Ontwikkeling en Beheer Natuurkwaliteit 2 Duurzaam herstel van hoogveenlandschappen
Download 310.22 Kb. Pdf ko'rish
|
- Bu sahifa navigatsiya:
- Figuur 1-1. Grondwaterstandsbuis (links) en piëzometer (rechts). De verzamelnaam voor beiden is peilbuis .
- Figuur 1-2. Kwel (piëzometer hoger), wegzijging (piëzometer lager) en geen meetbare verticale stroming (piëzometer en grondwaterstandsbuis hebben gelijk peil). Het rechter
- Figuur 1-3. Filteropstelling met de belangrijkste symbolen voor vergelijking ( 1-1). Figure 1-3. Filtration setup with the essential symbols of Equation (1-1).
- ( 1-2) In meer algemene vorm wordt de wet van Darcy vaak geschreven als = − ( 1-3)
- Figuur 1-4. Gradiënt van de grondwaterspiegel ofwel de freatische gradiënt en de gradiënt van de stijghoogte op een diepte z
- Figure 1-4. Phreatic gradient and piezometric gradients at a depth z, both with symbol i. Darcy’s law holds for both.
- Tabel 1-1. Doorlaatvermogen kD van een voorbeeld-acrotelm van boven naar onder. Table 1-1. Transmissivity kD in an acrotelm model from the surface downwards. Depths are
- Figuur 1-5. Verband tussen waterstand en doorlaatvermogen in de voorbeeldacrotelm van Tabel 1-1.
Bijlagen Hydrologie
Ontwikkeling en Beheer Natuurkwaliteit 274 1 Enkele hydrologische grootheden 1.1 Overzicht Deze bijlage gaat over hydrologische grootheden die van belang zijn in de hydrologie van hoogveenreservaten. Men mag er niet van uitgaan dat elke beheerder daarmee vertrouwd is. Daarom passeren hieronder de meest algemene grootheden hieronder de revue. We behandelen achtereenvolgens - Grondwaterstand en verzadigde zone - Stijghoogte - Doorlatendheid en de wet van Darcy - Doorlaatvermogen en daaraan gekoppeld het hydrologische gedrag van de acrotelm - Verticale weerstand - Bergingscoëfficiënt 1.2 Grondwaterstand en verzadigde zone De grondwaterstand is de hoogte van de grondwaterspiegel. Die vindt men door een geperforeerde buis die aan de onderkant dicht is, in de grond te steken tot in het grondwater. Als de buis zich heeft gevuld, is de waterstand in de buis gelijk aan de grondwaterspiegel. Zo’n buis wordt grondwaterstandsbuis genoemd. In nagenoeg alle natte natuurreservaten staan grondwaterstandsbuizen. Vaak wordt aangenomen dat de verzadigde zone, dat is het deel van het bodemprofiel dat verzadigd is met water, aan de bovenkant wordt begrensd door de grondwaterspiegel. Strikt genomen is dat niet juist. Door capillaire werking, het verschijnsel dat water in kleine poriën (capillairen) tegen een zekere onderdruk in toch een porie kan vullen, zal boven de grondwaterspiegel nog een dunne met water verzadigde laag kunnen voorkomen. In de praktijk van het hoogveenbeheer is het praktisch nooit nodig, er rekening mee te houden. 1.3 Stijghoogte Stijghoogte is de drijvende kracht achter de stroming van grondwater. Stijghoogte wordt gemeten met een piëzometer. Dat is een dichte buis met een kort filter dat meestal onderin zit. Om de gedachten te bepalen: 5-20 cm lang. Een stuk blinde buis beneden het filter kan eventueel dienen als opvang voor ongerechtigheden in de buis. In de buis stijgt het water tot een bepaald niveau. Dat is de stijghoogte van het grondwater op de plaats van het filter. Figuur 1-1. Grondwaterstandsbuis (links) en piëzometer (rechts). De verzamelnaam voor