Handleiding Natuurkunde in de bodem 060329

Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
Inleiding
De bodem van Nederland bestaat bijna helemaal uit zanden, kleien en veen. Water in de
bodem stroomt gemakkelijk door grove zanden, maar verplaatst zich bijna niet in zware
kleien. In de geologie en hydrologie zijn deze eigenschappen erg belangrijk om
bijvoorbeeld te bepalen waar wel en waar geen drinkwater kan worden gewonnen. Een
zeer nauwkeurige beschrijving van de bodem wordt ook steeds belangrijker omdat de
druk van de mens op de natuur voortdurend groter wordt en wij ons steeds meer
realiseren hoe belangrijk deze natuurlijke omgeving voor ons is. Daarnaast stellen steeds
snellere computer ons in staat om met een groot detail naar de processen in de bodem
te kijken. Gedetailleerde informatie over de bodemopbouw is ook hiervoor noodzakelijk.
De meest voor de hand liggende methode om de bodemopbouw te bepalen is het graven
van een diep gat. Je weet dan echter alleen de bodemopbouw op dat ene punt en
bovendien kost het veel moeite en verstoor je de bodem. De geo#elektrische analyse is
een veel gebruikte methode om snel de bodemopbouw te kunnen bepalen zonder de
bodem te verstoren. Elke bodemsoort heeft een eigen elektrische weerstand en door nu
op steeds grotere diepte de elektrische weerstand te meten kan een beeld worden
gemaakt van de bodemopbouw.
Wageningen Universiteit doet veel onderzoek in toepassingen waar de bodemstructuur
van groot belang is. Denk hierbij aan het ontwikkelen van de ecologische hoofdstructuur.
Het type natuur, dat mogelijk is op een bepaalde plek, hangt sterk samen met de
bodemopbouw en de grondwaterstroming. Ook voor bijvoorbeeld drinkwatervoorziening,
bouwprojecten en landbouw is een gedetailleerde bodemopbouw van belang. De geo#
elektrische analyse is een onderzoekstechniek die gebruikt wordt om deze informatie
boven water te krijgen. Studenten hebben deze methode recent gebruikt om de
bodemlagen en het zoutgehalte van het grondwater in Polder Noordplas te bepalen, zowel
uit het oogpunt van natuurbeheer als landbouw.
Een andere methode voor het meten van de weerstand in de bodem is het meten van de
water#doorlatendheid. Voor deze methode worden een aantal monsters genomen,
waarvan de doorlatendheid wordt bepaald. Zo kan iets worden gezegd over de
doorlatendheid van het hele bodemprofiel, de gevoeligheid voor plasvorming op de
bodem en het gevolg hiervan voor de landbouw of de natuur. Deze methode vult de
meting m.b.v. geo#elektrische analyse aan omdat op een kleinere schaal wordt gekeken
en specifiek naar de weerstand van de bodem voor water wordt gekeken.
Doel
Het bepalen van de bodemopbouw en fysische eigenschappen van deze lagen in een
stuwwal en kleigrond tot een diepte van ruim 40 m.
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
Theorie Geoelektrische analyse
Wet van Ohm
Geo#elektrisch onderzoek is gebaseerd op de wet van Ohm. De wet van Ohm is één van
de bekendste wetten in de natuurkunde en beschrijft het recht evenredige verband tussen
spanning U (in Volt, V) en stroomsterkte I (in Ampère, A). De evenredigheidsconstante is
daarbij de weerstand R (in Ohm):
U =I⋅R
(1)
Door zijn eenvoudige vorm heeft deze wet een breed scala aan toepassingen in het
wetenschappelijk onderzoek.
Een veel gebruikte methode om de bodemopbouw te detecteren is door een elektrische
spanning op de bodem te zetten, waardoor diepte, en soort van een bepaalde bodemlaag
bepaald kan worden. Dit is mogelijk omdat iedere bodemsoort unieke eigenschappen
bezit, waaronder een unieke soortelijke weerstand.
Soortelijke weerstand
De weerstand van een stroomkanaal is afhankelijk van de soortelijke weerstand ρ (in Ω.m)
van het metaal, de lengte l (in m) van de kabel en de oppervlakte van de doorsnede van
de kabel A (in m2):
R=ρ
l
A
(2)
Deze relatie geldt niet alleen voor een stroomdraad, maar voor ieder willekeurig medium,
dus ook voor een bodem: de weerstand R van een bodem hangt af van het
(dwarsdoorsnede#) oppervlak A en de lengte l van het stroomkanaal, en van de soortelijke
weerstand ρ. De soortelijke weerstand is alleen afhankelijk van het type geleider. In een
stroomdraad is dat meestal koper; in de bodem zijn dat de zoutionen en geladen
bodemdeeltjes.
We kunnen dus, als we de lengte en oppervlakte van het stroomkanaal in de bodem
kennen, uit een weerstandsmeting de soortelijke weerstand ρ bepalen. Omdat elk
bodemtype een eigen soortelijke weerstand heeft kan hieruit een indicatie worden
verkregen van het bodemtype (zie tabel 1).
Bodemsoort
Klei
Soortelijke weerstand (Ω.m)
indicatie
20
Leem
40
2
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
Zand (fijn)
200
Zand (grof)
4000
Tabel 1: indicatie van soortelijke weerstand van diverse bodemsoorten. In de praktijk zijn
de soortelijke weerstanden vaak een traject waarbinnen de soortelijke weerstand varieert.
Dit komt door menging van diverse bodemsoorten (bijv. door geologische processen) met
een verschillende soortelijke weerstand (ICT, 1995).
Nu hangt de soortelijke weerstand niet alleen af van het bodemtype maar ook van het
zoutgehalte en vochtgehalte. In de meeste Nederlandse situaties is echter over het
algemeen sprake van een hoge grondwaterstand en lage zoutgehaltes, waardoor
veranderingen hierin in deze proef verwaarloosd kunnen worden.
Elektrisch veld
Door een spanning op de bodem aan te brengen, ontstaat er een elektrisch veld in de
bodem. De elektrisch geladen deeltjes in de bodem ondervinden hierdoor een
krachtwerking op afstand. Deze krachtwerking kan modelmatig worden weergegeven met
behulp van het (elektrisch) veldbegrip: in de ruimte rondom een elektrische lading heerst
een elektrisch veld. Dit veld kan worden weergegeven door elektrische veldlijnen. De
richting van de veldlijn in een bepaald punt geeft de richting van de elektrische kracht op
een positief deeltje in dat punt weer. De raaklijn aan de veldlijn in een bepaald punt geeft
de werklijn van de kracht weer, zie figuur 2. Deze kracht is gelijk aan de sterkte van dit
elektrisch veld (=veldsterkte) maal de lading in dit elektrisch veld. Omgedraaid geldt dus
voor de elektrische veldsterkte veldsterkte E (in N/C):
Fe
(3)
q
waarin Fe (in N) de elektrische kracht is die een deeltje met lading q (in C) ondervindt.
