de-relatie-tussen-de-luchtdruk-en-de-filterstand-in-het

rapport
De relatie tussen de luchtdruk
en de filterstand in het
pleistoceenfilter op kavel Lz 15
door
J.J. Boelens
.-
7065
-
!rie van verkeer en waterstaat
nst voor de ijsselmeerpolders
BIBLIOT:iCEK
RIJKSDIEN::TV O O R i3e
rappor
De relatie tussen de luchtdruk
en de filterstand in het
pleistoceenfilter op kavel Lz 15
door
J.J. Boelens
rninisterie van verkeer h T h E d a a t
rijksdienst voor de ijsselmeerpol,ders
smedinghuis. lelystad
1. Inleiding
2 . Theoretische achtergronden
3 . Uitvoering van het onderzoek
4 . Resultaten van het onderzoek
5. Conclusies
6 . Samenva t t ing
7 . Literatuur
1. lnleiding
.
.
H e ' t i s een bekend v e r s c h i j n s e l d a t de l u c h t d r u k i n v l o e d h e e f t o p de
p o t e n t i a a l i n w a t e r v o e r e n d e p a k k e t t e n met s p a n n i n g s w a t e r .
Hoe g r o o t d e z e i n v l o e d i s , i s i n de I J s s e l m e e r p o l d e r s , v o o r ' z o v e r bekend, n o o i t a a n de hand van een l a n g e waarnemingsreeks v a s t g e s t e l d .
We1 i s door Ven (1975) t i j d e n s e e n pompproef de i n v l o & d van de l u c h t d r u k k w a n t i t a t i e f v a s t g e s t e l d op de p o t e n t i a a l i n e e n ondiep e n een
d i e p watervoerend pakket. D i t b e t r o f e e n b e p e r k t a a n t a l waarnemingen
van e e n a a n t a l f i l t e r s , met een hoge o p n a m e f r e q u e n t i e , i n een k o r t
t i j d s b e s t e k . Ook Marsman (1980) h e e f t onderzoek gedaan n a a r de i n v l o e d
van de l u c h t d r u k op de p o t e n t i a a l . D i t a a n de hand van de opnamegegev e n s van een v i e r t a l f i l t e r s . De opnamefrequentie bedroeg l m a a l p e r 6
weken e n de o n d e r z o e k s p e r i o d e l i e p van a p r i l 1979 t o t a p r i l 1980.
I n he't kader van h e t r i j p i n g s o n d e r z o e k i s i n h e t v o o r j a a r van 1978 op
de k a v e l LZ 15, e e n p r o e f v e l d i n g e r i c h t ( R i j n i e r s c e , 1977). Hierop z i j n
van a p r i l 1978 t o t en met a u g u s t u s 1980 waarnemingen v e r r i c h t . Als ond e r d e e l van d i t onderzoek i s w e k e l i j k s , en soms nog v a k e r , de s t i j g hoogte i n h e t p l e i s t o c e e n f i l t e r gemeten. ~ i e r d o o ri s een l a n g e a a n e e n g e s l o t e n waarnemingsreeks o n t s t a a n met een hoge opnamefrequentie.
I n de p e r i o d e a p r i l 1978 t o t a p r i l 1979 gebeurde d i t i n h e t f i l t e r op
k a v e l LZ 16. D i t f i l t e r behoorde b i j e e n r i j p i n g s t e r r e i n van de subafd e l i n g Bodemkunde ( s e c t i e ~ n k l i n k i n ~ )In
. a p r i l 1979 i s d i t f i l t e r ,
wegens a a n l e g van een k a v e l s l o o t , v e r p l a a t s t n a a r h e t r i j p i n g s p r o e f v e l d op LZ 15. De gegevens over d e waarnemingsperiode op LZ 16 en d i e
o p LZ 1 5 z i j n a f z o n d e r l i j k v e r w e r k t .
.
.
Het v e r l o o p van de, gemeten f i l t e r s t a n d e v e n a l s h e t v e r l o o p van de
l u c h t d r u k worden g r a f i s c h weergegeven. Om een . j u i s t b e e i d van h e t
t r e n d m a t i g v e r l o o p t e v e r k r i j g e n z i j n de f i l t e r s t a n d e n g e c o r r i g e e r d
v o o r de l u c h t d r u k v e r s c h i l l e n . . Voor de h e e r s e n d e . l u c h t d r u k . ( o p de opnamedata) i s g e b r u i k gemaakt van d&, gegevens van h e t K.N.M.I.
s t a t i o n De
silt.
