Zoetzout grondwater cursus, deel 1

Transcriptie

1 Zoetzout grondwater cursus, deel 1 Gualbert Oude Essink Bodem en Grondwater Systemen Deltares zoetzout.deltares.nl

2 Afleiding numerieke dispersie: 1D (IV) Uitschrijven term: 2 2 t C t C x V t C x D x C V x C D t t C t t C x C V x C D x V x C V x C D x D t C x C V x C VD x C VD x C D t C x C V t C

3 Chloride verdeling op -10m N.A.P. gebied waar de chloride concentratie In de ondergrond zodanig hoog is dat dichtheidseffecten op de grondwaterstroming waarschijnlijk een rol spelen Drinkwater norm: < 150 mg Cl-/l Oppervlaktewater: 200 mg Cl-/l Noordzee: ~ mg Cl-/l Stille Oceaan: ~19000 mg Cl-/l Middellandse Zee: ~22000 mg Cl-/l

4 Verzoet of verzilt Nederland? Oorzaken: 1. Autonome effecten bodemdaling inpolderingen land onder NAP 2. Menselijk ingrijpen peilbeheer grondwateronttrekkingen van zoet naar zout (VZM, Waterdunen) 3. Klimaatverandering zeespiegelstijging grondwateraanvulling

5 Toekomstige bodemdaling, 2050 AD Ontrekken van gas Krimpen van klei oxidatie van veen

6 Verzoet of verzilt Nederland?

7 Concept van een kustgebied

8 Het grondwater systeem is een poreus medium Combinatie van sediment en water Watervoerende pakketten (aquitard): zand Weerstandbiedend lagen (aquiclude): klei, veen, leem Confined aquifer, semi-confined aquifer, phreatic aquifer Top layer Enschede/Kedichem Top layer Enschede/Kedichem Tegelen/Belfelt Teg elen /Belfelt Maassluis Kallo Maassluis aquifer Hydrogeologic base Hydrogeologic base

9 Poreuze media

10 De Wet van Darcy De beweging van water door een poreus medium is grondwaterstroming Het kan worden beschreven door de bewegingsvergelijking: De Wet Van Darcy

11 I. Wet van Darcy (1856) Re gr Q poreus medium A Q L Q 1 2 Q KA L Q 1 L Q A geeft reference level Q A L 1 2 waarin K= doorlatendheid [L/T ] 1 2

12 II. Wet van Darcy In drukken: q x x p x p g q y y p y q z z Definitie stijghoogte: z p g z p z g =piezometric head (stijghoogte) ground surface (grondoppervlak) water table (grondwaterspiegel) p h= =pressure head filter g (drukhoogte) p=druk [M/LT 2 ] =intrinsieke permeabiliteit [L 2 ] =dynamische viscositeit [M/LT] =dichtheid [M/L 3 ] g=versnelling [L/T 2 ] k i =hydraulische conductiviteit [L/T] z=elevation head (plaatshoogte)

13 III. Wet van Darcy als dan: geeft i i g k x k q x x y k q y y z k q z z x g q x x y g q y y z g q z z geeft

14 Analogy physical processes Heat transport (analogy with solute transport) q k x h T x i V x

15 Darcy s law Darcy s law is only valid in the case of laminar flow: viz. at relatively low velocities when water particles move more or less parallel to each other. In other words, Darcy s law is valid as long as the so-called Reynolds number Re () does not exceed some value between 1 and 10: Re = qr/µ < 1 10 where R= hydraulic radius of the pore

16 Permeability and hydraulic conductivity The intrinsic permeability largely depends on the size of the pores through the effective porosity n e. A commonly-used equation is that of Kozeny-Carmen to clearly demonstrate the relation between and n e : Kozeny-Carmen: = c d 2 n e3 /(1 ne) 2 [m 2 ] where c=coefficient depending on pore structure [-] d=main grain size [L]

17 Permeability and hydraulic conductivity Soil k (m/s) (m 2 ) Unconsolidated deposits Clay <10 9 <10 17 Sandy clay Silt Peat Very fine sand Fine sand Coarse sand Sand with gravel Gravel >10 2 >10 9 Rocks Unfractured rocks <10 9 <10 17 Sandstone Limestone & dolomite Fractured rocks Permeable basalt Karst limestone

