Natuurkunde in de bodem Een geo elektrische analyse en de wet van Ohm toegepast

Transcriptie

1 Inleiding De bodem van Nederland bestaat bijna helemaal uit zanden, kleien en veen. Water in de bodem stroomt gemakkelijk door grove zanden, maar verplaatst zich bijna niet in zware kleien. In de geologie en hydrologie zijn deze eigenschappen erg belangrijk om bijvoorbeeld te bepalen waar wel en waar geen drinkwater kan worden gewonnen. Een zeer nauwkeurige beschrijving van de bodem wordt ook steeds belangrijker omdat de druk van de mens op de natuur voortdurend groter wordt en wij ons steeds meer realiseren hoe belangrijk deze natuurlijke omgeving voor ons is. Daarnaast stellen steeds snellere computer ons in staat om met een groot detail naar de processen in de bodem te kijken. Gedetailleerde informatie over de bodemopbouw is ook hiervoor noodzakelijk. De meest voor de hand liggende methode om de bodemopbouw te bepalen is het graven van een diep gat. Je weet dan echter alleen de bodemopbouw op dat ene punt en bovendien kost het veel moeite en verstoor je de bodem. De geoelektrische analyse is een veel gebruikte methode om snel de bodemopbouw te kunnen bepalen zonder de bodem te verstoren. Elke bodemsoort heeft een eigen elektrische weerstand en door nu op steeds grotere diepte de elektrische weerstand te meten kan een beeld worden gemaakt van de bodemopbouw. Wageningen Universiteit doet veel onderzoek in toepassingen waar de bodemstructuur van groot belang is. Denk hierbij aan het ontwikkelen van de ecologische hoofdstructuur. Het type natuur, dat mogelijk is op een bepaalde plek, hangt sterk samen met de bodemopbouw en de grondwaterstroming. Ook voor bijvoorbeeld drinkwatervoorziening, bouwprojecten en landbouw is een gedetailleerde bodemopbouw van belang. De geo elektrische analyse is een onderzoekstechniek die gebruikt wordt om deze informatie boven water te krijgen. Studenten hebben deze methode recent gebruikt om de bodemlagen en het zoutgehalte van het grondwater in Polder Noordplas te bepalen, zowel uit het oogpunt van natuurbeheer als landbouw. Een andere methode voor het meten van de weerstand in de bodem is het meten van de waterdoorlatendheid. Voor deze methode worden een aantal monsters genomen, waarvan de doorlatendheid wordt bepaald. Zo kan iets worden gezegd over de doorlatendheid van het hele bodemprofiel, de gevoeligheid voor plasvorming op de bodem en het gevolg hiervan voor de landbouw of de natuur. Deze methode vult de meting m.b.v. geoelektrische analyse aan omdat op een kleinere schaal wordt gekeken en specifiek naar de weerstand van de bodem voor water wordt gekeken. Doel Het bepalen van de bodemopbouw en fysische eigenschappen van deze lagen in een stuwwal en kleigrond tot een diepte van ruim 40 m.

2 Theorie Geoelektrische analyse Wet van Ohm Geoelektrisch onderzoek is gebaseerd op de wet van Ohm. De wet van Ohm is één van de bekendste wetten in de natuurkunde en beschrijft het recht evenredige verband tussen spanning U (in Volt, V) en stroomsterkte I (in Ampère, A). De evenredigheidsconstante is daarbij de weerstand R (in Ohm): U = I R (1) Door zijn eenvoudige vorm heeft deze wet een breed scala aan toepassingen in het wetenschappelijk onderzoek. Een veel gebruikte methode om de bodemopbouw te detecteren is door een elektrische spanning op de bodem te zetten, waardoor diepte, en soort van een bepaalde bodemlaag bepaald kan worden. Dit is mogelijk omdat iedere bodemsoort unieke eigenschappen bezit, waaronder een unieke soortelijke weerstand. Soortelijke weerstand De weerstand van een stroomkanaal is afhankelijk van de soortelijke weerstand ρ (in Ω.m) van het metaal, de lengte l (in m) van de kabel en de oppervlakte van de doorsnede van de kabel A (in m2): l R = ρ (2) A Deze relatie geldt niet alleen voor een stroomdraad, maar voor ieder willekeurig medium, dus ook voor een bodem: de weerstand R van een bodem hangt af van het (dwarsdoorsnede) oppervlak A en de lengte l van het stroomkanaal, en van de soortelijke weerstand ρ. De soortelijke weerstand is alleen afhankelijk van het type geleider. In een stroomdraad is dat meestal koper; in de bodem zijn dat de zoutionen en geladen bodemdeeltjes. We kunnen dus, als we de lengte en oppervlakte van het stroomkanaal in de bodem kennen, uit een weerstandsmeting de soortelijke weerstand ρ bepalen. Omdat elk bodemtype een eigen soortelijke weerstand heeft kan hieruit een indicatie worden verkregen van het bodemtype (zie tabel 1). Bodemsoort Soortelijke weerstand (Ω.m) indicatie Klei 20 Leem 40 2

3 Zand (fijn) 200 Zand (grof) 4000 Tabel 1: indicatie van soortelijke weerstand van diverse bodemsoorten. In de praktijk zijn de soortelijke weerstanden vaak een traject waarbinnen de soortelijke weerstand varieert. Dit komt door menging van diverse bodemsoorten (bijv. door geologische processen) met een verschillende soortelijke weerstand (ICT, 1995). Nu hangt de soortelijke weerstand niet alleen af van het bodemtype maar ook van het zoutgehalte en vochtgehalte. In de meeste Nederlandse situaties is echter over het algemeen sprake van een hoge grondwaterstand en lage zoutgehaltes, waardoor veranderingen hierin in deze proef verwaarloosd kunnen worden. Elektrisch veld Door een spanning op de bodem aan te brengen, ontstaat er een elektrisch veld in de bodem. De elektrisch geladen deeltjes in de bodem ondervinden hierdoor een krachtwerking op afstand. Deze krachtwerking kan modelmatig worden weergegeven met behulp van het (elektrisch) veldbegrip: in de ruimte rondom een elektrische lading heerst een elektrisch veld. Dit veld kan worden weergegeven door elektrische veldlijnen. De richting van de veldlijn in een bepaald punt geeft de richting van de elektrische kracht op een positief deeltje in dat punt weer. De raaklijn aan de veldlijn in een bepaald punt geeft de werklijn van de kracht weer, zie figuur 2. Deze kracht is gelijk aan de sterkte van dit elektrisch veld (=veldsterkte) maal de lading in dit elektrisch veld. Omgedraaid geldt dus voor de elektrische veldsterkte veldsterkte E (in N/C): Fe E = (3) q waarin F e (in N) de elektrische kracht is die een deeltje met lading q (in C) ondervindt. Figuur 1: Elektrische velden met alleen een positieve lading (links) en recht een positieve en negatieve lading. De elektrische kracht op een geladen deeltje is gelijk aan de 3

