Hydrologie en chemie van grondwater in de ... - VeldwerkPlaatsen

Lysimeters: N = P – E (- ∆B)EPE∆B∆BNSoilNSoilDischargemeasurementRubber cushion filled with fluidDischarge measurement4

De beroemde lysimeters Castricum (625 m 2 , 2.5 m d, 1941)deels gesloopt in 2001!!Lys.1Lys.3Lys.2Lys.45

Piezometernestenen minifilters8

DuingebiedSantpoort –Camperduin:veelveranderingen(Stuyfzand, 1993)Bergen10

Verschillende zoete, brakke en zoutewaterlichamen (Stuyfzand, 1993 p128)11

Het Ghyben-Herzberg principe van zoetgrondwater drijvend op stagnant zoutgroundwater (Stuyfzand, 1993 p.83)Algemene aanname: Z∞ = 40H∞(∆ρ = 0.025 kg/L)12

Zoetwaterlens met afwijkende H-Z tovBadon’s principe (Stuyfzand & Bruggeman, 1994)13

Gemiddelde jaartotaal regenval op AWD en snellerespons grondwater op buien (Stuyfzand, 1993)Moisture front: 1m/week14

Lys Natuurlijke grondwateraanvulling kustduinenhangt sterk af van begroeiing: gemidd 1957-1981mm/yearBare dune Dune shrub Oaks (Quercus Pines (Pinussand (Hippophae robur) nigra)Gross precipitation 820 820 820 820Interception 0 162 230 360Soil evaporation 197 174 115 150Transpiration 0 139 170 170Excess precipitation 623 345 305 140(76% ) (42% ) (37% ) (17% )15

Door klimaatverandering meer grondwateraanvulling?Flip Wiite, Ruud Bartholomeus, Gijsbert Circel, Pierre Kamps25023021019017015030 year backward moving avareage (mm/yr)Autumn: +14%Summer: -2%Winter: +21%Spring: +14%CO2-toename1301101935 1960 1985 2010Huidmondjesgaan dichtDrogerebodem minder veg minderEvap16

Waterafstoting zeerdroog zand• Verminderde infiltratiecapaciteitduinbodem significante toename oppafvoer en erosie langshellingen.• Afname grondwateraanvullingonderduintoppen en toenamerichting duinvalleien verdroging droge duinen,vernatting duinvalleien.17

Oppervlakkige afvoer regenwater langsduinhelling (plot Meyendel)18

Duinzand infiltreert niet altijd voldoende snel19

Jaartotalen grondwateronttrekking aan duinen en KIO,alsmede aantal PSs1000Zeeland36HollandOnttrekking [Mm3/j]1001010.10.01W addeneilandenKunstm atige infiltratieAantal PSs302418126Aantal PSs Nederlandse kustduinen0.0011850 1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000020

Jaartotalen grondwateronttrekking aan duinen (KIOincl. ) en de sluiting van veel duinwaterpompstations250200W addeneilandenHollandZeelandOnttrekking [Mm3/j]15010050Aantal PSs Winning Mm3/jDuin KIO Duin KIO1939 26 0 64 01955 26 3 88 32008 6 8 3 187= 15% drw prod01850 1860 1870 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 200021

Gemetengrondwaterstandenin1850, 1910,1974 en dedaling 1850-1981 inKennemerduinen1800-185019101974 1981-1850(Stuyfzand 1987p48)22

Afleiding oude grondwaterstand van hoogtegefossiliseerde duinvalleien (Stuyfzand 2005)DUNE FIXATION THROUGH:1 Closure/heightening of foredune ridge2 Plantation of marram grass3 Spreading of twigs and branches4 Afforestation5 Rabbit hunting6 Agricultural activities23

Grondwaterstandsdaling in duinen(Stuyfzand, 1993)24

Droogmakerijen, diepe polders en grondwaterwinning snelle veranderingen (Stuyfzand, 1996)25

Verzilting en effecten KIO tNv Den Haag(Stuyfzand, 1993 p.97)26

Kunstmatige infiltratie in Nederland sinds 1940,thans 12 locaties: goed voor 200 Mm 3 /y, ca 16%van nationale drinkwatervoorziening27

Waarom KIO tbv drinkwatervoorzieningin W-Nederland?Motivatie 1940-50:• Duidelijk tekort aan zoet water (grote steden)• Dalende grondwaterstanden• Verzilting van pompputten en drainagesystemen• Verdroging natuurgebiedenVoordelen t.o.v direct gebruikoppervlaktewater:• Afvlakking kwaliteitsfluctuaties opp.water• Veilige berging in ondergrond• 100% Eliminatie zwevend stof en pathogenen• Zelfreiniging vele verontreinigingen incl. radionucliden• Smaakverbetering, ecologischer imago drinkwater28

