Modelleren van ondergrondse stroming van water: verliezen en winsten
Manel Rahrah
Dagelijks begeleider: Fred Vermolen
Plaats van afstuderen:
Veurse Achterweg 10
2264 SG Leidschendam
Begeleiders Fugro GeoServices BV:
B. Snacken, MSc
Ir. H.G.J.W.A. Wolfs
Afstudeeropdracht aangedragen door: Stichting O2DIT (Onderzoek en Ontwikkeling Duurzame InfiltratieTechnieken)
start van afstuderen: december 2011
In juni 2012 is de
scriptie
verschenen en een
presentatie
gegeven.
De afstudeeropdracht is in oktober 2012 afgerond met het schrijven van het
afstudeerverslag
en het geven van de
afstudeervoordracht.
Huidige adresgegevens etc. zijn te vinden op onze
alumnipagina.
Korte omschrijving van de afstudeeropdracht:
Dit M.Sc-onderzoek wordt uitgevoerd bij Fugro GeoServices, een van de grootste ingenieurs- en adviesbureaus in Nederland en marktleider met diensten op het gebied van Geo-Onderzoek, Geo-Informatie en Geo-Advies.
Technische Relevantie
In Nederland is de freatische grondwaterstand over het algemeen ondiep onder het maaiveld gelegen. Om bouwputten met een ontgravingsniveau tot onder de grondwaterstand in den droge te realiseren dient de grondwaterstand te worden verlaagd. Hiervoor worden bemalingsinstallaties aangebracht. Een bemalingsinstallatie bestaat meestal uit verticale filters of diepe bronnen waarvan de filters geinstalleerd zijn in de zandlagen waaruit grondwater wordt onttrokken. De onttrekking van het grondwater wordt zo afgesteld dat de grondwaterstand en/of stijghoogte tot voldoende diepte onder de bouwputbodem wordt verlaagd. Door de onttrekkingen zal de grondwaterstand ter plaatse van en in de omgeving van de bouwput worden verlaagd. De verlagingen zijn het grootst direct naast de bouwput en nemen bij toenemende afstand af.
De (milieu)regelgeving staat meestal niet toe dat grote hoeveelheden onttrokken grondwater geloosd wordt op oppervlaktewatersystemen, zoals: rivieren, kanalen, sloten of naburige meren. Ook het riool is vaak geen oplossing gezien de (vaak) beperkte capaciteit. Een oplossing hiervoor is het retourneren van het onttrokken grondwater in de bodem. Het injecteren van grondwater verhoogd echter de grondwaterstand in en rondom de retourbronnen. Retourneren met een traditionele retourbemaling gaat gepaard met een rondpompeffect waardoor het waterbezwaar groter wordt wanneer de retourlocatie zich dicht bij de projectlocatie bevindt. Het terugslageffect kan worden verminderd door de afstand van het retourveld tot de bemaling te vergroten. Om ter plaatse van de bouwput voldoende verlagingen te verkrijgen dient het onttrokken grondwater daarom op relatief grote afstand van de bouwput terug in de bodem te worden gebracht. De afstand van het retourveld is afhankelijk van de geohydrologische parameters, de hoeveelheid te onttrekken grondwater en het percentage dat hiervan zal moeten worden geinjecteerd. Voor een gering terugslageffect van minder dan 25% kan dit inhouden dat het retourveld op meerdere honderden meters afstand van de bemaling moet worden ingericht.
Zowel in de praktijk als in de theorie is bekend dat er 'injectiepunten' in de ondergrond voorkomen. Op dergelijke punten neemt de grond beduidend meer water op dan op andere diepten op een dergelijke locatie. Een van de oorzaken van dit fenomeen is de heterogeniteit van de ondergrond. Ter plaatse van een injectiepunt wordt een beduidend hogere doorlatendheid verwacht.
Door gebruik te maken van deze 'injectiepunten' voor het injecteren/retourneren van het onttrokken grondwater is gebleken dat grondwater geretourneerd kan worden op een (zeer) korte afstand van de onttrekkingsmiddelen zonder de gebruikelijke nadelige effecten van een retourbemaling o.a. terugslageffect (hoger waterbezwaar) en wateroverlast door grondwaterstandsverhogingen. Ook lijken praktijkmetingen aan te geven dat, naarmate de injectiemiddelen dichter bij de onttrekkingsmiddelen zijn geinstalleerd, de verlagingen ter plaatse van de bouwput sneller bereikt worden en het invloedsgebied van de onttrekking verder wordt beperkt. Uitgangspunt is dat de injectiepunten en injectiefilters van de retourbronnen dieper moeten zijn aangebracht dan de onttrekkingsfilters.
Het bovenbeschreven effect is inmiddels ook in proefprojecten vastgesteld waarbij de onttrekking en injectie gecombineerd worden in een bronlocatie, waarbij het grondwater met een filter in het bovenste deel van een bron wordt onttrokken en vervolgens in een filter in het onderste deel van de bron wordt geinjecteerd. De resultaten geven aan dat ook in deze situatie de grondwaterstand/stijghoogte zeer significant verlaagd kan worden.
De vraag kwam oorspronkelijk van Werner Wils en bemalingsbedrijf Henk van Tongeren Bronbemalingen BV. Meer informatie over de industriele relevantie kan worden gevonden in dit
rapport.
