TNO-rapport NITG 04-090-B0609 Deklaagmodel en geohydrologische parametrisatie voor het beheersgebied van het Hoogheemraadschap "De Stichtse Rijnlanden" Geo-Infrastructuur Princetonlaan 6 Postbus 80015 3508 TA Utrecht www.tno.nl T 030 2564850 F 030 2564855 info@nitg.tno.nl Datum 12 augustus 2004 Vrijvaldatum / 12 augustsu 2009 Public release date Auteur(s) Drs. J.L.Gunnink, Drs. J.G. Veldkamp, Ing. D.Dam, Dr. H.J.T. Weerts en Ir. W. van der Linden Exemplaarnummer Oplage 20 Aantal pagina's 23 Aantal bijlagen 1 Opdrachtgever Hoogheemraadschap "De Stichtse Rijnlanden" Projectnaam Deklaagmodel HDSR Projectnummer 005.43029 Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, foto-kopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande toestemming van TNO. Indien dit rapport in opdracht werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verplichtingen van opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen naar de Algemene Voorwaarden voor onderzoeksopdrachten aan TNO, dan wel de betreffende terzake tussen de partijen gesloten overeenkomst. Het ter inzage geven van het TNO-rapport aan direct belang-hebbenden is toegestaan. 2004 TNO
TNO-rapport NITG 04-090-B0609 2 / 23 Inhoudsopgave 1 Inleiding... Error! Bookmark not defined. 2 Werkwijze...4 3 Randvoorwaarden...5 4 Geologische opbouw van het gebied...6 5 Gegevensbeschikbaarheid...8 6 Modellering van de deklaag...9 6.1 Inleiding...9 6.2 Top en basis van het model...9 6.3 Pleistocene oppervlak...10 6.4 Rivierduinen...10 6.5 Holocene stroomgordels...10 6.6 Basis deklaag...11 6.7 Mariene klei...11 6.8 Komklei, veen, overig zand, zandige klei en kleiig zand...12 6.9 Post-klassifikatie...13 6.10 Samenstelling van het model...14 7 Resultaten deklaagmodel...15 7.1 Resultaten...15 7.2 Conclusie geologische ondergrond modellering...17 8 Toekennen van doorlatendheden aan lithofacies en opschaling naar deklaagweerstand...18 8.1 Methode...18 8.2 Resultaten...20 8.3 Conclusie...22 9 Literatuur...23 Figuren 1. 3D beeld van de basis van de deklaag 2. Verbreiding van de mariene klei 3. Complexe opbouw van de deklaag (geschematiseerd) 4. Horizontale doorsnede met lithofacies op -4.5 meter NAP 5. Horizontale doorsnede met lithofacies op -2 meter NAP 6. Dwarsprofielen met lithofacies 7. Hydraulische weerstand van de deklaag 8. Hydraulische Transmissiviteit van de deklaag Tabellen 1. Opgeschaalde waarden voor de horizontale en verticale doorlatendheid
TNO-rapport NITG 04-090-B0609 3 / 23 1 Inleiding Het Hoogheemraadschap De Stichtse Rijnlanden werkt momenteel aan het optimaliseren van het waterbeheer in haar beheersgebied. De nadruk ligt hierbij op lokatiespecifieke omstandigheden zoals perceelsgebonden natuurfuncties. Voor deze optimalisering dient het Hoogheemraadschap De Stichtse Rijnlanden te beschikken over een gedetailleerd hydrologisch model waarmee op detailniveau uitspraken gedaan kunnen worden over de gevolgen van ingrepen en waterbeheersmaatregelen. Hiertoe ontwikkelt Hoogheemraadschap De Stichtse Rijnlanden, gebruik makend van de numerieke eindige-elementen-code SIMGRO, een gedetailleerd hydrologisch model waarmee het hydrologisch topsysteem en oppervlaktewater gemodelleerd kunnen worden. Een vereiste voor dit model is dat gebruik gemaakt kan worden van een betrouwbaar en nauwkeurig deklaagmodel, waarin de hydrogeologische karakteristieken van het bovenste afdekkende klei/veen-pakket zo goed mogelijk verwerkt zijn. Daarnaast zal een deklaagmodel van waarde zijn voor eventuele toekomstige berekeningen van de te verwachten bodemdaling bij verschillende waterbeheersscenario s. Tevens dienen de hydraulische weerstand en de transmissiviteit van de deklaag als invoer voor de modellering die wordt uitgevoerd in het kader van de GGOR inspanningen bij het hoogheemraadschap. In dit project wordt gekeken naar de deklaag binnen het beheersgebied van de Stichtse Rijnlanden. De deklaag wordt gedefinieerd als het afsluitende klei veen zand pakket van overwegend Holocene ouderdom en komt voor in het westen en centrale gedeelte van het beheersgebied. Om de deklaag zo gedetailleerd mogelijk te modelleren wordt een 3D model gemaakt, waardoor de opeenvolging van klei zand veen in het gebied en de effecten daarvan op de hydraulische weerstand van de deklaag worden bestudeerd. De doelstelling van dit project is het maken van een geologisch deklaagmodel, waarmee vervolgens parameters zoals de hydraulische weerstand en de transmissiviteit worden berekend; deze parameters kunnen als invoer dienen voor grondwaterstromings berekeningen met o.a. het SIMGRO-model.
