Watermanagement in de polders

Transcriptie

1 Watermanagement in de polders Brugge, Vlaanderen Gualbert Oude Essink Deltares, The Netherlands Meer informatie: freshsalt.deltares.nl zoetzout.deltares.nl

2 Total liquid fresh water volume is pretty limited Water in/on/above Earth Liquid fresh water Freshwater lakes rivers Source: Perlman, USGS; Shiklomanov, 1993

3 Zoetwatervoorziening NL een probleem (2011, 2017)

4 Grondwater in de toekomst Wat komt er allemaal op ons af? Grondwaterwinning Ontwikkeling energiegebruik/productie en brijnlozing Bodemdaling Klimaatverandering Ontwikkeling ruimtegebruik Politiek, Beleid & Waterbeheer Directe invloed door de mens op het grondwater is belangrijker dan klimaateffect

5 Toekomst: wat staat ons te wachten? Drogere zomers Toename zoute kwel à meer watervraag Afname afvoer Rijn à minder water aanbod neerslag [mm/maand] jan feb Neerslag-verdamping mrt apr mei jun jul aug maand sept okt nov dec Gemiddelde afvoer (m3/s) Afvoer Rijn Lobith, Rijn Huidig G 2050 W Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Maand

6 Nieuwe prognoses zeespiegelstijging Bijdrage Antarctica 1 van de 4 scenario s (meest extreme) DeConto et al. Nature , Vlaanderen (2016) doi: /nature17145

7 Nederland Myanmar, Ayeyarwady Nile delta, Egypt Jakarta, Indonesia Mississippi, USA Bangladesh Mekong delta

8 Waarom is verzilting een probleem? Kwetsbare natuurwaarden Gewasschade Doorspoelen grote watervrager ~20 % Drinkwater Infrastructuur

9 Mogelijke gevolgen ondergrond Nu Toekomst

10 3850 BC Achtergronden verzilting uit grondwater 800 AD Vos et al., 2011

11 Ontwikkeling van het NLse polderlandschap ~1000 AD 13 de eeuw 17 de eeuw 19 de eeuw

12 Het grondwatersysteem in het kustgebied van Nederland Peilverlagingen in het verleden hebben grondwaterstromingen naar het binnenland veroorzaakt Historie (palaeohydrogeologie) belangrijk: grondwaterstroming is een traag proces Het verleden heeft nog steeds invloed op de verdeling van zoet-brak-zout grondwater Zoet-zout verdeling kan op korte afstand sterk variëren

13 Zoute (warme) wellen in diepe polders

14 Three types of upward groundwater seepage Cl-conc seepage: (Polder Noordplas) Diffuse: 100mg/l Paleochannel: 600mg/l Boils: 1100mg/l From: De Louw et al., 2010, J. Hydr.

15 Water management in a Dutch polder geen zoet water beschikbaar

16 EC measurements saline water due to salt boils

17 Operationeel zoetwater beheer op polder niveau Lissertocht Catchment PhD Water Nexus, TUD/UU blue: ~150 mg TDS/l orange: ~1500 mg TDS/l red: > 3000 mg TDS/l

18 Kwetsbaarheid regenwaterlenzen zout zoet

19 Zoetwatervoorziening in NL Landelijke Coordinatiecommissie Waterverdeling Deltaprogramma Zoetwater Samenwerking (gouden driehoek) Onderzoeksprogramma s NWO -STW (wetenschappelijk) Kennis voor Klimaat programma NKWK (Nat. Kennis- en innovatieprog. Water en Klimaat H2020/Interreg Pilots / showcases ondergrondse waterberging zoute teelten waterefficientie afvalwater Meten is weten Modelleren Stakeholders Oplossingen Internationaal Research Websites open data (o.a. droogtemonitor, BRO) Government Private sector

20 Voorbeeld: Deltaprogramma Zoetwater Two main goals for water management of our national government: 1. To protect The Netherlands from flooding 2. To make Fresh Water Supply Climate Change Proof More knowledge needed on the effects of: Droughts (water demands) = main goal of NHI Sea level rise and precipitation pattern Land subsidence Adaptive and mitigative strategies Changing water management (lake saline again, lake higher water level) Coming years: nutrient emissions and pesticide leaching, etc.

