De doorlatendheid van een watervoerend pakket (WVP) is van belang bij bijvoorbeeld bemalingen die nodig zijn om een tijdelijke verlaging van een grondwaterstand te realiseren. Hiervoor kan een pompproef worden uitgevoerd. Hierbij wordt in het WVP een onttrekkingsfilter geplaatst waaraan een debiet wordt onttrokken. Het filter staat bij voorkeur over de gehele dikte van het WVP (een volkomen filter), maar over een deel van de dikte (een onvolkomen filter) is dit eveneens mogelijk.
Algemeen
Pompproeven worden met name na 1950 grootschalig ingezet om op vele locaties van Nederland de doorlatendheid (vaak uitgedrukt in m2/dag, zijnde de dikte van een WVP in [m] vermenigvuldigd met de gemiddelde k-waarde in [m/dag])
In april 2024 heeft TNO meer dan 500 rapporten, sommige summier, sommige rijk aan detail, in het DINOloket opgenomen. Aangevuld met pompproeven uit projecten of afkomstig uit openbare (Internet) bronnen zijn meer dan 275 pompproeven over geheel Nederland met behulp van TTIM ge(her)analyseerd. Dit artikel beschrijft de resultaten en de ideeën die uit de heranalyse naar voren komen.
Doel van het artikel is om met behulp van een geautomatiseerde laagopbouw, gegenereerd uit DINOloket boringen en sonderingen, met behulp van TTIM de pompproef ‘na te bouwen’ en een vergelijk te maken met de in de diverse rapportages berekende bodemparameters. Hiervoor worden de volgende onderwerpen gebruikt:
Een algoritme om op basis van de .gef bestanden van boringen uit het DINOLoket per meter een k-waarde toe te kennen
Een algoritme om op basis van de .gef bestanden van sonderingen uit het DINOLoket per meter een k-waarde toe te kennen
Aan te tonen dat met behulp van de TIM modules vergelijkbare resultaten te halen als met de (originele) analytische methodieken. Aanvullend hierop is dat in TIM elementen zoals open water, breuken of damwanden eenvoudig kunnen worden ingebouwd wat een voordeel is ten opzichte van bijvoorbeeld MLU en sneller is dan Modflow of IMOD.
Het maken van een overzicht van de doorgerekende pompproeven met, waar mogelijk, aanvullende gegevens zoals tijd_verlaging data of rapporten die (nog) niet in het DINOloket staan.
Op onderstaande overzichtskaart staan de >500 locaties waarvan een pompproef bekend is. Van ongeveer de helft was de informatie dermate summier of globaal dat ze niet konden worden bewerkt.
Locaties pompproeven
Kaartbladindeling
Voor het terugvinden van de pompproeflocaties wordt de kaartbladindeling gehanteerd zoals deze al meer dan 70 jaar door o.a. de RGD wordt gebruikt. Deze verdeelt Nederland onder in blokken van 25*40 km, genummerd 1 tot 62. In het locatieoverzicht begint de locatie met een getal (het kaartbladnummer waar de pompproef op is uitgevoerd) in combinatie met de meest dichtbijzijnde plaatsnaam. De originele rapporten zelf zijn terug te vinden in het DINOLoket. Hieronder is de kaartbladindeling opgenomen.
Basisprincipes van pompproefanalyse
Aquifers
Onder normale omstandigheden kan ervan worden uitgegaan dat grondwaterstroming in watervoerende pakketten min of meer horizontaal is en dat de grondwaterstroming in waterremmende lagen (ik leg de grens bij 0.5 [m/dag]) verticaal is. Bij een pompproef wordt water echter naar de filters getrokken. Indien een filter een watervoerende laag compleet doorsnijdt zal de toestroom nog steeds horizontaal zijn (volkomen filter), maar indien een filter maar een beperkt deel van de watervoerende laag beslaat (onvolkomen filter) zal een deel van de toestroom ook binnen een watervoerende laag richting een verticale toestroom gaan. In dat geval gaat de interne gelaagdheid van een watervoerende laag een rol spelen, de zogenaamde anisotropie.
