Het krimpen en zwellen van de Delftse spons

69e Vakantiecursus TU Delft, 13 januari 2017 Het krimpen en zwellen van de Delftse spons Jan Dirk Jansen TU Delft, Afd. Geoscience & Engineering 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 1

Waarschuwing De kwantitatieve resultaten in deze presentatie dienen uitsluitend ter illustratie van de onderliggende mechanische principes. Ze zijn gebaseerd op een zeer sterke vereenvoudigdiging van de werkelijkheid, en de gebruikte gegevens kennen grote onzekerheden. De resultaten zijn dan ook niet bedoeld als grondslag voor ontwerp of beslissingen. 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 2

Grondwateronttrekking DSM Sinds 1916 Vergunning: 13,8 10 6 m 3 /jaar (1996) = 37,8 10 3 m 3 /dag = 1574 m 3 /uur = 0,44 m 3 /sec Sinds 2005: 12,3 10 6 m 3 /jaar Zomer/winter: 1600/1200 m 3 /uur Gemalen Delfland: 112 m 3 /jaar in 2008 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 3

Locatie DSM terrein Bron: Deltares Grondwatereffecten aan de oppervlakte (gebracht), 2008 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 4

Uurdebiet grondwateronttrekking DSM Bron: TNO Bouw en Ondergrond Eindrapport Quick Scan DSM Spoorzone, 2005 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 5

TNO Dino Loket: www.dinoloket.nl 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 6

Putten in Nederland 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 Bron: TNO Dino Loket: www.dinoloket.nl, januari 2017 7

Bodem en grondonderzoek Bron: TNO Dino Loket: www.dinoloket.nl, januari 2017 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 8

B37E0363 tot 70,00 m Bron: TNO Dino Loket: www.dinoloket.nl, januari 2017 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 12

B37E0363 tot 70,00 m Bron: TNO Dino Loket: www.dinoloket.nl, januari 2017 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 13

Geologische doorsnede Bron: TNO Dino Loket: www.dinoloket.nl, januari 2017 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 14

Waarschijnlijke lithologische klasse Bron: TNO Dino Loket: www.dinoloket.nl, januari 2017 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 15

O W: Naaldwijk Pijnacker Bron: TNO Dino Loket: www.dinoloket.nl, januari 2017 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 16

N Z: Den Haag Schiedam Bron: TNO Dino Loket: www.dinoloket.nl, januari 2017 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 17

Hydrogeologie B37E0422 (DSM) Bron: TNO Dino Loket: www.dinoloket.nl, januari 2017 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 18

Grondwaterstroming en consolidatie Darcy: v k h L h L 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 19

Verruijt 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 20

Schematisatie klei zand 0 m 20 m 40 m Bron: TNO Dino Loket: www.dinoloket.nl, januari 2017 q = 0,4 m 3 /s h w = 15 m 0,001 < k c < 1 m/s (klei) 10 < k s < 100 m/s (zand) 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 21

Stap 1 Ondoorlatende kleilaag ( confined aquifer ) Cirkelsymmetrisch => 1D Stationaire stroming Behoud van massa: Wet van Darcy: d vr 0 dr dh 1 v dr k s Randvoorwaarden: r rw : v q (2 rwhs) r re : h he 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 22

Stap 1, vervolg Differentiaalvergelijking: dr Oplossing: 2 d h dh 1 2 dr r 0 h q re he ln 2 kh r s s Muskat (1937) 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 23

Stap 2 Enigszins doorlatende kleilaag ( leaky aquifer ) DV: Randvoorwaarden: Oplossing: h h e dr dr r 2 d h dh 1 2 2 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 24 0 r rw : v q (2 rwhs) r : h he khc s s HH s c ks k Lekfactor (m) c h h q K r 0 e 2 kh s s rw K1 rw Jacob (1946)

Stijghoogten rond Delft (1) 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 25

Bestaande putten > 30 Bronnen op DSM terrein Stijghoogte: 15 m NAP Filterdiepte: 24 tot 40m NAP Capaciteit: 12 115 m 3 /uur Afstand: 30 120 m Formatie: Kreftenheye N.B. In ons simpele model vervangen door 1 put Bronnen: Deltares Grondwatereffecten aan de oppervlakte (gebracht), 2008 Deltares Effectenverkenning van verplaatsing grondwaterwinning, 2009 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 26

Lineaire superpositie Resultaten dicht bij de put niet vertrouwen 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 27

Grondwateronderzoeksputten Bron: TNO Dino Loket: www.dinoloket.nl, januari 2017 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 28

B37E0275 ( t Haantje) Bron: TNO Dino Loket: www.dinoloket.nl, januari 2017 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 29

B37E0275 ( 28,88 m tot 36,88 m) Bron: TNO Dino Loket: www.dinoloket.nl, januari 2017 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 30

Stijghoogten (TNO) 5 m 2.5 m Bron: TNO Bouw en Ondergrond Eindrapport Quick Scan DSM Spoorzone, 2005 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 33

Stijghoogten (Deltares) Bron: Deltares Grondwatereffecten aan de oppervlakte (gebracht), 2008 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 34

Grondwaterstroming en consolidatie Darcy: v k h L h L Terzhagi: p 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 35

Meer Verruijt http://geo.verruijt.net 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 36