E=
Figuur 1: Elektrische velden met alleen een positieve lading (links) en recht een positieve
en negatieve lading. De elektrische kracht op een geladen deeltje is gelijk aan de
3
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
veldsterkte maal de lading van dit deeltje. De veldsterkte is groter naarmate de veldlijnen
dichter bij elkaar lopen. In de figuur zie je dan ook dat de pijltje langer is op de plaatsen
waar de veldlijnen dicht bij elkaar lopen.
Een geladen deeltje zal in een elektrisch veld versneld gaan bewegen. Hierbij krijgt het
deeltje steeds meer kinetische energie. Dit betekent dat een geladen deeltje in een
elektrisch veld (net als een massa in het zwaartekrachtsveld) potentiële energie heeft.
Hiermee kan de potentiaal V (in V) van een elektrisch veld gedefinieerd worden:
V=
E
q
(4)
Een potentiaal is dus een grootheid die een maat geeft voor (een type) potentiële energie
op dat punt. Een deeltje wil van een hoge potentiaal naar een lage potentiaal (energetisch
voordelig); een geladen deeltje krijgt dus een kracht van een hoge elektrische potentiaal
naar een lage elektrische potentiaal. Net zo wil een deeltje met een massa van een hoge
naar een lage ‘massapotentiaal’: dit voel je als een zwaartekracht.
In plaats van veldlijnen kan men een elektrisch veld ook weergeven met behulp van
(equi)potentiaallijnen. Dat zijn lijnen die punten van gelijke potentiaal met elkaar verbinden.
Deze equipotentiaallijnen staan op ieder punt loodrecht op de elektrische veldlijnen. Voor
een homogeen elektrisch veld (dus een elektrisch veld waarvan de veldlijnen evenwijdig
lopen) beschrijft de elektrische veldsterkte E het potentiaalverval (∆V) per meter. In
formulevorm:
∆V
∆x
Dit potentiaalverval is gelijk aan de spanning U tussen twee punten.
E=−
(5)
Meetprincipe
Wanneer op de grond tussen twee punten een spanning wordt aangelegd zal in de bodem
een elektrisch veld ontstaan, dat als stroomkanaal fungeert. Wanneer de bodem uit een
homogeen profiel is opgebouwd zal een regelmatig elektrisch veld ontstaan (zie figuur 2
boven).
4
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
Figuur 2 Elektrische veldlijnen (getrokken) en potentiaallijnen (gestippeld) in de bodem
tijdens een geo#elektrische meting. Boven: een homogeen bodemprofiel. Onder: een
heterogeen bodemprofiel.
Bij een heterogeen gelaagd profiel zullen de stroombanen gebroken worden. Dit is goed
zien in het onderste deel van figuur 2. De elektrische veldlijnen veranderen zowel van
richting als van onderlinge afstand bij de overgang tussen twee bodemsoorten. De
weerstand neemt af in de onderste bodemsoort omdat de veldlijnen dichter bij elkaar
komen te liggen (grotere veldsterkte, elektronen stromen sneller, dus lagere weerstand).
Hoe groter de afstand is waartussen de spanning wordt aangelegd, des te dieper zal het
stroomkanaal zich uitstrekken. Door steeds grotere afstanden tussen de elektroden te
kiezen kan dus steeds dieper worden gemeten. Door de elektrische weerstand R van een
bodem over verschillende diepten te meten kunnen veranderingen in soortelijke
weerstand ρ worden waargenomen. Op deze manier kan de bodemsoort tot op
aanzienlijke diepte bepaald worden.
De geo#elektrische opstelling bestaat uit een 117 meter lange kabel met 40 elektroden
van metaal op verschillende onderlinge afstand van elkaar. Tijdens de meting worden er
vier elektroden gebruikt. De buitenste elektroden vormen de stroombron, waardoor er
elektrische veldlijnen ontstaan door de goed geleidende bodem, zie figuur 3 (en 2). De
stroomsterkte (I) wordt over deze 2 elektroden gemeten.
De middelste elektroden worden gebruikt voor een weerstandsmeting (U). Deze meting
moet plaatsvinden in het middelste deel van het circuit, waar de elektrische veldlijnen
nagenoeg evenwijdig aan elkaar lopen, zodat een betrouwbare potentiaalmeting gedaan
kan worden (formule 5 is alleen geldig in een regelmatig elektrisch veld).
5
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
Figuur 3 Door aansluiting van een spanningsbron (buitenste elektroden) wordt een
elektrisch veld in de bodem gecreëerd. Met behulp van een potentiaalmeting wordt de
(cumulatieve) weerstand van de bodem over de gehele diepte van het elektrisch veld
gemeten.
Tijdens de meting rekent het geo#elektrisch apparaat de gemeten spanning (U) en
stroomsterkte (I) om tot een weerstand (R) en geeft deze als output op het display. Om de
cumulatief gemiddelde (=alle meetellende lagen gemiddeld) soortelijke weerstand ρ te
bepalen moet de gemeten weerstand vermenigvuldigd worden met de geometriefactor C
(in m):
ρ = C*R
(6)
Deze geometriefactor wordt gegeven door:
C = 2π * a
(6a)
Waarin a staat voor de afstand (in m) tussen de spanningselektroden. Voorwaarde voor de
geldigheid van deze formule is dat de verhouding tussen de afstanden van de
bronelektroden (2 buitenste) en de meetelektroden 1:3 is.
De uitkomst van deze cumulatieve soortelijke weerstand geeft een indicatie van het
verloop van de bodemsoorten met de diepte. Door de elektroden dicht bij elkaar te
houden, worden alleen de bovenste lagen gemeten, door een grotere afstand tussen de
elektroden te nemen, spelen ook diepere bodemlagen een rol. Een combinatie van deze
metingen geeft een totaalbeeld.
Computermodel
Er zijn verschillende manieren om de soortelijke weerstand te ontrafelen uit de
weerstandsmetingen. De verschillende soortelijk weerstanden kunnen worden gekoppeld
aan de geologische opbouw. Een instrument om dit te doen is het gebruik van het
computermodel schlumbg. Dit model kan in kleine rekenkundige stapjes (iteraties)
bepalen welke specifieke weerstanden en welke laagdikten hebben geleid tot de gemeten
curve. De nauwkeurigheid kan worden vergroot door een naburige boring als ijkpunt te
gebruiken. In figuur 4 is als voorbeeld de grafische weergave van een serie metingen met
bijbehorende overgangen gegeven. Op het practicum zal een korte instructie gegeven
worden over het gebruik van schlumbg door de practicumdocent.
