Meten aan grond en grondwater

Meten aan grond en grondwater

Wat willen we weten ? Wat kunnen we meten ?

Koos Groen en Michel Groen Vrije Universiteit Amsterdam Acacia Water BV

Meten aan grond en grondwater Inhoud •

Vraag naar bodem en grondwaterinformatie

•

Aanbod van meettechnieken

•

Toepassing en acceptatie van meettechnieken

Informatievraag Autonome ontwikkelingen in Nederland 1.

Toename bouw en infrastructuur, vooral ondergronds

2.

Meer aandacht stedelijke hydrologie

3.

Meer waterberging en infiltratie voor klimaatsbestendig Nederland

4.

Veel bodem- en grondwatersaneringen met vooral in-situ technieken.

5.

Transitie landelijk gebied: meer woningbouw, infrastructuur, hoogwaardige landbouw en natuur- en landschapsbeheer.

6.

Polderbeheer staat ter discussie: maaivelddaling niet meer volgen met peilbeheer; stoppen met doorspoelen; ontpolderen

7.

Meer energiewinning door koude/warmte opslag en winning van warm grondwater

8.

Meer complexere modellen (stoftransport, dichtheidstroming) op kleinere schaalniveaus

9.

Meer sturing en handhaving dus meer monitoring

Ondergronds bouwen

Informatievraag Autonome ontwikkelingen in Nederland 1. Toename bouw en infrastructuur, vooral ondergronds

2. Meer aandacht stedelijke hydrologie 3. Meer waterberging en infiltratie voor klimaatsbestendig Nederland 4. Veel bodem- en grondwatersaneringen met vooral in-situ technieken. 5. Transitie landelijk gebied: meer woningbouw, infrastructuur, hoogwaardige landbouw en natuur- en landschapsbeheer. 6. Polderbeheer staat ter discussie: maaivelddaling niet meer volgen met peilbeheer; stoppen met doorspoelen; ontpolderen 7. Meer energiewinning door koude/warmte opslag en winning van warm grondwater 8. Meer complexere modellen (stoftransport, dichtheidstroming) op kleinere schaalniveaus 9. Meer sturing en handhaving dus meer monitoring

Stedelijke Hydrologie Belemmering grondwater stroming door ondergrondse garages en tramtunnel

Vergroting infiltratie na uitbaggeren Hofvijver

Wateroverlast op Binnenhof !

Informatievraag Autonome ontwikkelingen in Nederland 1. Toename bouw en infrastructuur, vooral ondergronds 2. Meer aandacht stedelijke hydrologie

3. Meer waterberging en infiltratie voor klimaatsbestendig Nederland 4. Veel bodem- en grondwatersaneringen met vooral in-situ technieken. 5. Transitie landelijk gebied: meer woningbouw, infrastructuur, hoogwaardige landbouw en natuur- en landschapsbeheer. 6. Polderbeheer staat ter discussie: maaivelddaling niet meer volgen met peilbeheer; stoppen met doorspoelen; ontpolderen 7. Meer energiewinning door koude/warmte opslag en winning van warm grondwater 8. Meer complexere modellen (stoftransport, dichtheidstroming) op kleinere schaalniveaus 9. Meer sturing en handhaving dus meer monitoring

Afkoppelen en infiltreren



2.


3.


4.


5.


6.


7.


8.


9.


In-stu grondwatersaneringen

Informatievraag Autonome ontwikkelingen in Nederland 1. Toename bouw en infrastructuur, vooral ondergronds 2. Meer aandacht stedelijke hydrologie 3. Meer waterberging en infiltratie voor klimaatsbestendig Nederland 4. Veel bodem- en grondwatersaneringen met vooral in-situ technieken.

5. Hydrologisch maatwerk voor functies: woningbouw, infrastructuur, hoogwaardige landbouw en natuur- en landschapsbeheer. 6. Polderbeheer staat ter discussie: maaivelddaling niet meer volgen met peilbeheer; stoppen met doorspoelen; ontpolderen 7. Meer energiewinning door koude/warmte opslag en winning van warm grondwater 8. Meer complexere modellen (stoftransport, dichtheidstroming) op kleinere schaalniveaus 9. Meer sturing en handhaving dus meer monitoring



2.


3.


4.


5.


6.


7.


8.


9.


Verzilting polders West Nederland



2.


3.


4.


5.


6.


7.


8.


9.


