De eerste Nederlander die de chloride massabalans van grondwater toepaste om de verdamping uit te rekenen was waarschijnlijk Heymann (1927; ref. op p.32 in Stuyfzand 1993). Hoewel het principe van de chloride massabalans (CMB) methode ter bepaling van de verdamping (en grondwateraanvulling) eenvoudig is en veelvuldig in de wereld is toegepast (o.a. Lerner et al., 1990; Custodio 2010, Alcala & Custodio 2012), kleven er toch veel mitsen en maren aan, vooral in een kustgebied met sterke inputvariaties ( § 7.1). Op wat grotere schaal zien we naast sterke jaarlijkse fluctuaties in Cl-depositie (Fig.3.2 en 4.2) aanvullende complicaties door sterke effecten van (i) laterale grondwaterstroming waardoor vooral aan de flanken van de zoetwaterlens grootschalige Cl-inversies (zouter op zoet) ontstaan, en (ii) veranderingen in begroeiing, in de Nederlandse duinen vooral bestaande uit een toegenomen vegetatie sinds de eerste helft van de 20e eeuw door o.a.
bebossing en maatregelen ter fixatie van de duinen (Fig.8.8). Ook deze
vegetatieveranderingen dragen bij aan grootschalige Cl-inversies en dan vooral aan de oostzijde waar de duinen bebost zijn.
Op kleinere schaal nemen genoemde complicaties fors toe (Fig.8.10). Dat maakt een scherpe afbakening (keuze van geschikte meetpunten) en bepaling van randvoorwaarden (schatting van reistijden) noodzakelijk. Er ontstaan grote fouten als dat niet gebeurt. Zo blijkt de gemiddelde Cl-concentratie van ondiep grondwater op 12 van 13 locaties aanzienlijk lager dan die van het bovenliggende bodemvocht (Tabel 7.1), omdat het grondwater eerder bemonsterd werd dan het bodemvocht, het tijdsverschil nog verder oploopt tgv de extra reistijd onder de grondwaterspiegel, en de latere voedingsperiode van het bodemvocht meer zeezoutdepositie kende.
FIG. 8.9. Globale ruimtelijke verdeling in Hollands vastelandskustduinen, van de Cl concentratie in het zoete duingrondwater, drijvend op zout, intruderend Noordzeewater (gewijzigd naar Stuyfzand & Bruggeman 1994). Langs de geschematiseerde stroombanen in de ongestoorde situatie (qua stroming), zijn de Cl-concentraties [mg/L] geplot. De Cl-verdeling wordt gedicteerd door een landinwaarts exponentieel dalende Cl concentratie in regenwater, de landinwaarts toenemende begroeiing met daardoor meer evapoconcentratie en interceptiedepositie, en de factor tijd die ondiep hogere Cl- concentraties oplegt door een sterk toegenomen begroeiing sinds begin 20e eeuw.
141
De beschreven problemen worden deels voorkomen door over langere perioden te middelen en dit bovendien te doen voor meerdere meetpunten. Dit is gedaan voor de 10 meetpunten uit Tabel 8.4, door de Cl-concentraties van de grondwateropnames van 2011, 2014 en 2015 (uit Tabel 8.6) te middelen en voor de Cl-concentratie van bulk neerslag het naar neerslag gewogen gemiddelde te nemen van de metingen op vangers KB1 (X = 215 m) en WB2 (X= 707 m) gedurende de periode sept. 2010 t/m juli 2014. Hierbij wordt dus grof rekening gehouden met gemiddeld 1 jaar reistijd, terwijl de Cl-concentratie van het regenwater op andere afstanden tot de HWL berekend wordt met de gefitte powerfunctie ClP = 7.6055 X-0.540
voor de meetpunten KB1 en WB2, waarin X in km.
Het resultaat in Tabel 8.7 komt met Eq.3.2 uit op een overall gemiddelde van ca. 40% grondwateraanvulling bij een gemiddeld jaartotaal van de neerslag van 986 mm/jaar, en met Eq.7.1 bedraagt het ca. 33%. Beide getallen zijn aan de (erg) lage kant voor de dominante begroeiingstypen (kaal en gras) met het hoge neerslagcijfer, als we deze vergelijken met de geschatte waarden van R in Tabel 8.4 (R = 50-75%). Er zijn hierbij natuurlijk diverse kanttekeningen te plaatsen. De kale plots 5 en 17A liggen langs de stroomafwaartse oever van een kwelplas waarin open water verdamping optreedt, en kale plot 9 is van geringe omvang en waarschijnlijk beïnvloed door laterale stroming vanuit omringend dichter begroeid terrein. Het gebrek aan Cl-opnames van het grondwater in de jaren 2012 en 2013 kan bijdragen aan relatief hoge ClG-waarden, waardoor R/P laag uitvalt. Eq.3.2 lijkt overigens
realistischer waarden op te leveren dan Eq.7.1.
TABEL 8.7. Berekening van de fractie natuurlijke grondwateraanvulling (R/P) voor de 10 meetlocaties uit Tabel 8.4, op basis van de Cl Massabalans.
