Ontwikkeling van veelzijdig geautomatiseerd glasvezelmeetsysteem voor monitoren grondwaterstroming

Dit TKI onderzoek zet in op het ontwikkelen en toepassen van een monitoringsysteem voor grondwaterstroming rond drinkwaterputten die gebruik maakt van glasvezelkabels met warmtebron. Hiervoor wordt een geautomatiseerd aansturingssysteem ontwikkeld, worden de juiste kabels ontworpen en wordt de dataverwerking geautomatiseerd. Deze drie pijlers worden met modellen, lab tests en in drie pilots getoetst.

Hiermee worden onderzoeksvragen rondom drinkwaterputten beantwoord waardoor het beheer in de toekomst kan worden verbeterd. Door grondwaterstroming rondom de put te meten en monitoren kan het optreden van deze verstoppingen worden voorspeld en kan beheer optimaal plaatsvinden. Ook kunnen er kunnen lessen worden getrokken voor toekomstig putontwerp.

Glasvezelkabels als sensor voor grondwaterstroming

Glasvezelkabels kunnen worden gebruikt als een sensor om nauwkeurig temperatuur te meten langs de gehele kabel. Hierbij wordt een laserstraal de kabel ingeschoten waarna het terugkomende signaal wordt geanalyseerd. Deze techniek heet ‘Distributed Temperature Sensing’ (DTS). In dit onderzoek wordt een speciale variant ontwikkeld waarbij de glasvezelkabel wordt gecombineerd met een warmtebron. Met deze techniek, Active Heating – DTS (AH-DTS), kan worden bepaald hoe snel grondwater stroomt door de snelheid van temperatuursafname te meten. Om de vertaling van temperatuur naar grondwaterstroming te bepalen wordt een tool ontwikkeld zodat de techniek gebruikt kan worden bij operationele vragen. Om op verschillende locaties te kunnen meten wordt een mobiel monitoringsysteem ontwikkeld.

Grondwaterstroming rondom drinkwaterputten

In Nederland wordt ongeveer 60% van het drinkwater gewonnen uit grondwater. Hiervoor worden drinkwaterputten gebruikt die het grondwater uit de formatie onttrekken. Bij deze waterputten zijn het ontwerp (diepte, filtersysteem, omstorting etc.) en beheer (periodiek onderhoud) erg belangrijk omdat ongewenste effecten kunnen optreden zoals putverstoppingen. Dit is een belangrijke kostenpost. Door de verandering in grondwaterstroming rondom drinkwaterputten in de tijd te monitoren kan op deze ongewenste effecten precies op tijd worden ingespeeld. Hiermee worden onvoorziene kosten voorkomen. Dit TKI onderzoek zet in op het toepassen en verder ontwikkelen en automatiseren van het meten en monitoren van grondwaterstroming rond drinkwaterputten met glasvezelkabels zodat drinkwaterputten optimaal kunnen worden beheerd.

Beoogd resultaat

Het project resulteert in een doorontwikkeld grondwatermonitoringssysteem bestaande uit:

• Een mobiel AH-DTS meetsysteem
• Een optimaal AH-DTS kabelontwerp
• Een tool waarmee grondwaterstroming inzichtelijk kan worden gemaakt (vertaling van gemeten temperaturen naar grondwaterstroming)

De toepassing van dit meetsysteem in pilotlocaties levert de volgende antwoorden op onderzoeksvragen:

• Wat is het effect van mechanische neerslag op de putverstopping?
• Wat is het effect van de injectie van zuurstofhoudend water in de formatie op de neerslag van ijzer in de ondergrond?
• Zijn vertikale metingen in de put een alternatief voor flow-metingen om putverstopping te monitoren?

Hieronder worden de werkpakketten beschreven als ook de voornaamste resultaten.

Technische werkpakketten:

1. Vertaling temperatuurmeetdata naar grondwaterstroming in scripts (computercode)
   In dit werkpakket zijn vijf python scripts ontwikkeld om de ruwe temperatuurmetingen te vertalen naar stroomsnelheid. Als input voor de scripts moeten de locatie specifieke parameters van de meetopstelling worden vastgelegd in een excel bestand.

2. Ontwikkelen van een optimale opwarm glasvezelkabel (AH-DTS kabel)
   In FlexPDE zijn modelleringen uitgevoerd die gebruikt zijn om een optimale glasvezelkabel te ontwikkelen die nauwkeurig grondwaterstroming kan meten rondom drinkwaterputten. Met de modellering is inzicht verkregen in de optimale configuratie van opwarmdraden, glasvezelkabels en materiaaleigenschappen te bepalen om nauwkeurige grondwaterstroming te kunnen meten ongeacht de draaiing van de kabel.