Bronnen van infiltratiewater: D,G: Maas (69 Mm 3 , 39%) A-C: Rijn (77 Mm 3 , 44%) E: Ysselmeer (14 Mm 3 , 8%)29

Herkomst drinkwater 1853-2000 uit deDuinwaterwinplaats Amsterdammillion m 3 /year8070605040302010018501860Infiltrated river waterConfined dune waterShallow, phreatic dune waterNatural recharge1870188018901900191019201930194019501960197019801990200030

Bodemverstopping infiltratiepanden was vóór1976 normaalSlib vooral bestaande uitalgen + kalk. bestrijdingeutrofiering nodig !31

Bodemverstopping eenvoudig vast testellen32

Vergelijking van verstopping + eutrofiering bij KIO in2 verschillende gebieden: links OK, rechts foutKwelplas H16, dicht bij Inf.plasmet hypertroof polder waterInf geul 6, ver voorgezuiverdRijnwater 1x/15 jaar1-2 x/jaar slibruiming inf.plas33

Riet zou slibvorming kunnen tegengaan enwaterkwaliteit kunnen verbeteren (verg.helofytenfilters)34

Slibverwijdering WLB (thans 1x/15 jaar ca.)35

Toename duurzaamheid door OINS:Open Infiltratie Nieuwe StijlSanering stroomgebied waaruit opp.water betrokken wordtImplementatie EU richtlijnen voor KIO tbv drinkwatervoorziening(IB 1993) :1) Max. toelaatbare concentraties2) Beperkt houden ruimtelijke verspreiding kunstmatige infiltraat(gesloten systeem)3) Schoonmaak wanneer system verlatenInpassing KIO-systeem in natuurlijke landschap door:a) Van monotone geulen naar meer natuurlijke waterlopen(reductie helling oevertalud, baaien + eilandjes)b) Verdere voorzuivering (PO4 verwijdering, GAC, UV+H 2 O 2 ),reductie kalkagressiviteit + oxid cap (vnl NO 3 ) influentc) Diepinfiltratie ipv open infiltratied) Verplaatsing zuivstation/gebouwen naar terrein buiten duine) Stop onnatuurlijke fluctuaties waterpeilen en slibruimingf) Vergroting capaciteit door intensivering ipv uitbreiding36

Onderwaterslibverwijdering door een robot (VanDuijvenbode & Olsthoorn, ISAR-4 2002)Mobiele robot37

Effecten zeespiegelstijging op zoet-zoutgrensvlak freatische kustaquiferOude Essink 1996 p44H = sqrt{N (0.25 B 2 – x 2 ) / [K H(1 + γ) γ]} met γ = (ρ S– ρ F)/ ρ F38

Duinwater heeft een bijzondere èn goedekwaliteit: ook bekend bij bierbrouwers17611810180439

Echter … Duinrel Overveen (Stuyfzand 2003)40

Duinrel met kwelzones(Stuyfzand, 2003)41

Ca. 1 jaar na plaggenalweer een weligevegetatie in duinrel bijOverveen(Stuyfzand, 2003)42

Typische opeenvolging hydro(geo)chemischeprocessenPrecipitationDissolution of aerosolsconcentration by evaporation and transpirationSurfacewater Dissolution of soil CO2Silicate weatheringCarbonate dissolutionFresh groundwaterBreakdown of organic matter (redox)Cation exchangeSaline groundwaterMixingcation exchange43

Invloed dennen op aanvulling en concentratiesCl en NO 344

Invloed van atmospherisch ‘zee zout’ enevapo(transpi)ratie op chloride in duinwater45

Filtratie van zeezout door een dennenbos46

Een vegetatie waterlens op een hellendegrondwaterspiegel, met dikteberekening(Stuyfzand 1993, p.195-196)D X = -N X dX / (K H dH) [m];t d = n d / N [days; if d < D X and d

Duinveen-waterlenzen: verbreiding enstijghoogten, mei 1990 (Stuyfzand & Luers, 1991)48

Invloed begroeiing op chem samenstelling duinwater:drainagewater lysimeters Castricum 1980-1983Para- Eenheid BulkLysimeters 1-4meter Neerslag Kaal Ddoorn Eiken DennenD of P mm/j 829 653 311 289 119Temp oC 9.9 8.8 8.3 8.2EC 20oC uS/cm 69 272 692 682 2161pH - 4.66 7.96 7.42 7.38 7.41Cl mg/L 11.5 16.1 63.3 79.1 435SO4 mg/L 7 16.5 50.8 47.4 304HCO3 mg/L

