dit artikel - Smartpolder

Platform
tekorten tegen te gaan (seizoensberging), door
in de winter relatief schoon en zoet water
(bijvoorbeeld regenwater) op te slaan voor
gebruik in de zomer.
Ondergrondse waterberging als
alternatief voor bovengrondse
piek- en seizoensberging
ir. D. Bremer, Gemeente Haarlemmermeer*
ir. ing. J. van den Adel, Adrem projectmanagement
drs. B. Drijver, IF Technology
drs. A. Willemsen, IF Technology
Afb. 1:
Om het knelpunt van wateroverlast en veiligheid op korte termijn op te lossen heeft Rijnland voor de Haarlemmermeerpolder één miljoen kubieke meter piekberging nodig. Voor de
jaarlijkse zoetwatervraag is een seizoensberging
van ongeveer twee miljoen kubieke meter nodig.
Een combinatie met de aanleg van een recreatie/natuurgebied in Zwaansbroek (afbeelding 1) leek daarbij voor de hand te liggen. Om
zowel de piekberging als de seizoensberging te
kunnen realiseren is 250 hectare oppervlaktewater nodig.
In de gemeente Haarlemmermeer is het
opofferen van 250 hectare voor waterberging
Ligging van het gebied Zwaansbroek.
Om wateroverlast en watertekorten te voorkomen
zal in de toekomst meer capaciteit nodig zijn om
water te bergen dan wel af te voeren. In heel
Nederland worden momenteel plannen ontwikkeld voor het aanleggen van oppervlaktewaterbassins om in de waterbergingsbehoefte te voorzien. In de praktijk blijkt echter dat het beslag
van dit oppervlaktewater op de toch al schaarse
ruimte tot conflicten leidt. Ondergrondse waterberging kan uitkomst bieden in dit dilemma. In
dit artikel zijn de mogelijkheden van ondergrondse waterberging toegelicht aan de hand van
de case Zwaansbroek, een gebied in de Haarlemmermeer.
Uit onderzoek van het Hoogheemraadschap Rijnland3),6) is de conclusie getrokken dat
de kans op hoge waterstanden in de boezem,
en daarmee de kans op wateroverlast, in de toekomst flink zal toenemen door klimaatveranderingen, zeespiegelstijging, bodemdaling en
wijzigingen in grondgebruik (verstedelijking).
Omdat het nogmaals uitbreiden van de bemalingscapaciteit geen uitkomst biedt, zijn
waterbergingslocaties nodig om bij extreme
regenval water op te vangen (piekberging).
In droge perioden is water nodig om het
waterpeil in de boezems op hoogte te houden
(primair van belang om verzakking van kades,
schade aan funderingen en maaivelddaling te
voorkomen) en om het watersysteem door te
spoelen waarbij de verzilting (afkomstig van
brakke kwel) wordt tegengegaan. De kwaliteit
van het water dat hiervoor momenteel wordt
ingelaten, is niet altijd voldoende, waardoor de
waterkwaliteit en de ecologische ontwikkeling
in het gebied verslechteren. De waterbergingslocaties kunnen ook worden ingezet om waterH 2 O # 19•2004
89
Platform
echter niet vanzelfsprekend. Ter plekke is
namelijk ook ruimte nodig om woningen te
bouwen die voorzien in de behoefte van de
gemeente Haarlemmermeer en de noordzijde
van de Randstad. Nieuwe woningen mogen
niet gebouwd worden onder de aan- en uitvliegroutes van de luchthaven Schiphol. De
enige plekken waar nog wel gebouwd kan
worden, liggen in het westen van de Haarlemmermeerpolder, in het gebied Zwaansbroek.
Bovendien zal de lopende discussie over de
ruimtelijke ordening in de Haarlemmermeer
een snelle realisatie van grootschalig oppervlaktewater in de weg staan.
Ondergrondse waterberging
Een alternatief dat nauwelijks bovengrondse ruimte vraagt, is ondergrondse waterberging. Het principe is schematisch weergegeven in afbeelding 2. Bij een wateroverschot
wordt water in watervoerende pakketten
(aquifers) in de bodem geïnfiltreerd en bij
vraag naar water wordt het water onttrokken.
In feite is sprake van meervoudig ruimtegebruik: de ruimte bovengronds kan worden
gebruikt voor wonen, werken en natuur en de
ruimte onder het maaiveld voor waterberging.