4 veldsterkte maal de lading van dit deeltje. De veldsterkte is groter naarmate de veldlijnen dichter bij elkaar lopen. In de figuur zie je dan ook dat de pijltje langer is op de plaatsen waar de veldlijnen dicht bij elkaar lopen. Een geladen deeltje zal in een elektrisch veld versneld gaan bewegen. Hierbij krijgt het deeltje steeds meer kinetische energie. Dit betekent dat een geladen deeltje in een elektrisch veld (net als een massa in het zwaartekrachtsveld) potentiële energie heeft. Hiermee kan de potentiaal V (in V) van een elektrisch veld gedefinieerd worden: E V = (4) q Een potentiaal is dus een grootheid die een maat geeft voor (een type) potentiële energie op dat punt. Een deeltje wil van een hoge potentiaal naar een lage potentiaal (energetisch voordelig); een geladen deeltje krijgt dus een kracht van een hoge elektrische potentiaal naar een lage elektrische potentiaal. Net zo wil een deeltje met een massa van een hoge naar een lage massapotentiaal : dit voel je als een zwaartekracht. In plaats van veldlijnen kan men een elektrisch veld ook weergeven met behulp van (equi)potentiaallijnen. Dat zijn lijnen die punten van gelijke potentiaal met elkaar verbinden. Deze equipotentiaallijnen staan op ieder punt loodrecht op de elektrische veldlijnen. Voor een homogeen elektrisch veld (dus een elektrisch veld waarvan de veldlijnen evenwijdig lopen) beschrijft de elektrische veldsterkte E het potentiaalverval ( V) per meter. In formulevorm: V E = (5) x Dit potentiaalverval is gelijk aan de spanning U tussen twee punten. Meetprincipe Wanneer op de grond tussen twee punten een spanning wordt aangelegd zal in de bodem een elektrisch veld ontstaan, dat als stroomkanaal fungeert. Wanneer de bodem uit een homogeen profiel is opgebouwd zal een regelmatig elektrisch veld ontstaan (zie figuur 2 boven). 4

5 Figuur 2 Elektrische veldlijnen (getrokken) en potentiaallijnen (gestippeld) in de bodem tijdens een geoelektrische meting. Boven: een homogeen bodemprofiel. Onder: een heterogeen bodemprofiel. Bij een heterogeen gelaagd profiel zullen de stroombanen gebroken worden. Dit is goed zien in het onderste deel van figuur 2. De elektrische veldlijnen veranderen zowel van richting als van onderlinge afstand bij de overgang tussen twee bodemsoorten. De weerstand neemt af in de onderste bodemsoort omdat de veldlijnen dichter bij elkaar komen te liggen (grotere veldsterkte, elektronen stromen sneller, dus lagere weerstand). Hoe groter de afstand is waartussen de spanning wordt aangelegd, des te dieper zal het stroomkanaal zich uitstrekken. Door steeds grotere afstanden tussen de elektroden te kiezen kan dus steeds dieper worden gemeten. Door de elektrische weerstand R van een bodem over verschillende diepten te meten kunnen veranderingen in soortelijke weerstand ρ worden waargenomen. Op deze manier kan de bodemsoort tot op aanzienlijke diepte bepaald worden. De geoelektrische opstelling bestaat uit een 117 meter lange kabel met 40 elektroden van metaal op verschillende onderlinge afstand van elkaar. Tijdens de meting worden er vier elektroden gebruikt. De buitenste elektroden vormen de stroombron, waardoor er elektrische veldlijnen ontstaan door de goed geleidende bodem, zie figuur 3 (en 2). De stroomsterkte (I) wordt over deze 2 elektroden gemeten. De middelste elektroden worden gebruikt voor een weerstandsmeting (U). Deze meting moet plaatsvinden in het middelste deel van het circuit, waar de elektrische veldlijnen nagenoeg evenwijdig aan elkaar lopen, zodat een betrouwbare potentiaalmeting gedaan kan worden (formule 5 is alleen geldig in een regelmatig elektrisch veld). 5

6 Figuur 3 Door aansluiting van een spanningsbron (buitenste elektroden) wordt een elektrisch veld in de bodem gecreëerd. Met behulp van een potentiaalmeting wordt de (cumulatieve) weerstand van de bodem over de gehele diepte van het elektrisch veld gemeten. Tijdens de meting rekent het geoelektrisch apparaat de gemeten spanning (U) en stroomsterkte (I) om tot een weerstand (R) en geeft deze als output op het display. Om de cumulatief gemiddelde (=alle meetellende lagen gemiddeld) soortelijke weerstand ρ te bepalen moet de gemeten weerstand vermenigvuldigd worden met de geometriefactor C (in m): ρ = C * R (6) Deze geometriefactor wordt gegeven door: C = 2π * a (6a) Waarin a staat voor de afstand (in m) tussen de spanningselektroden. Voorwaarde voor de geldigheid van deze formule is dat de verhouding tussen de afstanden van de bronelektroden (2 buitenste) en de meetelektroden 1:3 is. De uitkomst van deze cumulatieve soortelijke weerstand geeft een indicatie van het verloop van de bodemsoorten met de diepte. Door de elektroden dicht bij elkaar te houden, worden alleen de bovenste lagen gemeten, door een grotere afstand tussen de elektroden te nemen, spelen ook diepere bodemlagen een rol. Een combinatie van deze metingen geeft een totaalbeeld. Computermodel Er zijn verschillende manieren om de soortelijke weerstand te ontrafelen uit de weerstandsmetingen. De verschillende soortelijk weerstanden kunnen worden gekoppeld aan de geologische opbouw. Een instrument om dit te doen is het gebruik van het computermodel schlumbg. Dit model kan in kleine rekenkundige stapjes (iteraties) bepalen welke specifieke weerstanden en welke laagdikten hebben geleid tot de gemeten curve. De nauwkeurigheid kan worden vergroot door een naburige boring als ijkpunt te gebruiken. In figuur 4 is als voorbeeld de grafische weergave van een serie metingen met bijbehorende overgangen gegeven. Op het practicum zal een korte instructie gegeven worden over het gebruik van schlumbg door de practicumdocent. 6

