Geohydrologie

1.Geohydrologisch vooronderzoek

Bij bodemenergiesystemen wordt gebruik gemaakt van de bodem en het grondwater. Het is daarom belangrijk om de situatie in de ondergrond goed in beeld te brengen.

Het doel van een geohydrologisch (voor)onderzoek is het beoordelen van de ondergrondse haalbaarheid van het opslagsysteem en in een vroeg stadium vast te stellen of er mogelijk technische knelpunten zijn. Bij een geohydrologisch vooronderzoek wordt doorgaans ook al een globaal bronontwerp gemaakt. Ook een globale kostenraming kan onderdeel zijn van het vooronderzoek.

In de ondergrond van Nederland komt vrijwel overal een watervoerende laag voor, die geschikt zou zijn voor open bronnensystemen. In hoeverre energieopslag daadwerkelijk mogelijk is op een specifieke locatie, hangt niet alleen van de aanwezigheid van een watervoerende laag af, maar bijvoorbeeld ook van de grootte van het systeem en van waterkwaliteitsaspecten. In de wkotool kan een snelle indicatie verkregen worden van de bodemgeschiktheid. Een uitgebreide haalbaarheidsstudie kan door een geohydrologisch bureau worden uitgevoerd.

In het SIKB-protocol 11001 worden eisen gesteld aan het vooronderzoek protocol.

2.Bodemopbouw

Boringen

Als in Nederland een boring wordt gemaakt, wordt op basis van de uitkomende grond een boorbeschrijving opgesteld. De boorbeschrijving geeft een beeld van de bodemopbouw ter plaatse: een opeenvolging van grind, zand, klei en veen. In Nederland worden de boorbeschrijvingen door TNO verzameld in Dinoloket, figuur 1. Deze boorbeschrijvingen kunnen worden ingezien op dinoloket. Een boorbeschrijving geeft een goed beeld van de bodemopbouw in de directe nabijheid van waar de boring is geplaatst.

Figuur 1. Voorbeeld uit DINOLoket met selectie boringen tot 60 meter diepte

Dwarsprofiel

Voor de plekken waar er geen boringen zijn geweest heeft TNO het verloop van de lagen tussen boorlocaties geïnterpoleerd in modellen van de ondergrond. Om de bodemopbouw van een bepaald gebied te bepalen, kunnen uit deze modellen een dwarsprofiel worden ingezien. Nabijgelegen boringen hebben vaak dezelfde opeenvolging van zand- en kleilagen. Aan de hand van deze gegevensbasis wordt de bodemopbouw van het gebied afgeleid (figuur 2). Op de website van DINOLoket kunnen over heel Nederland dwarsprofielen van de bodem worden gemaakt.  Met de appelboor kan voor een specifieke locatie ook eigenschappen zoals de doorlatendheid uit het model worden opgevraagd.

Figuur 2. Voorbeeld van dwarsprofiel uit REGIS, 1 van de type ondergrond modellen die beschikbaar is op Dinoloket. Voor het bepalen van de geschiktheid van de ondergrond voor OBES en/of GBES is REGIS in de meeste gevallen en geschikt model.

Watervoerend pakketten en scheidende lagen
Grondwater stroomt relatief gemakkelijk door zandlagen. Een uitgestrekte zandlaag wordt een watervoerend pakket of aquifer genoemd. Een klei- of veenlaag wordt een scheidende laag of aquitard genoemd, want grondwater stroomt moeilijk door klei en veen.

De indeling van de bodem in watervoerende pakketten en scheidende lagen is subjectief en hangt af van de schaal en het doel van de geohydrologische studie. Zo wordt bijvoorbeeld een dunne kleilaag van enkele decimeters dik niet altijd aangemerkt als een scheidende laag. Voor het doorrekenen van bemaling van een bouwput van 5 meter diep wordt een andere geohydrologische schematisatie gebruikt dan voor het berekenen van de effecten van een energieopslagsysteem op 180 meter diep.