beiden is peilbuis. Figure 1-1. Phreatic dip-well (left) and a piezometer (right). In Figuur 1-1 staat het water in beide peilbuizen (verzamelnaam voor grondwaterstandsbuis en piëzometer) even hoog. Staat het water in de piëzometer hoger dan in de grondwaterstandsbuis, dan is de stijghoogte op de diepte van het filter hoger dan de Grondwater- standsbuis Piëzometer Peilbuis Peilbuis Ontwikkeling en Beheer Natuurkwaliteit 275 grondwaterstand en is er sprake van kwel. Als het omgekeerde het geval is, dan is er wegzijging en staan de waterspiegels in beide precies even hoog, dan is er geen verticale stroming van water. Deze drie toestanden zien we in Figuur 1-2. Figuur 1-2. Kwel (piëzometer hoger), wegzijging (piëzometer lager) en geen meetbare verticale stroming (piëzometer en grondwaterstandsbuis hebben gelijk peil). Het rechter plaatje is een herhaling van Figuur 1-1. Figure 1-2. Upward seepage (piezometer has higher level), downward seepage (piezometer has lower level) and no measurable vertical seepage (phreatic dip well and piezometer have the same level). The right hand picture is the same as Figure 1-1. 1.4 Doorlatendheid en de wet van Darcy. In 1856 publiceerde de Franse ingenieur Henry Darcy zijn ontwerp voor de waterleiding van de Franse stad Dijon. Het was een systeem dat volledig onder natuurlijk verval werkte. Daarin vermeldde hij dat in zijn zandfilters de doorstroomsnelheid van het water evenredig bleek te zijn met de totale hoogte van de waterkolom op de filters en omgekeerd evenredig met de dikte van het zandbed. De evenredigheidsconstante voor de kolomhoogte bleek afhankelijk te zijn van de grofheid van het zand. Die evenredigheidsconstante staat nu bekend onder de naam doorlatendheid, meestal geschreven met het symbool k. Een schematische afbeelding van een filteropstelling staat in Figuur 1-3. Figuur 1-3. Filteropstelling met de belangrijkste symbolen voor vergelijking ( 1-1). Figure 1-3. Filtration setup with the essential symbols of Equation (1-1). De vergelijking voor de in- en uitstroom (debiet) Q in volume per tijd bij lengte L en breedte B van de filterbak (L en B niet getoond in Figuur 1-3) wordt dan ?????? = ?????????????????? ∆ℎ ?????? ( 1-1) Kwel Wegzijging Geen verticale stroming Zandfilter met doorlatendheid en dikte k D Opvangbak met gefilterd water Ongefilterd water Instroom Q Uitstroom Q D Waterstands- verschil h Ontwikkeling en Beheer Natuurkwaliteit 276 Vergelijking ( 1-1) gaat uit van een rechthoekige bak met een lengte L en een breedte B. De vorm van de bak maakt voor de stroming geen verschil. Het gaat om de dwarsdoorsnede loodrecht op de stromingsrichting. Daarom wordt in plaats van LxB of LB ook wel A van “Area” geschreven. Een doorstroomde dwarsdoorsnede is nu eenmaal niet per definitie rechthoekig. Het water gaat het filter in en uit met een snelheid v, de filtersnelheid. In de vergelijking voor v vervallen L en B, zodat we overhouden ?????? = ?????? ∆ℎ ?????? ( 1-2) In meer algemene vorm wordt de wet van Darcy vaak geschreven als ?????? = −???????????? ( 1-3) Daarin is i de gradiënt of het verhang van de grondwaterspiegel of de stijghoogte (Figuur 1-4). Merk op dat in Figuur 1-3 de stroming verticaal is en dat in Figuur 1-4 de horizontale component overheerst. Voor de stromingswet van Darcy maakt dat niets