7 Figuur 4: Schermweergave van het computerprogramma schlumbg. Verloop van de soortelijke weerstand (vertikaal) en diepte (horizontaal). De rechthoekige curve geeft de modelmatig bepaalde overgangen weer. 7

8 Theorie doorlatendheid De doorlatendheid is een maat voor het gemak waarmee water door een bodem kan stromen. De poriegrootte is een van de factoren die van invloed is op de doorlatendheid van een bodem. Over het algemeen geldt: hoe fijner de bodemtextuur, hoe slechter de doorlatendheid. bodemdeeltje porie bodemdeeltje porie Figuur 5: Schematische weergave van twee bodems. Boven een bodem met grote bodemdeeltjes en poriën, onder een bodem met kleine bodemdeeltjes en poriën De Wet van Darcy en de Wet van Ohm De definitie van de doorlatendheid wordt afgeleid uit de Wet van Darcy. De Wet van Darcy is vergelijkbaar met de wet van Ohm, die we hebben herschreven naar de stroomsterkte over een draad: 1 U I =. A. ρ l I = stroomsterkte (A) ρ = soortelijke weerstand, afhankelijk van het materiaal ( Ω m) A = oppervlakte van de doorsnede van de draad (m 2 ) l = lengte van de draad (m) (7) De wet van Darcy is opgebouwd uit dezelfde formule, met andere meeteenheden. Het beschrijft hoeveel water (Q) er door een bodemkolom stroomt met een bepaalde weerstand (R), waarover een verschil in energie (in onze termen stijghoogte, H, zie bijlage) aangelegd is: Q = H R (8) 8

9 De weerstand van de bodemkolom hangt af van de oppervlakte van de doorsnede en de lengte van de kolom, en van het materiaal waar de bodem uit bestaat. Het omgekeerde van de soortelijke weerstand van het bodemmateriaal noemen we de doorlatendheid en geven we aan met k. De lengte van een bodemkolom kunnen we schrijven als z, het verschil in plaatshoogte (zie bijlage). Zo krijgen we de wet van Darcy: H Q = k. A z (9) Q = debiet (m 3 / uur) k = verzadigde doorlatendheid (m/uur) A = oppervlakte van de bodemkolom (m 2 ) H = stijghoogte (m) Z = plaatshoogte (m) H = stijghoogtegradiënt () z k, A en z van een bodemkolom zijn constant, dus de hoeveelheid water die door de kolom stroomt, is evenredig met H. De hoeveelheid water die per tijdseenheid door oppervlakte A stroomt wordt aangegeven door het debiet Q. De enige grootheid uit de formule die we niet direct kunnen meten is de verzadigde doorlatendheid k van de bodem. Grondwater In de bodem zijn twee hydrologische zones te onderscheiden: de verzadigde zone en de onverzadigde zone (zie figuur 6). In de verzadigde zone zijn alle poriën gevuld met water. In de onverzadigde zone zijn sommige poriën gevuld met water en andere met lucht. De verzadigde zone ligt onder de grondwaterspiegel, het water in deze zone heet dan ook het grondwater. Waterbeweging in de onverzadigde zone We zullen niet ingaan op de waterbeweging in dit deel van de bodem. De waterbeweging in dit deel is namelijk erg afhankelijk van het vochtgehalte, poriegrootte en de aanwezigheid van wortel of wormgangen die moeilijk te meten zijn en de doorlatendheid sterk kunnen vergroten. We zullen ons alleen richten op de doorlatendheid in de verzadigde zone. 9

10 onverzadigde zône porie met water porie met lucht grondwaterspiegel verzadigde zône Figuur 6: schematische weergave van een bodem met een verzadigde en onverzadigde zone Energie in de hydrologie Waterbeweging in de verzadigde zone van de bodem De verplaatsing van water in een bodem vindt plaats onder invloed van energieverschillen. Net als je voor andere voorwerpen op de aarde een energiebalans kunt maken, kun je dat ook voor het water in de grond: E tot = E kin + E pot E tot = totale energie E kin = kinetische energie E pot = potentiële energie Er is geen beweging wanneer E tot overal gelijk is. Omdat water maar zeer langzaam door de bodem stroomt, is E kin voor grondwaterbeweging verwaarloosbaar (E kin = ½ m.v 2 ). De stroming wordt dus voornamelijk veroorzaakt door verschil in potentiële energie. Plaatshoogte, drukhoogte en stijghoogte Uit de natuurkunde kennen jullie twee formules voor de potentiële energie: E=m.g.h E=ρ.g.h Potentiële energie door hoogteverschil Potentiële energie door drukverschil (Newton) (wet van de Hydrostatische druk) Formule 10a: Wet van Newton, 10b: Wet van de hydrostatische druk 10

11 In de formules die wij gaan gebruiken komen m.g en ρ.g niet meer voor. We hebben hier aan beide kanten van de formule door gedeeld. Wij drukken de energie uit in hoogte. Wij noemen dit de plaatshoogte en drukhoogte, die zijn afgeleid van de beide formules voor de potentiële energie. De totale potentiële energie is de som van formule 10a en 10b; de plaatsenergie en de drukenergie. Deze E pot wordt in de hydrologie uitgedrukt in de stijghoogte, en is dus de som van de plaatshoogte en de drukhoogte: H = z + h Etot=Epot,grav + Epot,druk (+Ekin) H = stijghoogte [m] z = plaatshoogte (t.o.v. referentieniveau) [m] h = drukhoogte (t.o.v. atmosferische druk) [m] Formule 11: Vergelijking voor de stijghoogte. Vergelijk met de formule ernaast De stijghoogte kun je vergelijken met de hoogte tot waar het water stijgt in een buisje dat op een bepaalde plaats in een kolom (bijvoorbeeld met water) is geprikt (zie figuur 7). Deze hoogte geeft de energietoestand aan van het water op precies dat punt waar het buisje in de kolom wordt geprikt. 1??? z =? h = 0 hoogte 1/ z =? h =? 0 z = 0 h =? Figuur 7 stijghoogte, plaatshoogte en drukhoogte. Hoe hoog stijgt het water in de verschillende buisjes? Wat zijn de waarden van z en h? De plaatshoogte is de hoogte boven een zelf gekozen referentiepunt. Meestal kiezen we de plaatshoogte nul onderaan de kolom. De drukhoogte is de druk ten opzichte van een referentieniveau. In de hydrologie wordt de atmosferische druk als referentiedruk gebruikt, en is de drukhoogte dus nul bij de waterspiegel (waar het water met de atmosfeer in aanraking komt). De drukhoogte geeft in een kolom met water aan hoe hoog de druk is op een waterdeeltje dat zich op de betreffende plaats in de kolom bevindt. Hoe verder onder water, hoe groter de 11