21 Many stakeholders in National Water Policy Drought analysis Ecosystems Water supply Shipping Cooling water Agriculture

22 Meten is weten, combineren meettechnieken Meten

23 FRESHEM Zeeland FREsh Salt groundwater distribution by Helicopter ElectroMagnetic survey in the Province of Zeeland Opdrachtgevers: Provincie Zeeland, Rijkswaterstaat, Het Rijk (Deltafonds), Evides, waterschap Scheldestromen, ZLTO, de Vlaams-Nederlandse Scheldecommissie en de Zeeuwse gemeenten. Meten

24 3D Karakterisatie zoet-zout grondwater Hoeveel metingen in 1 week op 900km 2? AEM: data points FutureDeltas In-situ: >100 data points

25 Waar? FRESHEM Zeeland survey: Gebied van 1800 km lijnkilometer aan data Elke 4 meter een meting Elke meter een vlieglijn 13 miljoen metingen

26 Along the flight lines Bulk resistivity Geology Zeeland FRESHEM 3D zoet-zout kartering ondergrond Chloride

27 Geologische kennis in NL over laatste 40jaar Basis Registratie Ondergrond <1995AD: simple Holland profile Holocene, clay ~2000AD: REGIS 1 Top layer Enschede/Kedichem Pleistocene, sand Tegelen/Belfelt Maassluis Kallo Impervious base Hydrogeologic base >2010AD: GEOTOP Cellen: 100*100*0.5m 3 Many palaeo channels

28 Zoet-zout grondwater kartering Positionering vluchtlijnen FRESHEM Vlaanderen Oude verziltingskaart

29 Modellen kwantificeren effecten en maatregelen op verschillende schalen Sub-local: fingering, salty sand boils Sri Lanka (Tsunami 2004), Zandmotor cell size=1cm-1m Local: rainwaterlenses, heat-cold Tholen, Schouwen-Duiveland cell size=5-25m Regional: Zeeland, Gujarat/India, Philippines cell size=100m National: fresh groundwater resources Nile Delta, BD, Zuid-Holland cell size=250m-3km Goal: To take largest cell size possible to accurately model relevant salinisation processes Modelleren

30 Koppelen processes: verzilting (GW+OW)+bodemdaling input Sobek/FM Resolution: Order of minutes Developer: Deltares Conceptual delta model diagram output Water level Velocities Salinity input input input MODFLOW Resolution: Order of days Developer: USGS SEAWAT Resolution: Order of yrs (5-10) Developer: USGS output output Head/Pressure input SubCreep Resolution: Order of years Developer: USGS/Deltares Velocities Ground water salinity Water model/nhi, NL, 2014 DK model, Denmark, Output Non-stationary subsidence San Mekong Joachim Delta, Valley, VN, 2018 CA, USA Modelleren

31 Examples 3D fresh-salt groundwater models Modelleren

32 Modellen: verzilting en verzoeting onder klimaatverandering Regional model Source: NHI 250*250m 2 Source: model Zeeland 100*100m 2 Modelleren

33 Modelled Cl-concentration: different CC scenarios Voortman, 2010; De Louw, 2011 et al., HESS green is too salty to grow fresh crops Modelleren

34 3D model zoet-zout grondwater Zeeland: invoer model Zeeland 100*100m 2

35 3D model zoet-zout grondwater Zeeland: resultaten Van Baaren E.S., Oude Essink G.H.P., Janssen G.M.C.M., de Louw P.G.B., Heerdink R., Goes B Verzoeting en verzilting van het grondwater in de Provincie Zeeland; Regionaal 3D model voor zoet-zout grondwater, Deltares rapport, 86 p. Regionaal 3D model voor zoet-zout grondwater in de Provincie Zeeland model Zeeland 100*100m 2

36 Oplossingen: vele kleintjes maken één grote: maatwerk KustLab Drains2Buffer De KREEKteRUG Kreekruginfiltratie Oplossingen