6
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
Figuur 4: Schermweergave van het computerprogramma schlumbg. Verloop van de
soortelijke weerstand (vertikaal) en diepte (horizontaal). De rechthoekige curve geeft de
modelmatig bepaalde overgangen weer.
7
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
Theorie doorlatendheid
De doorlatendheid is een maat voor het gemak waarmee water door een bodem kan
stromen. De poriegrootte is een van de factoren die van invloed is op de doorlatendheid
van een bodem. Over het algemeen geldt: hoe fijner de bodemtextuur, hoe slechter de
doorlatendheid.
bodemdeeltje
porie
bodemdeeltje
porie
Figuur 5: Schematische weergave van twee bodems. Boven een bodem met grote
bodemdeeltjes en poriën, onder een bodem met kleine bodemdeeltjes en poriën
De Wet van Darcy en de Wet van Ohm
De definitie van de doorlatendheid wordt afgeleid uit de Wet van Darcy. De Wet van Darcy
is vergelijkbaar met de wet van Ohm, die we hebben herschreven naar de stroomsterkte
over een draad:
∆U
ρ
l
= stroomsterkte (A)
= soortelijke weerstand, afhankelijk van het materiaal ( Ω m)
= oppervlakte van de doorsnede van de draad (m2)
= lengte van de draad (m)
I=
I
ρ
A
l
1
. A.
(7)
De wet van Darcy is opgebouwd uit dezelfde formule, met andere meeteenheden. Het
beschrijft hoeveel water (Q) er door een bodemkolom stroomt met een bepaalde
weerstand (R), waarover een verschil in energie (in onze termen stijghoogte, ∆H, zie
bijlage) aangelegd is:
Q=
∆H
R
(8)
8
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
De weerstand van de bodemkolom hangt af van de oppervlakte van de doorsnede en de
lengte van de kolom, en van het materiaal waar de bodem uit bestaat. Het omgekeerde
van de “soortelijke weerstand” van het bodemmateriaal noemen we de doorlatendheid en
geven we aan met k. De lengte van een bodemkolom kunnen we schrijven als ∆z, het
verschil in plaatshoogte (zie bijlage). Zo krijgen we de wet van Darcy:
Q = − k.A
∆H
∆z
(9)
Q = debiet (m3/ uur)
k = verzadigde doorlatendheid (m/uur)
A = oppervlakte van de bodemkolom (m2)
H = stijghoogte (m)
Z = plaatshoogte (m)
∆H
= stijghoogtegradiënt (#)
∆z
k, A en ∆z van een bodemkolom zijn constant, dus de hoeveelheid water die door de
kolom stroomt, is evenredig met ∆H. De hoeveelheid water die per tijdseenheid door
oppervlakte A stroomt wordt aangegeven door het debiet Q. De enige grootheid uit de
formule die we niet direct kunnen meten is de verzadigde doorlatendheid k van de bodem.
Grondwater
In de bodem zijn twee hydrologische zones te onderscheiden: de verzadigde zone en de
onverzadigde zone (zie figuur 6). In de verzadigde zone zijn alle poriën gevuld met water.
In de onverzadigde zone zijn sommige poriën gevuld met water en andere met lucht. De
verzadigde zone ligt onder de grondwaterspiegel, het water in deze zone heet dan ook
het grondwater.
Waterbeweging in de onverzadigde zone
We zullen niet ingaan op de waterbeweging in dit deel van de bodem. De waterbeweging
in dit deel is namelijk erg afhankelijk van het vochtgehalte, poriegrootte en de
aanwezigheid van wortel# of wormgangen die moeilijk te meten zijn en de doorlatendheid
sterk kunnen vergroten. We zullen ons alleen richten op de doorlatendheid in de
verzadigde zone.
9
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
porie met water
onverzadigde zône
porie met lucht
grondwaterspiegel
verzadigde zône
Figuur 6: schematische weergave van een bodem met een verzadigde en onverzadigde
zone
Energie in de hydrologie
Waterbeweging in de verzadigde zone van de bodem
De verplaatsing van water in een bodem vindt plaats onder invloed van energieverschillen.
Net als je voor andere voorwerpen op de aarde een energiebalans kunt maken, kun je dat
ook voor het water in de grond:
Etot = Ekin + Epot
Etot = totale energie
Ekin = kinetische energie
Epot = potentiële energie
Er is geen beweging wanneer Etot overal gelijk is. Omdat water maar zeer langzaam door
de bodem stroomt, is Ekin voor grondwaterbeweging verwaarloosbaar (Ekin = ½ m.v2). De
stroming wordt dus voornamelijk veroorzaakt door verschil in potentiële energie.
Plaatshoogte, drukhoogte en stijghoogte
Uit de natuurkunde kennen jullie twee formules voor de potentiële energie:
E=m.g.h
E=ρ
ρ.g.h
Potentiële energie door hoogteverschil
(Newton)
Potentiële energie door drukverschil
(wet van de Hydrostatische druk)
Formule 10a: Wet van Newton, 10b: Wet van de hydrostatische druk
10
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
In de formules die wij gaan gebruiken komen m.g en ρ.g niet meer voor. We hebben hier
aan beide kanten van de formule door gedeeld. Wij drukken de energie uit in hoogte. Wij
noemen dit de plaatshoogte en drukhoogte, die zijn afgeleid van de beide formules voor
de potentiële energie.
De totale potentiële energie is de som van formule 10a en 10b; de plaatsenergie en de
drukenergie. Deze Epot wordt in de hydrologie uitgedrukt in de stijghoogte, en is dus de
som van de plaatshoogte en de drukhoogte:
H=z+h
Etot=Epot,grav + Epot,druk (+Ekin)
H = stijghoogte [m]
z = plaatshoogte (t.o.v.
referentieniveau) [m]
h = drukhoogte (t.o.v. atmosferische
druk) [m]
Formule 11: Vergelijking voor de stijghoogte. Vergelijk met de formule ernaast
De stijghoogte kun je vergelijken met de hoogte tot waar het water stijgt in een buisje dat
op een bepaalde plaats in een kolom (bijvoorbeeld met water) is geprikt (zie figuur 7).
Deze hoogte geeft de energietoestand aan van het water op precies dat punt waar het
buisje in de kolom wordt geprikt.
?
hoogte
1
1/
2
0
?
?
z=?
h=0
z=?
h=?
z=0 h=?
