L ' ALIERBA, Wageningen Universiteit & Research een! Omgevingswetenschappen Centmm Water & KJimMt Team Integraal Wate 1,-- 1 _,,.

Transcriptie

1 ALERBA, Wagenngen Unverstet & Research een! Omgevngswetenschappen Centmm Water & KJmMt Team ntegraal Wate, _,,. L ' F ',,, t. ('.,t <, ' j NSTTUUT VOOR CULTUUJ\TJ~Clll<L:K ':N WAT!:RTUSJOUDJ:<G '... j C{)!n~rtq!lt.:au.::rü. ~L~,~ dus g,_~.:;n off.._,'~lc pnll.~atl _;;:;, llm nhoud var,;,~rt sh:rk._~n kan z.o\vc l betr:.:lddjtg lh )bd op c.~n ~~,_:vondge \v... ~crgav.: van cjft:rrcl~ks. :, als up c c<:mclurl~rt_ lhle dscush, val Ln::.derztH.d:.sr( sultal'l. n dl; nh cstc g..._ v:dlcn zujl J~ d~._~ concjus :s c~ ~:hl.~r va! \/()~ rl( aard ;;jl ()ntlat h\:t cr.:n( "!_'... zot~k nog nt:~t s afg,_ sj,~t..: Aal:,r.:,:bru:.<:'t'l butt ~ll hr_.t JJL.Sttunt \Vt rdt vcrzucht ze nl.;t. n H'" blîj,at~~:j tv v:_~rnt..:d_de Bepaalde not(j ;:;; n a.:u:nl:rl:::_:.~. konll':jj n\_:t vuor \'crsprl!dng butee het nsttuut ~~

2 ALTERRA. Wagenngen Unverstet & Research centre Omgevngswetenschappcn NSTTUU' VOOR CULTUUR'rECHNEK EN Wt..!f'}!Wm'f~Ç{Jf;JS:j!Wt ènfft)tégraaf Waterbelteer Waterwnnng ut depe putten, welke door zandzugen zjn ontstaan, Depe zandgaten als bufferreservor Voor de utbredng van steden en de aanleg van wegen zjn grote hoeveelheden zand nodg, n de westeljke helft van Nederland bestaan de bovenste lagen van de grond ut kle, veen en fjn, sl.bhoudend zand, Een gebrukeljke methode om daar het benodgde zand zonder te hoge transportkosten te verkrjgen, s het opzugen van zand ut de veelal op enkele tentallen maters depte voorkomende grove plestocene afzettngen. Na beëndgng van de zandwnnng bljft een grote put over, welke kan worden gebrukt bj de waterwnnng, de n Nederland ook steeds meer moeljkheden geeft, Daar het depere grondwater n wes teljk Nederland n de meeste gevallen een te hoog zoutgehalte heeft om ook als drnkwater te denen, kan een dergeljke put n het algemeen slechts als bufferreservor worden gebrukt. De vullng en verversng van de put zal kunnen gebeuren door overtollg water ut de omrngende polders n te laten ofwel door rverwater van goede kwaltet over grote afstanden aan te voeren, Do hoeveelhed watar,welke ut een dergeljke put kan worden verkregen, zal voornameljk afhangen van de grootte van de rut (horzontale oppervlakte), van de pelfluctuates en van de toelaatbaar geachte grondwateronttrekkng, welke na mengng met het zoetere water n de put tot een stjgng van het zoutgehalte zal leden, Stahl tet van de podem van de _put Door grote pelverlagngen kan de putbodem nstabel worden, nameljk n de gevallen dat dcht onder de bodem van de put een slecht doorlatende laag een zekere afslutng geeft van daaronder gelegen grove afzettngen, De stabltet van de putbodem hangt nu zowel af van de dkte D van het pakket tussen bodem en de bovenzjde van de tweede grov.e laag, als van het verschl tussen de stjghoogte n de tweede grove laag en de waterspegel n de put, Het onderwatergewcht van de laag met dkte D moet bj stabltet groter zjn dan de overdruk vanut de tweede watervoerende laag. ~ordt het pelverschl voorgesteld door h h, waarbj: h ~pel van de put en h ~ 4 4 stjghoogte van het water n de tweede grove laag; wordt verder het

