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