RSWS
172
/
,
RAPPORT 13 11-PA
OPSPORING KWELPLAATSEN LANGS DE WAAL TUSSEN TUIL EN GORKUM, MET NAARMTEBEELDEN.
ir. H.W.
Brunsveld van Hulten
Fysische Afdeling
blz. -
Inhoud 1. Inleiding
1
2. Probleemstelling en uitvoering
3
'3. Vergelijking tussen warmtebeeld,en en grondwaarnemingen
4
4 . Warmtebeelden en dagelijkse temperatuur-
5
5. Conclusies
8
TABEL
I
Figuren
vanaf
9
1. I n l e i d i n-_ g
Het Centrum Onderzoek Waterkeringen (COW) van de directie Waterhuishoudhg en Waterbeweging zoekt in verband met zijn aandeel in de taak voor dijkverbeteringen langs de grote rivieren, naar middelen om op relatief eenvoudige en snelle wijze een overzicht te verkrijgen van kwelplaatsen. Daarvoor kwam ook in aanmerking de thermografie, W.O. waarneming van oppervlaktetemperatuurverdelingen vanuit een vliegtuig wordt verstaan. De thermografie valt met enige andere meettechnieken samen te vatten onder de term moderne luchtwaarneming, voor welker toepassing Rijkswaterstaat onderzoek verricht. Dit onderzoek vindt bij verschillende diensten in de Rijkswaterstaat plaats. Aan de Meetkundige Dienst is de coördinatie van de activiteiten opgedragen. De coördinatie van het onderzoek voor toepassing van moderne luchtwaarnemingstechnieken (Engels: remote sensing, Duits: Fernerkundung, Frans: télédétection) is opgedragen aan de Contactgroep Remote Sensing Waterstaat (RSWC), terwijl de uitvoering daarvan in hoofdzaak berust bij de Fysische Afdeling van de directie Waterhuishouding en Waterbeweging. Het onderzoek vindt plaats in samenwerking met het Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium (NLR) voor d e vluchtuitvoering e n het Physisch Laboratorium-TNO voor instrumentele ondersteuning en interpretatie. In de loop van het onderzoek is tevens ondersteuning verkregen van de Afd(:l.ing Speurwerk van de Nederlandse Heidemaatschappij, speciaal met betrekking tot de microklimatologische aspecten. Voor de beantwoording van de vraag aan het COW over toepassing van thermografie voor het inventariseren van kwel langs een rivier, werd een projectgroep ingesteld, waarin bovengenoemde instellingen zijn vertegenwoordigd. Voor de thermografie wordt gebruik gemaakt van een instrument, dat de warmtestraling in het verre infrarood systematisch over het terrein meet en vastlegt, meestal op een film. Daardoor ontstaat een beeld van dat terrein. De temperatuurverdeling aan het oppervlak wordt mede bepaald door het hydrologisch regiem in de onderliggende lagen. Voor de interpretatie van de warmtebeelden is kennis van de geologische opbouw van de oppervlaictelagen, alsmede kennis over de invloed van factoren als vegetatie, bodemruwheid en microklimatologie vereist. De vraagstelling bij deze toepassing van thermografie is in twee afzonderlijke delen te splitsen, n.1. het waarnemen van &plaatsen en het waarnemen van met klei bedekte zandbanen. In het eerste geval welt het grondwater vrijelijk door een g a t i n de bodem naar het oppervlak. Indien het grondwater belangrijk warmei
is dan het grondoppervlak (enige graden of meer), dan komt de thermografie nee1 op het waarnemen van warme “bronnen”. Hiervoor is een hoog optisch scheidend
-2-
vermogen nodig en Laat een lager thermisch scheidend vermogen toe. In het tweede geval dringt het grondwater door de oppervlaktelagen heen en bestrijkt grotere gebieden. Door gebruik te maken van het verschil in thermische eigenschappen van de bodem met zandbaan en daarnaast, kunnen relatief geringe temperatuurverscliilZen dergelijke plekken aantonen. 'Daarvoor is een hoog thermisch scheidend vermogen vereist, bij een geringer optisch scheidend vermogen. Opgemerkt wordt dat nooit aan beide eisen op dezelfde wijze kan worden voldaan. Door gebruik te maken van magneetbandregistratie van het signaal' is het mogelijk het volle bereik van het thermisch scheidend vermogen van het apparaat te benutten, waardoor tegelijkertijd aan beide eisen redelijk is te voldoen. Omdat de apparatuur reeds bewezen had een voldoend hoog optisch en thermisch scheidend vermogen te bezitten, was gelïjktijdige waarneming van beide verschijnselen mogelijk, Binnen de projectgroep werd daarom het waarnemen van zandbanen
ais uitgangspunt gekozen voor de uitvoering van het meetprogramma. Als gevolg van het feit dat de jaarlijkse temperatuurcyclus van het diepere grondwater sterk vertraagd die van het oppervlakkige grondwater volgt, mocht worden verwacht dat er een groot temperatuurverschil zal ontstaan tussen het welwater en de oppervlaktetemperatuur. Zeker geldt dit voor de late winterperiode, waarin de grondtemperaturen het minimum bereiken.
