a t e r d r u k Oplossingen voor mondiale waterproblemen Met de modernste technieken watertekorten en vervuiling te lijf

W a t e r d r

u

k

5

Oplossingen voor mondiale waterproblemen Met de modernste technieken watertekorten en vervuiling te lijf

Colofon Oplossingen voor mondiale waterproblemen is een uitgave van de Vereniging van waterbedrijven in Nederland (Vewin), Rijswijk en Fugro Ingenieursbureau Leidschendam.

Teksten

Theo Schmitz (Vewin), Job Nijman (Fugro)

Eindredactie

Philip Reedijk, Maas Communicatie, Rotterdam

Vormgeving

Martin Hoogmoed, Maas Communicatie, Rotterdam

Fotografie

iStock, Fugro, Vewin, Munday et al.

Eerder verschenen publicaties in de Waterdruk-reeks zijn: Waterdruk 1 – Infrastructuur drinkwatervoorziening Waterdruk 2 – Beveiliging en crisispreparatie in de drinkwaterbedrijven Waterdruk 3 – De kosten van drinkwater Waterdruk 4 – De kwaliteit van drinkwater en drinkwaterbronnen

Uitgave september 2010

Oplossingen voor mondiale waterproblemen Met de modernste technieken watertekorten en vervuiling te lijf

Oplossingen voor mondiale waterproblemen

Inhoud Voorwoord

3

Schoon water is schaars

4

De grote waterkringloop

4

Mondiale problemen: bevolkingsgroei

6

Metacities

7

Landbouw gebruikt meeste water

7

2050 schreeuwt om oplossingen

8

Leven vraagt water

9

Zoeken naar duurzame oplossingen

9

Integraal waterbeheer

10

Waterschaarste door schaarste aan kennis

10

Investeer in kennis van de bodem

11

Het antwoord bestaat al

11

Vanuit de lucht

12

Meten is weten

13

MotionMaps

14

Ondergrondse watervoorraden in beeld via airborne geofysica

16

Internationale kennisdeling

16

Bijdrage aan blauw-groene evolutie

17

Voorbeeldprojecten

2

Karteringsproject van het zoutgehalte van een rivierstelsel

18

Analyse van bodemdaling door grondwateronttrekking op basis van satellietdata

20

Karteren van waterhoudende breukstelsels met EM-metingen vanuit een helikopter

21

In kaart brengen van verontreinigingstrajectenen breukstelsels bij verlaten mijnen

24

Airborne elektromagnetisch (AEM) onderzoek naar grondwater en zoutwaterintrusie

27

Met de modernste technieken watertekorten en vervuiling te lijf

Voorwoord Rijswijk, september 2010 Water is een voorwaarde voor leven. Elk leven, overal ter wereld. Maar veel levensvormen worden bedreigd. Waar vroeger voldoende water was, is er nu minder. Of juist te veel. En waar vroeger geen water was, wonen inmiddels miljoenen mensen en is veel water nodig. Het evenwicht is zoek. Het klimaat verandert, de natuur herschikt zich en stelt ons voor nieuwe uitdagingen. Eén daarvan is een nieuwe manier van leven met water. Daarbij gaat het om denken in méér dimensies; in combinaties van groen en blauw. Niet alleen in strijd met het wassende water, maar ook om het verlangen naar schoon water voor elke wereldburger. Vaak gaat dit hand in hand. Veel megacities zijn gebouwd op plaatsen die eigenlijk niet geschikt zijn om die enorme aantallen inwoners te herbergen: in delta’s. Ze hebben een tekort aan schoon drinkwater en lopen grote risico’s op overstromingen. De nieuwe strijd om het water is mondiaal, maar de oplossingen zijn lokaal. De Nederlandse waterbedrijven, verenigd in Vewin, beschikken over de ervaring, de kennis en de technologie om overal ter wereld te helpen. Fugro geeft het vinden van en het werken met water een nieuwe impuls. Tot in de meest afgelegen gebieden vanuit de lucht zoeken naar ondergronds water, naar opslagmogelijkheden of naar vervuilingsbronnen. Knowhow over schoon drinkwater voor miljoenen, in combinatie met kennis van de aardkorst en technische expertise voor het in kaart brengen van de ondergrond. Met als doel: leven in veiligheid en gezondheid voor iedereen.

Theo Schmitz

Job Nijman

Vewin

Fugro Water Services 3


Schoon water is schaars Water, energie, voedsel: drie zaken die in nauwe samenhang het succes van (menselijk) leven bepalen. Water als absolute voorwaarde voor

leven.

Schoon

water

betekent gezondheid. Slechts in enkele landen komt 24 uur per dag, 7 dagen in de week betrouwbaar en lekker drinkwater uit de kraan. Voor de meeste mensen op deze aarde is dat niet vanzelfsprekend. Van alle water op aarde is 97,5% zout. Van de resterende 2,5% is bijna driekwart bevroren of anderszins niet (of moeilijk) winbaar. Van het bruikbare zoete water heeft de landbouw zo’n 70% nodig. Zoet water is dus zeer schaars. Een groot deel van het beschikbare zoete water op de wereld is verontreinigd. En de waterkwaliteit wordt steeds slechter. Van vele kanten wordt het doel van Vewin – schoon water voor iedereen – bedreigd.

De grote waterkringloop We kijken allereerst naar wat we noemen de ‘grote watercyclus’. Dat is de grote, hydrologische kringloop waar al het leven op aarde op is gebaseerd. Verdamping van oceaanwater, wolkenvorming, neerslag (en verdamping) boven de continenten en het terugstromen van die neerslag via rivieren en de ondergrond naar zee. Dit hydrosysteem heeft het leven op aarde mogelijk gemaakt. Overal ter wereld, in bergen, in rivierdalen en delta’s geldt: zonder water geen leven.