3 2 soorteljk gewcht van de gronddeeltjes voorgesteld door r parngahalte door ~, dan geldt als stabltetses: en het [ ( jl ) ( ( ) } D > hq_ h Daar bj zand n losse pakkng ft, 4 tot, 5 en ~ c 2,65 grjcm3, volgt herut dat D mnstens enkele tentallen procenten groter moet zjn dan h 4 h, n de praktjk zal men ut velghedsoverwegngen D anderhalf tot twee maal zo groot maken, Toestromng van het grondwater Bj de beschouwng van de geohydrologsche gesteldhed van de westeljke helft van Nederland kan men n hoofdzaak twee gevallen onderscheden, Onder de afdekkende slecht doorlatende laag (~Prtcale weerstand c D jk ) s een goed doorlatende grofzandge laag, daaronder weer een slecht doorlatende laag, welke ofwel een zo klen~ doorlatendhed heeft dat deze laag als ondoorlatend kan worden beschouwd (c, oo, Hollands profel) ofwel er s door deze laag nog J een zekere utw~selng van water met depere lagen mogeljk (c 3 endg ze fg. ), Bj pompproeven maakt men dkwjls gabruk van formules, welke voor statonare toestanden zjn afgeled, Daar het her n het algemeen om zeer langzame peldalngen gaet.(max. cm/ dag) s de toepassng van dorgeljke formules her zeker toegestaan, Voor het eerste geval (toestromng na"r de put door een enkele watervoerende laag) s voor de ntenstet Q'' van de putstromng de forg mule van DE GLEE geldg (VAN NES 935): Q" = 2 '( g r (h2 h) ~2 K K ( r v k2 J)2 c ( r yk2 D2 c l ) r straal van crkelvormge put h pel van het water n de put h~ h~. stjghoogte van het grondwater n de bovenste grove laag ter plaatse van de put n de oorspronkeljke toestand stjghoogte van het grondwater n de bovenste grove laag na aanleg van de put met pel b (ze fg, ) Besselfuncte van de eerste soort van de orde nul ~ Baseelfuncte van de eerste soort van de eerste orde' ze fg. 2)

4 3 Daar zowel Q'' als h van de tjd afhangen, maar de straal r van g ' de put vrjwel net, dus Q" :x'. en h 2 h als evenredg mogen worg ~.g den beschouwd, kan bovenstaande formule ook als volgt worden geschreven: Q." (t) = g met als weerstand (ze fg. 3): h h 2 N / ~ arrr ~ 2. l' K ( 'l/k2 r K ( V k2 D2 c D2 c ) Herbj moet echter worden opgemerkt, dat n de oorspronkeljke toestand er een zekere kwelstromng was, welke nuk n het neuwe geval met dezelfde ntenstet door de open put zal worden aangetrokken nden b~ h. Deze kwelstromng n de oorspronkeljke toestand kan worden voorgesteld door: Q' = g T r 2 (h' h ) 2 waarbj h gemddelde grondwaterstand n de omrngende polders ~ polderpel h p Voor h~ h levert de formule voor Q~ als utkomst echter nul. Herut volgt, dat de totale toestromng naar de put moet worden voorgesteld door: + Deze formule s echter ook te schrjven als: Q ~ g waarut volgt dat: h w c