Informatievraag Autonome ontwikkelingen in Nederland 1. Toename bouw en infrastructuur, vooral ondergronds 2. Meer aandacht stedelijke hydrologie 3. Meer waterberging en infiltratie voor klimaatsbestendig Nederland 4. Veel bodem- en grondwatersaneringen met vooral in-situ technieken. 5. Transitie landelijk gebied: meer woningbouw, infrastructuur, hoogwaardige landbouw en natuur- en landschapsbeheer. 6. Polderbeheer staat ter discussie: maaivelddaling niet meer volgen met peilbeheer; stoppen met doorspoelen; ontpolderen 7. Meer energiewinning door koude/warmte opslag en winning van warm grondwater

8. Meer complexere modellen (stoftransport, dichtheidstroming) op kleinere schaalniveaus 9. Meer sturing en handhaving dus meer monitoring



2.


3.


4.


5.


6.


7.


8.


9.


Informatievraag Conclusies: •

Meer detailinformatie van (ondiepe) ondergrond: zowel in tijd als ruimte

•

Betere conceptuele geologische en hydrologische modellen

•

Complexere mathematische modellen vergen meer informatie

•

Meer vraag naar goedkope niet-destructieve meetmethoden

Non-destructive measurements • Satellite measurements • Airborne measurements • Surface meassurements • Cone penetration tests • Probes

Satelllite Measurements information on Land

Water

Elevation (DEM)

Radar active microwaves

Precipitation

Radar

Land use/cover

Visible light/infrared

Evapo(transpi) ration

Energy balance (SEBAL)

Leaf area index/biomass


Soil moisture

Passive microwaves

Soil salinity


Water levels

Radar active microwaves/infrared

Satelllite Measurements resolution versus frequency Frequency Two weeks

1 Day

Ikonos

Landsat / ASTER

AVHRR / GOES/ MODIS METEOSAT

11 km 180 km 2500 km

30 min. 1 to 4 m

30 m

250m - 1 km

Pixel size (resolution)

5 km

Satellite Measurements Landuse and altimetry in NOP Netherlands

landuse elevation

Satellite Measurements Actual evaporanspiration and precipitation in NOP Netherlands

C B A

Actual evapotranspiration in 1995 (SEBAL) Precipitation in 1995

Airborne measurements Measuring system

Physical parameter

Geology/terrain information

radar

EM traveltime

Terrain elevation

Infrared photography

Infrared radiation

Surface temperature

Time domain EM Frequency domain EM

Electr. resistivity from induced EM fields

Lithology Water salinity

Magnetic gradiometer

Magnetic field (variations)

Lithology (magnetite) Artefacts Steel/Iron objects

Spectral gamma

Radiation (gamma)

Soil type Surface lithology Recent disturbence

Airborne measurements Altimetry in city of Dordrecht, Netherlands

5 to 5 m grid (AHN)

High resolution allows filtering of buildings and produces actual elevations of roads and parks 0.5 to 0.5 m grid (FUGRO-FLI-MAP


Physical parameter


radar

EM traveltime

Terrain elevation


Infrared radiation

Surface temperature







Spectral gamma

Radiation (gamma)


Airborne measurements Infrared radiation thermography of polder in Zuid-Holland,Neth. airborne temperature survey of land surface based on infrared radiation

Winter 2007/2008 A‘

Resolution: 20 x 20 cm or 40 x 40 cm Accuracy: 0.1 oC

A 4 2 0 -2 -4 -6

A

A ‘


Physical parameter


radar

EM traveltime

Terrain elevation


Infrared radiation

Surface temperature







Spectral gamma

Radiation (gamma)


Airborne measurements Frequency domain EM (RESOLVE, DIGHEM)

Airborne measurements Time domain EM (TEMPEST, GEOTEM)


Physical parameter


radar

EM traveltime

Terrain elevation


Infrared radiation

Surface temperature




Magnetometer

Magnetic susceptibility


Spectral gamma

Gamma radiation


Airborne measurements Magnetometer measures absolute values and gradients in magnetic field Provides information on: • magnetic susceptibity of rocks or objects (iron bearing minerals) and • remanent magnetism.