4


Neerslag boven land 119.000 km3 Totale zoetwaterstroom naar zee 3 42.600 km Verdamping boven land 74.200 km3

Neerslag van zoutwater 3 502.800 km

Grondwaterstroom 2.200 km3 eem yst ers t wa

u ti e tri b

d is

at

er

erzuivering alwat afv

D r i n k w a te r b e d r i j ve n geven samen met gemeenten en waterschappen vorm aan de waterketen. De drinkwaterbedrijven leveren drinkwater aan huishoudens en bedrijven, gemeenten verzorgen de inzameling van het afvalwater via de riolering en de waterschappen zorgen voor de (eind)zuivering in publieke rioolwaterzuiveringsinstallaties (rwzi’s). Vóór lozing op de riolering zuiveren veel bedrijven hun afvalwater vóór in particuliere afvalwaterzuiveringsinstallaties (awzi’s). Na zuivering in de rwzi wordt het schone water geloosd op het oppervlaktewater en komt het terug in het watersysteem. De waterschappen beheren het watersysteem en nemen maatregelen ten behoeve van een optimale waterkwaliteit. Drinkwaterbedrijven sluiten de waterketen doordat zij op hun beurt uit het watersysteem water onttrekken als bron voor de drinkwaterbereiding.

ring ive zu er at

Neerslag boven zee 458.000 km3

dri nk w

k

w

dr

rio le

in

ri n g

De grote cyclus wordt beïnvloed door vele kleine ketens. Meestal ziet die kleine keten er zo uit: er wordt uit oppervlakte- of grondwater zoet water ingenomen, waarvan drinkwater wordt gemaakt. Na gebruik door burgers, boeren en bedrijven komt dat afvalwater in het riool terecht, waarna het wordt gezuiverd en weer in het oppervlaktewater komt. Daarna kunnen we het weer opnieuw gebruiken, bijvoorbeeld als irrigatie- en industriewater.

5


Mondiale problemen: bevolkingsgroei Veel megacities zijn gebouwd op plaatsen die niet geschikt zijn om tientallen miljoenen inwoners te herbergen. Door hun ligging in een delta hebben ze een tekort aan schoon drinkwater en lopen ze grote risico’s op overstromingen. De nieuwe strijd om het water is mondiaal en de problemen zijn overal gelijk. Landen die hun groeiende aantallen inwoners moeten beschermen tegen onrustige rivieren met steeds meer overstromingen, en tegelijkertijd moeten voldoen aan de groeiende vraag naar schoon water. Landbouwgebieden komen steeds verder van de steden af te liggen. Het oprukken van zout water in rivieren, vervuilde bronnen of verontreinigingen in het oppervlaktewater waaruit drinkwater wordt ingenomen. Of een hooggelegen stad, op een bergplateau waar onvoldoende neerslag valt voor de groeiende vraag naar water, terwijl de rivieren steeds minder water aanvoeren door het terugtrekken van de gletsjers. Groei wereldbevolking in de tijd (Miljard )

Groei wereldbevolking in de tijd

12

10

8

6

4

2

00 22

0

0

00 20

18 0

0 14 0

16 0

0

0 12 0

10 0

0

0

0 80

60

40

0

0 20

hr . v. C 0

40

20

0v .C

hr .

0

166 223 171

172 349 445 382 508 493

80

840 552 558 1362 1422

53 55

206 310 51

196 252

232 372 432 1437 1984 290 795 936

171 826 1688

113 398 517

13

x 1.000.000

Groei wereldbevolking 1950 / 2010 / 2050 6

35

49


Kustbevolking en kustlijn-aantasting Verband tussen bevolkingsconcentraties langs de kust en veranderingen in kustlijnen.

64

110 287 401

155 138

217 376 419 18

150 361 74

13 21

617 1039

107 223 15

138 210

154 295 67

422 1090 64

48

19

333 473

341 1011

8

x 1.000.000

427 701

25

37

Groei stedelijke bevolking 1950 / 2010 / 2050

Metacities Mensen wonen meer en meer in steden: meer dan 50% van de 7 miljard mensen op aarde. In steden aan kusten: 70% van de mensen woont minder dan 50 km van de kust. En die steden in de wereld groeien in razende tempo’s: elke week tussen 2010 en 2050 groeit de stedelijke bevolking met een ‘virtuele’ stad van 750.000 inwoners. Waar te veel water wordt onttrokken, zakt de bodem. De stijgende zeespiegel en de dalende bodem geven enorme problemen in de delta’s.

Landbouw gebruikt meeste water Los van drinkwater voor de stadsbewoners is er in de delta’s ook grote behoefte aan water voor veeteelt en landbouw. De stedelijke gebieden dijen uit, vaak zonder rekening te houden met de gevolgen daarvan voor de landbouw en het benodigde water. De geïrrigeerde landbouw is wereldwijd met 70% van het totale zoetwatergebruik de grootste afnemer. En die vraag neemt nog steeds toe. 7


Groei waterconsumptie 2500 2000 Water consumption, km3

Forecast

Assessment

1500 1000 500 0 1900

1925

Agricultural Use

1950 Industrial Use

1975

2000

Municipal Use

2025 Reservoirs

In het belang van de landbouw moeten we snel actie ondernemen. Bijvoorbeeld door beter te weten waar water in de grond zit, waar we het ondergronds kunnen opslaan en hoe we het kunnen hergebruiken. Daarvoor is kennis van de bodem nodig. Er wordt op nationaal en mondiaal politiek niveau nog te weinig serieus geïnvesteerd in kennis over water en de gevolgen van uitputting van waterbronnen. Duurzaam watergebruik heeft nog geen prioriteit; in veel gebieden is water zelfs gratis.

2050 schreeuwt om oplossingen Naar verwachting telt de aarde rond 2050 zo’n 9 miljard inwoners, van wie dan 70% in (groot)stedelijke gebieden leeft. Tegelijkertijd hebben we te maken met

Waterstress

Gebieden met grotere vraag naar water dan aanbod. 8


de mondiale klimaatverandering met extreme weersomstandigheden, afwisseling van droogtes en overstromingen, bodemdaling en zeespiegelstijging. De druk op ruimte en natuurlijke hulpbronnen neemt steeds verder toe. Er ontstaat waterstress.