Het v e r l o o p van deze g e c o r r i g e e r d e f i l t e r s t a n d e n i s eveneens g r a f i s c h
weergegeven.
De a u t e u r dankt de h e e r G.A.
Ven voor z i j n b i j d r a g e aan d i t r a p p o r t .
2. Theoretische achtergronden
Het P l e i s t o c e e n is een watervoerend pakket met e e n d i k t e van c a . 200 m
d a t a a n de o n d e r z i j d e r u s t op d i k k e k l e i a f z e t t i n g e n en van boven i s a f g e s l o t e n door e e n i n d i k t e e n s a m e n s t e l l i n g v a r i s r e n d holoceen pakket.
I n h e t P l e i s t o c e e n komen l a g e n Eemklei voor d i e ' h e t pakket v e r d e l e n i n
e e n d i e p e n een o n d i e p watervoerend pakket. D i t onderzoek h e e f t b e t r e k k i n g op h e t ondiepe watervoerende pakket.
Het P l e i s t o c e e n i s e e n a f g e s l o t e n pakket w a a r i w e e n i e k e r e overdruk ( d e
p o t e n t i a a l ) h e e r s t , d i e wordt v e r o o r z a a k t door h e t v e r s c h i l i n openwat e r p e i l t u s s e n de p o l d e r e n .de omringende g e b i e d e n . Door h e t p e i l v e r s c h i l t r e e d t er s t r o m i n g op waardoor kwel o n t s t a a t . Door de a a n l e g van
k a n a l e n en t o c h t e n o n t s t a a n p e r f o r a t i e s i n h e t a f s l u i t e n d e holocene
pakket waardoor de kwel toeneemt. De toenemende kwel v e r o o r z a a k t e e n
afname van d e o v e r d r u k i n h e t . P l e i s t o c e e n . ~ e r d ep o~l d e r i n w a a r t s wordt
d e s t i j g h o o g t e i n h e t o n d i e p e P l e i s t o c e e n s t e r k beInvloed door h e t pold e r p e i l . Ten o p z i c h t e . van de g r o n d w a t e r s t a n d i s er m e e s t a l geen s p r a k e
meer van e e n overdruk.
,
.
Door i n h e t P l e i s t o c e e n een f i l t e r met p e i l b u i s t e p l a a t s e n kan d e
s t i j g h o o g t e worden gemeten. Een l u c h t d r u k v e r a n d e r i n g v e r o o r z a a k t e e n
r e g l e v e r a n d e r i n g van de s t i j g h o o g t e . Deze v e r a n d e r i n g kan o p t r e d e n
d o o r de g e r i n g e samendrukbaarheid van h e t grondwater en de d a a r i n opgel o s t e g a s s e n . Het grondwater h e e f t e e n z e k e r e spanning; i n d i e n . d e
l u c h t d r u k toeneemt z a l de s t i j g h o o g t e afnenem e n i n d i e n de l u c h t d r u k
afneemt z a l deze toenemen. De mate van invloed'van de l u c h t d r u k v e r s c h i l l e n op d e . f i l t e r s t a n d ( d e , 1 u c h t d r u k e f f ' i c i B n e e ) i s a f h a n k e l i j k
van d e mate van a f s l u i t i n g van h e t watervoerende pakket. I n d i e n h e t
Holoceen meer l e k wordt, d a a l t de p o t e n t i a a l e n l o o p t de l u c h t d r u k e f f i c i ~ n t i et e r u g .
D o o r f l u c t u a t i e s i n d e f i l t e r s t a n d t r e e d t er e e n w a t e r v e r p l a a t s i n g op
i n h e t f i l t e r . De s t i j g b u i s van een p l e i s t o c e e n f i l t e r h e e f t een binnend i a m e t e r van plm. 2 , 4 cm. P e r cm niveauverander,ing i s d i t een w a t e r v e r p l a a t s i n g v a n plm. 4 , 5 cm3. Gezien d e g e r i n g e w a t e r v e r p l a a t s i n g e n d e
c o n b t r u c t i e v a n h e t . f i l t e r mag verwacht w o r d e n ' d a t de n a - i j l i n g van de
f i l t e r s t a n d b i j s t i j g h o o g t e v e r a n d e r i n g e n v e r w a a r l o o s b a a r k l e i n is.