12 drukhoogte. Vergelijk dit met het zwembad: hoe dieper je komt, hoe groter de druk op je oren. Energie van het water in een bodemkolom We kunnen nu met behulp van de wet van Ohm en de energie in de bodem de verzadigde doorlatendheid bepalen. We splitsen de energie op in de stijghoogte, plaatshoogte en drukhoogte en bekijken elk van deze factoren apart. We kunnen beredeneren hoe deze drie energieën zullen veranderen in een kolom waar water met een constante snelheid doorheen stroomt. In figuur 8 is zo n kolom getekend. Er staat een laagje water op de kolom om het water sneller te laten stromen (extra druk). De stroming door deze verzadigde bodemkolom wordt bepaald door het energieverschil tussen de onderkant en bovenkant van deze kolom. In figuur 8 is de onderkant van de bodemkolom, punt 1, als referentieniveau voor de plaatshoogte genomen (z = 0). Als er water door de kolom stroomt, dan is er aan de onderkant van de kolom een verbinding met de atmosfeer. Daar is de drukhoogte dus nul. De stijghoogte is de som van de plaatshoogte en de drukhoogte, dus op punt 1 is dit: H 1 = = 0. Op punt 2, de bovenkant van de bodemkolom, is de plaatshoogte de hoogte boven het referentieniveau (z = L). De drukhoogte, de druk die het laagje water op de kolom uitoefent, is gelijk aan de dikte van het laagje water (h = D). De stijghoogte is dus: H 2 = D + L Het verschil in energie tussen de bovenkant en de onderkant van de bodemkolom is dus: H 2 H 1 = (D+L) (0+0) = D+L D L water bode m kolom 2 h = D, z = L, H = D+L 1 h = 0, z = 0, H = 0 Figuur 8: een schematische weergave van een bodemkolom Beschrijving 12

13 Voor het begin van het practicum wordt de klas in twee groepen verdeeld. Op het eerste excursiepunt zal groep 1 de geoelektrische analyse uitvoeren en zal groep 2 de monsters nemen voor de doorlatendheidsproef. Op het tweede excursiepunt zullen de groepen omwisselen. De deelnemers verzamelen zich op de Nieuwlanden (Nieuwe Kanaal 11). Hier krijgen zij een korte uitleg over de ontstaanswijze van de stuwwal en de uiterwaarden, en uit welke lagen de bodems bestaan. Vanaf hier fietsen de deelnemers naar de eerste meetlocatie. Op het eerste excursiepunt is 1 meetkarretje met geoelektrische meetapparatuur aanwezig. De meetapparatuur wordt getoond, en vragen die de deelnemers thuis gemaakt hebben worden behandeld, evenals eventuele vragen. De kabel wordt uitgerold en de elektroden worden volgens aanwijzing van de begeleider de grond in gestopt. De stroom wordt er doorheen gevoerd en een meter geeft de weerstand die tussen de verschillende elektroden gemeten wordt. Op het invulformulier (zie verderop in deze tekst) vullen de deelnemers deze waarden in. De formulieren worden aan het begin van de proef uitgedeeld. De spullen worden weer opgeborgen en de deelnemers fietsen de berg af, naar de Veerstraat. Er wordt een geschikt stuk gekozen om te meten, bij voorkeur langs een sloot, en de proef wordt herhaald. De deelnemers fietsen naar de Dreijen, het universiteitscomplex, en kunnen daar hun lunch opeten. Na de lunch fietsen de deelnemers met de begeleider naar een practicumzaal. Daar wordt uitleg gegeven over de doorlatendheidsproef en hierna worden de metingen gedaan. In de PCzaal wordt vervolgens een uitleg over het computerprogramma schlumbg gegeven. Na de berekeningen uit de tabel te hebben uitgevoerd vullen de deelnemers in twee of drietallen de meetresultaten in. Aan de hand van de tabel 1 wordt een beschrijving gemaakt van de bodemopbouw op de 2 locaties. Hierna volgt een discussie over de gevonden resultaten en de vergelijking tussen de twee gebieden. 13

14 Werkwijze geoelektrische meting 1: Leg de kabel uit over een recht traject. Iemand begint met lopen, zodra er zo n 6 meter kabel is afgerold pakt een volgend persoon de kabel vast en gaat meelopen, dan een derde persoon etc. ( ganzenpas ). Dit om te voorkomen dat er teveel spanning op de kabel komt te staan en hij over de grond wordt gesleept. 2: Wanneer de kabel volledig is uitgerold, worden de pennen in de grond gestoken. De klemmen worden op de daarvoor bestemde plekken, daar waar het rubber weg is, aan de kabel bevestigd. Ter hoogte van de klem, dit is belangrijk omdat de afstanden tussen de meetpunten exact bepaald zijn, wordt vervolgens de elektrode diep de grond in geduwd. 3: De grote zwarte knop midden op het houten bord wordt op stand 1 gezet. 4: Het meetkastje wordt gekoppeld aan de kabel via het houten bord: N.B. let niet op de kleuren van de poorten; deze komen niet overeen. De kabeltjes moeten elkaar dus niet kruisen bij de verbinding tussen het meetkastje en de kabel. 4: De meting kan beginnen: Druk op de groene knop: op het display verschijnt de weerstand voor combinatie 1. Vul de waarde in op het invulformulier Laat de groene knop los en draai de zwarte knop naar stand 2. Vul de weerstand in en vul in op het formulier bij nr. 2. Herhaal voor alle combinaties. 5: Als voor alle combinaties de weerstand is gemeten wordt het kastje weer losgekoppeld van het bord. De elektroden worden uit de grond gehaald en netjes opgeborgen in de kist. Tel ze na om zeker te zijn dat er geen in de grond achterblijven! De deelnemers verdelen zich over de lengte van de kabel, pakken deze op en lopen mee terwijl de kabel weer wordt opgerold. 14

