Geochemische ondergrondeigenschappen en reactiviteit

In een aparte TNO-rapportage (Huismans et al., 2016) is beschreven hoe een geactualiseerde landsdekkende dataset is verkregen van de reactiviteit van de Nederlandse ondergrond. Deze dataset is bewerkt, op onderdelen gecombineerd met de dataset van Klein, Van Gaans en Griffioen. (2015), en gebruikt om een 140-laags 3D landsdekkend model op 100x100m resolutie te bouwen van de

modelresolutie van het LWKM; dit is gerealiseerd voor het lagenmodel van het LWKM, maar kan in de toekomst ook worden gerealiseerd voor deelmodellen met een andere resolutie. De constructie van het 3D-reactiviteitsmodel is beschreven in Bijlage 5. Het reactiviteitsmodel is tot op heden, met het oog op de huidige toepassing, geparametriseerd voor organischestofgehalten, pyrietgehalten en de ammonium- distributiecoëfficiënt, kationen-uitwisselingscapaciteit (CEC), porositeit en droge-

bulkdichtheden. Het volledige reactieschema zoals gehanteerd in MT3DMS wordt gegeven in Bijlage 8. De belangrijkste componenten en parametrisaties van dit reactieschema worden kort toegelicht.

Organische stof

Figuur 3.5 laat het resultaat van bewerkingen op basis van de grondwaterkwaliteitsdatabase zien voor organischestofgehalten.

Figuur 3.5 Organischestofgehalten in het geochemisch voxelmodel op drie diepteniveaus.

Organischestofafbraak wordt gemodelleerd als eerste-ordeproces, reductie van de

elektronenacceptoren (w.o. denitrificatie) dus als nulde-ordeproces. Dit is in lijn met de literatuur, waaruit blijkt dat het organischestofgehalte limiterend is voor denitrificatie (e.g. Van Beek et al., 1994). Er is veel onderzoek gedaan naar denitrificatiesnelheden, waarbij de overgrote meerderheid van dat onderzoek betrekking heeft op de bovengrond/wortelzone. Het aantal onderzoeken m.b.t. de ondergrond is veel beperkter (Klijne et al., 2008). Het blijkt dat de afbraaksnelheid van organisch materiaal samenhangt met de leeftijd ervan. De ouderdom van de formaties is ingeschat aan de hand van de beschrijvingen van de formaties op dinoloket.nl. Voor elke formatie is de bovengrens genomen van het (jongste) tijdvak waarin de formaties gevormd zijn, met als ratio dat de jongste delen van de formaties over het algemeen bovenop liggen en daarmee het bepalendst zijn voor het stoftransport. Analoog aan de relatie van Middelburg (1989) is de relatie tussen de afbraaksnelheden van organisch materiaal en de sedimentleeftijd voor deze studie gekalibreerd op basis van alle gegevens uit de grondwaterkwaliteitsdatabase (Renaud et al., 2017). De C/N-verhoudingen zijn gelijkgesteld aan de in ANIMO gebruikte kentallen voor de diepere ondergrond.

Pyriet

Pyrietgehalten zijn voor een deel op vergelijkbare wijze afgeleid als de organischestofgehalten. Ook voor pyriet is aan de hand van de TNO-database en de geologische modellen GeoTOP, NL3D en REGIS een gedetailleerd 3D voxelmodel gebouwd (Bijlage L en M in Renaud et al., 2017). In het geval van pyriet moet er rekening mee worden gehouden dat het alleen voorkomt in zuurstofloze milieus. Door het beperkte aantal meetlocaties in de TNO-database dient daarom aanvullende informatie te worden gebruikt om de zone af te bakenen waarin pyriet kan voorkomen. Voor de afbakening van de

(sub)oxische zone waarin geen pyriet verwacht wordt, is een vergelijkbare aanpak gehanteerd als in de studie naar de mogelijkheden voor een diepere toetsdiepte voor nitraat (Klijne et al., 2008). De karakteristieken voor de afbakening van de (sub)oxische zone zijn opgesteld voor combinaties van de zeven GeoTOP hoofdgebieden, drie droogteklassen en veertien diepte-intervallen. De afname van de kans op (sub)oxische condities met de diepte blijkt (wanneer er voldoende metingen zijn) goed te beschrijven met een logaritmische functie: de kans op oxische condities neemt met de diepte af. Met

deze functies zijn de geochemische parameters voor de voxels bepaald door middel van een trekking uit de kansen. Op deze wijze wordt de afgeleide (sub)oxische zone waarin geen pyriet verwacht wordt dus als het ware op een gerandomiseerde wijze ‘ingebrand’ in het voxelmodel voor pyrietgehalten (figuur 3.6). In het model kan in deze zone ook geen denitrificatie m.b.v. organische stof

plaatsvinden.