Figuur 3. Voorbeeld indeling watervoerende pakketten

Het is voor het ontwerp van de bronnen van belang om zo goed mogelijk inzicht verkrijgen in de bodemopbouw. Om de juiste keuzes te kunnen maken met betrekking tot indeling watervoerende pakketten, doorlatendheden bodem en theoretische capaciteit van de bron(nen). Wanneer onvoldoende inzicht in de bodemmogelijkheden aanwezig is, bestaat o.a. het risico dat:

• Bronnen in verkeerde (verboden) watervoerende pakketten worden afgesteld;
• De bodem onvoldoende capaciteit heeft voor de gevraagde vermogens;
• Niet voldoende afstand tussen filters van een monobron mogelijk is.

De te nemen stappen:

• Opstellen van een schema bodemopbouw met indeling beschikbare watervoerende pakketten
• Theoretische inschatting maken van doorlatendheid per pakket
• Inschatting aanwezigheid en weerstand scheidende lagen
• Berekening theoretische capaciteit van bron(nen);
• Inzicht in grondwaterstand en stijghoogtes
• Grondwaterstromingsrichting bepalen
• Controleren van waterkwaliteit op redox, zoet/zout/opgeloste gassen

3.Grondwaterstand en –stroming

3.1.Grondwaterstand en stijghoogte

In het grootste deel van Nederland wordt grondwater op een diepte van enkele decimeters tot enkele meters onder maaiveld aangetroffen. Het peil van het grondwater wordt de freatische grondwaterstand genoemd. Beneden de freatische grondwaterstand zijn de poriën in de bodem volledig verzadigd met grondwater. In diepere watervoerende lagen, die aan de bovenkant worden afgedekt door een scheidende laag, kan het grondwater onder druk staan: ‘spanningswater’. De druk van het diepe grondwater wordt gemeten in een peilbuis. De gemeten stand wordt stijghoogte genoemd (zie figuur 4). Als punten van gelijke stijghoogte voor een watervoerend pakket met elkaar worden verbonden, ontstaat een grondwater-isohypsen kaart (figuur 5). Deze kaarten en meer zijn te verkrijgen op grondwatertools.nl.

Figuur 4. Stijghoogte en grondwaterstand

Figuur 5. Voorbeeld van een grondwater-isohypsen kaart

3.2.Grondwaterstroming

Grondwaterstroming wordt veroorzaakt door drukverschillen in het grondwater. Deze drukverschillen zijn het gevolg van natuurlijke factoren zoals neerslag of hoogteverschillen in maaiveld. De drukverschillen kunnen echter ook ontstaan door activiteiten van de mens, zoals het onttrekken van grondwater voor drinkwatervoorziening of het inpolderen van gebieden. Drukverschillen worden uitgedrukt als een verhang in grondwaterstand of stijghoogte. Voor Nederland bedraagt het grondwater verhang doorgaans ongeveer 0,1 tot 1 meter per kilometer, zie figuur 6. Grondwater stroomt relatief langzaam. Voor Nederland moet worden gedacht aan een grondwaterstroming in de orde van grootte van 5 tot 20 meter per jaar. Lokaal kan de grondwaterstroming oplopen tot ongeveer 100 meter per jaar, bijvoorbeeld op de Veluwe of Utrechtse heuvelrug.

Een kubieke meter grond bevat ongeveer 0,3 m³ grondwater, het overige deel is korrelskelet. De porositeit van de bodem is ongeveer 0,3 (of één derde). De daadwerkelijke verplaatsing van het grondwater in de bodem is daarom circa drie maal zo groot als de grondwaterstroming, vanwege de porositeit.