3. Uitvoering van het onderzoek
Op kavel LZ 15 is in het voorjaar van 1978 een rijpingsonderzoek
gestart, waartoe een rijpingsproefveld is ingericht. Tot dit onderzoek behoorde 0.a. het meten,van het potentiaalverloop in het Pleistoceen. Dit wordt gemeten met behulp van een filter dat 1 3 2 meter
in het Pleistoceen is geplaatst.
Voor deze waarnemingen werd eerst gebruik gemaakt van een filter op
kavel LZ 16. Dit filter behoorde bij rijpingsterrein nr. 21: dit is
E6n van de onderzoeksterreinen van de subafdeling Bodemkunde voor het
inklinkingsonderzoek. Toen dit filter bij aanleg van een kavelsloot
werd verwijderd, is het verplaatst naar het rijpingsproefveld op
LZ 15.
Op dit terrein werden wekelijks waarnemingen gedaan waaronder het opnemen van de stijghoogte in het pleistoceenfilter. De waarnemingen
werden voortgezet tot half augustus 1980, toen het proefveld werd opgeheven. Door de lange periode en de frequente opname kwam een lange
reeks gegevens beschikbaar van in totaal 124 waarnemingen (bijlage 1)
over het potentiaalverloop in het Pleistoceen. De holoceendikte op kavel LZ 15 bedroeg bij aanvang van het onderzoek 380 cm. De gemiddelde
maaiveldshoogte, gemeten op het proefterrein, bedroeg bij aanvang van
het onderzoek 348,3 cm beneden N.A.P. Het verloop van de grondwater-.
stand is evenals het verloop van de gemeten stijghoogte weergegeven in
figuur 1. Uit deze figuur blijkt dat de stijghoogte nog een geringe
overdruk heeft ten opzichte van het peil in de nabij gelegen Hoge
Vaart van 5,20 m -N.A.P. De grondwaterstand'is echter aanzienlijk hoger dan de stijghoogte.
-530
I
R
' M
1978
'
~
'
~
~
A
,
~ ~
1379
,
<
1
'
~
1
'
,
N
8
'
1
D
1
~
1
J
1
,
'
F
1
~
I
1
1
M
~
1
R
'
"
~
M
~
URRRNEn 1 NSSPER IODE
F I G . 1 . HET VERLOOP VRN DE GRONDWRTERSTRND EN HET STYGHOOGTEVERLOOP IN HET PLEISTOCEENFILTER IN CM BENEDEN N.R.P.
J
~
~
~
'
R
De waarnemingsreeks v e r t o o n t e e n h i a a t i n d e p e r i o d e december 1978 t o t
a p r i l 1979, a l s g e v o l g v a n d e s t r e n g e w i n t e r .
Voordat met d e v e r w e r k i n g i s g e s t a r t z i j n d e , op de opnamedata h e e r s e n d e l u c h t d r u k k e n verzameld. H i e r v o o r i s g e b r u i k gemaakt van d e
l u c h t d r u k (daggemiddelde) gemeten op h e t K.N.M.1.-station
De B i l t . Het
l u c h t d r u k v e r l o o p i s weergegeven i n f i g u u r 2.
1070 LUCHTDRUK I N M.BRR
T
F I G . 2 . HET LUCHTDRUKVERLUOP IN M.BRR
Omdat e e n l i n e a i r v e r b a n d t u s s e n de f i l t e r s t a n d e n de l u c h t d r u k aannem e l i j k i s , i s met de l u c h t d r u k g e g e v e n s en d e f i l t e r s t a n d e n e e n r e g r e s s i e b e r e k e n i n g u i t g e v o e r d . Omdat h e t f i l t e r t u s s e n t i j d s v e r p l a a t s t i s ,
i s d e waarnemingsreeks g e s c h e i d e n i n e e n p e r i o d e LZ 16 e n e e n p e r i o d e
LZ 15. Hoewel d e v e r p l a a t s i n g s l e c h t s over plm. 300 m h e e f t p l a a t s g e vonden, . i s h e t n i e t j u i s t om de gegevens b i j e e n t e voegen.