Figuur 3.6 Pyrietgehalten in de ondergrond zoals geparametriseerd voor laag 1 (0-0.5m-mv), laag 11 (5-5.5m-mv), laag 21 (10-10.5m-mv) en laag 41 (20-20.5m-mv) van het geochemisch voxelmodel.

Omdat de kennis over de ruimtelijke correlaties van pyriet in de ondergrond ontbreekt, is in bovengenoemde aanpak het al dan niet voorkomen van pyriet in een voxel ruimtelijk niet

gecorreleerd. Het is mogelijk dat hierdoor nitraat in het model niet voldoende diep komt, doordat het op zijn pad te snel/vaak pyriet tegenkomt. Een realistischer en conceptueel correcter beeld van de verbreiding van de (sub)oxische zone kan worden verkregen door 1) de informatie over de aanwezigheid van de reductoren te combineren met informatie over variabiliteit in

grondwateraanvulling/infiltratie (e.g. Hansen et al., 2014) en de samenhang met de hydrologie te verkennen, en 2) door tussen de metingen geostatistisch te interpoleren (met bijvoorbeeld indicator kriging).

Op basis van eerdere studies zou de pyrietoxidatiesnelheidscoëfficiënt hypothetisch een hoge waarde gegeven kunnen worden, voor het LWKM is deze coëfficiënt afgeleid uit de beschikbare veldmetingen. Daarbij is uit gegaan van de door Zhang et al. (2009) gerapporteerde denitrificatiesnelheid van

0.0006 mol NO3 jr-1 L-1 bij een pyrietgehalte van 0,5% (de gemiddelde waarde van alle

pyrietmetingen in de TNO-database (Huismans et al. (2016)) is 0,45%). Hoewel deze coëfficiënt zeer onzeker is door de variatie in gerapporteerde gegevens, heeft dit als gevolg van de grote

denitrificatiesnelheid nauwelijks effect op de rekenresultaten: nitraat wordt in de anoxische zone zeer snel omgezet. Doordat de reactiviteit van pyriet, anders dan voor organische stof, niet gerelateerd is aan de ouderdom van de afzettingen, is voor jongere sedimenten (tot ca. 5000 jaar) het organisch materiaal reactiever dan pyriet. Voor oudere sedimenten is pyriet reactiever.

Ammonium

Ammonium adsorbeert aan bodembestanddelen. De verdeling van ammonium over de waterfase en de vaste fase wordt gemodelleerd als een evenwichtssorptieproces. De distributiecoëfficiënt, die bepaalt hoeveel van de totale hoeveelheid ammonium adsorbeert en hoeveel in oplossing blijft, is afhankelijk van de grondwatersamenstelling, in verband met competitie met andere kationen voor de beschikbare adsorptieplaatsen en is voor de monsters uit de grondwaterkwaliteitsdatabase berekend met de modelcode PHREEQC die de specificatie van stoffen simuleert. Voor deze berekeningen is ook de kationen uitwisselingscapaciteit van de ondergrond (CEC) nodig. Deze is ontleend uit de door TNO opgestelde geochemische database van Huismans et al. (2016) en op dezelfde manier ruimtelijk geïnterpoleerd als het organischestofgehalte (figuur 3.5). De voor de peilbuizen berekende

distributiecoëfficiënten zijn voor de diepte-intervallen 0-5m-mv, 5-10m-mv, 10-25m-mv, 25-50m-mv en >50m-mv geïnterpoleerd met de nearest neighbour-methode om een vlakdekkend beeld te krijgen (figuur 3.7).

Figuur 3.7 CEC en Ammonium distributiecoëfficiënt voor diepteniveau 5-5.5 m-mv (laag 11 van het geochemisch voxelmodel).

Porositeit en droge bulkdichtheid

Porositeiten en droge bulkdichtheden zijn via kentallen (tabel 3.3) toegekend per lithoklasse van het geochemisch voxelmodel (Bijlage 5).

Tabel 3.3 Toegepaste kentallen voor porositeit en lithoklasse.

Porositeit Droge-bulkdichtheid

Zand 0.38 1650 kg m-3

Klei 0.45 1650 kg m-3