Ondergrondse waterberging zou zodoende een
oplossing kunnen zijn voor de waterbergingsopgave van de waterbeheerders in Nederland.
In het buitenland, waar het principe
Aquifer Storage Recovery (ASR) wordt
genoemd8),11) wordt ondergrondse waterberging al veelvuldig toegepast voor het bergen
van drinkwater. In Nederland is door Waterleiding Maatschappij Limburg één pilotproject
opgezet voor drinkwateropslag, dat succesvol
is verlopen12). In de glastuinbouw wordt veelvuldig gebruik gemaakt van ondergrondse
waterberging om regenwater op te slaan voor
gebruik als gietwater.
Een ondergrondse waterberging bij
Zwaansbroek zou er uit kunnen zien zoals
weergegeven in afbeelding 3. Voor seizoensberging wordt in de winter vier miljoen
kubieke meter oppervlaktewater (twee keer zo
veel in verband met verliezen) onttrokken aan
de ringvaart en opgeslagen in de derde aquifer.
Om de verstoppende werking (troebelheid) van
te infiltreren water te beperken, wordt het
water ontrokken uit een drain onder de ringvaart. In totaal worden 20 infiltratiebronnen
gebruikt die langs de ringvaart liggen, met een
onderlinge afstand van 500 meter. Iedere winter wordt gedurende ongeveer tweeduizend
uur water uit de ringvaart onttrokken met een
debiet van 2.000 kubieke meter per uur. In de
zomer kan dit water naar behoefte worden
opgepompt ter aanvulling van het oppervlaktewater, eventueel na een eenvoudige
beluchting. Voor piekberging van een miljoen
90
H 2 O # 19•2004
Afb. 2:
Schematische weergave van ondergrondse waterberging.
kubieke meter water in 18 uur (debiet 56.000
kubieke meter per uur of 15 kubieke meter per
seconde) worden 140 bronnen voorzien met
een infiltratiecapaciteit van 400 kubieke meter
per uur per stuk. Hierin wordt direct water uit
de ringvaart geïnfiltreerd (ongezuiverd).
Voor de hand liggende vragen bij ondergrondse waterberging zijn:
- Hoeveel water kan men in één bron infiltreren?
- Krijgen we geen last van natte voeten en
zoute kwel?
- Waar komt het water voor seizoensberging
vandaan?
- Verstoppen de bronnen niet?
- Is ondergrondse waterberging kostentechnisch interessant?
- Hoeveel van het geïnfiltreerde zoete water
kan ik weer onttrekken voordat het water
te zout wordt? Welke reacties treden
ondergronds op en wat zijn de consequenties voor de bodem en de kwaliteit van het
onttrokken water?
- Hoe zit het met bodembeschermingaspecten?
Deze vragen zullen de revue passeren aan
de hand van het voorbeeld van ondergrondse
waterberging voor Zwaansbroek.
Infiltratiehoeveelheid en debiet
De infiltratiecapaciteit (debiet) per bron
wordt beperkt door grondmechanische randvoorwaarden en door de mate waarin de veroorzaakte effecten acceptabel zijn.
Grondmechanische beperkingen
Als bij de infiltratie van water de druk in
de gebruikte aquifer te ver oploopt, kunnen
scheuren in de bodem ontstaan, waardoor het
geïnfiltreerde water in het meest extreme geval
(deels) aan maaiveld uittreedt. De druk waarbij
Platform
30 cm. Daarnaast zal enige mate van opwaartse
stroming en een toename van de kwel naar het
oppervlaktewater plaatsvinden. In de (natte)
periode dat het water wordt opgeslagen, zal
het oppervlaktewater relatief zoet zijn en is
enige verzilting minder bezwaarlijk. In periode
dat het water weer wordt onttrokken, zal de
kweldruk verminderen, hetgeen een positieve
invloed heeft op de waterkwaliteit.
Herkomst water voor seizoens- en
piekberging
Omdat de piekberging van een miljoen
kubieke meter water bij Zwaansbroek naar
schatting slechts eens per tien jaar nodig is,
dient voor seizoensberging aanvullend water
te worden geïnfiltreerd. Hier is uitgegaan van
de infiltratie van oppervlaktewater dat in de
winterperiode wordt onttrokken middels een
drain, onder de bodem van het oppervlaktewater. Deze methode van voorzuivering van
oppervlaktewater wordt ook, naar tevredenheid, gebruikt door het Waterleidingbedrijf
Amsterdam voor diepinfiltratie in de duinen5).