   De ontwikkelde opwarmkabel moet zowel praktisch toepasbaar zijn in het veld als nauwkeurig de temperatuur meten. Bij de modellering is gefocusseerd op de draaiing van de kabels.  Er is een kilometer van deze kabel geproduceerd die toegepast kan worden in het veld en voor tests in het laboratorium

   In het laboratorium zijn proeven uitgevoerd om voor de nieuwe kabel een formule af te leiden voor de stroming langs de kabel.

3. Ontwikkelen mobiele meet- en aanstuur opstelling voor gebruik op de pilot locaties
   Er is een aansturingskast ontwikkeld die meerdere glasvezelkabels kan aansturen en kan opwarmen en uitlezen. Van deze aansturingskast is een blauwdruk opgeleverd. De aansturingskast is mobiel en kan gemakkelijk meegenomen worden in een aanhanger.

   Pilotstudie werkpakketten:

4. Meten stroming in de drinkwaterput – ’t Klooster
   Een AH-DTS kabel is in een drinkwaterput aangebracht waarin ook een reguliere flowmeterproef is uitgevoerd. Een AH-DTS kabel heeft grote voordelen omdat de kabel op ieder moment kan worden uitgelezen zonder dat de pomp eerst moet worden uitgebouwd. Een vergelijking tussen de metingen gedaan met een AH-DTS kabel en een reguliere flowmeting laat zien dat de metingen overeenkomsten vertonen. Echter, in tegenstelling tot de reguliere metingen worden de AH-DTS resultaten ook beïnvloed wordt door versnellingen in grondwaterstroming. Voordat de AH-DTS metingen een volwaardig alternatief zijn voor de regulieren flowmetermetingen moeten deze verschillen en effecten beter worden begrepen en gekwantificeerd in een laboratoriumopstelling.
5. Meten stroming rondom drinkwaterput – ’t Klooster
   In winveld ’t Klooster is gebruik gemaakt van het glasvezel meetnet van de voorloper van dit project (Deltares referentie 11201171). Getracht is om variaties in grondwaterstroming te meten bij aanpassingen in het pompregime van de verschillende grondwaterputten. Er is helaas gebleken dat in de loop der tijd een aantal kabels onbruikbaar zijn geworden. Dit is een tegenvaller, maar wel een belangrijk resultaat in het licht van robuustheid van het meetnet.
6.  Meten van infiltratie uit een infiltratiesloot – ’t Klooster
   Twee verticale meetpalen omwikkeld met glasvezelkabels zijn geplaatst in een sloot waar proceswater in wordt afgevoerd. Met de temperatuurmetingen is onderzocht of en hoe snel er water infiltreert van de sloot in de ondergrond. Ook is er gekeken naar de relatie tussen mogelijke infiltratie en de activiteit van de dichtstbijzijnde pompput. In de gemeten temperatuurprofielen zijn de overgangen tussen lucht, water en sediment duidelijk zichtbaar. Ook is er een duidelijk dag-nachtritme waarneembaar. Infiltratie van oppervlaktewater is echter niet waargenomen, ook niet bij het aanzetten van de pompput.
7. Meten stroming naar de drinkwaterput – Groningen
   Op de winlocatie de Groeve van Waterbedrijf Groningen vindt putverstopping plaats doordat kleine deeltjes de toestroom rondom de filters blokkeren. Om inzicht te krijgen in dit proces zijn AH-DTS glasvezelkabels aan beide zijden van de grondwaterput geïnstalleerd om de toestroming te monitoren. Ook is er op een afstand van 5 m een derde glasvezelkabel geïnstalleerd om meer inzicht te krijgen in de toestroom van het grondwater op afstand van de put en op welke locatie de verstopping precies plaatsvindt.

   Uit de uitgevoerde metingen tijdens het pompen komen duidelijk de stukken in de put naar voren waar geen toestroming is (de blindstukken tussen de filters). De uitgevoerde flowmetingen zijn goed te relateren aan de AH-DTS resultaten. Ook kan er onderscheid gemaakt worden tussen de verschillende omstortingen die zijn toegepast. Dit geeft vertrouwen dat eventuele putverstopping die in de loop der tijd ontstaat ook waarneembaar zullen zijn. Echter, in de meetperiode zijn deze verstoppingen niet opgetreden.

Resultaten en aanbevelingen

De resultaten laten de potentie van de techniek duidelijk zien. De robuuste toepassing in het meten van putstroming vereist nader onderzoek naar de invloed en kwantificatie van de zijdelingse toestroom.