Figuur 7 stijghoogte, plaatshoogte en drukhoogte. Hoe hoog stijgt het water in de
verschillende buisjes? Wat zijn de waarden van z en h?
De plaatshoogte is de hoogte boven een zelf gekozen referentiepunt. Meestal kiezen we
de plaatshoogte nul onderaan de kolom.
De drukhoogte is de druk ten opzichte van een referentieniveau. In de hydrologie wordt
de atmosferische druk als referentiedruk gebruikt, en is de drukhoogte dus nul bij de
waterspiegel (waar het water met de atmosfeer in aanraking komt). De drukhoogte geeft
in een kolom met water aan hoe hoog de druk is op een waterdeeltje dat zich op de
betreffende plaats in de kolom bevindt. Hoe verder onder water, hoe groter de
11
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
drukhoogte. Vergelijk dit met het zwembad: hoe dieper je komt, hoe groter de druk op je
oren.
Energie van het water in een bodemkolom
We kunnen nu met behulp van de wet van Ohm en de energie in de bodem de verzadigde
doorlatendheid bepalen. We splitsen de energie op in de stijghoogte, plaatshoogte en
drukhoogte en bekijken elk van deze factoren apart. We kunnen beredeneren hoe deze
drie energieën zullen veranderen in een kolom waar water met een constante snelheid
doorheen stroomt. In figuur 8 is zo’n kolom getekend. Er staat een laagje water op de
kolom om het water sneller te laten stromen (extra druk).
De stroming door deze verzadigde bodemkolom wordt bepaald door het energieverschil
tussen de onderkant en bovenkant van deze kolom. In figuur 8 is de onderkant van de
bodemkolom, punt 1, als referentieniveau voor de plaatshoogte genomen (z = 0). Als er
water door de kolom stroomt, dan is er aan de onderkant van de kolom een verbinding
met de atmosfeer. Daar is de drukhoogte dus nul. De stijghoogte is de som van de
plaatshoogte en de drukhoogte, dus op punt 1 is dit:
H1 = 0 + 0 = 0.
Op punt 2, de bovenkant van de bodemkolom, is de plaatshoogte de hoogte boven het
referentieniveau (z = L). De drukhoogte, de druk die het laagje water op de kolom
uitoefent, is gelijk aan de dikte van het laagje water (h = D). De stijghoogte is dus:
H2 = D + L
Het verschil in energie tussen de bovenkant en de onderkant van de bodemkolom is dus:
H2 – H1 = (D+L) – (0+0) = D+L
D
water
L
bode #
m
kolom
2 h = D, z = L, H =
D+L
1 h = 0, z = 0, H = 0
Figuur 8: een schematische weergave van een bodemkolom
Beschrijving
12
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
Voor het begin van het practicum wordt de klas in twee groepen verdeeld. Op het eerste
excursiepunt zal groep 1 de geo#elektrische analyse uitvoeren en zal groep 2 de
monsters nemen voor de doorlatendheidsproef. Op het tweede excursiepunt zullen de
groepen omwisselen.
De deelnemers verzamelen zich op de Nieuwlanden (Nieuwe Kanaal 11). Hier krijgen zij
een korte uitleg over de ontstaanswijze van de stuwwal en de uiterwaarden, en uit welke
lagen de bodems bestaan. Vanaf hier fietsen de deelnemers naar de eerste meetlocatie.
Op het eerste excursiepunt is 1 meetkarretje met geo#elektrische meetapparatuur
aanwezig. De meetapparatuur wordt getoond, en vragen die de deelnemers thuis
gemaakt hebben worden behandeld, evenals eventuele vragen.
De kabel wordt uitgerold en de elektroden worden volgens aanwijzing van de begeleider
de grond in gestopt. De stroom wordt er doorheen gevoerd en een meter geeft de
weerstand die tussen de verschillende elektroden gemeten wordt.
Op het invulformulier (zie verderop in deze tekst) vullen de deelnemers deze waarden in.
De formulieren worden aan het begin van de proef uitgedeeld.
De spullen worden weer opgeborgen en de deelnemers fietsen de berg af, naar de
Veerstraat. Er wordt een geschikt stuk gekozen om te meten, bij voorkeur langs een
sloot, en de proef wordt herhaald.
De deelnemers fietsen naar de Dreijen, het universiteitscomplex, en kunnen daar hun
lunch opeten. Na de lunch fietsen de deelnemers met de begeleider naar een
practicumzaal. Daar wordt uitleg gegeven over de doorlatendheidsproef en hierna worden
de metingen gedaan. In de PC#zaal wordt vervolgens een uitleg over het
computerprogramma ‘schlumbg’ gegeven. Na de berekeningen uit de tabel te hebben
uitgevoerd vullen de deelnemers in twee# of drietallen de meetresultaten in. Aan de hand
van de tabel 1 wordt een beschrijving gemaakt van de bodemopbouw op de 2 locaties.
Hierna volgt een discussie over de gevonden resultaten en de vergelijking tussen de twee
gebieden.
13
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
Werkwijze geo#elektrische meting
1: Leg de kabel uit over een recht traject. Iemand begint met lopen, zodra er zo’n 6
meter kabel is afgerold pakt een volgend persoon de kabel vast en gaat meelopen, dan
een derde persoon etc. (‘ganzenpas’). Dit om te voorkomen dat er teveel spanning op de
kabel komt te staan en hij over de grond wordt gesleept.
2: Wanneer de kabel volledig is uitgerold, worden de pennen in de grond gestoken. De
klemmen worden op de daarvoor bestemde plekken,
daar waar het rubber weg is, aan de kabel bevestigd.
Ter hoogte van de klem, dit is belangrijk omdat de
afstanden tussen de meetpunten exact bepaald
zijn, wordt vervolgens de elektrode diep de grond in
geduwd.
3: De grote zwarte knop midden op het houten bord
wordt op stand 1 gezet.
4: Het meetkastje wordt gekoppeld aan de kabel via
het houten bord:
N.B. let niet op de kleuren van de poorten; deze
komen niet overeen. De kabeltjes moeten elkaar dus niet kruisen bij de verbinding tussen
het meetkastje en de kabel.
4: De meting kan beginnen:
Druk op de groene knop: op het display verschijnt de weerstand voor combinatie 1. Vul
de waarde in op het invulformulier
Laat de groene knop los en draai de zwarte knop naar stand 2. Vul de weerstand in en
vul in op het formulier bij nr. 2.
Herhaal voor alle combinaties.
5: Als voor alle combinaties de weerstand is gemeten wordt het kastje weer losgekoppeld
van het bord. De elektroden worden uit de grond gehaald en netjes opgeborgen in de
kist. Tel ze na om zeker te zijn dat er geen in de grond achterblijven! De
deelnemers verdelen zich over de lengte van de kabel, pakken deze op en lopen mee
terwijl de kabel weer wordt opgerold.