Used for: • mineral exploration and geological mapping in crystalline terrain and • exploration of artefacts in archaeology


Physical parameter


microwave radar

EM traveltime

Terrain elevation


Infrared radiation

Surface temperature





Magnetic susceptibility


Spectral gamma

Radiation (gamma)


Airborne measurements Spectral gamma radiation • • • •

unstable isotopes produce gamma radiation energy of gamma radiation is characteristic with FSA analysis quantity of isotopes can be determined mainly Th, U en 40K, but also 137Cs

Gamma radiation from top 50 cm of the soil penetrates atmosphere up to 200 m.

Airborne measurements Spectral gamma radiation • •

Contents of Th, U en 40K form fingerprint for the top soil Modelling requires empirical relations

Airborne measurements Spectral gamma radiation Applications • • • • •

Potential contamination by radon - one of the daughter product of U-decay is determined based on spectral gamma radiation, Manitoba Canada.

Mineral surveying Geological and soil mapping Soil disturbence Sand content Contamination hazard (radon gas, sludge)

Surface measurements Measuring system

Physical parameter


Ground penetrating radar

EM traveltime, diaelectric constant,

Lithology Soil moisture

ERT

Electr. resistivity



Electr. resistivity


Magnetometer (total field, gradiometer)

Magnetic field (variations) magnetic susceptibility

Lithology (magnetite) Artefacts Steel/Iron objects (UXO)

Spectral gamma

Radiation (gamma)


Surface measurements Ground penetrating radar (GPR)

•

GPR measures traveltime (depth) to reflection surfaces

•

Reflection surfaces are boundaries between bodies with different dielectric constants (often function of water content)

•

Penetration depth in subsoil (< 100 Ohmm) only few meters


GPR gives information on • Stratigraphy • Water content, ground water table • Cables and pipes • Location of objects (UXO, archaeological)


Quantative interpretation of EM wave velocities into soil moisture contents


Physical parameter





ERT

Electr. resistivity



Electr. resistivity





Spectral gamma

Radiation (gamma)


Surface measurements Electrical resistance tomography

Continuous VES method provides 2D information along cable with many electrodes Good old VES method gives 1D information Depth penetration: 60 m Duration of sounding: 3 hours Operated by: 2 persons

Surface measurements Electrical resistance tomography Waterlogged area with groundwater seepage

Dry recharge area with deep groundwater

Fault zone

Peelrand fault in the Netherlands with ”wijst” gronden

Surface measurements Electrical resistance tomography

Weathered carbonate rocks (Karst terrain)

Surface measurements Electrical resistance tomography With measurements on electrodes in boreholes 2D images in depth can be obtained without loss of resolution

Delineation of DNAPL with high resistivity contrast


Physical parameter





ERT

Electr. resistivity



Electr. resistivity





Spectral gamma

Radiation (gamma)


Surface measurements Time domain EM Transmitter loop (40 to 40 m)

Penetration depth: up to 100 m Duration sounding: 0.5 hr Operated by: 1 person

Receiver loop 20 to 20 m

Surface measurements Time domain EM

Automatic inversion

TDEM sounding in Zeeland of fresh water lens

Surface measurements Frequency domain EM

Delineating shallow brackish seepage in polder west of the Naardermeer with EM34


Physical parameter





ERT

Electr. resistivity



Electr. resistivity





Spectral gamma

Radiation (gamma)



Physical parameter





ERT

Electr. resistivity



Electr. resistivity





Spectral gamma

Radiation (gamma)


Surface measurements gamma radiation 137Cs

137Cs

•

has been enriched in the top soil because of Tsjernobyl fall-out

•

Concentration is indicator for soil disturbance

Cone penetration tests Measuring system

Physical parameter


mechanical CPT

Cone resistance Friction resistance

Lithology Geotechnical parameters

Electrical conductivity

Electrical formation conductivity

Water salinity

Contnuous water pressure

Water pressure

Lithology Piezometric head

Water pressure dissipation in clay layers

Water pressure in time

Permeability clays

BAT sampling in CPT casing

Water chemistry

ROST, MIP

Contamination of hydrocarbons (high concentration)

Camera sonde

Visual view

Lithology, contamination, gas

Cone penetration tests cone and friction resistance

Cone penetration tests cone and friction resistance 1

Sensitive, fine grained

2

Peat

3

Clay

4

Slity clay to clay

5

Clayey silt

6

Sandy silt

7

Silty sand

8

Sand to silty sand

9

Sand

10

Gravelly sand to sand

11

Very stiff fine grained

12

Sand to cleyey sand

Relation cpt-parameters and soil material

Cone penetration tests geological mapping with basic data Western Scheldt WCT

Cone penetration tests geological mapping using MGEOBASE classification

Cone penetration tests Example of Mapping Along A2 highway

Basal peat layer

Mapping of Holocene top layer


Physical parameter


Mechanical CPT





Water salinity


Water pressure




Permeability clays

BAT sampling in CPT casing

Water chemistry

ROST, MIP

Contamination of hydrocarbons (high concentration)

