Bepalen van de impact van grondwaterwinningen Andy Louwyck Dienst Grondwaterbeheer 23/01/2012

Inhoud Situering Grondwaterstromingsmodellen Axiaal symmetrische modellen MAxSym Besluit 2

Situering

Grondwaterwinning = hinderlijke inrichting lokale impact verdroging verstoring grondwaterstromingspatroon kwaliteitsverandering zettingen regionale impact gecumuleerd effect regionale peildaling regionale kwaliteitsverandering 4

Dienst Grondwaterbeheer adviesverlening bij vergunningen modellering: lokale + regionale impact kwantificeren 5

Vlaams Grondwatermodel = gebiedsdekkende datasets en modellen VGM Concept HCOV GWvoeding model Axiaal symmetrisch model 3D HCOV kartering Regionale 3D modellen Dichth. afh. ax. symm. model Dichth. afh. 3D model Subregionale en lokale 3D modellen 6

Databeheer 7

https://dov. vlaanderen. be/dovweb/html/3grondwaterachtergrondinfo https://dov.vlaanderen.be/dovweb/html/3grondwaterachtergrondinfo.html www.vmm.be/publicaties/grondwaterbeheer-in-vlaanderen/ 8

Grondwaterstromingsmodellen

Hydrologische cyclus neerslag transpiratie plas vorming evaporatie onverzadigde zone onttrekking door wortels infilratie irrigatie winningen verticale stroming runoff waterloop freatische aquifer watertafel drainage of voeding horizontale stroming grondwater aquitard verticale stroming gespannen aquifer horizontale stroming 10 10

Grondwaterstromingsmodel vereenvoudigde weergave wiskundige formulering: differentiaalvergelijking o.b.v fundamentele fysische wetten waterloop infiltratie winningen watertafel freatische aquifer drainage of voeding horizontale stroming grondwater aquitard verticale stroming gespannen aquifer horizontale stroming 11 11

Wet van Darcy 𝑄= −𝐾𝐴 ℎ2−ℎ1 ∆𝑙 Beschrijft stroming van vloeistof in poreuze media Q: debiet (m³/d) K: doorlatendheid (m/d) A: oppervlakte (m²) h: stijghoogte (m) Δl: afstand (m) 12

Continuïteitswet 𝑄 𝑖𝑛 = 𝑄 𝑜𝑢𝑡 𝑄 𝑖𝑛 = 𝑄 𝑜𝑢𝑡 Waterbalans: hoeveelheid in = hoeveelheid uit Winning in freatische aquifer haalt water uit: berging van de aquifer lek vanuit onderliggende laag infiltratie voeding voedende waterlopen Winning in gespannen aquifer haalt water uit: lek vanuit aangrenzende lagen (voeding) 13

Wiskundige formulering tijd? stationair: constante grondwaterstroming (evenwicht) niet-stationair: tijdsafhankelijke grondwaterstroming coördinatenstelsel? cilindrische coördinaten (1D of 2D) cartesische coördinaten (2D of 3D) oplossingsmethode? analytisch: exacte oplossing, formule numeriek: benaderde oplossing, geen formule 14

Stationair vs. niet-stationair stationair model: 𝜕ℎ 𝜕𝑡 =0 geen bergingsverandering constante pompdebieten constante lek constante infiltratie constante voeding en drainage van waterlopen niet-stationair model: 𝜕ℎ 𝜕𝑡 ≠0 bergingsverandering tijdsafhankelijke pompdebieten tijdsafhankelijke lek tijdsafhankelijke infiltratie tijdsafhankelijke voeding en drainage van waterlopen 15

Coördinatenstelsel Cartesisch: Polair: (r,θ) Cilindrisch: (r,θ,z) 1D: x 2D: (x,y) of (x,z) 3D: (x,y,z) Polair: (r,θ) Cilindrisch: (r,θ,z) Axiaal symmetrisch: 1D: r 2D: (r,z)  θ dimensie valt weg     16

= + + + + Superpositie totale effect = som van effecten regionale stroming waterlopen + + infiltratie ondiepe winning diepe winning 17

Axiaal symmetrisch of cartesisch? regionale stroming waterlopen infiltratie ondiepe winning diepe winning axiaal symmetrisch

Cartesisch 3D grid Kolommen Rijen z Lagen y x 19

Axiaal symmetrisch 2D grid As pompput Ringen Lagen z r 20

Axiaal symmetrisch of cartesisch? één winning horizontale, homogene lagen met constante dikte infiltratie is ruimtelijk constant geen regionale stroming, geen waterlopen cartesisch: meerdere winningen lagen met variabele dikte en laterale heterogeniteit infiltratie is ruimtelijk gedistribueerd regionale stroming + waterlopen 21

Axi-symmetrisch model of 3D model? eenvoudig snel effect van één winning stroming naar pompput  lokaal 3D model: complex tijdrovend totale effect ‘werkelijke’ stroming  lokaal + regionaal 22

Axiaal symmetrische modellen

Effect van één winning = simuleren van afpompingskegel freatische aquifer: verlaging van de watertafel gespannen aquifer: verlaging van het stijghoogteoppervlak 24