Andere mogelijkheden zijn om het water te
onttrekken aan drains in het bouw-/weiland
in landelijk gebied of een combinatie met
hemelwaterafkoppeling in stedelijk gebied.
Verstopping van infiltratiebronnen
Afb. 3:
Mogelijke opzet van de piek- en seizoensberging.
scheurvorming optreedt, wordt bepaald door
de gronddruk9),10) en is daardoor afhankelijk
van de diepte waarop het water wordt geïnfiltreerd. Bij Zwaansbroek is gebruik van de
derde aquifer het meest optimaal en zijn de
berekende infiltratiedrukken bij het genoemde
ontwerp (infiltratie van een miljoen kubieke
meter water in 18 uur tijd via 140 bronnen van
400 kubieke meter per uur) volgens recente
ontwikkelingen in de theorie over scheurvorming10) toelaatbaar. Dit aspect verdient
echter nadere studie.
Bij seizoensberging is het maximale infiltratiedebiet per bron circa 100 kubieke meter
per uur en zijn 20 bronnen nodig. Hierbij zal
frequent terugspoelen nodig zijn om bronverstopping te beperken (bijvoorbeeld dagelijks).
Hydrologische effecten
Bij het infiltreren neemt de druk in de
aquifer toe en kan ook de grondwaterstand
worden beïnvloed. Of de veroorzaakte effecten
acceptabel zijn, kan vooraf worden ingeschat
middels berekeningen en wordt tijdens de vergunningprocedure voor de benodigde vergunning Grondwaterwet beoordeeld door het
bevoegd gezag (de Provincie).
Bij piekberging wordt in korte tijd een
grote hoeveelheid water geïnfiltreerd. Door de
elasticiteit van de bodem zal de grondwaterstand pas na enige tijd reageren en kan de
bodem worden gebruikt als tijdelijke buffer.
Uit globale berekeningen blijkt dat het maximale effect op de grondwaterstand (enige centimeters) in geval van piekberging bij Zwaansbroek pas na circa twee weken optreedt.
Bij seizoensberging heeft de grondwaterstand de tijd om te reageren en is de invloed
groter. Volgens globale berekeningen is de
maximale invloed op de grondwaterstand 20 à
De snelheid waarmee een infiltratiebron
verstopt, kan worden berekend met een uit de
literatuur bekende op theorie gefundeerde
relatie2). De verstoppingsnelheid hangt daarbij
af van de snelheid waarmee het water de
aquifer instroomt, de doorlatendheid van de
aquifer (eigenlijk de poriëngrootte) en de verstoppende eigenschappen van het infiltratiewater (membraanfilterindex, afgekort MFI).
Deze relatie is geverifieerd met metingen voor
MFI-waarden tot circa 20 s/l2. Grondwater
heeft veelal MFI-waarden tot 3 s/l2. Voor oppervlaktewater worden MFI-waarden van circa
1.000 s/l2 gevonden. Dit geeft aan dat bodempassage van het te infiltreren oppervlaktewater
erg gunstig kan zijn voor de verstoppingsnelheid. Hoe ver de MFI zal dalen door een
bodempassage van één tot vijf meter lengte is
onbekend, maar voorlopig is een MFI van
50 s/l2 aangehouden.
Op basis van de relatie van Buik en Willemsen2) bedraagt de toename van de infiltratiedruk bij maximaal debiet 1,5 meter waterkolom per jaar bij seizoensberging en 2,5 meter
in 18 uur voor de piekberging. Het is echter de
vraag of deze empirische relatie geëxtrapoleerd
mag worden naar MFI-waarden van 50 of
1.000 s/l2. Ook dit is een aspect dat nadere studie vereist.
Hutchinson7) heeft een andere relatie tussen MFI en verstoppingsnelheid gepubliceerd,
welke alleen op metingen is gebaseerd. Uit
H 2 O # 19•2004
91
Platform
deze relatie volgt een verstopping van ongeveer
zes meter in 18 uur bij piekberging bij een MFI
van 1000 s/l2. Op basis van de eerste resultaten
van het onderzoek van Oostveen10) lijkt deze
verstopping nog geen gevaar op te leveren voor
scheurvorming in de bodem.