Om de hydrologisceh parameters van een aquifer te bepalen kan over het algemeen volstaan worden met een pompproef van 1 dag, Indien op een aantal locaties op verschillende afstand van de onttrekkingsbron een automatische drukopnemer is geïnstalleerd, bij voorkeur op het filterniveau van de bron, kan volstaan worden met een minimumduur van 8 uur. De meetfrequentie kan niet hoog genoeg zijn, bij voorkeur eens per minuut. Hiernaast is een serie peilbuizen op verschillende afstanden nodig om een verlagings_afstand grafiek te maken om de berekeningen beter te fitten.
In de figuur hieronder is de toestroom naar een grote onttrekking gevisualiseerd, hier is de bijna verticale stroming binnen een watervoerend pakket goed zichtbaar.
Aquitards
Om de weerstand van een waterremmende laag goed te bepalen is een meer langdurige pompproef noodzakelijk, bij voorkeur meer dan 7 dagen. Hierbij worden drukopnemers boven en onder de weerstandslaag gezet en op basis daarvan de weerstand berekend.
Kwaliteit boringen
In het DINOloket worden boringen in 5 klassen onderverdeeld, van A (beste, met zeer veel detailbeschrijving) tot E (slechtste met een grove, globale beschrijving). Voor de uitwerking van pompproeven zijn de klassen A, B en C erg geschikt, maar ook D en E kunnen tot redelijke resultaten leiden. Klaarblijkelijk is de afwisseling van waterremmend/watervoerend belangrijker dan de grofheid van de lagen. In de uitwerking is het van het grootste belang dat van de locatie van de bron zelf een beschrijving gebruikt wordt, boringen die op enige afstand staan kunnen sterke afwijkingen in de parameters opleveren, of niet tot een fit van de data op de theorie leiden.
Resultaten
Algoritme boringen
Aan de hand van de .gef beschrijvingen opgenomen in het DINOloket van boringen, zowel uit de BRO als uit de oudere GDN boringen is een lijst gemaakt van de voorkomende bodemtype classificatie (SBB). Deze lijst is terug te vinden als de onderbouwing van het script op deze locatie. Deze lijst is zelf weer opgebouwd aan de hand van dit script wat alle in deze lijst voorkomende bodemtypes klasseert op doorlatendheid. Hiermee is een dictionary gecreëerd waarmee aan elke laag die voorkomt in de boring.gef beschrijving een k-waarde kan worden gehangen.
Algoritme sonderingen
Voor de sonderingen wordt al een aantal jaar een rekenregel gehanteerd zoals in deze notitie wordt beschreven.
Analyse van de resultaten
Op basis van een geautomatiseerde invoer van bodemparameters is tussen de resultaten uit de rapporten (over het algemeen berekend met analytische methoden) en de resultaten berekend met TIM een zeer goed verband te halen. Hieruit kan worden geconcludeerd dat met TIM dezelfde resultaten te behalen zijn als met de analytische methodieken. Opgemerkt wordt dat de (her-)analyse met TIM vrijheidsgraden geeft in het fitten van de metingen op de berekende (TIM) lijn. Er kan immers onbeperkt gesleuteld worden aan berging (S), anisotopie en doorlatendheidsfactoren. Verder is onduidelijk dat de uitkomst van een rapportwaarde een realistische waarde geeft van de (gemiddelde) k-waarde van een aquifer. Niettemin is de correlatie in mijn opinie overduidelijk. In onderstaande figuur is de rode lijn de lineaire regressielijn met de bijbehorende R2 waarde. De groene lijnen zijn de +20% en -20% grenzen. Hier bevinden zich de meeste data.
Een interessantere correlatie ligt in de verhouding tussen de rapportwaarde (= vrijwel TIM-waarde) en de door de rekenregel gegenereerde doorlatendheid op basis van de Gef boorbeschrijving. Deze geeft aan in hoeverre de beschrijving aansluit bij de rapportwaarde. Ook hier wordt een goede correlatie gevonden. Opgemerkt wordt dat deze grafiek niet is gesplitst op basis van de kwaliteitsbeoordeling van de boorbeschrijving (die van A-E loopt waarbij A de hoogste kwaliteit heeft).
In de grafiek is onderscheid gemaakt tussen de correlatie tussen de boringen (de zwarte puntjes) en de schaarse sonderingen (rode punten). Opvallend genoeg vallen beide correlaties samen. De verzameling gegevens suggereert een goede correlatie, individueel kan lokaal een factor 2 afwijking aanwezig zijn. Nietemin, als de doorlatendheid van de bodem onbekend is kan met behulp van deze twee algoritmes (boringen en sonderingen) een, in mijn opinie, bruikbare schematisering van de doorlatenheid worden gegenereerd.