uit. Het minteken geeft aan dat het water in de richting van afnemende h stroomt. Voor de praktijk van het natuurbeheer mag men het negeren. Figuur 1-4. Gradiënt van de grondwaterspiegel ofwel de freatische gradiënt en de gradiënt van de stijghoogte op een diepte z, de piëzometrische gradiënt, beide met symbool i. De wet van Darcy geldt voor beiden. Figure 1-4. Phreatic gradient and piezometric gradients at a depth z, both with symbol i. Darcy’s law holds for both. De wiskundig geschoolden onder ons zullen misschien opmerken dat het tot nu toe gebruikte symbool voor ‘een stuk van’ misplaatst is als de gradiënt van punt tot punt varieert. Dan moet inderdaad strikt genomen worden vervangen door d, dus dℎ ??????x ⁄ , lees: de verandering van h met x. Deze handleiding is niet de plaats om op dit verschil in te gaan. De praktijk van het natuurbeheer kan er heel goed zonder. In plaats van v wordt ook wel q (kleine letter!) geschreven. De betekenis is dezelfde. De wet van Darcy geldt voor praktisch elke stroming van een vloeistof in een poreus medium, dus ook voor water in veen. De doorlatendheid k is lengte per tijd, net als v, want i is lengte gedeeld door lengte en dus een getal. Omdat grondwaterstroming een langzaam proces is, wordt voor de tijd meestal in plaats van de seconde de dag genomen. De doorlatendheid gaat daarom meestal in meters per dag, m/d of md -1 . 1.5 Doorlaatvermogen en het gedrag van de acrotelm In de vorige paragraaf hebben we gezien dat de doorlatendheid eigenlijk een materiaalgrootheid is, waarin de afmetingen van een doorstroomd profiel niet verwerkt zijn. Als we volume per tijd willen berekenen, hebben we echter wel een afmeting nodig, namelijk de grootte van de dwarsdoorsnede loodrecht op de stromingsrichting. Meestal wordt stroming van grondwater tweedimensionaal afgebeeld. De richting loodrecht op het papier of het beeldscherm doet dan dus niet mee. Dat is verantwoord als in die richting over een redelijke afstand geen noemenswaardige verandering in het stromingsbeeld optreedt. Een volume past niet in een tweedimensionaal beeld. Dan wordt de grootheid Q Grondwate rspiegel, hoogte = h x h freatische gradiënt = = i h x Verloop stijg hoogte h z op diepte z x h piëzometrische gradiënt = = i h x Ontwikkeling en Beheer Natuurkwaliteit 277 gegeven in vierkante meters per dag (m 2 d -1 ). Dat is hetzelfde als m 3 d -1 per meter in de richting loodrecht op het beeldvlak. Die tweedimensionale Q gaat in m 3 d -1 m -1 =m 2 d -1 , vierkante meters per dag dus. Meestal staat die extra lengtedimensie niet afzonderlijk in de berekening, maar is die als het ware ingebouwd in een vervanger voor de doorlatendheid, het doorlaatvermogen met symbool kD. Inderdaad, k maal dikte, de dikte van de doorstroomde laag. Die gaat meestal in de eenheid m 2 d -1 , ook geschreven als m 2 /d. Dat kunnen we invullen in vergelijking ( 3-1) onder weglating van het minteken: ?????? = ?????????????????? ( 1-4) Er zit echter bij gebruik van kD een addertje onder het gras. Als de doorlatendheid op elke diepte dezelfde zou zijn, is er geen vuiltje aan de lucht en kunnen we de vermenigvuldiging van k en D probleemloos uitvoeren. In werkelijkheid is iedere grond gelaagd. Eigenlijk moeten de afzonderlijke kD-waarden per laagje bij elkaar worden opgeteld om de effectieve