1 De nieuwe grondwaterkaart “Patterns of groundwater quality” Marc Vissers Universiteit Utrecht,...

1

De nieuwe grondwaterkaart“Patterns of groundwater quality”

Marc Vissers

Universiteit Utrecht, Centre for Geo-Ecological Research, Faculty of Geographical Sciences, P.O. Box 80115, 3508 TC Utrecht, The Netherlands, phone: +31 30 2532988, fax +31 30 2535050,

m.vissers@geog.uu.nl

2

Opzet presentatie

• Waarom een grondwaterkaart?• De 3 factoren, de 2 perspectieven

• De 2 perspectieven karteren• Onzekerheid karteren

• Patronen in grondwaterkwaliteit

3

Waarom een grondwaterkaart?• Bescherming en herstel van natuur• Risico-analyse van verontreinigingen (bron - object)• Systeemgerichter beheer (Ruimtelijke ordening)

– Functies op geschikte plaatsen plannen– Bescherming van kwetsbare gebieden en winningen

• Inzicht.........• Zonder kaart kan er geen rekening mee worden

gehouden• Kortom: Meerwaarde, ook voor kwaliteit van grondwater

4

De drie factoren

De ruimtelijk-temporele distributie van grondwater-kwaliteit wordt bepaald door drie factoren:

1. Input2. Processen3. Stroming

(Geologie? Analysefout?)

Relative position within the groundwater flow system0% 20% 40% 60% 80% 100%

Redox boundary

Flow lines

Streamtubes

5

De twee perspectieven

Het relateren van grondwaterkwaliteit aan -stroming kan op twee manieren:

1. In termen van verleden en toekomstige paden van puntverontreinigingen

2. In termen van de intrekgebieden van beken, putten of natte natuur, en hun historische belasting

6

Het karteren kan dus ook volgens deze 2 perspectieven!

• Kaarten van stroomrichting, leeftijd en herkomst / toekomst op verschillende dieptes en aan het oppervlak: “future and past pathways of point source pollution”

• Kaarten van intrekgebieden van objecten en hun ruimtelijk-temporele karakteristieken (bijv. landgebruik, leeftijd): “recharge areas and historical input” (= systeembenadering)

7

In feite al onderkend door Engelen en Kloosterman (1996)

8

Maar wat hebben we nog meer nodig?

• “Future and past pathways”– Herkomst van grondwater vanuit observaties op een

bepaalde diepte, en diepte vanuit elk punt aan oppervlak– Leeftijd van water langs stroombanen

• “Recharge areas and historical input”– Intrekgebieden van beken, putten, natte gebieden– Leeftijdsverdeling van het intrekgebied (en landgebruik)

• Computer power! (om vereiste resolutie voor regionale studies te kunnen hebben)

9

Intrekgebieden / Grondwaterstromingssystemen

• Tóth (1963): 2D• Engelen and Kloosterman (1996): gedefinieerd

door hun continue intrekgebieden, en dat is niet handig om waterkwaliteitsvragen te kunnen beantwoorden

• Dus: Transformatie van Tóths definitie naar 3D

10

Grondwaterstromingssystemen definiëren

• When a discharge area is “continuous”, the flow lines towards it will remain adjacent throughout the region

• (deze definitie is in weze gelijk aan die van stroomgebieden)

Relative position within the groundwater flow system0% 20% 40% 60% 80% 100%

Redox boundary

Flow lines

Streamtubes

Relative position within the groundwater flow system0% 20% 40% 60% 80% 100%

Redox boundary

Flow lines

Streamtubes

11

Hengelo studiegebiedHengelo studiegebied

244000 246000 248000 250000 252000 254000 256000 258000 260000 262000

468000

470000

472000

474000

476000

478000

480000

482000

80010001200140016001800200022002400260028003000320034003600380040004200440046004800

Study areaModel areaAOI: Hengelo

Twente canal

Hengelo

Enschede

Area of interest

Model area

Lock

Delden

heightRidge

ofOldenzaal-

Ensc hede

12

248 249 250 251 252 253 254 255

472

473

474

475

476

477

478

479

480

Reisafstand(7x8 km)Reisafstand(7x8 km)

N

OW

Z

13

Infiltratie /KwelInfiltratie /Kwel

N

OW

Z

248 249 250 251 252 253 254 255

472

473

474

475

476

477

478

479

480

14

248 249 250 251 252 253 254 255

472

473

474

475

476

477

478

479

480

LeeftijdLeeftijd

N

OW

Z

15

TopografieTopografie

N

OW

Z

248 249 250 251 252 253 254 255

472

473

474

475

476

477

478

479

480

+ een aantal verontreinigingen

16

3D: Hengelo zeer complexWanneer er een kleur is te zien: Geen infiltratie van boven maar kwel of

subhorizontale stroming ongeveer loodrecht op de afstandsgradientGeologie en menselijke ingrepen voornamelijk bepalend voor het ‘lot’ van

het grondwater

3 meter – mv

20 meter -mvKwantitatieve gevoeligheid

17

SALLAND

• 12 x 18 km studiegebied• Ruraal• Aangelegd drainagesysteem• Meer zekerheden mbt geologische complexiteit:

‘zandbak’• Toch ook zeer complexe stroming, topografie-

gedomineerd– OOK KLEINE systemen– OOK eerder 3D te noemen dan 2D te schematiseren