Kosten
Ondanks alle onzekerheden is het aardig
om een beeld te geven van de kosten waaraan
gedacht moet worden. De ondergrondse seizoensberging voor Zwaansbroek kost globaal
tussen de vijf en tien miljoen euro. Voor de
piekberging moet gerekend worden op 20 à 30
miljoen euro aan investeringskosten. Uiteraard geeft een combinatie een besparing op de
investeringen.
Voor de combinatie van piek- en seizoensberging via de conventionele methode is 250
hectare (2,5 miljoen m2) oppervlaktewater
nodig. Omdat het ruimtebeslag van ondergrondse waterberging nagenoeg nul is (alleen
enkele m2 per behuizing en leidingwerk tussen
put en oppervlaktewater), zou ondergrondse
seizoensberging interessant worden als de
grondprijs plus inrichtingskosten hoger uitkomen dan twee tot vier euro per m2. Piekberging
wordt interessant als de grondprijs inclusief
inrichtingskosten hoger ligt dan acht to twaalf
euro per m2. Omdat de te bergen hoeveelheid
water voor alleen piekberging de helft
bedraagt van de hoeveelheid bij seizoensberging, zou de benodigde ruimte kleiner kunnen
zijn. Als voor piekberging 125 hectare nodig
zou zijn, dan wordt dat interessant bij grondprijzen van 16 à 24 euro per m2.
In de Haarlemmermeer kost landbouwgrond momenteel gemiddeld zeven euro per
m2. Met de benodigde inrichtingskosten daarbij opgeteld komen de kosten in dezelfde orde
van grootte als voor ondergrondse piekberging
van 250 hectare. Ondergrondse seizoensberging kost waarschijnlijk (veel) minder dan berging op maaiveld. Financieel gezien is het dus
interessant om ondergrondse waterberging
nader te bestuderen. In stedelijk gebied, waar
de grondprijzen vele malen hoger liggen, is
ondergrondse waterberging derhalve altijd een
zeer interessante optie.
Waterkwaliteit
In de Haarlemmermeer bevat de derde
aquifer zout grondwater. Als hierin zoet water
wordt geïnfiltreerd, wordt het zoute water verdrongen. Door diffusie (verwaarloosbaar), dispersie, grondwaterstroming en (vooral) door
opdrijving van het lichtere zoete water zal het
onttrokken grondwater na enige tijd bestaan
uit een mengsel van zoet infiltratiewater en
zout grondwater. Het rendement van zoetwateropslag in zoute aquifers vertoont veel
92
H 2 O # 19•2004
overeenkomst met het opdrijven van warm
water bij warmteopslag1) en kan voorspeld
worden middels modelberekeningen. Dergelijke modelberekeningen zijn nu niet uitgevoerd.
Voorlopig wordt volstaan met een voorzichtige
schatting van een rendement van 50 procent
(na onttrekking van de helft van de geïnfiltreerde hoeveelheid wordt een chloridegehalte
bereikt dat hoger ligt dan gewenst voor het
oppervlaktewater).
De derde aquifer in de Haarlemmermeer
bevat zuurstofverbruikende verbindingen,
zoals sulfiden en organisch materiaal. Bij de
infiltratie van zuurstofhoudend oppervlaktewater zullen reacties optreden waarbij het
zuurstof wordt verbruikt. Als het onttrokken
water wordt teruggebracht op oppervlaktewater, dient het zuurstofhoudend te zijn en
weinig zuurstofbindende stoffen, zoals opgelost ijzer, te bevatten. In de eerste cycli zou het
opslagrendement hierdoor lager kunnen zijn
dan de aangehouden 50 procent. Dit aspect verdient nadere bestudering. Door het mechanisme van ondergrondse ontijzering zal het
opslagrendement voor zuurstof na elke cyclus
toenemen4).