14
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
Tabel 2: Invulformulier Geo#elektrische proef
Werkwijze doorlatendheidsproef
Voor het nemen van de monsters is een doos met materiaal aanwezig waarin onder
andere monsterringen zitten, een hamer, een verlengstuk (dat op de ring gezet moet
worden bij het in de bodem slaan van de ring) en kleine zaagjes. Belangrijk is dat bij het
nemen van de monsters nauwkeurig en voorzichtig te werk gegaan wordt! Hoe de
monsters genomen worden wordt op de excursiepunten gedemonstreerd.
Materialen
#
#
#
#
#
#
#
#
#
Ringmonsters gevuld met bodem
Statief
Maatcilinder (inhoud 250 ml)
Trechter
Buret
Maatkolf met stop en klem (marionettenfles)
Stopwatch
Liniaal
Rekenmachine
15
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
Figuur 9: proefopstelling met marionettenfles
Proefbeschrijving
Voordat de verzadigde doorlatendheid gemeten kan worden moet het monster eerst
worden verzadigd. Dit doen we door een buret langzaam boven het monster te laten
druppelen. Door te meten hoeveel water er zo in het bodemmonster gedruppeld wordt
kan ook het porievolume worden gemeten.
Schrijf al je antwoorden op je resultatenvel, let op de eenheden.
Stap 1:
Stap 2:
Stap 3:
Stap 4:
Meet de lengte (L) en bereken de oppervlakte (A) van de bodemkolom in cm
en schrijf deze op het resultatenvel. Gegeven: inhoud van het ringmonster
is 100 cm3
Plaats het ringmonster in de onderste klem.
Onder het ringmonster zet je een trechter en een maatcilinder om het water
op te vangen dat uit het bodemmonster stroomt.
Vul de maatkolf voor de helft met water, duw de stop er op, klem het
slangetje aan de stop dicht en hang de maatkolf ondersteboven boven het
ringmonster. Zorg dat die goed gesloten is! Let op: de opening van het
slangetje moet ongeveer 1.5 cm boven het bodemmonster zitten, zorg dat
het niet boven de tape uitkomt.
16
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
Stap 5:
Stap 6:
Stap 7:
Open het slangetje van de maatkolf en wacht tot er een stabiele laag water
op het bodemmonster staat. Meet de dikte (D) van deze laag.
Druk de stopwatch in op het moment dat er een stabiel waterlaagje op het
bodemmonster staat. Lees nu elke 4 ml de tijd af en stop de stopwatch
ondertussen niet. Doe dit ongeveer tien keer (of zolang de maatcilinder nog
niet vol is).
Sluit na het meten het slangetje van de marionettenfles
17
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
Resultaten
locatie: ……………………………..
L
A
D
Hoogte bodemmonster
Oppervlakte bodemmonster
Hoogte waterlaag
:
:
:
Invultabel waterdoorlatendheid
Volume water V
(cm3)
Tijd t
(s)
∆t
(s)
∆V
(cm3)
Q = ∆V/ ∆t
(cm3 /s)
18
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
Vragen
Vragen thuis voor te bereiden
1. Bekijk formule 5 en figuur 1. Waarom staat er een minteken in formule 5?
2. Leg aan de hand van formule 2 uit waarom de gemeten weerstand afneemt indien de
lengte tussen de elektroden toeneemt.
3. Wat gebeurd er met de afstand tussen de veldlijnen op de overgang van een
bodemlaag met hoge elektrische weerstand naar een bodemlaag met een lage
weerstand; neemt de afstand tussen veldlijnen toe of juist af? Leg kort uit waarom.
4. Zoals je in figuur 1 (rechts) kunt zien, zijn er vele wegen die een geladen deeltje van
de ene naar de andere pool kan volgen. Stel dat elektron A een 2x zo lange weg
neemt als elektron B, doet deeltje A er dan precies 2x zo lang over, minder dan 2x zo
lang of meer dan 2x zo lang. Leg uit.
19
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
20
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
Vragen tijdens geo#elektrische analyse
5. Bepaal aan de hand van je resultaten (tabel 2 en grafiek!) de exacte diepte van de
bodemovergangen
Vragen tijdens de doorlatendheidsproef
6.1 Vul de kolommen van de tabellen in (meet V en t en bereken hiermee de rest)
6.2 Bereken uit de laatste waarden van Q (die als het goed is na een tijdje constant wordt)
de gemiddelde waarde van Q
6.3 Vul deze gemiddelde waarde van Q en de hoogte van je waterlaagje in in de tabel op
de laptop
6.4 Reken met je gemiddelde waarde van Q de waarde voor k, de verzadigde
doorlatendheid uit de Wet van Darcy uit.
6.5 Reken de waarde van k om naar mm/dag (bedenk eerst in welke eenheid het nu
staat!)
Vragen voor na het practicum
7. Waar vind je de bodem met de grootste doorlatendheid?
8. Waar zullen de meeste problemen ontstaan met plasvorming
9. Hoe komen de gemeten doorlatendheden overeen met de uitkomsten van de geo#
elektrische proef?
21
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
Suggesties voor verder onderzoek
De ontstaansgeschiedenis van de stuwwallen en het binnenveld, waterstroming in de
bodem en de gevolgen voor de mens.
Zie voor meer informatie: http://www.vwo#campus.net
Onderwerpen voor je profielwerkstuk:
#
#
#
#
#
#
#
Bestudeer de waterhuishouding van Nederland (www.vwo#campus.net/suggestie/45).
Bestudeer wat nu bekend is over eventuele zeespiegelveranderingen in de komende
honderd jaar (www.vwo#campus.net/suggestie/43).
Is duininfiltratie een duurzame manier van drinkwaterzuivering? (www.vwo#
campus.net/suggestie/2)
Wat zijn de voor# en nadelen van drinkwaterwinning uit oppervlakte#, zee# en
grondwater? (www.vwo#campus.net/suggestie/3)
Welke maatregelen treffen waterschappen om de gevolgen van de klimaatverandering
(nattere winters en drogere zomers) op te vangen? (www.vwo#
campus.net/suggestie/48)
Welke rol spelen de EU, de nationale overheid, Rijkswaterstaat, provincies en
waterschappen, bij het maken en uitvoeren van plannen op stroomgebiedniveau?