kD van de laag te vinden. Omdat vrijwel alle bepalingsmethoden voor dikke zandpakketten kD-waarden en geen k opleveren, is dat probleem zelden aan de orde. Voor watervoerende pakketten vindt men in Dinoloket ( https://www.dinoloket.nl/ ) dan ook alleen maar kD- waarden. Om het hydrologische gedrag van een acrotelm te begrijpen, is kD een essentiële grootheid. Het volgende voorbeeld laat dit zien. 1.6 Waterstand en kD in een hoogveen met acrotelm. Een getallenvoorbeeld We gaan uit van een laag van 20 cm dikte aan de bovenkant van een functionerend hoogveen van 5 m dik. Dat mag ook (veel) minder zijn; voor het eindresultaat maakt het weinig uit. De acrotelm verdelen we in 10 laagjes van 2 cm dik. De doorlatendheid van elk laagje is de helft van die van het laagje erboven. Het bovenste laagje krijgt een doorlatendheid van 1024 m per dag, elk volgend laagje eronder de helft van het laagje dat er direct boven ligt. Dit is een realistische en niet extreme situatie voor een levend hoogveen. Het onderste laagje van de acrotelm krijgt dan een doorlatendheid k van 2 md -1 . Voor het eronder liggende veenpakket van 4,80 m nemen we een gemiddelde doorlatendheid van 0,1 md -1 . Tabel 1-1. Doorlaatvermogen kD van een voorbeeld-acrotelm van boven naar onder. Table 1-1. Transmissivity kD in an acrotelm model from the surface downwards. Depths are given as negative values. Laag nr. Hoogte bovenkant (m) Gemiddelde doorlatendheid k (md -1 ) Dikte D (m) Doorlaatvermogen kD per laag (m 2 d - 1 ) kD tot veenbasis (m 2 d -1 ) 10 0 1024 0,02 20,48 41,40 9 -0,02 512 0,02 10,24 20,92 8 -0,04 256 0,02 5,12 10,68 7 -0,06 128 0,02 2,56 5,56 6 -0,08 64 0,02 1,28 3,00 5 -0,10 32 0,02 0,64 1,72 4 -0,12 16 0,02 0,32 1,08 3 -0,14 8 0,02 0,16 0,76 2 -0,16 4 0,02 0,08 0,60 1 -0,18 2 0,02 0,04 0,52 0 -0,20 0,1 4,80 0,48 0,48 Veenbasis -5,00 De waterstand in de acrotelm bepaalt, welk deel van het doorlaatvermogen voor de stroming wordt gebruikt, want de waterspiegel begrenst het doorstroomde profiel aan de bovenkant. Bij een waterstand van bijvoorbeeld 10 cm onder het veenoppervlak moet de stroming het doen met een kD van 1,7 m 2 d -1 , terwijl die bij een waterstand aan het veenoppervlak 24x zo groot is. De helling van de grondwaterstand (dus de gradiënt i uit vergelijking ( 1-4)) in een hoogveen wordt bepaald door de terreinhelling en verandert dus praktisch niet met de Ontwikkeling en Beheer Natuurkwaliteit 278 waterstand. In ons voorbeeld is daarom de afvoer bij een waterstand aan het veenoppervlak ook 24 x zo groot als bij een waterstand 10 cm eronder. Hierop berust de regulerende werking van de acrotelm. Het voorbeeld van Tabel 1-1 is in grafiekvorm weergegeven in Figuur 1-5. Figuur 1-5. Verband tussen waterstand en doorlaatvermogen in de voorbeeldacrotelm van Tabel 1-1. Figure 1-5. Relationship of water level and transmissivity kD in the acrotelm model of Table 1-1. Dit gedrag is niet uitzonderlijk. Het komt van nature voor op ieder maaiveld met oppervlakkige afstroming. Het verschil met de acrotelm is, dat de afvoer in een veel dunnere laag plaatsvindt. De acrotelm reguleert de afvoer daardoor veel vloeiender dan een hellend oppervlak met een min of meer ‘hard’ maaiveld. De tak van de hydrologie die zich hiermee bezighoudt heet in het Angelsaksisch hillslope hydrology. Sommige concepten uit dit vakgebied zijn toepasbaar in de hoogveenhydrologie, zoals de in Ierland ontwikkelde PAC, de Potential Acrotelm Capacity die naaste familie is van de TWI, de Topographic Wetness Index (zie bijvoorbeeld https://en.wikipedia.org/wiki/Topographic_Wetness_Index ). 