Invloed Anisotropiefactor
In de TIM modules is de mogelijkheid aanwezig om een anisotropiewaarde (de verhouding tussen de horizontale vs de verticale doorlatendheid) te variëren. Opgemerkt wordt dat dit een schaalwaarde is, naarmate de lagen in het model dunner worden neemt de (schijnbare) anisotropie toe. Door het toepassen in alle scripts van een laagdikte van 1 meter ligt deze waarde tussen 1 (= gelijke doorlatendheid in alle richtingen) en ruwweg 7 (doorlatendheid in de horizontaal 7 maal zo groot als in de verticaal). In anisotropie metingen op bijvoorbeeld HPT-methodieken kan deze factor oplopen tot (ruim) boven de 20 1.
In de onderstaande figuur is de variatie binnen een specifieke afzettingsgroep aangegeven.
Variatie k-factor
Teneinde de berekende curve op de meetpunten te laten fitten is een compensatiewaarde voor de doorlatendheid in de scripts ingebouwd. Deze is onder ideale omstandigheden altijd 1, maar blijkt een relatie te kunnen hebben met het afzettingsmilieu en met de leeftijd van de afzettingen.
Variatie S
De S (dimensieloze berging) wordt door het script een S-waarde voor de aquifer in kwestie berekend. ook hier is onderscheid gemaakt tussen het afzettingstype en de formaties.
Statistische benadering
Om de effectiviteit van dit model te testen zijn er diverse statistische benaderingen om de kwaliteit de fit te testen. Een daarvan is de R2 , die aangeeft hoezeer het waarschijnlijk is dat de punten op een rechte lijn zullen liggen. De hoge R2 hier geeft aan dat naar alle waarschijnlijkheid de KD uit de proeven en de KD uit de boorbeschrijvingen een lineaire relatie hebben.
In de figuren hieronder is van de k-waarde (gedefinieerd als de KD-waarde gedeeld door de dikte van de aquifer, dus in essentie de bulkwaarde van de doorlatendheid) afgeleid uit de pompproeven uitgezet tegen de k-waarde uit de gefbeschrijving. Hieruit is bepaald:
de RMSE (de wortel uit de sommatie van alle errors, dat is de afstand van de werkelijke waarde ten opzichte van de ideale, de 1 op 1 waarde, dus k_gef = k_proef). Deze waarde is erg gevoelig voor de uitbijters
de MAE (de mean actual error), de werkelijke afwijking ten opzichte van de ideale lijn, deze waarde is wat minder gevoelig voor de uitbijters. Deze waarde is de afwijking in de zelfde parameter (dus [m/dag]).
de MAPE (de mean actual percentage error), de procentuele afwijking ten opzichte van de ideale lijn
Of de MAE hier een hoge of lage waarde is blijft hier onbeantwoord.
De onderste grafiek is dezelfde bewerking, maar dan de afzettingmilieu’s gecorrigeerd op basis van de boxplotfiguur K-factor per afzettingstype, daarmee wordt het verband weliswaar beter maar is ook een doelredenering. Niettemin, als er geen data zijn kan dit worden gebruikt voor een eerste inidcatie van de doorlatendheden van de ondergrond.
Opmerking
Met behulp van deze logaritmes is het mogelijk om een 2D plaatje van de verdeling van de doorlatendheid op een bepaalde diepte als laag t.b.v. de invoer in een numeriek model (e.g. Modflow of IMod) te genereren. De collectie van deze diepte_k-waarde_verdeling is het ondergrondmodel. Het voordeel van deze methodiek is het gegeven dat alle lokale metingen (sonderingen, boringen) in het model kunnen worden ingebouwd in plaats van de regionale (en lokaal sterk afwijkende) verdeling zoals deze in het Dinoloket is opgenomen. Hieronder twee voorbeelden uit de omgeving van Tilburg met de berekende k-waarde voor het bodemtraject 0.0/-0.5 [m NAP] en voor het traject -12.0/-12.5 [m NAP]. Dit is voor, bijvoorbeeld, de verspreiding van een verontreiniging of de beïnvloeding door een bemaling van een Natura-2000 gebied een interessante basis voor de bodemopbouw in een numeriek model.
