Grondwater in geologisch en historisch perspectief Specifiek Nederlandse situatie Wat opvalt bij de historische overzichten van het grondwateronderzoek in de verschillende Europese landen is dat het gericht geweest is op het zoeken naar geschikte geologische formaties met hun structuur en samenstelling, hun watergevende capaciteit en de kwaliteit van het water. Gevolgd door het monitoren van het gedrag van aquifers, zoals daling van de grondwaterstanden en daarmee samenhangend het zoeken naar antwoorden op vragen naar de herkomst en aanvulling. Dit plaatje (1) uit 1836 is een van de oudste hydrogeologische afbeeldingen; het toont het bekken van Londen waarin op enkele honderden meters diepte artesisch water werd gevonden in de kalksteen. Ik kom later op dit plaatje terug i.v.m. de zoektocht naar goed drinkwater voor Amsterdam. In Nederland is de geologie eenvoudig: Afgezien van Zuid-Limburg bestaat de ondergrond uit een goed doorlatend Plio-Pleistoceen zandpakket waarvan de dikte van oost naar west toeneemt van nihil tot een tiental enkele meters langs de oostelijke grens tot meer dan 200 m in het westen Daaronder volgen weinig doorlatende kleien die de diepere ondergrond grotendeels afsluiten voor de huidige kringloop van voeding- stroming- ontwatering. Met als bijzonderheid dat naar de diepte het zoutgehalte van het toeneemt als gevolg van mariene invloed in het Plioceen en Vroeg-Pleistoceen. Hetzelfde gebeurt in westelijke richting vanwege mariene transgressies gedurende het Holoceen. De dooruit volgende grondwatersituatie is tot op zekere hoogte ook eenvoudig: grondwater is alom tegenwoordig en elke boring is raak. Maar ondanks deze eenvoudige, min of meer homogeen doorlatende ondergrond en het ontbreken van veel relief, zijn de bewegingspatronen van het grondwater complex. Door de vlakke en lage topografie ligt de grondwaterspiegel in het algemeen dicht onder het maaiveld en vormt daarom niet alleen een nauwe afspiegeling van het relief, maar in het algemeen vormt het wateroppervlak van sloten en andere drainerende waterlopen in feite de dagzoom van de grondwaterspiegel. Dit leidt tot een zeer intense interactie is tussen grondwater en oppervlaktewater waardoor elk hobbeltje als het ware invloed heeft. Dit geldt niet alleen voor de min of meer natuurlijke situatie van de zandgronden van hoog- Nederland, maar ook voor het polderland in laag- Nederland met zijn complexe relief met van elkaar gescheiden oppervlaktewater niveaus (Fig. 2 en 3). In het volgende wil ik laten zien hoe in ons land de grondwater kennis vergroot is door maatschappelijk problemen die verband houden met deze bijzondere waterstaatkundige - hydrogeologische situatie. 1
Geschiedenis van het (door maatschappelijke problemen gestuurde) onderzoek Problematiek niet: Waar en in welk gesteente vind ik voldoende en drinkbaar water maar, om enkele belangrijkste vraagstukken te noemen: 1. Hoe zit het met de verdeling van zoet en zout water; wat gebeurt er als ik water onttrek. 2. Hoe zit het met de vervuiling van het ondiepe aquifer, trek ik bij winning vervuiling van het oppervlak aan. 3. (Zoute)kwelstroming naar polders en bouwputten. 4. Leidt de verlaging van de (ondiepe) grondwaterstand tot problemen voor de landbouw (verdroging) en leidt verlaging van de waterdruk in zowel ondiepe als diepe lagen tot funderingsproblemen door instabiliteit en verzakking van de ondergrond. 