1.7 Verticale weerstand Bij verticale stroming wordt gerekend met de verticale weerstand, symbool c of C, ook wel de C-waarde genoemd. De verticale weerstand is evenredig met de dikte van de betreffende laag en omgekeerd evenredig met de doorlatendheid in verticale richting. Vrijwel alle minerale en organische pakketten zijn horizontaal gelaagd. Horizontale stroming volgt dan grotendeels de beter doorlatende lagen, terwijl verticale stroming ook alle minder goed doorlatende lagen moet passeren. Daardoor is de verticale doorlatendheid aanzienlijk lager dan de horizontale. Vuistregel voor dekzand: een factor 5-10. De verticale weerstand van een bodemlaag is omgekeerd evenredig met de verticale doorlatendheid k v en evenredig met de laagdikte D. De bijbehorende vergelijking luidt dan ook ?????? = ?????? ?????? ?????? ( 1-5) De waarde van c wordt meestal uitgedrukt in etmalen of dagen. De verticale doorstroomsnelheid v v of q v wordt berekend volgens 0 10 20 30 40 kD totaal (m d ) 2 -1 -0.20 -0.18 -0.16 -0.14 -0.12 -0.10 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0.00 W a te rs ta n d (m t. o .v . o p p e rv la k ) Ontwikkeling en Beheer Natuurkwaliteit 279 ?????? ?????? = ∆ℎ ?????? ( 1-6) Daarin is het stijghoogteverschil over de betreffende laag. Een getallenvoorbeeld: Het stijghoogteverschil h tussen boven- en onderkant van een zogenoemde weerstand biedende laag bedraagt 1 m. De verticale weerstand c bedraagt 2000 dagen. De verticale doorstroomsnelheid v v is dan gelijk aan 1 m gedeeld door 2000 dagen, is 0,5 mm per dag. Voor c geldt net als bij kD dat de doorlatendheid niet overal in een laag dezelfde is. Dan is c van de totale laag de optelsom van de c van alle dunne laagjes waarin de totale laag te verdelen is. Er is wat dit aangaat dus eigenlijk geen verschil met kD zoals die is uitgewerkt in de vorige paragraaf. 1.8 De bergingscoëfficiënt De bergingscoëfficiënt, meestal aangeduid met of S y , is de verandering van de in de bodem geborgen hoeveelheid water gedeeld door de daarmee gepaard gaande verandering in grondwaterstand. Voorbeeld: als 10 mm water in het systeem wordt geborgen en de waterstand daarmee 10 cm stijgt, geldt =10 mm/ 10 cm=0,1. Voor open water geldt =1, want elke mm aan- of afvoer betekent een even grote verhoging of verlaging van de waterspiegel. Bovenin een goed functionerende acrotelm ligt de bergingscoëfficiënt op 0,4 of hoger. Ter vergelijking: in een minerale grond moet men meestal rekenen met 0,05 tot 0,1. Ivanov (1981) meldde voor hoogvenen waarden tot 0,8 nabij het veenoppervlak. Die hoge waarde kan mede te maken hebben met de door hem gehanteerde definitie van ‘veenoppervlak’. Dat was de gemiddelde hoogte over de naaste omgeving van het meetpunt, inclusief bulten en slenken. In de waarde van 0,8 zit dus vrijwel zeker een deel oppervlaktewater in slenken verdisconteerd. Schouwenaars en Vink (1992) vonden in een lysimeterexperiment in de Engbertsdijksvenen voor een vegetatie van Sphagnum papillosum waarden tot 0,34 tussen 0 en 15 cm onder