37 Lokale oplossingen klimaatrobuste Zoetwatervoorziening Kustlab Oplossingen

38 Proeftuin Zeeland: 15 jaar toegepast onderzoek PhD research Coastal Laboratory AEM Climate Proof Areas Modelling groundwater; CLIWAT, Scaldwin, ureyeopener. Evaluation extraction rules ASR PhD research NMDC The Water Farm ASR PhD research Interreg Scaldwin Waterdunen AEM; Perkpolder ClWat Canalzone, interaction GW-SW

39 Verziltingsonderzoek (zie o.a. zoetzout.deltares.nl) Doel: een slimmere (klimaat-) robuuste zoetwatervoorziening Meten is weten Promotie Perry de Louw (VU/WUR): - Regenwaterlenzen - Invloed wellen op verzilting Pieter Pauw (WUR) - Zoetwaterberging Joost Delsman (VU) - Verzilting oppervlaktewater Koen Zuurbier (TUD) - Ondergrondse waterberging Modelleren Stakeholders Oplossingen Internationaal Lopende promotieonderzoeken: Sebastiaan Huizer (UU) - Invloed Zandmotor op grondwater

40 Aquifer Storage and Recovery / Managed Aquifer Recharge

41 GO-FRESH: Lokale maatregelen vergroten zoetwatervoorziening Doel: Vergroten zoete grondwater reservoirs in zoute kustgebieden Aanpak: -3 pilot gebieden: infiltratie van zoet water tijdens natte tijden -analyse sociaal economische haalbaarheid -veldbijeenkomsten, informatie via internet Kreekrug Infiltratie Proef The Freshmaker Drains2Buffer nu Toekomst Dry Wet Verhogen grondwaterstand door infiltratie opp.water in een gecontroleerd drainage systeem Injectie zoet water en onttrekking zout grondwater Slimme diepe drainage beschermt dunne zoetwaterlens in diepe poldergebieden

42 2012/2013: Starting up the three pilots: tubes, drains, pumps

43 Increase of freshwater lens by active infiltration fresh surface water: pilot GO-FRESH (Pauw et al., 2015) 1) verhogen drainagepeil 2) Infiltratie zoet oppervlaktewater

44 Aanleg infrastructuur Kreekrug Infiltratie Systeem

45 Pilot Kreekrug Infiltratie Systeem

46 Resultaten Kreekrug Infiltratie Systeem 2017 Vergroting zoetwaterlens 3-4 meter ~70000 m 3

47 Drains2Buffer Increase rainwater lens volume to reduce root zone salinity Present Future

48 Opschaling: Kansenkaarten en on-line informatie

49 Opschaling: Kansenkaarten en on-line informatie Very hopeful Hopeful Possible hopeful Not hopeful Out of salinity zone No information Creek Ridge Infiltration Bangladesh

50 Score maps of suitability factors: creek ridge infiltration Factor A Factor B Factor C Factor D Factor E Factor F 10 oktober 2017

51 Suitability maps for all seven freshwater solutions Creek Ridge infiltration Vertical ASR Freshmaker Drains2 buffer Controlled drainage WC with weirs WC by raising ditch bottom 10 oktober 2017

52 Increase strategic freshwater reservoirs in the coastal zone NatureCoast, Building with Nature, De Zandmotor 200m broad sandsuppletion Hoek v. Holland - Den Helder creates On the middle long term a fresh groundwater volume of ~1000 milion m 3 Source: Huizer

53 Protecting freshwater lenses from sea level rise, climate change and overexploitation

54 Deepening of Western Scheldt Estuary for Antwerp harbor leads to disappearance salt marches Western Scheldt Estuary Perkpolder

55 De-reclamation of Perkpolder: restoration of 75 ha of salt marches Situation 2010 Perkpolder plan Situation 2016 SWIM 2016

56 Seepage catchers (SeepCat) to protect fresh water lens at Perkpolder

57 Seepage system (west) seepage pipes control unit control unit control unit SWIM 2016

58 Seepage system (south) dike ditch seepage pipe seepage pipe control unit

59 Monitoring results showed: it works! seepage system closed elevation (m msl) 25 th of June: open connection to the sea seepage system open