TNO-rapport NITG 04-090-B0609 4 / 23 2 Werkwijze De werkwijze wordt gestuurd door de mate van geologische kennis en de complexiteit van de afzettingen. Hierbij geldt de regel: Deterministisch waar het kan, stochastisch waar nodig. Indien een relatief homogene afzetting over grotere gebieden te vervolgen is, zal deze op een deterministische manier worden gemodelleerd. Dit houdt in dat de geologische kennis van de afzetting, de verbreiding en diepteligging voor een groot deel hard in het model worden ingebracht. Een voorbeeld zijn de mariene kleien, die in de boringen goed te herkennen zijn, en waarvan de verbreiding goed is te karteren. Vanuit de geologische kennis en de boringen kan zo een goed beeld worden verkregen van de ligging van deze laag. Indien de geologische opbouw te complex is om deterministisch te modelleren wordt gewerkt met een stochastische methode, waarbij de gegevens in de boringen en de ruimtelijke structuur worden gebruikt om de meest waarschijnlijke litho-facies te schatten. Vervolgens worden aan de litho-facies eenheden verticale en horizontale doorlatendheden gekoppeld, waarmee de hydraulische weerstand en de transmissiviteit worden berekend. Hierbij wordt rekening gehouden met de het verschil in schaal tussen de monsters waaraan de bepaling van de doorlatendheid is gebeurd en de schaal van het model.
TNO-rapport NITG 04-090-B0609 5 / 23 3 Randvoorwaarden Het hoogheemraadschap heeft de volgende gegevens ter beschikking gesteld 1. de grenzen van het beheersgebied van de Stichtse Rijnlanden, in ArcInfoformaat 2. het maaiveld model volgens AHN; dit model is op een gridcelgrootte van 5 bij 5 meter geleverd en is niet gefilterd, in grid-formaat 3. de topografie van het beheersgebied, zoals dat op de schaal 1:10.000 topografische kaart bekend is in ArcInfo formaat 4. de kaart van Berendsen en Stouthamer (2001) waarop o.a. de holocene stroomgordels en de ouderdom staat weergegeven, in ArcInfo formaat. Het gebruik van deze kaart wordt later in detail besproken.
TNO-rapport NITG 04-090-B0609 6 / 23 4 Geologische opbouw van het gebied De geologische opbouw van de deklaag van het gebied wordt in grote mate bepaald door de invloed van de zeespiegelstijging, veenvorming en de afzettingen van rivieren, waardoor zand, veen en klei zijn geaccumuleerd. Aan de basis van de holocene deklaag komen in het noordwesten en het noordoosten zanden voor die door de wind gevormd zijn tijdens het laat- Pleistoceen. Tijdens de klimaatsomslag van het koude Pleistoceen naar het warmere Holoceen, zo n 10.000 jaar geleden, kwam aan de vorming van deze door de wind aangevoerde zanden geleidelijk een eind. Dit pakket heeft een grote verbreiding en daar het zich als een dek over een groot deel van Nederland uitspreidt, wordt het dekzand genoemd. In het oostelijke deel van Nederland ligt het dekzand veelal aan de oppervlakte. In het westelijke deel van Nederland wordt het bedekt door een pakket holocene afzettingen dat naar het westen in dikte toeneemt doordat het dekzand in deze richting daalt tot waarden die aan de kust kunnen oplopen tot rond de 20 meter NAP. Het dekzand wordt het gerekend tot de Formatie van Boxtel, en is in het gebied de top van het eerste watervoerend pakket. Met uitzondering van het oostelijk deel van het beheersgebied zijn in het gebied fluviatiele zanden afgezet van de Formatie van Kreftenhye. Deze afzettingen bevatten matig grof tot matig fijne zanden die tijdens de laatste ijstijd zijn afgezet door de voorlopers van de Rijn en de Maas. Deze zanden zijn door vlechtende of en meanderende rivieren afgezet, en vormen het belangrijkste deel van het eerste watervoerende pakket in het gebied. Door het warmere klimaat in het Holoceen steeg de zeespiegel en daarmee ook de grondwaterspiegel zodat zich voor de oprukkende zee uit, in een moerassig milieu, veen begon te ontwikkelen. In het noorden van het beheersgebied zijn dikke pakketten veen gevormd in een periode die nagenoeg ononderbroken heeft voortgeduurd tot aan de ontginning in de 11de en 12de eeuw. Na afzetting