18 Hydraulic conductivity of more layers Horizontal hydraulic conductivity k h k i b b i t b t Arithmic mean (parallel) Vertical hydraulic conductivity b t k h b t b k i i Harmonic mean (serial)

19 Stoftransport

20 Solute transport equation Partial differential equation (PDE): R d C t change in concentration x i D ij C x dispersion diffusion j x i CV i C C n e ' W R d C advection source/sink decay D ij =hydrodynamic dispersion [L 2 T -1 ] R d =retardation factor [-] =decay-term [T -1 ]

21 Solute transport equation: column test (I): MOC3D C Pollutant distribution at t=0 Pollutant aquifer x Direction of flow concentration C0 top bottom x=0 Distance x

22 Solute transport equation: column test (II): C Pollutant distribution at t >0 1 Advection C Advection+diffusion x=vt1 x C Advection+diffusion+dispersion x x

23 Solute transport equation: column test (III): MOC3D C Advection+diffusion+dispersion+retardation(linear isothermal) retardation C x=vt /R 1 Advection+diffusion+dispersion+retardation+decay x x=vt /R 1 x

24 Hydrodynamic dispersion MOC3D hydrodynamic dispersion = mechanical dispersion+ diffusion mechamical dispersion: tensor (2D, 3D) snelheidsafhankelijk diffusion: moleculair proces stoffen verspreiden door concentratieverschillen

25 Density depends on salinity and temperature EOS 2 ( S,T ) S ( T S) Knudsen (1902)

26 Density and viscosity depend on temperature EOS (10 o C-160 o C)

27 Introductie grondwater in het kustgebied Concepten van zoutwater intrusie

28 Badon Ghyben-Herzberg principe Principe veronderstelt scherp grensvlak tussen zoet en zout grondwater Analogie: ijsberg & zoute oceaan en graniet tectonische plaat en basalt base h=h: if =0.025 h=1 m, H= 40 m natural recharge h fresh sea H h f f s h freshwater lens H h f saline saline =( s- f)/ f

29 druk zout grondwater = druk zoet grondwater s Hg f ( H h) g h s f H f h H

30

31

32 Klassieke definitie zoutwaterintrusie Horizontale instroming van zout grondwater in een watervoerend pakket dat zoet grondwater bevat

33 Badon Ghyben-Herzberg principle (I) Difference between reality and Badon Ghyben-Herzberg approximation concept: mixing zone in reality concept: interface between fresh and saline groundwater zone of diffusion h=constant interface

34 Biscayne aquifer, Florida: Henry s case

35 Henry s problem (1964) cases

36 Definitie zoutwaterintrusie Numerical model: Henry s case

37 Definitie zoutwaterintrusie Numerical model: Henry s case

38 Zeespiegelstijging en zoutwaterintrusie

39 Zeespiegelstijging en zoutwaterintrusie

40 Sea level rise and salt water intrusion

41 Klimaatverandering en zeespiegelstijging

42 Ons toekomstige grondwatersysteem Wat komt er allemaal op ons af? Klimaatverandering Grondwaterwinning Ontwikkeling energiegebruik/productie Bodemdaling Ontwikkeling ruimtegebruik Politiek, Beleid & Waterbeheer Directe invloed door de mens op het grondwater is belangrijker dan klimaateffect

43 KNMI 06 scenario s Bron: Van der Hurk et al. (2006)

44 Het Nederlandse grondwatersysteem Peilverlagingen in het verleden hebben grondwaterstromingen naar het binnenland veroorzaakt

45 Het Nederlandse grondwatersysteem staat onder druk Present processes Future changes

46 Effect of a relative sea level rise (1): Deep aquifer Natural groundwater recharge sea freshwater lens sea level rise Natural groundwater recharge shoreline x retreat x freshwater lens decrease of fresh groundwater volume saline groundwater saline groundwater impervious impervious

47 Effect of a relative sea level rise (2): Shallow aquifer Natural groundwater recharge Natural groundwater recharge shoreline retreat x sea level rise saline groundwater freshwater lens q saline groundwater freshwater lens q salt water wedge salt water wedge