15 Tabel 2: Invulformulier Geoelektrische proef Werkwijze doorlatendheidsproef Voor het nemen van de monsters is een doos met materiaal aanwezig waarin onder andere monsterringen zitten, een hamer, een verlengstuk (dat op de ring gezet moet worden bij het in de bodem slaan van de ring) en kleine zaagjes. Belangrijk is dat bij het nemen van de monsters nauwkeurig en voorzichtig te werk gegaan wordt! Hoe de monsters genomen worden wordt op de excursiepunten gedemonstreerd. Materialen Ringmonsters gevuld met bodem Statief Maatcilinder (inhoud 250 ml) Trechter Buret Maatkolf met stop en klem (marionettenfles) Stopwatch Liniaal Rekenmachine 15

16 Figuur 9: proefopstelling met marionettenfles Proefbeschrijving Voordat de verzadigde doorlatendheid gemeten kan worden moet het monster eerst worden verzadigd. Dit doen we door een buret langzaam boven het monster te laten druppelen. Door te meten hoeveel water er zo in het bodemmonster gedruppeld wordt kan ook het porievolume worden gemeten. Schrijf al je antwoorden op je resultatenvel, let op de eenheden. Stap 1: Stap 2: Stap 3: Stap 4: Meet de lengte (L) en bereken de oppervlakte (A) van de bodemkolom in cm en schrijf deze op het resultatenvel. Gegeven: inhoud van het ringmonster is 100 cm 3 Plaats het ringmonster in de onderste klem. Onder het ringmonster zet je een trechter en een maatcilinder om het water op te vangen dat uit het bodemmonster stroomt. Vul de maatkolf voor de helft met water, duw de stop er op, klem het slangetje aan de stop dicht en hang de maatkolf ondersteboven boven het ringmonster. Zorg dat die goed gesloten is! Let op: de opening van het slangetje moet ongeveer 1.5 cm boven het bodemmonster zitten, zorg dat het niet boven de tape uitkomt. 16

17 Stap 5: Stap 6: Stap 7: Open het slangetje van de maatkolf en wacht tot er een stabiele laag water op het bodemmonster staat. Meet de dikte (D) van deze laag. Druk de stopwatch in op het moment dat er een stabiel waterlaagje op het bodemmonster staat. Lees nu elke 4 ml de tijd af en stop de stopwatch ondertussen niet. Doe dit ongeveer tien keer (of zolang de maatcilinder nog niet vol is). Sluit na het meten het slangetje van de marionettenfles 17

18 Resultaten locatie:.. L Hoogte bodemmonster : A Oppervlakte bodemmonster : D Hoogte waterlaag : Invultabel waterdoorlatendheid Volume water V (cm 3 ) Tijd t (s) t (s) V (cm 3 ) Q = V/ t (cm 3 /s) 18

19 Vragen Vragen thuis voor te bereiden 1. Bekijk formule 5 en figuur 1. Waarom staat er een minteken in formule 5? 2. Leg aan de hand van formule 2 uit waarom de gemeten weerstand afneemt indien de lengte tussen de elektroden toeneemt. 3. Wat gebeurd er met de afstand tussen de veldlijnen op de overgang van een bodemlaag met hoge elektrische weerstand naar een bodemlaag met een lage weerstand; neemt de afstand tussen veldlijnen toe of juist af? Leg kort uit waarom. 4. Zoals je in figuur 1 (rechts) kunt zien, zijn er vele wegen die een geladen deeltje van de ene naar de andere pool kan volgen. Stel dat elektron A een 2x zo lange weg neemt als elektron B, doet deeltje A er dan precies 2x zo lang over, minder dan 2x zo lang of meer dan 2x zo lang. Leg uit. 19

20 20

21 Vragen tijdens geoelektrische analyse 5. Bepaal aan de hand van je resultaten (tabel 2 en grafiek!) de exacte diepte van de bodemovergangen Vragen tijdens de doorlatendheidsproef 6.1 Vul de kolommen van de tabellen in (meet V en t en bereken hiermee de rest) 6.2 Bereken uit de laatste waarden van Q (die als het goed is na een tijdje constant wordt) de gemiddelde waarde van Q 6.3 Vul deze gemiddelde waarde van Q en de hoogte van je waterlaagje in in de tabel op de laptop 6.4 Reken met je gemiddelde waarde van Q de waarde voor k, de verzadigde doorlatendheid uit de Wet van Darcy uit. 6.5 Reken de waarde van k om naar mm/dag (bedenk eerst in welke eenheid het nu staat!) Vragen voor na het practicum 7. Waar vind je de bodem met de grootste doorlatendheid? 8. Waar zullen de meeste problemen ontstaan met plasvorming 9. Hoe komen de gemeten doorlatendheden overeen met de uitkomsten van de geo elektrische proef? 21