4. Uiteindelijk met welke theoretische beschouwingen kan ik de natuurlijke, veelal seizoenale grondwaterbeweging beschrijven en de te verwachten invloeden van ingrepen (vooral grondwateronttrekking) berekenen. Ik wil aan de hand van een korte historische schets laten zien hoe deze problemen naar voren zijn gekomen en hoe de oplossing aan gevat. Historisch verloop onderzoek Drinkwater voor Amsterdam Bij de exploratie is de voortgang van het inzicht duidelijk gekoppeld aan enkele onderzoekers. Harting Op zoek naar geschikt grondwater voor de drinkwatervoorziening van Amsterdam. De grachten zijn vervuild en de ondiepe putten in de tuinen evenzo. Arts, geoloog en bioloog Pieter Harting 1840 s entameert een boring op de Nieuwmarht die uiteindelijk een diepte van 170 m bereikt, maar niets anders dan brak en vervuild water oplevert. Harting geeft niet alleen een uiterste minutieuze en voortreffelijke beschrijving van de boormonsters, maar onderwerpt ze ook aan percolatie proeven die bijna leiden tot de 4 jaar later gepubliceerde wet van Darcy, die de basis van de grondwater- stromingstheorie zou gaan vormen. Badon Ghijben Uiteindelijk wijkt men uit naar de duinen, waar grondwater via draineerkanalen wordt gewonnen. Heerlijk water maar een kwetsbaar systeem tijdens een vijandig beleg. Daarom gaat genieofficier Badon Ghijben op zoek naar een zoetwatervoorkomen binnen de Stelling van Amsterdam die als noodvoorziening kan dienen. Hij vindt die in de buurt van Sloten een zoetwater-voorkomen temidden van brakwater, waar vervolgens een militaire watervoorziening op wordt gebouwd. Maar Badon Ghijben doet meer hij denkt na over de verhouding tussen het zoete en zoute water dat hij aantreft en formuleert dan zijn fameuze principe (1889): een zoetwaterlichaam in zoutwater reikt tot 40 x de hoogte die de zoetwaterspiegel boven het niveau van het zoute water uitstijgt. Zijn denkbeeld krijgt geen aandacht want klinkt niet geloofwaardig, totdat de Duitser Herzberg tot dezelfde conclusie komt na onderzoek op het eiland Norderney het is dan 1901. 2
Pennink Directeur Pennink van de Amsterdamse Duinwaterleiding gaat met de Wet van Darcy in de hand berekenen hoeveel water er theoretisch naar zijn draineerkanalen moet stromen Tot zijn verassing ontdekt hij dat de werkelijke opbrengst een faktor 3 hoger is dan de berekende en hij concludeert terecht dat de theorie dat het grondwater slecht gebruik maakt van de bovenste meters van de ondergrond niet juist kan zijn en door geniale metingen van het verloop van de grondwaterdruk op verschillende afstanden en diepten rond de draineerkanalen, dat het water gebogen stroomlijnen vormt en dus onder de kanalen omhoog stroomt. Hij simuleert dit patroon ook nog eens in een sleetmodel. Dit is revolutioneel al blijft de kennis beperkt tot ons land (en wordt overigens ook daar snel vergeten voor zover het Penninks werk betreft), maar terzelfder tijd (de eeuwwisseling) wordt dit vraagstuk theoretisch opgelost door de fysici Forchheimer (Oostenrijk), Slichter (USA) en Boussinesque (Frankrijk) die laten zien dat dit resultaat volgt uit een combinatie van de Wet van Darcy met de continuiteitsvergelijking. Dit leidt tot de algemene differentiaalvergelijking waarmee uit de randvoorwaarden het de grondwaterstromingsituatie kan berekenen. Pennink is zeker de eerste die deze theorie door metingen valideert. Kooper De eerste die in Nederland de nieuwe theorie toepast op een praktisch vraagstuk is J. Kooper, kapitein der genie en als ingenieur in dienst van het in 1912 opgerichte Bureau voor Drinkwatervoorziening. Kooper lost het vraagstuk op van de putstroming (onttrekkingsputten en bouwputten en kwelstromingen naar polders in west Nederland. Dat betekent een situatie waarbij de stroming door het Pleistocene zand aquifer naar de put of