60 Yearly report Deltares 2015: Unieke Kwelvoorziening Perkpolder - YouTube

61 Volkskrant possible solution for small islands

62 Kustlaboratorium: aquaculture on fertile land Three elements in one masterplan: Coastal protection Sustainable food supply (aquaculture) Landscape and nature development Impact study Monitoring Dimensionering saline pools

63 Zout-resistente gewassen Cl-conc seepage: (Polder Noordplas) Diffuse : 100 mg/l Paleochannel : 600 mg/l Boils : 1100 mg/l

64 Methode Field conditions 03/10/

65 Verschil in gewasontwikkeling populaties Populatie Z in de controle Populatie Z in de zoute behandeling Populatie Z in de zoute behandeling

66

67 Zoetwater 1. Verbinden verschillende disciplines (kansen) - Water + Food Nexus (bijv. Zout resistente teelten, afvalwater) - Water + Energy Nexus (desalinisatie met brak grondwater) 2. Opstellen adaptatie strategies gegeven de onzekere toekomst 3. Huidige regels grondwateronttrekkingen tegen het licht houden 4. Meten is weten (zoet-zout kartering) en geologie op orde 5. Pilots ondergrondse waterberging onder verschillende omstandigheden, incl. economische haalbaarheid; overheid faciliteert (en werkt niet tegen!) 6. Versterken kennis basis: Kennisprogramma s (niet alleen EU!) training en teaching toekomstige watermanagers en policymakers innovatieve monitoring technieken: bijv. AirborneEM, drones, glasvezels verbeteren kennis over de geologie en ontsluiten snellere modelleringstechnieken: parallelisatie codes, paleo reconstructies 7. Samenwerken in (inter)nationale consortia, kennis delen

68 Dank voor uw aandacht Gualbert Oude Essink Deltares, The Netherlands Utrecht University, The Netherlands freshsalt.deltares.nl

69 What to be done? 1. Better understanding the (dynamics of the) present groundwater system through monitoring Airborne EM for geology as well as salinity Telemetric devices and fibre glass technologies 2. Assessing the impacts of future stresses on groundwaters in deltaic areas, and the efficiency of measures through modelling Parallel SEAWAT Accurate Digital Elevation Model and geologic characterisation Coupling with Surface Water models 3. Applying new approaches: Palaeo reconstruction fresh-salt distribution 4. Facilitating responses Managed Aquifer Recharge/ASR, scavanger wells, upscaling Adaptation path strategies Increase sense of urgency with water managers/policy makers Create awareness, knowledge transfer & international coorperation

70 Salinisation processes at local scale Salt water intrusion groundwater Inundation saline seawater Shallow rainwaterlens Upconing low-lying area Upconing extraction Salt water intrusion surface water

71 Combining salinization processes coastal zone Prinos USGS, 2014

72 Population growth , needing water million people in the first 70km from the coastline 2025 percentage people [%] 40% 30% 20% 10% 00% distance from the coast [km] Global 15 x 15 Minute Grids of the Downscaled Population Based on the SRES B2 Scenario, 1990 and 2025 (~28*28km2 at equator)

73 Serious overexploitation coastal aquifers worldwide 5.3m/yr Dhaka, BD 2.5m/yr Bangkok, Vietnam Elev. of GW level in aquifer n m/yr 0 Abs.Elev. of GW level, m -5 1m/yr Mekong, VN -25 Jan-94 Oct-96 Jul-99 Apr-02 Jan-05 Oct-07 Jul-10 Time Murcia, Spanje 7m/yr

74 Groundwater overexploitation in Mekong Delta Aquaculture (e.g. shrimp farms) need an large quantity of fresh groundwater shrimp farms

75 Hoe stroomt zout naar oppervlaktewater? Veel variatie op korte afstand, opkegeling bij drains, greppels, sloten De Louw et al., 2011a HESS; Velstra et al., 2011 Irr.Drainage Wellen verantwoordelijk voor 60% (Noordplas) of zelfs >80% (HMM pv9) van de zoutlast in diepe polders De Louw et al., 2011b HESS; Delsman et al., 2013 WRR