Figuur 6. Grondwater-isohypsen kaart met stromingsrichting

Bij hoge stromingssnelheden van het grondwater kan een (groot) deel van de opgeslagen energie wegstromen van de bron zodat deze niet meer terug te halen is. In figuur 7 is te zien dat in noordwestelijk richting een groot deel van de opgeslagen energie wegstroomt. Deze thermische energie is door de bronnen niet meer terug te halen en is daarmee verloren voor het energieopslagsysteem. Er dient dan rekening mee te worden gehouden dat op het einde van het koel- of verwarmingsseizoen de natuurlijke grondwatertemperatuur wordt onttrokken. Dit heeft tot gevolg dat meer water moet worden verplaatst om dezelfde hoeveelheid energie richting het gebouw te kunnen leveren.

Figuur 7. Voorbeeld van afstroming van thermische energie door grondwaterstroming (situatie einde winter). Met grondwater simulatie software is in beeld gebracht hoe de temperatuur in de bodem zal zijn bij toepassing van OBES. 

3.3.Doorlatendheid, grondwaterstroming en hydraulische weerstand

De eigenschappen van een watervoerend pakket worden uitgedrukt in de doorlatendheidsfactor (k-waarde, uitgedrukt in m/dag). De k-waarde voor zand varieert van circa 1 m/d voor fijn zand tot 100 m/d voor grindhoudend grof zand. Voor het bepalen van de doorlatendheid van het hele watervoerend pakket, wordt de doorlatendheidsfactor vermenigvuldigd met de dikte van het pakket (kD-waarde, uitgedrukt in m²/dag). Een goed doorlatend pakket heeft een hoge doorlatendheid. De eigenschappen van een scheidende laag worden uitgedrukt in de hydraulische weerstand (c-waarde, uitgedrukt in dagen). Hoe dikker de kleilaag, des te hoger de weerstand.

Voor de grondwaterstroming v (m/d) geldt:

Bij een grondwaterverhang van 14 m/10km (zoals in figuur 6, i = 1.4 meter per 1.000 meter) en een k-waarde van 10 m/d, is de grondwaterstroming v = 0,014 m/d = 5 m/j. Dit is de zogenaamde ‘filtersnelheid’.

Voor de daadwerkelijke grondwaterverplaatsing (v_eff) moet rekening worden gehouden met de porositeit van de bodem (n):

Met een grondwaterstroming van v= 0,014 m/d en een porositeit van n= 0,3, bedraagt de grondwaterverplaatsing 0,05 m/d = 17 m/jaar.

4.Grondwaterkwaliteit

4.1.Redoxgrens

De zogenaamde redoxgrens (reductor-oxidator) is de grens tussen zuurstof- of nitraathoudend grondwater en ijzerhoudend zuurstofloos grondwater. Zuurstof- of nitraathoudend grondwater wordt doorgaans aangetroffen in de bovenste meters van een ondiep watervoerend pakket. Op sommige plaatsen (Veluwe, Utrechtse Heuvelrug) is zuurstofhoudend grondwater tot op een diepte van 80 meter aangetroffen, maar op de meeste plekken in Nederland is dat niet dieper dan enkele tot ca.20 m -mv. Grondwater beneden een scheidende laag is meestal ijzerhoudend (figuur 8).

Figuur 8 Schematische weergave van redox-grens in twee situaties. Links: Grondwater onder een kleilaag is meestal ijzerhoudend, de redox-grens bevindt zich in deze situatie in de afdekkende kleilaag. Rechts: In een freatisch watervoerend pakket (zonder afdekkende kleilaag) kan zuurstofhoudend grondwater tot op grote diepte voorkomen.

Ontwerpaspecten nabij redoxgrens

Bij open systemen kan menging van zuurstofhoudend en ijzerhoudend grondwater optreden in het geval het filter zowel in beide soorten grondwater is aangelegd, of als deze redoxgrens door de onttrekking tot in het filter wordt aangetrokken. Als zuurstofhoudend en ijzerhoudend grondwater met elkaar mengen, zal (onoplosbaar) ijzeroxide worden gevormd. Hierdoor treedt vlokvorming van ijzeroxide op met als gevolg dat de bron verstopt. Om dit te voorkomen dient het filter op voldoende afstand van de redoxgrens, volledig in grondwater van één kwaliteit te worden aangebracht.