48 Effect of a relative sea level rise (3): Shallow aquifer Natural groundwater recharge Natural groundwater recharge low-lying polder sea level rise x low-lying polder saline groundwater freshwater lens brackish groundwater saline groundwater freshwater lens qs brackish groundwater inflow of saline groundwater

49 Effecten voor het oppervlaktewater systeem en de landbouw

50 Gevolgen verzilting Gevolgen verzilting grondwater: Zoutschade gewassen Zoutbelasting vanuit het grondwater naar het oppervlaktewater [Verzilting ontrrekkingputten] Bron: Proefstation voor de Akkerbouw en Groenteteelt, Lelystad

51 Gevolgen verzilting: zoutschade aan gewassen bij wortelzone Belangrijke parameters: Chloride concentratie bij wortelzone Landgebruik Gevoeligheid gewassen Landgebruik Drempelwaarde wortelzone (mg Cl-/l) Helling wortelzone (-) Gewasopbrengst prijspeil 2050 (Euro/ha) gras aardappelen bieten granen glastuinbouw boomgaard bollen Bron: Roest et al., 2003 en Haskoning Bron: MNP, 2005

52 Modelleren zoet-zout grondwater

53 Verschillende modelschalen om verschijnselen te analysen Sub-local: fingering, zoute wellen Sri Lanka (Tsunami 2004), De Zandmotor modelschaal=1cm-1m Local: regenwaterlenzen, WKO, Tholen, Schouwen-Duiveland modelschaal=5-25m Regionaal: Zeeland, Gujarat/India, Philippines modelschaal=100m Nationaal: salt load Zuid-Holland, NHI modelschaal=250m-1km

54 Numerieke computer modellen: ROTZOOI IN = ROTZOOI UIT echter steeds betere 3D geologische opbouw (REGIS II, Geotop) steeds betere 3D initiële dichtheidsverdeling steeds betere concepten steeds betere ijkings technieken steeds nauwkeuriger (snellere computers, meer geheugen)

55 Modelling effect climate change on fresh-salt groundwater Modelling: variable-density 3D, non-steady groundwater flow coupled solute transport Code: MOCDENS3D (MODFLOW family) similar to SEAWAT Assessing effects: autonomous salinisation sea level rise changing recharge pattern land subsidence changing extraction rates adaption measures

56 Opkegeling van zout grondwater onder een onttrekkingsput

57 Opkegeling van zout grondwater onder een onttrekkingsput Lecture notes p. 44

58 Upconing of saline groundwater Under an extraction well Q extraction ground surface phreatic water table sea Upconing: undesired situation fresh groundwater saline groundwater Under a low-lying area f s H lowering water level due to reclamation p h p l upconing t t initial interface 2 t 0 1 semi-pervious p h fresh saline movement of saline groundwater to extraction wells increase in salinity (> mg Cl-/l) lowering of the piezometric head (leads to land subsidence: e.g. Los Angeles: 9 m in the 1930 s) Solutions : reduce extraction rate, abandon well, inundate polder

59 Upconing under a low-lying polder

60 Upconing under a low-lying polder

61 Availability of fresh groundwater for drinking water <100 m m m m m >500 m >inversion (salt above fresh) Pumping stations with salinisation Pumping stations closed due to salinisation (20%=100 stations)

62 Different risks of upconing saline groundwater

63 Technische maatregelen

64 Measures to compensate salt water intrusion The Fresh Holder Extraction of saline/brackish groundwater Infiltration of fresh surface water Modifying pumping rates Land reclamation in front of the coast Creating physical barriers (chrystallisation or biosealing)

65 Solution: The Fresh Holder Solutions Reverse osmosis Upconing can be prevented by the extraction of brackish groundwater This brackish groundwater can be transformed to water of agricultural water quality by using the membrane filtration technique KIWA

66 Countermeasures of salt water intrusion (1) increase of fresh groundwater volume due to countermeasure Deep-well infiltration qi Land reclamation new land saline groundwater fresh groundwater saline groundwater fresh groundwater q +q 0 i q0 impervious impervious

67 Countermeasures of salt water intrusion (2) Introduction Saline groundwater extraction qa Artificial recharge area recharge pool fresh groundwater q0 fresh groundwater q +q 0 r saline groundwater impervious saline groundwater impervious