Leven vraagt water Water is een primaire levensbehoefte voor alle mensen. De globale situatie rondom drinkwater wordt met de dag nijpender. Om voldoende drinkwater te kunnen maken wordt naast rivierwater ook grondwater in grote hoeveelheden opgepompt. De bevolkingsdruk overschrijdt op veel plaatsen het evenwichtspunt: er wordt meer water aan de bodem onttrokken dan regen of ondergrondse stromingen kunnen aanvullen. Met desastreuze gevolgen: zoals bodeminklinking en zoutintrusie. In sommige gebieden waar het grondwater al grotendeels zout is, wordt drinkwater uit zeewater gemaakt, maar dat is een bijzonder kostbaar en energieverslindend proces. Er wordt op nogal primitieve wijze gezocht naar ‘nieuw’ water. Dit kost veel inspanning en levert te weinig op. Zonder extra inspanningen groeit dit probleem ons de komende jaren volledig boven het hoofd.

Zoeken naar duurzame oplossingen Door de mondiale demografische, economische en klimatologische ontwikkelingen, zijn ook de problemen die lokale en nationale overheden tegenkomen

Rainwater harvesting Conservation/Demand man More types of water Reuse Storage Desalination End inertia New knowledge for consistent solutions

(after Reiter, IWA)

HOLISTIC ANSWER per situ

9


hetzelfde. Hoe krijg ik het drinkwater voor mijn burgers schoon? Hoe zorg ik ervoor dat ik voldoende water heb voor de landbouw, de stad en de industrie? Hoe vervoer ik het water van plekken waar een overschot is naar plaatsen met een tekort? Hoe leg ik buffers aan voor drinkwater of noodbergingen voor overtollige neerslag? En, belangrijkste van alle vragen, hoe doe ik dat duurzaam en verantwoord, in het licht van de klimaatveranderingen en de rol die water daarbij speelt?

Integraal waterbeheer Waterbeheerders moeten rekening houden met de belangen van mensen, natuur, milieu, landbouw en ruimtelijke ordening. Omdat we allemaal onderdeel zijn van de grote (water)kringloop, kent waterproblematiek zeer veel facetten. Integraal waterbeheer vraagt om lokale, nationale en internationale afstemming en samenwerking. In VN-verband speelt de World Health Organization een belangrijke rol. Want schoon water gaat over gezondheid en – via de landbouw – over voedsel. Als mensen gezond zijn, leiden ze een prettiger leven, leren en werken ze beter, presteren ze meer. Maar het gaat vaak ook over de watertechnologie rondom veiligheid: bescherming tegen hoogwaters, tsunami’s of overstromingen.

Waterschaarste door schaarste aan kennis Beslissers overal ter wereld hebben te weinig kennis van processen in de bodem en de diepere ondergrond. Of van de effecten op die bodem van het oppompen of juist infiltreren van water. Ook het gebrek aan kennis over de gevolgen van andere activiteiten in de bodem, zoals ondergrondse bouw activiteiten, en het gebrek aan gegevens over de feitelijke situatie eisen hun tol. Hierdoor ontstaat vaak onherstelbare schade aan leefomgevingen, zoals bodemverzakking in Mexico City of Jakarta. Het is dan ook noodzakelijk dat de waterwetgeving in kwetsbare gebieden wordt aangepast aan de omstandigheden en dat waterbeheerders en drinkwaterbedrijven verplicht worden om langetermijnplannen te ontwikkelen en uit te voeren. Daarvoor moeten zij 10


zoveel mogelijk weten van water in de ondergrond: waar zit het, hoe stroomt het en waar kunnen we het opslaan?

Investeer in kennis van de bodem Zonder forse extra inspanningen dreigt de kloof tussen deze problematiek en de nu bekende oplossingen alleen maar groter te worden. Extra inspanningen voor kennis van en gegevens over de watersystemen en -kwaliteiten in de bodem en diepere ondergrond zijn nodig. Wat zijn bijvoorbeeld de mogelijkheden om zoet water ondergronds op te slaan, zoals in de duinkust vóór Amsterdam? Zo’n waterbel voorkomt tegelijkertijd zoutintrusie vanuit zee.

A B C D E

Natte vallei Winkanaal Winkanaal voor opslag/reserve Drainageleiding Infiltratiegeul

E B

Noordzee

E

E

C

E

A

E

C

Amsterdam B

D

Zoet grondwater Zout grondwater

(TU Delft)

Diepe putten

Waterreservoir in de ondergrond.

Het antwoord bestaat al Vewin en haar partners beschikken over de ervaring, de kennis en de techno logie om overal ter wereld te helpen met lokale oplossingen. Op basis van bewezen technieken, die hun meerwaarde in de olie- en gasindustrie en de mijnbouw al decennia hebben aangetoond. Of het nu gaat om bescherming tegen ongewenst water, of juist het veiligstellen van de drinkwatervoorziening. Ook in de meest afgelegen gebieden kan vanuit de lucht of de ruimte worden gezocht naar ondergronds water, naar mogelijkheden voor lang 11


Vervuild water Schoon water Mogelijke wateropslag

Met elektromagnetisch bodemonderzoek kunnen zowel kansen als bedreigingen worden opgespoord.

durige opslag of tijdelijke berging, naar vervuilingsbronnen of naar de exacte loop van een waterstelsel. Knowhow over schoon drinkwater voor miljoenen, gecombineerd met kennis van de aardkorst en technische expertise voor het in kaart brengen van de ondergrond. Met als doel: leven in veiligheid en gezondheid voor iedereen.

