Pad: Ecohydrologie / Standplaats, vegetatie en landschap / Stroming van grondwater

STROMING VAN GRONDWATER

Water in de grond bevindt zich in de ruimten, de poriën, tussen vaste bodemdeeltjes als zand, veen en klei. Wanneer we een kuil maar diep genoeg uitgraven komt er water in te staan. Het scheidingsvlak van dit water met de atmosfeer noemt men de grondwaterspiegel of het freatisch vlak (zie f2‑7). De grondwaterstand is de hoogte van de grondwaterspiegel. Die kan bijvoorbeeld worden uitgedrukt ten opzichte van maaiveld of NAP. Onder grondwater verstaan we het water dat in de grond beneden de grondwaterspiegel aanwezig is. Het bevindt zich in poriën die volledig gevuld zijn met water. Het water in de grond boven de grondwaterspiegel wordt bodemvocht (soms ook bodemwater) genoemd. Dit water wordt door capillaire krachten in de poriën vastgehouden, tegen de zwaartekracht in. Naast water kunnen de poriën boven de grondwaterspiegel ook met lucht gevuld zijn. In dat geval spreekt men van de onverzadigde zone.


f2-7 De zones van water in de grond, met een indicatieve verdeling van water en lucht.

Als water aan het grondoppervlak de bodem indringt, heet dit infiltratie (zie f2‑8). Ook de voeding van het grondwater door middel van bijvoorbeeld infiltratiekanalen in de waterleidingduinen wordt infiltratie genoemd. Als het watergehalte in de onverzadigde zone toeneemt tot een bepaalde waarde (de uitspoeling) stroomt het water naar beneden en voegt het zich ten slotte bij het grondwater. Deze neerwaartse stroming in de onverzadigde zone staat bekend onder de term percolatie.

Als de onverzadigde zone uitdroogt, ontstaat daar een grotere onderdruk in het water. Daardoor stroomt water omhoog van de verzadigde zone naar de onverzadigde zone. Dit stromingsproces heet capillaire nalevering of capillaire opstijging. In natte tijden (winterseizoen) overtreft de neerslag de verdamping en is er dus sprake van percolatie, terwijl in droge tijden de capillaire nalevering overheerst. Als de grondwaterstand erg laag is ten opzichte van maaiveld vult de capillaire opstijging het bovenste deel van de onverzadigde zone onvoldoende aan. Dit bovenste deel heet dan de hangwaterzone. Deze benaming komt van het gegeven dat plantenwortels in deze zone geheel zijn aangewezen op dat deel van de neerslag dat niet is gepercoleerd, maar juist in deze zone is achter gebleven (blijven ‘hangen').

Gemiddeld is de percolatie naar het grondwater groter dan de capillaire nalevering, en wordt het grondwater dus van boven aangevuld. Dat heet grondwateraanvulling. Wanneer er geen aanvoer of afvoer van water over het maaiveld plaatsvindt, is de gemiddelde natuurlijke grondwateraanvulling gelijk aan het gemiddelde neerslagoverschot (neerslag minus werkelijke verdamping). In het vlakke Nederland infiltreert het neerslagoverschot op de meeste plaatsen geheel in de bodem. Het gemiddelde neerslagoverschot, en dus de gemiddelde grondwateraanvulling, bedraagt in Nederland ca. 250-300 mm/jr. Dit varieert echter enorm van plaats tot plaats, vooral door verdampingsverschillen tussen de verschillende gewassen of vegetaties. Het neerslagoverschot c.q. de grondwateraanvulling van een donker naaldbos is klein, in Nederland in de orde van 150 mm/jr. Een kale zandgrond heeft een groot neerslagoverschot van circa 550 mm/jr.

Gebieden waar het neerslagoverschot niet volledig in de bodem zakt zijn verhard (kassen, wegen, steden) of zeer nat (moerassen, beekdalen). Daar treedt oppervlakteafvoer (surface runoff) op naar respectievelijk het riool en het oppervlaktewater, zodat de grondwateraanvulling kleiner is dan het neerslagoverschot. Ook in hellende gebieden kan oppervlakteafvoer optreden.

f2-8 Stromingsprocessen in de onverzadigde zone.