Veranderingen in chem samenstelling ondiepduingrondwater (bovenste 5 m), laatste 100 jaarKALKRIJKVerandering tov 1980mg/L 1910 1980 1987 2007 HoofdoorzakenCl 52 83 68.3 44.5 Minder zeezout, meer regenSO4 25 69 46.8 18.6 Minder SO2-emissieNO3 1 26 11.2 6.2 Meer uptake, Hogere grw-spiegelCa 100 121 98.9 94.3HCO3 244 250 250 253 Minder atm. zuurpH 7.45 7.3 7.12 7.38KALKARMVerandering tov 1980mg/L 1910 1980 1987 2007 HoofdoorzakenCl 33 55 74 63 Meer begroeiing, minder zeezoutSO4 14 39 32.9 19.3 Minder SO2-emissieNO3 1 16 1.2 0.6 Meer uptake, Hogere grw-spiegelCa 9 17 11.7 10.5HCO3 44 24 19 22 Minder atm. zuurpH 7.0 5.9 5.8 6.050

Ontkalking is meest belangrijkehydrogeochemische proces• Als voltooid, dan treedt verzuring op• Waterkwaliteit achteruit door toenameconc’s H, Al, zware metalen• Vegetatie zal veranderen: eersteutrofiering door mobilisatie PO 4 , danvan kalk- naar zuurminnend• Landoppervlak zal iets zakken tgvoplossen kalk (ca. 0.1 m in 4000 j)51

Snelheid van ontkalking in kustduinen Ned.Stuyfzand 1993 p259v CaCO3 = Q CaCO3 / {(1 – n) ρ S (CaCO 3 ) solid [mm/d]Q CaCO3 = 2.5 Ca # N [mg m -2 d -1 ]Ca # = Ca – 0.021Cl – SiO 2 /6 [mg/L]52

Ruimtelijke verspreiding Rijn-waterlichaamnog zeer beperkt in AWD (situatie 1990)53

Verbreiding van Rijnwater in de AWD via tracersgevisualiseerd54

Cl/Br + 18 O vormt beste tracercombinatie !1000900800Dune groundw aterRhine w ater700Cl / Br [mg/L]6005004003002001000-11 -10 -9 -8 -7 -6 -5d18O [0/00 V-SM OW ]55

Kwelplassen tussen infiltratiebekkens enNoordzee (Stuyfzand & Luers, 1996)56

Principe kwelplas in duinen (Stuyfzand, 1993)57

Kwelplassen trekken de grondwaterstromingnaar zich toe, afhankelijk van orientatie58

Sterke (A) en zwakke kwel (B) in een periodiekduinmeer, met resp. hoge en lage Ca toevoer(Stuyfzand et al., 1992)AkalkgrensB59

Recept duinherstel na KIO met hypertroofpolderwater (Stuyfzand & Koerselman, 1995)60

In DPW-verband uitgevoerdonderzoek naar effectenbodempassage. Vbd = AWD.Geul 12Geul 6Meetraai v/derVlietkanaalNatachtergrond61

Voorbeeld van een typische meetraai bodempassage,met redox zoneringX=bodem-monster= water-monsterXZonering:XXXXXXXXXXXXO 2 = oxischNO 3 = suboxischSO 4 = anoxischCH 4 = diepanoxischXXXX62

Ophoping van lood in duingrond met en zonderKIOPb (mg / kg d.w.)0 5 10 15 20 25 300.00.2Pb (mg / kg d.w.)0 5 10 15 20 25 300.00.2Depth below Basin Floor (m)0.40.60.81.01.21.41.61.8Nat. BackgroundDZH-basin 12.1DZH-basin 13.1WA-basin 6WA-basin 12Depth below Land Surface (m)0.40.60.81.01.21.41.61.8Nat. BackgroundDZH-CalcareousDZH-DecalcifiedWA-CalcareousWA-Decalcified2.02.0+ KIO (50 j) - KIO (250-3900 j)63

Uitloging van kalk (CaCO 3 ) met en zonder KIO,resp. 4 en 0.06 cm/j0.00.2CaCO3 (% d.w.)0 2 4 6 8 10 12 14CaCO3 (% d.w.)0 2 4 6 8 10 12 140.00.2Depth below Basin Floor (m)0.40.60.81.01.21.41.61.8Nat. BackgroundDZH-basin 12.1DZH-basin 13.1WA-basin 6WA-basin 12Depth below Land Surface (m)0.40.60.81.01.21.41.61.8Nat. BackgroundDZH-CalcareousDZH-DecalcifiedWA-CalcareousWA-Decalcified2.02.0+ KIO (50 j) - KIO (250-3900 j)64

Gedrag van 11 PEPs + 3 pesticidenin 7 KIO-systemenPhacX-rayVarPestPEPRemoval processT½ [d] †Basin## Filtration Sorption Biodegr (Sub)oxic AnoxicCarbamazepine ? no R=2.2 $ 7300Phenazone ? no no 0-100 2 >> 730Sulfamethoxazole ? no no 0-70 9999 30Amidotrizoic acid 45 no no 0-70 9999 25 - 55Iohexol 0-40 no no >90