In overleg met het COW werd langs de Waal
het traject tussen Tiel en Gorkum
gekozen, met het oog op urgentie, bestaande kennis van de situatie en gegevens over kwelplaatsen. Van interesse was een ongeveer 300 m brede strook achter de dijk, aan weerszijden van de rivier. Voor een meer gedetailleerde studie van de kwelplaatsen werd binnen het genoemde traject een beperkt gebied gekozen, n.1. de rechteroever tussen Tiden Gorkum. Het COW
heeft daar regelmatig veldverken-
ning tijdens de hoogwaterperiode uitgevoerd. In dat laatste traject werd, na
I
veldverkenning, een perceel in het Hoogland gekozen, waar een langdurige meting van temperaturen, tijdens de wintqrperiode met een grondstation ,werd uitgevoerd. Bij de voorlopende grondverkenning door de Heidemij, kwam vast te staan dat daar een stelsel verzande kreekarmen lag in een open terrein. Temperatuurmetinge.n op d e zaiidbaan en op een referentieplaats waren voor het sturen van het experiment
en bij de
interpretatie een belangrijke steun. Reeds vóór de winter werd het grondstation geplaatst en tot het voorjaar is het in werking gebleven. Het project werd in 1974 aangebonden, maar eerst volledig uitgevoerd in de winter van 1976/77. In de twee voorgaande jaren zijn geen belangrijke hoogwaterafvoeren opgetredan. In de winter van 1976/77 trad een extreem hoge afvoer op, met drie opvolgende toppen,waarmede het uitstel gerechtvaardigd werd.
I
-3i I ~
In dit rapport zal alleen de vraag ten aanzien van het waarnemen van de welplaatsen worden behandeld. Een uitvoeriger analyse van het verzamelde materiaal
~
1
naar de waarneembaarheid van bedekte zandbanen zal tezijnertijd in een meer Wetenschappelijk rapport worden opgenomen. Dank is verschuldigd aan het COW, dat de interpretatie van de warmtebeelden verrichtte. 2. Probleemstelling en uitvoering
De probleemstelling die in dit rapport zal worden behandeld, werd als volgt geformuleerd: Is het mogelijk om met thermografie kwelplaatsen over een groot traject langs
een rivier snel en op relatief eenvoudige wijze te localiseren en welke conclusies kunnen getrokken worden uit een vergelijk met waarnemingen in het veld verricht? i I
Als kwelplaats werd daarbij aangeduid een plek waar het grondwater, onder invloed van een hoge rivierwaterstand, aan het oppervlak treedt. Voor waarneming met thermografie moest aan de volgende voorwaarden worden voldaan.
~
~
~
I
{ I
lI
1)
een voldoende groot temperatuurverschil tussen welwater en opporvlaktetemperatuur van de omliggende gronden.
2)
een voldoende open zicht van boven af, dus geen bladerbedekking; dit betekent waarnemen i n de winterperiode.
3)
het optreden van een hoge rivierwaterstand, dus veelal in de winter en het vroege voorjaar.
