Temperaturen in de Nederlandse ondergrond April-2004, Introductie In de jaren 2002-2003 is er in samenwerking met de N.V. Tilburgsche Waterleiding-Maatschappij (TWM) door Victor Bense een serie temperatuurmetingen gedaan in peilputten en waterwinputten op en om de terreinen van het waterwingebied. Hoewel deze metingen begonnen waren om Victor bij het verzamelen van gegevens voor zijn proefschrift verder op weg te helpen, werd al snel mijn interesse gewekt voor de mogelijkheden die temperatuurmetingen kunnen bieden voor de waterleidingwereld. Het lijkt er namelijk op dat deze ietwat ondergewaardeerde parameter zeer veel informatie kan bieden voor het meten aan een grondwaterlichaam. Temeer daar het meten van temperaturen relatief goedkoop, snel en reproduceerbaar is. In een vorige editie van Stromingen is al eens stil gestaan bij de algemeenheden van temperatuurmetingen (Willemse) en de bijzonderheden (Bense). Dit artikel beoogt een aantal opvallende zaken die uit de gedachtegang tussen Victor en mijzelf voortvloeiden nader voor het voetlicht te brengen. Methode van meten Met behulp van een geijkte temperatuurafhankelijke weerstand (een zogenaamde thermistor) werd per meetpunt de diepste peilbuis doorgemeten. Dit bestond uit het laten zakken met een vaste waarde (1 tot 2 meter) van de thermistor, dan het geheel gedurende een bepaalde periode (ongeveer 1 minuut) zich laten aanpassen aan de omgevingstemperatuur en vervolgens een stroompje door de thermistor te jagen. De weerstand van de thermistor werd vervolgens digitaal uitgelezen. Met behulp van een weerstand-temperatuur tabel werd de temperatuur op die diepte bepaald. Het grootste risico voor de meting bleek te bestaan uit het vastlopen van het meetinstrument zelf onder waarnemingsbuis. Vooral een buis waarin een lichte bocht (ontstaan bij de bouw van de put) zit bleek gevoelig te zijn voor een vastloper. Hierdoor zit er nu op 206 meter diepte een meetinstrument voor eeuwig op diepte. 1/6 Geotherm v 2.0
Temperatuurprofielen in het waterwingebied Op een 50-tal plaatsen is een temperatuurprofiel gemeten. Deze konden globaal in een drietal klassen worden onderverdeeld: 1. Temperatuurprofielen in waarnemingsputten zonder invloed van de winning (Giessen) 2. Temperatuurprofielen in waarnemingsputten met invloed van de winning (WP1 in het waterwingebied van de TWM) 3. Temperatuurprofielen bij winputten (pompput D23 in het waterwingebied van de TWM) Het beeld in de waarnemingsput bij Giessen is rustig. Bovenin komt nog wat invloed van de seizoenen voor, na zo n 15 meter onder maaiveld benadert de lijn een rechte lijn die nabij 140 meter een verandering van helling kent. Het beeld van de wp1 geeft onder de 100 meter hetzelfde rustige beeld. Voorts komt bovenin een seizoensinvloed voor. Hiertussen ligt een deel waarin een duidelijke afkoeling aanwezig is ( 20-90 meter onder maaiveld). Deze afkoeling is te correleren met de instroom van kouder water (uit hoger gelegen aquifers) in het diepere bepompte pakket, De temperatuursprong op 90 meter valt samen met de bovenzijde van een aquitard die de onderzijde is van de door ons bepompte aquifer. Hieronder is de temperatuur weer normaal te noemen. Ee dergelijk beeld is door TNO ook op andere plekken in Brabant aangetroffen (Seppe). Het beeld van de pompput is zeer onrustig de piekjes en dalletjes zijn een op een te correleren met het voorkomen van zandpakketjes (met meer grondwaterstroming en dus afkoeling) en kleilaagjes (met veel minder stroming/geen stroming). Het meten van temperaturen nabij een werkende pompput (in de waarnemingsbuis) kan zo een goede indicatie geven voor het voorkomen van kleilagen naast de pompput. Zelfs een lekkage langs de put (bijvoorbeeld zand op de plek waar klei zou moeten zitten) kan met deze methode worden opgespoord. De verwachte pieken en dalen liggen dan immers niet op de te verwachten plek. 2/6 Geotherm v 2.0