van deze wig verdwijnt de invloed van de zee definitief uit het gebied en vindt veenvorming plaats, vooral gevoed door kwelwater en door permanent natte omstandigheden in de laag gelegen komgebieden. Een groot deel van het sediment in de deklaag is afgezet door voorlopers van de huidige grote rivieren. Deze rivieren hebben zich in de loop van de tijd veelvuldig verlegd; in de kaarten van Berendsen en Stouthamer (2001), en ook op de geologische kaarten Utrecht Oost (1988) en Gorinchem Oost (1970) en Gorinchem West (1994) worden een groot aantal stroomgordels van verschillende ouderdom onderscheiden. De holocene geulafzettingen zijn op één na (de Lek) ingesneden in het pleistocene oppervlak en zijn opgevuld met zand. In de komgebieden en de overstromingsvlakten tussen de stroomgordels zijn klei en fijn zand afgezet. Ook vond veenvorming plaats. Door de veelvuldige verlegging van de stroomgordels is een gecompliceerd patroon van opeenvolging van veen, klei en zand ontstaan, zowel lateraal als verticaal. In tegenstelling tot de ligging van de stroomgordels (die vanwege hun omvang
TNO-rapport NITG 04-090-B0609 7 / 23 wel zijn te karteren) kunnen de individuele klei, veen zand opeenvolgingen niet worden gekarteerd. In het uiterste noordwesten van het gebied komt holocene mariene klei voor die behoort tot de Formatie van Naaldwijk, Laagpakket van Wormer. Het pakket ligt als wig op het onderste veen in de deklaag. De verbreiding van de wig is bepaald aan de hand van de geologische kaart van Utrecht (Oost en West). Lithostratigrafisch wordt het Holocene pakket hier onderverdeeld in 3 formaties: het veen behoort tot de Formatie van Nieuwkoop, de zeeafzettingen (lagunaire afzettingen) tot de Formatie van Naaldwijk, Laagpakket van Wormer en de rivierafzettingen (stroomgordel, oever, kom- en crevasse afzettingen) tot de Formatie van Echteld. Voorheen werd het gehele Holocene pakket tot de Westland Formatie gerekend, waarbij het veen werd onderverdeeld in het Hollandveen Laagpakket, de zeeafzettingen in de Calais, de oude rivierafzettingen in de afzetting van Gorkum en de jonge rivierafzettingen in afzetting van Tiel. In het uiterste oosten van het beheersgebied worden de rivierafzettingen tot de Betuwe Formatie gerekend.
TNO-rapport NITG 04-090-B0609 8 / 23 5 Gegevensbeschikbaarheid 1. Alle handboringen die binnen het beheersgebied van de Stichtse Rijnlanden en in het holocene gebied vallen zijn geselecteerd uit DINO (Database Nederlandse Ondergrond). Tevens zijn de boringen in de directe omgeving (tot 500 meter buiten de gebiedsgrens) geselecteerd. Het gaat om 9784 handboringen. Alle handboringen zijn tot aan de top van de Pleistocene afzettingen doorgezet. Per boring zijn de positie (x,y coordinaat) en het maaiveld bekend; verder zijn in de boringen de op verschillende diepte aangetroffen lithologieen beschreven. Machinaal uitgevoerde boringen, die over het algemeen grotere dieptes bereiken, zijn niet gebruikt. De laagbeschrijvingen van de afzettingen in de deklaag van deze type boringen zijn veelal globaler dan die van de handboringen. Bovendien worden door deze boringen vaak per meter beschrijven, waardoor de werkelijke laaggrenzen kunnen afwijken van de beschreven grenzen. Voor het doel van het onderzoek zijn deze boringen derhalve niet gebruikt. 2. De geologische oppervlaktekaart van Utrecht Oost (1988) en Gorinchem Oost(1970) en Gorinchem West (1994). In deze kaarten staat de geologie aan het oppervlak (tot 5 meter benedenmaaiveld) gekarteerd; tevens zijn profielen opgenomen, die een indruk geven van de geologische opbouw van het gebied; in een aantal bijkaarten zijn ook verbreidingen van een aantal belangrijke lagen (o.a. de mariene klei) weergegeven. 3. De ligging van de top van het Pleistocene oppervlakte, zoals die berekend is in het kader van de Landelijke Kartering Nederland (LKN). Deze kaart (op een schaal 1:250.000) is te gebruiken als sturende informatie in de berekening van de top van het pleistocene oppervlak voor het beheersgebied van de Stichtse Rijnlanden.