Het gebied waar overheen gevlogen zou worden, werd gekozen aan de Waal tussen Tiel en Gorkum (zie fig. I ) . Voor een algemeen overzicht werd over dit gebied evenwijdig aan de dijk gevlogen, waarbij een brede strook van meer dat 300 m werd afgetast. Voor regelmatige veldverkenning langs de rechter oever van het gehele gebied zorgde de Heidemij,. Regelmatige grondwaarnemingen met temperatuurmetingen langs de rechteroever, tussen Tiel en Gorkum (zie fig. 2) werden verzorgd door het COW. Daarbij werden de watertemperaturen in de kwclplaatsen, voor zover deze met grondwaarnemingen konden worden gelocaliseerd, gemeten. In het traject tussen Tiel en Gorkum werden een drietql plaatsen aangewczen (zie fig. 2) waar in meer detail warmtebeelden werden opgenomen,+door op q,eR lagere hoogte (500 ft) te vliegen dan bij het algemeen overzicht (IOOOft) en de vluchtlijnen loodrecht op de dijk te kiezen. In && van deze gebieden, n.1. het Hoogland, werd een grondstation ingericht, waar o.a. grondtemperaturen gedurende de winterperiode werden geregistreerd. Dit was noodzakelijk om de warmtebeelden te
-li-
kunnen interpreteren en om de vluchten bij de grootste temperatuurverschillen te laten uitvoeren. Bij het begin van de experimenten konden de juiste tijdstippen nog niet worden voorspeld. In tabel I zijn de data en tijden opgenomen, waarop de vluchten werden uitgevoerd.
Bij de vluchtuitvoering werd de aandacht gericht op verschillen die in de oppervlaktetemperatuur zouden optreden en die maximaal 1 tot 2 graden bedragen. Het grotere verschil (5 6 7 graden) tussen grondwater- en oppervlakteteinperatuur is meetbaar bij een voldoend optisch scheidend vermogen. Doordat de riagbewegingen van de oppervlaktetemperatuur op diverse plaatsen met
l.
verschillende bodemeigenschappen niet geheel gelijk lopen, ontstaan er kleine temperatuurverschillen over een relatief korte periode van de dag.Het vinden van de juiste momenten van de dag waarop deze optreden, vergde een aantal vluchten, ook al worden de verschiltemperaturen continue gemeten. Het bijsturen van het experiment door de grondmetingen gaf wat problemen, omdat de te meten stralhgstemperatuur niet direct aan het fysisch oppervlak kon worden gerelateerd. M.a.w. de stralingstemperatuur wordt gemeten aan een theoretisch grondvlak, waarin de microklimatologie een belangrijke rol speelt. Dit aspect wordt bestudeerd in het achtergrondsonderzoek.
3. Vergelijk tussen warmtebeelden en grondwaarnemingen Uit de warmtebeelden (zowel overzicht als detail) van de locaties Tuil, Hellouw, Herwijnen, Het Hoogland en Dalem (zie fig. 2), werden de kwelplaatsen in kaart gebracht. De temperatuur van het welwater was tussen 5 en 7 graden hoger dan de oppervlaktetemperatuur van de grond. Op dezelfde kaart werden de plaatsen die met de grondverkenning waren gelocaliseerd, aangegeven (zie respectievelijk figuren 3 t/m 7 ) . In tabel I1 zijn de gegevens verzameld.
TABEL I1
Aantal kwelplaatsen uit warmtebeelden en grondverkenningen. Warmtebeeld
Grondverkenning
* Hellouw
9
5 14
Herwijnen
4
-
14
6
4
1
40
26
Locaties Tuil
9
**
Het Hoogland Dalem L
Samenvallend
8
-5Uit deze tabel bli.jkt, dat er een verschil zit in het aantal. kwelplaatsen op de diverse locaties, die soms bij de grondwaarneming hoger is dan bij de
I'
warm.tcbeelden of omgekeerd. Gaan we na wat voor soort bedekking het betreft, dan zijn de verschillen redelijk verklaarbaar. Bij Hellouw betreft het b.v. veel boomgaard en opstallen, hetgeen voor de thermografie obstakels vormen. Men kijkt niet altijd loodrecht van boven in. Daarentegen geeft het Hoogland
een beter resultaat te zien voor de warmtebeelden, omdat het daar hoofdzalcelijk bouwgrond en weiland betreft, dus open gebieden. Bij T u i l , waar het een mengvorm met open stukken betreft, geeft de grondverkenning weer minder kwelplaatsen aan. Opmerkelijk is echter dat het in dit geval allemaal kwelplaatsen betreft, die op beider wijze apart zijn waargenomen. Dit is ook het geval in Herwijnen en Dalem, terwijl daar niet eens detailopnamen met warmtebeelden zijn gemaakt. ( zie fig. 2). De verhouding van het aantal kwelplaatsen, bepaald met thermografie tot die uit grondverkenningen, is als 3 : 2. Indien we ons alleen tot de niet-gemeenschappelijke