Dit laatste wordt nog duidelijker als niet gekeken wordt naar de temperatuur zelf maar naar haar afgeleide, de gradient per meter. Deze afgeleide zou in theorie op een verticale lijn moeten liggen, maar in praktijk vindt door stroming een zekere heterogenisatie van het temperatuurbeeld plaats die te correleren is aan de KD van dat laagje. Het gradientbeeld van de WP2 in het waterwingebied is hiervan een voorbeeld. WP2 Gradient c/m -1-0,75-0,5-0,25 0 0,25 0,5 0,75 1 0 10 20 Diepte onder mv 30 40 50 60 Grof zand Middelfijn zand Fijn zand Kleiig zand Lutumrijke klei 3/6 Geotherm v 2.0
De blauwe lijn is de gradient per meter. (c/m is graad celcius per meter) Het valt op dat de gradient zeer nauwkeurig de lithologie volgt. Zelfs de van oorprong fluviatiele kleilaag bovenin (Tegelenkleilaag) suggereert een fine-up in de korrelgrootte: onderin komt er een snellere temperatuurtoename voor (iets meer stroming) dan in het extreem lutumrijke deel bovenin (alleen een verticale gradient, wat kan duiden op geen stroming). Een en ander wijst op een goede gebruiksmogelijkheid van temperatuurmetingen in een waterwingebied, al was het maar ter controle van het stromingsbeeld of de lithologie. De geothermische gradient De schijnbaar lineair toenemende temperatuur op wat grotere diepten (zie bijvoorbeeld de WP1) is te relateren aan de geothermische gradient (GG). De vanuit de diepte doorstralende aardwarmte. Deze waarde blijkt van plaats tot plaats te verschillen. Op basis van een serie metingen door TNO uit de jaren 1977-1983 aan temperaturen in waarnemingsputten door heel Nederland werd de GG voor die punten bepaald op basis van de volgende criteria: Het voorkomen van een lineaire temperatuurtoename in het traject 150-300 meter onder maaiveld. De temperatuurtoename werd herleid tot graden celcius temperatuurtoename per kilometer. Uit een 100-tal representatieve putten werd een gemiddelde waarde voor de dieptetemperatuur bepaald Gemiddelde De temperatuur van het deel tussen de 0 en de 100 meter diepte (onder maaiveld) heeft te maken met seizoensinvloeden (koud regenwater in de winter, instralingswarmte in de zomer) en vertoont een temperatuur die over het algemeen tussen de 8 c en de 12 c ligt. Het deel tussen de 100 en de 350 meter diepte benadert een rechte lijn met een waarde van 24 c/km. Deze waarde wordt als gemiddelde waarde voor Nederland genomen. Het onderste deel vertoont een afname van de GG. Dit zou kunnen liggen aan het beperkte aantal metingen van deze diepten. Hiernaast is het deel onder de 420 meter alleen gemeten in Twekkelo. Deze lokatie is in de buurt van een zoutpilaar in de ondergrond. Zout beinvloedt in hoge mate de temperatuurgeleiding. 4/6 Geotherm v 2.0