68 Countermeasures of salt water intrusion (3) Introduction reduced extraction Modifying pumping rates rate qe (EC-project: CRYSTECHSALIN) Physical barrier saline groundwater fresh groundwater Salt water wedge L q -q 0 e impervious saline groundwater reducing fresh groundwater volume physical barrier q0 Salt water wedge L stagnant saline groundwater impervious

69 Landaanwinning en de zoetwaterlens

70 Voorbeelden zoet-zout grondwater

71 Evolution of a freshwater lens natural recharge sea freshwater lens saline groundwater

72 Development of a freshwater lens

73 Zoetwaterlens duingebied: analytische vergelijking s saline groundwater B freshwater lens f H max x ground surface h H sea Depth of fresh-saline interface H H= h=h 2 2 f(0.25b - x ) k(1+ ) H f 2 (0.25B x k (1 ) 2 ) h H

74 Zoetwaterlens duingebied: analytische vergelijking s saline groundwater B freshwater lens f H max x ground surface h H sea Depth of fresh-saline interface H 2 2 f(0.25b - x ) H= B 2000m, f 0.001m/day k(1+ ) k 10m/day, h=h ne 0.35 Maximal thickness lens H max 62.5m, hmax 1.56m Volume lens (wrong in lectures notes) V 35203m 3 /m' Characteristic time days 48.2years

75 Ontwikkeling van een zoetwaterlens T = karakteristieke tijdschaal T = tijdsduur voordat lens 95% van zijn uiteindelijke vorm heeft In Nederland: T = jaar, afhankelijk van: breedte duingebied neerslag doorlatendheid bodem

76 Ontwikkeling van een zoetwaterlens T = karakteristieke tijdschaal T = tijdsduur voordat lens 95% van zijn uiteindelijke vorm heeft In Nederland: T = jaar, afhankelijk van: breedte duingebied neerslag doorlatendheid bodem

77 Griend 1. Het kleine eiland beweegt ~7.5m per jaar naar het oosten 2. Effect op de zoetwatervoorraad: Kan er een zoetwater lens ontwikkelen? Wat is de dikte van de lens? 1.8 km

78 Beweging van De Griend en de creatie van de lens

79 Beweging van De Griend en de creatie van de lens

80 Vertical interface between fresh and saline groundwater

81 Dichtheidsafhankelijke grondwaterstroming

82 Dichtheidsafhankelijke grondwaterstroming

83 Dichtheidsafhankelijke grondwaterstroming

84 Dichtheidsafhankelijke grondwaterstroming

85 Dichtheidsafhankelijke grondwaterstroming

86 Dichtheidsafhankelijke grondwaterstroming

87 Fingering processen in de ondergrond

88 Fingering processen in de ondergrond

89 Roterend asymmetrisch scherp grensvlak cases J. Hydrology, 2004 nr. 287, pp

90 Roterend asymmetrisch scherp grensvlak cases J. Hydrology, 2004 nr. 287, pp

91 Mijn eerste zoet-zout model

92 Zoutwaterintrusie in een typisch Hollands profiel Positie profiel Duingebied Waternet, Rijnland polders en Haarlemmermeer polder North Sea Zandvoort Railway Haarlem Ringvaart Specific profile Amsterdam Cruquius Waterworks Hoofddorp Sand-dunes profile city km Hillegom Haarlemmermeer polder

93 Zoutwaterintrusie in een typisch Hollands profiel Grondwater onttrekkingen uit het middelste watervoerend pakket uit het duingebied Waternet Extraction [10 m per yr] Stress period: Deep groundwater extraction Time in years

94 Zoutwater intrusie in het Nederlandse kustgebied sea dunes polder fingering opkegeling putten opkegeling polder zout insluiting

95 Zoutwater intrusie in het Nederlandse kustgebied

96 Opkegeling van brak-zout grondwater, voorbeeld

97 Opkegeling van brak-zout grondwater, voorbeeld Zandvoort - Haarlemmermeer Stuyfzand, 93

98 Grondwateronttrekkingen in het kustgebied veroorzaken opkegeling van brak-zout grondwater

99 Initiele zoet-zout verdeling

100 Database kustgebied: positie Cl--observatie filters Data: DINO-Qua Chloride-metingen Diepte (m) Aantal mv > Maximaal 64 metingen in 1 put Langste tijdreeks in 1 filter: 72 jaar Eerste meting op 2 jan 1853 Aantal tijdreeksen (minimaal twee metingen in een filter) 2126 (gehele gebied)