ClG, ClP = Cl-concentratie in resp. grondwater en bulk regenwater; fID = geschatte correctiefactor voor
extra interceptie depositie t.o.v. regencollector volgens Stuyfzand (1993); X = kortste afstand tot hoogwaterlijn; KB1, WB2 = regenvangers te resp. Kattendel en Wieringen; P, R = resp. bruto neerslag en grondwateraanvulling.
8.10.2 Cl-piekmatching in grondwater
Jaarlijkse fluctuaties en seizoensfluctuaties in de Cl concentratie van regenwater kunnen in gunstige gevallen teruggevonden worden in ondiep grondwater ( § 7.2). Een succesvol voorbeeld staat in Fig.8.11. Het betreft een meetpunt dicht bij de grondwaterscheiding in terrein met homogene, mossenrijke begroeiing, waar het Cl-verloop op 3 diepten in de tijd vervolgd is en vergeleken met de gemeten lokale Cl-input. Deze methode van sequential
history matching is door Stuyfzand (1993) op meerdere meetpunten succesvol toegepast.
In de onderhavige situatie is getracht via een snapshot-opname van het verticale Cl-verloop te komen tot herkenning van Cl-pieken in de neerslag. Deze techniek wordt gerekend tot
spatial history matching.
Loc. nr. X Veg ClG Cl-KB1 Cl-WB2 A B ClP fID R/P R/P m in 2011 mg/L mg/L mg/L mg/L Eq.7.1 Eq.3.2 1 406 grass 40.3 17.4 9.2 7.6055 -0.540 12.4 1.40 0.43 0.46 3 164 grass+salix 93.0 17.4 9.2 7.6055 -0.540 20.2 1.50 0.33 0.36 4 222 grass 71.7 17.4 9.2 7.6055 -0.540 17.1 1.40 0.33 0.39 5 236 bare # 68.1 17.4 9.2 7.6055 -0.540 16.6 1.10 0.27 0.39 9 811 bare $ 37.7 17.4 9.2 7.6055 -0.540 8.5 1.10 0.25 0.37 10 640 grass 43.9 17.4 9.2 7.6055 -0.540 9.7 1.40 0.31 0.36 12 489 dune shrub 76.3 17.4 9.2 7.6055 -0.540 11.2 2.00 0.29 0.28 16 692 grass+shrubs 37.8 17.4 9.2 7.6055 -0.540 9.3 1.60 0.39 0.39 17A 1599 bare # 19.9 17.4 9.2 7.6055 -0.540 5.9 1.10 0.33 0.44 E 225 grass 56.7 17.4 9.2 7.6055 -0.540 17.0 1.40 0.42 0.45 n=3 882 bare 41.9 17.4 9.2 7.6055 -0.540 10.3 1.10 0.28 0.40 n=4 373 grasses 53.1 17.4 9.2 7.6055 -0.540 14.1 1.40 0.37 0.41
Eq.7.1: R/P = fID ClP / ClG Eq.3.2: R/P = (ClP / ClG)2/3 where P = fP P, and ClG = ClR
# = influenced by flow-through lake $ = possibly influenced by surrounding grass vegetation
142
De meetresultaten zijn in Fig.8.12 geplot voor 9 van de 9-10 meetlokaties in Tabel 8.4-8.7. Hoewel er voor elk meetpunt 3-5 diepteprofielen beschikbaar zijn, blijkt Cl-piekmatching in het ondiepe grondwater in de onderzochte duinvalleien (elk met significante laterale grondwaterstroming) minder eenvoudig dan in de onverzadigde zone (op de hogere duinhellingen). Er traden n.l. aanvullende complicaties op vooral door: (i) deze laterale grondwaterstroming (Fig.8.10); (ii) stroomopwaartse menging in kwelplassystemen (meetpunten 4, 5 en 17A); (iii) variaties in grondwaterstand (Fig.8.10) en maaiveldhoogte (vooral bij 3, 4, 12 en E); (iv) verschil in seizoen van de profielopname (september 2011, april 2014 en juli 2015); en (v) op sommige plekken sterke vegetatieveranderingen t.g.v. de ingrepen (vooral bij 3, 12 en E).
FIG. 8.10. Kleinschalige complicaties in de chloride massabalans methode en in Cl-piekmatching door periodieke (droge/natte jaren of droge/natte seizoenen) verschuivingen in ruimtelijke positie van vegetatie- of veengebonden watersoorten bij een sterke laterale component in de grondwaterstroming (naar Stuyfzand 1993).
FIG. 8.11. Seizoensfluctuaties in Cl-concentratie in bulk regenval ten zuiden van Zandvoort (Tilanuspad) en het bovenste grondwater onder mossen op 3 dieptes (plot 24H.470; Tilanuspad). Naar Stuyfzand (1993). De horizontale tijdas geldt voor bulk regenval, èn, na verschuiving terug in de tijd ter verkrijging van de beste overlap met het neerslagsignaal, voor het grondwater.