GG per lokatie Voorts is in geheel Nederland de waarde van de GG bepaald per meetlokatie. Van 100-tal putten met een voldoende diepte (veel putten in de meetreeksen zijn ondieper dan 100 meter) is de waarde bepaald van de GG herleid per kilometer. Deze waarde lijkt tussen de 11 c en de 35 c te liggen. Deze waarden zijn in een kaart van Nederland geplot. Hierna is door middel van het tekenen van isothermen (de gekleurde lijnen) een temperatuurbeeld gegenereerd. De GG heeft een verband met de tectoniek. Een grote tectonische eenheid als de Peelhorst is warmer dan de Centrale Slenk. Dit heeft te maken met de isolerende werking van dikke Neogene sedimentpakketten. Onder Noord-Holland zijn deze pakketten zeer dik en is de GG het laagst van Nederland. Naast de invloed ten gevolge van de dikte van de sedimentpakketten zijn er nog kleinere warme en koude-eilandjes. Dit vormt een vlekkenpatroon van de GG onder Nederland met (relatief ten opzichte van de regio) warmere en koudere plekken. Dit vlekkenpatroon zou ten dele het gevolg kunnen zijn van grondwaterstroming. Op plekken waar in theorie veel infiltratie plaats zou vinden (o.a. de Veluwe) zou dan een duidelijk koude-eiland in de GG aanwezig moeten zijn. Deze structuur is met enige goede wil daadwerkelijk te herkennen. Dit laatste wordt versterkt door de aanwezigheid van warmere eilanden onder de Flevopolders. Hier zou in theorie kwel plaats kunnen vinden. Een andere verklaring van de verschillen in de GG is meer van tectonische aard. Op plekken waar in de diepe ondergrond horsten, plooiassen of breuken aanwezig zijn kan een afwijking in de GG ontstaan. De sedimentpakketten zijn daar immers dikker of juist dunner, en de doorstraling van de aardwarmte navenant meer of minder. 5/6 Geotherm v 2.0
284 282 280 278 276 274 272 270 268 266 264 262 260 258 256 254 252 250 248 246 244 242 240 238 236 234 232 230 228 226 224 222 220 218 216 214 212 210 208 206 204 202 200 198 196 194 192 190 188 186 184 182 180 178 176 174 172 170 168 166 164 162 160 158 156 154 152 150 148 146 144 142 140 138 136 134 132 130 128 126 124 122 120 118 116 114 112 110 108 106 104 102 100 98 96 94 92 90 88 86 84 82 80 78 76 74 72 70 68 66 64 62 60 58 56 54 52 50 48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 620 618 616 614 612 610 608 606 604 602 600 598 596 594 592 590 588 18 586 20 584 582 21 580 16 20 578 14 14 16 24 22 576 16 574 17 18 572 26 28 18 570 17 18 20 568 566 11 12 15 564 11 14 562 15 560 14 23 19 558 10 16 16 556 15 16 554 10 18 552 15 550 12 15 15 548 14 546 544 542 540 538 536 26 22 534 16 532 11 530 528 12 526 16 524 15 13 522 20 20 520 12 20 518 12 18 516 514 11 12 512 510 20 16 508 506 504 19 502 20 20-30 500 18 498 20 14 496 19 17 494 14 14 492 16 24 490 18 488 486 18 20 14 20 484 482 22 480 23 22 22 478 16 20 20 24 476 474 21 19 20 28 472 19 24 16 27 28 470 20 17 22 22 468 24 466 16 20 21 464 20 462 24 18 460 16 458 4 23 22 20 456 <10 c/km 28 22 454 52 20 27 22 29 452 26 450 11-15 c/km 17 26 28 448 20 20 16 446 22 22 444 16-20 c/km 22 24 17 26 442 24 23 22 20 23 24 26 24 440 24 438 21-25 c/km 18 20 27 24 436 22 18 22 434 22 25 26 432 20 21 430 26-30 c/km 24 20 27 25 25 428 26 426 424 > 30 c/km 31 422 21 25 28 25 420 18 418 18 25 416 414 23 412 16 19 22 410 408 23 20 19 20 406 18 17 404 19 402 26 15 400 *40 23 398 22 20 396 28 18 18 25 394 30 32 392 25 390 18 388 20 23 24 21 22 386 384 26 24 382 22 380 28 32 21 35 378 20 376 374 28 17 372 370 21 21 368 20 26 23 23 366 28 364 32 22 362 24 360 358 16 22 356 354 15 352 350 18 348 346 19 344 16 20 342 340 19 338 336 334 15 332 11 330 328 22 326 16 324 322 320 318 26 316 314 312 310 308 306 304 302 300 298 296 294 292 290 286 6/6 Geotherm v 2.0