Zoals gezegd wordt nagenoeg overal in Nederland het grondwater van boven aangevuld. Dezelfde hoeveelheid wordt via het grondwater ook weer afgevoerd naar het oppervlaktewater, zoals naar greppels, sloten, beken en rivieren. Zou dat niet gebeuren, dan zou het grondwater alsmaar stijgen. Ten gevolge van de grondwateraanvulling en de weerstand van de ondergrond tegen stroming ontstaan er verschillen in de hoogte van de grondwaterspiegel. Daardoor ontstaat stroming van water in de bodem, van plaatsen met een hoge grondwaterstand naar plaatsen met een lage grondwaterstand (zie f2‑9).

Wegzijging is de neerwaartse verplaatsing van grondwater, terwijl kwel optreedt wanneer grondwater naar boven toe stroomt. In gebieden zonder oppervlaktewater, zoals de Veluwe, kan alleen wegzijging optreden. Deze wegzijging is in zulke gebieden gelijk aan het neerslagoverschot. In f2‑9 treedt tussen de beekdalen wegzijging op, terwijl er ín de beekdalen sprake is van kwel. Een hogere wegzijging dan het neerslagoverschot kan alleen dan optreden, wanneer er oppervlaktewater van elders wordt aangevoerd. Dit gebeurt bijvoorbeeld in relatief hoog liggende polders in Laag Nederland, die kunstmatig op peil worden gehouden (zie f2‑10). Voor het overige overheerst er kwel in Laag Nederland. Een gebied met wegzijging wordt ook wel een infiltratiegebied genoemd.

De begrippen wegzijging en kwel zijn meestal verbonden met een bepaald schaalniveau: in de oostelijke en zuidelijke hogere delen van Nederland treedt als geheel wegzijging op naar de grote rivieren en naar de kleigebieden en veengebieden in west en noord Nederland, hoewel er lokaal, in de beekdalen, kwelwater uittreedt (zie f2-9). Met dit schaalniveau hangt ook een tijdschaal samen. Stromingspatronen die zich over vele kilometers uitstrekken, weerspiegelen het gemiddelde neerslagoverschot over een lange reeks van jaren en kunnen vaak als min of meer stabiel worden beschouwd. Zo kennen gebieden die gevoed worden door kwel uit een groot infiltratiegebied slechts weinig schommelingen in grondwaterstand.

Stromingspatronen op meer lokale niveaus kennen meestal een grote dynamiek ten gevolge kortetermijninvloeden van het weer. Zo toont de figuur in f2-12 een perceel met aan weerszijden sloten met een constant waterpeil. In de winter ontstaat na een regenrijke periode een bolle grondwaterspiegel, terwijl die in de loop van zomer uitzakt tot een holle vorm.

We hebben tot nu toe grondwater gedefinieerd als het water dat zich beneden de grondwaterspiegel bevindt. Dat is een bovengrens. De benedengrens van grondwater ligt daar waar het water niet meer betrokken is bij de grondwaterstroming. In de praktijk ligt deze dieptebegrenzing bij de hydrologische basis, ook vaak aangeduid als slecht doorlatende basis. In grote delen van Nederland bestaat de hydrologische basis uit vroegPleistocene kleiige afzettingen, van oost naar west te vinden op steeds grotere diepte (tot meer dan 200 meter).


f2-9 Grondwaterstromingspatroon, karakteristiek voor de hogere zandgronden van Nederland. De lijnen in de figuur geven de gemiddelde weg weer waarlangs waterdeeltjes zich verplaatsen, de stroombaan. N.B: in bovenstaande afbeelding is de verticale afstand zo'n 50 tot 100m, terwijl de horizontale afstand wel 10 km bedraagt. Deze vertekening maakt het mogelijk om de grondwaterstroming goed te illustreren.


 
f2-10 Grondwaterstromingspatroon, karakteristiek voor laag Nederland. N.B: de verticale schaal is uitgerekt ten opzichte van de horizontale; verticaal gaat het hooguit om tientallen meters.



f2-12 Twee stationaire stromingspatronen, karakteristiek voor polders, in een perceel met een gecontroleerd slootpeil. N.B: de verticale schaal is uitgerekt ten opzichte van de horizontale; verticaal gaat het hooguit om tientallen meters.