22 Suggesties voor verder onderzoek De ontstaansgeschiedenis van de stuwwallen en het binnenveld, waterstroming in de bodem en de gevolgen voor de mens. Zie voor meer informatie: Onderwerpen voor je profielwerkstuk: Bestudeer de waterhuishouding van Nederland ( Bestudeer wat nu bekend is over eventuele zeespiegelveranderingen in de komende honderd jaar ( Is duininfiltratie een duurzame manier van drinkwaterzuivering? ( campus.net/suggestie/2) Wat zijn de voor en nadelen van drinkwaterwinning uit oppervlakte, zee en grondwater? ( Welke maatregelen treffen waterschappen om de gevolgen van de klimaatverandering (nattere winters en drogere zomers) op te vangen? ( campus.net/suggestie/48) Welke rol spelen de EU, de nationale overheid, Rijkswaterstaat, provincies en waterschappen, bij het maken en uitvoeren van plannen op stroomgebiedniveau? Integraal waterbeheer, wat is dat? ( Zal het in de toekomst mogelijk zijn in Nederland rijst te verbouwen? ( campus.net/suggestie/22) Documentatie Dictaat Inleiding Bodem Dictaat Bodemnatuurkunde en Agrohydrologie Leerboek Basis Natuurkunde Dictaat Integratievak bodem, water, atmosfeer Handleiding Spanning in de bodem, VWOCampus, Wageningen Natuurkunde Overal, deel NT3 (Elektrische velden) Documentatie MultiElektrode Geoelektrisch Apparaat (MEGA) ( Oriëntatie op vervolgonderwijs Kennis van de opbouw van de ondergrond is van belang op vele terreinen. Zo leiden verschillen in bodemsoort tot verschillen in de hoeveelheid water die in de bodem zit, of de hoeveelheid water die eruit kan worden gehaald (voor drinkwater, beregening etc.). Dit aspect van de kennis van de bodemopbouw komt met name aan bod in de opleiding Bodem, water en atmosfeer. Niet elke bodemsoort is geschikt voor ieder type gebruik (wegaanleg, natuurontwikkeling, bebouwing etc.). Daarom wordt kennis over de samenstelling van de bodem ook gebruikt 22

23 door de mensen die het land inrichten. Dat komt aan bod in de opleiding Landschapsarchitectuur en ruimtelijke planning. Tenslotte zijn er mensen die alle informatie die beschikbaar is over de samenstelling van de bodem beschikbaar moeten maken voor anderen (in de vorm van kaarten of data bestanden). Dat leer je in de interspecialisatie Geoinformatiekunde. Opleidingen van Wageningen Universiteit die aansluiten bij dit onderwerp: Bodem, water en atmosfeer Landschapsarchitectuur en ruimtelijke planning Internationaal land en waterbeheer Bos en natuurbeheer 23

24 Bijlage I: De geologische ontstaansgeschiedenis van Wageningen en omgeving Het Pleistoceen Het Pleistoceen is de periode van 2,4 miljoen tot jaar geleden. Kenmerkend voor deze periode is dat er vele ijstijden en tussenijstijden zijn geweest. De afwisseling van vorst en dooi en het voorkomen van ijs hebben grote invloed gehad op de geologische processen. De twee laatste ijstijden hadden de grootste invloed op het Nederlandse landschap. Het Saalien, de een na laatste ijstijd, duurde van tot jaar geleden. Daarna kwam het Eemien, een warmere periode. Deze duurde van tot jaar geleden. De laatste ijstijd tot nu toe, het Weichselien, eindigde jaar geleden. De warme periode waarin we nu leven heet het Holoceen (zie ook de geologische tijdstabel in de bijlage). Saalien ( BP) Voordat in het Saalien het landijs in Nederland kwam, was Nederland een delta van de Rijn en Maas. Deze twee rivieren hebben grote pakketten grind, zand, klei en leem afgezet. Het Saalien is de enige ijstijd, waarin het landijs in Nederland kwam. In deze periode heersten glaciale omstandigheden. IJs en water zijn de belangrijkste factoren die het landschap vormen. De basis voor het huidige Nederlandse landschap is gelegd in het Saalien. De gemiddelde juli temperatuur lag rond de 0 C en de zeespiegel lag meer dan 100 m. lager dan nu. Plaatselijk was het ijs meer dan 200 m dik. De meest zuidelijke begrenzing van het landijs lag op de HUNlijn, Haarlem Utrecht Nijmegen. Het landijs was geen aaneen gesloten front, maar aan de voorkant waren er verschillende ijslobben. Ook bij Wageningen lag er een ijslob. Er zijn verschillende voortgangsfasen geweest. Er waren warmere perioden waarin het ijs stilstond of zich zelfs terug trok. Deze werden gevolgd door koudere perioden waarin het ijs zich verder naar het zuiden uitbreidde. Hoeveel er van deze opmarsperioden geweest zijn, is niet duidelijk, er worden vijf tot zes verschillende fasen erkend. Invloed van ijs De rivierafzettingen die er al lagen, werden door het landijs opgestuwd en scheefgesteld. Deze opgestuwde pakketten zijn de stuwwallen. In de omgeving van Wageningen schoof in het midden van het Saalien een ijslob op de plaats van de huidige Gelderse Vallei naar het zuiden. Hierbij werd de ondergrond weggeperst en er ontstond een diepe bekkenvormige depressie, het tongbekken van de Gelderse Vallei. Aan de zijkanten en aan de voorkant van de ijslob werd de grond opgestuwd. Hier werden de stuwwallen gevormd. Tijdens de excursie wordt de stuwwal aan de oostzijde van de Gelderse Vallei bezocht. Deze loopt van Wageningen via Ede naar Lunteren. De stuwwal die aan de zuidkant van de Gelderse Vallei zou moeten liggen, is door de Rijn weggeërodeerd. Door de werking van het landijs ontstonden tijdens het Saalien hoogteverschillen van meer dan 200 m. Deze zijn later door verschillende processen verminderd. Behalve stuwwallen en tongbekkens hebben de gletsjers nog meer sporen achtergelaten. IJs heeft een groter transporterend vermogen dan water. Het neemt net zo goed bevroren stukken van de ondergrond mee als blokken die ergens van een helling op de gletsjer rollen. Zo wordt allerlei materiaal door het ijs meegenomen en uiteindelijk als een grondmorene (keileem) onder het ijs afgezet. Keileem is een slecht gesorteerde en dichte afzetting waarin componenten van sterk verschillende grootte voorkomen. Stel het je voor als een bed van meegenomen gruis en stenen 24

