Temperaturen in de Nederlandse ondergrond April-2004, D. Edelman
Introductie In de jaren 2002-2003 is er in samenwerking met de N.V. Tilburgsche Waterleiding-Maatschappij (TWM) door Victor Bense een serie temperatuurmetingen gedaan in peilputten en waterwinputten op en om de terreinen van het waterwingebied. Hoewel deze metingen begonnen waren om Victor bij het verzamelen van gegevens voor zijn proefschrift verder op weg te helpen, werd al snel mijn interesse gewekt voor de mogelijkheden die temperatuurmetingen kunnen bieden voor de waterleidingwereld. Het lijkt er namelijk op dat deze ietwat ondergewaardeerde parameter zeer veel informatie kan bieden voor het meten aan een grondwaterlichaam. Temeer daar het meten van temperaturen relatief goedkoop, snel en reproduceerbaar is. In een vorige editie van Stromingen is al eens stil gestaan bij de algemeenheden van temperatuurmetingen (Willemse) en de bijzonderheden (Bense). Dit artikel beoogt een aantal opvallende zaken die uit de gedachtegang tussen Victor en mijzelf voortvloeiden nader voor het voetlicht te brengen. Methode van meten Met behulp van een geijkte temperatuurafhankelijke weerstand (een zogenaamde thermistor) werd per meetpunt de diepste peilbuis doorgemeten. Dit bestond uit het laten zakken met een vaste waarde (1 tot 2 meter) van de thermistor, dan het geheel gedurende een bepaalde periode (ongeveer 1 minuut) zich laten aanpassen aan de omgevingstemperatuur en vervolgens een stroompje door de thermistor te jagen. De weerstand van de thermistor werd vervolgens digitaal uitgelezen. Met behulp van een weerstand-temperatuur tabel werd de temperatuur op die diepte bepaald. Het grootste risico voor de meting bleek te bestaan uit het vastlopen van het meetinstrument zelf onder waarnemingsbuis. Vooral een buis waarin een lichte bocht (ontstaan bij de bouw van de put) zit bleek gevoelig te zijn voor een vastloper. Hierdoor zit er nu op 206 meter diepte een meetinstrument voor eeuwig op diepte.
D. Edelman
[email protected]
10/22/2007 1/6
Geotherm v 2.0
Temperatuurprofielen in het waterwingebied Op een 50-tal plaatsen is een temperatuurprofiel gemeten. Deze konden globaal in een drietal klassen worden onderverdeeld: 1. Temperatuurprofielen in waarnemingsputten zonder invloed van de winning (Giessen) 2. Temperatuurprofielen in waarnemingsputten met invloed van de winning (WP1 in het waterwingebied van de TWM) 3. Temperatuurprofielen bij winputten (pompput D23 in het waterwingebied van de TWM)
Het beeld in de waarnemingsput bij Giessen is rustig. Bovenin komt nog wat invloed van de seizoenen voor, na zo’n 15 meter onder maaiveld benadert de lijn een rechte lijn die nabij 140 meter een verandering van helling kent. Het beeld van de wp1 geeft onder de 100 meter hetzelfde rustige beeld. Voorts komt bovenin een seizoensinvloed voor. Hiertussen ligt een deel waarin een duidelijke afkoeling aanwezig is ( 20-90 meter onder maaiveld). Deze afkoeling is te correleren met de instroom van kouder water (uit hoger gelegen aquifers) in het diepere bepompte pakket, De temperatuursprong op 90 meter valt samen met de bovenzijde van een aquitard die de onderzijde is van de door ons bepompte aquifer. Hieronder is de temperatuur weer “normaal” te noemen. Ee dergelijk beeld is door TNO ook op andere plekken in Brabant aangetroffen (Seppe). Het beeld van de pompput is zeer onrustig de piekjes en dalletjes zijn een op een te correleren met het voorkomen van zandpakketjes (met meer grondwaterstroming en dus afkoeling) en kleilaagjes (met veel minder stroming/geen stroming). Het meten van temperaturen nabij een werkende pompput (in de waarnemingsbuis) kan zo een goede indicatie geven voor het voorkomen van kleilagen naast de pompput. Zelfs een lekkage langs de put (bijvoorbeeld zand op de plek waar klei zou moeten zitten) kan met deze methode worden opgespoord. De verwachte pieken en dalen liggen dan immers niet op de te verwachten plek.