101 Chloride concentraties in Zuid-Holland: ~6000 metingen Frequentie Frequency Choride concentration Histogram measurements in Province Zuid- Holland, used in 3D-density matrix % Frequency Cumulative % Tijdstip van meting % 80.% 70.% 60.% 50.% 40.% 30.% 20.% 10.%.% year AD

102 Chloride concentraties in Zuid-Holland : ~6000 metingen Histogram Histogram: depth Chloride measurements 100.% % 80.% 70.% 60.% 50.% 40.% 30.% 20.% 10.%.% Depth Frequency Cumulative % Diepte meting (m N.A.P.) Frequentie Frequency

103 Enkele regionale studies Flevoland Delfland Zuid-Holland Dongeradeel

104

105

106 Modelling effect climate change on fresh-salt groundwater Modelling: variable-density 3D, non-steady groundwater flow coupled solute transport Code: MOCDENS3D (MODFLOW family) similar to SEAWAT Assessing effects: autonomous salinisation sea level rise changing recharge pattern land subsidence changing extraction rates adaption measures

107 The Netherlands is a data-rich country National study REGIS Regional Geohydrogeological Information System (tops bottoms layers) chloride measuremenst since 1854

108 Province Zuid-Holland (2004, update 2008, etc.) Land subsidence Sea level rise Change in recharge Top layer Enschede/Kedichem Tegelen/Belfelt Top layer Enschede/Kedichem Tegelen/Belfelt Maassluis Kallo Maassluis aquifer difference in head (m) Hydrogeologic ba se Hydrogeologic base

109 Nationaal Hydrologisch Instrumentarium NHI

110 Netherlands Hydrological modelling Instrument for fresh-saline groundwater Using the national subsoil parametrisation 4 layers based on REGIS and NHI 31 model layers with varying thicknesses: 2*5m; 10*2m; 8*5m en 11*20m cellsize 250x250m Using the national 3D salt concentration in groundwater Fresh-saline REGIS: ~65000 measuring points (analyses, VES, Borehole) Result: Salt load [kg/ha/yr]

111 3D model Zeeland Cels 100*100 m 2 Top modellayers 0.5 m thickness Calibrated Improved 3D initial fresh saline field H_MODEL (m NAP) RESIDUEN PRIOR ZEELANDMODEL, ZOET- ZOUTCORRECTIE VERDISCONTEERD IN METINGEN H_METING (m NAP) Difference in m Freshwater head sea level +1m

112 Assessing climate change effect on freshwater lenses Monitoring: Geology TEC-probe Sampling (head & conc) EM31 CVES HEM TEC probe Groundwater modeling CVES

113 EM31 Sampling apparant resistivity for f 5 = 41 khz HEM

114

115 Zoetwaterstijghoogte

116 There are three common ways to define head Which one is useful? Post, Kooi and Simmons, 2007, Ground Water

117 Zoetwaterstijghoogte f f p f g z Vergelijken grondwater met verschillende dichtheden Fictieve parameter In plaats van drukken Verwarrend (zoetwaterstijghoogte staat loodrecht op stroomlijnen)

118

119 Hydrostatic boundary condition at the sea Water level=+0m MSL z=5m 1025 kg/m3 f 1 0 m 0.025*2.5m m z=5m 1025 kg/m3 f *5m m z=5m 1025 kg/m3 f *5m m z=10m z=10m 1025 kg/m3 f *(2.5m 5m) 1025kg/m3 f f 2 f 1 ( z) f f *(5m 5m) 0.50m 0.75m

120 Hydrostatic boundary condition at an estuary Water level=+0m MSL z=5m 1010 kg/m3 f 1 0 m 0.010*2.5m 0.025m z=5m 1010 kg/m3 f *5m 0.075m z=5m z=10m 1025 kg/m *2.5m 0.025*2.5m f kg/m3 f *(2.5m 5m) 1025kg/m m 0.35m z=10m f f 2 f 1 ( z) f f *(5m 5m) 0.60m

121 z=10m =1000 kg/m3 p1 5m z=10m =1000 kg/m3 p2 10m z=10m =1000 kg/m3 p3 25m + No flow

122 z=10m =1005 kg/m3 p1 5m z=10m =1010 kg/m3 p2 10m z=10m =1015 kg/m3 p3 25m + Flow or no flow? (if phydrostatic than flow) Calculate to freshwater head!