5 4 Voor het geval met endge c s het beter de formule van 3 Husman en Kamperman te gebruken (HYDROLOGSCH COLLO~UUM 964, pag, 445 en 6 67). nden{~~ n zeer groot kan men ook een 4 goede benaderng bereken met de volgende formule: _2 h' h \'/ + lf r 2 h' h + _?_ ) c.~ waarbj nu n de noemer w; de groothed c dent te worden vervangen door een effecteve vertcale weerstand c te berekenen ut: _ + c Bvenals n het vorge geval kan her Q worden geschreven als g het quotent van een stjghoogteverschl en een weerstand, Voor het ' nulnveau en de weerstand gelden nu echter ets andere formules, de onmddelljk ut voorgaande formules zjn af te leden. Herop wordt verder net ngegaan. n volgende voorbeelden wordt alleen gebruk gemaakt van bovenstaande formule voor w Voor e~n berekenng van het verloop van h of van Q met de tjd kan de volgende dfferentaalvergeljkng denen: ~ ( t) ~ a dh + Q ( t) + a ( E R) g d t " Q ~ w!lteronttrekkng aan de put E H a verdampng van open water ~ nee rs.lag 2 rrr oppervlakte van de put Door te gebruken Qg ( h~ h ) w met constante W en door ook voor a, ER on Q constanten te nemen, ontstaat.ecn gewone lnea are dfferentaalvergeljkpg van de eerste orde met constante coëffcënten: a ' dq _..:g_ Q (t) Q a (E;R) dt g Deze dfferpntaalvergelljkng hoeft als oplossng: Qg (t) <t a (ER) aw ( ) a;:r) ~ '~g ~ a e t

6 5 Om de grootteorde van de grondwaterstromng te beoordelen komt men gemakkeljker tot een resultaat door te veronderstellen dat er gedurende de waterwnnngsperade T een lneare dalng s van het pel h (D) tot h (T ). Een dergeljke veronderstellng s aannemeljk als de utvoer Q constant s en de grondwaterstromng Qg relatef klan. De gewonnen hocveelhed s dan: a h (T ),5 h (T ) ' De grondwaterstromng s van weng belang als a w groot s en wel mnstens van dezelfde grootteorde als T. Als voorbeeld 2 aanp;enomen dat kd = m /dag, c ~ dagen en T dagen, kan men met behulp van de formule voor w afleden, dat dt het geval s als r ~ 8 m, dus a ~? ho, Voor a 2 ha volgt dan nameljk a w 26 dagen, Er s dus slechts een 2~S n de opbrengst te verwachten na. dagen. bjdrage Voor klene waarden van a w en n het algemeen dus voor net zeer grote putten zal de toestromng van het grondwater van meer belang zjn, Er s dan weng reden om een lnear verloop van h (t) aan te nemen, Een betere oplossng kan worden verkregen door bovenstaande dfferentaalvergeljkng op te losse~ bj een;gegeven tjdsafhankeljke Q (t) ofwel bj een constante Q de formule met emacht te gebruken. Voorbeeld: r kd ~ c 3 m 2 rn /dag dagen h 2 h () ~ m Q ~ 2 m3/dag kd w,235 w o, Q.g ( ) 4?5 m 3 jdag dgjm 2 ER ;,2 mjdag a ~ 28,?, 4 m 2 z a (ER) 564 m3/dag a Vl 66 dagen Q. ( t) 2564 m J /dag g 6 34 m3/dag > t ~ Q ( t) g 425 m 3 jdag h = 29 m dagen / dag 2 = dagen 6975 m)/dag ~5 dagen =3875 m3/dag e t 66 dag on h ( t) m ~ 3, m = 4, m 4,45m

7 6 Stabltet van de taluds onder water Of grote pelverlagngen n de put de stabltet van de zandge taluds (normale hellng van los gestort zand onder water ongeveer 3 ) n gevaar zuller. brengen, kan net z.onder meer worden verklaard, daar n het algemeen ook n de grove watervoerende pakketten een bjzondere gelaagdhed kan voorkomen, welke van overwegend belang kan zjn, De grotendeels horzontale stromng van het grondwater n de goed doorlatende laag verandert dcht onder het talud van rchtng door een opwaartse component, Dt brengt met zch mee dat de grootste stromngsdchtheden en de grootste stromngsdrukgradenten ontstaan n de bovenrand van het grofzandge talud (ze bjv. fg. 4 ; stromngsdrukgradenten omgekeerd evenredg met doorsnede van verkantjes). nden het goed doorlatende pakket net homogeen s, maar s opgebouwd ut afwsselend goed en slecht doorlatende lagen zal men dergeljke randen met sterke utstromng, behalve dract onder de afdekkende klelaag ook op grotere depte vnden. De vorm van het talud en een door de zandwnnng veroorzaakte meer of mnder geljkmatge bedekkng van bodem en taluds met fjner of grover zand kunnen een meer geljkmatge uttredng van het grondwater bevorderen, n eersta benaderng zal man er wel mee moeten rekenen dat op de meest bedregde plaatsen de drukgrad~nt enkele malen hoger s dan da welke bj een zuver horzortale stromng langs de rand van de put zou ontstaan. De stjghoogtegrad~nt van een dergeljke horzontale stromng kan mat behhlp van bovenstaande formules als volgt worden afgeled: K ( r ) Vw.~'hc:, Ko ( r. ) Vlr(~b~.. c h h 2nr Relke utdrukkng men her ook gebrukt,er volgt wel ut, dat voor de stjghoogtegrad~nt van de horzontale stromng grotare waarden zl.jn te verwachten naarmate de put klener s, Dj klene putten zal men genegd zjn de wnnng van water te verhogen door grote pelverlagngen toe te staan. Bjvoorbeeld: r m, h h ~ m en V~<.D,. c, = 2 m ledt tot 9. n dt geval zjn dus op de plaatsen van bet talud, waar de uttredende grondwaterstromng zch concentreert, grad~ntan van,3 tot te ver