TNO-rapport NITG 04-090-B0609 9 / 23 6 Modellering van de deklaag 6.1 Inleiding Op basis van de gegevens en de geologische kennis van het gebied is een 3- dimensionaal blokmodel van de opbouw van de deklaag gemaakt. Het model bestaat uit voxels (3-dimensionale gridcellen) die een afmeting hebben van 100 m bij 100 m en een dikte van 0.5. meter. In het oosten van het beheersgebied komen pleistocene afzettingen aan het oppervlak; hier is dus geen sprake van een holocene deklaag. De oostelijke begrenzing van het holocene deklaagmodel is bepaald aan de hand van de gegevens die in de kaarten van Berendsen en Stouthamer (2001) zijn te vinden; de grens is getrokken daar waar in de kaart de dekzandafzettingen uit het Weichselien worden bedekt door Holocene afzettingen. Het blokmodel wordt gevuld met de meest waarschijnlijke lithologie, waarbij de volgende litho-facies zijn gedefinieerd: 1. komklei 2. veen 3. zand 4. klei (zandig) en zand (kleiig) 5. zand (pleistoceen) 6. zand (in holocene geulen) 7. zand (kleiig, in bovenste 1m van holocene geulen) 8. klei (marien) 9. veen (gecompacteerd, onder >1m klastisch materiaal) 10. zand (rivierduin) Deze eenheden zijn gekozen omdat deze geologisch goed zijn te onderscheiden en omdat voor deze eenheden horizontale en verticale doorlatendheden bekend zijn. 6.2 Top en basis van het model De bovenkant van het model wordt gevormd door het maaiveld. Het Hoogheemraadschap heeft voor het modelgebied het AHN op een resolutie van 5 5 meter beschikbaar gesteld. In dit bestand is de bebouwing niet verwijderd, wat in het stedelijk gebied leidt tot een te hoog maaiveld. Daarom is het AHN gefilterd met behulp van een door TNO-NITG ontwikkeld algoritme (te Stroet en Buma, 2003), en vervolgens omgezet naar de horizontale resolutie van het deklaagmodel (100 100 meter). De basis van het deklaagmodel wordt gedefinieerd als de top van het eerste watervoerende pakket. In het beheersgebied gaat het dan om de top van het
TNO-rapport NITG 04-090-B0609 10 / 23 pleistocene oppervlak, de top van de rivierduinen (die beperkt is tot het zuidoosten van het gebied) of de top van de zandige holocene geulafzettingen. Genetisch maken de rivierduinen en de zandige geulafzettingen deel uit van de deklaag. Geohydrologisch behoren ze in het beheersgebied tot het 1e watervoerende pakket omdat ze direct op het pleistocen oppervlak liggen of er zelfs zijn ingesneden. 6.3 Pleistocene oppervlak Bij de berekening van de top van het pleistocene oppervlak voor het beheersgebied is gebruik gemaakt van het trendvlak van het pleistocene oppervlak dat op de landelijke schaal (1:250.000) is gemaakt. De afwijkingen van de top van het pleistocene oppervlak in de boringen ten opzichte van het landelijke trendvlak zijn berekend, geinterpoleerd met behulp van kriging en vervolgens bij het landelijke pleistocene oppervlak opgeteld. Op deze manier wordt de lokale variatie in de ligging van de top van het pleistocene oppervlak en de landelijke trend gecombineerd in de berekening. Boringen waarbij het residu groter is dan 1 meter worden geacht in een zandig crevasse-systeem te zijn gezet, dat niet (voldoende) in de Berendsen en Stouthamer-kaart is verwerkt. De top-zand in deze boringen is niet de top Pleistoceen. Deze boringen zijn dan ook niet gebruikt voor het bepalen van de top Pleistoceen. 6.4 Rivierduinen In het zuidwesten van het gebied liggen op het pleistocene oppervlakte rivierduinen; deze worden tot de Formatie van Boxtel gerekend. De rivierduinen worden tot het watervoerend pakket gerekend omdat ze dezelfde lithologie (zand) hebben als het onderliggende zandige pakket van de formatie van Kreftenheye. De verbreiding binnen het gebied, overgenomen van Berendse en Stouthamer (2001), is beperkt (ongeveer 32 hectare). Van de boringen binnen deze verbreiding is de top zand geïnterpoleerd in Gocad met behulp van DSI (Discrete Smooth Interpolator, Mallet, 2002). Het pakket, gelegen tussen de top van de onderliggende fluviatiele zanden van de formatie van Kreftenheye en de van de top van de eolische zanden is vervolgens toegekend aan het eerste watervoerend pakket. 6.5 Holocene stroomgordels. Het pleistocene oppervlak wordt in het gebied veelvuldig doorsneden door holocene geulafzettingen. Op een uitzondering (de Lek) na zijn alle holocene geulen ingesneden in het pleistoceen. Gezien de vergelijkbare lithologie -zandworden deze geulafzettingen ook tot het eerste watervoerend pakket gerekend. In de boringen die gelegen zijn in de stroomgordels is de top-zand bepaald. Omdat de holocene geulen ook elkaar versnijden, is de interpolatie (inverse distance weighted, Goovaerts, 1997) per ouderdomsklasse uitgevoerd,