123 z=10m =1005 kg/m3 p1 5m z=10m =1010 kg/m3 p2 10m z=10m =1015 kg/m3 p3 25m + 1. Determine hydrostatic pressure (and freshwater head f f ) 2. Determine pressure p in well! (and freshwater head f f )

124 1. Determine hydrostatic pressure and frwhead z=10m =1005 kg/m3 p1 5m p 1 = 1 gh=1005*10*5=50250 N/m 2 f1 =p 1 / f g+z 1 =30.025m z=10m =1010 kg/m3 10m p 2 = 1 g10m+ 2 gh=1005*10* *10*5= N/m 2 f2 =p 2 / f g+z 2 =30.100m p2 z=10m + =1015 kg/m3 p3 25m p 3 = 1 g10m+ 2 g10m+ 3 gh=1005*10* *10* *10*5= N/m 2 f3 =p 3 / f g+z 3 =30.225m 1. Determine hydrostatic pressure (and freshwater head f f ) 2. Determine pressure p in well! (and freshwater head f f )

125 2. Determine pressure p in well and frwhead z=10m =1005 kg/m3 p1 5m p 1 = 1 gh 1 =1005*10*5=50250 N/m 2 f1 =p 1 / f g+z 1 =30.025m h 1 z=10m =1010 kg/m3 p 2 = 2 gh 2 =1010*10*15= N/m 2 f2 =p 2 / f g+z 2 =30.150m p2 10m h 2 z=10m + =1015 kg/m3 p 3 = 3 gh 3 =1015*10*25= N/m 2 f3 =p 3 / f g+z 3 =30.375m p3 25m h 3 1. Determine hydrostatic pressure (and freshwater head f f ) 2. Determine pressure p in well! (and freshwater head f f )

126 Comparison z=10m =1005 kg/m3 p1 Hydrostatic: f1 =30.025m In tube: f1 =30.025m 5m z=10m =1010 kg/m3 Hydrostatic: f1 =30.100m In tube: f1 =30.150m p2 10m z=10m =1015 kg/m3 p3 25m + Hydrostatic: f3 =30.225m In tube: f3 =30.375m Conclusion: freshwater head not equal, so vertical upward flow!

127 What would be the water level in the tube if hydrostatic? 5cm lower 14.8cm lower z=10m =1005 kg/m3 p1 5m h 1 =p 1 / 1 g=50250/(1005*10)=5.00m z=10m =1010 kg/m3 p2 10m h 2 =p 2 / 2 g=151000/(1010*10)=14.950m z=10m =1015 kg/m3 p3 25m + h 3 =p 3 / 3 g=252250/(1015*10)=24.852m

128 f f f f z z z g q Hydrostatic pressure: q z =0 f f f z 0 z f f f 1) 2 ( 1 2 z z f f f f ) ( 1 2 z f f f f +

129 Elder problem (I) cases It is originally a heat transport problem Phases: 1. Stable growth diffusive boundary layer 2. Development flow cells embedded in boundary layer 3. Emergence of disturbances that grow into fingers Convection of heat occurs when: Rayleigh number > 4 2 Elder, J. Fluid Mech. 32, 69-96, 1968

130 Elder problem (II) Anology composition and heat Lecture notes, p

131 Elder problem (III) cases Development of convection cells (Rayleigh number=400)

132 Elder problem (III) cases Development of convection cells (Rayleigh number=400)

133 Heat transport (Rayleigh number=4000) cases give a perturbation to start convection

134 Conclusies 1. In kustgebieden kunnen dichtheidsverschillen een belangrijke rol spelen 2. Autonome proces heeft een grotere invloed op de verzilting van Nederland dan klimaatverandering 3. Het verschil tussen de gevolgen van de klimaatscenario s is klein voor het grondwater systeem 4. Regenwaterlenzen zijn kwetsbare systemen 5. Te weinig metingen kwaliteit in het kustgebied