de oppervlakte, afnemend tot 0,11 tot 0,17 over een diepte-interval van 10- 30 cm. Bedacht moet worden dat het hier niet ging om een goed ontwikkelde acrotelm, waarin de waarden in de toplaag vermoedelijk hoger hadden gelegen. Bij een vergelijking van in uurintervallen geregistreerde waterstanden en neerslag in een goed ontwikkelde acrotelm op Clara Bog (Co. Offaly, Ierland) werd voor waterstanden aan het oppervlak 0,8 gevonden, afnemend naar 0,4 op 25 cm diepte (Van der Schaaf, 1999). Ook hier was in de omgeving van het meetpunt al sprake van enige inundatie bij een waterstand aan het veenoppervlak bij het meetpunt zelf. De bergingscoëfficiënt neemt af met toenemende diepte van de grondwaterspiegel. De hoofdoorzaak is het met toenemende diepte kleiner worden van de poriën, waardoor boven de grondwaterspiegel meer water capillair wordt vastgehouden, maar de grondwaterspiegel uiteindelijk dieper wegzakt. Met afnemende bergingscoëfficiënt nemen de schommelingen van de grondwaterstand toe doordat er met een bepaalde verhoging of verlaging van de grondwaterstand bij een lage bergingscoëfficiënt dan bij een hoge. De bergingscoëfficiënt is niet onder alle omstandigheden precies even groot. Als bijvoorbeeld het niet met water verzadigde deel van een veenprofiel (of een bodemprofiel in het algemeen) veel poriën heeft waar nog water in zit, is het beschikbare volume om nieuw water te bergen kleiner dan wanneer die poriën niet of nauwelijks water bevatten. Daarmee is de bergingscoëfficiënt geen ‘harde’ grootheid, maar één die enigszins afhangt van de recente hydrologische voorgeschiedenis van de waterhuishouding van een profiel. Ontwikkeling en Beheer Natuurkwaliteit 280 2 Potentiële acrotelmcapaciteit (PAC) 2.1 Wat is de PAC? Op basis van een studie van Kelly et al. (1995) naar het voorkomen van verschillende ecotopen die voor Clara Bog waren onderscheiden, op een aantal Ierse hoogvenen, ontwikkelden Van der Schaaf (2002a) en Van der Schaaf en Streefkerk (2002, 2003) het concept van Potential Acrotelm Capacity (PAC), dat de vooruitzichten beschrijft voor (her)ontwikkeling van een hoogveenvormende vegetatie op meer of minder beschadigde hoogvenen. De grootheid met symbool ap en dimensie lengte is de verhouding van doorlaatvermogen kD a van de acrotelm en de bijbehorende specifieke afvoer v a volgens Ivanov’s theorie (Ivanov, 1981), maar kan op basis van diezelfde theorie ook worden beschreven in termen van - terreinhelling I, uitgedrukt als tangens van de hellingshoek - de afstand L u tot de waterscheiding of het hoogste punt van het veen - een factor f voor het stromingspatroon, waarbij f=1 voor min of meer evenwijdige stroming staat, f=2 voor radiaal divergente stroming (in een theoretisch cirkelvormig hoogveen) en f<1 voor convergente stroming. Die laatste komt alleen voor in of naar laagten langs of naar een veenrand. In de praktijk zal f dus doorgaans tussen 1 en 2 liggen. De waarden van deze grootheden zijn te schatten uit een hoogtelijnenkaart van het betreffende veen. Gegevens uit AHN zijn daarvoor ook uitstekend geschikt. De uitdrukking luidt ?????? a?????? = ???????????? a ?????? a = ?????? ?????? ???????????? 1> Download 310.22 Kb. Do'stlaringiz bilan baham: |
Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling
ma'muriyatiga murojaat qiling