TNO-rapport NITG 04-090-B0609 11 / 23 van oud naar jong (>5500 jaar, 5500-4450, 4450-3500, 3500-2500, 2500-1000 en <1000 jaar oud). De zes interpolatieresultaten zijn bij de eerder berekende top pleistoceen opgeteld, en in de verdere modelbouw beschouwd als de top van het eerste watervoerende pakket. Op enkele plaatsen zijn afwijkingen geconstateerd tussen de ligging van de stroomgordels uit de Berendsen en Stouthamer kaart en de informatie uit de DINO boringen. Na inspectie is op deze plaatsen de ligging van de stroomgordel aangepast. 6.6 Basis deklaag De basis van de deklaag is berekend uit de combinatie van de top van het pleistocene oppervlak, de top van de rivierduinen en de top van de zandige geulopvulling. Van deze drie vlakken is voor elke gridcel de hoogste waarde genomen. Dit leidt tot de vulling van het 3D grid, waarin cellen die dieper liggen dan dit vlak de code voor zand meekrijgen. Figuur 1. 3D beeld van basis van de deklaag In figuur 1 staat het kaartbeeld weergegeven van de basis van de deklaag. In dit beeld is te zien dat de stroomgordels als ruggen van zand voorkomen in het gebied. Het is te verwachten dat de zandige stroomgordels grote invloed hebben op de stroming van water in de ondergrond. 6.7 Mariene klei In het noordwesten van het gebied komt holocene mariene klei voor die behoort tot de Formatie van Naaldwijk, Laagpakket van Wormer. De
TNO-rapport NITG 04-090-B0609 12 / 23 hydrologische en mechanische eigenschappen, alsmede de ruimtelijke verdeling van dit pakket, zijn zodanig dat het pakket niet samen met de komkleien gemodelleerd kan worden. Het pakket ligt als wig in de deklaag. De verbreiding van de wig is bepaald aan de hand van de geologische kaart van Utrecht (Oost) en ongepubliceerde gegevens van Utrecht West. Top en dikte zijn geinterpoleerd m.b.v. kriging binnen de verbreiding van het pakket. In figuur 2 is de verbreiding van de mariene kleilaag weergegeven. Figuur 2. Verbreiding van de mariene klei 6.8 Komklei, veen, overig zand, zandige klei en kleiig zand De verdeling van de overige lithologieën is dermate complex dat het niet mogelijk is deze determistisch in kaart te brengen in drie dimensies (figuur 3). Daarom zijn deze lithologieën met behulp van indicator kriging geïnterpoleerd (Goovaerts, 1997). In principe is het niet mogelijk om alfanumeriek waarden, zoals lithologie, te interpoleren. Dit geldt ook wanneer deze omgezet worden naar numerieke waarden, bijvoorbeeld klei=1, veen=2, zand=3. Dit zou betekenen dat tussen klei en zand altijd veen wordt geïnterpoleerd. Indicator kriging interpoleert echter de waarschijnlijkheid dat een lithologie op een plaats aanwezig is. Hiervoor wordt de alfanumerieke boorinformatie per litholigie omgezet in een 'kans op voorkomen'. In een boring waar in een laag lithologie x voorkomt, is de kans op voorkomen van x 1, en de kans op alle andere lithologieën 0. Van de aldus verkregen indicatoren worden indicatorvariogrammen bepaald. Vervolgens worden alle lithologieën afzonderlijk van elkaar geïnterpoleerd. Dit levert per cel een kans op voorkomen van alle lithologieën. Omdat de kansen onafhankelijk van elkaar worden geïnterpoleerd, hoeft de kans per cel niet tot 1 te sommeren, maar kunnen vaak kleine overschrijdingen van 1 voorkomen.
TNO-rapport NITG 04-090-B0609 13 / 23 De resultaten van de indicator interpolatie geven de kans op voorkomen van de verschillende lithologieen weer. Om tot een coherent geologisch beeld te Klei (holoceen) Klei (holoceen, kom) Veen (holoceen) Klei (holoceen, marien) Zandige klei, kleiig zand (holoceen, fluviatiel) Zand (holoceen, geulen) Zand (pleistoceen, eolisch) Zand (pleistoceen, fluviatiel) Figuur 3. Complexe opbouw van de deklaag (geschematiseerd) komen, is het nodig om de resultaten van de indicator interpolatie te bewerken middels een post-classificatie methode, zodat een coherent geologisch beeld ontstaat. De komklei die gelegen zijn aan het maaiveld, zijn apart gemodelleerd in 2D in plaats van in 3D. De reden hiervan is dat het gebruikte maaiveld gemiddeld beduidend lager ligt als gevolg van klink tussen het moment van opname van de boring, en dat van opname van het AHN. Gevolg hiervan is dat de (bij benadering) bovenste kwart meter van de boringen, met daarin vaak de komklei, uit het