In hydrologische studies wordt de ondergrond vaak vereenvoudigd weergegeven als een opvolging watervoerende pakketten (aquifers) en slecht doorlatende lagen (aquitards). Zeker in een deltagebied als Nederland waar lagen van grind, zand, klei en veen elkaar afwisselen, is een zo'n schematisering gangbaar. De stroombanen in f2-10 en f2-12 geven aan dat het water in de watervoerende pakketten (zand en grind) vooral horizontaal stroomt, terwijl de stromingsrichting in de scheidende lagen (klei en veen) vooral verticaal is. Het verschil in stromingsrichting ontstaat doordat het water de weg van de minste weerstand zoekt: de weg door de scheidende lagen (hoge weerstand) is kort en verticaal, de weg door de watervoerende pakketten (lage weerstand) is lang en horizontaal.

Het is gebruikelijk om de watervoerende pakketten en scheidende lagen van boven naar onder, tot de hydrologische basis, te nummeren. Wanneer de grondwaterspiegel zich in het eerste watervoerend pakket bevindt (en niet in een aquitard), dan staat het grondwater in dat pakket per definitie direct onder invloed van de atmosferische druk. Men spreekt dan van een freatisch pakket.

Hydrologen gebruiken metingen van de stijghoogte in peilbuizen om te onderzoeken in welke richting het grondwater stroomt (zie f2-13). De stijghoogte is het niveau tot waar het grondwater in een peilbuis stijgt (ten opzichte van een referentie, meestal NAP). Het is een maat voor de energietoestand van het water ter hoogte van het peilbuisfilter, waar het water de buis binnendringt. Grondwater stroomt van plekken met een hoge, naar plekken met een lage stijghoogte (zie f2-14). In een ondiepe peilbuis is de stijghoogte gelijk of vrijwel gelijk aan de hoogte van de grondwaterspiegel.

Er bestaan, op verschillende schaalniveau's, kaarten van de stijghoogte voor alle onderscheiden watervoerende pakketen. Lijnen die gelijke stijghoogten met elkaar verbinden worden isohypsen genoemd, en kaarten van de stijghoogte met zulke lijnen isohypsenkaarten (zie f2-15). Bekend is de Grondwaterkaart van Nederland, met isohypsenkaarten op schaal 1:50.000.

 

 

 

 

 

f2-13 Stijghoogte is de hoogte tot waar het grondwater in een peilbuis stijgt ten opzichte van een referentieniveau. Het is een maat voor de energietoestand van het grondwater ter hoogte van het peilbuisfilter. In het voorbeeld is er sprake van een opwaartse stromingrichting (kwel), omdat de stijghoogte in de peilbuis hoger staat dan de grondwaterspiegel (= freatische stijghoogte). N.B.: deze omschrijving van het begrip stijghoogte gaat alleen op in zoete gebieden. Bij brak en zout grondwater moet gecorrigeerd worden voor de hogere dichtheid van het water (brak water en zout water hebben een hogere dichtheid - zijn ‘zwaarder' - dan zoet water).




f2-14 Het verloop van de stijghoogte, gemeten in vier peilbuizen langs een stroombaan van infiltratiegebied naar kwelgebied. Buis 1a heeft een zeer ondiep filter waardoor de stijghoogte ongeveer gelijk is aan de grondwaterspiegel; buis 2 heeft een diep filter en een stijghoogte lager dan de grondwaterspiegel, wat correspondeert met een neerwaartse beweging van het water (wegzijging); in buis 4 is de situatie juist andersom (kwel); in buis 3 is de stijghoogte gelijk aan de grondwaterspiegel, en het grondwater ter hoogte van het filter stroomt dan ook horizontaal. Dat water bij buis 1a wegzijgt blijkt ook uit de lage stijghoogte dieper in de ondergrond, gemeten in buis 1b.


f2-15 Freatische isohypsen in de buurt van een fictief beekje De Huppel. Gegeven het feit dat water stroomt van hoge naar lage stijghoogte, kan uit deze figuur het volgende worden afgeleid: (1) het water stroomt overwegend in zuidelijke richting, (2) bij punt a stroomt er water naar het beekje toe, dat dus water onttrekt aan het freatische pakker, (3) bij punt b zit waarschijnlijk een stuwtje in de beek, en bij c wordt waarschijnlijk grondwater onttrokken (daar is in de kaart een onttrekkingskegel zichtbaar).

Literatuur:

 

Groen Kennisnet, een netwerk van kennisportalen in het groene domein Zoeken in de
infobladen

(U gaat naar de
website van
Groen Kennisnet)
Groen Kennisnet, een netwerk van kennisportalen in het groene domein
Homepage
Home | Colofon | Print pagina
Zoek binnen deze website