Integraal waterbeheer, wat is dat? (www.vwo#campus.net/suggestie/47)
Zal het in de toekomst mogelijk zijn in Nederland rijst te verbouwen? (www.vwo#
campus.net/suggestie/22)
Documentatie
#
#
#
#
#
#
#
Dictaat Inleiding Bodem
Dictaat Bodemnatuurkunde en Agrohydrologie
Leerboek Basis Natuurkunde
Dictaat Integratievak bodem, water, atmosfeer
Handleiding “Spanning in de bodem”, VWO#Campus, Wageningen
Natuurkunde Overal, deel NT#3 (Elektrische velden)
Documentatie Multi#Elektrode Geo#elektrisch Apparaat (MEGA) (www.geodelft.nl)
Oriëntatie op vervolgonderwijs
Kennis van de opbouw van de ondergrond is van belang op vele terreinen. Zo leiden
verschillen in bodemsoort tot verschillen in de hoeveelheid water die in de bodem zit, of
de hoeveelheid water die eruit kan worden gehaald (voor drinkwater, beregening etc.). Dit
aspect van de kennis van de bodemopbouw komt met name aan bod in de opleiding
‘Bodem, water en atmosfeer’.
Niet elke bodemsoort is geschikt voor ieder type gebruik (wegaanleg, natuurontwikkeling,
bebouwing etc.). Daarom wordt kennis over de samenstelling van de bodem ook gebruikt
22
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
door de mensen die het land inrichten. Dat komt aan bod in de opleiding
‘Landschapsarchitectuur en ruimtelijke planning’.
Tenslotte zijn er mensen die alle informatie die beschikbaar is over de samenstelling van
de bodem beschikbaar moeten maken voor anderen (in de vorm van kaarten of data#
bestanden). Dat leer je in de interspecialisatie ‘Geo#informatiekunde’.
Opleidingen van Wageningen Universiteit die aansluiten bij dit onderwerp:
# Bodem, water en atmosfeer
# Landschapsarchitectuur en ruimtelijke planning
# Internationaal land# en waterbeheer
# Bos# en natuurbeheer
23
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
Bijlage I: De geologische ontstaansgeschiedenis van Wageningen en omgeving
Het Pleistoceen
Het Pleistoceen is de periode van 2,4 miljoen tot 10.000 jaar geleden. Kenmerkend voor deze
periode is dat er vele ijstijden en tussen#ijstijden zijn geweest. De afwisseling van vorst en dooi en
het voorkomen van ijs hebben grote invloed gehad op de geologische processen. De twee laatste
ijstijden hadden de grootste invloed op het Nederlandse landschap. Het Saalien, de een na laatste
ijstijd, duurde van 200.000 tot 125.000 jaar geleden. Daarna kwam het Eemien, een warmere
periode. Deze duurde van 125.000 tot 80.000 jaar geleden. De laatste ijstijd tot nu toe, het
Weichselien, eindigde 10.000 jaar geleden. De warme periode waarin we nu leven heet het
Holoceen (zie ook de geologische tijdstabel in de bijlage).
Saalien (200.000 # 125.000 BP)
Voordat in het Saalien het landijs in Nederland kwam, was Nederland een delta van de Rijn en
Maas. Deze twee rivieren hebben grote pakketten grind, zand, klei en leem afgezet.
Het Saalien is de enige ijstijd, waarin het landijs in Nederland kwam. In deze periode heersten
glaciale omstandigheden. IJs en water zijn de belangrijkste factoren die het landschap vormen. De
basis voor het huidige Nederlandse landschap is gelegd in het Saalien. De gemiddelde juli
temperatuur lag rond de 0°C en de zeespiegel lag meer dan 100 m. lager dan nu. Plaatselijk was
het ijs meer dan 200 m dik. De meest zuidelijke begrenzing van het landijs lag op de HUN#lijn,
Haarlem – Utrecht – Nijmegen. Het landijs was geen aaneen gesloten front, maar aan de voorkant
waren er verschillende ijslobben.
Ook bij Wageningen lag er een ijslob. Er zijn verschillende voortgangsfasen geweest. Er waren
warmere perioden waarin het ijs stilstond of zich zelfs terug trok. Deze werden gevolgd door
koudere perioden waarin het ijs zich verder naar het zuiden uitbreidde. Hoeveel er van deze
‘opmars#perioden’ geweest zijn, is niet duidelijk, er worden vijf
tot zes verschillende fasen erkend.
Invloed van ijs
De rivierafzettingen die er al lagen, werden door het landijs opgestuwd en scheefgesteld. Deze
opgestuwde pakketten zijn de stuwwallen. In de omgeving van Wageningen schoof in het midden
van het Saalien een ijslob op de plaats van de huidige Gelderse Vallei naar het zuiden. Hierbij werd
de ondergrond weggeperst en er ontstond een diepe bekkenvormige depressie, het tongbekken
van de Gelderse Vallei. Aan de zijkanten en aan de voorkant van de ijslob werd de grond
opgestuwd. Hier werden de stuwwallen gevormd.
Tijdens de excursie wordt de stuwwal aan de oostzijde van de Gelderse Vallei bezocht. Deze loopt
van Wageningen via Ede naar Lunteren. De stuwwal die aan de zuidkant van de Gelderse Vallei zou
moeten liggen, is door de Rijn weggeërodeerd. Door de werking van het landijs ontstonden tijdens
het Saalien hoogteverschillen van meer dan 200 m. Deze zijn later door verschillende processen
verminderd. Behalve stuwwallen en tongbekkens hebben de gletsjers nog meer sporen
achtergelaten. IJs heeft een groter transporterend vermogen dan water. Het neemt net zo goed
bevroren stukken van de ondergrond mee als blokken die ergens van een helling op de gletsjer
rollen. Zo wordt allerlei materiaal door het ijs meegenomen en uiteindelijk als een grondmorene
(keileem) onder het ijs
afgezet. Keileem is een slecht gesorteerde en dichte afzetting waarin componenten van sterk
verschillende grootte voorkomen. Stel het je voor als een bed van meegenomen gruis en stenen
24
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
en opgenomen bevroren plakken grond van de bodem waar de gletsjer over heen is geschoven.
In de omgeving van Wageningen komt keileem plaatselijk voor op de bodem van het tongbekken
en tegen de flanken van de stuwwal. Het is hier niet zo duidelijk aanwezig als in het noorden van
Nederland.
Invloed van water
Aan het einde van het Saalien begon het warmer te worden en de gletsjers smolten. Het
smeltwater van de gletsjers stroomde voor een deel oppervlakkig af langs en over de stuwwal.
Het water dat over de stuwwal stroomde nam zand en grind mee dat onderaan de helling bleef
liggen, als een zich steeds verder uitbreidende spoelzandwaaier, ook wel sandr genoemd.