depressie horizontaal is en de aanvullend stroming van uit het bovenliggende open water vertikaal plaats vindt door het Holocene afdekkende klei-veenpakket. De formule die Kooper in 1913 publiceert wordt eerst bekend door de uitwerking in het proefschrift van De Glee in 1930, en in ons land algemeen bekend als de formule van De Glee, die overigens zeer goed blijkt te werken. Dezelfde formule wordt in de USA eerst ontwikkeld in 1946 als de oplossing van de fameuze hydroloog Jacob (De man die de theorie van elastische berging in de niet stationaire stromingsformules invoerde.) In verband met het vraagstuk van de kwel onder een dijk, dat vooral opkomt door de plannen voor de aanleg van de Zuiderzeepolders, wordt de radiaal- symmetrische geval van Kooper door J.P. Mazure (1932) vereenvoudigd voor de ééndimensionale situatie van kwel onder een recht dijkstuk. Ook dit blijkt een zeer succesvolle formule. Verder moet genoemd dat eerder Vreedenburgh (1929) in Bandung tot de exacte oplossing kwam voor de stroming door de dijk; voor de kenners de oplossing van het Dupuit- Forchheimer geval met vrije grondwaterspiegel. Deze oplossing vraagt wat hogere wiskunde dan de Kooper/De Glee/Mazure oplossingen. Hooghoudt Ook in verband met de rationele inrichting van de nieuw te vormen Zuiderzeepolders komt de vraag naar een behoorlijke theoretische achtergrond voor de beschouwing van het vraagstuk van de drainage, die tot dan toe vooral gebaseerd was op ervaring en gewoonte. Hooghoudt komt in eind jaren 30 door zowel theoretisch beschouwing als experimenten op een formule 3
voor een twee-lagen situatie waarbij rekening wordt gehouden met de extra weerstand door concentratie van de stroomlijnen rond de drains. Later verder uitgewerkt door Ernst. Zoet en zout; verdeling en reconstructie van genese Al sedert eeuwwisseling bekend dat zoutgehalte met diepte toeneemt, hetgeen werd toegeschreven aan de grotere dichtheid, terwijl het zoute water afkomstig werd geacht van Holocene transgressies en wellicht de Eem zee uit de periode tussen laatste en voor-laatste ijstijd. Probleem was veelal aangetroffen zoete tussenlaag in het bovenste deel van het Pleistoceen. Dit leidde tot nogal wat speculaties over regionale ondiepe grondwaterstroming vanuit de duinen en/of vanuit de Veluwe/Utrechtse Heuvelrug na de Holocene verzilting. Door onderzoek in het gebied van de Zuiderzeewerken komt Volker (toen ingenieurhydroloog bij die Dienst) met een nieuw idee. Hij constateert dat de Zuiderzee transgressie alleen tot verzilting door diffusie (en niet door dichtheidstroming van het zoute water) van de Holocene kleilaag heeft geleid, en dat de Pleistocene zandlaag daaronder zoet is gebleven. Zijn conclusie is dat de Holocene transgressies niet tot verzilting van de diepere Pleistocene ondergrond hebben geleid, maar dat die het gevolg is van diffusie van zout vanuit de diepere mariene Vroeg-Pleistocene en Pliocene lagen aan de basis van het Pleistocene zand pakket. Inmiddels weten we door nader ondeerzoek (proefschrift van Gu Oude Essink en Vincent Post) dat dit niet juist is. De Holocene trangressies gingen gepaard met insnijding door diepe getijdegeulen in het Pleistoceen waardoor kortsluiting met het zeewater ontstond. De Zuiderzee transgressie was veel minder agressief: Een rustige afbraak van het veen sedert de Middeleeuwen, en nauwelijks aantasting van de kleiondergrond door erosie. Voorafgaand aan dit degelijke analytische onderzoek met rekenmodellen en isotopen onderzoek gaf ik een wat meer hypothetische reconstructie op basis van de toen beschikbare informatie van de zout-zout