Afpompingskegel verlaging s is functie van: debiet Q afstand r (en z) tijd t hydraulische parameters verlaging s is functie van: h0: initiële stijghoogte (m) h: stijghoogte (m) s: verlaging (m) r: radiale afstand (m) t: tijd (d) rw: pompputstraal (m) L: filterlengte (m) Q: pompdebiet (m³/d) axiale symmetrie rond as van pompput 25

Schematisatie grondwaterreservoir vaste stijghoogte  infiltratie watertafel aquiclude aquitard aquifer diepe winning ondiepe winning 26

Parameters D: laagdikte (m) Kh: horizontale doorlatendheid (m/d) Kv: verticale doorlatendheid (m/d) Ss: specifiek elastische bergingscoëfficiënt (m-1) Sy: bergingscoëfficiënt nabij watertafel (-) N: infiltratiesnelheid (m/d) T = Kh.D: doorlaatvermogen (m2/d) S = Ss.D: elastische bergingscoëfficient (-) Cv = D/Kv: verticale weerstand (d) 27

Infiltratiegebied Freatische aquifer Axiaal-symmetrisch: cirkelvormig middelpunt = pompput straal R? Continuïteitswet: Qout = pompdebiet Qin = πR² x N = oppervlakte x flux 𝑅= 𝑄 𝜋𝑁 28

Eénlagige modellen geen effect in aangrenzende lagen pompputfilter over volledige dikte laag (D = L) geen verticale stroming in laag specifiek: één type aquifer voorbeelden analytische modellen: Thiem: stationair, afgesloten aquifer Dupuit: stationair, freatische aquifer De Glee: stationair, half-afgesloten aquifer Theis: niet-stationair, afgesloten aquifer Hantush-Jacob: niet-stationair, half-afgesloten Sichardt: empirisch, geen oplossing van diff vgl 29

Meerlagige modellen ook effect in aangrenzende lagen pompputfilter hoeft niet over volledige dikte laag (D ≥ L) verticale stroming tussen lagen generiek: alle mogelijke schematisaties voorbeelden: MLU: analytisch (www.microfem.com/products/mlu.html) TTim: analytisch (ttim.googlecode.com) RADMOD: numeriek (water.usgs.gov/software/RADMOD) AS2D: numeriek (L. Lebbe, UGent) MAxSym: numeriek (maxsym.googlecode.com) 30

MAxSym

MAxSym MATLAB tool mathematisch model: open-source (UGent) stand-alone versie (VMM) mathematisch model: tijd? stationair en niet-stationair coördinatenstelsel? 2D axiaal-symmetrisch oplossingsmethode? numeriek (eindigverschil) 32

MAxSym input stationair of niet-stationair aantal perioden pompputstraal rw type grondwaterreservoir aantal lagen parameters D, Kh, Kv, Ss, N, Sy tijdsduur dt debieten Q 33

MAxSym simulatie simulatie gelukt? valt toplaag droog? fout op balans? fout mogelijk bij verkeerde input valt toplaag droog? enkel mogelijk als freatisch fout op balans? ok als kleiner dan 0,1% totaal debiet max. aantal iteraties ok als kleiner dan 5000 34

MAxSym output geïnterpoleerde waarden: gegeven r en t: wat is s? bv. verlaging in pompput na gegeven tijd t? gegeven r en s: wat is t? bv. nodige tijd om gegeven s te bereiken in pompput? gegeven t en s: wat is r? bv. invloedstraal voor s = 5 cm na gegeven tijd t? 35

MAxSym figuur verlaging s i.f.v. tijd t verlaging s i.f.v. afstand r verschillende lagen verschillende afstanden r verlaging s i.f.v. afstand r verschillende tijden t grafiek in apart venster met opmaakfuncties: schaal van assen datacursor … 36

MAxSym figuur 37

Besluit

Besluit Grondwaterwinning = hinderlijke inrichting Impact van winning afhankelijk van: debiet + duur winning hydraulische eigenschappen grondwaterreservoir voeding en drainage: infiltratie, waterlopen, andere winningen, … grondwaterkwaliteit aanwezigheid natuurgebied, landbouw, ...  locatiespecifiek 39

Besluit Berekenen impact m.b.v. mathematisch model: MAxSym: Axi-symmetrisch model: lokaal effect (afpompingskegel) 3D model: lokaal + regionaal effect MAxSym: generiek axi-symmetrisch model meerlagig stationair of transiënt constant of variabel debiet zegt meer dan inschatting invloedstraal en/of 1D formule eenvoudig in gebruik: geen formules, GUI 40

Praktisch Contact Dienst Grondwaterbeheer MAxSym Algemeen: Didier D’hont (d.dhont@vmm.be) Adviesverlening: Ywan De Jonghe (y.dejonghe@vmm.be) DOV: Tinneke De Rouck (t.derouck@vmm.be) VGM, MAxSym: Andy Louwyck (a.louwyck@vmm.be) MAxSym MATLAB versie (UGent): maxsym.googlecode.com stand-alone versie (VMM): binnenkort beschikbaar 41