8 7 wachten, wat nhoudt dat de kans op evenwchtsverstornge~ daar vrj groot s, n het bjzonder moet men herbj denke~ aan de gevallen waarbj do waterspegel s gedaald tot de bovenkant van een grove zandlaag, terwjl drect erboven slappe kle of fjne slbhoudend zand aanwezg s. ~hogng zoutgehalte door grondwater Het toestromende grondwater kan schadeljk zjn als daardoor het zoutgehalte van het water n de put n belangrjke mate wordt verhoogd, Wordt volledge mengng van het water n de put aangenomen, dan kan het verloop van het zoutgehalte worden gevonden met behulp van de volgende dfferentaalvergeljkng: d dt (v c) = Qg (t) cg Q (t) c (t) V volume van het water n de put C ~ zoutgehalte van het water n de put Cg zoutgehalte van het gro9dwater Deze dfferentaalvergeljkng s eenvoudg oplosbaar als de oppervlakte van de put constant wordt genomen en de verdampng van open water wordt verwaarloosd. Bjvoorbeeld voor de begntjd t, moeten de grootheden V () en C (), welke van de voorgeschedens afhankeljk zjn, als gegevens worden ngevoerd, Een eenvoudger utkomst, welke vermoedeljk voor de praktjk wel van voldoende nauwkeurghed s, kan men verkrjgen door de gomddelden na el"n langjarg perodek bedrjf te beschouwen, waarut volgt: verhogng zoutgehalte utvoer ~ urondwater nvoer n ~ X totale utvoer (zoutgehalte grondwater zoutgehalte nvoer) To Voorbeeld: grondwaternvoer 6 J Q dt z 2, m3 ) Ze voorbeeld ~ g ) pag.> ) totale utvoer = ~ T D 3.é m3 Zoutgehalte nvoer (rverwater of polderwater) 5 mg Cl/lter, nden het zoutgehalte van het gewonnen water hoogstens een gemddeld zoutgehalte mag hebben van 2 tot 3 mg Cl/lter, volgt herut dut het srondwater hoogstens een zoutgehalte mag hebben van respecteveljk:

9 x mg Cl/lter 2. o x 5 = )75 mg Cl/lter 2. 6 nfltrate van rverwater Het nstromen van grondwater van te hoog zoutgehalte kan worden tegengegaan door het water n de put gemddeld een hoger pel te geven dan de gemddelde grondwaterstand n de omrngende polders ( ~ polderpel), Dt geeft een nfltrate van zoeter water n de depe grondlagen rondom de put, De voordelen van de toestromng van grondwater, dat wjl zeggen dat n de wnnngsperade de put meer levert dan er n de voedngsperade (nvoer van polderwater of rverwater) s ngebracht, gaat bj gebruk van het nfltrateprncpe verloren, mmers men wl n dat geval de schotelvormge overgangslaag tussen zoet water en zout of brak water op velge afstand van de put houden, zodat ondanks de perodeke fluctuates en de verdkkng van do overgangslaa~, de daarvan het gevolg s, vrjwel nets van het oorspronkeljke grondwater n de put kan komen. Dt kan men bereken door te begnnen met een voedngaperode van de put en door n elke volgende wnnngsperade zoveel te onttrekken, dat nvoe van rverwater, neerslag, verdampng en waterwnnng nog just een klen overschot laten. Hoe nstromng en utstromng door de bodem van de put gedurende de wnnngsperade zch zullen verhouden bj aanhouden van het prncpe dat het langjarge gemddelde van het pel van de put voldoende hoog moet zjn om grondwater met een te hoog zoutgehalte buten de put te houden, hangt onder meer af op welke maner de voedng gebeurt, bjvoorbeeld met constante ntenstet of zo snel mogeljk tot het maxmum pel (ze fg. 5; de gebarceerde oppervlakken boven de horzontale tjdas ets groter dan er onder; voor het kromljng verloop ze voorbeeld op pag. S ). De berekenng van het verloop h (t) kan bj constante nvoer of utvoer worden gedaan met de formule met amacht (nvoer negatef, utvoer postef): h (t) h Q. w + a(er) 'N h (o) h + '"'a "'+ a(er) w t alj

10 9 Tjdens de eerste helft van de wnnngsperade berekt de voorraad zoet grondwater zjn maxmum (ze snjpunt met horzontale as n fg. 5), Ut deze beschouwng volgt ook dat n de meeste gevallen de utstromng van grondwater over mdden tot ende van de wnnngaperode de nfltrate over het begn van deze perode overtreft, De voorraad zoet water, welke op deze maner n de grond kan worden gevormd, s op eenvoudge wjze n grootteorde te berekenen door de3e hoeveplhed voor te stellen door : Wordt bjvoorbeeld genomen: hnf ~, meter en overeenkomstg een voorgaand voorbeeld: w ~ d.... ~ (r :;;vvan cyclus=365 dagen; voor h nf ze rg.s).,24.3 dgjm 2, dan vndt men als maxmale voorraad aan zoet water n de grond: 75 m3, n fguur 5 wordt gesuggereerd dat van jaar tot jaar preces hetzelfde verloop terugkomt, Het werkeljke verloop zal hermee slechts n ruwe benaderng overeenkomen, daar toevallge afwjkngen altjd mogeljk zjn. De bezwa.,ren van een droog jaar kan men bjvoorbeeld opvangen door een wat hoger gemddeld pel n de normale en natte jaren (aantal n) aan te houden zodat n een droog jaar een n maal grotere verlagng van het jaargemddelde s toegestaan, Bj handhavng van het nfltrateprncpe moet omstreeks het begn van elke wnnngsperade het pel van de put belangrjk boven > h2 > h ) en dt houdt het polderpel lggen (ze fg. ; h > h een versterkng n van de kwel n de omgevng van de put, Deze toenemng van de kwel (vertcale opwaartse stromng v) kan langs de rand van de put onmddelljk worden voorgesteld door ( h h~ ) c Voor grotere waarden van r (dus r' > straal van de put r) volgt ut de putformule (VAN NES, 935): ~v(r ) = h(r)h' 2 Ko ( r' ) Vk.\,"D~c.. De totale toenemng/van de kwal n de polder rondom de put kan worden voorgesteld door Q~. Dt geldt n de meeste gevallen ook voor klene polders, daar K met toenemende r vrj Hterk afneemt, Vat,:.~Ues n pel van de put n de gevallen, dat een z,wakke mengng met grondwater van een hoger zoutgehalte nog s toegestaan, kan men de onttrekkng van water