model verdwijnt wanneer dat consistent gemaakt wordt met het AHN. De komklei is gemiddeld ongeveer één modelcel dik. Van alle boringen is bepaald of de komklei aan maaiveld ligt (1) of niet (0). Deze indicatoren zijn vervolgens in 2D geïnterpoleerd met behulp van indicator kriging. Het resultaat hiervan is geclassificeerd naar een kaart die het al dan niet voorkomen aangeeft. Deze is gesuperponeerd op de bovenste modellaag onder het maaiveld. In grote delen van het gebied komen de komkleien voor. 6.9 Post-klassifikatie In het uiteindelijke model wordt aan iedere cel een unieke lithologie toegekend. Wanneer aan iedere cel de lithologie van de grootste waarschijnlijkheid wordt toegekend, leidt dit tot een overschatting van de meest voorkomende lithologieën. Als bijvoorbeeld in het model iedere cel van 100 100 0.5 meter uit 90% veen en 10% klei bestaat, leidt deze methode tot een model met louter veen. De methode van Soares (2002) klassificeert een multi-fase structuur met behoud van de relatieve hoeveelheiden van de bijdragende componenten. De methode rangschikt eerst voor iedere lithologie alle cellen in volgorde van aflopende waarschijnlijkheid. De relatieve
TNO-rapport NITG 04-090-B0609 14 / 23 lithologische samenstelling van het gebied wordt berekend uit de boorinformatie. Eerst wordt bepaald wat de lithologie is die relatief het meest onderbedeeld is. Vervolgens wordt de nog niet geklassificeerde cel opgezocht die, voor deze lithologie, de grootste waarschijnlijkheid heeft. De cel wordt aan deze lithologie toegekend. De toedelingsratio van deze lithologie wordt bijgesteld, en de nieuwe meest onderbedeelde lithologie bepaald, etc. Het uiteindelijke klassifikatieresultaat van het model heeft vertoont dezelfde globale verhouding van de lithologische samenstelling als de boringen. 6.10 Samenstelling van het model Uiteindelijk zijn de top van het eerste watervoerend pakket inclusief holocene geulen en zandduinen, het gefilterde maaiveld, de gebiedsgrens, de mariene klei en de resterende holocene afzettingen (veen, zand en klei verdelingen in de kommen) in een 3D grid met elkaar in overeenstemming bijeengebracht. Op grond van geologische kennis van het gebied is tot slot een aparte code toegekend aan - veen dat onder tenminste 1 meter klastisch materiaal ligt; de reden hiervan is dat dit veen meer gecompacteerd is en daarom een lagere doorlatendheid heeft - zand dat de bovenste meter van de holocene geulen vormt; de reden hiervan is dat dit zand kleiig is (tot fijnzandige klei), een lagere verticale doorlatendheid heeft en daarom niet tot het watervoerende pakket behoort.
TNO-rapport NITG 04-090-B0609 15 / 23 7 Resultaten deklaagmodel 7.1 Resultaten Het resultaat van de geologisch modellering van de ondergrond levert een model van de verschillende relevante lithofacies die in de holocene deklaag van het beheersgebied van de Stichtse Rijnlanden worden onderscheiden. In de onderstaande twee figuren (figuur 4 en 5) worden horizontale Figuur 4. Horizontale doorsnede met lithofacies op 4.5 meter Figuur 5. Horizontale doorsnede met lithofacies op 2 meter
TNO-rapport NITG 04-090-B0609 16 / 23 doorsneden gegeven door de deklaag, waarin de lithofacies zijn weergegeven. Deze doorsneden zijn om de 0.5 meter digitaal aanwezig; in gedrukte vorm wordt een doorsnede op 4.5 meter NAP en 2 m NAP weergegeven. In het dwarsprofiel A A wordt van oost naar west een beeld gegeven van de litholgie van de ondergrond, terwijl in de dwarsprofielen B B en C C de ondergrond van noord naar zuid wordt weergegeven, figuur 6. Uit de kaartbeelden en de profielen blijkt dat de variatie in de gebieden die zijn doorsneden door de stroomgordels van de grote rivieren groot is. De complexe opbouw van veen, klei en zand in de gebieden tussen de stroomgordels is goed zichtbaar. A A' B B C C Figuur 6. Dwarsprofielen met lithofacies
TNO-rapport NITG 04-090-B0609 17 / 23 7.2 Conclusie geologische ondergrond modellering De modellering van de lithologieen in de holocene deklaag van het beheersgebied laten een heterogeen beeld van de ondergrond zien. Dit beeld wordt veroorzaakt door de verschillende geologische processen (rivierinsnijding, oeverwallen en komafzettingen, veenvorming, mariene klei afzettingen) die in de loop van de tijd op verschillende plaatsen hebben plaatsgevonden. De beschikbare gegevens, zowel boringen als geologische kaarten en lokale kennis van het gebied, hebben geleid tot een coherent geologisch beeld van de deklaag.
