Algemene geohydrologie en geohydrologische begrippen

Deze paragraaf geeft uitleg van de basisbegrippen om de kennis van de niet-geohydroloog te vergroten. Het is niet de intentie om een handleiding voor geohydrologische berekeningen te geven.

Stromingsprincipe

Volgens de experimentele wet van Darcy wordt het specifieke debiet in een grondlichaam bepaald door:

v = -k ∙ i (formule 4.1)

waarin:

Bij de beschrijving van de grondwaterbeweging is de ondergrond vaak geschematiseerd als een opeenvolging van weerstandbiedende en watervoerende lagen. Karakteriseer de hydraulische eigenschappen van de grond eenvoudig door verwaarlozing van de horizontale grondwaterstroming in de weerstandbiedende lagen en verwaarlozing van de verticale stroming in de watervoerende lagen (zie verderop in deze paragraaf).

Freatisch grondwater en (semi-)spanningswater

Maak bij de beschouwing van de geohydrologische situatie eerst onderscheid tussen 'freatisch water' en 'spanningswater'. Bij freatisch water is sprake van een watervoerende laag waarin de grondwaterspiegel (freatische grondwaterstand) zich vrij kan bewegen. Als een watervoerende laag aan de bovenzijde is afgedekt door slecht doorlatende of ondoorlatende lagen, heet dit respectievelijk semi-spanningswater en volkomen spanningswater. Dan is er geen directe relatie tussen de waterspanning (-druk) in de watervoerende laag en de freatische waterstand. In de Nederlandse bemalingspraktijk komt volkomen spanningswater eigenlijk niet voor.

Als er een filterbuis in de watervoerende laag wordt geplaatst, stijgt de waterstand in de peilbuis tot een bepaald niveau dat niet gelijk hoeft te zijn aan de freatische grondwaterstand. Indien de stijghoogte lager is dan de freatische grondwaterstand, is er sprake van inzijging (neerwaartse stroming) en in het omgekeerde geval van kwel (opwaartse stroming).

Een kenmerkend verschil tussen freatisch water en (semi-)spanningswater is het gedrag in de tijd. Vooral de mate waarin er veranderingen in de hoeveelheid in de bodem geborgen water optreden, bepaalt de snelheid waarmee de grondwaterstand zich bij een veranderde situatie aanpast. Deze bergingsveranderingen treden op bij verandering van de hoogte van het freatisch vlak of door de samendrukking van het korrelskelet en het poriënwater bij wijziging van de druk of de stijghoogte van het grondwater.

Bij (semi-)spanningswater is de bergingsfactor gering, waardoor de grondwaterstijghoogte zich in verhouding snel bij een veranderde situatie aanpast. Bij (semi-)spanningswater is daarom vaak een berekening van de stationaire eindsituatie voldoende. Bij freatisch water verloopt de aanpassing veel trager, omdat in verhouding veel water moet verplaatsen om het freatisch vlak te laten stijgen of dalen. Neem daarom bij een veranderende freatische grondwaterstand het verloop in de tijd mee in de berekening.

Geohydrologische bodemparameters en begrippen

Doorlatendheid en doorlaatvermogen

In het algemeen is in goed doorlatende grondlagen voornamelijk de horizontale grondwaterstroming van betekenis. Een kenmerkende eigenschap van deze grondlagen is het doorlaatvermogen.

Het doorlaatvermogen van een laag is gedefinieerd als het product van de gemiddelde horizontale doorlaatfactor k en de doorstroomde dikte D (kD).

Het doorlaatvermogen van een gelaagd pakket (kD-waarde) is het product van de gemiddelde horizontale doorlaatfactor kh en de totale laagdikte D. Bepaal de gemiddelde horizontale doorlaatfactor kh van een gelaagd pakket uit het rekenkundig gemiddelde van de horizontale doorlaatfactoren van de te onderscheiden grondlagen, in formule:

k_h ∙ D = k₁ ∙ D₁ + k₂ ∙ D₂ + ... + k_n ∙ D_n (formule 4.2)

waarin:

Onder veldomstandigheden worden voor de verschillende grondsoorten waarden gevonden in de orde van grootte voor de doorlaatfactor zoals weergegeven in tabel 1. In de tabel is te zien dat per onderscheiden grondsoort sprake kan zijn van een aanzienlijke spreiding in doorlaatfactor. Kennis en ervaring van lokale omstandigheden en het gebruik van gegevens van eerder uitgevoerde bemalingen zijn een belangrijk aspect bij het toekennen van waarden van de doorlaatfactor. Voer onderzoek uit om meer inzicht te krijgen in de doorlaatfactor, en zo de spreiding in de uitkomsten van de berekeningen te reduceren.