D. Edelman
[email protected]
10/22/2007 2/6
Geotherm v 2.0
Dit laatste wordt nog duidelijker als niet gekeken wordt naar de temperatuur zelf maar naar haar afgeleide, de gradient per meter. Deze afgeleide zou in theorie op een verticale lijn moeten liggen, maar in praktijk vindt door stroming een zekere heterogenisatie van het temperatuurbeeld plaats die te correleren is aan de KD van dat laagje. Het gradientbeeld van de WP2 in het waterwingebied is hiervan een voorbeeld.
WP2 Gradient c/m
-1
-0,75
-0,5
-0,25
0
0,25
0,5
0,75
1
0
10
20 Diepte onder mv
30
40
50
60
Grof zand Middelfijn zand Fijn zand Kleiig zand Lutumrijke klei
D. Edelman
[email protected]
10/22/2007 3/6
Geotherm v 2.0
De blauwe lijn is de gradient per meter. (c/m is graad celcius per meter) Het valt op dat de gradient zeer nauwkeurig de lithologie volgt. Zelfs de van oorprong fluviatiele kleilaag bovenin (Tegelenkleilaag) suggereert een fine-up in de korrelgrootte: onderin komt er een snellere temperatuurtoename voor (iets meer stroming) dan in het extreem lutumrijke deel bovenin (alleen een verticale gradient, wat kan duiden op geen stroming). Een en ander wijst op een goede gebruiksmogelijkheid van temperatuurmetingen in een waterwingebied, al was het maar ter controle van het stromingsbeeld of de lithologie. De geothermische gradient De schijnbaar lineair toenemende temperatuur op wat grotere diepten (zie bijvoorbeeld de WP1) is te relateren aan de geothermische gradient (GG). De vanuit de diepte doorstralende aardwarmte. Deze waarde blijkt van plaats tot plaats te verschillen. Op basis van een serie metingen door TNO uit de jaren 1977-1983 aan temperaturen in waarnemingsputten door heel Nederland werd de GG voor die punten bepaald op basis van de volgende criteria: • • •
Het voorkomen van een lineaire temperatuurtoename in het traject 150-300 meter onder maaiveld. De temperatuurtoename werd herleid tot graden celcius temperatuurtoename per kilometer. Uit een 100-tal representatieve putten werd een gemiddelde waarde voor de dieptetemperatuur bepaald
Gemiddelde De temperatuur van het deel tussen de 0 en de 100 meter diepte (onder maaiveld) heeft te maken met seizoensinvloeden (koud regenwater in de winter, instralingswarmte in de zomer) en vertoont een temperatuur die over het algemeen tussen de 8°c en de 12°c ligt. Het deel tussen de 100 en de 350 meter diepte benadert een rechte lijn met een waarde van 24°c/km. Deze waarde wordt als gemiddelde waarde voor Nederland genomen. Het onderste deel vertoont een afname van de GG. Dit zou kunnen liggen aan het beperkte aantal metingen van deze diepten. Hiernaast is het deel onder de 420 meter alleen gemeten in Twekkelo. Deze lokatie is in de buurt van een zoutpilaar in de ondergrond. Zout beinvloedt in hoge mate de temperatuurgeleiding.