Uit de tijdsverschuiving volgt de aangegeven ondergrondse reistijd van maaiveld (2.8 m+MSL) tot de aangegeven diepte in het grondwater. Elke regenwaterstaaf vertegenwoordigt een 0.1 m dikke laag regenwater. De berekende lokale R/P bedroeg [0.4*365/(260/0.8)]/0.855 = 0.53 op basis van de verticale Cl- verplaatsing tussen 0.8 en 0 m+NAP, de gemiddelde bruto neerslag in 1980-1981 (0.855 m/j) en een effectieve porositeit van 0.4.
143
Near the carves (<75 m)
Cleared areas
Reference (>150 m)
FIG. 8.12. Cl-diepteverloop in bovenste grondwater op 9 locaties, in (2010), 2011, 2014 en 2015. Nummering X.1 correspondeert met X in Tabel 8.4 (Lokatiekenmerken) en Fig.8.7 (Ligging). Positie van grondwaterspiegel ~0.2 m boven bovenste monster.
Doorgetrokken pijl = waarschijnlijke benedenwaartse verplaatsing van Cl-piek in periode medio april 2014 tot medio juli 2015. Gestippelde pijl = waarschijnlijke, benedenwaartse verplaatsing van bovenste Cl- waarneming in 2014, in periode medio april 2014 tot medio juli 2015.
144
De ondervonden complicaties in spatial peak matching, aan de hand van 1 enkele opname van het verticale Cl-profiel, zijn inderdaad zo groot, dat nader onderzoek gewenst is om solide conclusies uit de data te trekken.
Vergelijking van Cl-pieken in profielen op dezelfde locatie maar op verschillende momenten leverde echter voor 5 profielen (tamelijk) duidelijke conclusies op over de zaksnelheid van het grondwater (Fig.8.12). Dit betreft dus eigenlijk sequential peak matching. De resultaten van de meetwaarden en interpretatie staan in Tabel 8.8.
De filtersnelheid is berekend met effectieve porositeit n = 0.4, zonder (vZ) en met correctie
voor een grondwaterstandsdaling (vZ-CORR). Deze zijn als volgt bepaald:
vZ = n [peak↓] / ∆t (8.2A)
vZ-CORR = n [peak↓ - (GWT↓ - LS↑)] / ∆t (8.2B)
waarin: peak↓ = benedenwaartse verplaatsing van Cl-piek in profiel [m]; GWT↓ = grondwaterstandsdaling [m t.o.v. MV]; LS↑ = ophoging maaiveld [m]; ∆t = tijd tussen beide opnames [j].
Aangenomen is dat vZ-CORR vrijwel equivalent is aan R. De in Tabel 8.8 berekende waarden
van R/P volgens de piekzakking berusten hierop en sluiten matig aan bij de met de Cl- Massabalans berekende R/P-waarden. Een belangrijke kanttekening hierbij is, dat de meetwaarden een tijdsinterval van 1.3 jaar kennen, waarbij de maanden april t/m juli dubbel vertegenwoordigd zijn. Dit leidt zeker tot een onderschatting van de R/P-waarden.
TABEL 8.8. Berekening van de fractie natuurlijke grondwateraanvulling (R/P) voor 5 van de 9 meetlocaties uit Fig.8.12, op basis van de Cl-piek-daling in Fig.8.12. Tevens is aangegeven R/P volgens de Cl-Massabalans.
GWT = grondwaterstand; BLS = -MV; LS = MV; P-2014 = jaartotaal bruto neerslag te Wieringen incl. 8% windcorrectie [m]; P, R = resp. bruto neerslag en grondwateraanvulling. Zie verder ad Eq.8.2.
8.10.3 Aanbevelingen
• Toepassing van de Cl-Massabalans methode en Cl-piekmatching vergt in kustduinen een extra grondige selectie van geschikte meetlokaties, om de vele complicerende factoren zoveel mogelijk uit te sluiten.
• Of de zeer aanzienlijke instuiving van zand, met name zout strandzand, bijdraagt aan de zeezout-toename dient nader onderzocht te worden. Deze bijdrage is niet verdisconteerd in de Cl-Massabalans methode, en zou op meetpunten bij de zeereep en kerven de (te) laag berekende grondwateraanvulling kunnen verklaren.
Loc. nr. peak ↓ GWT ↓ LS ↑ P-2014 vZ vZ-CORR
m 2014 2015 m m m peak Cl-MB 1 1.15 0.15 0.5 0.35 0.00 0.80 0.615 0.902 0.35 0.25 0.27 0.46 3 1.10 0.3 0.98 0.68 0.30 0.72 0.554 0.902 0.34 0.22 0.25 0.36 10 2.40 0.15 1.25 1.10 0.00 1.30 1.000 0.902 0.74 0.40 0.44 0.36 12 1.40 0.45 0.8 0.35 0.00 1.05 0.808 0.902 0.43 0.32 0.36 0.28 E 2.80 0.7 1.63 0.93 0.10 1.97 1.515 0.902 0.86 0.61 0.67 0.45 GWT [m BLS] GWT-corr peak ↓ R/P m/year
145