kwelplaatsen beperken zelfs als 2 : 1 . Dit betekent dat de thermografie meer kwelplekken localiseert dan men via de terreinverkenning kan vastleggen. Opgemerkt wordt dat voor deze doeleinden het niet nodig is veelvuldig te vliegen, doch dat met met enkele vluchten op de juiste momenten kan volstaan. Het succes van de warmtebeelden kan nog groter zijn, indien het terrein minder "obstakels" bevat, zoals bebouwing en hoge groenbedekking. Verder zijn 'temperatuurverschillentussen grondwater en oppervlaktetemperatuur en de mate van kwel mede bepalend. Indien de velden en bossen bedekt- zijn met sneeuw,in de vroege ochtenduren of ook wel wanneer het vriest, kan men met thermografie succesvol werken. 4..Warnitebeelden en dagelijkse temperatuurgang Tijdens de meetperiode begin 1977, trad een extreem hoogwater op. In fig. 8 is de registratie te Herwijnen gegeven. De afvoertoppen nemen in hoogte steeds toe. Tevens zijn in de figuur de resulterende stijgingen in het grondwater achter de dijk bij Het Hoogland gegeven. De potentiaal-buizen geven het verloop dwars op de dijk weer. De dagelijkse temperatuurgang in Het Hoogland werd continu gemeten. Uit deze metingen werd de dagelijkse gang bepaald van het oppervlaktetemperatuurverschil tussen de grond boven de zandbaan en een referentiepunt (zie fig. 9). Tengevolge van de instraling zien we het grondoppervlak boven de zandbaan sneller opwarmen dan in het referentiegebied. Het vertoont een normaal gedrag over de loop van de dag, n.1. dat het sneller opwarmt, maar ook weer snel zijn warmte afgeeft, als de instraling ophoudt.
-6-
Op 3 cm boven het grondoppervlak heeft echter een omkering van het temperatuurverschil p l a a t s . De temperatuur neemt boven de zandbaan eerst snel toe, maar vlak voor het middaguur stijgt de temperatuur boven het referentiegebied plotseling sneller, waardoor omlcering van het temperat,uurver-. schil optreedt. De stralingstemperatuur ontstaat ergens tussen deze twee vlakken en wordt door beide processen bepaald. Gebleken is uit een voorlopige analyse van de grondmetingen, dat deze omkering een belangrijke rol speelt bij de stralingstemperatuur, die juist bij de thermografie wordt gemeten. Dit verkl.aart, waarom er een relatief groot aantal vluchten moest worden uitgevoerd. De momenten dat er een maximaal en meetbaar temperatuurverschil bestaat; zijn slechts zeer kort. Met deze achtergrond nu, kunnen we de beelden i,n fig. 10 beter begrijpen.
T.O.V. de dagcyclus zijn i n fig. 9 de momenten van vliegen aangegeven. Uit de temperatuurverschillen op 3 cm boven het grondoppervlak blijkt, dat op die momenten weinig verschil bestond tussen de zanbaan en het referentiepunt. In het perceel met greppels achter de dijk, in het midden van het beeld, zijn wel duidelijk de kwelplekken te herkennen (zie ook fig. 6). Op het beeld van 1 maart (vlucht 1122) zijn de kwelplaatsen in de sl.oten duidelijk zichtbaar als warme bronnen (wit). De instelling van het opnameinstrument is voor de twee beelden verschill.end. De watertemperatuur in de Waal is nagenoeg gelijk, maar komen op het beeld door de verschillende instellingen anders uit. Verder zijn er in het beeld "veged' te onderkennen, die ecn gevolg zijn van de invloed van de atmosferische grenslaag op het theoretische vlak, waarop de stralingstemperatuur tot stand komt. Interpretatie van warmtebeelden voor het waarnemen van kleine temperatuurverschillen aan het J
grondoppervlak, als gevolg van o.a. verschil in bodemeigenschap, gelaagdheid en hydrologisch regiem, is daarom bijzonder ingewikkeld.
5. Conclusies Het inventariseren van kwelplekken langs een rivier met behulp van thermografie is heel goed mogelijk, maar niet altijd volledig. De mate van succes is afhankelijk van het soort vegetatie en landgebruik (boomgaard, opstallen e.d.), maar in vergelijkbare gevallen als hier langs de Waal, kan het reeds een goede basis vormen voor gericht vel.dverkenn~.ngswerb.Bij het uitvoeren van vluchten moet wel terdege de goede periode in het jaar worden gekozen, !
omdat verschillende fictoren een invloed hebben op het resultaat. Voorkeur verdient het om ' s winters of in de vroege lente te vliegen. Indien mogelijk kan voordeel worden getrokken uit sneenwbedekki.ng en vorst.
