metingen in principe voldoende informatie om z te modelleren zonder bijkomende kalibra-

tiestap (Saey et al., 2009). Er kan immers een stelsel opgesteld worden bestaande uit vier

vergelijkingen, namelijk vgl. 3.7 voor de vier simultane ECa-metingen, en vier onbekenden z,

25


ECAp, ECtop en ECsub. De enige veronderstelling waaraan voldaan moet zijn is een gelaagd

bodemprofiel waarin de verschillende lagen vertikaal homogeen zijn.

Beide modellen laten toe om voor elke locatie in het studiegebied z te berekenen met de vier

verkregen ECa-z relaties overeenkomstig de vier spoelconfiguraties. Er kan enerzijds gekozen

worden voor de ECa-z relatie van de spoelconfiguratie waarvoor de goodness of fit het best

is. Anderzijds kan een combinatie van de vier ECa-z relaties worden genomen. Hierbij wordt

z∗ bepaald als de waarde waarvoor de afwijkingen in de vier relaties minimaal zijn met het

Levenberg-Marquadt algoritme (Marquardt, 1963). Finaal werd z∗ gëınterpoleerd met OK

onder dezelfde condities als de ECa-kaarten.

3.5.3 Validatie

Om de nauwkeurigheid van z∗ vast te stellen werd een onafhankelijke validatie uitgevoerd.

Hiervoor werden de boringen gebruikt uitgevoerd in Saey (2010), waarin op twintig locaties

uitgelegd over een grid van 50 m op 50 m z werd bepaald. Drie validatie indices werden ge-

bruikt als validatiecriterium: (i) de Mean Estimation Error (MEE), (ii) de Root Mean Squared

Estimation Error (RMSEE) en (iii) de Pearson correlatie coëfficiënt (r). De MEE, RMSEE

en r worden bekomen via vgl. 3.11, 3.12 en 3.13.

MEE =1

n

n∑i=1

[z∗(i)− z(i)] (3.11)

RMSEE =

√√√√ 1n

n∑i=1

[z∗(i)− z(i)]2 (3.12)

r =

n∑i=1

[z∗(i)− z̄∗(i)][z(i)− z̄(i)]√n∑i=1

[z∗(i)− z̄∗(i)]2n∑i=1

[z(i)− z̄(i)]2(3.13)

met, n, het aantal validatie observaties. De MEE kan een positieve of negatieve waarde

hebben. Om een unbiased predictie te hebben moet de waarde zo dicht mogelijk bij nul liggen.

Deze parameter moet beoordeeld worden relatief ten opzichte van de gemiddelde waarde van

de observaties. De RMSEE is een maat voor de nauwkeurigheid van de predictie. Hoe dichter

deze waarde bij nul ligt, hoe accurater de modelpredictie. De Pearson correlatie coëfficiënt r

tussen z∗ en z is een maat voor het lineair verband tussen de observaties en de modelpredicties.

De r ligt in het interval [-1,1]. Hoe dichter r bij 1 ligt, hoe sterker het lineair positief verband

tussen de geobserveerde diepte en de modelpredictie. Deze validatie index geeft geen informatie

over de mate waarin dit lineair verband de eerste bissectrice benadert. Daarom moet r steeds

geëvalueerd worden in combinatie met de MEE. In het ideale geval is r dus gelijk aan één en

is MEE nul.

26

Hoofdstuk 4

Resultaten en discussie

4.1 Algemene bodemkenmerken

Fig. 4.1 geeft schematisch de profielopbouw weer bepaald op basis van waarneembare textuur-

verschillen in de 15 punten langsheen transect A–B. Hieruit volgt dat de bodem in het algemeen

bestaat uit een ± 30 cm dikke ploeglaag. Daaronder bevindt zich de kleiige geulvulling die metde diepte overgaat in zand, het basismateriaal. Uit de profielopbouw werd telkens de diepte

van de zandlaag onder het maaiveld bepaald. Deze gegevens werden gebruikt bij de kalibra-

tie van de dieptemodellering. Hierbij dient echter nog opgemerkt te worden dat enerzijds de

ploeglaag met een scherpe grens kon gëıdentificeerd worden. Maar de overgang van de geul-

vulling naar het onderliggende zand was anderzijds veel geleidelijker doordat het zandgehalte

gradueel toeneemt met de diepte. Bovendien werd in een aantal boorpunten een laminatie van

afwisselend klei en zandbandjes waargenomen ter hoogte van de overgang naar zand. In één

van de boringen werd tevens gyttia aangetroffen. Gyttia is een organisch kleisediment dat dode

microörganismen en plantenresten bevat.

Figuur 4.1: Profielopbouw langs transect A–B.

27

Hoofdstuk 4. Resultaten en discussie

De resultaten van de OS, CaCO3 en de textuuranalyse zijn weergegeven in Tabel 4.1. Zowel het

OS als CaCO3 gehalte zijn hoger in de geulvulling dan in het basismateriaal. De resultaten van

de textuuranalyse zijn geplot in de Belgische textuurdriehoek (Fig. 4.2). Uit de textuuranalyse

van de bodemstalen in het basismateriaal kan deze laag geclassificeerd worden volgens de

Belgische bodemclassificatie als zand Z met een zand-, leem- en kleigehalte van respectievelijk

89.3 ± 1.9 %, 6.2 ± 2.4 % en 4.5 ± 1.5 % (4 stalen). De geulvulling kan geklassificeerd wordenals klei E tot zware klei U meer naar het midden van de geul toe (5 stalen). De percentages

zand, leem en klei in de geulvulling zijn respectievelijk 29.7 ± 16.3 %, 6.2 ± 2.4 % en 4.5 ±1.5 % (5 stalen)

Tabel 4.1: Resultaten van de laboanalyse (OS, CaCO3, textuur) voor de bodemstalen (5

in de geulvulling, 4 in het basismateriaal) langs transect A–B (gemiddelde: m,

standaardafwijking: s).

Bodemlaag OS CaCO3 Zand Leem Klei

[%] [%] [%] [%] [%]

Geulvulling 1.85 7.26 21 38.4 40.5

9.1 8.5 25.1 38.6 36.3

11.8 8.3 10.4 42.5 47.1

6.7 7.5 51.5 25.3 23.2

1.9 6.0 40.7 25.3 34

m 6.3 7.5 29.7 34.0 35.6

s 4.4 1.0 16.3 8.1 9.1

Basismateriaal 0.0 1.7 92.0 3.9 4.0

0.4 2.8 88.6 5.5 6.0

2.3 3.7 87.7 9.6 2.7

2.0 3.4 88.8 5.9 5.3

m 1.2 2.9 89.3 6.2 4.5

s 1.1 0.9 1.9 2.4 1.5

Figuur 4.2: Resultaat van de textuuranalyses geplot op de Belgische

textuurdriehoek met ◦ de stalen in het basismateriaal en •de stalen in de geulvulling.

28

Hoofdstuk 4. Resultaten en discussie

4.2 2D-kartering

Tabel 4.2 geeft de beschrijvende statistieken van de DUALEM-21S metingen voor de opgemeten

velden na de dataverwerking. Voor velden 1, 2, 3, 4, 6, 8 en 11 zijn gemiddelden van de ECaperp2-

en de ECahcp1-metingen over het algemeen groter dan de ECaperp1- en ECahcp2-metingen. Dit

geeft aan dat de ploegzool en de diepere bodem minder klei bevat dan de bode

Reconstructie van een begraven paleogeul op basis van een...

Documents

Transcript of Reconstructie van een begraven paleogeul op basis van een...