76 The magnetic signal says something about the subsoil: sand/clay, fresh/saline Environmental investigations: Low Resistivity Clay / Weathered Saltwater High Resistivity Sand / Bedrock Freshwater

77 ASR on Jurong Island, Singapore imod-solid module Fresh water lens 5 years after construction artificial island fresh groundwater saline groundwater N solid rock S Time (years) after construction island

78 Online modelleren: effect modellen

79 Artikelen en referenties 1/3 ( Zoetwaterlenzen: Pauw P.S., van der Zee S.E.A.T.M., Leijnse A., Oude Essink G.H.P., 2015, Saltwater Upconing Due to Cyclic Pumping by Horizontal Wells in Freshwater Lenses. Ground Water, Vol 54 (4), doi: /gwat download Pauw, P.S., Van Baaren, E.S., Visser, M., De Louw, P.G.B., Oude Essink, G.H.P., 2015, Increasing a freshwater lens below a creek ridge using a controlled artificial recharge and drainage system: a case study in the Netherlands, Hydrogeology Journal. doi: /s z download De Louw, P.G.B., Eeman, S., Oude Essink, G.H.P., Vermue, E., Post, V.E.A Rainwater lens dynamics and mixing between infiltrating rainwater and upward saline groundwater seepage beneath a tile-drained agricultural field. J. Hydrology, 501, , doi: /j.jhydrol link to paper De Louw, P.G.B., Eeman, S., Siemon, B., Voortman, B.R., Gunnink, J., van Baaren, E.S., and Oude Essink, G.H.P., 2011, Shallow rainwater lenses in deltaic areas with saline seepage, Hydrol. Earth Syst. Sci., 15, , doi: /hess link to HESS Zoute wellen: Vandenbohede, A., de Louw, P.G.B., Doornenbal, P.J.P.J., Characterizing preferential groundwater discharge through boils using temperature. Journal of Hydrology 510, , doi: /j.jhydrol De Louw, P.G.B., van der Velde, Y., and van der Zee, S.E.A.T.M Quantifying water and salt fluxes in a lowland polder catchment dominated by boil seepage: a probabilistic end-member mixing approach, Hydrol. Earth Syst. Sci., 15, /hess link to HESS De Louw, P.G.B., Oude Essink, G.H.P., Stuyfzand, P.J., Zee, van der, S.E.A.T.M., 2010, Upward groundwater flow in boils as the dominant mechanism of salinization in deep polders, The Netherlands, J. Hydrol. 394, , doi: /j.jhydrol download Airborne EM: Faneca Sànchez, M., Gunnink, J.L., van Baaren, E.S., Oude Essink, G.H.P., Siemon, B., Auken, E., Elderhorst, W., de Louw, P.G.B Modelling climate change effects on a Dutch coastal groundwater system using airborne Electro Magnetic measurements, Hydrol. Earth Syst. Sci., 16, , doi: /hess Download