TNO-rapport NITG 04-090-B0609 18 / 23 8 Toekennen van doorlatendheden aan lithofacies en opschaling naar deklaagweerstand 8.1 Methode Een belangrijk doel van het deklaagmodel is om vanuit de gemodelleerde lithofaciesverdeling de hydraulische weerstand en de transmissiviteit te berekenen. Hiertoe worden aan de verschillende lithofacies horizontale en verticale doorlatendheden toegekend. Deze doorlatendheden zijn op een beperkt aantal monsters bepaald, waardoor slechts een beperkte nauwkeurigheid kan worden bereikt; tevens zijn de doorlatendheden gemeten aan de hand van monsters waarvan het volume zeer veel kleiner is dan de discretisatie waarmee in het geologisch model wordt gewerkt. Daarom moeten de gemeten doorlatendheden worden opgeschaald naar waarden die representatief zijn voor het volume waarmee in het geologisch model wordt gewerkt. In deze studie worden de opgeschaalde horizontale en verticale doorlatendheden van de lithofacies gebruikt zoals die door Bierkens (1994) en Weerts (1997) zijn bepaald. De metingen zijn de enige die zijn uitgevoerd aan monsters uit het rivierengebied, en die op een systematische manier zijn verzameld, verwerkt en opgeschaald. In tabel 1 staan de opgeschaalde waarden weergegeven zoals die in Weerts (1997) zijn opgenomen. Voor alle lithofacies geldt dat de doorlatendheden (zowel horizontaal als verticaal) een geringe ruimtelijke correlatiestructuur vertonen. Waarnemingen die op een afstand van meer dan 50 meter van elkaar verwijderd zijn, vertonen geen correlatie meer. Met andere woorden: alle ruimtelijke variatie in doorlatendheden vindt plaats binnen de discretisatie van het geologisch model van 100 * 100 meter. Tabel 1. Opgeschaalde waarden voor de horizontale en verticale doorlatendheid (Weerts, 1997) en parameters zoals toegekend in deze studie Lithologie K h K v Lithofacies Deklaag (m/dag) (m/dag) Veen 0.18 0.18 2 Ja Klei 0.0024 0.0009 1 Ja Zandbaan stroomgordel 17.6 16.0 3, 5, 6, 10 Nee Zandige klei 0.017 0.0016 4 Ja Mariene klei 0.005 0.005 8 Ja Gecompacteerd veen* 0.025 0.019 9 Ja top stroomgordel 11.4 2.2 7 Ja * Gecompacteerd veen wordt gedefinieerd als veen dat onder een pakket van minstens een meter klastisch materiaal (zand en/of klei) voorkomt. Door de compactie zal de structuur van het veen aangetast worden en neemt de doorlatendheid af. Om per ruimtelijke eenheid van 100 * 100 meter een hydraulische weerstand (C-waarde) en transmissiviteit (kd-waarde) voor de deklaag te bepalen, is het
TNO-rapport NITG 04-090-B0609 19 / 23 nodig de verticale en horizontale doorlatendheden, zoals die in 3D zijn toegekend aan de lithofacies, te aggregeren tot een 2D waarde. Hiertoe is in het model MODFLOW een 3D schematisatie gemaakt, waarin de horizontale en verticale doorlatendheden zijn ingevoerd, afhankelijk van de lithofacies. Om een hydraulische weerstand te berekenen is een constant stijghoogteverschil over de deklaag (in de verticale richting) ingevoerd, en zijn de horizontale stijghoogteverschillen op 0 gezet. Op deze manier worden alleen de verticale fluxen berekend voor de opeenvolgende gridcellen van 0.5 meter. Vervolgens zijn (per verticale kolom) de verticale fluxen onder en boven de deklaag gemiddeld. Gegeven het constante stijghoogteverschil en de dikte van de deklaag, is de verticale doorlatendheid berekend. Dezelfde werkwijze is gevolgd voor de berekening van de transmissiviteit, met dien verstande dat er nu een constant stijghoogteverschil in de horizontale richting is ingevoerd, en de verticale stijghoogteverschillen op 0 zijn gezet. Per laag en per modelcel is het stijghoogteverhang en de horizontale flux berekent. Vervolgens zijn de fluxen en het stijghoogteverhang per kolom gemiddeld en is de horizontale doorlatendheid berekend volgens: kh(gem) = q(gem) / I(gem). De transmissiviteit wordt vervolgens gevonden door de horizontale doorlatendheid te vermenigvuldigen met de dikte van de deklaag. Deze procedure is uitgevoerd voor een constant stijghoogteverschil in de noord-zuid richting als ook voor de oost-west richting. Dit levert een transmissiviteit voor stroming die hoofdzakelijk noord-zuid is gericht en een transmissiviteit voor stroming die hoofdzakelijk oost-west is gericht. Het gemiddelde van deze twee waarden is genomen als een redelijke aanname wat betreft de hydraulische transmissiviteit.