Stromingsweerstand

In slecht doorlatende grondlagen treedt doorgaans een voornamelijk verticaal gerichte grondwaterstroming op. De verticale hydraulische of stromingsweerstand (c-waarde) bepaalt het gedrag van deze lagen. Het quotiënt D/k_v (D = dikte van de individuele scheidende laag; k_v = gemiddelde verticale doorlaatfactor) vormt de c-waarde. De relatie tussen verticale weerstand en verticale doorlatendheid is vaak niet eenduidig en wordt sterk beïnvloed door de inhomogeniteit van de bodem. Voor een benadering van de gemiddelde verticale doorlaatfactor k_v is deze af te leiden uit het harmonisch gemiddelde van de (verticale) doorlaatfactoren volgens:

D/k_v = D₁/k₁ + D₂/k₂ + ... + D_n/k_n (formule 4.3)

waarin:

De som van de afzonderlijke c-waarden bepaalt de totale c-waarde van een gelaagd pakket; dat is het quotiënt ΔD/k_v, gesommeerd over de totale laagdikte D:

c = Σ(ΔD/k_v) (formule 4.4)

Bergingscoëfficiënt

Een andere belangrijke geohydrologische parameter is de bergingscoëfficiënt ('S' voor semi-gespannen en gespannen watervoerende pakketten, 'μ' voor freatische pakketten). De bergingscoëfficiënt geeft per oppervlakte-eenheid aan hoeveel water geborgen kan worden bij een toename van de grondwaterstijghoogte met 1 meter.

Bergingsveranderingen treden op bij een verandering van de hoogte van het freatisch vlak of door het samendrukken van het korrelskelet en het poriënwater bij een wijziging van de druk of de stijghoogte van het grondwater.

Afhankelijk van de omstandigheden worden voor de genoemde bergingsfactoren waarden in de volgende orde van grootte gevonden:

Voor S bestaan benaderingsmethodieken waarin een relatie met de diepteligging van het watervoerend pakket is verwerkt. Voor μ is een dergelijke benadering niet voorhanden.

Voor beide gevallen geldt dat een pompproef de beste methode is om de bergingscoëfficiënt (indirect) af te leiden.

Invloedssfeer, reikwijdte en spreidingslengte

Theoretisch wordt in een oneindig uitgestrekte watervoerende laag, die niet gevoed wordt door nuttige neerslag of water uit aangrenzende watervoerende lagen, geen stationaire eindtoestand bereikt. In de praktijk zijn de invloedssfeer, de reikwijdte en de spreidingslengte λ beperkt door verschillende vormen van voeding:

• neerslag;
• voeding uit open water;
• nalevering (kwel, inzijging) uit aangrenzende waterremmende en watervoerende lagen.

waarin:

Bereken de reikwijdte voor relatief kortdurende bemalingen met de empirische formule van Sichardt (deze formule is alleen geldig voor de eerste 4 à 7 dagen bemalen):

R = 3000φ√k (formule 4.6)

waarin:

Of bij benadering met de doorlaatfactor in m/dag:

R ≈ 10φ√k (formule 4.6a)

Bereken voor langer durende bemalingen kan de reikwijdte (R) met

R = 1,12 . λ waarbij λ = √kDc (formule 4.6b en c)

Verwar de reikwijdte niet met de invloedsfeer. Dit is de maat voor de afstand met merkbare invloed (verlaging kleiner of gelijk aan 0,05 meter, zie figuur 10) van de bemaling. De karakteristieke lengte, leklengte of spreidingslengte λ bepaalt de invloedsfeer in (semi-)spanningspakketten:

I = 3 tot 5 . λ waarbij λ = √kDc (formule 4.6d en c)

waarin:

Bedenk bij de bepaling van de lambda (bijvoorbeeld bij controle van bemalingen of het analyseren van pompproeven) dat de stromingssituatie nabij de bemaling of de pompproefput wel stationair kan zijn, maar op grotere afstand nog (lang) niet. Dit betekent dat op afstand de lambda met toenemende afstand en tijd toeneemt.

Onvolkomenheid

Wanneer de onttrekkingsmiddelen bij een bemaling niet tot aan de onderkant van de watervoerende laag waarin ze zijn geplaatst reiken, heet dit een onvolkomenheid van de bemaling. Het verschil tussen een volkomen en onvolkomen bron is in figuur 12 weergegeven. Bij een onvolkomen bemaling is het onttrokken debiet lager dan bij onttrekkingsmiddelen die de watervoerende laag over de gehele hoogte aansnijden.

Deze onvolkomenheid wordt uitgedrukt met een factor α die te bereken is met de formule van Forchheimer:

waarin:

waarin:

Van deze formule staan enkele waarden in tabel 2.

Betrouwbaarheid van parameterwaarden

Er zijn veel empirische relaties om een schatting te maken voor de geohydrologische, grondmechanische en bodemkundige parameterwaarden. Bijvoorbeeld de onderlinge relaties tussen de doorlaatfactor en de granulaire samenstelling en tussen de dikte en diepte van een watervoerende laag en de bergingsfactor S.

Een andere methode om de waarden van de verschillende parameters te schatten, is gebruik te maken van de gegevens en de ervaringscijfers uit vergelijkbare situaties in de omgeving; hierbij spelen vooral de regionale omstandigheden een belangrijke rol. Voor de verschillende slecht doorlatende grondlagen is eveneens per regio een relatie te vinden tussen de laagdikte en de gemiddelde verticale hydraulische weerstand. Het blijkt dat vooral het voorkomen van inhomogeniteiten (discontinuïteiten, diktevariatie of variërende laagsamenstelling) in waterremmende lagen sterk bepalend is voor het gedrag van het geohydrologisch systeem.