grondse waterberging heeft duidelijk belangrijke voordelen ten opzichte van oppervlaktewaterberging: vrijwel geen ruimtebeslag, toepasbaar waar de bergingsbehoefte is en
eenvoudig faseerbaar. Nadelen zijn er echter
ook: het is een technische oplossing die het
geborgen water onzichtbaar maakt, waardoor
de belevingswaarde van het water vermindert
en bovendien zijn er potentieel negatieve gevolgen ten aanzien van bodembescherming en
grondwaterbeheer. Verder dienen belangrijke
onzekerheden, zoals verstopping en kritieke
infiltratiedruk, maar ook bijvoorbeeld bedrijfszekerheid en de rol van de betrokken partijen
nog nader onderzocht te worden. Het al dan
niet stimuleren of toestaan van ondergrondse
waterberging dient de resultante te zijn van een
zorgvuldig afwegingsproces waarin alle vooren nadelen worden meegenomen. De daarvoor
benodigde gegevens die op dit moment nog
ontbreken, zullen middels nadere studie en een
proefproject verkregen moeten worden. ¶
Literatuur
1)
Bakema G., I. Jellema en A. Willemsen (1998). Berekening
van door dichtheidsstroming beïnvloed stof- en/of warmtetransport met HST2D en HST3D. Stromingen nr. 1, pag.
Bodembescherming en regelgevingaspecten
Ondergrondse seizoensberging is vergunningplichtig in het kader van de Grondwaterwet. Ondergrondse piekberging van
oppervlaktewater valt eveneens onder de
Grondwaterwet en mogelijk onder het
Lozingenbesluit Wbb. Omvangrijke projecten
zijn MER-plichtig. De invloed van de Kaderrichtlijn Water op de regelgeving voor ondergrondse waterberging is nog niet helder en
verdient nadere aandacht.
35-44.
2)
Buik N. en A. Willemsen (2002). Clogging rate of recharge
wells in porous media. Management of Aquifer Recharge
for Sustainability. Proceedings of the 4th international
symposium on artificial recharge of groundwater. ISAR-4,
pag. 195-198.
3)
DHV (2001). Planstudie waterberging.
4)
Drijver B., R. Hekkenberg, C. Appelo en M. de Jonge
(1998). Efficiëntie (toename) bij ondergrondse ontijzering.
H2O nr. 21, pag. 29-32.
5)
Duijvenbode S. en T. Olsthoorn (2002). A pilot study of
deep-well recharge by Amsterdam Water Supply. Management of Aquifer Recharge for Sustainability. Proceedings of
In Zuid-Holland zijn reeds vergunningen
Grondwaterwet verleend voor ondergrondse
hemelwaterberging voor gietwatervoorziening
van kassen en in Noord-Holland zijn hiervoor
positieve beschikkingen in voorbereiding.
Omdat oppervlaktewater (micro)verontreinigingen bevat, is het discutabel of ondergrondse berging van oppervlaktewater vanuit
bodembeschermingoogpunt gewenst is en of
een vergunning beleidsmatig past. Vermeldenswaardig hierbij is dat rond Schiphol reeds
lange tijd arseenhoudend bemalingswater van
bouwputten wordt geïnfiltreerd in de derde
aquifer.
the 4th international symposium on artificial recharge of
groundwater. ISAR-4, pag. 447-451.
6)
Hoogheemraadschap van Rijnland (2000). Studie toekomstig waterbezwaar, fase I.
7)
Hutchinson A. (1997). A graphical method of estimating
injection well clogging using the modified fouling index.
8)
Kooiman J-W., R. Kloosterman en E. Castenmiller (1999).
Aquifer Storage and Recovery (ASR): aanzienlijke kostenbesparingen door beheer van ondergrondse (drink)watervoorraden. H2O nr. 25, pag. 29-32.
9)
Olsthoorn T. (1982). Verstopping van persputten. Kiwamededeling 72.
10) Oostveen D. (2004). Stability of infiltration wells. Literature study. Concept rapport.
11) Pyne R. (1995). Groundwater recharge and wells. A guide
Voor- en nadelen
Ondergrondse waterberging zou een goed
alternatief kunnen zijn voor berging in oppervlaktewater. Zo zou hiermee mogelijk de bij
projectontwikkeling gevraagde berging in de
vorm van (een percentage) oppervlaktewater in
omvang gereduceerd kunnen worden. Onder-
to aquifer storage recovery. Lewis Publishers, Florida.
12) Wakker J., E. Castenmiller en R. Beckers (2001). Aquifer
Storage and Recovery: a feasibility study. In ‘Impact of
human activity on groundwaterdynamics’. IAHS nr. 269,
pag. 291-295.
* op persoonlijke titel

Download Report