4.2.Zoet en zout grondwater

In het westelijke en noordelijke deel van Nederland is het grondwater vanaf een zekere diepte zout (zie figuur 9 en 10). Het bovenste grondwater is zoet, op een bepaalde diepte gaat de grondwaterkwaliteit over naar brak of zelfs zout grondwater. De diepte van het zoet/brak grensvlak verschilt per locatie. In REGIS en in de Grondwaterkaart zijn gegevens over het zoet en zout grondwater opgenomen, daarnaast kan men bij TNO’s grondwatertools/ Grondwateratlas terecht voor waterkwaliteitsgegevens.

Zoet grondwater: chloridegehalte minder dan 150 mg/l
Brak grondwater: chloridegehalte tussen 150 en 1.000 mg/l
Zout grondwater:chloridegehalte boven 1.000 mg/l

Figuur 9. Voorbeeld waterkwaliteit in aquifers

Ontwerpaspecten bij brak en zout grondwater

De aanwezigheid van een voorraad zoet grondwater is van belang voor de drinkwatervoorziening. In het grondwaterbeleid van een aantal provincies wordt menging van zoet grondwater met brak of zout grondwater niet toegestaan. Voor een open energieopslagsysteem in een watervoerend pakket waarin een zoet/brak grensvlak aanwezig is, zal dan geen vergunning worden afgegeven. Er zal dan gekozen moeten worden voor aanleg in een ander watervoerend pakket, dat alleen zoet of alleen brak/zout grondwater bevat.

Bij ontwerp/ detailengineering van een open opslagsysteem in brak of zout grondwater moet rekening worden gehouden met de materiaalkeuze van de bronpomp en appendages van het grondwatercircuit: deze moeten bestand zijn tegen het hoge chloridegehalte (in praktijk betekent dit de keuze voor RVS316 in plaats van RVS304).

Bij aanleg van de bronnen van open en gesloten systemen moet rekening worden gehouden dat het werkwater (en ontwikkelwater bij open systemen) brak of zout is. Dit vormt een beperking voor de lozingsmogelijkheden van het werkwater.

Figuur 10. Diepte van het grensvlak tussen brak en zout grondwater (bron: TNO, 2007).

4.3.Opgeloste gassen in het grondwater

In het grondwater kunnen opgeloste gassen zoals stikstof en methaan aanwezig zijn, wat belangrijk is voor de minimaal aan te houden druk in het grondwatercircuit van open systemen. De druk moet zo hoog zijn, dat opgeloste gassen in het grondwater in oplossing blijven. In het geval dat de druk in het grondwatercircuit te laag is, bestaat het gevaar dat ontgassing van het grondwater optreedt. Bij infiltratie van het ontgaste grondwater in een bron, zal de bron direct verstoppen door de vele zeer kleine gasbelletjes in het water, die blijven steken in de filterspleten van het bronfilter.

In Nederland zijn concentraties methaan bekend tot 10 mg/l, met op enkele plaatsen uitschieters tot 100 mg/l (Stuyfzand et al, 1994).

De gasoplosbaarheid van stikstof bedraagt 17 mg/l bij 1 atmosfeer en 25°C. Van methaan is dit 22 mg/l. In het Nederlandse grondwater kunnen verder zuurstof, argon en kooldioxide van nature voorkomen, deze gassen hebben een grotere oplosbaarheid. Voorbeeld: bij 25 mg/l methaan en 15 mg/l stikstof moet in het grondwatercircuit 1 bar overdruk worden aangehouden om ontgassing te voorkomen.

Meer informatie:

• DinoLoket (NITG – TNO)
• Grondwaterkaarten
• wkotool.nl
• Protocollen
• wetenschappelijke literatuur over bronontwerp en hoe om te gaan met achtergrondstroming