Vanuit de lucht Al decennia zet het gespecialiseerde ingenieursbureau Fugro wereldwijd de meest geavanceerde meet- en calculatietechnieken in voor het vinden van ondergrondse voorraden olie, gas of andere delfstoffen. Vanuit de lucht kan Fugro tot diep onder het aardoppervlak ‘kijken’. Zo kunnen bestaande maar verborgen watervoorraden worden ontdekt, en ondergrondse ruimten of lagen die geschikt zijn om water tijdelijk in op te slaan. Ook kunnen ondergrondse structuren in kaart worden gebracht, die de stroom van grondwater beïnvloeden. Grote oppervlakten scant Fugro in korte tijd tot in detail. Op die manier kan de kwaliteit en het zoutgehalte van oppervlakte- en grondwater worden bepaald. Maar ook kunnen bijvoorbeeld verontreinigingen en hun bronnen worden opgespoord. 12


Waterstanden kunnen geheel automatisch worden gemonitord, niet alleen op zee (in verband met tsunami’s), maar ook op rivieren en meren (in verband met grotere of kleinere rivierwaterafvoer).

Elektromagnetisch bodemonderzoek vanuit een vliegtuig.

Meten is weten Met haar waterdivisie benadert Fugro waterproblematiek vanuit een dubbele invalshoek. Het eerste is diepgaande kennis en begrip van de natuurlijke processen die met water te maken hebben. Niet alleen het proces van de grote waterkringloop, maar ook van het aardoppervlak, de aardkorst en uiteraard het grondwater. Eerst moet je goed begrijpen hoe al deze verschijnselen in elkaar zitten, hoe ze werken en elkaar onderling beïnvloeden, en wat de effecten zijn van (menselijke) verstoringen. Pas dan kun je rekenmodellen ontwikkelen waarmee je voor elke situatie betrouwbare adviezen kunt verstrekken over waterbeheer en watergebruik.

Het tweede uitgangspunt is ‘combineren’. Fugro heeft diverse onderzoekstechnieken ontwikkeld en ingezet voor hydrogeologisch onderzoek. Maar de onderzoeksresultaten worden pas echt interessant als ze worden gekoppeld aan de 13


modernste datamanagementsystemen voor opslag, uitwisseling en combinatie van verschillende soorten historische en nieuwe informatie.

MotionMaps Al vanaf 1993 wordt het aardoppervlak voortdurend ingemeten door radar nummer 4 2010

Met de juiste satellieten. Ingenieursbureaus & interpretatie Innovaties van de metingen kunnen de bewegingen van de bodem en van kwetsbare objecten tot op de millimeter nauwkeurig in

enradarbeelden zakking vanzijn objecten in kaart met radar kaartAchtergrondzetting worden gebracht. Deze afkomstig van Envisat, de satel-

MotionMap

liet van de Europese Ruimtevaartorganisatie ESA. De satelliet passeert ongeveer eenmaal per maand. Dit geeft een groot aantal radarreflecties van objecten op de

Het klinkt onwaarschijnlijk, maar het is echt mogelijk. Met radarbeelden vanuit een satelliet kunnen tot op de millimeter nauwkeurig achtergrondzettingen bodem (figuren en A, zakking B, C). van kwetsbare objecten in kaart worden gebracht.

A

B

C

Eerste radarbeeld

Tweede radarbeeld na zetting

Extra deel in fase is zetting

De data wordt door middel van geavanceerde verwerking van radarbeelden verkregen. Deze radarbeelden zijn afkomstig van Envisat, de satelliet van de Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA). De satelliet passeert ongeveer eenmaal per maand en dit geeft een groot aantal radarreflecties op van objecten aan en op

de bodem. Door geavanceerde technieken (zie kader Hoe wordt er precies gemeten?) zijn radargolven, van punten die keer op keer een reflectie geven, uitgewerkt naar een gemiddelde verticale verplaatsing in de tijd van dat betreffende punt. De reflecties van punten die geregeld in hoogte wijzigen, zoals opslagterreinen en

woonwijken in aanbouw, zijn uitgefilterd. MotionMap is de enige manier om verticale beweging over de afgelopen periode in een gebied of op een locatie in kaart te brengen. Deze historische gegevens kunnen vanaf 1993 tot heden worden opgevraagd.

Overzicht MotionMap van Rotterdam. Duidelijk te zien is de achtergrondzetting van de Waalhaven, die ook bij de gemeente bekend is

23

CT0410 Motion.indd 23

14

28-04-10 14:42


De

analysetechniek

wordt

Persistant

Scatterer

InSAR

(PSI)

genoemd.

Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) betekent dat radargolven, die satellieten op verschillende tijdstippen hebben uitgezonden, met elkaar worden vergeleken. Hieruit kunnen verplaatsingen van een object op het aardoppervlak worden geanalyseerd. Een persistant scatterer (PS) is een reflectiepunt dat elke keer wanneer de satelliet overvliegt, een reflectie geeft van het radarbeeld. De PSI-techniek vergelijkt verschillen in de fase (op radargolflengte-niveau) voor elk PS-reflectiepunt in de database van radarbeelden. Aan de hand daarvan wordt de individuele beweging van elk reflectiepunt afgeleid.

De geanalyseerde data wordt in MotionMaps gepresenteerd, zoals hieronder een beeld van Rotterdam.

Overzicht MotionMap van Rotterdam. Duidelijk te zien is de achtergrondzetting van de Waalhaven.

15


Ondergrondse watervoorraden in beeld via airborne geofysica Met airborne geofysica wordt driedimen

Secondary EM field generated from waterbody

Primary EM field from transmitter loop

Conductive cover rocks Saline or fresh groundwater

Bedrock

sionale gebiedsdekkende informatie van de bodem verzameld en in kaart gebracht. Vanuit een vliegtuig of helikopter wordt met behulp van elektromagnetische technieken onder andere de geleidbaarheid van de bodem onderzocht. Met deze gegevens kunnen voorspellingen worden gedaan over de locatie, de omvang en de kwaliteit (zoutgehalte en verontreiniging) van ondergrondse zoetwaterbekkens. Met airborne geofysica kunnen in korte tijd grote gebieden worden onderzocht tot diepten van enkele honderden meters. Dat is vele malen efficiënter dan met traditionele opsporingsmethoden.