TNO-rapport NITG 04-090-B0609 20 / 23 8.2 Resultaten De resultaten van de opschaling van de hydraulische weerstand zijn weergegeven in de figuur 7, en de transmissiviteit in figuur 8. Hydraulische weerstand van de deklaag (in dagen) Figuur 7. Hydraulische weerstand van de deklaag
TNO-rapport NITG 04-090-B0609 21 / 23 Hydraulische transmissiviteit im m2/dag Figuur 8. Hydraulische transmissiviteit van de deklaag De ruimtelijke variatie is, zoals te verwachten valt, groot in gebieden met een complexe geologie. Dit zijn met name de gebieden waar een rivierinsnijdingen dominant geweest zijn in de geologische geschiedenis. In die gebieden komen snelle laterale variaties voor van klei en veen in de komgebieden en zand in de stroomgordels. De waarde van de hydraulische weerstand varieert van minder dan 300 dagen tot meer dan 10000 dagen In enkele gebieden zijn dikke pakketten veen gevormd, en wordt in eerste instantie een hydraulische weerstand berekend die erg laag is, soms minder dan 50 dagen. De reden hiervoor is dat een dik pakket veen van 6 meter, met een kv van 0.18 m / dag, een hydraulische weerstand van ongeveer 33 dagen oplevert. In een dik pakket veen zal niet vaak het gehele pakket uit puur veen bestaan, maar zullen regelmatig dunne inschakelingen van kleiig veen en soms dunne
TNO-rapport NITG 04-090-B0609 22 / 23 kleilenzen voorkomen, die echter in de boorbeschrijving niet altijd zijn herkend en daarom in de modellering niet worden meegenomen. Het is daarom niet redelijk om de opgeschaalde verticale doorlatendheid van een homogeen veenmonster te gebruiken voor een veenpakket dat op een grotere schaal heterogener is. Tevens zorgt de verticale discretisatie van 0.5 meter ervoor dat kleilagen van minder dan 0.25 meter (de helft van de discretisatie) niet worden meegenomen in de modellering van de lithologie van de deklaag. Ook komt aan de basis van het veenpakket een zgn. smeerlaag voor, dat gevormd is door de bodemvorming en inspoeling tijdens de eerste fase van de veenvorming. Hierdoor wordt een relatieve weerstansbiedende laag gevormd. Om deze redenen is gekozen voor de aanname dat in de gebieden waar alleen veen is gemodelleerd er tenminste 0.25 m klei voorkomt. Hierdoor wordt de hydraulische weerstand van de gebieden met alleen maar veen verhoogd met gemiddeld ongeveer 275 dagen. De vergelijking van de C waarde die op de conventionele manier is berekend en die op de flux-manier zijn berekend laten voor het grootste deel van het gebied een miniem verschil zien, in de orde van enkele procenten. In enkele gebieden zijn de verschillen groter; dit is waarschijnlijk te wijten aan een zeer onregelmatige opeenvolging van veen, klei en zand, waarbij contrasterende doorlatendheden boven elkaar kunnen voorkomen. In het geval van de fluxmethode wordt hiermee op een fysisch correcte manier mee omgegaan. De hydraulische transmissiviteit T voor de deklaag geeft de mate van horizontale stroming in de deklaag weer. In de deklaag is de stroming voornamelijk verticaal, maar er zijn enkele plaatsen waar tevens horizontale stroming voorkomt. Dit gebeurt voornamelijk daar waar de zandige stroomgordels een kleiige top hebben, waardoor er toch horizontale stroming kan plaatsvinden. De waarden voor de transmissiviteit zijn slechts gering, vanwege de geringe dikte van de lagen met een hoge horizontale doorlatendheid. 8.3 Conclusie De hydraulische weerstand en de transmissiviteit van de deklaag zijn goed in kaart te brengen m.b.v. een geologisch model, waarbij aan de lithologieen van het model kenmerkende horizontale en verticale doorlatendheden worden gekoppeld. Voor het beheersgebied van de Stichtse Rijnlanden geeft het model de grote verschillen in met name de hydraulische weerstand goed weer.
TNO-rapport NITG 04-090-B0609 23 / 23 9 Literatuur Berendsen, H.J.A en E. Stouthamer, 2001. Paleogeographic development of the Rhine-Meuse delta, The Netherlands. Koninklijke van Gorcum, Assen. Bierkens, M.F.P., 1994. Complex confining layers. A stochastic analysis of hydraulic properties at various scales. Proefschrift Universiteit Utrecht. Bosch, J.H.A. & H. Kok, 1994. Toelichting bij de geologische kaart van Nederland 1:50.000. Gorinchem West (38 W). Rijks Geologische Dienst, Haarlem Goovaerts, 1997. Geostatistics for Natural resources Evaluation. Oxford University Press. Mallet, J-L. 2002. Geomodeling. Oxford University Press. Soares, A. (1992). Geostatistical estimation of multi-phase structure. Mathematical Geology 24(2) 149-160 Stroet, te, C. B.M. en J. T. Buma, 2003. Grootschalige grondwatermodellering voor regionaal waterbeheer. Informatie, editie grondwater en bodem, nummer 13. Van de Meene, E.A., M. van Meerkerk & J. van der Staay, 1988. Toelichting bij de geologische kaart van Nederland 1:50.000 Utrecht Oost (31 O). Rijks Geologische Dienst, Haarlem. Verbraeck, A., 1970. Toelichting bij de Geologische kaart van Nederland 1:50.000 Gorinchem Oost (38 O). Rijks Geologische Dienst, Haarlem Weerts, H.J.T., 1996. Complex confining layers. Architecture and hydraulic properties of Holcene and late Weicselian deposits in the fluvial Rhine-Meuse delta, the Netherlands. Proefschrift Universiteit Utrecht.