Onderzoeksvraag
Injectie van onttrokken grondwater in de bodem, in zand/grindformaties, waaruit het is onttrokken verhoogd de grondwaterstand rondom het injectiepunt. De klassieke hydrologische modellen gaan uit van berekeningen volgens het superpositie beginsel en laminaire grondwaterstroming volgens de Darcy vergelijking. Bij gelijke geohydrologische parameterisatie en configuratie van de onttrekkings- en infiltratiemiddelen is de verlaging van de grondwaterstand/stijghoogte door de onttrekking gelijk aan de verhoging van de stijghoogte door de gelijke injectie (beginsel van superpositie). Wordt op dezelfde locatie onttrokken en weer 100% geinjecteerd dan treedt, volgens de wet van Darcy, geen verlaging of verhoging op.
Bij een nieuwe techniek van injecteren, waarbij wordt geinjecteerd (met doorgaans hoge druk) over een zeer beperkte filterlengte ter plaatse van een 'injectiepunt', blijken de metingen zeer significant af te wijken van de te verwachten waarden op basis van de klassieke wet van Darcy. Kenmerkend voor een injectiepunt is dat de ondergrond op dat niveau meer water opneemt dan op andere niveaus in de ondergrond. Dit impliceert een lokaal hogere waterdoorlatendheid. Ook als met deze lokaal hogere waterdoorlatendheid rekening wordt gehouden komen de metingen van de verlagingen en verhogingen van de grondwaterstand/stijghoogte niet overeen met de resultaten van berekeningen met de vergelijking van Darcy. De premisse is dat ter plaatse van het injectiepunt de grondwaterstroming niet laminair is en dat de vergelijking van Darcy daarom niet geldig is.
Onderzoeksaanpak
Een onderzoeksgroep aan de Universiteit van Stuttgart, onder leiding van prof. Helmig (Institut fur Wasser-und Umweltsystemmodellierung), is betrokken bij onderzoek van hydrologische modellen die gebaseerd zijn op het Darcy-Forchheimer formalisme voor de relatie tussen druk en vloeistofsnelheid. In deze benadering van grondwaterstromingen in poreuze media komt een kwadratische term voor de snelheid voor. In deze toepassing kan de snelheidsterm aanzienlijk zijn waardoor de aard van de grondwaterstroming kan veranderen. Zaak is om als eerst te onderzoeken of deze extra term turbulentie van grondwaterstroming kan veroorzaken.
Daarnaast zal de invloed van anisotropie in de doorlaatendheidsterm worden verwerkt, waarbij de doorlatendheid in de normale horizontaal gerichte stroming afhankelijk is van de grootte (van de tangentiele richting) van de stroming. Dit zal verticale gerichte stroming belemmeren waardoor het geinjecteerde water zal worden toegestaan door te dringen in de bodem over een grotere afstand. Een tweede taak in dit project is het kwantificeren van de relatie tussen de omvang van de stroming, verandering in de doorlatendheidstensor (met name de normale horizontale richting) en de afstand waarover het water stroomt in (een bijna) verticale richting.
Een ander aandachtspunt zal zijn dat, bij met name turbulente stroming, drukvariaties optreden in het poreuze medium. Zand/grindlagen zijn geen starre, maar een min of meer elastische matrix. Variaties in druk door het turbulent stromende water zullen zekere trillingsfrequenties oproepen in het poreuze medium. Deze trillingen zouden bij een bepaalde frequentie van eminent belang kunnen zijn om het gemeten fenomeen te verklaren/te beschrijven. Voortplanting van trillingen zou ook de relatief grote reikwijdte van het fenomeen rondom een injectiepunt kunnen verklaren.
Terwijl het tweede deel van de opdracht een aanpassing van een fysisch model betreft zodanig dat de experimentele resultaten rekenkundig kunnen worden gereproduceerd, zal de derde taak leiden tot een meer gecompliceerd, maar ook een meer fysische benadering van de modelaanpassing. In deze benadering zal gebruik worden gemaakt van de theorie van Biot voor poro-elasticiteit, waarbij stroming in poreuze media wordt gecombineerd met mechanische vervormingen van de aquifer waarin wordt geinjecteerd. Mechanische vervormingen van het poreus media zal de porositeit veranderen, wat zal resulteren in veranderingen in de permeabiliteit. In dit onderdeel zal geanalyseerd worden of poro-elasticiteit een bijdrage kan leveren aan het begrijpen van het langdurige horizontaal stromingspatroon in de ondergrond ter plaatse van een injectiepunt. Vervolgens kan inzicht worden verkregen in de stromingspatronen door elasticiteit en de poro-elasticiteit van het poreus media met de Darcy-Forchheimer's formalisme in de modellen te combineren. Deze aanpak heeft een zorgvuldige discretisatiemethode nodig, omdat een (niet-lineair) zadelpunt-probleem moet worden opgelost.
De simulatie software zal grotendeels moeten worden ontwikkeld, bovendien zullen sommige simulaties met behulp van de code, ontwikkeld aan de universiteit van Stuttgart, worden uitgevoerd.
Bouwlocatie met innovatieve waterafvoer
DSI-retourfilter
Contact informatie:
Kees
Vuik
Terug naar de
home page
of de
afstudeerpagina van Kees Vuik
English