Door de gebiedsdekkende informatie te koppelen aan de uitkomsten van gedetailleerd lokaal veldonderzoek, zoals boringen en peilbuizen, wordt een zeer compleet beeld van de hydrologische en bodemkundige situatie verkregen. Deze methode kan overal ter wereld snel worden ingezet, vooral in afgelegen of ontoegankelijke gebieden.

Internationale kennisdeling Op verschillende plekken in Noord- en Zuid-Amerika, Australië, Europa en Azië voert Fugro al uiteenlopende projecten uit op watergebied. Maar er zijn wereldwijd nog duizenden potentiële exploratiegebieden, waar de plaatselijke water beheerders geen kennis hebben van de nieuwste onderzoeksmethodieken. Daarin komt langzaam verandering. De Nederlandse Drinkwaterwet geeft de drinkwatersector ruimte om 1% van haar omzet te besteden aan watergerelateerde projecten in de Derde Wereld. Als vertegenwoordiger van deze sector ziet Vewin het als haar missie om de in Nederland opgebouwde expertise op het gebied van (drink)water toegankelijk te maken en ter beschikking te stellen aan de 16


internationale samenleving. Daarom is Vewin samen met Fugro Water Services een internationale voorlichtingscampagne gestart. Dankzij de nieuwe methode kunnen de drinkwaterbedrijven met hun brede kennis en bedrijven zoals Fugro elkaar versterken in deze stormachtige ontwikkeling van de drinkwater voorziening in de wereld.

Bijdrage aan blauw-groene evolutie Er wordt momenteel door veel betrokkenen gezocht naar oplossingen voor alle voorkomende problemen. Kun je brak water betaalbaarder zoet maken met nano-membranen? Kun je met geautomatiseerde monitoring van waterstanden op zeeën, meren of rivieren voorspellingen doen over risicovolle hoogwaters? Kunnen we de sterker wisselende rivierwaterafvoeren in ons voordeel gebruiken door water op te vangen en beter verdelen in de tijd? Hoe vaak kun je water hergebruiken? Hoe kunnen we nog slimmer worden? Onze sterke kant is het vinden van oplossingen die slimmer dan slim zijn. Tegelijkertijd beschikken we over bewezen technologie die op grote schaal kan worden ingezet om nieuwe watervoorraden te ontdekken, om problemen met bestaande watervoorzieningen of vervuilingen in kaart te brengen en om transport- en opslagmogelijkheden voor water te faciliteren, enzovoort. Samen met mondiaal opererende partijen zoals Fugro denken en werken wij aan mogelijke extra stappen op het gebied van water en landbouw: de blauw-groene evolutie. Werken aan een nieuwe wereld; het kan even duren, maar we zijn optimistisch. Samen gaat het ons lukken!

17

De voorbeelden Oplossingen voor mondiale waterproblemen

Voorbeeld 1 Murray-rivier corridor, Victoria en New South Wales (Australië)

Karteringsproject van het zoutgehalte van een rivierstelsel De Australische regering heeft 20 miljoen dollar uitgetrokken voor de kartering van het zoutgehalte in het Murray Darling stroomgebied. Hierbij werken de Catchment Management Authorities (CMA’s) van Mallee, North Central, Murray en Lower Murray Darling samen met het Australische Ministerie van Milieu en Waterbeheer en het Ministerie van Landbouw, Visserij en Bosbouw, via het Bureau of Rural Sciences (BRS).

Onderdeel van dit brede programma is een project om grondbeheerders meer inzicht te geven in de stroming van het grondwater en de locatie van zoutafzettingen langs de River Murray Corridor voor gebieden in Victoria en New South Wales.

De helikopters vliegen met een snelheid van ongeveer 110 km per uur, zo’n 60 m boven de grond, waarbij de ‘bird’ circa 30 m boven de grond hangt. 18

(CSIRO)


CDI (Conductivity Depth Image of geleidbaarheids-dieptebeeld).

BRS en Geoscience Australia (GA) hebben, samen met de grondbeheerders en hydrogeologen van de staten Victoria en New South Wales en de CMA’s, zeven prioriteitsgebieden geïdentificeerd voor onderzoek met elektromagnetische karteringsmethoden vanuit de lucht (AEM). Deze AEM-technologie wordt gebruikt om de geologie en vindplaatsen van zoutafzetting langs de River Murray Corridor te onderzoeken, vanaf de grens met South Australia tot aan Gunbower, ten noordwesten van Echuca.

Elektromagnetisch onderzoek vanuit de lucht (AEM) AEM is een geofysische onderzoeksmethode vanuit de lucht die werd ontwikkeld voor de mijnindustrie om geleidende ertsafzettingen te lokaliseren en in kaart te brengen. Hierbij worden afwijkingen in de elektrische geleidbaarheid in de bodem gemeten.

Bij dit project is de elektrische geleidbaarheid gemeten vanuit een helikopter, die een torpedovormige ‘bird’ met een elektromagnetische ontvanger en zender aan boord heeft. De zender zendt elektromagnetische signalen naar de grond. De signalen die de ontvanger krijgt, geven de elektrische geleidbaarheid van de bodem aan. Afwijkingen in de sterkte van het signaal kunnen worden geïnterpreteerd om zo zoutafzettingen en andere ondergrondse geologische kenmerken te identificeren. 19


Voorbeeld 2 Bodemdaling in Las Vegas, Nevada (USA)

Analyse van bodemdaling door grondwater onttrekking op basis van satellietdata De snelgroeiende stad Las Vegas ligt in een semi-aridegebied met zeer weinig water. Men heeft hier de afgelopen decennia zulke enorme hoeveelheden grondwater opgepompt dat grote delen van het stedelijke gebied zijn verzakt. Innovatieve remote sensing-technologieën zoals InSAR kunnen dan worden gebruikt om bewegingen (zettingen) van de grond en objecten die te maken hebben met grondwateronttrekking te detecteren, in kaart te brengen en te monitoren. Als aan deze satellietdata andere relevante meetgegevens worden toegevoegd ontstaat waardevolle informatie die beleidsmakers kunnen gebruiken bij hun beslissingen om de problemen te lijf te gaan.