Relative position within the groundwater flow system0% 20% 40% 60% 80% 100%

Redox boundary

Flow lines

Streamtubes

Veluwe

SallandDunes

UtrechtseHeuvelrug

AquitardsNAP

-100

-200

100

-300

-400

Gelderse vallei

W E

Twente

W E

50km180km

Fresh water

Brackish / saline water

2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000-3000

-2000

-1000

0

- 1

- 0 . 7 5

- 0 . 5

- 0 . 2 5

0

0 . 2 5

0 . 5

0 . 7 5

1

1 . 2 5

1 . 5

1 . 7 5

2

2 . 2 5

2 . 5

2 . 7 5

3

3 . 5

Schaal van grondwaterstroming

19

3D karakteristiek van grondwater stroming

210 212 214 216 218 220 222 224 226X-coordinate

478

480

482

484

486

488

490

Y-co

ord i

nate

(km)

(km

)

0-200

200-400

400-600

600-800

800-1000

1000-1250

1250-1500

1500-3000

3000-6000

6000-12000

>12000

20

Deel II: Onzekerheid

• Zonder een kaart en het kwantificeren van de onzekerheid is het moeilijk te beoordelen wat de waarde van zo’n kaart is

• Onzekerheid (en variabiliteit) is een van de belangrijkste karakteristieken van grondwaterstroming, vooral in gebieden onderhevig aan klimatologische en menselijke variaties

• De randvoorwaarden van modellen (de invoer) hebben te maken met verschillende vormen van onzekerheid

21

Kwantificeren en karteren van de onzekerheid: Gevoeligheidsanalyse

Automatisch?

Onzekerheid?

22

Grondwaterstromingssystemen en totale reisafstand in Salland

210 212 214 216 218 220 222 224 226X-coordinate

478

480

482

484

486

488

490

Y-co

ord i

nate

(km)

(km

)0-200

200-400

400-600

600-800

800-1000

1000-1250

1250-1500

1500-3000

3000-6000

6000-12000

>12000

Onzekerheid?

Automatisch?

23

Gevoeligheidsanalyse

• Recharge: 2y averages 1965-2002• Anisotropy KH/KV: ½ to 8• Drainage resistance: 0.25 to 4 times

calibrated• Drainage level: 0.25 m (!) Gauss

• Recharge & Drainage level (Monte Carlo)

24

Monte Carlo Analysis (recharge & drainage level)

210 212 214 216 218 220 222 224 226

X-coordinate

478

480

482

484

486

488

490

Y-c

oord

inat

e

95-100%

80-95%

60-80%

40-60%

0-40%

25

Drainage, topografie, stromingkaart, monitoring, verontreiniging, grondwaterkwaliteitspatronen,

onzekerheid….

26

Grondwaterkwaliteitspatronen:Stroming, input, en processen

Relative position within the groundwater flow system0% 20% 40% 60% 80% 100%

Redox boundary

Flow lines

Streamtubes

Grootte en positie van GSS, schaal en variaties in landgebruik

27

Minifilterputten gepositioneerd in een stromingsveld

A1A2

A3

A4A5

A6

A7A8A10

A11

0 500 1000 50 100 150

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

0 800 1600200 700 1200

200 600 1000

300 500 700

Dep

th (

m +

NA

P)

500 1500 2500

500 1000

0 500 1000

500 1000 1500

A11 A 10 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A 2 A 1

1989

1996

2002

Ec (µS /cm )

2

33

1

2

2

2

1

2

3

3

3

3

3

33

1

2

1

2

2

2

1

2

22

28

In realiteit: Positie in GSS, Landgebruiksschaal, en geochemische grenzen

0 500 1000 50 100 150

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

0 800 1600200 700 1200

200 600 1000

300 500 700

Dep

th (

m +

NA

P)

500 1500 2500

500 1000

0 500 1000

500 1000 1500

A11 A 10 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A 2 A 1

1989

1996

2002

Ec (µS /cm )

2

33

1

2

2

2

1

2

3

3

3

3

3

33

1

2

1

2

2

2

1

2

22

29

Ook drie typen veranderingen (ook in observaties!)

Area with recharge decrease

T= t0 - delta tT= t0

Moving redox boundary

Moving pollution front

Moving streamtube boundary

32

1

Veranderingen zijn ook afhankelijk van de positie in het GSS

30

Conclusies I• Grondwaterstroming kan in 3 dimensies worden

gekarteerd, en maakt het zodoende mogelijk beide waterkwaliteitsvragen te beantwoorden.

• De onzekerheid van deze kaarten (GSS; impliciet stroombanen onzekerheid) kan worden gekwantificeerd en gekarteerd.

• Geobserveerde grondwaterkwaliteitspatronen kunnen direct vanuit de kaarten verklaard worden.

• Met de huidige state of the art kunnen ‘grote’ gebieden worden gekarteerd, (rekening houdend met complexiteit voor schaal en karakteristieke responstijd i.g.v. steady-state aanname)

31

Conclusies II

• Grondwaterstroming is het best te beschrijven adhv de kleine grondwaterstromingssystemen die door hun duidelijke 3D karakteristiek beter op horizontale kaarten gepresenteert kunnen worden

• Samen met heterogeniteit bepaalt onzekerheid / variabiliteit van stromingsrichting de magnitude van diffusie en dispersieprocessen

• De grondwaterstromingssysteemgrenzen vormen een soort “natuurlijke isolatie” van verontreinigingen

m.vissers@geo.uu.nl

32

?