verdeling en de kwartair-geologische geschiedenis. Onderzoek na de Wereldoorlog II Theoretisch gekenmerkt door toepassing van numerieke methoden met behulp van computersimulatiemodellen. Landbouwwaterhuishouding (ICW/Staringcentrum/Alterra) Richt zich op niet-stationaire afvoer van overtollig water, rekening houdend met statistische kansen van neerslag. Relatie tussen grondwaterstand en capillaire opstijging in verband met gewasopbrengst, in samenhang met de vraag naar de optimale grondwaterstand en de schade als die door wateronttrekking of andere beheersmaatregelen niet wordt bereikt. Milieuproblematiek (RIVM, TNO-Grondwater) In de jaren 60 wordt duidelijk dat een sectorale aanpak van waterproblemen, voooral vanwege conflicterend situaties ongewenst is, en wordt gepleid voor een integrale visie en aanpak. Een van gevolgen van dit beleid is de oprichting van de Dienst Grondwaterververkenning TNO met als doelstelling een inventarisatie en bewerking van de beschikbare gegevens 4
Begin jaren 70 volgt dan de milieuproblematiek met vuilstorten, verdroging en verzilting, die gedetailleerde regionale onderzoeken naar de werkelijke grondwaterbewegingen en interactie met oppervlaktewater. Meer aardwetenschappelijke inbreng. In de jaren;80 volgt dan het vraagstuk van de invloed van klimaatsveranderng voor de waterhuishouding: nattere winters, droge zomers, intensievere buien en zeespiegelstijging. Hoe kunnen we samenvattend de hydrogeologie van Nederland karakteriseren? Uiteindelijk wordt het karakter van het grondwater bepaald door ondergrond, topografie en klimaat. En dat karakter wordt weerspiegeld in: 1. Het gedrag van het grondwater. Dat wil zeggen beweging van de grondwaterspiegel. Een snelle reactie op neerslag bij een ondiepe grondwaterstand en een dicht drainagesysteem. De druk van het infiltrerende water door de korte afstand snel overgebracht op de grondwaterspiegel, en de korte afstand tot het drainagesysteem zorgt voor een snelle ontwatering. Bij toenemende grondwater diepte treedt er een vertraging en demping op. Demping doordat een toenemend vochttransport door de onverzadigde zone vergt een toename van het vochtgehalte vergt om de doorlaatcapaciteit de vergroten. Vertraging omdat het transport van de waterdeeltjes die elkaar vooruit drukken met een snelheid gaat van enkele dagen per meter. Bij grondwaterdiepten van meer dan 5m is de demping zo sterk dat vrijwel alleen de jaarlijkse gang nog zichtbaar is. Bij grondwater diepten van meer dan 25 meter is de demping zo sterk dat vrijwel slechts de meer-jarige fluctuaties zichtbaar worden. De vertraging wordt hier versterkt doordat hierbij ook een vertraging (fasevertraging in de min of meer cyclische grondwaterfluctuatie) in de verzadigde zone optreedt omdat voor een grotere afstroming eerst water geborgen moet worden om de hoogte en dus de gradiënt in de grondwaterstand te vergroten. 2. het drainagestelsel dat uiteindelijk het geïntegreerde resultaat van klimaat, grondwater- en oppervlaktewaterbeweging. Het meest in het oog vallend is de relatie drainagedichtheid en topografie en de grondwaterspiegel die daar de afspiegeling van is. Naar mate de grondwaterspiegel dieper ligt is er meer bergingsmogelijkheid zodat de afstroming van een neerslagperiode over langere tijd kan worden uitgesmeerd, dus is een geringere afvoercapaciteit nodig. Daar komt bij de grotere opbolling die daarmee gepaard gaat waardoor de ondergrondse afstroming ook sneller gaat. Deze beide factoren leiden tot een geringere benodigde drainageweerstand, dat wil zeggen bij dezelfde ondergrond een grotere drainafstand. 5