Stap 3 Niet stationaire stroming Enigszins doorlatende kleilaag ( leaky aquifer ) Vlakke spanningstoestand 2 1 h h h 1 h he DV: 0 2 2 c t r r r c v v k K G 1 s 3 2 1 3 g S K G Consolidatiecoëfficient 1 C C 1 C K Biot s coëfficient s m s S nc ( n) C Storativity f s 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 37

Stap 3, vervolg r rw : p pw Randvoorwaarden: r : p pe Oplossing : Verruijt (2016) met Laplace transformaties. Zie ook Hantush and Jacob (1955). q h h 2 4, e W r c v t r 4 kh W is de Hantush well function : s W x, a exp y a 4y ydy 2 x s Vervormingen (in zand): vergelijkbare uitdrukkingen 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 38

Stijghoogten vanaf start productie Steady state na een half jaar. 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 39

Verticale verplaatsingen (zand) Maximum zetting» 5 cm (in zand; klei volgt) 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 40

Horizontale verplaatsingen (zand) Maximum horizontale verplaatsing» 50 cm; veel groter dan zetting 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 41

Stap 4 Tot nu toe: resultaten voor de zandlaag Klei is veel minder doorlatend en veel slapper: Hydraulische conductiviteit: k s = 70 m/d, k c = 0.001 m/d. Compressiefactoren: C s = 200, C c = 40 Gecombineerd effect (zand + klei): eindige elementen model Tom Postma, gebaseerd op Verruijt (2016). Eindig domein (cirkel van 7 km diameter); 130 elementen in r (logarithmisch), en 150 in z richting (4 in zand en 146 in klei). 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 42

Stijghoogten vanaf start productie Drukken in kleilaag: 2 m vanaf de top; in de zandlaag: 10 m vanaf de klei Steady state in klei na een jaar. 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 43

Verticale verplaatsingen (zand + klei) Verplaatsingen aan de top van de kleilaag en de zandlaag Veruit meeste zetting in kleilaag» 80 cm 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 44

Horizontale verpl. (zand + klei) Verplaatsingen aan de top van de kleilaag en de zandlaag Ook in klei: maximum horizontale verplaatsing (» 100 cm) groter dan zetting 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 45

Grondwaterstroming en consolidatie Darcy: v k h L h L Terzhagi: p Log t Keverling Buisman: h Consolidatie Kruip 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 46

Commentaar In dit (uiterst) simpele model (met onzekere gegevens) heeft ontrekking geleid tot zettingen in de orde van decimeters; lijken horizontale verplaatsingen ook van belang; is kruip (stap 5) niet meegenomen. N.B. 1: Rijzingen zijn niet gesimuleerd maar die zijn doorgaans een factor 5 tot 10 kleiner dan zettingen N.B. 2: De ondergrond is heterogeen en onzeker => vertrouw niet teveel op modellen, gebruik er liefst meerdere, en meet veel 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 47

Met dank aan Prof. Michael Hicks voor hulp bij de consolidatietheorie en parameterwaarden. Tom Postma voor het genereren van de numerieke resultaten. Prof. Arnold Verruijt voor zijn inspirerende college s en publicaties. 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 48

Parameterwaarden voor simulaties De permeabiliteiten zijn afgeleid van hydraulische conductiviteiten: k s = 70 m/d en k c = 0.001 m/d. De elastische constanten K en G zijn geschat aan de hand van compressiefactoren C s = 200 en C c = 40 met een Poisson ratio = 0,3 en gemiddelde dieptes van 10 m voor de kleilaag en 30 m voor het zand. Het debiet bedraagt 0.40 m 3 /s en de stijghoogte h op oneindig is 0.50 m. De meeste waarden zijn grove schattingen en kunnen vele malen groter of kleiner zijn. Hetzelfde geldt daarom voor de uitkomsten van de simulaties. 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 49

Referenties Gehrels,H. et al., 2005: Quickscan DSM Spoorzone: verkenning van duurzame oplossingsrichtingen voor het waterbeheer in Delft en omgeving. Rapport 05 134 B0905, TNO Bouw en Ondergrond. Hantush, M.S. and Jacob, C.E., 1955: Non steady radial flow in an infinite leaky aquifer. Trans. Am. Geophys. Union, 36 (1) 95 100. Jacob, C.E., 1946: Radial flow in a leaky artesian aquifer. Trans. Am. Geophys. Union, 27 (2) 198 208. Muskat, M., 1937: The flow of homogeneous fluids through porous media, McGraw Hill, New York. Roelofsen, F. et al., 2008: Grondwatereffecten aan de oppervlakte (gebracht) Onderzoek naar effecten van stopzetting grondwateronttrekking DSM Delft Hoofdrapport. Rapport 2008 U R0960/A Deltares. https://publicwiki.deltares.nl Roelofsen, F. et al., 2008: Grondwatereffecten aan de oppervlakte (gebracht) Onderzoek naar effecten van stopzetting grondwateronttrekking DSM Delft Technisch rapport. Rapport 2008 U R1084/A Deltares. http://repository.tudelft.nl Roelofsen, F., van Meerten, H. en de Kleine, M., 2009: Effectenverkenning van verplaatsing grondwaterwinning vervolg op DSM onderzoek. Rapport 0905 0205 Deltares. https://publicwiki.deltares.nl Verruijt, A., 1977: Handleiding bij het college b90 Grondwatermechanica. TU Delft. Verruijt, A., 2016: Theory and problems of poroelasticity. www.geo.verruijt.net. 69e Vakantiecursus, 13 januari 2017 50