InSAR is gebaseerd op verwerken van de reflecties van radargolven door objecten of vlakken aan het aardoppervlak. Op deze manier kunnen bewegingen in de orde van grootte van meters tot millimeters over maanden, jaren of decennia (vanaf 1992) in kaart worden gebracht. Het kan daarbij om gebieden gaan van 1.000 km2, of juist kleine locaties, overal ter wereld.

Perspectiefbeeld van Las Vegas, met de contouren van een 28 mm diepe oppervlaktevervorming, op basis van InSAR. Inzet: de InSAR-data geïntegreerd met regionale geologische en geohydro logische gegevens.

20

De voorbeelden


Voorbeeld 3 Waterkartering in het noordoosten van Brazilië

Karteren van waterhoudende breukstelsels met EM-metingen vanuit een helikopter In 2001 verleenden de geologische dienst van Brazilië, de geologische dienst van Canada en het Canadees Bureau voor Internationale Ontwikkeling hun steun aan een waterkarteringsproject in het noordoosten van Brazilië. Het gebied huisvest 25 miljoen mensen, kampt met een onzekere watervoorziening en wordt regelmatig getroffen door droogte. Fugro Airborne Surveys werd ingehuurd om een elektromagnetisch (EM) onderzoek per helikopter uit te voeren in drie gebieden: Juá-Irauçuba, Samambaia en Serinha. Het doel was de bruikbaarheid van elektromagnetisch luchtonderzoek te testen bij de kartering van waterhoudende breukstelsels in gebieden met kristallijngesteente, om geschikte locaties voor het boren van putten met een hoog rendement te vinden. Het grondwater in het kristallijngesteente van het noordoosten van Brazilië is enigszins brak en zou naar verwachting als geleider reageren op het opgewekte elektromagnetische veld.

Grondwaterdistributie in het Samambaia-gebied in Brazilië.

21


Het luchtonderzoek bestond uit een elektromagnetisch en magnetisch onderzoek dat vanuit een Fugro-helikopter werd uitgevoerd. De elektromagnetische systemen van Fugro voor de kartering van geleidingsvermogen zijn uitgerust met vijf of zes spoelparen van uiteenlopende frequenties. Geen ander EM-systeem voor lucht onderzoek beschikt over zo’n groot frequentiebereik (380 Hz tot 101 kHz) en zo’n brede spoelscheiding. Het dieptebereik van de metingen is een functie van de EM-frequentie. De systemen bieden een optimaal frequentiebereik en een hoge resolutie voor de kartering van het geleidingsvermogen van geologie, met een grote mate van nauwkeurigheid.

Geologie van het Samambaia-gebied De zuidwestelijke gebieden worden gedomineerd door orthogneis en migmatiet (lichtgekleurd op de kaart links op pagina 21), terwijl in het noordoosten para gneis en andere metasedimenten (donkere gebieden) overheersen. Let op de kwartsietlaag die van NO naar ZW loopt en het gebied splitst (stippellijn). Let ook op het grote aantal breuken en breuklijnen die van N naar NW lopen en op sommige plaatsen de kwartsietlaag doorkruisen. Geologen ter plaatse hebben lange tijd verondersteld dat de kwartsietlaag die door de regio loopt als waterkering fungeert, waardoor het grondwater zich aan de noordkant verzamelt en een zuidwaartse stroming wordt belemmerd. Waterputten ten noorden van het kwartsiet leveren daarom meestal veel water, terwijl de putten ten zuiden droogstaan of een laag rendement hebben. 22


Resultaten van het EM/Mag-luchtonderzoek in het Samambaia-gebied Op de rechterafbeelding hieronder is een gebied met een verhoogd geleidingsvermogen zichtbaar (rode en paarse kleuren), dat werd altijd toegeschreven aan de aanwezigheid van enigszins brak grondwater, zichtbaar als een strook die min of meer parallel loopt met het kwartsiet aan de noordkant. Ten zuiden hiervan zijn hogere geleidingswaarden beperkt tot noordoostelijk gerichte geologische contactzones en smalle, naar het noorden lopende lijnen, die voorzichtig als waterhoudende breukstelsels worden geïnterpreteerd.

Geologie van het Samambaia-gebied met onderliggend zichtbaar geleidingsvermogen.

Diverse van deze lijnen zijn zichtbaar op de geologische kaart hierboven, inclusief een grote breuklijn die NNO loopt en de kwartsietlaag doorkruist, waardoor een verschuiving naar links ontstaat. Deze structuur lijkt een belangrijke leiding voor de grondwaterstroming van noord naar zuid in het gebied te zijn. De geïnterpreteerde geofysische resultaten tonen aan waarom de putten in de noordelijke regio’s veel water leveren. De geleidende breukstelsels in de gegevens (afbeelding rechts) die de kwartsietlaag doorkruisen en doorlopen in het zuiden, vormen belangrijke doellocaties voor het boren van grondwaterputten. Naar verwachting zullen putten die in deze grondwaterarme gebieden ten zuiden van de kwartsietlaag worden geboord, een goed rendement opleveren, nu het EM-luchtonderzoek voorheen onbekende geleidende zones heeft aangetoond. In het begin van 2002 zijn proefboringen op basis van deze geofysische resultaten uitgevoerd. 23


Voorbeeld 4 Terreinonderzoek Sulphur Bank Mine, Californië (USA)