Hierdoor zijn de stuwwallen met enkele tientallen meters geërodeerd. Kenmerkend voor
spoelzandwaaiers zijn de afwisseling van laagjes zand en grind en de afwezigheid van klei.
Doordat klei fijner is, werd dit verder meegenomen door het water en afgevoerd naar grotere
rivieren. Ook is aan de andere kant van de stuwwal (in het tongbekken) hetzelfde materiaal tot 20
meter dikte afgezet. Het tongbekken werd dus voor een deel opgevuld. Spoelzandwaaiers hebben
aan het oppervlak een geringe helling en zijn goed doorlatend en draagkrachtig. Het is een
fluvioglaciale afzetting. Andere fluvioglaciale landvormen zijn de oerstroomdalen. Tijdens het
voorjaar en de zomer moest voor de ijskap langs een grote hoeveelheid smeltwater worden
vervoerd. Deze afvoer verliep door de oerstroomdalen. Het zijn brede dalen met een vlakke
dalbodem, waarin een vlechtend riviersysteem lag. Op de plaats van de huidige Rijn, Waal en
Maas lag vroeger het oerstroomdal van de Rijn.
Eemien (125.000 # 80.000 BP)
Het Eemien is een tussen#ijstijd, ofwel een interglaciaal. De ijskappen smolten en de zeespiegel
lag enkele meters hoger dan nu. Op de fluvioglaciale afzettingen zijn in het noordelijk deel van de
Gelderse Vallei zeekleilagen afgezet. Meer naar het zuiden worden de afzettingen dunner en
bestaan ze uit zoetwater klei# en zandlagen afgewisseld met veenlagen. De dikte in het gebied
loopt uiteen van maximaal 10 meter in het noorden tot vrijwel afwezig in het zuiden. Het
tongbekken werd zo verder opgevuld en het reliëf uit de Saalien ijstijd verder afgevlakt.
25
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
Weichselien (80.000 # 10.000 BP)
Na het Eemien brak de, tot nu toe, laatste ijstijd aan: het Weichselien. Tijdens deze ijstijd bereikte
het landijs Nederland niet, maar er heersten periglaciale omstandigheden: geen landijsbedekking,
gemiddelde juli temperatuur < 10°C, permafrost, neerslag in de vorm van sneeuw, begroeiing
schaars (toendra) of afwezig (poolwoestijn).
Invloed van de wind
In een poolwoestijn is wind een belangrijke geologische factor. Wanneer het landschap in een
streek ligt, waar de klimaatsgordels verschuiven en versmallen, vergroot dat de
luchtdrukverschillen en komen er sterkere winden voor. In Nederland waar de ondergrond vooral
uit losse sedimenten bestond, zijn zandverstuivingen kenmerkend voor de periglaciale tijd. Tijdens
het Saalien en het Weichselien zijn de oude rivierafzettingen, spoelzandwaaiers en stuwwallen
sterk door de wind aangetast. Het verstoven zand werd als een deken over Nederland afgezet,
soms vlak, soms in ruggen. Deze afzetting wordt dekzand genoemd en is eolisch. Vooral in de
lagere delen bleef het zand liggen, omdat
daar meer beschutting was. Hier zijn dan ook de dikste dekzandpakketten te vinden. In de
Gelderse Vallei zijn pakketten tot 15 m dikte afgezet. Vooral in het oostelijk deel van de Gelderse
vallei ligt veel dekzand. Dit komt doordat de wind overwegend westelijk was en veel zand tegen de
oostelijke stuwwal werd aangeblazen. Ook op de stuwwallen is dekzand afgezet, maar door de
hoge ligging, is het zand weer weggewaaid. Kenmerkend voor dekzand is dat het goed
gesorteerd is en uit fijne deeltjes bestaat. De afstand tussen waar het zand wegstoof en weer
werd afgezet was vaak klein. Het is een lokale of
regionale afzetting.
Invloed van water
In het midden van het Weichselien was het klimaat koud en nat. Bestaande sedimenten zijn door
sneeuwsmeltwater verspoeld geraakt en opnieuw gesedimenteerd. Fluvio#periglaciale afzettingen
bestaan uit leem#, fijn zand# en grof zandlaagjes. Het ontstaan van dit pakket is gevarieerd: er
komen o.a. beekafzettingen en verspoelde dekzanden in voor. Ook komt hellingmateriaal voor. Dit
is materiaal dat door gelifluctie van de stuwwal is afgegleden en vervolgens verspoeld is. De delen
van Nederland waar de bovenstaande Pleistocene afzettingen aan het oppervlak liggen, worden
glaciaal en periglaciaal beïnvloedde landschappen genoemd.
Het Holoceen
Het Holoceen is 10.000 jaar geleden begonnen, toen de grote Scandinavische ijskap zich in
tweeën splitste. Het klimaat veranderde toen sterk. Het werd warmer waardoor de ijskappen
smolten, wat als gevolg had dat de zeespiegel en de grondwaterstand steeg en dat de vegetatie
veranderde van toendra en poolwoestijn in bos. Het Holoceen wordt door geologen als een
interglaciaal beschouwd. Het Holoceen wordt als apart tijdperk gezien en is geen onderdeel van
het Pleistoceen, omdat de mens invloed is gaan uitoefenen op zijn omgeving. Ondanks het feit dat
het Holoceen geologisch gezien zeer kort is, is de invloed op het Nederlandse landschap groot.
Het kust# en zeekleilandschap, het rivierenlandschap en het veenlandschap zijn ontstaan in het
Holoceen. Het Holoceen is ingedeeld in verschillende perioden. De indeling berust op
veranderingen in de vegetatie. Dit is bepaald aan de hand van pollenanalyse.
26
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
Preboreaal (10.000 # 9.000 BP)
Aan het begin van het Preboreaal was Nederland een grote zwak golvende zandplaat, die een
beetje afhelde naar het noordwesten. Alleen de stuwwallen staken er boven uit. Het klimaat werd
langzaam warmer en de permafrost verdween uit de bodem. De begroeiing kwam terug, behalve
in de rivierdalen, daar kon nog veel zand verstuiven. De vegetatie bestond voor een groot deel uit
planten die de kou goed konden verdragen.
Boreaal (9.000 # 8.000 BP)
In de loop van het Boreaal veranderde de vlechtende riviersystemen in meanderende
riviersystemen met de vorming van oeverwallen en kommen. Overal in het landschap kwam
begroeiing voor. In de kustvlakten en in de beekdalen groeide laagveen. Het klimaat bleef
ongeveer gelijk en het aantal boomsoorten dat minder goed tegen de kou bestand was, nam toe.