25 en opgenomen bevroren plakken grond van de bodem waar de gletsjer over heen is geschoven. In de omgeving van Wageningen komt keileem plaatselijk voor op de bodem van het tongbekken en tegen de flanken van de stuwwal. Het is hier niet zo duidelijk aanwezig als in het noorden van Nederland. Invloed van water Aan het einde van het Saalien begon het warmer te worden en de gletsjers smolten. Het smeltwater van de gletsjers stroomde voor een deel oppervlakkig af langs en over de stuwwal. Het water dat over de stuwwal stroomde nam zand en grind mee dat onderaan de helling bleef liggen, als een zich steeds verder uitbreidende spoelzandwaaier, ook wel sandr genoemd. Hierdoor zijn de stuwwallen met enkele tientallen meters geërodeerd. Kenmerkend voor spoelzandwaaiers zijn de afwisseling van laagjes zand en grind en de afwezigheid van klei. Doordat klei fijner is, werd dit verder meegenomen door het water en afgevoerd naar grotere rivieren. Ook is aan de andere kant van de stuwwal (in het tongbekken) hetzelfde materiaal tot 20 meter dikte afgezet. Het tongbekken werd dus voor een deel opgevuld. Spoelzandwaaiers hebben aan het oppervlak een geringe helling en zijn goed doorlatend en draagkrachtig. Het is een fluvioglaciale afzetting. Andere fluvioglaciale landvormen zijn de oerstroomdalen. Tijdens het voorjaar en de zomer moest voor de ijskap langs een grote hoeveelheid smeltwater worden vervoerd. Deze afvoer verliep door de oerstroomdalen. Het zijn brede dalen met een vlakke dalbodem, waarin een vlechtend riviersysteem lag. Op de plaats van de huidige Rijn, Waal en Maas lag vroeger het oerstroomdal van de Rijn. Eemien ( BP) Het Eemien is een tussenijstijd, ofwel een interglaciaal. De ijskappen smolten en de zeespiegel lag enkele meters hoger dan nu. Op de fluvioglaciale afzettingen zijn in het noordelijk deel van de Gelderse Vallei zeekleilagen afgezet. Meer naar het zuiden worden de afzettingen dunner en bestaan ze uit zoetwater klei en zandlagen afgewisseld met veenlagen. De dikte in het gebied loopt uiteen van maximaal 10 meter in het noorden tot vrijwel afwezig in het zuiden. Het tongbekken werd zo verder opgevuld en het reliëf uit de Saalien ijstijd verder afgevlakt. 25

26 Weichselien ( BP) Na het Eemien brak de, tot nu toe, laatste ijstijd aan: het Weichselien. Tijdens deze ijstijd bereikte het landijs Nederland niet, maar er heersten periglaciale omstandigheden: geen landijsbedekking, gemiddelde juli temperatuur < 10 C, permafrost, neerslag in de vorm van sneeuw, begroeiing schaars (toendra) of afwezig (poolwoestijn). Invloed van de wind In een poolwoestijn is wind een belangrijke geologische factor. Wanneer het landschap in een streek ligt, waar de klimaatsgordels verschuiven en versmallen, vergroot dat de luchtdrukverschillen en komen er sterkere winden voor. In Nederland waar de ondergrond vooral uit losse sedimenten bestond, zijn zandverstuivingen kenmerkend voor de periglaciale tijd. Tijdens het Saalien en het Weichselien zijn de oude rivierafzettingen, spoelzandwaaiers en stuwwallen sterk door de wind aangetast. Het verstoven zand werd als een deken over Nederland afgezet, soms vlak, soms in ruggen. Deze afzetting wordt dekzand genoemd en is eolisch. Vooral in de lagere delen bleef het zand liggen, omdat daar meer beschutting was. Hier zijn dan ook de dikste dekzandpakketten te vinden. In de Gelderse Vallei zijn pakketten tot 15 m dikte afgezet. Vooral in het oostelijk deel van de Gelderse vallei ligt veel dekzand. Dit komt doordat de wind overwegend westelijk was en veel zand tegen de oostelijke stuwwal werd aangeblazen. Ook op de stuwwallen is dekzand afgezet, maar door de hoge ligging, is het zand weer weggewaaid. Kenmerkend voor dekzand is dat het goed gesorteerd is en uit fijne deeltjes bestaat. De afstand tussen waar het zand wegstoof en weer werd afgezet was vaak klein. Het is een lokale of regionale afzetting. Invloed van water In het midden van het Weichselien was het klimaat koud en nat. Bestaande sedimenten zijn door sneeuwsmeltwater verspoeld geraakt en opnieuw gesedimenteerd. Fluvioperiglaciale afzettingen bestaan uit leem, fijn zand en grof zandlaagjes. Het ontstaan van dit pakket is gevarieerd: er komen o.a. beekafzettingen en verspoelde dekzanden in voor. Ook komt hellingmateriaal voor. Dit is materiaal dat door gelifluctie van de stuwwal is afgegleden en vervolgens verspoeld is. De delen van Nederland waar de bovenstaande Pleistocene afzettingen aan het oppervlak liggen, worden glaciaal en periglaciaal beïnvloedde landschappen genoemd. Het Holoceen Het Holoceen is jaar geleden begonnen, toen de grote Scandinavische ijskap zich in tweeën splitste. Het klimaat veranderde toen sterk. Het werd warmer waardoor de ijskappen smolten, wat als gevolg had dat de zeespiegel en de grondwaterstand steeg en dat de vegetatie veranderde van toendra en poolwoestijn in bos. Het Holoceen wordt door geologen als een interglaciaal beschouwd. Het Holoceen wordt als apart tijdperk gezien en is geen onderdeel van het Pleistoceen, omdat de mens invloed is gaan uitoefenen op zijn omgeving. Ondanks het feit dat het Holoceen geologisch gezien zeer kort is, is de invloed op het Nederlandse landschap groot. Het kust en zeekleilandschap, het rivierenlandschap en het veenlandschap zijn ontstaan in het Holoceen. Het Holoceen is ingedeeld in verschillende perioden. De indeling berust op veranderingen in de vegetatie. Dit is bepaald aan de hand van pollenanalyse. 26