D. Edelman
[email protected]
10/22/2007 4/6
Geotherm v 2.0
GG per lokatie Voorts is in geheel Nederland de waarde van de GG bepaald per meetlokatie. Van 100-tal putten met een voldoende diepte (veel putten in de meetreeksen zijn ondieper dan 100 meter) is de waarde bepaald van de GG herleid per kilometer. Deze waarde lijkt tussen de 11°c en de 35°c te liggen. Deze waarden zijn in een kaart van Nederland geplot. Hierna is door middel van het tekenen van isothermen (de gekleurde lijnen) een temperatuurbeeld gegenereerd. De GG heeft een verband met de tectoniek. Een grote tectonische eenheid als de Peelhorst is warmer dan de Centrale Slenk. Dit heeft te maken met de isolerende werking van dikke Neogene sedimentpakketten. Onder Noord-Holland zijn deze pakketten zeer dik en is de GG het laagst van Nederland. Naast de invloed ten gevolge van de dikte van de sedimentpakketten zijn er nog kleinere warme en koude-eilandjes. Dit vormt een vlekkenpatroon van de GG onder Nederland met (relatief ten opzichte van de regio) warmere en koudere plekken. Dit vlekkenpatroon zou ten dele het gevolg kunnen zijn van grondwaterstroming. Op plekken waar in theorie veel infiltratie plaats zou vinden (o.a. de Veluwe) zou dan een duidelijk koude-eiland in de GG aanwezig moeten zijn . Deze structuur is met enige goede wil daadwerkelijk te herkennen. Dit laatste wordt versterkt door de aanwezigheid van warmere eilanden onder de Flevopolders. Hier zou in theorie kwel plaats kunnen vinden. Een andere verklaring van de verschillen in de GG is meer van tectonische aard. Op plekken waar in de diepe ondergrond horsten, plooiassen of breuken aanwezig zijn kan een afwijking in de GG ontstaan. De sedimentpakketten zijn daar immers dikker of juist dunner, en de doorstraling van de aardwarmte navenant meer of minder.
D. Edelman
[email protected]
10/22/2007 5/6
Geotherm v 2.0
600 598 596 594 592 590 588
18
586 584
20
582 580
21 16
20
578 576
14 14
16
24
22
16
574 572
17
18 26
570 568 566
17 11
28
18
18
20
12
15
564
11
562 560 558
14
15 14 16
10
556 554
15
23
19 16
16
10
552 550
18 15
12
15 15
548 546
14
544 542 540 538 536
26 22
534
16
532 530 528
11 12
526 524
16 15
522 520
13
20
20 12
20
518 516
12
514 512 510 508 506 504 502 500 498
12 20
19 20
19 14
17 14
16
24
18
488 486 484 482 480 478 476
18
20
14
20 22
23 16
474 472 470 468 466
22
20
22
20 21
19 20
19
24
20
24
28
16
17
22
27
28
22
24 16
20
21 20
24
18 16 23
4
<10 c/km
22
20
28 52
22
20 27
22
29
26
11-15 c/km
17
26 20
28
20
16
22
16-20 c/km
22 22
16-20
24
24
23
17
26
22
20
23
24
26
24 24
18
21-25 c/km
20 22
27
24
18
22 22
20
26-30 c/km
24
25
26
21
20
27
25
25 26
> 30 c/km
31 21
25
28
25 18
18
414 412 410 408 406 404 402 400
-30
14
492 490
442 440 438 436 434 432 430 428 426 424 422 420 418 416
16
20 18 20
496 494
464 462 460 458 456 454 452 450 448 446 444
18
11
25
23 16
19 23
20
22
19 17
18
20 19
26
15 23
*40
398 396
22
20
28
18
18
25
394
30
392 390 388
32
25 18 20
386 384 382
23
24
26
21
22
24 22
380
28
378 376 374
32
21
35 20
28
17
372 370 368 366
28
364
32
21
21 20
26
23
23
22
362 360 358
24 16
356 354 352
22 15
350
18
348 346 344
19 16
20
342 340 338 336
19
334 332
15 11
330 328
22
326 324
16
322 320 318 316 314
26
312 310 308 306 304 302 300 298 296 294 292 290
D. Edelman
[email protected]
10/22/2007 6/6
Geotherm v 2.0
286
604 602
284
608 606
282
612 610
280
616 614
278
276
274
272
270
268
266
264
262
260
258
256
254
252
250
248
246
244
242
240
238
236
234
232
230
228
226
224
222
220
218
216
214
212
210
208
206
204
202
200
198
196
194
192
190
188
186
184
182
180
178
176
174
172
170
168
166
164
162
160
158
156
154
152
150
148
146
144
142
140
138
136
134
132
130
128
126
124
122
120
118
116
114
112
110
108
98
106
104
96
102
94
100
92
90
88
86
84
82
80
78
76
74
72
70
68
66
64
62
60
58
56
54
52
50
48
46
44
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
8
14
6
12
4
10
2 620 618