80 Artikelen en referenties 2/3 ( Numerieke modellen zoet-zout: NL: De Lange, W.J., Prinsen, G.F., Hoogewoud, J.C., Veldhuizen, A., Verkaik, J., Oude Essink, G.H.P., van Walsum, P.E.V., Delsman, J.R., Hunink, J.C., Massop, H.T.L., Kroon, T., 2014, An operational, multi-scale, multi-model system for consensus-based, integrated water management and policy analysis: The Netherlands Hydrological Instrument. Environmental Modelling & Software 59, , doi: /j.envsoft download Prov. Zuid-Holland: Oude Essink, G.H.P., E.S. van Baaren, and P.G.B. De Louw 2010, Effects of climate change on coastal groundwater systems: A modeling study in the Netherlands, Water Resour. Res., 46, W00F04, doi: /2009WR download Minnema, B., Kuijper, B., & Oude Essink, G.H.P Bepaling van de toekomstige verzilting van het grondwater in Zuid-Holland, NITG B, 86 p., Utrecht, TNO Bouw en Ondergrond Kuijper, M., Oude Essink, G.H.P., Binsbergen, R., van & B. Minnema, 2005, Kijkje in de toekomst: klimaatveranderingen en verzilting in de provincie Zuid-Holland in beeld gebracht, H2O (8) Oude Essink, G.H.P., Baaren, E., van en Vliet, M. van, 2008, Verkennende studie klimaatverandering en verzilting grondwater in Zuid- Holland, Deltares-rapport 2008-U-R0322/A, 60 p. Prov. Zeeland: Van Baaren E.S., Oude Essink G.H.P., Janssen G.M.C.M., de Louw P.G.B., Heerdink R., Goes B Verzoeting en verzilting van het grondwater in de Provincie Zeeland; Regionaal 3D model voor zoet-zout grondwater, Deltares rapport, 86 p. Regionaal 3D model voor zoet-zout grondwater in de Provincie Zeeland Bernard Voortman, UU, Invloed van gebiedseigenschappen en klimaatverandering op de dikte en vorm van regenwaterlenzen in de Provincie Zeeland en bijdrage aan Hydrol. Earth Syst. Sci., 15, Wadden gebied en Friesland: Faneca Sànchez, M., Gunnink, J.L., van Baaren, E.S., Oude Essink, G.H.P., Siemon, B., Auken, E., Elderhorst, W., de Louw, P.G.B Modelling climate change effects on a Dutch coastal groundwater system using airborne Electro Magnetic measurements, Hydrol. Earth Syst. Sci., 16, , doi: /hess download Pauw, P.S., De Louw, P.G.B., Oude Essink, G.H.P Groundwater salinization in the Wadden Sea area of the Netherlands; quantifying the effects of climate change, sea level rise and anthropogenic interferences, Netherlands Journal of Geosciences, 91-3, , doi: /S link to NJG

81 Artikelen en referenties 3/3 ( Zandmotor: Building with Nature: Huizer, S., Karaoulis, M.C., Oude Essink, G.H.P., Bierkens, M.F.P., 2017, Monitoring and simulation of salinity changes in response to tide and storm surges in a sandy coastal aquifer system, Water Resources Research, doi: /2016WR download Huizer, S., Oude Essink, G.H.P., Bierkens, M.F.P., 2016, Fresh groundwater resources in a large sand replenishment, Hydrol. Earth Syst. Sci., 20, , doi: /hess download Interactie Grondwater-Oppervlaktewater Delsman, J.R., De Louw, P.G.B., De Lange, W.J., Oude Essink, G.H.P., 2017, Fast calculation of groundwater exfiltration salinity in a lowland catchment using a lumped celerity / velocity approach, Environmental Modelling and Software, 96, , doi: /j.envsoft download Delsman, J. R., Winters, P., Vandenbohede, A., Oude Essink, G. H.P. and Lebbe, L., 2016, Global sampling to assess the value of diverse observations in conditioning a real-world groundwater flow and transport model. Water Resour. Res. doi: /2014wr Delsman, J.R., Hu-a-ng, K.R.M., Vos, P.C., de Louw, P.G.B., Oude Essink, G.H.P., Stuyfzand, P.J., & Bierkens, M.F.P Paleomodeling of coastal saltwater intrusion during the Holocene: an application to the Netherlands. Hydrology and Earth System Sciences, 18(10), , doi: /hess link to paper link to animation Delsman, J.R., Oude Essink, G.H.P., Beven, K.J., Stuyfzand, P.J Uncertainty estimation of end-member mixing using generalized likelihood uncertainty estimation (GLUE), applied in a lowland catchment, Water Resour. Res., 49, , doi: /wrcr download PhD theses: De Louw, P.G.B Saline seepage in deltaic areas. Preferential groundwater discharge through boils and interactions between thin rainwater lenses and upward saline seepage. PhD thesis, Vrije Universiteit Amsterdam, ISBN/EAN download Delsman, J.R. 2015, Saline groundwater - surface water interaction in coastal lowlands, VU University Amsterdam, Amsterdam, 194 pp. download Pauw, P.S Field and Model Investigations of Freshwater Lenses in Coastal Aquifers, PhD thesis, Wageningen University, Wageningen, 168 pp. download