4. Resultaten van het onderzoek
Het verloop van de stijghoogte in een open peilbuis met het filter in
een goed doorlatende afgesloten laag, zoals is weergegeven in figuur
1, is sterk fluctuerend.
Om een juist beeld te krijgen van het trendmatig potentiaalverloop in
zo'n laag, is het nodig de meetgegevens te corrigeren. Dit kan geschieden door de gemeten filterstanden om te rekenen naar de gemiddelde luchtdruk van de betreffende meetperiode. Hiervoor is echter de ,
luchtdrukefficisntie nodig. Om deze te verkrijgen is'een lineaire regressieberekening uitgevoerd met als variabelen de gemeten filterstanden en de op de meetdata heersende luchtdruk.
De resultaten zijn weergegeven in de figuren 3 en 4.
J
9E0
,
990
1000
1010
1020
1030
LUCHTDRUK I N M.BRR
F 1 6 . 3 . HET VERKRND TU55EN DE LUCHTDRUK EN D E F I L T E R ~ T R N D6EMETEN
'
I N HET FILTER UP LZ 16
De regressievergelijking voor de waarnemingsperiode op LZ 16 is: filterstand = -0,5554 x luchtdruk + 65,3333. De correlatiecoEfficil?'nt(r)
is:
0 , 9 0 3 . Van de variantie in de gemeten stijghoogte kan 8 2 %
(2-2 ~ 1 0 0 % verklaard
)
worden uit de luchtdrukverschillen. De overige
variantie heeft andere oorzaken.
-
De regressie vergelijking voor de waarnemingsperiode op LZ 15 is:
filterstand = -0,6148 x luchtdruk + 117,8967. De correlatiecosfficisnt (r) is: - 0 , 7 5 6 . De-negatieverichtingscol?'fficiZntwordt veroorzaakt door het dieper worden van,de filterstand bij toenemende
luchtdruk. Van de variantie in'de gemeten stfjghoogte,kan 57% verklaard worden uit de luchtdrukverschillen. :De overige variantie heeft
andere oorzaken. . '
,.. .
.a
FILTERSTRND I N Cil - N R P
1
3E0
*
<
330
1000
lBlB
I0Z0
1030
LUCHTDRUK I N N .ERR
F I G . HET YERBRND TU55EN DE LUCHTDRUK EN DE FILTERSTRND GEMETEN
I N HET F I L T E R UP LZ I S
F1G.S.
HET 5TYGHOUGTEVERLOOP I N CM
-
N . R . P . GECORRIGEERD OP DE GEfllDDELDE LUCHTDRUK
U i t de r e g r e s s i e v e r g e l i j k i n g e n b l i j k t d a t h e t f i l t e r op LZ 16 een
1 u c h t d r u k e f f i c i i S n t i e had van 56% e n h e t f i l t e r o p LZ 1 6 van 62%. D i t
b e t e k e n t , d a t e e n s t i j g i n g van de l u c h t d r u k met 10 mbar op LZ 16 e e n
gemiddelde d a l i n g van de f i l t e r s t a n d t o t g e v o l g . h e e f t v a n 5 , 6 cm e n Op
LZ 15 van 6,2 cm. Met behulp van de 1 u c h t d r u k e f f i c i E n t i e i s de f i l t e r 12
stand berekend bij de gemiddelde luchtdruk van de betreffende periode. Voor de periode LZ 16 is dit 1.016,5 m bar en voor de periode op
LZ 15 is dit 1.014.2 m bar. Op deze wijze wordt het absolute potentiaalverloop duidelijk, zoals blijkt uit figuur 5.
Uit het verloop van deze figuur, en de vooral de periode op LZ 15,
blijkt duidelijk de absolute daling van de potentiaal, terwijl een
seizoensinvloed duidelijk aanwezig is.
Door Ven (1975) werd tijdens een pompproef, in het ondiepe\watervoerende pakket, een luchtdrukefficigntie gevonden van ongeveer 80%.
Dit is veel hoger dan de in dit onderzoek gevonden waarden. Waar- .
schijnlijk zal dit verschil te wijten zijn aan een verschil in de opbouw en mate van afsluiting van het ondiepe Pleistoceen. Door Marsman
(1980) kon geen goede correlatie tussen stijghoogte en luchtdruk worden vastgesteld.