In kaart brengen van verontreinigingstrajectenen breukstelsels bij verlaten mijnen In augustus 2000 huurden het Amerikaanse Ministerie van Energie (DOE) en het Amerikaanse milieubeschermingsagentschap (EPA), in samenwerking met TetraTech EM Inc., Fugro Airborne Surveys in om een elektromagnetisch onderzoek vanuit de lucht uit te voeren bij de Sulphur Bank Mine in Lake County, Californië. Geofysische lucht- en landgegevens werden gebruikt om de kennis van mijnontwatering, bronnen van verontreiniging en verontreinigingstrajecten in breukstelsels te vergroten. Met het luchtonderzoek werden de geologische structuur en de lithologie van de bodem (ook onder het meer) in kaart gebracht. Deze informatie werd gebruikt om natuurlijke waterleidingen voor de grond waterstroming te identificeren. Uit de gegevens bleek ook dat het meer werd verontreinigd door zuur water en kwik uit de mijn.

Het terrein van de Sulphur Bank Mine.

24


Zuur water heeft een hoger geleidingsvermogen dan zoet water, zodat breuken, poreus gesteente en grondlagen met zuur water sterk geleidend zijn. Afbeeldingen 1 (hieronder) en 2 (volgende pagina) tonen het zichtbare geleidingsvermogen op de topografie. De bergen bevinden zich op de achtergrond en het meer bevindt zich op de voorgrond. De zuurverontreiniging kan worden opgespoord in de bodem en waar het zuur in het meer lekt. Lagere frequenties werden gebruikt om diepere lagen te genereren en een driedimensionale kaart van de geleidingsverspreiding te maken. De geleidingsafwijking in de diepere gegevens wordt veroorzaakt door afwatering via een diepe breuk, die wellicht niet zou zijn ontdekt met een elektromagnetisch onderzoek van ondiepe bodemlagen. Deze gegevens worden gebruikt om verder onderzoek (o.a. boringen) te verrichten om de waterstroming en zuurgraad te controleren.

Afb. 1: 3D-presentatie van de geleidingsvermogen-analyses bij verschillende frequenties.

Elektromagnetisch onderzoek is al tientallen jaren een standaardinstrument bij de opsporing van minerale rijkdommen. Tegenwoordig wordt deze techniek toegepast om aan de groeiende milieu- en bouwvereisten te voldoen. De algemene erkenning en acceptatie van elektromagnetische methoden met meerdere frequenties vanuit de lucht voor deze doeleinden is grotendeels gebaseerd op de 25


voordelen ten opzichte van traditioneel grondonderzoek. Onderzoek vanuit de lucht levert een totaalplaatje op en is een doeltreffend en economisch instrument bij het identificeren en lokaliseren van ondergrondse kenmerken. Dit onderzoek biedt uitkomst bij vrijwel alle milieu- en bouwdoelstellingen voor het in kaart brengen van geleidingsvermogen, dankzij: - minimale terreinlogistiek, snelle gegevensverzameling (ongeveer 1.000 ha per uur) en zeer gedetailleerde gegevens; - gelijktijdige verzameling van elektromagnetische, magnetische en gamma-straal radiometrische gegevens; - geen noodzaak voor toegang tot een terrein en de mogelijkheid om gegevens over afgelegen of dichtbegroeide terreinen te verzamelen; - een driedimensionaal geleidingsoverzicht van de bodemkenmerken met behulp van multifrequentie- en multidieptemetingen.

Afb. 2: Lekkage van verontreinigingen van de mijn in het meer.

26

De voorbeelden


Voorbeeld 5 Grondwateronderzoek in West-Australië

Airborne elektromagnetisch (AEM) onderzoek naar grondwater en zoutwaterintrusie Fugro heeft voor het Ministerie van Water in West-Australië vanuit de lucht elektromagnetische en magnetische gegevens van de onderloop van vier riviersystemen De Grey, Yule, Fortescue en Robe in het Pilbara-kustgebied van WestAustralië verzameld en geïnterpreteerd. Men wil meer weten over de geometrie van de watervoerende pakketten en de verzilting hiervan. De informatie wordt gebruikt voor de ontwikkeling van regionale grondwatermodellen langs de kust van Pilbara.

Kaart van de onderzoeksgebieden bij de rivieren De Grey, Yule, Fortescue en Robe.

Het project heeft de volgende doelstellingen bereikt: • een up-to-date interpretatie van geologische opbouw van de ondergrond, met de nadruk op de structuren die de hydrologie van watervoerende pakketten controleren; • ontwikkeling van kaarten van de relatieve porositeit, waarop verticale en horizontale units te zien zijn, gebaseerd op veranderingen in de geleiding;

27


• vaststellen van de ondoorlatende basis van het grondwatersysteem in gebieden waarvan geen boorgegevens beschikbaar zijn; • vaststellen van de grootte van de alluviale en sedimentaire watervoerende pakketten; • vaststellen van de zoet-zoutgrens ter plaatse van de kust.

Naast de onderzoeksresultaten van de airborne survey (elektromagnetische en magnetische gegevens, zwaartekracht en DTM) waren er boorgegevens beschikbaar van de onderzoeksgebieden. Daarnaast heeft Fugro publieke databestanden onderzocht, zoals regionale magnetische gegevens en gamma-straal radiometrische gegevens, Landsat 7ETM+, SRTM en geologische kaarten. Alle beschikbare gegevens zijn samengevoegd voor een regionaal overzicht van de geohydrologie.

Geologie Magnetische gegevens uit de airborne surveys zijn samengevoegd met openbare gegevens om een regionaal magnetisch databestand te verkrijgen. Zo’n data bestand kijkt verder dan een AEM-onderzoek, waardoor een compleet beeld ontstaat van de geologische bodemopbouw.