Atlanticum (8.000 # 5.000 BP)
Deze periode is vooral van belang geweest voor het kustlandschap. De Noordzee bereikte de
huidige kustlijn en zette in West en Noord Nederland zeeklei af. Tijdens periodes met weinig
overstromingen kon de veengroei zich weer uitbreiden. Het klimaat was waarschijnlijk iets warmer
dan het huidige klimaat.
Subboreaal (5.000 # 2.900 BP)
De activiteit van de zee nam af en daarmee ook het aantal inbraken. Overal in Nederland begon
het veen zich sterk uit te breiden. Op daarvoor gunstige plaatsen begon zich hoogveen te vormen
op laagveen. Ook op de slecht ontwaterde delen van de Pleistocene afzettingen begon zich
hoogveen te ontwikkelen. Het klimaat was ongeveer hetzelfde als in het Atlanticum. In de
samenstelling van de pollensoorten is invloed van de mens zichtbaar. Het percentage pollen van
graansoorten neemt toe.
Subatlanticum (2.900 # 0 BP)
Het Subatlanticum dat tot op het heden doorloopt, wordt gekenmerkt door activiteiten van de
mens. Veel hoogveengebieden worden ontwaterd en voor landbouw bestemd of tot turf verwerkt.
Door het ontwateren van veengebieden en kleigebieden treedt oxidatie en klink op, waardoor het
maaiveld verlaagd wordt. Door dijkenbouw worden overstromingen aan banden gelegd. In de
zandgebieden worden door middel van het potstalsysteem oude bouwlanden aangelegd (zie ook
hoofdstuk 3). In het Holoceen zijn twee afzettingen van belang: veenvorming en vorming van
rivierkleiafzettingen. Deze processen en hun invloed op het landschap worden beschreven in
hoofdstuk 2.
Het stuwwallenlandschap
De ijstijden hebben grote invloed gehad op de vorming van dit landschap. Het omvat de Utrechtse
Heuvelrug en de Veluwe. De stuwwal van Wageningen en Ede hoort bij de Veluwe. De Veluwe is
opgebouwd uit een aantal stuwwallen, waarvan de hoogste tot 100 m+NAP reikt. De stuwing van
de Veluwe is in een aantal fasen gebeurd vanuit de Gelderse Vallei en vanuit het IJsseldal. Door de
27
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
stuwing is de oorspronkelijk horizontale gelaagdheid scheef gesteld. Dit is van invloed op de
hydrologie en er is op kleine afstand grote variatie in de bodem. Het materiaal dat door de
ijslobben vooruit en naar de zijkanten werd gestuwd bestaat voornamelijk uit grind en zand,
afgezet door de Rijn en de Maas. Aan het eind van het Saalien werd een deel van de gestuwde
sedimenten door smeltwater meegenomen en onderaan de helling neergelegd. Langzaam
ontstond zo een spoelzandwaaier onderaan de stuwwallen. Het zijn grofzandige en grindrijke
afzettingen die tot de komst van de kunstmest niet geschikt waren voor akkerbouw. In dit
landschap liggen de bodems ‘spoelzandvlakte’ (1) en ‘stuwwal’ (2).
Het rivierkleilandschap
Het rivierenlandschap kan geologisch gezien op twee manieren worden ingedeeld. Als er naar de
rivier gekeken wordt, zijn er twee soorten rivieren; meanderende rivieren en vlechtende rivieren.
Als er naar het landschap gekeken wordt, zijn er ook twee soorten landschap te onderscheiden.
Een landschap waar sedimentatie optreedt en een landschap waar erosie optreedt. Een
meanderende rivier is een rivier met één stroombedding. De rivier kronkelt, rustig stromend met
grote bochten, door het landschap. Een vlechtende rivier heeft niet één stroombedding, maar
vaak meerdere. De ene keer stroomt er meer water door de ene bedding de andere keer door
een andere bedding. In drogere perioden kan de rivier droogstaan, terwijl in nattere perioden het
water erg hoog kan staan en woest kan stromen. Het rivierenlandschap dat in de excursie
bekeken wordt is beïnvloed door de Rijn. Dit is een meanderende rivier. Een rivier gaat meanderen
als er aan drie voorwaarden zijn voldaan:
1. Het hoogteverval, ofwel het verhang, mag niet al te groot zijn.
2. Er moet een regelmatige aanvoer van water, debiet, zijn.
3. De bedding van de rivier moet opgebouwd zijn uit fijnkorrelig materiaal.
Als er aan deze voorwaarden niet wordt voldaan, gaat een rivier vlechten.
Het grootste deel van het Nederlands rivierenlandschap is een sedimentatie landschap. Voor de
Rijn en Maas geldt dit vanaf ongeveer Nijmegen tot aan de zee. Omdat dit binnen het
excursiegebied valt, zullen we ons hiertoe beperken.
In figuur 2.5 is te zien dat een rivierenlandschap dat niet door de mens is beïnvloedt uit drie
landschappelijke eenheden bestaat. Als eerste is er de bedding, waar de rivier door heen stroomt.
Verder zijn er de oeverwallen en de kommen. In de bedding is de stroomsnelheid van de rivier het
grootst. Hier worden de grootste deeltjes afgezet, zoals grind en eventueel stenen. Tijdens het
28
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
grootste gedeelte van het jaar stroomt de rivier hier. Alleen bij een overstroming stroomt de rivier
ook naast de bedding. Tijdens zo’n overstroming worden het dichtst bij de bedding de grovere
deeltjes afgezet, zoals zand en zavel, omdat deze het zwaarst zijn en dus kunnen bezinken bij
hogere stroomsnelheden. Verder van de bedding, waar de stroomsnelheid veel lager is, worden
de fijnere kleideeltjes afgezet. Vervolgens krimpt de grond door klink en oxidatie, waardoor het
maaiveld lager komt te liggen. Deze processen hebben meer invloed op klei dan op zand en
zavel, waardoor de klei sterker krimpt. Deze gronden komen dan ook relatief laag te liggen en
worden kommen genoemd, zie figuur 2.5. De zandige afzettingen zijn de oeverwallen. Onder
geschikte omstandigheden kan in de kommen veen gevormd worden. Vanaf ca. 1200 na Chr.
Heeft de mens op de oeverwallen dijken opgeworpen tegen overstromingen. Het gebied tussen
de dijk en de rivier, dat nu nog regelmatig overstroomt, wordt uiterwaarden genoemd. In dit
landschap liggen de bodems ‘stroomruggen in het rivierenlandschap’ (5) en ‘komgrond in het
rivierenlandschap’ (6).
29
Natuurkunde in de bodem
Een geoelektrische analyse en de wet van Ohm toegepast
Bijlage II: Geologische tijdschaal
30