De absolute daling (plm. 15 cm in de onderzoeksperiode) van de potentiaal in het Pleistoceen is een gevolg van het steeds meer lek worden
van het afsluitende holocene pakket door toenemende rijping, het graven en uitdiepen van tochten en het maken van zandwinputten.
De toename van de stijghoogte tijdens de winterperioden en daling in
de zomers (seizoeninvloed) wordt veroorzaakt door verschillen in de
zomer- en wintergrondwaterstand en open waterpeilen. Ook de hogere
peilen in he randmeren en het Markermeer tijdens de winterperiode zijn
van invloed op het stijghoogteverloop.
Ondanks correctie op luchtdruk komen nog kleine fluctuaties voor,
waarvan enkele mogelijk te wijten zijn aan waarnemingsfouten of onnauwkeurigheden in de luchtdruk. Er is gewerkt met gemiddelde dagcijfers. De luchtdruk kan bij frontpassages aanzienlijk vari~r'enover de
dag. Als de luchtdruk bij de opname van de filterstand veel afwijkt
'van het daggemiddelde zal de filterstand te veel of te weinig worden
gecorrigeerd. Voor de overige fluctuaties is geen goede verklaring te
geven. Het bestand is niet gescreend op ,afwijkende waarnemingen.
8.
..
5. Conclusies ,
Uit de resultaten van het onderzoek blijkt dat er een goede relatie is
tussen de variatie in luchtdruk en de variatie in stijghoogte in een
filter dat in een watervoerend pakket met spanningswater staat. Uit
correlatieberekeningen met stijghoogtemetingen op de kavels LZ 16 en
15 en de luchtdruk blijkt, dat resp. 82 en 57% van de variatie in
stijghoogte verklaard kan worden uit de luchtdrukverschillen. Gemiddeld resulteert een luchtdrukverandering van 10 mbar in een stijghoogteverandering van 5,6 en 6,2 cm voor resp. kavel LZ 16 en 15.
Na correctie van de filterstanden voor luchtdruk en rekening houdend
met een seizoensmatig en trendmatig verloop blijkt, dat er (geringe)
fluctuaties in het verloop aanwezig blijven. Hiervoor is geen goede
verklaring te geven. Mogelijk zijn meetfouten en onnauwkeurigheden in
de luchtdruk hiervan de oorzaak. Eventuele andere oorzaken, bijv.
bronnering, lijken niet waarschijnlijk omdat het filter in een "rustig" gebied staat.
Gesteld kan worden dat de potentiaal in het Pleistoceen een erg regelmatig verloop vertoont. Voor inzicht in het trendmatig verloop is het
nodig de gemeten filterstanden van pleistoceenfilters op luchtdruk te
corrigeren. De verandering in de potentiaal blijken dan die door seizoensinvloed en absolute daling veroorzaakt.
6. Sarnenvatting
Hoewel het bekend is dat de luchtdruk invloed uitoefent op de potentiaal van het Pleistoceen, is de grootte hiervan in de IJsselmeerpolders, voor zover bekend, nooit aan de hand van een lange waarnemingsreeks vastgesteld. Op het rijpingsproefveld op kavel LZ 15, is als onderdeel van een rijpingsonderzoek, in de periode april 1978 tot en met
augustus 1980, wekelijks, en soms nog vaker, de stijghoogte in het
Pleistoceen gemeten. Daardoor is een lange, aaneengesloten waarnemingsreeks ontstaan met een hoge opnamefrequentie. Doordat het pleistoceenfilter tussentijds is verplaatst, van LZ 16 naar LZ 15, is de
waarnemingsreeks in twee gedeelten verwerkt.
Het optreden van fluctuaties in de filterstand door wisselende luchtdruk wordt veroorzaakt door de geringe samendrukbaarheid van water en
de daarin opgeloste gassen. Het effect van de luchtdrukverandering op
de filterstand, de luchtdrukefficiSntie, is afhankelijk van de mate
van afsluiting van het watervoerende pakket. Hoe beter dit is afgesloten hoe groter de reactie op luchtdrukverschillen.