Door analyse van de magnetische gegevens kan een onderverdeling worden gemaakt in de lithologieën naargelang hun magnetische eigenschappen. In en rondom de onderzoeksgebieden is de geologie onderverdeeld in ver schillende delen: - graniet (vroeg/laat, magnetisch/niet-magnetisch); - vulkanisch (zeer magnetisch/gematigd magnetisch); - metasedimentair (zeer magnetisch/zwak magnetisch); - meta-vulkanische-sedimentair (verschillende magnetische sterkten).

28


Geïnterpreteerde geologie van het onderzoeksgebied van de De Grey River. De datafiguren links tonen de totale magnetische intensiteit.

Relatieve porositeit Elektromagnetische gegevens kunnen worden gebruikt om voor elke hoogte een relatieve porositeitskaart te maken, met verschillende geleidbaarheidswaarden om de porositeit weer te geven. De reikwijdte van elke geleidbaarheidswaarde werd bepaald door de verschillende elektromagnetische databestanden te onderzoeken en ze te vergelijken met de bekende en verwachte distributie van de verschillende lithologieën.

Relatieve poreusheidskaarten voor het onderzoeksgebied bij de De Grey River op basis van geleidbaarheids/hoogte-grids.

29


Een deel van het geïnterpreteerde verweerde bed rock-oppervlak van het onderzoeksgebied bij de De Grey River, met enkele van de boorgaten.

Contactlagen vast gesteente (bed rock) De elektromagnetische gegevens zijn gebruikt om de diepte van het verweerde en het onverweerde vaste gesteente (bed rock) te bepalen door aan elke laag geleidbaarheidswaarden toe te kennen. Het aanmerkelijke verschil in geleiding tussen de ongeconsolideerde sedimenten en het vaste gesteente stelt ons in staat om de bovenste contactlaag van het verweerde vaste gesteente te identificeren. Daarnaast hielp de beschikbaarheid van boorgatgegevens deze contactlaag te bepalen en de te interpreteren oppervlakte te verkleinen.

Configuratie watervoerende pakketten De belangrijkste typen watervoerende pakketten in elk onderzoeksgebied zijn de ondiepe alluviale afzettingen. In de oostelijke helft van het onderzoeksgebied bij de De Grey River bevinden zich tevens de watervoerende pakketten Broome en Wallal Sandstone, die bij het West Canning Basin horen.

De afbeeldingen hiernaast tonen de interpretatie van de elektromagnetische gegevens. Ze geven de verschillende watervoerende pakketten en geologische units in het onderzoeksgebied weer. De alluviale afzettingen aan het oppervlak lijken voornamelijk te bestaan uit kleimateriaal. Dit resulteert in hoge geleiding, met hier en daar een afname in de waargenomen geleiding, wat kan betekenen dat zich daar zoet water bevindt. In het noordoosten zijn de sedimentaire units van het 30


West Canning Basin makkelijk te zien, en scheidt het geleidende Jarlemai Siltstone de resistente watervoerende pakketten van het Broome en Wallal Sandstone.

Interpretatie van de geometrie van de watervoerende pakketten in het onderzoeksgebied bij de De Grey River: (A) Verband tussen de aardoppervlakgeologie van de digitale geologische kaart met geïnterpreteerde paleostroomgeulen van de Western Australia Geological Survey; (B) geologie-interpretatie uit magnetische gegevens; (C) AEM CDI (Conductivity Depth Image of geleidbaarheids-dieptebeeld) voor vluchtlijn 1001602 met geïnterpreteerde geologie; (D) geologische dwarsdoorsnede.

Geïnterpreteerde configuratie van de watervoerende pakketten binnen het onderzoeksgebied bij de De Grey River: 3D-overzicht van het geïnterpreteerde alluviale watervoerende pakket (rode gedeelten) binnen het onderzoeksgebied bij de De Grey River. De weergegeven CDI’s zijn 1002601, 1002001, 1001401 en 1000801 (van zuid naar noord). De kijkrichting is west.

31


Zeewaterintrusie Door het grote verschil in elektrische geleiding tussen zout en zoet water zijn vanuit de lucht ingewonnen elektromagnetische gegevens erg nuttig bij het identificeren en in kaart brengen van de mate van zeewaterintrusie in de watervoerende pakketten in kustregio’s.

Om de zeewaterintrusie in kaart te brengen, werd een geleidbaarheidswaarde toegekend die de belangrijkste grens van de zeewaterintrusie aangaf. Het 3Dvoxelmodel en de CDI’s werden bestudeerd om de zones met hoge geleiding te identificeren, die mogelijk de grenzen van de zoute zone aangaven. In de gegevens werden sterke stijgingen in de geleiding ontdekt. Deze waarden werden vergeleken met openbare geleidingswaarden voor met zeewater verzadigde lithologieën, om zo de geleidingswaarde te bepalen die de grens van de zeewaterintrusie aangaf. Met behulp van een geleidingswaarde van 300 mS/m werden voor elk onderzoeksgebied iso-oppervlakten gemaakt om de mate van zeewaterintrusie weer te geven.

3D-beeld van de geïnterpreteerde zeewaterintrusie in het onderzoeksgebied bij de De Grey River. Tevens zijn enkele CDI’s te zien langs koppellijnen en een digitale geologische kaart van de Western Australia Geological Survey, gedrapeerd over de topografie. De kijkrichting is noordoost. 32


33


Satellietopname van de Hollandse Delta.

Vewin - bureau Rijswijk

Fugro Water Services

Contactpersoon: Theo Schmitz

Contactpersoon: Job Nijman

Postbus 1019

Postbus 63

2280 CA Rijswijk

2260 AB Leidschendam

Nederland

Nederland

Tel: +31 (0)70 414 47 50

Tel: +31 (0)70 311 14 30

[email protected]

[email protected]

www.vewin.nl

www.fugrowaterservices.com

a t e r d r u k Oplossingen voor mondiale waterproblemen Met de modernste technieken watertekorten en vervuiling te lijf

Recommend Documents