-7-
De kosten voor het verkrijgen van warmtebeelden ligt ongeveer op f 4.000,per vlieguur (gemiddelde kosten 1977, exclusief 18 % BïW), bij een vliegsnel.heid van 6 5 m I s . Interpretatie van een traject van ongeveer 15 km duurt 2 manweken. Verificatie in het veld is daarbij niet inbegrepen. Het waarnemen van zandbanen die door dunne kleilagen bedekt zijn, is nog niet succesvol onder alle omstandigheden, omdat het mechanisme van de temperatuurcyclus nog niet goed bekend is. Verwacht wordt dat, na het ui-twerken van de metingen meer hierover bekend zal zi-jn.Meer mogelijkhcden worden voor deze toepassing verwacht in de komende tijd.
,'TABEL I
U i t v o e r i n g van v l u c h t e n v o o r warmtebeelden
1977
.
vlucht-
datum
ti j d
nummer
windrichtin,
windsnelheid í k t s )
I
1113
31-1
11.47-13.53
150
10
1114
1-2
10.41-12.23
170
7-8
1115
1-2
14.37-16.12
160- 180
1116
3-2
11.37-13.37
160
1117
16-2
14.02-15.41
1118
17-2
1119
luchi emncrai Schil nacht min. hol. - __
LIr(OC:
dag
max. I_.
2
- 5
2.8
2-0
-3.9
2.9,
11-10
2
-3.9
2.9
21-20
0-2
-
2
4.5
110-190
5-4
5-6
3.3
6.5
13.39-15.18
150-140
14-12
5-4
1.4
7.3
22-2
13.17-15.08
200
16
9
4.5
11.6
1120
20-2
13.52-15.35
250-280
7
4-5
-4.3
5.8
1121
1-3
06.52-08.36
170-160
5-8
O
-0.5'
5.1
1122
1-3
10.20-12.00
160-1 50
8-12
2-4
-0.5
5.1
1125
17-3
10.09-11.38
210-230
14-15
11
1126
17-3
13.26-15.32
230-210
15-14
12-14
-
-
,
.
.._I
,,
-
_.
e!I.d
me:t ve!I
a
,
...
,.
irnemi.ng.
.
HELLOUW. lokatle
schaal-1
2
-
I I J
4000
i
G
,
..-
Fig. 4 Locatie Hellouw. Vergelijk warmtebeeld n e t veldwaarneming.
HERWIJNEN lokatie
schaal-
,,
.
.,
,,
.
,
.
,
. .. ,
,
..
3
1 4000
._ .. . ..
,
5
..
t i e Hezwj.jnen. Vergelijk ramtebeeld m e t v e l.daaarnenÜng.
I
= H E T HOOGLANDlokatie 4
G
schaal-1
4000
'
B
.,
.
Fig. 6 Locatie Het Hoogland. Vergelijk wamtebeeld m e t veldwaarneming.
, .,
. ..,. .
-......,
. ,..... .
-
Fig. 7 Locatie Dalem. Vergelijk wamtebeeld met veldwaarneming.
a Q
z
E
/
\
,potentiaalbuis
januari
februari
Fig. '8
Peilstand Waal tijdens meetperiode, gemeten b i j Hezwijnen
maart
GRONDOPPERVLAK
3 om BOVEN GRONDOPPERVLAK 2
2
Q\ c c
c
1
1
......... ... i" .. % '.
O
6
.i;
1.2
.......................
........................ i, 19
U
..............
.....
O
.
.................... ..... '
'i, . . .% .'
).I
-1
-1
-2
+
rl
r4 P
-2
PERIODE 21 t / m 23 f e b r u a r i 1977
PERIODE: 28 febr. t / m 2 maart 1977
Fig. 9 Gemiddelde dagelijkse gang van de verschiltemperatuur tussen de plek op de aandbaan en een referentiepunt i n Hef Hoogland. P o s i t i e f v e r s c h i l duidt op een warme aandbaan.
L
I
v l . 1119,
22/2/77,
13.17
- 15.08
uur.
land warmer dan water.
I'
KWEL OP ZANDBAAN
vl. 1122,
1/5/77,
10.20
-
12.00 uur.
\
\
,MEETCABINE
land kouder dan water.
F i g . 10
Warmtebeel.den van de l o c a t i e Het Hoogland, waar gsdurende de winterperiode continuinetingen n i j n v e r r i c h t voor do d a g e l i j k se temperatuurgang van h e t v e r m b l l t u s s e n een zandbaan en h e t kleigebied.