Voordat met verwerking van d'e gegevens is gestart zijn de, op de opnamedata heersende luchtdrukken verzameld. h d a t een lineair verband
tussen de filterstand en luchtdruk aannemelijk is, is met deze gegevens een regressieberekening uitgevoerd. De regressievergelijking van
de periode op LZ 16 is: filterstand = - 0,5554 x luchtdruk + 65,3333
met een correlatie cozfficiznt van 0,903. Voor de periode op LZ 15
is dit: filterstand = -0,6148 x luchtdruk + 117,8967 met een correlatie coEffici8nt van -0,756. Uit de regressievergelijkingen blijkt dat
het filter een luchtdrukeffici8ntie heeft van 56% voor de periode op
LZ 1 6 en 62% voor de periode op LZ 15. Dit houdt in, dat bij een
luchtdrukstijging van 10 mbar de filterstand resp. 5,6 en 6,2 cm
daalt. Van de variatie in de gemeten stijghoogten op de kavels LZ 16
en 15 kan resp. 82 en 57% verklaard worden uit luchtdrukverschillen.
-
Voor inzicht in het trendmatig potentiaal verloop zijn, m.b.v. de
luchtdrukeffici8ntie, de filterstanden berekend bij de gemiddelde
luchtdruk van de betreffende waarnemingsperiode. Uit het zo berekende
verloop blijkt duidelijk de absolute daling van de potentiaal terwijl
een seizoensinvloed duidelijk aanwezig is.
Uit de onderzoeksresultaten blijkt dat er een goede relatie is tussen
de luchtdruk en de stijghoogte in een pleistoceenfilter. De luchtdrukefficiznties van resp. 56% en 62% tonen aan dat de luchtdrukveranderingen niet volledig in de filterstand tot uiting komen. De nog overblijvende, geringe afwijkingen in het gecorrigeerde verloop van de
filterstand worden mogelijk veroorzaakt door waarnemingsfouten en onnauwkeurigheden in de luchtdruk. Voor inzicht in een trendmatig verloop van de potentiaal is het nodig de gemeten filterstanden van
pleistoceenfilters op luchtdruk te corrigeren.
7. Literatuur
R i j n i e r s c e , K.
1977
P r o e f p l a n voor e e n onderzoek n a a r de
vochthuishouding van jonge gronden o p
k a v e l LZ 15 i n Z u i d e l i j k Flevoland.
R i j k s d i e n s t voor d e I J s s e l m e e r p o l d e r s ,
Rapport 1977-301 Abw.
Ven, G.A.
1975
Over d e b e p a l i n g van d e g e o h y d r o l o g i s c h e
bodemconstanten u i t e e n t w e e t a l pompproeven i n de z u i d l o b van Z u i d e l i j k Flevoland. R f j k s d i e n s t v o o r de I J s s e l m e e r p o l d e r s L e l y s t a d , F l e v o b e r i c h t n r . 106.
Marsman, D.J.
1980
De s t i j g h o o g t e van h e t grondwater i n h e t
ondiepe watervoerend p a k k e t van h e t
P l e i s t o c e e n i n ~ u i d e l i j kFlevoland.
R i j k s d i e n s t voor de I J s s e l m e e r p o l d e r s ,
L e l y s t a d , WD 1980
1 1 5 Abw.
-
Bijlage 1 : De gemeten en de brekende filterstanden en de op de
opnamedatum heersende luchtdruk
DATUM
13 4 1978
20 4 1978
27 4 1978
5 5 1978
11 5 1978
FILTER GEM.
-490.2
-493.2
-486.2
-497.2
-509.2
FILTER BER.
-496.4
-496.9
-493.6
-500.9
-502.4
LUCHTDR.
1005.3
1009.9
1003.2
1009.8
1028.7
Vervolg bijlage
DATUM
25 5 1979
3 1 5 1979
7 6 1979
2 1 6 1979
25 6 1979
F I L T E R GEM.
-493.8
-500.8 '
-503.8
-499.8
-500.8
F I L T E R BER.
-497.7
-499.1'
-500.7
-499.7
-500.8
LUCHTDR
1007.8
1016.9
1019.3
1014.3
1014.2
.
Vervolg bijlage 1.
DATUM
27 12 1979
FILTER GEM.
-504.8
-505.8
-510.8
-502.8
-490.8
FILTER BER.
-505.6
-503.8
-505.5
-502.2
-502.7
LUCHTDR.
1012.9
1017.5
1022.9
1015.1
994.9

Download Report