Camera sonde

Visual view


Cone penetration tests electrical conductivity

Electrical conductivity in CPT near the Zoetermeer waste dump shows contaminated zone between - 6 and -9 m NAP


Physical parameter


Mechanical CPT





Water salinity


Water pressure




Permeability clays

BAT sampling

Water chemistry

Coring (Spitsmuis)

Soil geochemistry

Camera sonde

Visual view


Cone penetration tests water pressure and electrical conductivity Hydrostatic pressure

waterpressure MPa

electr. conductivity (formation) mS/m

Conus resistance MPa

CPT at low tide shoreline

Fresh submarine groundwater outflow from dune area at Zandvoort. Discharge into the sea within 1500 m from he shore


Physical parameter


Mechanical CPT





Water salinity


Water pressure




Permeability clays

BAT sampling

Water chemistry

Coring (Spitsmuis)

Soil geochemistry

Camera sonde

Visual view


Cone penetration tests water pressure and electrical conductivity Hydrostatic pressure

waterpressure MPa

electr. conductivity (formation) mS/m

Conus resistance MPa

CPT at low tide shoreline

Fresh submarine groundwater outflow from dune area at Zandvoort. Discharge into the sea within 1500 m from he shore

Probes slim hole EM logger (EM39) EM39 measures gamma radiation and electrical conductivity in pvc piezometers Optimal dia piezometer is 50 to 100 mm

Imaging of conductivities Imaging of gamma radiation

Probes slim hole EM logger (EM39)

Tracing infiltration test with brackish water (Vandenbohede & Lebbe, 2002)

VU and DELTARES are developing a EM logger for 1 inch piezometers !!

Probes Temperature measurements infiltration

seepage

In autumn relative cold seepage water In winter relative warm seepage water Peelrand Fault Zone

Bense, 2004

Temperature patterns and variations in time and place give insight in flow systems

Toepassing en acceptatie meettechnieken Toepassing niet-destructieve of geofysische methoden hebben wat haken en ogen 1.

Technieken hebben beperkt toepassingsgebied en verschillen in resolutie en dieptebereik

2.

Keuze van techniek is afhankelijk van object/proces, de geologische context en gewenste prijs/kwaliteit wen prijs/kwantiteit verhouding

3.

Interpretatiemethoden zijn soms gecompliceerd

4.

Informatie na interpretatie is vaak niet eenduidig

Equivalentieprobleem in geofysica

Signaal

app. conductivity

Exam ple 1: Electrom agnetic anom aly in landfill

distance

Fys.-math. m odel

Conductive sphere in semi-infinite non2m conductive 0.7 m medium

2.5 m

Car w reck

Stove

Geolog. m odel

8m

Steel drum w ith chemical w aste

Shredder

Toepassing en acceptatie meettechnieken Weg tot acceptatie is soms moeizaam. Een aantal knelpunten 1. Onbekendheid met bestaande methode 2. Weinig kennis van beperkingen en interpretatie 3. Negatief imago door onjuiste toepassing van een techniek 4. Te hoge kosten voor individuele projecten 5. Prijs/kwaliteit kan niet goed worden ingeschat 6. Het hoeft niet van opdrachtgever/bevoegd gezag. 7. Niemand weet of het resultaat beter zou zijn geweest 8. Techniekleveranciers worden niet onafhankelijk geacht

Toepassing en acceptatie meettechnieken Stellingen •

Met oog op de nieuwe vragen zijn huidige databestanden ontoereikend en gaan grondwatermodellen soms uit van verkeerde concepten. Er moet meer worden gemeten !

•

Ontwikkeling en promotie van onbekende en vergeten meettechnieken - met juiste vooranalyse en interpretatie – moet worden gestimuleerd (vergelijk SKB programma).

•

Een marktpartij ontbreekt tussen techniekaanbieders en probleembezitters, waar onafhankelijk advies kan worden verkregen over meettechnieken en meetresultaten

Meten aan grond en grondwater

Recommend Documents