11 n de wnnngsperade n zekere mate groter maken dan de nvoer van rverwater n de voorafgaande perode. De dalng van het gemddelde pel van de put, de herdoor wordt veroorzaakt, kan voordelg of nadelg zjn al naar gelang aanleg en onderhoud van rngdjk en onderwatertaluds daarvan nvloed ondeuvnden. Een geval, dat nog net genoemd s, nameljk geen nvoer van rverwater, s vermoedeljk van weng praktsch belang, en dat vooral wegens het zoutgehalte van het te wnnen water, dat afgezen van een zwakke verdunnng door neerslag mag worden geljk gesteld aan dat van het depe grondwater en net zozeer door het lage gemddelde pel van de put. Dt gemddelde pel kan voor dt geval worden berekend met de volgende formule: ' T T f { :t (t) + a(er) } dt De verdampng van open water en de neerslag kan men voor een gemddeld jaar n westeljk Nederland wel aan elkaar geljk stellen, zodat de ntegraal vervangen mag worden door de jaarljkse wateronttrekkng aan de put. voorkomende waarden kd ~ Worden vervolgens als voorbeeld de veel 2 m /dag en c = ) dagen genomen, daarbj voor de grootte van de put twee waarden respecteveljk r m en r 4 m, dan volgt (ze fg.3): kdw,54 en kd~,65, dus,)<. 3 ctg;m ' 2 en ',65.> ' dg/m. 2 Bj h h 3 ms dan de opbrengst van de put respecteveljk 3,2. 6 m3jjaar en 6,6. 6 m3/jaar. Vergrotng van de bodemweerstand bj nfltrate Een bekend verschj:sel bj nfltrate s het zogenaamde dchtslaan van de bodem tengevolge van de afzettng van slb en algen op de bodem en de verstoppng door fjne deeltjas van de por~n van een oorspronkeljk schone zandbodem, Dt verschjnsel s tot nu toa nog weng systematsch onderzocht. Wel s bekend, dat n een perode van een half jaar (normale duur van de nfltrate n de landbouw) reeds een aanzenljke toenemng van de weerstand kan ontstaan. Of bj de omkerng van de stromngsrchtng de weerstand n de zandge bodem van deze depe putten weer zal dalen, s net bekend. Het verrchten van waarnemngen aan een depe put met afwsselend dranage en nfltrate moet van belang worden geacht, wl men beter ~enformeerd zjn omtrent de mogeljkheden tot vormng van een voorraad zoet water n

12 het depe zandpakket. Vermoedeljk s wegens de grote oppervlakte van de depe putten n dt geval het effect net van overwegende nvloed, Het gaat mmers om de toevoegng van een weerstand Wb, welke kan worden voorgesteld door cbja. Enkele metngen utgevoerd n monsters verkregen ut de oorspronkeljk zandge bodem van de ZudWllemsvaart (3 jaar geleden aangelegd) leverde een gemddelde ebwaarde van 3 dagen. Bj a u 3 tot ha en bj aanhouden van genoemde waarde voor eb, volgt als utkomst voor de bodemweerstand Wb respecteveljk,.3 dgjm 2 en,3.3~gjm 2 Deze utkomsten lggen vrj rum beneden de waarden voor w behorende bj de behandelde voorbeelden. Dt houdt echter net n, dat n de praktjk zch geen gevallen zouden kunnen voordoen waarbj Wb een veel belangrjker deel zou utmaken van de totale weerstand w + Wb. Lteratuur H.A.VAN NES, Eon globale berekenng van het waterbezwaar van een crkelvormge bouwput bj toepassng van een bronbemalng met volkomen putten n spannngswater, Versl. en Meded, betr,de Volksgezondhed, aug, 93~. De ngeneur, 935, no, 32. HYDROLOGSCH COLLOC)UUM, Steady flow of groundwater to wells. Vers!, Meded. Comm, Hydrol,Onderz.T.N.O., no,, Den Haag, 964.

13 fg. ho ' h2 :::::: :.J_.::::::::: ~ h ~~"""""oud } stjghoogte van het neuw grondw. n laag 2 polderpel h ~. 65C

14 fg. 2 l!!!, ~~~4~+~+++~+! l==:::+~ H== +++++, T :; ++ + ' x 65C. 67.2/.7

15 fg.3 fk2d2 w : 5 ~.! :=t=~ ~ t.... ' ' :s::::. '., ~,~ ', ~ ~ ":... ' + l ' r. '.~!!. ' ' ~' _ "'ç" ' + ''f K_,. k ~ ~. 65(.67. 3/.7

16 ,.._ '<t.s!' ' '<t " ld ~ u l() ld

17 fg. 5 h voedng onttrekkng voedng onttrekkng h = h f ~.~ :: rnf: 65(.7. /.7