27 Preboreaal ( BP) Aan het begin van het Preboreaal was Nederland een grote zwak golvende zandplaat, die een beetje afhelde naar het noordwesten. Alleen de stuwwallen staken er boven uit. Het klimaat werd langzaam warmer en de permafrost verdween uit de bodem. De begroeiing kwam terug, behalve in de rivierdalen, daar kon nog veel zand verstuiven. De vegetatie bestond voor een groot deel uit planten die de kou goed konden verdragen. Boreaal ( BP) In de loop van het Boreaal veranderde de vlechtende riviersystemen in meanderende riviersystemen met de vorming van oeverwallen en kommen. Overal in het landschap kwam begroeiing voor. In de kustvlakten en in de beekdalen groeide laagveen. Het klimaat bleef ongeveer gelijk en het aantal boomsoorten dat minder goed tegen de kou bestand was, nam toe. Atlanticum ( BP) Deze periode is vooral van belang geweest voor het kustlandschap. De Noordzee bereikte de huidige kustlijn en zette in West en Noord Nederland zeeklei af. Tijdens periodes met weinig overstromingen kon de veengroei zich weer uitbreiden. Het klimaat was waarschijnlijk iets warmer dan het huidige klimaat. Subboreaal ( BP) De activiteit van de zee nam af en daarmee ook het aantal inbraken. Overal in Nederland begon het veen zich sterk uit te breiden. Op daarvoor gunstige plaatsen begon zich hoogveen te vormen op laagveen. Ook op de slecht ontwaterde delen van de Pleistocene afzettingen begon zich hoogveen te ontwikkelen. Het klimaat was ongeveer hetzelfde als in het Atlanticum. In de samenstelling van de pollensoorten is invloed van de mens zichtbaar. Het percentage pollen van graansoorten neemt toe. Subatlanticum ( BP) Het Subatlanticum dat tot op het heden doorloopt, wordt gekenmerkt door activiteiten van de mens. Veel hoogveengebieden worden ontwaterd en voor landbouw bestemd of tot turf verwerkt. Door het ontwateren van veengebieden en kleigebieden treedt oxidatie en klink op, waardoor het maaiveld verlaagd wordt. Door dijkenbouw worden overstromingen aan banden gelegd. In de zandgebieden worden door middel van het potstalsysteem oude bouwlanden aangelegd (zie ook hoofdstuk 3). In het Holoceen zijn twee afzettingen van belang: veenvorming en vorming van rivierkleiafzettingen. Deze processen en hun invloed op het landschap worden beschreven in hoofdstuk 2. Het stuwwallenlandschap De ijstijden hebben grote invloed gehad op de vorming van dit landschap. Het omvat de Utrechtse Heuvelrug en de Veluwe. De stuwwal van Wageningen en Ede hoort bij de Veluwe. De Veluwe is opgebouwd uit een aantal stuwwallen, waarvan de hoogste tot 100 m+nap reikt. De stuwing van de Veluwe is in een aantal fasen gebeurd vanuit de Gelderse Vallei en vanuit het IJsseldal. Door de 27

28 stuwing is de oorspronkelijk horizontale gelaagdheid scheef gesteld. Dit is van invloed op de hydrologie en er is op kleine afstand grote variatie in de bodem. Het materiaal dat door de ijslobben vooruit en naar de zijkanten werd gestuwd bestaat voornamelijk uit grind en zand, afgezet door de Rijn en de Maas. Aan het eind van het Saalien werd een deel van de gestuwde sedimenten door smeltwater meegenomen en onderaan de helling neergelegd. Langzaam ontstond zo een spoelzandwaaier onderaan de stuwwallen. Het zijn grofzandige en grindrijke afzettingen die tot de komst van de kunstmest niet geschikt waren voor akkerbouw. In dit landschap liggen de bodems spoelzandvlakte (1) en stuwwal (2). Het rivierkleilandschap Het rivierenlandschap kan geologisch gezien op twee manieren worden ingedeeld. Als er naar de rivier gekeken wordt, zijn er twee soorten rivieren; meanderende rivieren en vlechtende rivieren. Als er naar het landschap gekeken wordt, zijn er ook twee soorten landschap te onderscheiden. Een landschap waar sedimentatie optreedt en een landschap waar erosie optreedt. Een meanderende rivier is een rivier met één stroombedding. De rivier kronkelt, rustig stromend met grote bochten, door het landschap. Een vlechtende rivier heeft niet één stroombedding, maar vaak meerdere. De ene keer stroomt er meer water door de ene bedding de andere keer door een andere bedding. In drogere perioden kan de rivier droogstaan, terwijl in nattere perioden het water erg hoog kan staan en woest kan stromen. Het rivierenlandschap dat in de excursie bekeken wordt is beïnvloed door de Rijn. Dit is een meanderende rivier. Een rivier gaat meanderen als er aan drie voorwaarden zijn voldaan: 1. Het hoogteverval, ofwel het verhang, mag niet al te groot zijn. 2. Er moet een regelmatige aanvoer van water, debiet, zijn. 3. De bedding van de rivier moet opgebouwd zijn uit fijnkorrelig materiaal. Als er aan deze voorwaarden niet wordt voldaan, gaat een rivier vlechten. Het grootste deel van het Nederlands rivierenlandschap is een sedimentatie landschap. Voor de Rijn en Maas geldt dit vanaf ongeveer Nijmegen tot aan de zee. Omdat dit binnen het excursiegebied valt, zullen we ons hiertoe beperken. In figuur 2.5 is te zien dat een rivierenlandschap dat niet door de mens is beïnvloedt uit drie landschappelijke eenheden bestaat. Als eerste is er de bedding, waar de rivier door heen stroomt. Verder zijn er de oeverwallen en de kommen. In de bedding is de stroomsnelheid van de rivier het grootst. Hier worden de grootste deeltjes afgezet, zoals grind en eventueel stenen. Tijdens het 28

29 grootste gedeelte van het jaar stroomt de rivier hier. Alleen bij een overstroming stroomt de rivier ook naast de bedding. Tijdens zo n overstroming worden het dichtst bij de bedding de grovere deeltjes afgezet, zoals zand en zavel, omdat deze het zwaarst zijn en dus kunnen bezinken bij hogere stroomsnelheden. Verder van de bedding, waar de stroomsnelheid veel lager is, worden de fijnere kleideeltjes afgezet. Vervolgens krimpt de grond door klink en oxidatie, waardoor het maaiveld lager komt te liggen. Deze processen hebben meer invloed op klei dan op zand en zavel, waardoor de klei sterker krimpt. Deze gronden komen dan ook relatief laag te liggen en worden kommen genoemd, zie figuur 2.5. De zandige afzettingen zijn de oeverwallen. Onder geschikte omstandigheden kan in de kommen veen gevormd worden. Vanaf ca na Chr. Heeft de mens op de oeverwallen dijken opgeworpen tegen overstromingen. Het gebied tussen de dijk en de rivier, dat nu nog regelmatig overstroomt, wordt uiterwaarden genoemd. In dit landschap liggen de bodems stroomruggen in het rivierenlandschap (5) en komgrond in het rivierenlandschap (6). 29

30 Bijlage II: Geologische tijdschaal 30