Regionale kennis en ervaring is onontbeerlijk en bepalen in sterke mate de nauwkeurigheid van de schattingen. Bekijk met een gevoeligheidsanalyse welke parameter de uitkomst het meest beïnvloed. Om het effect van variatie in parameterwaarden in de uitkomsten te bepalen, kan het zinvol zijn een bandbreedteanalyse uit te voeren. Verricht geohydrologisch onderzoek als er behoefte bestaat om de parameterwaarden met een grotere nauwkeurigheid te kunnen inschatten, zie hoofdstuk 3.

Superpositiebeginsel

In de meeste situaties is de verlaging, respectievelijk de verhoging van de grondwaterstijghoogte, op elke plaats en diepte, evenredig met het debiet waarmee wordt onttrokken of geïnfiltreerd.

Het gezamenlijke effect van verschillende onttrekkingen en infiltraties zijn bij een dergelijk lineair systeem zichtbaar in de som van de verlagingen, respectievelijk verhogingen, veroorzaakt door de afzonderlijke onttrekkingen en infiltraties.

Meteorologische factoren

De invloed van de neerslag gedurende de verschillende seizoenen komt meestal tot uiting in een gemiddeld hoogste grondwaterstand (GHG) omstreeks april, en een gemiddeld laagste grondwaterstand (GLG) omstreeks september. Bij een lineair systeem is het niet nodig de invloed van de neerslag apart in de berekening mee te nemen. Neem de neerslag die in de bouwput of sleuf valt wel separaat in de beschouwing mee. Afhankelijk van de situatie kan de neerslag een groot deel van de af te voeren hoeveelheid water zijn waarop de bemalingsinstallatie moet zijn/worden gedimensioneerd. Verdisconteer de betreffende invloed dan in de grondwaterstanden waarmee wordt gerekend; respectievelijk de GHG voor een natte situatie, de GLG voor een droge situatie of de gemiddelde grondwaterstand (GG) voor een gemiddelde situatie.

Geohydrologisch systeem en randvoorwaarden

Om de berekeningen op de juiste wijze uit te voeren en de resultaten op juistheid te kunnen beoordelen, is kennis van het (geo)hydrologisch systeem essentieel. Inzicht in de verschillende waterstromen en de waterbalans in combinatie met hydrologische randvoorwaarden is noodzakelijk. Een belangrijk aspect is het opleggen van randvoorwaarden aan het model en het opzetten van een voldoende groot model. Zet het model zo op, dat het effect van de bemaling (of andere ingreep) niet verder reikt dat de modelrand. Modelleer de modelrand op de afstand van de bemaling tot het betreffende object als er een fysische randvoorwaarde is, zoals een open water met vast peil of waterdicht scherm. Modelleer de modelrand niet op een te kleine afstand met een vast stijghoogte, want dan wordt een te hoog debiet berekend en een te klein invloedsgebied.

Als open water aanwezig is binnen het invloedsgebied van de bemaling, is inzicht in kenmerken zoals de wijze waarop het open water wordt gevoed en de bodemweerstand, van belang. De bodemweerstand van een sliblaag kan in de tijd door onderhoud (baggeren of verdiepen) veranderen. Als sprake is van een geïsoleerde vijver kan deze worden leeggemalen, waardoor het effect op het waterbezwaar relatief gering is. Is echter sprake van een open water dat op een vast peil wordt beheerd, zal dit open water de bemaling blijven voeden bij een geringe bodemweerstand. In dat geval zullen de verlagingen deels of volledig worden gedempt. Als de bodemweerstand groot is kan de toestroom vanuit het open water beperkt zijn en kunnen de verlagingen tot aan de andere zijde van het open water reiken.

De voeding van het grondwatersysteem is gelijk aan het neerslagoverschot, waarbij sprake is van enige vertraging. De daadwerkelijke aanvulling hangt, afhankelijk van de periode, echter af van de bergingscoëfficiënt (zomerperiode) en de drainageweerstand (winterperiode). In droge perioden is er geen voeding. Neerslag kan in verhard gebied soms volledig afvoeren naar open water, waardoor de voeding van het grondwater aanzienlijk minder, tot nihil kan zijn. Ook kan versnelde afvoer via drainage naar open water plaatsvinden.

Als in de omgeving drainage aanwezig is, kan dit leiden tot het aantrekken van grondwater uit de drains. Hierdoor wordt grondwater uit een grotere omgeving onttrokken dan dat daar zonder drains sprake van zou zijn. Naast een toename van het waterbezwaar, kan dit ook leiden tot een aanzienlijk groter invloedsgebied van de bemaling.

Dergelijke factoren zijn, afhankelijk van de situatie, in meer of mindere mate van invloed op de uitkomsten, waardoor inzicht in het (geo)hydrologisch systeem onmisbaar is bij het uitvoeren en op waarde beoordelen van berekeningsresultaten.